サーボモータ位置決め

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(サーボモータいちぎめ)

サーボモータ

サーボモータ位置決めとは、サーボモータを用いて機械や搬送物を指定した位置まで移動させ、正確に停止させる制御技術です。容器搬送、昇降装置、回転機構、充填ノズルの移動など、同じ動作を繰り返しながら一定の位置に停止させる必要がある設備で使用されます。

一般的なモータ制御が主に回転の開始・停止や速度調整を目的とするのに対し、サーボモータ位置決めでは、移動量、速度、加減速、停止位置を細かく制御します。サーボモータに備わるエンコーダから位置や速度の情報をフィードバックし、指令値との差を補正しながら動作するため、再現性の高い位置決めが可能です。

サーボモータ位置決めの仕組みと構成

サーボモータ位置決めシステムは、主にPLC、位置決めユニットまたはモーション機能、サーボアンプ、サーボモータ、エンコーダ、原点センサ、上下限・前後限などの検出機器で構成されます。

PLCから位置決めユニットやサーボアンプへ、目標位置、移動速度、加速時間、減速時間などの指令を送ります。サーボアンプはその指令に基づいてサーボモータを駆動し、エンコーダから戻る実際の位置情報と比較しながら、目標位置に到達するように制御します。

位置の指令方法には、基準となる位置からの移動量を指定する相対位置決めと、あらかじめ定めた座標上の位置を指定する絶対位置決めがあります。設備の構成や運転方法に応じて、複数の停止位置を登録し、品種や工程ごとに呼び出して使用することもできます。

主な用途と使用される工程

サーボモータ位置決めは、搬送、計量、充填、組立、検査など、位置とタイミングの管理が重要な工程で使用されます。代表的な用途には、次のようなものがあります。

容器やトレーを所定位置へ送る搬送装置
充填ノズルや計量機構の昇降・前後移動
複数の投入先を切り替える移動台車やトラバーサ
回転テーブルやラックの停止位置制御
検査装置や加工装置におけるワークの位置合わせ

例えば、複数の容器に順番に原料を充填する設備では、搬送機構を各充填位置へ移動させ、停止を確認してからバルブやフィーダーを動作させます。位置決め制御と計量・供給制御を連動させることで、誤った位置での投入や、移動中の供給を防止できます。

位置決め制御に必要な処理

原点復帰

設備の電源投入時や異常復旧後には、機械の基準位置を確定するために原点復帰を行います。原点センサを検出した後に低速で位置を補正するなど、機械構造やサーボアンプの仕様に応じて動作を設定します。原点が正しく確立されていない状態では、自動運転を開始させないインターロックも必要です。

速度と加減速の設定

移動速度を速くすると設備の処理能力を高められますが、急激な加速や停止は、機械への衝撃、搬送物のずれ、液体の揺れ、粉体のこぼれなどにつながることがあります。移動距離や負荷、機械剛性に合わせて、最高速度、加速時間、減速時間を設定することが重要です。

位置決め完了の確認

目標位置への指令を出しただけで次工程へ進めるのではなく、サーボアンプからの位置決め完了信号や、必要に応じて外部センサの検出を確認します。位置決めが完了しない場合や、設定時間内に到達しない場合は、設備を停止して警報を表示します。

設計・制御上のポイント

負荷と機械構造に合わせた機器選定

サーボモータやサーボアンプは、搬送物の質量、移動速度、加速度、慣性モーメント、減速機の有無などを考慮して選定します。容量が不足すると、位置ずれや過負荷警報が発生する可能性があります。一方で、モータだけでなく、ボールねじ、ベルト、ラック・ピニオンなどの駆動方式や、機械側の剛性、バックラッシも位置決め性能に影響します。

オーバーラン防止と安全対策

移動範囲の両端には、通常停止用のリミットセンサや、限界位置で停止させるオーバートラベルセンサを設けます。PLCによるソフトウェア上の移動範囲制限に加え、必要に応じてハードウェア回路でも停止できる構成とします。

扉やカバーが開いている場合、人が可動範囲に進入した場合、他の機構と干渉する可能性がある場合には、サーボモータの運転を許可しないインターロックを設けます。非常停止時の停止方法についても、設備の用途とリスクに応じた設計が必要です。

周辺機器とのタイミング調整

位置決め装置は単独で動作するのではなく、コンベア、計量機、供給機、シリンダ、ロボットなどと連動することが一般的です。位置決め完了、ワーク有無、クランプ完了、投入完了などの信号を相互に確認し、工程を進行させます。

タッチパネルには、現在位置、目標位置、運転速度、原点復帰状態、サーボ警報などを表示します。品種ごとの位置や速度を設定できるようにする場合は、誤入力の防止、設定範囲の制限、変更履歴の管理なども検討します。

ハカルプラスの対応

ハカルプラスでは、サーボモータ、サーボアンプ、PLCの位置決め機能を組み合わせた位置決め制御・速度制御に対応しています。必要な移動距離、停止位置、搬送物の重量、処理能力、周辺装置との取り合いを確認し、機械構造と制御方式を検討します。

サーボ機器の選定だけでなく、制御盤のハードウェア設計、PLCソフト設計、原点復帰やオーバーラン防止のインターロック、タッチパネル画面の設計まで一体的に対応します。計量機、充填装置、搬送装置などと組み合わせる場合には、位置決め完了後に供給を開始するなど、設備全体の動作に合わせて制御シーケンスを構築します。

また、品種ごとの位置・速度設定、運転実績や異常履歴の保存、上位の生産管理システムからの品種指示など、設備の運用に応じたシステム連携も検討できます。既設設備の更新では、現在のサーボ機器、PLC、機械構造、制御信号を確認し、更新範囲や移行方法を整理します。

よくある質問

Q. サーボモータとインバータで制御するモータは何が違いますか？

A. インバータは主に一般的なモータの回転速度を調整するために使用されます。サーボモータはエンコーダによるフィードバックを用いて、速度だけでなく位置や移動量を細かく制御します。繰り返し同じ位置へ正確に停止させたい場合は、サーボモータが適しています。

Q. 原点復帰はなぜ必要ですか？

A. PLCやサーボアンプが管理する位置と、実際の機械位置を一致させるためです。電源投入時や位置情報を保持できなかった場合には、原点センサなどを使って基準位置を確定します。原点復帰をせずに運転すると、停止位置がずれたり、移動範囲を超えたりする可能性があります。

Q. 位置がずれる原因には何がありますか？

A. 機械部の緩みや滑り、減速機のバックラッシ、負荷の増加、加減速設定の不適合、原点センサの位置ずれなどが考えられます。サーボ警報や現在位置を確認するとともに、機械側と制御側の両方を点検する必要があります。

Q. 複数の停止位置を登録できますか？

A. PLCやサーボアンプの仕様に応じて、複数の目標位置、速度、加減速条件を登録できます。タッチパネルから品種を選択し、対応する位置データを呼び出す構成も可能です。設定変更時には、入力範囲や設備干渉を確認する仕組みが重要です。

Q. 既設設備のサーボモータやPLCを更新できますか？

A. 現行機器の仕様、モータ容量、エンコーダ方式、配線、位置データ、機械との接続条件を確認したうえで、更新できる場合があります。生産停止期間や既存プログラムの移行、試運転方法も含めて更新計画を検討します。