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メカトロニクスのメカニズム技術:メカトロニクスの基礎知識3

メカトロニクスの基礎知識

更新日:2018年12月13日(初回投稿)
著者:株式会社プラチナリンク 代表取締役社長 西田 麻美

前回は、メカトロニクスの構成要素を説明しました。メカトロニクスの製品設計で考えるのは、メカニズム、アクチュエータ、センサ、制御の4要素です。それぞれ適したものを選定し、組み合わせます。最初に決めるのが、メカニズムです。メカトロニクスのメカニズム技術について解説します。

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1. メカニズムとは?

メカニズム(Mechanism)とは、昔は機構や機構学と訳されていました。近年は、広義に部品同士で運動を伝える機械要素と捉えられています。部品が部品に運動を伝えるときは、直進(並進)、回転、揺動(旋回)の3つの単位動作を組み合わせます。図1はメカニズムの代表例で、回転から直進運動に変換するスライダ・クランク機構と、回転を揺動運動に変換するてこクランク機構です。回転するリンクはクランク、揺動するリンクはてこと呼ばれ、同じリンクでも運動や役割によって名称が変わります。

図1:スライダ・クランク機構とてこクランク機構

図1:スライダ・クランク機構とてこクランク機構

メカニズムにより物体を動かせる方向の数を、自由度といいます。クランク(回転)側を原動節、運動が伝達されるスライダー(直進)やてこ(揺動)を従動節としたとき、従属節はそれぞれ一つの方向にしか運動しないため、1自由度となります。例えば人間の腕の場合は、肩の前後と上下の2つ搖動と腕全体の旋回で3自由度、肘の曲げ伸ばしの搖動と肘から先の前腕を回す旋回で2自由度、手首の曲げ伸ばしの搖動と横に振る搖動で2自由度。合計で7自由度となります(図2)。

図2:人間の腕の自由度の数え方

図2:人間の腕の自由度の数え方

2. メカニズムの役割

以前の機械システムの主流は、カムやリンクなどの機械要素部品を複雑・緻密に組み合わせたからくりでした。これは、ほとんどがメカニズムにより構成されていました。近年のメカトロニクス製品は、電子制御が多く使われています。しかし、エレキやソフトの技術だけで、製品を作ることはできません。直接ワークに触れたり、物理的に作業するのは、メカニズムです。これは昔と変わりません(図3)。メカニズムは、メカトロニクスにおいて重要な役割を持っています。

図3:からくりとメカトロニクスにおけるメカニズム

図3:からくりとメカトロニクスにおけるメカニズム

メカトロニクス製品をきちんと動作させるためには、基本機能を決定し、それを実現するメカニズムを選定する必要があります。人や物を移動させる製品であれば、アクチュエータから車輪やプロペラに対して、駆動力や回転を伝える機構が必要です。ロボットでは、伝達機構で力・速度・位置を調整し、特定の作業をさせるための骨格が必要になります。

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3. メカニズムの部品群

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