木村洋行、超薄型ボールベアリング、電動アクチュエータをロボット分野で適用展開
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kat
2021年03日30日(火)
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木村洋行（https://premium.ipros.jp/kimurayoko/）は長年にわたり販売に携わってきたケイドン社の超薄型ボールベアリングと、2020年から取扱いを開始したEWELLIX（エバリックス）社の電動アクチュエータについて、ロボット分野での適用拡大を推進している。
ここでは、それら製品技術の適用の利点について紹介するとともに、その利点を活かしたロボット分野での各種アプリケーションや、日本国内における今後の展開などについて紹介する。
超薄型ボールベアリング
概要と特徴
1941年に創業されたKAYDON（ケイドン）社は、1950年代に世界で初めて超薄型ボールベアリング（Reali-Slimシリーズ）を開発し量産を開始した唯一の専門メーカーで、現在はSKFグループとして超薄型ボールベアリングを中心に、あらゆる用途に応じたカスタムベアリングの開発も手掛けている。
内径が大きくなっても断面サイズが一定の
ケイドン超薄型ボールベアリング
ケイドン超薄型ボールベアリングは内径25.4～1016mmまでのサイズをくまなくラインナップしている。最大の特徴はベアリング断面が超薄型であるため、装置に占めるベアリングのスペースを最小化でき、装置全体の省スペース・軽量化が図れるため、設計の自由度が向上する点が挙げられる。一般的なISO規格・JIS規格のベアリングでは内径が大きくなるのに比例して断面サイズも大きくなるのに対し、ケイドン超薄型ベアリングは断面サイズでシリーズ化されており、内径が大きくなっても同じシリーズ内であれば断面サイズは変わらない。
ケイドン4点接触型ベアリング
超薄型ボールベアリングは塗装・溶接ロボットから半導体搬送ロボット、多関節ロボット、人型ロボット、さらには宇宙環境用ロボットまで様々なロボットに適用されている。適用事例の詳細はこちらの記事を参照いただきたいが、ロボットでの採用理由としては装置の小型・軽量化を図れることや、ボールベアリングであるために起動トルク・回転トルクが軽くて非常に安定しており、高い回転精度を実現できることが挙げられるほか、4点接触型ベアリングによるメリットも大きい。
ケイドン超薄型ボールベアリングには、ラジアル荷重を受ける深溝型（Type-C）と通常は2列以上の複列で用いてラジアル荷重、アキシアル荷重とモーメント荷重の複合荷重を同時に支えることができるアンギュラコンタクト型（Type-A）、この複合荷重を単列のベアリングのみで受けられる4点接触型（Type-X）がある。
超薄型ボールベアリングの種類
ロボット関連ではラジアルやアキシアル荷重のほか、高いモーメント荷重も同時に掛かる複合荷重のアプリケーションが多いため、ケイドン超薄型ベアリングではアンギュラコンタクト型の2列背面組み合わせや4点接触型が用いられる。特にケイドン社が世界に先駆けて開発した4点接触型では、上記の高い複合荷重を単列で同時に受けることができるため、装置設計をさらにコンパクト化・軽量化でき、ベアリング使用点数の削減がそのままコスト削減にもつながる。
一方、通常のISO・JIS規格のベアリングは内径を大きくするほど断面寸法も大きくなるため中空シャフトを使用しにくく、必然的に従来型のソリッド・シャフト（キングポスト・タイプ）を使用せざるをえないケースが多くなる。ロボットのように複合荷重を受ける用途ではさらにアンギュラコンタクト型を2列の組み合わせで使用するため、軸方向の長さが増すなど、設計自由度に制約があった。これに対し、ケイドン超薄型ベアリングの中でも複合荷重を受けられる4点接触型を使用すれば、大口径中空シャフトへの置き換えが可能になるだけでなく、単列仕様にできるため軸方向の長さを更に短縮できる。気体・液体の配管類、あるいは電気配線やスリップリング等を中空シャフト内に収納できるなど、フレキシブルで効率的なデザインにできる。
左図のソリッド・シャフトから右図の4点接触型・超薄型ベアリングを使用した中空シャフトへの移行例
（ISO 7010組み合わせベアリングからの置き換え事例）
キングポストデザインのISO 7010組み合わせベアリングから4点接触型超薄型ベアリングで中空シャフトを用いた機構への置き換えではまた、内径寸法を大きくできるため耐モーメント荷重を50％程度向上させている。
回転軸に垂直に加わるラジアル荷重を支えるよう組み付けられたベアリングでは、例えばISO 6010深溝ボールベアリングでは下部約150°の範囲の転動体で荷重を分散支持しているが、ケイドン4点接触型では同じ荷重分布でラジアル荷重を支持しつつ、80％以上の軽量化・省スペース化を実現できる。
典型的なラジアル荷重負荷分布での、
ケイドン4点接触超薄型ベアリングとISO 深溝ボールベアリングとの比較ウルトラスリム・ボールベアリング
上述のとおり超薄型ベアリングでは必要な負荷容量を確保しつつ、例えばISO 6010ベアリングとの比較では80％以上のコンパクト化・軽量化や設計の自由度向上を実現しているが、近年では、さらに薄型断面が必要な用途に対して、世界最小断面寸法 2.5 x 3.0mmの「ウルトラスリム・ボールベアリング」を提案している。同じ内径寸法で比較するとISO 6010ベアリングに比べ重量99.9％減、体積97％減を実現できる。
同等の軸径でのベアリングサイズの比較イメージ
（一番左と真ん中がケイドン製、右が一般的なISO規格品）
ケイドンは超薄型ベアリングのパイオニアで、現在では「超薄型」を謳う後発のメーカーも出てきているが、ケイドンが実施した寿命試験結果を見ると、他社製品は極端に耐久性が低いことが分かる。ケイドン超薄型ベアリングは長年にわたる品質向上のための技術や製造上の工夫などの蓄積によって超薄型ながら高い負荷容量、長寿命化を実現している。ベアリングは各種機械を安定稼働させるための主要な機械要素であるため、ベアリングの突然の故障に伴う機械・ラインの突発停止などがない、生産効率向上につながる信頼性の高いベアリングを選定していただきたい。
軸受のL10定格寿命試験結果の比較
電動アクチュエータ
概要と特徴
木村洋行では2020年1月から、スウェーデンに本社を置くEWELLIX（エバリックス）社の直動製品の取扱いを開始している。エバリックス社は、SKFグループだったSKF Motion Technologies社を前身とする直動製品メーカーで、アプリケーションごとのニーズに合わせたカスタマイズのソリューションに定評がある。
特徴のあるピラー型電動アクチュエータは、ストローク長や荷重、速度、偏荷重など、アプリケーションごとの仕様条件に合わせた提案が可能で、高荷重という厳しい仕様条件に対応しながらも、低騒音かつ堅牢さが求められる厳しいニーズにも対応できる。
ピラー型電動アクチュエータ
ロボット分野での適用
協働ロボットの垂直方向の動作範囲拡大
ユニバーサルロボット（UR）社とのコラボによる6軸協働ロボットのアクセサリとして、ピラー型アクチュエータを協働ロボット用にカスタマイズし、協働ロボット自体を垂直方向に動作させることにより、URロボットの垂直方向だけでなく半径方向の作業動作範囲を拡大できる「LIFTKIT」を提案している。LIFTKITの垂直方向の最大ストローク長は500～900mmで、最大許容荷重は1500N。
URロボットの基台としてピラー型アクチュエータである「LIFTKIT」を使用することで、設置面積を抑えつつロボットの昇降移動を実現でき、ロボットのアームリーチの有効範囲が立体的に拡大できる。これにより協働ロボット単体の時と比較して、倉庫でのパレタイジング作業などにおいて作業効率を飛躍的に向上できる。
現在ではUR以外の日本製を含めた協働ロボットとピラー型アクチュエータとの共用も可能にしている。PLCを介してピラー型アクチュエータとロボットの両方を統合制御でき、LIFTKITと同様に他社製の協働ロボットの動作範囲拡大が可能になっている。
LIFTKITによるパレタイジング作業例
協働ロボットの水平方向の動作範囲拡大
ユニバーサルロボット社の公式UR+アクセサリとしてはLIFTKITと同様に、単軸横置アクチュエータに協働ロボットを接続し、搬送やピック＆プレースなどロボットの水平方向の動作範囲を拡大でき、作業効率を飛躍的に向上できる「SLIDEKIT」を提案している。SLIDEKITの水平方向のスライド長は100～1800mmで、最大許容荷重は10900N（動的）と12100N（静的）、最大動的モーメント荷重は2400 Nm（Mx）、1800 Nm（Mz）。
SLIDEKITを用いたピック＆プレース作業例
ニーズに応じてSLIDEKIT上にLIFTKITを載せて併用することも可能であり、その場合URロボットの垂直方向と水平方向の動作範囲を大幅かつ同時に拡大できる。
SLIDEKITでも逐次改良が進み、より省スペース・コンパクト化しつつ高剛性化が図られているほか、動作音がより静かに改善されている。
遊星型ローラースクリューによる高負荷条件下での精密駆動
エバリックス社の直動製品としては、遊星型ローラースクリューにも特徴があり、ねじとねじとのしゅう動という構造によって高剛性化を実現している。同サイズのボールねじよりも高荷重を受けられ、動定格荷重3994kNまで対応できるため、コンパクト化と耐久性の向上（長寿命化）が図れる。
エバリックス社ではローラースクリュー単体での提案だけでなく、エバリックス社製アクチュエータ内部のボールスクリュ―をローラースクリューにすることで、さらなる性能向上を図り、以下のようなロボットでも適用されている。
遊星型ローラースクリュー
自動車の製造ラインで稼働する溶接ロボットでは、その多くがエア駆動アクチュエータによるワークの把持を行っているが、遊星型ローラースクリューを用いた電動アクチュエータに替えることで、必要とされるエネルギーを大幅に削減でき、生産コストの低減に寄与できる。
また、リベッティングロボットは通常、複数の異種合金製シートを変形・変質なく接合するのに用いられるが、ローラースクリューを使用したアクチュエータに置き換えると、リベッティング作業を高速化でき作業効率を向上できる。高硬度（60 HRC）の遊星ローラーねじを用いることで、リベッティング時の良好な耐衝撃性を実現している。
さらに、クリンチング接合ロボットで用いられるエア駆動アクチュエータから、遊星型ローラースクリューを用いた電動アクチュエータに置き換えることで、負荷や速度、位置決め精度などのパラメータの制御性を向上させ、接合品質の改善や省エネルギー化、メンテナンス周期延長を実現している。
リベッティングロボットへの適用例
今後の展開
製造現場において協働ロボットへのニーズが高まってきている中で、木村洋行では、協働ロボットの動作範囲を拡大できるエバリックス社のLIFTKITおよびSLIDEKITのメリットをアピールしていくとともに、省エネルギー化だけでなく、高い位置決め性能と耐荷重性能向上を実現できるローラースクリューや、それを用いた電動アクチュエータの提案を進めていく考えだ。
一方、産業用ロボットで多用されるクロスローラーベアリングに比べボールベアリングのため軽くて安定した起動トルクと回転トルク、高い回転精度を実現できるケイドン超薄型ベアリングの利点を訴求していく。
ケイドン社、エバリックス社ともに専用工場を有し、ニッチなアプリケーションにも対応可能な小ロットからのカスタマイズに対応しつつ入手性も良好な一方で、世界第一位のベアリングメーカーであるSKFのノウハウ・知見を注入した基礎研究や生産技術を利用したものづくりを進めている。
木村洋行では以前より、機械を正常に稼働させるための技術的サポートを重視しているが、ケイドン社、エバリックス社の各種製品の特質を生かし、量産時に本来の機能を発揮できる正しい使い方をユーザーに伝達・提案していくことで、現場の様々な課題の解決に努めていく。
機械・要素技術
ベアリング＆モーション
