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2021/09/17 15:37:29 プライベート♪
ステッピングモーターとは
1.ステッピングモーターとは何か、その原理と構造
ステッピングモーターとは、パルスモーターとも呼ばれ、パルス信号に同期して動作するモーターのことです。パルス信号の周波数に比例して回転速度が変化し、周波数を高めるとモーターの回転は速くなり、低くするとモーターの回転は遅くなります。

ステッピングモーターを駆動させるためには、駆動回路が必要になりますが、簡単な回路構成で正確な位置決め制御を実現することができるため、パルス信号によって回転角度・回転速度を正確に制御できるモーターとして、様々な装置に利用されています。

2.ステッピングモーターの特徴(メリット・デメリット)と用途
<メリット>
@ 小型・高トルク
A 制御が容易
B 低コスト
C 低い電源電圧にて駆動可能
<デメリット>
@ サーボボモーターに対して円滑性に劣る
A 負荷が大きすぎると制御が乱れる
以上のような特徴から、ステッピングモーターは小容量の位置決め用モーターして、産業用ロボット、コンピューター用途などに利用されています。

3.ステッピングモーターの種類
ステッピングモーターの種類には、VR型、PM型、HB型の3つがあります。

☆ VR型
VR型ステッピングモーターは、回転子(ローター)として歯車状の鉄心が利用されています。ステップ角度を小さくすることはできますが、トルクが小さいのが難点です。
別名、可変リラクタンス型とも呼ばれますが、現在ほとんど利用されておらず、最近注目されているスイッチトリラクタンスモーター(SRM)は、VR型をクローズドロップ制御したモーターです。

☆ PM型
PM型ステッピングモーターは、回転子に永久磁石が使用されているモーターです。永久磁石はギャップと対向するように配置されています。多極構造のステータを構成するため、一般的には、爪型の鉄板を持つクローポール構造をとっています。
安価である一方、着磁間隔を細かくすることに限界があるため、ステップ角度は小さくすることができません。

☆ HB型
HB型ステッピングモーターは、VR型とPM型両方の特徴を併せ持つ、つまり、鉄心と永久磁石の両方を回転子に持つモーターです。巻線は各磁極に集中的に巻かれ、固定子、回転子ともに小さな歯(誘導子)を持っています。
<駆動法による分類>
ステッピングモーターの駆動法は、巻線方式や励磁方式により分類することができます。駆動法は用途によって選定され、近年は高速で駆動する用途が増えているため、バイポーラ駆動が一般的です。

巻線方式によるステッピングモーターの駆動法には、ユニポーラ駆動、バイポーラ駆動とバイファイラ巻き駆動があります。

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2021/09/11 15:06:11 プライベート♪
サーボモータとは
一般的なモータが主に機器の動力源として連続回転に使われるのに対し、制御機構を備えるサーボモータは、一定の角度だけ回転して正確な位置で止まることができます。この特長を生かして、産業用ロボットの関節の位置決めからラジコン飛行機の舵の角度決めまで、産業やホビー分野などさまざまなシーンで機器の制御に使われています。

サーボモータの定義
サーボモータのサーボ(servo)は、いわゆる制御機構のことを指します。テクノロジーの領域では、制御する側をマスター(master)、制御される側のことをスレーブ(slave)と呼ぶことがありますが、サーボもスレーブも、ラテン語のServus(奴隷)に由来すると言われています。

つまり、サーボモータとは「言いつけどおりに忠実に働く」という意味合いで名付けられたモータのことを指し、回転位置や回転速度などを制御できれば、その仕組みにかかわらず「サーボモータ」と呼ばれます。

そのため、ステッピングモータやコアレスモータもサーボモータに含まれる場合もありますが、ここでは、エンコーダ(回転検出器)を備え、その情報を基にドライバで速度や位置(角度)を制御するタイプのサーボモータについて説明します。

サーボモータとステッピングモータの違い
ステッピングモータもサーボモータと同様に、外部からの信号により回転角度を制御する機構を備えていて、機器類の位置決めなどが可能ですが、次のような違いがあります。

制御方式
サーボモータはエンコーダ(回転検出器)によって回転位置を検知しており、エンコーダで検出した情報をコントローラへフィードバックすることで位置を制御します。このため精度の高い停止が可能であり、回転の停止中も位置がずれたときには元の位置に戻ります。一方ステッピングモータでは回転角度がパルス数に比例しており、ドライバがコントローラからこのパルス信号を受けることで位置を制御します。よって、位置を検知する機構を必要としませんが、位置ずれも認識できません。想定外の負荷変動などで脱調(指示された回転角度と、モータ回転の同期が失われた状態)が発生することもあります。

トルク/回転数
サーボモータは低速域から高速域まで安定したトルクを発生させ、高速運転も可能です。ステッピングモータは特に低速域で高いトルクを発生させますが、高速域ではトルクが減少するため高速回転には向いていません。

コスト
サーボモータは高価なロータリーエンコーダやサーボ制御装置(サーボドライバ)が必要になるため、ステッピングモータに比べると高価になります。

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2021/09/03 16:46:27 プライベート♪
3Dプリンターの素材、PLAとABSについて知ろう
今回は3Dプリンター初心者の方向けの情報として、一般的なFDM式3Dプリンター(安価で手軽なパーソナル向けの3Dプリンター)で主に使用されている2つの素材、「PLA」と「ABS」について書いていこうと思います。

今更かもしれませんが、皆さんは今使っている3Dプリンターでどの素材を使っているか意識していますか?

世の中にはメーカー推奨品から中国製のサードパーティ製品まで無数に3Dプリンター用の素材(=フィラメント)が存在しています。メーカーによっては推奨でなくカートリッジ式などで指定の素材しか使えないものもあるので、それを使っているという方も多いかもしれません。

例えば、XYZプリンティング社のダ・ヴィンチ1.0などの機種ではメーカーが販売しているABS樹脂しか使用することが出来ませんでした。メーカー指定品は機体に最適化されていますし色も豊富にあるので特に困ることはないかもしれませんが、やはり他社製フィラメントを使用したいという声があったのか、1.0Aという新しいモデルではPLA・ABSの両方に対応し、今年新たに発売された「プロフェッショナルモデル」と位置づけられたダ・ヴィンチProではその縛りが撤廃され、他社製ABSだけでなくPLA素材にも対応しました。

パーソナル向け3Dプリンター製品のパイオニア的存在、Makerbot社のReplicatorシリーズについては、ほとんどのモデルでPLA素材には対応しています。Replicator2Xという機種ではABS素材にも対応しました。Makerbot社では推奨のフィラメントを販売していますが、中にはもちろん他社製フィラメントを使用している人もいます。

PLA樹脂の特徴
PLA樹脂はポリ乳酸と呼ばれるもので、トウモロコシなどを原料にしたエコプラスチックです。

3Dプリント素材としてのPLAの特徴を簡潔に挙げると

・出力時の温度(≒融点)がABS樹脂に比べ低い

→低い温度での出力が可能(およそ180-230℃程度)。一方50℃程度の温度でも力が加わると歪んでしまう。

・反りにくい

→ABS樹脂に比較して。長いものや面積の大きく薄いもののプリントでは特に重要。

・硬い

→中々削れない。やすりがけなどの後加工が大変。

・靭性に乏しい

→硬いために限度を超えた力がかかると一気に割れてしまう。これは3Dプリント物全てに言えることだが積層方向に水平の力に対しては特に脆い。

ABS樹脂の特徴
対するABS樹脂の特徴と言えるのは以下の通りです。ABS自体は一般的なプラスチック製品に広く使われていますね。フィラメントも多少違えど近い特性を持ちます。

・出力時の温度(≒融点)がPLA樹脂に比べ高い

→高い温度でないと出力できない(230-260℃程度)。100℃くらいまでは変形しにくい。

・反りやすい

→温度が下がった時の樹脂の収縮量がPLAよりも大きいため。薄く長い、平たいものの出力は苦手。

・加工しやすい

→PLAに比べてやすりがけなどが格段に楽。サポート材を外すのも非常に容易。

・靭性がある

→PLAに比べやや柔軟性があるので、曲げや伸びに対しても耐性がある。

PLAとABSを比較するとこのようになります。

では、なぜ機種によってそれぞれの素材を出力できる、できないがあるのでしょうか。

まず言えるのは、ABSの方が3Dプリンターでの出力が難しい、ということです。理由としては先に挙げたように出力に高い温度が求められること――これはつまりノズルの温度を高く上げられなければいけないということ――があります。また、温度が急激に下がると出力中に大きく反ってしまうor割れてしまうため、造形エリア全体を囲うようにして高い温度を保ってやる必要もあります。造形物の定着と割れ防止のためには土台そして空間を温める機能、つまりヒーテッドベッドを装備した機体にしなければいけません。こうした機能を備えていないとABSの出力は困難なのです。

先に挙げたUP pulsやAfiniaはやや特殊で、ヒーテッドベッドは装備していますが造形エリア自体は囲われていません。反りを防ぐためパンチドボード(細かい穴の空いた土台)を採用して定着力を高めています。しかしそれでも造形物の割れは出てしまうことがあるようで、ユーザーの中には囲いを自作して使用している方もいます。

ABSは出力にやや難がある一方で、造形物の研磨しやすさや切削性は良好です。サポート材も簡単に外せます。出力がABS限定の機種は、こうしたメリットから3Dプリンターの性能を最大限発揮するためにABSのみという選択をしていると考えられます。

対してPLAは、出力が楽で非常に安定しているということが出来ます。ABSに比べ冷却時の収縮が少ないため反りや割れが起きにくく、またヒーテッドベッドや造形エリアの温度もABSほどの高温を求められません。一部製品ではヒーテッドベッドなしで糊やテープなどを用いて造形物を固定するものもあります。硬いので出力後に研磨したりする用途には不向きですが、安定して出力したいのであればPLAが最適でしょう。

目的別にすると……

・PLA

→デザインしたものの形状確認や、後加工の少ない実用品、大きいもの、耐摩耗性を確保したいもの向き

・ABS

→後加工で研磨などを行う試作品や、プラモデル・フィギュアのパーツ、稼働機構を持たせたいもの向き

となるでしょうか。

PLA・ABSそれぞれに得意なことがあるので、場面によって使い分けていけると良いですね。どちらか一方しか出力できない機種をお持ちという方も、ご自身の機体が使える素材ではどう出力するのが最適かを考えて運用するだけで、様々な課題が解決していくことと思います。

また、サードパーティ製の製品を使用して機体のトラブルが発生した場合ほぼ自己責任となります。注意しましょう。メーカーが推奨している素材は大抵機体の性能に最適化されるよう素材を調整したり、混ぜものをしていたりと、それなりの理由とクオリティの担保があります。

とはいえ、FDM式3Dプリンターでは他にも柔軟性のある素材や木や金属の混ぜ物が入った素材なども種類豊富にあります。そちらについてもまた後日ご紹介します。

今回はPLAとABS樹脂の特性に絞って紹介をしましたが、いかがでしたでしょうか。皆さんの3Dプリントのお役に立てば幸いです。

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