材料の話 チタン合金について

こんにちは、トロボです。

今回は材料についてのお話です。
ロボットではアルミ合金や鋼が使われることが多いと思いますが、ここではチタン合金について説明します。

チタン合金は文字通り、チタンを主成分とする合金です。チタンは鉄とアルミのちょうど間程度の比重で、金属の中でもトップクラスの非強度を持っています。さらに表面に酸化皮膜を作るため耐食性が良く、また熱にも強いという性質も持っています。
これらの特徴より、チタン合金は航空・宇宙機体をはじめ、スポーツ用品やメガネなど様々な分野で使用されています。特に航空機分野では、機体やエンジン部に多く用いられています。

そこで今回は、様々な種類のチタン合金とその性質について説明します。

純チタンの結晶構造は、低温域では六方最密構造(α相)ですが、882℃以上で体心立方構造(β相)になります。チタンにβ相安定化元素を加えていくと、常温でもβ相が存在するようになります。
常温でα相の割合が100%近いものをα型合金、β相の割合が100%近いものをβ型合金、また両者が共存するものをα+β型合金など呼びます。

以下にそれぞれの合金の特徴を挙げます。

α型合金

  • 高温強度・耐食性・耐熱性・クリープ特性などに優れる。
  • ヤング率がβ型よりも高い
  • 加工性が悪い
    • α型合金は、高温でも低温でも安定した強度を持ち、耐食性が良いため、ロケットなどの燃料タンクや航空機エンジン、プロペラシャフトなどに用いられます。ロボットを過酷な環境下(高温や海水など)で動かす場合、有効な材料となるかもしれません。

      β型合金

      • ヤング率が低い
      • 加工性に優れる
      • 熱処理により高強度化できる

      β型合金は、低ヤング率と高強度を生かして、ばねや釣具、メガネフレームなどに利用されます。あまり流通しておらず、加工業者でも手に入れるのが難しいようです。

      α+β合金

  • α型とβ型の間の特性をもつ。添加する金属の比率により特徴が変わる。
  • α+β合金の代表的なものとしてTi-6Al-4V合金(通称64チタン)があります。これはヤング率、強度ともに非常にバランスの良い特性を持っており、流通量も多いです。航空機の構造材を始め、スペースシャトルや原子力産業、医療用の人工骨など、様々な分野で用いられます。

    α、β、α+β合金は、おおよそ以下の表のようにα相とβ相の比率に従って特性が現れます。α,β安定化元素の割合をそれぞれ調整することで必要な特性を得ることができます。

    これらの合金の特性とは違う、特殊な性質を持つ合金についても説明します。

     

    Ni-Ti 合金(形状記憶合金)

    形状記憶合金は、形を変えても一定温度以上になればもとの形に戻る金属です。

    その中でも多く実用されているものがNi-Ti合金です。一定の温度(変態温度)より高温側ではオーステナイト相、低温側ではマルテンサイト相になっています。マルテンサイト相に一定以上の応力を加えると、除荷後にもひずみが残ります。しかしここで変態温度以上に温度を上げると、オーステナイト相になり、ひずみが解消されます。これを形状記憶効果と言います。

    この変態温度以上では、応力を加えて通常の弾性域の10倍程度まで変形させても除荷すると元の形に戻ります。これを超弾性効果と言います。この時、応力に対して以下の図のように非線形的なひずみを示します。

    この変態温度は、ニッケルとチタンの割合を変えることで変えることができるので、室温で変態温度以上になるようにすれば、室温で超弾性の性質を使うことができます。

    Ni-Ti合金は、形状記憶効果を活かしたばねや内視鏡、超弾性効果を活かしたメガネフレームやアンテナ、歯科矯正などに用いられています。

    超弾性を活かし、ロボットの指先などに使うこともできるかもしれません。

    引用:(株)豊田中央研究所公開資料

    ゴムメタル

    ゴムメタルは豊田中央研究所により開発されたβ型チタン合金の一種で、Mg合金並の低ヤング率と塑性変形を始める応力が1GPa以上と高く、非常に弾性範囲が広い合金です。加工性や耐食性にも優れ、幅広く使用されています。

    ゴムメタルは冷間加工しても全く加工硬化せず、延性も低下しません。熱処理された状態だとヤング率・強度ともに高いものとなるのですが、冷間加工を施すことにより、低ヤング率の超弾性特性が現れます。

    ゴムメタルは、メガネのフレームを始め、歯科矯正、ネジ、ゴルフクラブなどに利用されています。

    ロボットの代表的な使用例としては、早稲田大学のTWENDY-ONEがあります。関節部の受動柔軟機構にゴムメタルが使用されており、人間のような柔らかさを実現しています。

    https://www.jstage.jst.go.jp/article/jrsj/31/4/31_31_347/_pdf

    引用:(株)豊田中央研究所公開資料

    以下にそれぞれの主要特性と、特徴を示します。

    *弾性変形能:弾性変形範囲の伸びの割合

    同じチタンからなる合金でも、このように性質が大きく異なることがあるので、チタン合金を応用する際には、それらの性質を知っておく必要があるでしょう。

    チタンが金属材料として用いられるようになったのは比較的最近で、高価なためロボットであまり使われることはありませんが、今後これらの特性を生かしたロボットが登場してくるかもしれません。

    以上、少々特殊な材料のお話でした。

メカの話-減速機②

前回に引き続き,ハーモニックドライブ®を使った設計に際して留意する点をお話させて頂きます.

簡単な原理説明

前回も簡単に紹介しましたが,ハーモニックドライブ®はウェーブジェネレータ(WG)・フレクススプライン(FS)・サーキュラスプライン(CS)の3部品で構成されています.

楕円形状のWGがFSの内側で回転し,その楕円形状に沿ってFSが変形,FSの外側にある歯とCSの内側の歯がくさびを打ち込まれるようにして次々に噛み合っていく,といった原理です.

ハーモニックドライブ®を選定する際の注意点

ハーモニックドライブ®を選定する際にまず重要なのは許容トルクです.(その他のギアを使用する際にも当然重要ですが)ハーモニックドライブ®の性質上,FSは弾性変形しながら動力伝達を行います.そのため,FSにかかる応力が特に重要になります.

金属材料には弾性域と塑性域が存在し,その境目の応力を降伏応力と呼びます.さらに繰り返し応力がかかる場合には金属の強度は公称降伏応力値の1/7~1/8まで(アルミ等の非鉄金属であれば更に)低下します.ハーモニックドライブ®,ひいてはロボットを長期間の使用に耐えられるようにするためには,この金属疲労について考えなければなりません.製品の技術資料の許容トルク,強度や寿命に関しての記載を参照しつつ,型番を選定する必要があります.

また衝撃等,過度な外部トルクが印加された際には,FSとCSの歯がずれてしまう「デドイダル」が発生してしまうので注意が必要です.

減速機としての使用法について

一般的には以下のように設計を行います.

WG:入力軸
FS:出力軸
CS:ハウジングに固定

この場合,減速比は公称値(1/50, 1/100等)となります.
これとは別に,

WG:入力軸
FS:ハウジングに固定
CS:出力軸

といった設計も考えられ,この場合には減速比が変わる(1/51, 1/101等)ので注意が必要です.

他にも入力軸と出力軸を入れ替え,増速を行うといった使い方も考えられますが,一般的ではないでしょう.

コンポーネントタイプとユニットタイプの差異

ハーモニックドライブ®にはコンポーネントタイプとユニットタイプがあります.

WG・FS・CSのみがバラバラの状態で納品されるのがコンポーネントタイプであり,この3部品に加え,ハウジング・シャフト・ベアリング・オイルシール等が高精度に組み上げられた状態で納品されるのがユニットタイプとなります.

薄型・中空・軽量タイプといったものから,半ユニット製品など,バリエーションも豊富にありますので,設計にあったタイプを選ぶことができます.

ハウジング周りの設計・組立について

弊社ではコンポーネントタイプを好んで使用しています.それはハウジングやシャフト等,周りの形状を最適に設計できるため,トルクセンサ・モータ・エンコーダ等,ロボットの構成要素を高密度に組み込むことができるからです.(ちなみにトルクセンサやエンコーダ基板は内製,モータもフレームレスモータを使用する等,他の要素周りにおいても最大限に高密度化を図っています.)

逆にハウジングやシャフト等の設計・加工・組立を自分で行う必要があるため,難しい点もでてきます.

ハーモニックドライブ®のアセンブリを考えた時に最も大切なのが各部品の組付け精度です.同軸度や直角度を厳密に出して加工する必要があります.技術資料に推奨公差が載っていますので参照しながら設計を行います.

更に,たとえ個々のパーツの精度が出ていたとしても組み込みの際に極小の金属片等が挟まってしまったり,ボルトを均等に千鳥締めしなかったりなどしただけでモーションに大きな影響を与えてしまうことがあります.

精度が出ていないまま使用すると,バックドライブ(出力軸に力をかけて入力軸を回すこと)させた際に入力軸側180deg毎の周期で大きな脈動を感じるようになります.これはWGが楕円形をしているため,その周期で摩擦による大きなトルク変動が生じるのです.

ソフトウェアによる制振にも限界があり,そもそもハードウェア側で大きな振動が生じている状態ですと振動を取り切れない場合がほとんどです.高精度なロボットアームを製作するためにはソフト・ハード両面からトルク変動を抑制していくことが不可欠です.

 

以上,設計時に気にする点をざっと紹介させて頂きました.

より詳しいことを知りたい方はハーモニック・ドライブ・システムズ社のHPから製品の技術資料をダウンロードできますので,そちらをご参照ください.

メカの話-減速機①

こんにちは,トロボです.
今回からは少々メカの話をさせて頂きます.

ロボットに使用される駆動部として最も主流なのが電動モータです.制御性が良く,取り扱いが容易であることがその理由ですが,一般に電動モータの出力は高速回転・低トルクです.一方,ロボットに求められるのは低速回転・高トルクである場合がほとんどであり,この性質を変換する機構が減速機です.

今回はこの減速機,中でも精密駆動ロボットによく使われる
・ハーモニックドライブ®
・サイクロ®減速機
・RV®
の3種類について,ざっくりと紹介したいと思います.

ハーモニックドライブ®
ハーモニック・ドライブ・システムズ社の製品です.一般名称としては波動歯車装置と呼ばれる,金属の弾性を利用するという特殊な減速機です.

特徴は以下

・ノンバックラッシ
ハーモニックドライブ®は歯車の噛み合いが転がりではなく,次々にくさびが押し込まれるような独特な噛み合い方式によって,ノンバックラッシを実現しています.ちなみにより一般的な減速機であるプラネタリギアは1°ほどのバックラッシがあります.

・小型軽量
たった3部品から構成されており,コンパクトな機構です.大きさの観点からハーモニックドライブ®が選定されることも多いでしょう.中空製品が揃っている点もロボットに適していると言えます.可搬重量10kg以下の小~中型ロボットによく使用されており, Torobo,ToroboArmにも多く使用されています.

サイクロ®減速機
住友重機械工業社製の精密減速機です.図のように内接式遊星歯車機構と等速度内歯車機構を組み合わせた構造を持っています.偏心体を回転させることで,揺れ動く曲線板の動きを,カムを介して出力軸である内ピンに伝達しています.

特徴は以下

・ノンバックラッシ~低バックラッシ
原理的に(エピトロコイド平行)曲線板が外ピンの全てに常に接触しながら転がり接触するため,回転が滑らかで低バックラッシです.

・高剛性
上記と同じ理由により,高い出力軸の剛性を持っています.減速機に高負荷がかかった時,ねじれによる位置ずれが無視できなくなります.そのため高負荷環境下では剛性も精度に関わる重要な要素となります.

多数の部品を使用するため,ハーモニックドライブ®比較して大型となりますが,高剛性で衝撃にも強い点から,比較的大型のロボットで採用されています.

RV
ナブテスコ社製の精密減速機です.原理としてはサイクロ®減速機と似ており,クランクシャフト(偏心部)の回転によってRVギアを揺れ動かし,カムを介して出力軸に伝達しています.

特徴は以下

・低バックラッシ
第1減速部と第2減速部の入れ子構造を持つ減速機であり,減速比はそれそれの減速比の積となります.第一減速部がプラネタリギアと同じ構造を持っているため,バックラッシが発生しますが,出力軸でのバックラッシは1/(第2減速部の減速比)となるため,結果として低バックラッシとなります.バックラッシは1[arc min]以下(RV-006E 減速比103)とのこと.

・高剛性
サイクロ®減速機と同じく,同時噛み合い数が多いため過負荷に強い構造を持ちます.

・減速比が自在
第1減速部の歯数比を変えることにより容易に減速比を変えることができます.

ロボットなど精密動作に使われる減速機として,世界シェア60%を誇ります.最も安定性と信頼性をもつ精密減速機と言えるかもしれません.

 

以上,精密減速機3種類についての概要でした.

基本的には
小型・・・ハーモニックドライブ®
中型~大型・・・サイクロ®減速機またはRV®
といったところでしょうか.

Toroboでは主にサイズの面から,ハーモニックドライブ®を採用しています.
次回はこのハーモニックドライブ®について,設計の視点から改めて紹介したいと思います.