球面ベアリングは、本質的にゼロバックラッシュではなく、それは、ベアリングタイプに組み込まれた特性ではなく、設計の結果です。球面ベアリングが提供するのは、自己調心性と荷重容量で、特定のジョイントが真のゼロバックラッシュを達成するかどうかは、ベアリングのクリアランス、プリロード、相手側の公差、そしてアセンブリ全体がどのように設計されているかに依存します。NASA自身のエンジニアリングガイダンスは、この点について明確で、球面すべり軸受は、高い精度を必要としない用途で、プリロードなしに、意図的なクリアランスをもって、頻繁に使用されます。精密なロボット工学は、まさに、そのクリアランスが許容されなくなる分野です。
なぜバックラッシュがロボット工学で本当の問題なのか
バックラッシュとは、部品間の望ましくない遊びの動きです。ロボットのジョイントが方向を変えるとき、その隙間のため、対向する面が実際に再び噛み合う前に、一方の部品がわずかに動きます。手工具では、ほとんど気づきません。精密な組み立て、機械加工、検査、半導体のハンドリングを行うロボットでは、その同じわずかな遊びが、位置決め精度の低下、再現性の悪化、振動と発振、制御ループの補正作業の増加、そして、ジョイントが方向を反転するたびに積み重なる、ツールセンターポイントの誤差につながります。
その影響は、誤差から下流に離れるほど、悪化します。ロボットの基部に近いジョイントでの、わずかな角度誤差は、そのジョイントからエンドエフェクターまでの、すべてのリンクの長さを掛け合わせられ、基部側のジョイントでの、1度の何分の1かが、ツールの先端に達するころには、著しく大きな直線変位になりえます。
なぜここで球面ベアリングが使われるのか
球面すべり軸受の凸状の内輪が、合致する凹状の外輪に対して、角度のミスアライメントを許容しながら、かなりの荷重を支えられることは、荷重の経路が、全動作範囲にわたって、完全には整列していない、ロボットのジョイント、リンケージ、アクチュエーター、エンドエフェクターで、価値があります。それが、そもそも球面ベアリングが精密機構に現れる理由で、その幾何形状自体が、この問題に適しています。
公差が、精度を可能にする
ベアリングは、それが接するすべてのものと同程度にしか、精密ではありません。製造公差は、球面の輪郭の精度、ラジアルとアキシャルのクリアランス、振れ、表面仕上げ、穴と軸の寸法、ハウジングの幾何形状、同心度、接触圧に影響し、そのすべてが、個別にではなく、一緒に制御されなければなりません。ISO 12240-2(アンギュラコンタクトのラジアル球面すべり軸受の寸法と公差)は、要求の厳しい用途のために、この幾何形状が、どれほど厳密に、そして、どれほど厳密に標準化される必要があるかの、具体的な例です。
プリロード:実際にすき間をなくすステップ
公差の管理だけで、ベアリングはゼロクリアランスに近づきますが、残りの微細なすき間を、実際に閉じるのは、プリロードです。プリロードは、ベアリングの要素や、相手側の表面を、公差の帯の中で自由に浮かせたままにするのではなく、連続的な接触に押し込むことで、内部クリアランスを意図的に取り除きます。精密なロボット機構では、適切にプリロードされたベアリングシステムが、剛性を高め、ロストモーションを直接減らします。そのため、プリロードされたベアリングのアセンブリは、精密なロボット工学が実際に必要とする、高い剛性と、高い位置決め精度と一貫して結びつけられています。
実際の要点
精密なロボットのジョイントに「球面ベアリング」を指定するだけでは、それだけでは十分ではなく、ベアリングのタイプ、そのクリアランスクラス、プリロードされているかどうか、そして、それが取り付けられるすべてのものの公差が、すべて一緒に設計されて、初めてゼロバックラッシュの挙動が実現されます。自己調心の能力が、球面ベアリングを正しい出発点にするものであり、制御された公差とプリロードが、その出発点を、用途が実際に必要とする精度に変えるものです。
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