【解説】コンベヤの種類とメリット・デメリットについて

設計

こんにちは!リヴィです。

この記事を読むべき人
  • コンベヤってどんな種類があるのか知りたい人
  • コンベヤの種類についてざっくり知りたい人
  • 搬送ラインの設計をしている人

こんにちは、リヴィです。

コロナ禍がまだまだ収束しない中、いかがお過ごしでしょうか。

理系の中では今も昔も機械工学系の人口は多いのですが、その中でも「自動化の需要」のトレンドが昔からずーっとあります。

特に、少子高齢化社会の加速する社会において、人手不足・低い生産性を解決するための有力な解決策が「移民を受け入れる」か「自動化・デジタル化をする」の2択しかありません。

ただ、コロナのようなウイルス感染の危機下に置かれている現在においてはは、実質「自動化・デジタル化をする」という方法1択しかない状況です。

自動化を検討する際、最初のとっかかりは、「特定の工程の、一部の作業のみ」について考えることも多いのですが、

大幅な省人化を目指そうとすると、「各々の工程や作業をつなげる役割をする機械を導入し、ライン化する」のがインパクトとして大きくなります。

そんな、生産設備の自動ライン化をするために、昔から非常に幅広く利用されている機器が「コンベヤ」です。

コンベヤが使われている業界の代表格なのが物流で、品物の荷造りや梱包・送り先ごとの振分などを、大量のコンベヤを使って行っています。

引用元:BUSINESS INSIDER, 走り回る人はいなかった? アマゾン巨大倉庫の内側
リヴィ

東京-大阪間の荷物の搬送がたった1日で行われるなんて衝撃ですよね。もちろん現状では、トラックの運ちゃんが夜に高速を運転してくれているおかげでもありますが、いずれは自動運転化することでしょう。

世の中の技術が自動化のトレンドに乗っているため、コンベヤの需要はこれからもどんどん増加していくことが見込まれます

そのため、FA業界で仕事をしている人ならば、コンベヤの基礎的な知識は押さえておきたいところですよね。

そこで今回は、世の中にあるコンベヤの種類と特徴について解説をしていきたいと思います。

この記事を読んで、搬送ラインの設計にてコンベヤを選定したりするのに、役立てていただければ幸いです。

定義

コンベヤの種類について解説する前に、まずコンベヤの定義を押さえておきましょう。

コンベヤの定義ですが、JISによると「荷(運搬物または搬送物)を連続的に運ぶ機械」というものです。

リヴィ

ただ普段の会話で「荷」という用語を使っている人はほぼおらず、むしろ「ワーク」と呼ばれることがほとんどです。コンベヤだけではなく、産業用ロボットが持ち上げたり、運んだりするモノも「ワーク」と呼ばれたりしますね!

例えば、回転寿司の機構なんかは、お寿司を連続的に運ぶ機械なので、まさにコンベヤであると言えるでしょう。

一方で、シリンダーは、決められたストロークの範囲内でしか連続で動かせないので、コンベヤではありません。

このあたりであればわかりやすいのですが、一方でコンベヤと言えるかどうか曖昧な例もあります。

連続的に動く機械でも、ワークが人の場合は、コンベヤとはあまり呼ばれません。

例えば自動車、自動台車(AGV)、ゴンドラ、エスカレータ、動く歩道あたりがそうですね。

また、ワークや搬送治具が機器上で行ったり来たりするような機構は、見た目はコンベヤだとしても「シャトル」と呼ばれたりもします。

あとは、何百メートルにも及ぶ紙やフィルムを、ロール状に巻いたり、ロールから送り出したりするような機械は、コンベヤというよりも「ロール to ロール」と呼ばれたりします。

ちなみに「ワーク」については、大きく分けて2種類の分類があり、

  • 粉とか石炭などのように、一つの単位にまとめられていない塊状のワークを「ばら物
  • ダンボールやパレットなどのように、一つの単位にまとめられているワークを「かさ物

などと分類されています。

ただ、これだけでコンベヤの選定が十分にできるとは言えず、上記に加えて

  • 必要なコンベヤの能力は
  • 必要なコンベヤの速度は?
  • ワークのサイズは?
  • 搬送は水平方向のみ?垂直方向も必要?
  • 衛生面、発塵の考慮は必要?
  • 水や泥はかかりやすい?
  • 急加速・急停止は必要?

などなど、どのようにワークを搬送したいかによっても、コンベヤによっては向き・不向きが大きく変わってきます。

リヴィ

コンベヤメーカに問い合わせると、このあたりの要求仕様を必ず確認されます。それぐらい重要な要素です。

コンベヤの種類と特徴

では、事前知識の解説が済んだところで、実際にコンベヤの種類や特徴を解説していきたいと思います。

ベルトコンベヤ

引用:Wikipedia

ローラに巻かれたベルトを駆動させ、それによってワークを搬送するコンベヤです。

おそらくコンベヤの中で最も利用されているものではないでしょうか。

空港で飛行機を降りたときに、手荷物の受け取り所で使われているのもベルトコンベヤです。

ベルトコンベヤのメリット

ベルトコンベヤのメリットは以下のとおりです。

  • 多種多様なベルト形状にできるので、基本的には何でも搬送できる(液体でも可能)
  • 平ベルトの場合、ねじったりすることも可能なので、小物のワークの裏表反転に使うこともできる
  • ベルトをトラフ形状(幅方向にU字形状にたわませる)ことで、バラ物でも運べる
  • ベルトの材質を滑りやすくすれば、ワークのアキューム(ワークをコンベヤ上でスリップさせ、ワークを溜めておく)としても使える
  • 長距離しても、コストが増大しにくい
  • 断続運転も可能
  • 比較的、搬送速度を速くできる
  • カーブができるコンベヤもあるので、搬送ラインのレイアウトが組みやすい
  • ベルトの形状によっては、垂直方向や斜面も搬送できる
  • 比較的静か
  • コンベヤの入り口や出口が尖ったベルトコンベヤ(ナイフエッジ)を使えば、小物のワークの乗り継ぎも可能
  • ベルトの材質によるが、食品業界や医療業界でも使える
  • 金網性のベルト等を使えば、高温環境(食品機械のオーブンなど)でも使用可能

個人的に思うベルトコンベヤの最大のメリットは2つあります。

1つ目は「搬送が長距離であるほどコストメリットが出る」という点です。

そのため、長さが数kmにも及ぶようなベルトコンベヤも使われたりします。

このようなコンベヤは、鉱山において鉄鉱石を運搬するのに使われたり、災害現場において大量の土砂を取り除くのに使われたりもします。

リヴィ

こういった危険な現場でコンベヤを使用することによって、人災のリスクを低減させる効果もあります。

2つ目のメリットは、「ナイフエッジコンベヤを使えばワークの乗り継ぎしやすい」という点です。

コンベヤの設計で難しい部分の一つが、コンベヤ間の乗り継ぎです。

一般的に、ベルトコンベヤや後述するチェーンコンベヤは、モータ軸(駆動軸)を下流側(ヘッド側)にします。

このモータ軸となるプーリ径(スプロケットのピッチ径)をそこそこ大きくしておかないと、搬送速度が出なかったり、トルクが出なかったりするのです。

しかし一方で、コンベヤの乗り継ぎ部のプーリ径(またはスプロケットのピッチ径)が大きいと、特にかさ物でかつ小物の場合、乗り継ぎ時にワークが衝撃を受けたり、プーリ間に落下してしまう懸念があります。

そこで、役立つのが「ナイフエッジコンベヤ」です。

これは、乗り継ぎの部分がナイフのように尖っているので、上記のような懸念が少ないのです。

肝心の駆動軸の位置は、乗り継ぎ部ではなく、コンベヤの中央付近にあるので、速度不足、トルク不足が起こりにくいのです。

ベルトコンベヤのデメリット

一方で、ベルトコンベヤには以下のようなデメリットもあります。

  • ゴムベルトの場合、ワークが鋭利なものだと切れてしまう
  • 垂直方向へ搬送をする際、急傾斜にはできないので、比較的広いスペースが必要
  • プーリの平行度がうまく調整できていないと蛇行する
  • 一般的に、ベルトの張力(テンション)調整の手間がかかる(伸縮性に富む丸ベルトの場合はかからない)
  • 急加速、急停止をすると、ベルトとプーリとの間で滑り、ベルト焼損の原因になる(タイミングベルトであれば滑らない)
  • ベルトの長さをあとから変更できない
  • ベルトが一部損傷しただけでも、ベルト丸々1本交換が必要となる(ベルトの材料費だけではなく、テンション調整の工数もかかる)
  • 使っているうちに、ベルトがだんだん伸びていく(定期的にテンション調整が必要)

ベルトコンベヤの最大のデメリットは「テンション調整」ですね。

ベルトがピンと張られていなかったり、ベルトの張り具合に片寄りがある状態でコンベヤを稼働させてしまうと、ベルトが右へ行ったり左へ行ったりと蛇行してしまうのです。

このように蛇行した際、ベルトの耳の部分がコンベヤのフレームなどと擦れてしまうと、ベルトが損傷したり、ベルトが摩擦熱で焦げてしまったりします(この摩擦熱が着火源となり、火災に至った事故もあります)。

特に機長の短いコンベヤほど、蛇行しやすい傾向にあります。

そのため、ベルトを取り付ける際は、念入りに蛇行しないことをチェックする必要があるので、それにかかる工数が大きくなりがちです。

また、コンベヤのベルトの長さは使用していくに従ってだんだん伸びていくので、定期的にテンション調整が必要にもなります。

リヴィ

以前携わったプロジェクトで、ベルトが蛇行しないかどうかを試運転で確認・修正するのに丸2~3日ぐらいかかった記憶があります。たとえベルトのテンション調整がうまくいったとしても、ワークの乗る位置が偏っているだけで蛇行するので、ワークの積載位置の調整も重要だったりします。

チェーンコンベヤ

引用:MEKASYSより

ベルトコンベヤではベルトをプーリで駆動させて搬送させていたのに対し、チェーンコンベヤではチェーンをスプロケットで駆動させて搬送をします。

チェーンコンベヤで使われるチェーンは、柵などに使われているような、輪っかをつなぎ合わせたようなチェーンではなく、

穴の空いたプレートをピンで繋いでいったような、リンク構造のチェーンを使うことが一般的です。

このようなチェーンを「ローラーチェーン」と呼びます。

ローラーチェーンはそれ単体で搬送に使われることは少なく、むしろチェーンに爪やバケット、スラット(バーのようなもの)などのアタッチメントを取り付けた上でワークの搬送に使われることが多いです。

引用:TSUBAKIより

チェーンコンベヤのメリット

ベルトコンベヤのメリットは以下のとおりです。

  • 搬送力が高いので、重いものでも搬送できる
  • 長い距離の搬送も可能
  • チェーンに付けるアタッチメントの形状の工夫次第で、様々なワークの搬送ができる(ばら物の搬送も可)
  • チェーンの長さを後から変更しやすい
  • 鉄製のチェーンであれば、振動や衝撃などに強い
  • 鋭利なものがあたっても、損傷しにくい
  • チェーンとスプロケットとの間でスリップしない
  • 断続運転にも使える
  • ある程度であれば搬送経路のカーブが可能
  • バケットをつければ垂直方向にも搬送可能
  • 粉塵環境などに比較的強い
  • ローラーチェーンとスプロケットとが適切に噛み合っていれば蛇行しない

個人的には「急加速・急停止が必要」「耐衝撃荷重が求められる」「粉塵がすごい」といった環境においては、選択の候補に上がってくるコンベヤです。

スプロケットとチェーンとが完全に噛み合った状態で運転されるので、多少乱暴な使い方をしてもスリップしたりしないので、非常に強いです。

タイミングベルトと特徴が似ている部分もあるのですが、

チェーンコンベヤの方が強度が高く、スプロケットに粉塵がたまるリスクが非常に低いです。

また、特殊なチェーンコンベヤとして、チェーンコンベヤのアタッチメントにフリーローラを使うことで、「チェーンコンベヤによる搬送」+「フリーローラによる転がり搬送」をハイブリッドした倍速コンベヤという商品もあります。

これを使用することで、チェーンコンベヤの搬送速度を高めることも可能です。

引用:三機工業株式会社

チェーンコンベヤのデメリット

一方で、チェーンコンベヤには以下のようなデメリットもあります。

  • ベルトコンベアと比較すると、最高速度が出せない(倍速コンベヤを使ったとしても)。
  • 一般的に、給油が必要(プラスチックのチェーンは不要)
  • スプロケットの歯数が小さいと、搬送速度の変動が激しくなる
  • バケットを取り付けて垂直方向に搬送する際、地下にピットを掘る必要がある
  • 一般的に、チェーンが重たく、一度絡まると使い物にならなくなる
  • チェーンの摩耗粉が出るので、クリーン環境には向かない
  • リンクの数だけアタッチメントを付ける必要があるので、組み立てに時間がかかる
  • チェーンの自由度がない方向に曲がったり、ねじれたりするのに弱い
  • 比較的音がうるさい
  • ベルトコンベヤのプーリと比較すると、スプロケットの径が大きくなりがちで、機器のスペース効率が悪い
  • 稼働しはじめてしばらくは、チェーンの初期伸びがある
  • 使っていくうちにチェーンが摩耗し、チェーンの遊びが増大し、やがてチェーンが切れる(定期的に交換が必要)
  • チェーン自体が重いため、モータの容量が大きくなりがち
  • ワークの停止精度は、タイミングベルトのほうがよい

ベルトコンベヤのように蛇行のチェックをする必要はほとんどありませんが、それでもメンテナンスにはそこそこ手間がかかります。

リヴィ

経験上、チェーンコンベヤを使った装置の設計をすると、ゴリゴリのゴツい装置になる傾向にあります笑

ローラコンベヤ

引用:Wikipedia

ローラをある間隔ごとに設置をし、そのローラを転がすことによってワークを搬送するコンベヤです。

ローラ一個一個にモータをつけて回転させることもできなくはないのですが、そうではなく、ベルトやチェーンなどで隣同士のローラとをつないでモジュール単位で駆動させる方が経済的であり一般的です。

ちなみに、動力が付いていないようなローラコンベヤは、「フリーローラ」とか「コロコン」などと呼ばれています。

コロコンはおそらくコンベヤの中では最も歴史が古く、ピラミッドの建設で資材を運ぶのに、資材と地面との間に丸太を敷いて運搬していたりしています。

ローラコンベヤのメリット

ローラコンベヤのメリットをあげると、以下のとおりとなります。

  • ワークに付着しているゴミを下に落とすという使い方ができる
  • 比較的、衝撃などに強い
  • アキュームとしても使いやすい
  • 搬送の挙動を自在にコントロールしやすい
  • 搬送方向をカーブさせることも可能
  • ローラの間に細いベルトコンベヤやチェーンコンベヤを仕込むことができる

ローラコンベヤ

例えば、ローラの間に、上下する細いベルトコンベアを仕込むことによって、

ローラコンベヤの方向に搬送する場合は、ベルトコンベアを下げたままにしておいて、

ローラコンベヤと垂直方向に搬送する場合は、ベルトコンベヤを上げて搬送することができます。

これによって、ワークを振り分けたり、立体交差のようなレイアウトを作ることができます。

ローラコンベヤのデメリット

逆に、ローラコンベヤのデメリットは以下のとおりとなります。

  • 搬送距離とローラの数量とが比例するため、長距離化するとコストが上がりやすい
  • 装置重量が大きくなりがち
  • 線接触であるため、軽いワークだと滑りやすく、搬送できない場合がある
  • サイズの小さいかさ物や、ばら物やのワークだと、ローラの隙間から落下するので、搬送できない。
  • 柔らかい材料は搬送できない
  • ワークの底面が平らである必要がある
  • 垂直方向の搬送ができない

ローラコンベヤのデメリットは、搬送できるワークの性状が限定される傾向にあることです。

大きさや形、硬さ、重量などの制約があるため、これらをクリアするようなワークとなると「ダンボールやパレットなどのような、形のしっかりした入れ物・ジグに入ったワーク」が大半になります。

そのため、ローラコンベヤといえば、梱包・出荷工程や物流倉庫で見かけることがほとんどでしょう。

振動コンベヤ

引用:椿本チエイン

傾斜をつけたトラフ(ワークが乗る部分)を振動させることによって、ふりかけのような要領でワークを搬送するコンベヤです。

顆粒状の食品などといった、ばら物のワークを搬送する設備で使われているのをよく目にします。

かさ物のワークにも使えますが、比較的小さめのワークであることが多いです。

振動コンベヤのメリット

振動コンベヤのメリットは、以下のとおりです。

  • アキュームとしても使いやすい
  • アタッチメントをつければ、ワークに付着したゴミを落とすこともできる
  • トラフに穴を設ければ、ふるい分け(ワークの大きさごとの選別)もできる
  • 垂直方向に搬送できるタイプもある
  • 塊になってしまったワークを分散させることもできる
  • コンベヤ上にワークがへばりつきにくい

個人的には、ワークのふるい分けができる点が、振動コンベヤの大きなメリットだと思います。

ふるいわけの機能が活躍できる業界は幅広く、

例えば農作物についた泥を下に落としたり、形が砕けてしまったワークを排除したりなどができます。

以下のシンフォニアテクノロジーの動画を見ると、非常にわかりやすいです。

振動コンベヤのデメリット

一方で、振動コンベヤには以下のような

  • 重いワークの搬送には向かない
  • 装置自体に振動がかかるため、装置の寿命が短くなりがち
  • 他のコンベヤに比べて、装置がゴツくなりがち

個人的に思う振動コンベヤのデメリットは、装置がゴツいことです。

振動、つまり繰り返し応力というのは、機械や材料にとっては非常に過酷な負荷です

そのため、振動コンベヤのように積極的に振動を発生させるような装置を設計する際は、材料の疲労限(無限回荷重を与えても材料が壊れないような荷重)以下に負荷を抑えつつ、定められた安全率を確保しなければなりません。

ケースバイケースではありますが、引張強度に比べると疲労限の大きさはざっくり1/2程度ですから、

基本的に材料は鉄、フレームも一回り大きいものが採用される傾向にあります。

ただし、機器がゴツいと、重機を使わないと出荷・輸送ができなかったり、据え付け時のハンドリングがしにくかったりなどのように不都合ができてきます。

また設備によっては、床の耐荷重が十分であることをチェックしておく必要があるのです。

リヴィ

アルミフレームでできたベルトコンベヤはよく見ますが、振動コンベヤは見たことがありません。鉄で作るにしても、溶接部の検査は特に慎重にやる必要があります。

スクリューコンベヤ

引用:サリエント工業株式会社

スクリューコンベヤは、ねじ機構によって回転運動を直進運動に変換し、ワークを押し出すコンベヤです。

円筒のケーシングの中に、らせん状の羽根やチューブが取り付けられており、モータ等によって羽根やチューブを回すことで、ワークを押し出して搬送するという仕組みになっております。

リヴィ

業界によっては「チューブコンベヤ」とか「スクリューフィーダー」と呼ばれていたりもします。

スクリューコンベヤのメリット

  • 粉体を搬送するのが得意
  • スラッジや土砂などの重量物搬送も可能
  • 水平方向の搬送だけでなく、斜めや垂直方向の搬送も可能
  • トンネルなどの切削にも使われる
  • 1台で数十メートル単位の搬送も可能
  • ワークの撹拌や粉砕をしながら搬送することも可能
  • ケーシングで覆っているので、異物混入のリスクが少ない
  • 粉体やスラッジ状のものを連続搬送できるので、供給量のコントロールがしやすい

スクリューコンベヤは、めちゃくちゃパワーがあるという感じです。

スクリューコンベヤは見方を変えれば、ドリルと同じですから、シールドマシン(トンネルを掘る機械)にも応用されています。

また、スクリューの羽根を鋭利にし、それに巻き込ませるように投入することで、ワークを粉砕することもできます。

リヴィ

ねじの力の凄さを思い知らされますね!

スクリューコンベヤのデメリット

  • 搬送速度が遅い
  • 損傷してはいけないワークは搬送できない
  • サイズが大きなかずものワークは搬送できない
  • 搬送する粉体によっては、コンベヤ内部塊になったり、詰まりを起こしたりする場合がある
  • ものによってはメンテナンスが大変

スクリューコンベヤはパワフルな印象はあるのですが、それでも不具合が発生することがあります。

よく聞くのが、粉体を運んでいるうちに、粉体が押し固められていってしまい、羽根などに固着していってしまうという現象です。

その様になると、まるで血管に詰まったコレステロールのように、こびりついていき、噛み込みなどの不具合を起こしてしまいます。

流体コンベヤ

引用:株式会社ホクエツ

こちらもスクリューコンベアと同様に、粉塵状のワークを搬送するのに適したコンベヤです。

主には、ファンや圧縮空気などを使って配管の中に空気の流れを生み出し、それに乗せてワークを搬送するといった仕組みになります。

農業分野で粉粒状の肥料を搬送したり、重量の軽い食品の搬送に使用されていたりなどします。

また搬送目的だけではなく、「何かを吸引する」「何かを吹きかける」という用途としても使われます。

リヴィ

掃除機と同じ構造ですね!

JIS上では「流体コンベヤ」と呼ばれていますが、巷ではそのようにはあまり呼ばれていません。

「エアー搬送」「バキュームフロー」などと、メーカによって呼び方がバラバラです。

流体コンベヤのメリット

流体コンベヤのメリットは以下のとおりです。

  • 部品点数が少なくて済む
  • 組み立てが簡単
  • 搬送経路の設計に自由度がある
  • ケーシングで覆っているので、異物混入のリスクが少ない
  • 途中で分岐させたり、合流させたりもできる
  • 「搬送」の目的だけではなく「吸引」や「噴射」などの使い方も可能
  • 配管を断熱構造にすることによって、高温ワーク、低音ワークの搬送が可能

流体コンベヤの最大のメリットは、なんといっても装置の簡便さです。

太めのホースをつないで空気の流れを作れば完成ですから、設置がすぐにできます。

配管自体に強度が必要ないのであれば、フレキシブルホースでつなげばよいので、取り付け位置の調整なども不要です。

リヴィ

配管とほぼ同じ要領で据え付け可能なのがいいですね!

流体コンベヤのデメリット

一方で、デメリットは以下のとおりです。

  • ランニングコストが高い
  • かさ物は搬送できない
  • 重いワークは搬送できない
  • 空気式の場合、乾燥に弱いワークは搬送できない
  • 断続運転に向かない
  • 配管が詰まったときの修理が大変
  • コンベヤの出口にタンクが必要

流体を扱う機器で注意しなければならないのは「ランニングコスト」ですね。

空気式の流体コンベヤを例に上げると、空気の流れを作るには「コンプレッサ」や「ファン」が必要なのですが、このコンプレッサやファンにかかる電気代ってめちゃくちゃ高いんですよね。

リヴィ

空気はタダじゃない!」なんて話はよく聞きますが、「掃除機を一日中つけっぱなしにしていたら電気代が高くなる」と考えれば想像がつきやすいでしょう。今では、過剰にファンを回すことを抑えるためにファン用のモータにインバータを使うのが当たり前になっていますね。

まとめ

今回はコンベヤの種類・特徴についてまとめました。

実際にグーグルなどで調べると、上記の他にも多種多様なコンベヤがでてきますが、そのほとんどが、「上記のコンベヤを応用したもの」だったり「言い回しを変えているだけ」のものです。

まずはこれら6種類のコンベヤについてざっくり抑えておけば、設計の序盤からつまずくことは少なくなるでしょう。

この記事を、普段の設計業務の参考などにしていただければ幸いです。

今回は以上となります。ご一読、ありがとうございました。

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