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工作機械産業
加工情報でつながる工作機械と協働ロボットの可能性
ここでは、工作機械や産業用ロボットにおけるコンピューター数値制御(CNC)サーボ内部情報のオープン化、ワイヤレス無線通信技術に基づく加工中の外部センサーによる工具刃先付近の情報のセンシング、協働ロボットにおけるサーボ内部の力センサー情報に着目し、それらの加工情報を統合することで、モノづくり技術の高度化を試みた例を紹介する。
はじめに
CNCの技術革新の一つとしてサーボ内部情報のオープン化が進み、機械加工中の工作機械のモーター負荷や送り軸の位置、旋回軸の角度情報などの取得が容易になってきた。これらは運動制御などに必要な各種の内部センサーに基づく情報である。サーボの内部情報を処理することで、ある程度まで機械加工中に生じる切削力などの推定もできる。
ただし内部センサーはあくまでもサーボ機構で必要な情報の取得を目的にしているため、切削点から遠い位置に配置されている場合が多く、分解能や周波数応答的に推定精度には限界もある。その限界を拭い去るために、切削点の近傍に外部センサーを配置してワイヤレスで無線送信するシステムが徐々に普及しつつある。これらの技術により、取得できる機械加工情報が量的と質的の両面で飛躍的に向上してきている。
その一方で、工作機械まわりの協働ロボットの普及も目覚ましいものがある。運動速度や可搬能力に制限があるが、安全柵なしに稼働できるため、わずかなスペースにも設置が可能であり、工場における新たな生産性の向上の可能性を持っているものと考えられる。
従来の産業用ロボットとの大きな違いの一つは、安全装置として人との接触検知のために内部センサーとしてトルクまたは力センサーを具備している。サーボの内部情報を処理しての推定ではなく、センサーによって高い感度で関節トルクやアームに加わる力を直接取得することができ、その情報の質は高いものと考えられる。
筆者らはびびり振動などの問題が生じやすい薄肉立壁のエンドミル加工を対象に、前工程として5軸制御マシニングセンター(MC)を用いた切削時のサーボ内部情報とワイヤレス無線工具ホルダーに具備した振動加速度外部センサーの加工情報の取得を遂行し、後工程でその情報を活用しながら協働ロボットのサーボ内部の力センサーによる情報も統合して自動磨きを遂行する手法に取り組んだ。ここでは、その結果と可能性について述べる。
工作機械による薄肉立壁エンドミル加工時の加工情報の取得
図1は筆者らが開発した、加工情報でつながる工作機械と協働ロボットの構成である。加工情報でつながる上流工程が左の図の前工程である。
すなわち加工中に5軸制御MCの内部センサーに基づくサーボ情報(モーター負荷や送り軸の位置、旋回軸の角度情報など)をパソコン(PC)に取得する。取得された位置と旋回軸の角度情報は後工程でも一貫して共用する。
さらに外部センサー情報として、工具ホルダー内に複数の加速度センサーを内蔵し、演算回路で信号を高速処理することで回転方向と半径方向の振動成分に分離して、情報の質を向上する。その信号を圧縮するために移動実効値の演算を遂行し、周波数50ヘルツのサンプリング周期でPCにワイヤレス無線送信することで、回転中の工具の切削点近傍における振動情報をサーボ情報とともに同時に取得する。
薄肉立壁のエンドミル加工において、5軸制御の場合には加工対象物(ワーク)の保持姿勢が旋回軸の回転により逐次変化する。ワーク側の切削力方向の剛性が変化し、さらに工作機械側の剛性にも異方性がある一方、加工の遂行に伴う工具の摩耗による工具とワークの接触状態の経時変化も加わり、びびり現象が生じる箇所の事前予想が極めて難しい。
加工面全体でびびりレスを達成するためには、十分に切削速度を下げるなど、極端に加工能率を下げる必要がある。そこで外部センサーで工具ホルダーのびびり振動を感度よく検出しておき、同時にサーボ内部情報でその空間座標をPCに同時に取得することで、加工後の仕上げ面の中でのびびり模様の発生箇所を把握し、見える化することができる。
図2は薄肉立壁のエンドミル加工面の様子と、取得したびびり振動を面上に見える化した例である。また対象の薄肉立壁の振動モードも示す。複数の振動モードが存在して、それらが複合的に複雑に生じる可能性が高いことが分かる。しかしながら、加工面の様子と見える化した結果はよく一致しており、加工情報として量的にも質的にも十分であることが分かる。
前工程の加工情報を活用した後工程における協働ロボットによる磨き仕上げ
加工情報でつながる下流工程が図1の右に示される後工程である。すなわち協働ロボットを用いた磨き仕上げでは、前工程の加工情報に基づき磨きのびびり模様の発生箇所に強い荒磨きを遂行し、その後、全面に仕上げ磨きを遂行する。
図の右に見られる協働ロボットには外部センサーとしてワイヤレス無線振動加速度センサー、非接触赤外線温度センサー、磨きグラインダーの空圧流量センサーも具備している。
図3では協働ロボットのサーボ内部の力センサー(関節座標J1軸の台座に人との接触検出用の安全装置として力センサーを具備)の情報を用いて定圧磨きの動作を遂行した例を紹介する。
図3は加工情報に基づきびびり振動の程度で薄肉立壁面を領域①―③に分割し、領域②のみ荒磨き後、全面仕上げ磨きを協働ロボットで遂行した例である。各領域の加工面および仕上げ面粗さの変化の様子より、荒磨きで領域差を小さくし、その後に仕上げ磨きを遂行することで、面全体を均一で良好な粗さを達成できていることが分かる。荒磨きの領域を最小にすることで、その工程に要する時間を短くでき、加工能率も非常に高い結果であった。
おわりに
薄肉立壁のエンドミル加工と磨き工程を対象にして、サーボ内部情報のオープン化、ワイヤレス無線通信技術に着目したセンシング、さらに協働ロボットに具備されたサーボ内部の力センサー情報の統合を活用する例を紹介した。工作機械と協働ロボットで一気通貫な加工情報とすることで、モノづくり技術の一層の高度化を期待したい。
【執筆】
同志社大学理工学部
機械システム工学科
教授 廣垣 俊樹
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