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解決事例
サーボモータによるサイクルタイム短縮で競争力強化に貢献せよ!

厳しい生産効率向上ニーズを前に,産業用ロボット進化の方策は?

産業機器メーカー A社 (従業員数:約600名)

Problem
課題・問題

全世界で100万台以上が稼動するなど,FA(ファクトリーオートメーション)の中核を支える産業用ロボット。近年,産業用ロボットへのニーズは高まる一方で,生産ラインでの溶接,塗装,組立,搬送など様々な工程を担い,製造業に欠かせない存在として多様な業種に普及しています。
ロボットの高密度配置を実現する「小型・スリム化」,サイクルタイムを短縮し生産性を向上させる「高速化」や「精度向上」など,激化する技術競争において困難な課題を解決した事例を紹介します。

相反する課題,「小型化」と「高速化」を実現できるモータが見つからない

A社は,産業用ロボットなどの開発・製造で知られる産業機器メーカー。近年,コスト面・品質面で熾烈な競争にさらされている製造業界では,生産ラインのさらなる効率化が急務となっています。A社も例外ではなく,産業用ロボットの性能に対するユーザーからの要求は日増しに高くなっていき,開発者には大きなプレッシャーがのしかかっていました。
A社開発部設計グループのYグループリーダーはこう語ります。

「構造がヒトの腕に似ている6軸垂直多関節ロボットは,人間の代替作業をさせるのに最も合理的な装置として,水平多関節(スカラ)ロボットと共に広く普及しています。当社も長く開発・製造に携わってきました。しかし,より高い競合優位性を求めるユーザーからは,高速化や小型・スリム化の面でさらなる向上を求められるケースが増えており,正直,これ以上の改良には行きづまりを感じていました。」

さらに,生産ラインの効率化において重要な要件である「サイクルタイムの短縮」のニーズが,開発の難しさに拍車をかけていました。ロボットの動作を高速化するには,出力の高いモータが必要ですが,一般的に高出力のモータは質量が大きくなります。手首機構に使用すると本体旋回軸などの基本軸にかかる慣性モーメントが大きくなり,速度が上がりません。本体旋回軸のモータをサイズアップすると設置面積が広くなり,小型化は望めない。また,高速化すればアームのコーナー旋回も厳しくなり,軌跡精度を保つためには減速せざるを得なくなります。その速度変化に応答できるか…。

現状の制御システムで,これ以上の整定時間の短縮は困難…

Y氏をさらに悩ませたのが,整定時間の短縮です。速度を上げれば剛性の低いアーム先端部分に振動が発生しやすくなります。モータが停止しても,ハンド部分であるエンドエフェクタが止まっているとは限らないのです。この振動を小さくすることが,サイクルタイム短縮には欠かせない要素だということは分かっていました。しかし,「極力,制御系に負担がかからないように,すべての構造を見直しましたが,現状の制御システムでは,どうしてもこれ以上振動を抑えることができませんでした。」(Y氏)

「現状の制御システムでは,これ以上ユーザーの要望に応えることが難しい」というのは,開発スタッフの共通した意見でした。しかし,Y氏はただ手をこまねいていたわけではありませんでした。根本的に何かを見直すことで,ユーザーの要求に応えたい。これは技術者として偽りのない気持ちでした。

課題
  • サイクルタイム短縮が求められているが,単なる高速化では振動が増加し整定性が悪くなる。
  • 脱小型化による省スペース化を求められるが,高速化のニーズとの両立が難しい。
  • 位置決め精度や繰り返し精度,軌跡精度など,ロボットの動作精度は譲れない。

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Solution
解決策・効果

「小さくても力持ち!」業界最小/高回転モータで,さらなる高速化へ。

Y氏の転機は,知人の技術者から紹介された山洋電気の営業担当者と話をしていたときに訪れます。 「従来品比30%小型化に成功し,業界最小*のサーボモータを開発した」という情報に強く興味を持ったのです。さっそくデモ機を通じて検証を開始したY氏は,このサーボシステムが搭載しているさまざまな制振制御の技術に着目しました。
*2006年9月現在。当社調べ。

「従来品比30%の小型化を実現しているにも関わらず,瞬時最大トルク・最高回転速度がともに向上している。まさに当社のロボットにうってつけでした。モータをサイズアップすることなく,高速化が実現できる。むしろ重量が小さくなる分ロボットの構造を根本から見直すことができ,小型・スリム化が可能になります。頭打ちだったロボット性能の進化の可能性に期待が高まりましたね。」

また,従来の13bit(8,192分割)から17bit(131,072分割)まで向上した高分解能エンコーダにより,停止時の位置偏差を微小に検出できるようにし,軌跡精度・位置繰り返し精度の大幅な向上が見込まれた点も大きなポイントとなりました。

位置決め精度向上と高速化を両立し,サイクルタイム短縮へ!

Y氏が次に検証したのが,整定時間の短縮です。その点,サーボアンプは,アーム先端の振動抑制に効果的な“フィードフォワード制振制御”をはじめ,他の軸の影響を最小化できる“外乱オブザーバ”など,高度な制振制御機能を搭載していました。

高度なアルゴリズムを採用したこのサーボシステムは,高速化という点においても申し分なく,位置決めにおける整定時間を半減することに成功。こうして,密接な関係性にある小型化と高速化を両立し,サイクルタイムを短縮する道が拓かれたのです。

「トルクアップにより,設置面積の拡大は否めないと予測していましたが,むしろアームの構造を見直すことができ,ロボット全体をコンパクトにできるとは驚きでした。高速化に加えて制振性まで向上すれば,ロボットの生産効率を最大化して設置面積を小さくするという相乗効果をもたらすことができます。」(Y氏)

サーボモータの進化がロボットの性能をUP

こうして,十分に検証を重ねたY氏は,試験的にこの「ACサーボシステムSANMOTION R」を使用して,新たな6軸垂直多関節ロボットの開発に着手。結果として,ユーザーのニーズを十分に満たす試作機を生み出すことに成功しました。

サーボモータの進化が,ロボットの性能向上に大きく貢献したのでした。最後に,Y氏はこう締めくくっています。
「近年の生産現場は非常に多様化・複雑化しており,産業用ロボットには今後さらなる精度や性能の向上が求められていくと思います。今回の試みは,ユーザーのニーズに大きく近付いたもので,今後の量産化に向け,現在,急ピッチで要件定義を進めています。」
環境が激変している製造業界において,生産ラインの効率化という最大のテーマに取り組むことで,産業用ロボットの可能性を広げる好例と言えるでしょう。

効果
  • 精度向上による位置決め整定時間短縮と6000min-1もの高回転性で,比類なき高速化を実現。
  • 従来品比30%小型化した業界最小のサーボモータで,ロボット小型化に大きく貢献。
  • 多彩な振動抑制技術と高分解能エンコーダにより,軌跡精度・位置繰り返し精度が向上。

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