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ホーム > WEBマガジン SHINKAWA Times > メカトロニクス技術講座 > メカトロニクス技術講座 フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(7)
掲載日:2017年12月05日

4 フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(7)

巧妙性とフレキシビリティの第 3 世代インフォーメーションカム

以前も述べましたが自動化技術の歴史の中で、「人間の持つ巧妙性を機械で実現するための工夫」は大きなテーマでした。それに着目して

1. 円と直線の工夫が面白い第 1 世代のヒンジとスライド

2. 巧妙性が面白い第 2 世代のメカニカルカム

3. フレキシビリティが面白い第 3 世代のインフォーメーションカム

と進んできました。

第 1 世代のシステムでは末端減速特性によるワークのハンドリングの安定性や、力特性の工夫による増力・耐荷重性など、さらにはちょっとした設計上の工夫でからくり機構のような面白い動作をさせることができます。

第 2 世代のシステムでは数式表現による優良な末端減速特性を実現したり人間の持つ巧妙性を近似的に模倣したり、高精度の数式に則った複合駆動動作を実現したりと、巧妙性のレベルが第 1 世代より圧倒的に高くなっています。しかし、その精度は加工の精度に頼るため製作には極めて高精度の加工機械を必要とします。

そして出来上がったシステムはメカニズムの相互関係が正確に保たれているので、低速でも高速でも安定した巧妙性駆動ができるという大きな利点があります。

第 3 世代のシステムは大きくピクチャーカムおよびテンプレートカムと、ソフトウエアカムとに分かれます。

以前述べた通りピクチャーカムは巧妙性実現に大変有効で、感覚的な手動修正も容易であり、さらにこれにピクチャーカム・ソフトウエアカム・コンバータの手法を上手に適用することによって、工場内での巧妙性作業の自動化をさらに推進する極めてハイレベルのインフォーメーションカム・システムが得られるのです。

 

巧妙性実現のための第 3 世代としてのインフォーメーションカム・システムがここで完成したと言ってもいいかもしれません。

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※注:コンピュータには、いろいろな条件でのソフトウエアカムが記憶されていて、簡単に呼び出せる。

 

図 4-8 ソフトウエアカムによる細いドリルでの深穴あけシステム(再掲載)

以前述べた通り(第 2 章 巧妙性実現の手段群(17))ベテラン作業員の動作をビデオ撮りしてタイミングチャートを作り、それを黒塗りしてピクチャーカムの原型を作り、これを上述のような XY テーブルなどの装置を使って読み込んでソフトウエアカムに変換すればいいのです。

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図 4-19 細いドリルでの深穴あけ用のピクチャーカムの原型の例

ここではベテラン作業員が 4 回に分けてドリリングしていますが、ワークの材質やドリルの直径・穴深さなどの条件によってはベテラン作業員が 7 回・8 回に分けてドリリングすることももちろんあります。

当然、その場合の設定条件を記録し、その動作をビデオ撮りして図 4-19 と同様のピクチャーカムの原型を作れば簡単に「7 回抜き差しソフトウエアカム」「8 回抜き差しソフトウエアカム」など、条件通りのソフトウエアカムが作れるのです。

その作業現場で扱う品種毎に、こうしたソフトウエアカムを準備して番号付けして駆動用のコンピュータに記憶しておけば、現場での品種切換えは極めて容易です。品種切換えの時には条件によって専用のソフトウエアカムを番号で呼び出せばいいのです。

このような「品種切換えの容易さ」を、生産システムの柔軟性「フレキシビリティ」と呼びます。これに対し巧妙性は「デクスタリティ」と呼ばれています。

 

メカニカルカムを使えば巧妙性は十分に備えていますが、それぞれ一品種専用の生産システムとなってしまい、品種が変わるごとに機械を止めてメカニカルカムを取付け直さなければなりません。極めてフレキシビリティに乏しいシステムでした。

それに対しピクチャーカムソフトウエアカムコンバータを用いることで、本当の巧妙性とフレキシビリティとを兼ね備えたシステムができるのです。

【ピクチャーカムソフトウエアカム適用可能工程の一例】

ピクチャーカムソフトウエアカムコンバータの適用可能な工程の他の一例を参考までに掲載します。

図 4-20 は変形装飾ボトルに液体を充填する工程です。液体によってはノズルの汚れや液の泡立ちなどによりノズルの先端を液面すれすれに保持する必要が想定されます。仮に図 4-20 のような変形装飾ボトルの場合は液面の上昇に伴ってノズルを引き上げる速度を変化させなければなりません。ボトルの断面積が液の注入量に連れて変化するので、液面の上昇速度も変化します。この作業はかなり速度を落とさないと手作業でも困難です。ここでノズルを的確に速度制御するにはピクチャーカムソフトウエアカムコンバータが有効です。前例のドリリングに倣って、まずノズルを一番深く突っ込んだまま液体の注入を行い、それを側面からビデオ撮りして、その液面上昇をタイミングチャートに作ります。厳密にはノズルの肉厚分の誤差が出ますが殆ど問題になりませんし、あとで実験の結果、必要であればピクチャーカムを手で修正すればいいのです(簡単に修正できるのがこのシステムの特長です)。

これでとった液面上昇特性をそのままピクチャーカムソフトウエアカムコンバータでソフトウエアカムにして図 4-21 のようにノズルをサーボモータで引き上げるようにすれば、常に液面から 2-3mm 程度のところにノズルの先端を維持することができるのです。

当然、ボトルにどのような変形デザインが施されても容易にソフトウエアカムで対応できるわけで、化粧品のような季節ごとの新製品対応も容易です。

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図 4-20 ボトル充填におけるノズル引き上げ速度設定の例
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図 4-21 ボトル充填におけるノズル引き上げ速度最適化システム

品種切換の容易さは実現したが、バラツキ対応は不能

以上のように巧妙性と柔軟性と両方を備えた第3世代のインフォーメーションカム・システムができたことで、自動化システムの決定打のように思われますが、本当にそうでしょうか?

よくよく考えてみると、このシステムにも幾つかの問題があることに気づきます。

【フィードバック信号を何処からとったかが問題】

ここでもう一度 W・T・MACS のフィードバック信号について思い出してください。

第 1 章で「フィードバック信号を何処からとったかが問題」と述べました。フィードバック信号を検出した要素よりワーク側については、システムは一切保障しないので、ワークからフィードバック信号を取る Closed Loop Control System{①}が一番いいのですが、難しい場合が多く、Semi-Closed Loop Control System がよく使われています。

第 2 世代メカニカルカムのシステムでは、図 4-22A のようにメカニズムからフィードバックをとる{③}となっていたものが、第 3 世代インフォーメーションカムのシステムでは図 4-22B のように、ワーク側からさらに離れたアクチュエータからフィードバック信号をとる{④}となってむしろ逆行しているのです。

第 2 世代の装置は少なくもカム軸が一回転したことまでは保証しますが、第 3 世代の装置ではモータ軸が指定通り回転したことまでしか保証しません。もちろんメカニズムの接続やバックラッシュなどに気を付ければいいのですが、第 3 世代になって進歩しているとは言えません。

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図 4-22A メカニカルカムのシステムはメカニズムからフィードバックをとる{③}

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図 4-22B ソフトウエアカムのシステムはアクチュエータからフィードバックをとる{④}

【条件の変化への対応が問題】

本来このシステムは人間の持つ巧妙性を模倣することから始まりましたが、本当に巧妙性を模倣できているか考えてみます。ドリリング工程では、ベテランの作業員はドリルの直径、穴深さ、ワークの材質などが変化しても上手に穴あけを行いますが、ベテラン作業員はその腕前、あるいは頭の中に何百本ものカム曲線を持っているわけではないでしょう。ベテラン作業員はドリルのわずかな振れやたわみ、手に感じるワークの振動などのワークとツールの状態を感じ取って、それによって「ここは一旦ドリルを抜きあげるべきだ」との判断をする、などの “考え方” に従っているものと思われます。

我々が構築したソフトウエアカムシステムは、ベテラン作業員がその時の “考え方” によって的確に行った作業の「結果をそのまま再現」したものなのです。そこには “考え方” は全く入っていません。

ソフトウエアカムと言っても、その動作中は一枚のメカニカルカムを使っているのと全く同じです。

つまり「4 フレキシビリティが面白いインフォーメーションカム」の最初に述べた通り、ワークとツールの条件の “斉一性” が頼りで、仮にドリルの切れ味が悪くなっても何の対応もできません。

生産する品種の品種切換えのフレキシビリティは十分よくなりましたが、生産条件の変動対応・バラツキ対応は全くできていないのです。

では、人間の持つ本当の巧妙性と柔軟性はどうすれば実現できるでしょうか?

次回はこれを考えてみることにします。

「生産性向上とメカトロニクス技術講座」バックナンバー

  1. 本講座の目次
  2. 生産設備の構成要素(1)工場はすべて作業ユニットの集合.....
  3. 生産設備の構成要素(2)作業ユニットは W・T・MACS から成り立つ.....
  4. 生産設備の構成要素(3)フィードバック信号をどこから取ったか.....
  5. 巧妙性実現の手段群(1)メカニズムの速度特性の活用と加速度/直進テーブルの往復動作実験.....
  6. 巧妙性実現の手段群(2)メカニズムの速度特性の活用と加速度/物は加速度で動かされる(その1).....
  7. 巧妙性実現の手段群(3)メカニズムの速度特性の活用と加速度/物は加速度で動かされる(その2).....
  8. 巧妙性実現の手段群(4)メカニズムの速度特性の活用と加速度/加速度特性の改善と効果
  9. 巧妙性実現の手段群(5)円と直線の組合せが面白い第1世代・ヒンジとスライドのシステム/自動化システムの 80% は.....
  10. 巧妙性実現の手段群(6)円と直線の組合せが面白い第1世代・ヒンジとスライドのシステム/メカニズムの力特性の活用.....(その1).....
  11. 巧妙性実現の手段群(7)円と直線の組合せが面白い第1世代・ヒンジとスライドのシステム/メカニズムの力特性の活用.....(その2).....
  12. 巧妙性実現の手段群(8)円と直線の組合せが面白い第1世代・ヒンジとスライドのシステム/メカニズムによる力特性の活用法
  13. 巧妙性実現の手段群(9)MACS の要素群/アクチュエータの各種と分類
  14. 巧妙性実現の手段群(10)MACS の要素群/コントローラとインターフェイス
  15. 巧妙性実現の手段群(11)制御回路の構成・1 類、2 類、3 類(その1)
  16. 巧妙性実現の手段群(12)制御回路の構成・1 類、2 類、3 類(その2)
  17. 巧妙性実現の手段群(13) センサによる代替特性検出(その1)
  18. 巧妙性実現の手段群(14) センサによる代替特性検出(その2)
  19. 巧妙性実現の手段群(15) 巧妙動作のための任意速度特性はメカニカルカムが基本(その1)
  20. 巧妙性実現の手段群(16) 巧妙動作のための任意速度特性はメカニカルカムが基本(その2)
  21. 巧妙性実現の手段群(17) タイミングチャートからメカニカルカムへ
  22. 巧妙性実現の手段群(18) メカニカルカムの使用目的別分類と機能(その1)
  23. 巧妙性実現の手段群(19) メカニカルカムの使用目的別分類と機能(その2)
  24. 巧妙性実現の手段群(20) メカニカルカムの使用目的別分類と機能(その3)
  25. 巧妙性実現の手段群(21) メカニカルカムの使用目的別分類と機能(その4)
  26. 生産性向上の4手法(1) 高速化と併行作業化/動作のスピードアップ・無駄時間の削減
  27. 生産性向上の4手法(2) 高速化と併行作業化/工程分割(その1)
  28. 生産性向上の4手法(3) 高速化と併行作業化/工程分割(その2)
  29. 生産性向上の4手法(4) 高速化と併行作業化/工程分割(その3)
  30. 生産性向上の4手法(5) 高速化と併行作業化/工程分割(その4)・マルチツーリング
  31. フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(1) 同一品種のための同一動作・ワーク側の斉一性に頼ったシステム/メカニカルカムの機能の抽象化と再具現化・力と情報の分離
  32. フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(2) インフォーメーションカムの導入と活用
  33. フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(3) ソフトウエアカムの内容と導入手法
  34. フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(4) Sin カーブの動作特性を実現するソフトウエアカム
  35. フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(5) ソフトウエアカムのタイマー動作・ソフトウエアカム曲線の部分使用
  36. フレキシビリティが面白いインフォメーションカム(6) ピクチャーカム・ソフトウエアカム・コンバータ
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株式会社新興技術研究所 熊谷 卓 による「生産性向上とメカトロニクス技術講座」は、クリエイティブ・コモンズ

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