Microsoft PowerPoint - 工学フォーラム2016(SIP).pptx

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たかよしさくもと
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1 神戸大学工学フォーラム 2016 神戸商工会議所会館 2016 年 11 月 28 日 SIP( 戦略的イノベーション創造プログラム )/ 革新的設計生産技術 CAM-CNC 統合による革新的な工作機械の知能化と機械加工技術の高度化研究開発責任者神戸大学大学院工学研究科教授白瀬敬一実施体制神戸大学, ソフトキューブ ( 株 ), キタムラ機械 ( 株 ) 発表者白瀬敬一, 尾西雅弘, 片田優介

2 工作機械とは機械をつくる機械マザーマシンマザーマシンマシン 2

3 工作機械の知能化とは工作機械は加工用プログラムの指令どおりに機械加工を行う機械加工を指令するために加工用プログラムを作成する 1 加工用プログラムの作成に多大な労力と時間を要する部品の種類が増える, 部品の形状が複雑になる, 工作機械が高機能になる etc. 2 加工プロセスが制御できない工作機械を制御することが前提工作機械に機械加工を任せたい, 加工プロセスを制御したい工作機械の知能化工作機械が自ら意思決定を行いながら機械加工を行う加工プロセスの制御, 加工精度の補正, 異常時の対処 3

4 自動化システムから自律化システムへ自動化化のためのの段取り人的資源の不足段取りりをする人人的資源長い製品寿命短い少品種製品種類多品種単純部品形状, 加工工程複雑現状の自動化システムは人的資源を必要とするドイツ Industrie 4.0 自律生産システムの実現自律化システムで人的資源の不足を補うシステムに指示を与えるのではなくシステムに任せる 4

プロジェクトテーマの目的機械加工技術の高度化を目的に, 機械加工を事前に作成した加工用プログラム

加工プロセスの制御を実現する対象製品一品加工の金型カップソケット骨頭ステムテイラーメイド人工骨

5 プロジェクトテーマの目的機械加工技術の高度化を目的に, 機械加工を事前に作成した加工用プログラム (NCプログラム) で指令する方式から, 加工中に工具位置や工具姿勢を計算して逐次指令する方式に転換して, 革新的な工作機械の知能化技術を開発するこれにより,NC プログラムの作成を不要にして, 製造リードタイムを短縮し, 加工プロセスの制御を実現する対象製品一品加工の金型カップソケット骨頭ステムテイラーメイド人工骨新技術のインパクト 1 機械加工を3Dプリンタ感覚で実現 2 機械加工を工作機械に任せても安心安全新技術により期待される効果 1 製造リードタイムの短縮 2 加工コストの低減 3 国際競争力の向上 5

Planning [ 計算機援用工程設計 ] DCM:Digital copy milling [ 仮想倣い加工 ] (b) 自律型知能型の NC 工作機械バッチ処理近似した微小線分 ( 形状情報が不十分 ) プラント制御 ( 制御対象が工作機械 )

6 CAM-CNCCNC 統合による工作機械の知能化自律化製品の CAD モデル形状情報, 加工情報の喪失 CAD CAM NC CNC フロクラム形状情報加工情報運転指令元の曲線近似した微小線分 (a) 現行の NC 工作機械形状情報, 加工情報の活用 CAM & CNC フィードバック不可製品の CAD モデルサーボ CAD CAPP DCM アンプ工作機械形状情報加工情報工作機械素材のフィードバック可 CADモデル CAPP:Computer-aided process Planning [ 計算機援用工程設計 ] DCM:Digital copy milling [ 仮想倣い加工 ] (b) 自律型知能型の NC 工作機械バッチ処理近似した微小線分 ( 形状情報が不十分 ) プラント制御 ( 制御対象が工作機械 ) 工作機械に加工を指示 NC プログラムが必要加工プロセスの制御は不可逐次処理 3 次元 CAD モデル ( 形状情報が豊富 ) 加工プロセス制御 ( 制御対象が加工プロセス ) 工作機械に加工を一任 NCプログラムが不要製造リードタイムの短縮加工プロセスの制御加工トラブルの回避 6

7 自動工程設計加工除去領域の算出被削材形状製品形状加工除去領域加工除去領域の分割分割した加工除去領域の順序算出分割した加工除去領域の工具経路の生成機械学習による知能化 7

8 倣い加工の原理をデジタル化 : 仮想倣い加工 (DCM) 倣い加工プローブ同期運転工具製品模型工作物 (a) 走査線加工仮想プローブ仮想倣い加工データ通信工具 CAD モデル工作物 (b) 等高線加工工具経路生成の例 8

9 工具の位置による工具送り速度制御送り速度加工時間 Fast Short Slow Long 加工品位は高いままで加工時間を短くしたい加工品位 Bad Good 低品位で可の領域加工時間は短いが低品位の加工高品位を要する領域加工時間は長いが高品位の加工 DCM における実時間工具経路生成 /min d Speed mm/ Feed Tool position mm Finish Surface からの距離に応じた工具送り速度の加減速 9

10 素材の硬度あるいは材質に応じた工具送り速度制御加工形状 (Surface 情報 ) Chemical wood Acrylic 加工面切削送り速度アクリル : 200 mm/min ケミカルウッド : 1000 mm/min Feed sp peed High speed Low speed Tool position 被削材に応じた工具送り速度の制御 10

11 加工形状と切削力の同時シミュレーションエンドミル削力 N 切工具 1 回転 Fx Fy Fz 工具 10 回転工作物切削力 N 加工形状シミュレータと切削力シミュレータタ 11

12 切削力シミュレータによる適応制御と切削異常検出切削力シミュレータと NC 工作機械への同期指令切削力 ( 切削トルク ) の推定値に応じて切削条件を修正切削力 ( 切削トルク ) の推定値と実測値を比較して切削異常検出逐次指令工作機械切削力 ( 実測値 ) 切削力センサの設置は現実的ではないセンサレスでは切削力の正確な検出が難しい切削力シミュレータ切削力 ( 推定値 ) 仮想倣い加工システム切削力の実測値と推定値を比較することで, 切削異常を検出する 12

13 CAM-CNCCNC 統合による知能化 NC 工作機械 Only 4 Steps! 製品モデル選択ワークモデル選択工程設計実行加工開始歯科補綴物のテイラーメイド加工 NC プログラム不要の試作機金型をイメージした多面体機械加工を3D プリンタ感覚で実現! 13

14 プロジェクトの情報発信新聞報道 2015 年 9 月 10 日日本物流新聞 2015 年 11 月 28 日日本経済新聞日本経済新聞 2015 年 11 月 28 日日本物流新聞 2015 年 9 月 10 日 14

15 ユーザインターフェイス画面デザインの留意点タッチパネルによる操作を考慮初心者でも取扱い容易な簡潔簡潔直感的直感的な操作コンセプトシンプルイズベスト従来機の画面とは一線を画するインパクトのある画面回転拡大縮小移動 Keiichi SHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. 15

16 ユーザインターフェイス簡単操作煩わしい設定はすべて自動少ないステップですぐに NC 加工を開始製品モデル選択ワークモデル選択程設計実加開始 4Steps Keiichi SHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. 16

17 仮想倣い加工 (DCM)) による工具経路生成逐次指令する工具経路計算倣い加工の原理をモデル化計算した工具経路をリアルタイムに工作機械へ指令修正前修正後パス計算の問題を修正 17

18 工具モーション制御加工領域をボクセル化し工具送り速度を制御するデータを保持ボクセル毎に製品のモデル表面からの距離を保持距離データは X/Y/Z / 各軸方向それぞれに保持工具進行方向に対して工具と製品のモデル表面との距離を検出し工具経路に依らない工具送り速度制御を実現縦軸に対しての距離横軸に対しての距離説明用にボクセルを 2D で表現しています Keiichi SHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. 18

19 工具モーション制御の事例低速高速 Keiichi SHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. 19

20 切削力シミュレーションボクセルモデルを用いた切削力のリアルタイムシミュレーションション並列処理とメモリ節約の工夫ボクセルのオクトツリー表現 Keiichi SHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. 20

21 適応制御予測した切削力 ( 切削トルク ) に応じて工具送り速度を調整切削力が小さくなれば工具送り速度を増速切削力が大きくなれば工具送り速度を減速切削力が過大になれば加工を中断トラブル回避増速減速工具工具工具工具ワークワークワークワーク切削力小切削力適正切削力大切削力適正切削トルクの限界値危険切削力が過大になると切削トルク時間送り速度を下方修正適切な切削トルクの範囲送り速度を上方修正破損工具ワーク Keiichi SHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. 21

22 試作機の制御装置 1 次試作インテリジェント機能を装備した独自 NC 装置 Arumatik-Mi へ DCM 機能を組込み 2 次試作工具モーション制御のために高性能 CPU GPGPU を搭載マルチコアマルチスレッド CPU の採用高性能 GPGPU 加工パス処理能力 1.6 倍サーボ間通信速度 3 倍 IoT: 機械の見える化に MTConnect を採用 22

23 試作機超高速のX 軸走査線加工毎分 70,000 回転 HSK-E25 X 軸送り速度 120 m/min 主軸ヘッドとテーブルの同期対向制御 60 m/min 主軸ヘッドワークテーブル 60 m/min 23

24 EMO 2015 イタリアのミラノで 2015 年 10 月 5 日 ~10 月 10 日に開催された EMO MILLANO 2015( ( 欧州工作機械見本市 ) に試作機を出展 24

25 IMTS 2016 アメリカのシカゴで 2016 年 9 月 12 日 ~9 月 15 日に開催された IMTS 2016( ( 国際工作機械見本市 ) に試作機を出展 25

26 JIMTOF 2016 東京のビックサイトで 2016 年 11 月 17 日 ~11 月 22 日に開催された JIMTOF 2016( ( 日本国際工作機械見本市 ) に試作機を出展 26

27 試作加工サンプル 27

28 研究開発の達成目標平成 30 年度最終目標製品と素材の 3 次元 CAD モデルから機械部品が加工できる NC 工作機械の特徴を活かして切削力の適応制御機上計測による修正加工を可能とする革新的で知能的な NC 工作機械を試作して製品化する切削力の適応制御で加工トラブルの発生を低減し修正加工で加工精度を改善することを目標とする切削力一定の適応制御により切削力の急変に起因する加工トラブルを回避する修正加工により加工プロセスに起因する加工誤差を低減する機械加工を任せて安心安全に安全! 28

29 開発計画 NC プログラムを作成することなく素材と製品の 3 次元 CAD モデルから機械加工が可能な世界に例のない革新的知能化 NC 工作機械を試作する ( 第 1 次試作 ) 切削力の適応制御を実現して加工効率の向上と加工トラブルの回避を実現する ( 第 2 次試作 ) 機上計測と修正加工を実現して加工精度を改善する ( 第 3 次試作 ) H26 年度 H27 年度 H28 年度 H29 年度 H30 年度要素技術のアルゴリズム考案検証 ( 神戸大学 ) 実証用ソフトウェアの開発 ( ソフトキューブ ) 試作機開発 ( キタムラ機械 ) 送り速度制御工程設計切削力シミュレーション GUI 第 1 次試作 NC フロクラムレス加工適応制御機上計測修正加工切削力シミュレーション適応制御機上計測修正加工第 2 次試作切削力適応制御第 3 次試作機上計測と修正加工 29

30 連絡先ご清聴ありがとうございました神戸大学大学院工学研究科機械工学専攻白瀬敬一神戸市灘区六甲台町 1-1 TEL , FAX

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