神戸大学工学フォーラム2016 神戸大学工学フォーラム 神戸大学工学フォ ラム2016 ラム2016 神戸商工会議所会館 2016 2016年 年11 11月 月28 28日 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） 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 工作機械とは 機械をつくる機械 ｢マザーマシン マザ マシン｣ マザーマシン｣ マシン｣ Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 2 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 械 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 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 3 長い 少品種 単純 人的資源の不足 人的資源 不足 製品寿命 製品種類 部品形状 加工工程 部品形状，加工工程 段取り りをする人 人的資源 源 自動化 化のための の段取り り 自動化システムから自律化システムへ 短い 多品種 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 自律化システムで人的資源の不足を補う 自律生産システムの実現 システムに指示を与えるのではなく システムに任せる Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 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 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 NCプログラムの作成を不要にして 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， 短縮し ，加工プロセスの制御を実現する。 加工プロセスの制御を実現する プ 。 新技術のインパクト 対象製品 カップ ソケット 骨頭 ステム 一品加工の金型 テイラーメイド人工骨 ① 機械加工を3Dプリンタ感覚で実現 ② 機械加 機械加工を工作機械に任せても を 作機械 任 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 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 5 CAM--CNC CAM CNC統合による工作機械の知能化･自律化 統合による工作機械の知能化･自律化 形状情報 形状情報， 加工情報の喪失 CAD CAM 製品の CAD モデル NC ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ CNC 工作機械 形状情報 加工情報 元の曲線 運転指令 フィードバック不可 NCプログラムが必要 加工プロセスの制御は不可 近似した微小線分 ( ) 現行のNC工作機械 (a) 逐次処理 次 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 形状情報，加工情報の活用 CAM ＆ CNC 製品の CAD モデル CAD 素材の CADモデル 形状情報 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 CAPP DCM サーボ アンプ 工作機械 加工情報 フィードバック可 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 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 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 6 自動工程設計 加工除去領域 加 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 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 機械 機械学習 学習 による 知能化 7 倣い加工の原理をデジタル化： 仮想倣い加工（ 仮想倣い加工（DCM DCM）） 倣い加工 プロ ブ プローブ 同期運転 工具 工作物 製品模型 (a) 走査線加工 仮想倣い加工 工具 仮想プローブ データ通信 CADモデル 工作物 (b) 等高線加工 工具経路生成の例 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 8 工具の位置による工具送り速度制御 送り速度 Fast Slow 加工時間 Short Long 加工品位 Bad Good 加工品位は高いままで 加工時間を短くしたい Feed d Speed mm//min 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 500 400 300 200 100 0 0 10 20 30 40 50 60 Tool position mm DCMにおける実時間工具経路生成 DCMにおける実時間工具経路生成 “Finish Surface” からの距離に応じた 工具送り速度の加減速 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 9 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 状 （Surface 情報） 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 Chemical wood Acrylic High speed Low speed Tool position 被削材 応じた 具送り速度 制御 被削材に応じた工具送り速度の制御 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 10 エンドミル ンドミル 切削力 N 加工形状と切削力の同時シミュレーション 工具1回転 Fx Fy Fz 切削力 N 工具10回転 工作物 作物 加工形状シミュレータと切削力シミュレータ 加工形状シミュレ タと切削力シミュレ タ Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 11 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 切削力シミュレ タとNC 切削力シミュレータと タとNC工作機械への同期指令 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 切削力 (実測値) 逐次指令 工作機械 切削力シミュレータ 仮想倣い加工システム 切削力 (推定値) 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 ※切削力の実測値と推 定値を比較することで 定値を比較することで， 切削異常を検出する。 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 12 CAM--CNC CAM CNC統合による知能化 統合による知能化NC NC工作機械 工作機械 Only 4 Steps! 製品 ワ ワーク ク モデル モデル 選択 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33Ｄプリンタ感覚で実現！ 機械加工を Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 13 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 年 月 日本経済新聞 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 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 初心者でも取扱い容易な 初 者 扱 容易 簡潔 簡潔、 、直 直感的な操作コンセプト 直感的 な操作コンセプト 操作 → シンプル シンプルイズベスト イズベスト 従来機の画面とは一線を画するインパクト 従来機の画面とは一線を画する インパクトのある画面 のある画面 回転 拡大・縮小 移動 Keiichi SHIRASE SHIRASE,, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 15 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 少ないステップですぐにNC加工を開始 す を開始 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 4Steps 4 p Keiichi SHIRASE SHIRASE,, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 16 仮想倣い加工（DCM 仮想倣い加工（ DCM）による工具経路生成 ）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 算 具経路をリ 作機械 指令 修正前 修正後 パス計算の 問題を修正 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 17 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 加工領域をボクセル化し工具送り速度を制御するデ 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 距離データはX/Y/Z各軸方向それぞれに保持 / / 各軸方 そ ぞ 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 SHIRASE,, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 18 工具モーション制御の事例 低速 高速 Keiichi SHIRASE SHIRASE,, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 19 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 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 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 SHIRASE,, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 20 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 工具 具 減速 工具 具 ワーク 工具 具 ワーク 切削力小 ワーク 切削力適正 切削トルクの限界値 危険 時間 ワーク 切削力大 切削力適正 切削力が過大になると･･･ 切削力が過大になると ･･･ 送り速度を 下方修正 適切な 切削トルクの範囲 切削トルク 工具 具 送り速度を 上方修正 破損 工具 ワーク Keiichi SHIRASE SHIRASE,, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 21 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 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 サ ボ間通信速度 3 倍 IoT: 機械の見える化に MTConnect を採用 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 22 試作機 超高速の 超高速のX X軸走査線加工 毎分70,000 回転 HSK-E25 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 主軸 ッドとテ 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 / Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 23 EMO 2015 イタリアのミラノで 2015 2015年 年10 10月 月5日～ 日～10 10月 月10 10日に開催された 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 2015（欧州工作機械見本市）に試作機を出展 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 24 IMTS 2016 アメリカのシカゴで 2016 2016年 年9月12 12日～ 日～9 9月15 15日に開催された 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 2016（国際工作機械見本市）に試作機を出展 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 25 JIMTOF 2016 東京のビックサイトで 2016 2016年 年11 11月 月17 17日～ 日～11 11月 月22 22日に開催された 日に開催された JIMTOF 2016 2016（日本国際工作機械見本市）に試作機を出展 （日本国際工作機械見本市）に試作機を出展 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 26 試作加工サンプル Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 27 研究開発の達成目標 【平成 平成30 30年度 年度 最終目標 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、 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。 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。 http://www.subaru.jp/eyesight/digest/ 機械加 機械加工を任せて安心･安全に！ 任 安心 安全 ！ Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 28 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 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 H26年度 H27年度 H27年度 H28年度 H28年度 H29年度 H29年度 H30年度 H30年度 要素技術のアルゴリズム 考案･検証（神戸大学） 送り速度制御 切削力 ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ 適応制御 機上計測 修正加工 実証用ソフトウェアの開発 （ソフトキューブ） ブ 工程設計 GUI 切削力 ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ 適応制御 機上計測 試作機開発 （キタムラ機械） 第1次試作 NCﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑﾚｽ加工 第2次試作 切削力適応制御 修正加工 第3次試作 機上計測と修正加工 Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 29 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 〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1 TEL 078-803-6139, FAX 078-803-6155 E-mail [email protected] Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab. Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University 30
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