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

(1)

神戸大学工学フォーラム

2016

神戸大学工学フォラム

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

神戸大学大学院工学研究科教授

教授白

白瀬

瀬敬

敬一

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

白瀬

瀬敬

敬一，尾

一，尾西

西雅

雅弘，片

弘，片田

田優

優介

介

(2)

工作機械とは

機械をつくる機械

｢

｢マザ

マザ

マシン

マシン｣

｣

機械をつくる機械

｢

｢マザーマシン

マザーマシン｣

｣

(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

工作機械が高機能になる etc.

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

械

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，

加工プロセスの制御，加工精度の補正，

加工精度の補正，異常時の対処

異常時の対処

(4)

自動化システムから自律化システムへ

り

_源

の

段取

り

人

的資

源

化

のため

の

り

をする

人

人的資源の不足

自動

化

段取

り

人的資源

不足

人的資源

不足

製品寿命

製品種類

部品形状加工工程

短い

長い

多品種

複雑

少品種

単純

部品形状，加工工程

複雑

単純

現状の自動化システムは人的資源を必要とする

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

ドイツ

ドイツ Industrie

Industrie 4.0

4.0 自律生産システムの実現

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

自律生産システムの実現

(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

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

製造リードタイムを

プ

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。

。

新技術のインパクト

対象製品

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

カップ

ソケット

新技術により期待される効果

② 機械加

を

作機械任

も

安心･安全

ソケット

ステム

骨頭

一品加工の金型

① 製造リードタイムの短縮

② 加工コストの低減

テイラーメイド人工骨

③ 国際競争力の向上

(6)

CAM

CAM--CNC

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

_

_{バッチ処理}

NC

形状情報，

加工情報の喪失



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

CAD

CAM

CNC

ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ

NC

ﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ

工作機械

フィードバック不可フィードバック不可形状情報加工情報運転指令

製品の

CAD モデル

工作機械に加工を指示



プラント制御

（制御対象が工作機械）

( ) 現行のNC工作機械

フィードバック不可フィードバック不可元の曲線近似した微小線分形状情報加工情報運転指令

 NCプログラムが必要

 加工プロセスの制御は不可

次

(a) 現行のNC工作機械

CAM ＆ CNC

形状情報，加工情報の活用



逐次処理



3次元CADモデル

（形状情報が豊富）

製品の

CAD モデル CAD

CAPP

サーボ

アンプ

DCM

工作機械に加工を一任



加工プロセス制御

（制御対象が加工プロセス）

CAPP：Computer-aided process Planning ［計算機援用工程設計］

DCM：Digital copy milling ［仮想倣い加工］

素材の

CADモデル

形状情報加工情報

工作機械

フィードバック可フィードバック可

 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

(b) 自律型･知能型のNC工作機械

DCM：Digital copy milling ［仮想倣い加工］

 加工プロセスの制御

(7)

自動工程設計

加

除去領域

加

除去領域

加工除去領域

の算出

加工除去領域

の分割

被削材形状

製品形状

加工除去領域

の分割

分割した加工除去

領域の順序算出

機械

機械学習

学習

による

知能化

分割した加工除去領域

の工具経路の生成

知能化

(8)

倣い加工の原理をデジタル化：

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））

工具

倣い加工

プロブ

_同期運転

工具

プローブ

_同期運転

工作物

製品模型

(a) 走査線加工

工具

仮想倣い加工

仮想プローブ

データ通信

工作物

CADモデル

(b) 等高線加工

工具経路生成の例

(b) 等高線加工

(9)

工具の位置による工具送り速度制御

加工品位は高いままで

加工時間を短くしたい

送り速度

Fast

Fast Slow

Slow

加工時間

Short

Long

加工時間

Short

Long

加工品位

Bad

Good

高品位を要する領域

低品位で可の領域

加工時間は長いが

高品位の加工

加工時間は短いが

低品位の加工

/min/min 500500 d Speed mm / d Speed mm / 100 100 200 200 300 300 400 400

DCM

DCMにおける実時間工具経路生成

における実時間工具経路生成

Fe ed Fe ed Tool position mm Tool position mm 00 1010 2020 3030 4040 5050 6060 00

“Finish Surface”

“Finish Surface” からの距離に応じた

からの距離に応じた

工具送り速度の加減速

(10)

素材の硬度あるいは材質に応じた工具送り速度制御

状

加工形状

（

Surface 情報）

加工面

Chemical Chemical wood

wood Acrylic Acrylic

peedpeed High speed High speed

加工面

切削送り速度

••

アクリル

:

: 200

200 mm/min

mm/min

Tool positionTool position

Feed s p Feed s p Low speed Low speed

被削材応じた

具送り速度

制御

••

ケミカルウッド

:

: 1000

1000 mm/min

mm/min

被削材に応じた工具送り速度の制御

(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

Fx

Fy

Fz

工具

1回転

ンドミル

切

N

工具

10回転

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

工作物

加工形状シミュレタと切削力シミュレタ

(12)

切削力シミュレータによる適応制御と切削異常検出



切削力シミュレタと

NC

NC工作機械への同期指令

工作機械への同期指令



切削力シミュレータと

NC

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（切削トルク）の推定値と実測値を比較して切削異常検出



切削力センサの設置は

工作機械

逐次指令

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

工作機械

切削力シミュレータ

※ 切削力の実測値と推

定値を比較することで

正確な検出が難しい

切削力

(推定値)

仮想倣い加工システム

定値を比較することで，

切削異常を検出する。

(13)

CAM

CAM--CNC

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

Only 4 Steps!

4 Steps!

製品

ワーク

工程

歯科補綴物のテイラーメイド加工

製品

モデル

選択

ワク

モデル

選択

工程

設計

実行

加工

開始

金型をイメージした多面体

ＮＣプログラム不要の試作機

機械加工を

機械加工を3

3Ｄプリンタ感覚で実現！

Ｄプリンタ感覚で実現！

(14)

プロジェクトの情報発信



新聞報道



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

年

月

本経済新聞

日本経済新聞

2015年11月28日

(15)

ユーザインターフェイス



画面デザインの留意点



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

初

者

扱容易

簡潔

、

直

直感的

直

な操作コンセプト →

な操作コンセプト

操作

→

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

(16)

ユーザインターフェイス



簡単操作



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

少

す

を開始

ワーク

モデル

製品

モデル

⼯程

設計

加⼯

選択

モデル

選択

設計

実⾏

加⼯

開始

4Steps

4 p

(17)

仮想倣い加工（

DCM

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



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

修正前

修正後

パス計算の

問題を修正

(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

距離

/ / 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

(19)

工具モーション制御の事例

高速

低速

(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



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

(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



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

具

増速

具

減速

ワーク

工具

ワーク

工具

ワーク

工具

ワーク

工具

切削力小

切削力適正

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･･･

･･･

切削トルクの限界値

危険

工具

破損

切削力が過大になると

切削トルクの限界値

送り速度を

下方修正

ワーク

工具

切削トルク

適切な

切削トルクの範囲

下方修正

送り速度を

上方修正

(22)

試作機の制御装置



１次試作



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



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



サボ間通信速度

3 倍



IoT: 機械の見える化に MTConnect を採用

(23)

試作機

試作機超高速の

超高速の

XX軸走査線加工

軸走査線加工

毎分

70,000 回転

HSK-E25

主軸ヘッドとテーブルの同期対向制御

X軸送り速度 120 m/min

HSK E25

主軸ヘッド

60 m/min

主軸ッドとテブルの同期対向制御

ワークテーブル

60 m/min

//

(24)

EMO

EMO 2015

2015

イタリアのミラノで

2015

2015年

年

10 10月

月

55日～

日～

10 10月

月

10 10日に開催された

日に開催された

イタリアのミラノで

2015

2015年

年

10 10月

月

55日～

日～

10 10月

月

10 10日に開催された

日に開催された

EMO

(25)

IMTS

IMTS 2016

2016

アメリカのシカゴで

2016

2016年

年

99月

月

12 12日～

日～

99月

月

15 15日に開催された

日に開催された

アメリカのシカゴで

2016

2016年

年

99月

月

12 12日～

日～

99月

月

15 15日に開催された

日に開催された

IMTS

IMTS 2016

2016（国際工作機械見本市）に試作機を出展

（国際工作機械見本市）に試作機を出展

(26)

JIMTOF

JIMTOF 2016

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

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

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

(27)

試作加工サンプル

(28)

研究開発の達成目標

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



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。

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

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。

機械加

任

安心安全！

機械加

任

安心安全！

http://www.subaru.jp/eyesight/digest/

機械加工を任せて安心･安全に！

(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



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）

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）

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

H26年度

年度

H27

H27年度

年度

H28

H28年度

年度

H29

H29年度

年度

H30

H30年度

年度

要素技術のアルゴリズム

切削力

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

ブ

送り速度制御

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

切削力

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

適応制御

機上計測

修正加工

工程設計

GUI

切削力

適応制御

機上計測

修正加工

（ソフトキューブ）

試作機開発

（キタムラ機械）

工程設計

GUI

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

適応制御

機上計測

修正加工

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

機上計測と修正加工

第

3次試作

機上計測と修正加工

（キタムラ機械）

(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

神戸大学大学院工学研究科機械工学専攻

白瀬敬

白瀬敬一

〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1

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]

TEL 078-803-6139, FAX 078-803-6155

E-mail [email protected]

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神戸大学工学フォーラム

神戸大学工学フォーラム

2016

2016

神戸大学工学フォ ラム

神戸大学工学フォ ラム

2016

2016

神戸商工会議所会館

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

機械加工技術の高度化

研究開発責任者

研究開発責任者

神戸大学大学院工学研究科

神戸大学大学院工学研究科 教授

教授 白

白 瀬

瀬 敬

敬 一

一

実施体制

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

発表者

白

白 瀬

瀬 敬

敬 一，尾

一，尾 西

西 雅

雅 弘，片

弘，片 田

田 優

優 介

介

工作機械とは

工作機械とは

機械をつくる機械

機械をつくる機械

｢

｢マザ

マザ

マシン

マシン｣

｣

機械をつくる機械

機械をつくる機械

｢

｢マザーマシン

マザーマシン｣

｣

工作機械の知能化とは

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

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

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，

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

工作機械が高機能になる etc.

etc.

② 加工プロセスが制御できない

神戸大学工学フォラム

神戸大学工学フォラム

神戸大学大学院工学研究科教授

教授白

白瀬

瀬敬

敬一

白瀬

瀬敬

敬一，尾

一，尾西

西雅

雅弘，片

弘，片田

田優

優介

加工プロセスの制御，加工精度の補正，

加工精度の補正，異常時の対処

_源

部品形状加工工程