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1111月月2828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

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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
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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

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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，NCNC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

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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
 バッチ処理

形状情報
形状情報，加工情報の喪失

CAD

CAM

製品のCAD モデル

 近似した微小線分

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，加工情報の活用（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

CAM ＆ CNC

製品のCAD モデル CAD

素材のCADモデル

形状情報

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（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

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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

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機械機械学習学習による知能化

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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（DCMDCM））
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
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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

BadGood

加工品位は高いままで加工時間を短くしたい

Feedd 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
10000102030405060Tool 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

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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 sppeed

Chemicalwood

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

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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FxFyFz

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

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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

 切削力センサの設置は切削力
(実測値)

逐次指令
工作機械

 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
仮想倣い加工システム

現実的ではない

切削力(推定値)※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。

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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
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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
初心者でも取扱い容易な簡潔
初心者でも取扱い容易な者
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
従来機の画面とは一線を画するインパクトインパクトのある画面のある画面


回転
拡大・縮小
移動

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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
少すを開始
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

4Steps4pKeiichi SHIRASESHIRASE,, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab.
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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
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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
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工具モーション制御の事例

低速

高速

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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

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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

ワーク

切削力小

切削力適正

切削トルクの限界値

危険

工具具

工具具

ワーク

ワーク

切削力大

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

時間

切削力適正

送り速度を上方修正

破損
工具
ワーク

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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
サーボ間通信速度
ボ間通信速度 3 倍
 IoT: 機械の見える化に MTConnect を採用

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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-E25HSK
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/

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EMO 2015
イタリアのミラノで 2015
2015年
年1010月月5日～日～1010月
月1010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

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IMTS 2016
アメリカのシカゴで 20162016年
年9月1212日～日～99月1515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

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JIMTOF 2016
東京のビックサイトで 2016
2016年
年1111月月1717日～日～1111月
月2222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

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試作加工サンプル

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研究開発の達成目標 【平成平成3030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 ！
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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 University29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 shirase@mech.kobe-u.ac.jp
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