NACHITECHNICALREPORT
Robots24B3

Vol.

March/2012■ 新商品・適用事例紹介
世界と差をつけるスピード「ＳＲＡ166/210−ＦＤ11」
ロボット事業World class speed Robot"SRA166/210-FD11"〈キーワード〉スポット溶接用ロボット・高速制御・高速性
長寿命化・省スペース・省エネ・軽量化・高剛性

ロボット事業部／開発部

伊藤浜畑輝樹光晴

Teruki ITO
Mitsuharu HAMAHATA

世界と差をつけるスピード「SRA166/210−FD11」

要旨

1. スポット溶接用

超速スポット溶接用ロボット「ＳＲＡ−ＦＤシリーズ」

ロボットへの要求

は、約20％軽量化した高剛性なアームと高速制御

自動車１台の車体の組み立てには約4,000点のでスポット溶接作業時間を従来機比最大30％短縮

スポット溶接が必要であり、車体生産ラインではスポッできるロボットである。また、ロボット本体をスリム化し、ト溶接作業を数百台のロボットで行なっている。この設置面積を最大25％削減し、軽量化と高速化で消ため、自動車・自動車部品メーカーがスポット溶接用費エネルギーは15％低減している（従来機比）。これロボットの主要カスタマーとなっている。

らにより、自動車メーカーをはじめとしたカスタマーの最近、自動車市場の中心が先進国から新興国へ

スポット溶接工程において、加工サイクルタイムの変化した。このため、新興国で受け入れられる価格飛躍的短縮、大幅な生産性の向上、コストダウンに対応、新興国の自動車メーカーも交えたグローバル貢献する。

競争などで自動車分野はよりコスト競争力のある生産ラインの構築が必要になっている。そこで、品質をAbstract
SRA-FD Series Robot for ultra-high speed
spot welding is approximately 20% lighter thanthe existing models, and with a highly rigid
arm and high-speed control it is capable ofshortening the spot welding time by 30% at themaximum from those of the existing models.
In addition, the robot's main body is slimmed
down; the floor space for installation is reduced by 25% at the maximum; and energy
consumption is 15% lesser than those of the existing models because of lightweight and highspeed features.
These features contribute to significant reduction of the cycle time for spot welding, substantial improvement of productivity and cost
reduction for auto makers as well as customers
in other fields.

1

維持しながら生産コストを低減できる設備が求められ、単位時間・単位面積当たりの生産性の大幅な向上が課題となる。また、為替リスク低減のため、国内自動車メーカーが現地生産を進め、新興国の自動車メーカーも生産量の拡大と品質向上の観点からスポット溶接工程のロボット化をすすめつつあり、新興国においても安心して使えることも求められている。
このようなニーズに応えるため、・高速化・コンパクト化・高信頼性をコンセプトに、軽量化・高剛性化・高速制御の3つを高い次元で進化させた超速スポット溶接用ロボット「ＳＲＡ−ＦＤシリーズ」を開発した。
ここでは、
ＳＲＡ−ＦＤ11の特長について述べ、さらに、自動車部品製造現場で従来機種からの置き換え事例の具体的成果についても紹介する。

2. ＳＲＡ−ＦＤ１１の概要
1）外観と仕様表１ ＳＲＡシリーズの基本仕様

ロボットの外観を図1に示す。バランサー装置を露出しないスマートな外観となっている。これまで、旋回台に配置されていたバランサー装置をアーム内に収納することですっきりとした腰まわりとした。166kg
可搬と210kg可搬のそれぞれの仕様を表1に示す。

項目
ロボット型式
自由度
最大動
作
範
囲仕様
SRA166-01

第1軸
第2軸
第3軸
第4軸
第5軸
第6軸

SRA210-01
6±3.14rad（±180°）−1.40〜＋1.05rad（−80〜＋60°）−2.56〜＋2.62rad（−146.5〜＋150°）±6.28rad（±360°）±2.36rad（±135°）±2.27rad（±130°）±6.28rad（±360°）

第1軸 2.18rad／s（125°／s） 2.01rad／s（115°／s）
第2軸 2.01rad／s（115°／s） 1.83rad／s（105°／s）
最第3軸 2.11rad／s（121°／s） 1.97rad／s（113°／s）
大速
第4軸 3.14rad／s（180°／s） 2.44rad／s（140°／s）
度
第5軸 3.02rad／s（173°／s） 2.32rad／s（133°／s）
第6軸 4.54rad／s（260°／s） 3.49rad／s（200°／s）
手首部
166kg
210kg
可搬質量
第１アーム上※145kg（最大90kg）
951N・m
1,337N・m
手首許容 第4軸951N・m1,337N・m
第5軸
静負荷
トルク490N・m720N・m
第6軸
2288.9kg・m141.1kg・m
第4軸
手首許容2
2
最大慣性 第5軸88.9kg・m141.1kg・m22モーメント※2 第6軸45kg・m79kg・m±0.1mm±0.15mm
位置繰り返し精度※3
床置
設置方法
960kg
990kg
本体質量
1［rad］＝180／π［°］,1［N・m］＝1／9.8［kgf・m］

図１ ＳＲＡの外観

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※1 第1アーム（第3軸のアーム）の上に搭載できる負荷の質量は、取り付け場所、手首負荷質量により変化します。
※2 手首許容慣性モーメントは、手首負荷条件により異なりますので、ご注意ください。
※3「JIS B 8432」に準拠しています。

2

世界と差をつけるスピード「SRA166/210−FD11」2）従来機ＳＴからの性能向上

次に、動作範囲について述べる。図3に示すよう

ＳＲＡ−ＦＤ11の性能向上を従来機ＳＴ−ＡＸとに前後ストローク長を従来機比7％増の2,225mm比較して説明する。最初にロボット本体、次に制御まで延長した。これにより、ワークへの接近性の向上装置について述べる。

やエアーカット用の動作エリアの確保が容易になる。

まず、ロボット全6軸の最高速度を向上させた（図2）。

また、図4に示す従来機の最後端位置で比較するとＳＲＡ166では最大28％（Ｊ2軸従来機比）アップさせ、アーム後退干渉半径は22％減の218mmも小さくなっ各軸の最高速度は世界トップとした。
ＳＲＡ210も最ている。
さらに、スポット溶接用ケーブルや冷却水用ホー大19％（Ｊ3軸従来機比）の向上で、各軸の最高速スなどの機器を艤装した状態でのフレーム干渉半径度は世界トップクラスとなっている。
（2012年2月現在）

はR610からR521と約15％短くした（図5）。これらによりワークや治具などの周辺機器やロボットをより高Ｊ1140%

ST166
SRA166120%
Ｊ6Ｊ2100%80%

密度に設置でき、省スペース性を向上させている。
また、位置繰り返し精度を±0.3mmからＳＲＡ166は±0.1mmに、ＳＲＡ210は±0.15mmとそれぞれ3倍、2倍へ精度を向上させている。これは、アームの高剛性 化と関 節 部の高 減 速 比による分 解 能アップで60%実現した。

Ｊ5Ｊ3Ｊ4140%

Ｊ1120%
Ｊ6ST200
SRA210Ｊ2100%80%60%

Ｊ5Ｊ3Ｊ4

図23

速度比較図

図3

動作範囲の比較図

次に、制御装置ＦＤ11について述べる。ＦＤ11
コントローラの基本仕様を表2に示す。小型8軸サー
ボアンプ、小型ティーチペンダント、コントローラ内の配線削減などにより、従来体積比20％減の小型化を実現した。また、従来のＡＸコントローラの機能も継承し、高速化、軌跡精度向上とともに、高機能化を実現した。
これらの性能向上で得られたＳＲＡ−ＦＤ11の特長を次章で詳述する。
図4 アーム後退干渉半径の比較

ST166のフレーム干渉半径

図6

SRA166のフレーム干渉半径

FD11制御装置の外観

図5 フレーム干渉半径の比較

表2

基本仕様

項目
制御軸数
サーボモーター
位置検出器
教示方式
プログラム選択数
メモリー容量仕様
標準6軸（オプションで最大8軸まで対応）
ACサーボモーター
アブソリュートエンコーダ
ティ−チングプレイバック
9,999種25MB（2,560,000ステップ相当）

ティーチペンダント

5.7 カラーLCD付（640×480、バックライト付き、65536色表示）
標準ケーブル長：8m
3ポジションイネーブルスイッチ、タッチパネル仕様、IP65相当

操作パネル

モード切替えスイッチ（教示／再生）、非常停止ボタン
運転準備入りボタン、起動ボタン、停止ボタン

PLd（カテゴリ3対応）
安全機能
ロボット制御装置間ケーブル 標準ケーブル長：5m
フラッシュメモリ
記憶方式

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世界と差をつけるスピード「SRA166/210−FD11」

3. ＳＲＡ−ＦＤ１１の特長
1）ロボット本体SRAの特長

軽量化（1）高速性の実現
大幅な高速化は単位時間当たりの生産性向上だけでなく、設備費の低減を可能にする。ロボット台数を削減すると、ロボットに加えてスポット用溶接ガン、溶接タイマー、配管などの溶接機器や架台も削減でき、大幅な設備費用の低減を実現できる。そこで、高高速制御

高剛性速化の目標値を以下のように設定した。自動車の図8

車体本体のスポット溶接工程は、図7に示すように高速化のとり組み片側に4台ずつロボットを配置して構成される。ロボッ
トを片側3台に削減するには、1台当たり33％生産性

まず、軽量化を述べる。回転運動系では、動的なを上げなくてはいけない。これをサイクルタイム短縮

慣性モーメントと静的な負荷トルクを軽減しなくてはに換算すると従来機比25％になり、これを目標値とならない。慣性モーメントは関節部の減速比を高くした。

することで、負荷トルクは、アーム部材の軽量化、アーム長の見直し、バランサー装置の出力トルクアップにより低減させた。これについては後述する。
次に、剛性向上のとり組みを説明する。軽量化と高剛性化を両立させる最適設計をCAEの活用にて実施した。その一例を図9に示す。これらの図は床面と接する構造部品であるベースの例で、Z軸まわりに同じモーメントを与えたときのねじれ量の解析結果である。図中の値は、従来機のベースのねじれ量を1としたときの比率である。解析上、SRAのベース部品
図7

車体本体工程でのロボットの配置

サイクルタイムの短縮には加速度の向上が重要倍になっている。全てのアーム構造部材に、このような要素である。この工程でのスポット溶接作業は30な解析を全方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）で実施した。そして、〜200ｍｍといった短距離の移動が多いためである。

従来機の部材よりも軽量で強度と剛性が向上した

加速特性をよくするには、以下の方策が考えられる。

部材になったことを確認している。こうした部材設計

・モーターのトルクアップによる振動抑制の効果を図10に示す。この結果、・軽量化

赤線のＳＲＡの振動静定は黒線の従来機より約15

前者の方策ではモーター質量の増加をはじめトル

5のねじれ量は従来機比で約半減しており、剛性は２％も短くなっている。

クアップに応じた重厚なアームとなり、トルクアップ分

また、バランサー装置の出力トルクアップは、従来が相殺される可能性が高い。そこで、軽量化によるの機械バネでは装置の大型化と質量が増加するととり組みを行なった。軽量化では剛性について考いった問題が予見され、これでは軽量化・コンパクト慮する必要がある。これは、低剛性なアームでは振化の開発コンセプトと矛盾し、高速化へも影響を与動が発生し、高速動作ができなくなるためである。こえる恐れがあった。そこで、小型・軽量なバランサーのような高速化のとり組みのイメージを図8に示す。

装置を新たに開発し、アーム内に収納することで解高速制御は、次節の制御装置で説明する。

決した。

1.0

（2）省スペース性Ｚ

次に単位面積当たりの生産性向上となる省スペース性について説明する。2章で述べたロボットのコンパクト化に関するフレーム干渉半径とアーム後退干渉半径を用いて、４台設置時の理論上の最小面積を比較した。その結果を図12に示す。従来機の設置面積に対してＳＲＡでは約25％の削減ができた。

部品名称：ベース
上ST、下SRA
荷重方向：ねじり

さらに、30％の高速化の効果も考えると、0.45

1÷0.75÷0.7＝1.9Ｚとなり、単位面積当たり90％の生産性向上となる。
次に、ライン長の短縮について述べる。
４台設置での比較では図12に示すように約17％の短縮、同じ生産能力比較では、前述したようにＳＲＡは3台で対応できるため、単純に設置幅を求めると1,080mmを引いて3,240mmとなり、さらに約37％の短縮が図9できる。

CAEの活用事例

こうした高速化のとり組みの結果、スポット溶接作業時間を最大30％短縮した（図11）。この検証に用いたロボット作業プログラムは車体本体の工程を意

△25％
19.8

手首動作有（14打点）識したもので、14打点のロボット作業プログラムはカ

平面動作（27打点）

スタマーが生産に使用しているもの、平面動作27打10

SRA166
ST166（従来機）

26.3
26.2

△30％
36.8

15点のプログラムは短ピッチの移動性能を評価するも202530時間（s）

3540図11 サイクルタイム短縮の検証結果のである。
ＳＲＡを用いることで、ロボット台数の削減による設備費の低減、生産性の向上に大きく貢献できることを示している。

SRA166
従来機

04時間

図10

振動の静定結果

図12

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設置面積の比較

6

世界と差をつけるスピード「SRA166/210−FD11」（3）高信頼性（4）環境への配慮

高速性を十分に発揮させるには、それに対応した人類の持続した発展のため、環境負荷の低減に信頼性が必要となる。高速化でロボット寿命が短くなっとり組むこともものづくりの責務である。SRAの開発ては問題である。そこで、ロボット寿命を決定する減でとり組んだ省エネルギー化と省資源化を図14、15

速機について長寿命化をはかった。その内容は減に示す。

速機の強化と軽量化による負荷の軽減である。こ省エネルギーでは従来機比15％以上低減していれらの効果を図13に示す。ここで示したＪ2，3軸は他る。これは、高速化を軽量化により実現したためであの軸よりも大きな負荷が加わる軸で、その計算寿命は、る。まず、負荷の軽量化によりモーターの駆動電流30％の高速化稼働でも従来機比1.5倍以上の長寿を増やすことなく、加速性能を向上させた。そして、命となっている。

加速性能の向上による高速化で電流の通電時間

また、高速化による発熱の影響についても考慮し、高温特性の良いグリースの採用と放熱性の良いモーター配置を行なっている。

は短くなるので入力エネルギーは小さくなり、省エネルギーとなる。
そして、省資源では、本体質量を従来機比で20％これらにより、安心して高速性能を発揮させることができる。

低減している。ＳＲＡ166で約200kg、ＳＲＡ210で約230kgを軽量化した（図15）。また、定期交換が必要な減速機のグリース量も約10％削減している。

21.61001.5

11900.5010010080
従来機SRA858170

J2軸寿命比60

21.51.5SRA166

スポット溶接パターン11従来機

50ハンドリングパターン

図14

省エネルギー結果

0.50

従来機

SRA

1,250

図13

減速機の計算寿命の比較

本体質量（ｋｇ)

J3軸寿命比1170960

1,000750

500

ST166

図157

SRA166

本体質量の軽量化

2）制御装置ＦＤ１１の特長（1）小型ティーチペンダント
新型ティーチペンダントは、高速ＣＰＵの採用など内部部品の見直しにより、W170×H300mmの小型サイズ、防塵防滴性能ＩＰ65、960ｇの軽量化を実現した。外部メモリとしてＵＳＢメモリ採用し、ＵＳＢメモ
リをティーチペンダントに接続可能とし、ロボットプログ
ラムのバックアップは作業者の手元で操作が可能とした。これにより、従来はコントローラの扉を開けて行図16

小型ティーチペンダント

図17

小型８軸サーボアンプなっていたバックアップ作業が、扉を開けずにでき教示時間を短縮できる。
（2）小型８軸サーボアンプ
小型8軸サーボアンプにより、1つのコントローラ筐体でロボット本体6軸に加え、追加2軸の制御が可能となった。
従来のコントローラでは、ロボットに使用するモーターの大きさによりサーボアンプを選定するため、多くの種類のサーボアンプが必要だったが、ＦＤ11コントロー
ラでは、電流検出回路の見直しによりサーボアンプ6品を削減できる。

5

ロボットが作業停止した場合の省エネ機能も搭載しており、サーボ電源ＯＦＦ、冷却ファンの停止、新ブレーキ電源により、従来の1/3以下の消費電力を実現し、環境に配慮した製品となっている。

モータ発生トルクの種類を減らした。これにより、
カスタマーの保守部

4

サーボモーターのトルク制御方法を改良し、モーター回転数の低速域から、高速域まですべての帯域

中速域

2

高速域

10（3）高速化

低速域

30

1,000

2,000

3,000

4,000

モータ回転数

図18 モータのトルク制御の改良において発生トルクを向上させ、ロボット本体の高速化をはかることができた。また、サーボガン制御のムダ時間を削除することにより溶接速度向上を実現している。

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世界と差をつけるスピード「SRA166/210−FD11」（4）操作性向上（6）ロボット言語高機能化

ロボットの操作に必要なティーチペンダントには、タッ

ロボット言語のライブラリを強化することで、操作画チパネルを標準採用することで操作性の向上をはかっ面のカスタマイズ化が可能となり、パレタイズ、シームた。
「ソフトウェアキーボード」の文字選択や、「ソフトウェ溶接、ハンドリングなどの多くのアプリケーションに応アＰＬＣ」のラダー選択、修正にもタッチパネルを直じてモニタの作成が可能となった。画面作成を補助接触るだけで操作が可能となり、従来のティーチペンする機能として、雛形のロボット言語プログラムを準ダント上のキーボードを操作する煩雑さも解消され、備しており、ユーザーで必要に応じて修正することで、オペレータの直感的な操作が可能となった。

さらにプログラム作成工数の削減をはかることができるようになる。

（5）軌跡精度向上
従来比2倍の高速ＣＰＵを採用することで、ロボットの動作をリアルタイムでシミュレーションして軌跡のずれを予測し、補正動作させることで軌跡精度を向上させた。とくに、シール剤を塗布するシーリング作業では、軌跡精度が要求されており、ＦＤ11コン
トローラでは、従来比50％アップの軌跡精度を実現することができた。
また、再生時と、教示時ではロボットの軌跡に差異が生じる。このため、教示で問題がないことを確認しても、再生時にワークやジグなどに干渉する問題が発生することがある。この原因は、再生時と教示時でロボットの動作速度が異なるためである。それで、前述の補正動作により、再生時の軌跡を教示時に実現させることで、これらの軌跡差をなくした。これ

図19 タッチパネルによる操作性向上により、教示時にワークとの干渉をチェック可能となり、ティーチング作業を容易にした。

図20 カスタマイズされた画面の一例

9

（7）FD on Deskや周辺装置との連携シミュレーションソフト FD on Desk により、パソコン上でプログラム作成やハンド装置の干渉チェックが可能である。また、
ＦＤ１１コントローラと同一のモーションエンジンを使用しているため、高精度のタクト検証もできる。他にもＰＬＣプログラムの編集、インタフェィ
スパネルデザイン、各種パラメータの設定など、すべての設定が FD on Desk で可能であり、事前のシステム検討が容易に行なえる。
ＦＤ11コントローラはソフトウェアＰＬＣ（国際標準規格ＩＥＣ1131に対応）を内蔵しており、周辺装置の制御も可能である。周辺装置のプログラミングもＦＤ11コントローラのティーチペンダントで行なうことができるので、外部にＰＬＣ設備を設ける必要が無く、コストパフォーマンスの優れたシステム構成が実現

図21 リファレンスマニュアル

できる。
（8）電子マニュアルによる簡単保守
コントローラ内の電子マニュアルにより、紙媒体によるマニュアルと同等のリファレンスマニュアルを「ＨＥＬＰ」キーの操作だけで閲覧することができる。
また、コントローラの異常発生時には、異常コードと関連したトラブルシュート画面を表示してわかり易く支援する機能も実現している。

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103）適用事例
自動車部品製造のスポット溶接生産セルのロボットをＳＲＡ−ＦＤ11に更新し、大幅な生産性の向上を実現した事例を表3に示す。
ここでは、エアー駆動式のスポット用溶接ガンを付加した旧型機ＳＡ160−ＡＲからサーボモーター駆動式のスポット用溶接ガンを付加したＳＲＡ166−ＦＤ11に入れ 替えたものである。表3に旧型機との加工サイクルタイムの比較を示す。最大47％の短縮となっている。約2倍の高速化で、これまでの2直稼動での生産量をほぼ1直でこなすことできる。単純であるが、設備のランニングコストを半減することが可能で、収益性の高い生産設備へ更新できた。
表3

SRA-FD11の適用事例の結果
サイクルタイム
SA160-AR SRA166-FD11

車種

打点数

A

10打点

29.7秒

B

17打点

58.6秒

C

15打点

54.7秒

15.63秒（△47％）
33.94秒（△42％）
34.06秒（△38％）

図22 トラブルシュート画面

4. さらなるニーズへの対応
今回、開発した超速スポット溶接用ロボット「ＳＲＡ長を延長したロングアームタイプなどのロボットも必要−ＦＤシリーズ」について、従来機との比較を中心にになる。これらに対応するシリーズ機も用意している。

その特長と効果を紹介した。自動車車体の生産ライ

さらに、カスタマーが理想とする生産ラインの実現にンを構築するには、今回紹介した床置タイプのほか、貢献するため、シリーズ機を拡充していく。

ワーク上方から接近するための棚置タイプやアーム

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March / 2012〈発行〉 2012年3月29日
株式会社 不二越 開発本部
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Tel.076-423-5118 Fax.076-493-5213