新しい自動化技術の創出

匠を活かす／売れるマシンを創る「緻密なモーション制御」と「ＮＣ技術の公開」
Ver1.1
2003.11.19■緻密なモーション制御
特異な生産技術で「売れるマシン」を造るためには、コントローラの役目が重要です。
「緻密なマシン」には、「モーションコントローラ」が役に立ちます。

■ＮＣ技術の公開
精密な動作には、「ＮＣ技術」が必須です。
ＮＣ技術を使いやすく公開することで、ノウハウやアイデアを独自生産技術として実現できます。

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１

売れるマシンが求めるコントーラ「売れるマシン」とは、特異な生産技術で差別化されたマシンや設備のことです。
作業ヘッド※１やワーク（材料） ※２に対して、各機械メーカはノウハウと知恵を活かして、より高い生産性 ※３を実現しています。まさに、熟練の匠の技を、人の数百倍の早さで、安定作業できるような自動機こそ、「売れるマシン」のイメージです。
このようなマシンの「作業ヘッド」「材料」「機構」「各種アクチュエータやセンサー」を制御するのがコントローラで、匠の技が凝縮したコンピュータといえます。

図１

マシンを制御する■■■コントローラの役目■人の操作で動く（手動運転）■動作プログラムで動く（自動運転）■軸制御で機構を駆動■入力信号処理■出力制御■作業ヘッドの制御■各種センサ計測

作業者の操作で思い通りの動きをします。
あらかじめ設定した動作手順で軸・入出力・アクチュエータを動かします。
センサーや入力信号の状態で最適な動作条件を選んで実行します。
特に緻密な動作をさせるためには、動作内容の表現や処理が重要です。
サーボやパルスモータをコントローラが制御して機構を駆動します。
最適動作のためには、機構の位置・速度を正確に再現させる必要があります。場合によっては、トルクや力の制御もおこない、熟練の技を再現します。
機械や作業の状態を検出し、コントローラで判断します。
機構動作にあわせて、シリンダやソレノイドバルブなどを制御します。
加工・組立・溶接・成型・造形など作業に応じて専用のアクチュエータがあり、コントローラが機構の駆動と協調して制御します。
ワークや作業状態を計測しコントローラにフィードバックします。
作業が緻密で高付加価値になるほどインプロセス計測 ※４が重要になってます。

※１

作業ヘッド

たとえば、レーザ応用の加工ヘッドや高速搬送のピッカーなどです。
直接の作業をする部分で生産技術やノウハウの結集する部分です。

※２

ワーク（材料）新しい製品や生産技術では、材料も新しい材質や形になる場合があります。
また、品質を高めるために、あえて加工しにくい材料であったり、加工と組立を同時におこなうための複雑な形になったりします。
作業ヘッドの技術と深く関わって、生産性に大きく影響します。

※３

生産性品質（精度、歩留まり）、コスト、生産効率などトータルな評価です。

※４

インプロセス計測

作業中に加工や組立の精度を計測し、結果をリアルタイムに反映すること。

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緻密なマシンのコントローラの選び方
独創的で他社に勝る生産技術を持ち、生産性を高める工夫した知的設備のことを、ここでは「緻密なマシン」と呼びます。
マシンの目的や使い方でコントローラの選び方は変わります。
ここでは、コントローラを大まかに分類して、緻密なマシンに合うコントローラを考えます。

分類
代表例
全体的な特徴
応用分野
モーション制御の比較
シ ー ケ ン シーケンサ
数百点の入出力やセン 各種設備
シーケンサの位置決めモ
サメーカ
サ・アクチュエータの制 プ ラ ン ト や ラ イ ン 制 ジ ュ ー ル で は 、 比 較 的 単
ＰＬＣ
横河、三菱、オム 御御純な動作のみ。
ロン 他
シーケンスラダーによる 幅広い応用
単純な多軸は可能である
プログラミングが、同期や緻密な動作には、不向きな面もある。

サーボ
各社制御ボード 比較的低価格
単 機 能 型 の サ ー ボ （同上 単純動作）
コ ン ト ロ （サーボ専用）
機能が単純なので使い 応用
ヘッド、入出力などを同時ーラ
やすい印象（軸制御に専念）
制御するのが苦手
ＮＣ※１
汎用ＮＣメーカ
工作機械やそれぞれの 汎用工作機
専用化のアレンジは現実
ロボット 各 社 ロ ボ ッ ト メ ー ロボットに応じて、高機 組立、溶接、搬送ロ 的に困難
カ
能で高性能
ボット
独自の生産技術には向か完成度が高いない

自 作 コ ン 機械メーカ
トローラ

モ ー シ ョ オープンＭＣ
ン コ ン ト その他
ローラ

機械メーカ自身で開発
完全な独自性(守秘性)
最適コスト(単体原価)※開発パワーが必要

あ る 程 度 生 産 台 数 独自性が発揮できる可能がまとまる応用でな 性大
いと開発コストが合 １から作るので大変わない
ＣＰＵや部品の進歩が早いので開発パワーが必要（トータルコスト検討要）※開発コストは除く
緻密マシンや専用機に 各種専用機向いている
特殊なマシン
軸･入出力･通信など「緻密なマシン」マシン全体の制御

十分な基本性能
ＮＣ技術を内在
豊富なモーション機能(あらゆる機構に対応)NC技術※２の公開で専用化が可能■ 緻密なマシンには、モーションコントローラは、有効な手段です。
ＣＰＵやソフト技術の進歩が早く、機械メーカですべてを自社開発するのはかなりの負担になっています。
完成された安定したモーション機能をうまく使いこなして、その上で独自生産技術を作っていくのが早道です。

■ 緻密なモーションの例
加工（レーザ、切削、穴明け、プラズマ、ガス、研磨、放電・・・）
精密組立
高速搬送
高速サイクリック動作 巻線
溶接
造形
専用ロボット
その他の専用機※１ NC※2 NC技術

同期搬送

Numerical Control 大手ＮＣメーカに代表される従来型のＮＣコントローラをここでは「ＮＣ」又は「汎用ＮＣ」と呼びます。
NCの中のモーション制御のための基本的技術を「ＮＣ技術」とここでは呼びます。

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３

ノウハウを活かす「緻密なモーション制御」
ノウハウや特殊な生産技術に一般形はありませんが、それをささえる「緻密なモーション制御」については、以下のように考えることができます。
（１）精密な動き
位置や速度の制御単位が精密なこと。１μｍやそれ以下で制御するのが一般的です。
最近では、１０ｎｍ単位で制御するマシンもあります。もちろん送り速度も高速になる傾向があり結果的には、数ＭＰＰＳ ※１の速度制御も必要です。極低速（たとえば１ＰＰＳ）から高速（たとえば１ＭＰＰＳ）まで安定して精度良く制御する必要があります。
（２）輪郭制御
直線補間や円弧補間だけでは、不足です。たとえば、１つが数ミリ秒の短い補間の連続でも指定された速度で正確・なめらかに動作する必要があります。つまり、位置と速度を常に指定どおりにする機能が必要です。たとえば、巻線や切削の時に補間のつなぎ目でほんの少しの停止や速度ムラが発生した場合、目的の加工精度が出せません。
この技術は、ＮＣ技術としては、確立されていますが、その他の位置決めやサーボコントローラでは、不十分なものもあります。モーションコントローラには、このようなＮＣ技術が、基本性能として備わってます。
（３）場合によっては、力（トルク）も制御
精密組立や曲げ加工では、位置・速度に加えて、力（トルク）も制御する場合があります。 いわゆる力加減というもので、匠の技ならではです。
（４）あらゆる加工ヘッドの制御や計測軸の動作のみでは、作業はできません。実際に作業する作業ヘッドと機構を同期させて組み合わせる必要があります。たとえば、レーザで輪郭溶接をおこなう場合、動きに合わせてレーザ強度を増減させます。また、溶接ヘッドから溶接電流や電圧を検出してインプロセス制御して、欠陥レス溶接をおこなっている例もあります。
（５）動きや制御のバリエーション
機構や動作は、生産技術の進歩に応じて複雑で特殊になってます。たとえば、門型のマシンで両端の２つのモータで１つの軸を駆動（平行軸制御）したり、コンベア上を動いているワークに作業（同期追従制御）したり、刃物の動く軌跡の向きに自動的に刃物を向ける接線制御などバリエーションが豊富です。最近では、リニアモータなどいろいろなタイプの駆動装置が進歩して、それらを使いこなす必要もあります。
巻線の動作などは微小な直線補間を大量に連続させてピッチ送り、折り返しなど複雑な動作を実現します。このときの指令は、巻数、ピッチ、トラバース量、折り返し方法などの代表パラメタのみ指定して、直線補間の連続はコントローラが自動発生するのが便利です。このように複雑な連続動作も簡単に扱える仕組みも必要です。
（６）制御性を改善する機能
機構やサーボ系には、どうしてもある程度の誤差が発生します。これを補正する機能があれば、 マシンの精度や生産性が格段に上がります。直動系の誤差補正（ピッチエラー補正）や機構ガタの補正（バックラッシュ補正）などは、ＮＣ技術ではポピュラーです。最近では、動的な軌跡精度 ※２の改善なども可能になっています。

これらの要素を総合的に利用して、緻密なモーション制御では、以下を実現します。
「作業の目的に応じて精度良く、常に最適な位置・速度で動く」「複雑な動きも簡単に指令・設定できる仕組みを持つ」「複雑・特殊な機構や作業ヘッドでも簡単に正しく動かす」※１ ＭＰＰＳ※２ 動的軌跡精度

ＰＰＳは、パルス／秒で、１秒あたりの移動量を制御単位パルス（たとえば１ｐ＝１μｍ）で表現した6ものです。M（メガ）＝１０ (たとえば、 1P=1μm で 100mm／sec は、100Kpps)
機構を動かす時に、指定の軌跡どおりにサーボへ指令しても、そのイナーシャ（慣性）や摩擦負荷で多少の誤差が発生します。

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４

自分好みのモーションコントローラ
生産技術のノウハウは、機械を設計したり使う方々が持ってます。作業ヘッド、ワーク（材料）、作業方法に差別化のネタがあります。つまり、主役はノウハウを持つ機械メーカであり、モーションコントローラは、それを実現するための強力なサポータなのです。
４－１

従来のＮＣの貢献と問題点（閉鎖的なＮＣ）

汎用工作機械やロボットのＮＣ技術は、数十年の歴史の中で大きく発展し、生産性向上に貢献してきました。たとえば、精密な金型加工などが熟練者でなくても可能になったのは、ＮＣ技術のたまものです。
ところが、専用機に汎用ＮＣやロボットコントローラを利用するとなると現実は不可能です。ＮＣは、非常に完成度が高いため、機械メーカでの本格的なアレンジ ※１はできません。その意味では、非常に閉鎖的なシステムになってます。
※１

ＮＣでもユーザマクロという、機械メーカが自由にプログラミングできる機能がありますが、データの変換とか機械操作のシーケンス制御などに限定されてます。

４－２

ＮＣ技術を公開すればモーションコントローラでは、ＮＣ技術の公開に積極的です。
独自の生産技術を支援して機械メーカがノウハウを活かすためには、ＮＣ技術の公開が一番です。結果として、それぞれの匠の技を自ら実現することでノウハウの「守秘」も可能となりました。

図２

ＮＣ技術の公開使う機能を選択
ノウハウの実現

守秘ＰＣソフト(機械メーカ自作)による専用ＮＣの事例■パイプ自動溶接■マーキング装置

パイプ自動溶接ロボットの運転画面です。
溶接中の電流・電圧・アークショート率・左右倣い制御・上下倣い制御などの内部情報をリアルタイムに表示・記録しています。

パイプ面に文字や図形をマーキングします。
グラフィック表示付きで運転状態が一目で判ります。 設計・生産情報からダイレクトに運転しています。

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モーション制御を使いこなす主役となって、売れるマシンを造るためには、公開された緻密なモーション制御を使いこなすことが重要です。
５－１

一般のモーションコントローラ（制御機能を自作する）

一般のモーションコントローラでは、専用のモーション言語を使い、その組み合わせで特殊な機能を実現します。たとえば、１種類の動作を指定する場合でも、位置・速度・加速度・その他たくさんのパラメタをいちいち指定する方法です。その言語自体の機能は単純で、組み合わせることでバリエーションに対応しています。そのため、原理的には、自由度が大きく拡張性がありますが、制御の中身についてある程度詳しくないと、プログラミングそのものができません。どちらかというとサーボ制御のプロ向きな仕組みです。サーボ制
御自体が好きで得意な方に向いてます。
５－２

オープンＭＣの場合（機能を選び応用に集中応用＝生産技術）

オープンＭＣでの「ＮＣ技術の公開」は、機能単位で完成形で選択して使えます。それらの機能とは、テクノの今までの幅広い経験から生まれたものです。
オープンＭＣのモーション機能を使う場合は、サーボの専門的知識は不要です。むしろ、その機能を「どのように応用して、生産性を高めるか」に集中できます。

オープンＭＣが公開する得意技の例（詳細は別紙参照）

オープンＭＣにはたくさんの得意技があります。
５－３

自作ＰＣソフトで独自コントローラＰＣ側のソフトをカスタマイズする事でかなりの専用化が可能です。WINDOWSのＤＬＬ ※２でソフト的なＩＦを準備しています。Ｖ．ＣやＶ．Ｂ言語で自由にオープンＭＣが使えます。
最近では、ＥＸＣＥＬなどの汎用ソフトでも直接使えるようになってます。ＥＸＣＥＬのマクロで簡単な自動プロや専用の生産管理を作成して、組み合わせる事例が増えてます。
５－４

専用化が必要な場合もある

特殊なマシンや機構では、どうしても専用化が必要な場合もあります。
一般的には、十分な打ち合わせをした上で、テクノで開発します。ほとんどが、ソフト改造ですみますが、まれには、ＦＰＧＡロジック ※１のハード改造をする場合もあります。
また、機械メーカでソフトの一部を作成する場合もあります。
このようにいろいろな方法で専用化する仕組みができてます。
※１

ＦＰＧＡ

Field Programmable Gate Array 内部のロジックを設計できるＩＣです。内部のロジックは、専用のＲＯＭに記憶させておき、電源投入時にＦＰＧＡに書き込まれます。従って、ＲＯＭの内容を変更すればハードロジックの改造ができます。オープンＭＣでは、ハードロジックの大部分をＦＰＧＡで作成しているため、客先仕様に合わせて改造できます。

※２

ＤＬＬ

Dynamic Link Library
WINDOWSのソフトの形式で、サブルーチンの集合のようなものです。機
械メーカが自身で作成するＰＣアプリソフトとオープンＭＣを簡単に接続する仕組みです。
ＰＣとオープンＭＣは、PCI、USB、RS232などで接続できます。

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