産業用ロボットの新しい用途開発に関する研究―発泡プラスチック加工ロボット―

2014 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 25420232
• 研究機関: 山口東京理科大学
• 研究代表者: 永田 寅臣 山口東京理科大学, 工学部, 教授 (50435070)
• 研究分担者: 大塚 章正 山口東京理科大学, 工学部, 助教 (90611848)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 産業用ロボット / 発泡プラスチック / 切削加工 / CAD/CAM / STLデータ / 微小振動生成

研究実績の概要

前年度は、産業用ロボットのためのCAMシステムには従来のCAD/CAMのメインプロセッサがカッタロケーション(CL)データを算出する機能に加えて、そのCLデータに基づく位置と姿勢の軌道追従制御の機能までを含むものと定義し、CLデータ及びNCデータに対応した軌道追従制御系を設計した。その後、CAMシステムを応用した発泡スチロール材の加工ロボットを試作開発した。
今年度行った加工実験ではエンドミルの形状とスピンドルの回転速度を固定した上で、発泡スチロールの材質、工具の送り速度、加工回数の条件を変えて加工を行い、これらの条件の加工品質への影響を検証した。また、エッジ部での加工品質を改良し、かつ、加工時間の増加を抑えるために新たに速度調整機能を追加した。この速度調整機能は、CL データの位置情報を基に加工方向の変化を割り出し、その変化に応じて加工速度を調整する。半球形状のヘリカルパスに対する動作実験を行い、速度調整機能の効果を検証した。その結果、加工方向が急激に変化する場所において加工時間が微増するものの、ロボットの位置誤差の平均値を減少させることができた。
つぎに、工具の進行方向に直交するスティックスリップモーション（微小振動）を発生させることで、カスプマークの効率的な除去方法を提案した。これまでの工作機械による3次元加工ではボールエンドミルが使用されるが、除去加工に特有のカスプマークが発生していた。カスプマークの高さを抑えるためには、ピックフィードの幅を小さく設定してパスを生成すればよいが、CLデータのステップ数が増えるというトレードオフの問題があり、結果的に加工時間も大幅に伸びてしまうという問題があった。このため、 CLデータに基づく微小振動ベクトルのオンライン生成法を示し、シミュレーションによる出力実験を行い、設計どおりに微小振動を発生できることを確認した。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

平成26年度の研究計画に掲げた、「発泡スチロール型の加工実験による加工自由度と加工効率の評価」、「ボールエンドミルのスティックスリップモーション制御法の設計開発」について、前述した平成26年度の研究実績のようにほぼ計画どおりの成果が得られている。このため、「おおむね順調に進展している（Progressing Rather Smoothly）」を自己評価結果とした。研究成果は書籍での発表[1]、国内講演会論文での発表[2、 3、 4]、国際会議論文での発表[5]などで外部へ公表した。
[1] F. Nagata, A. Otsuka, K. Watanabe, M.K. Habib, T. Kusano, Industrial Machining Robot with Incorporated Robotic CAM System, Handbook of Research on Advancements in Robotics and Mechatronics, Chapter 25, pp. 793-817, IGI Global, 2014.
[2] 大塚, 永田, 中村, CLデータの位置姿勢情報に基づく軌道追従制御器を用いた発泡スチロール加工ロボット, ロボティクス・メカトロニクス講演会2014講演論文集, 3P1-L01, 3 pages, 富山国際会議場, 2014.
[3] 大塚, 永田, CLデータを用いたロボット加工システムへの速度調整機能の追加, 第32回日本ロボット学会学術講演会論文集, 3N1-06, pp. 1-4, 九州産業大学, 2014.
[4] 永田, 大塚, 永冨, 林, 渡辺, ボールエンドミルの進行方向に直交する微小振動制御を用いたカスプマークの除去加工法の提案, 第15回SICEシステムインテグレーション部門講演会論文集, pp. 1185-1188, 東京ビッグサイト, 2014.
[5] F. Nagata, A. Otsuka, K. Watanabe and M.K. Habib, Fuzzy Feed Rate Controller for a Machining Robot, Procs. of the 2014 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp. 198-203, Aug. 2014.

今後の研究の推進方策

平成27年度は、まず、ボールエンドミルのスティックスリップモーション（微小振動）制御が可能な加工ロボットを用いて、発泡スチロール型の加工実験による最適加工条件の抽出と加工品質の評価を行う。発泡スチロール型の加工工程では一般的に、CNC 工作機械による荒加工後に、熟練作業者は仕上げ工具を前後左右に小刻みに動かしながら手作業で被加工面を仕上げている。このため、ロボット加工時のエンドミルにスティックスリップモーションを発生させ、振幅や周期を調整することで加工面の品質向上に大きな効果が期待できる。このため、最終年度である平成27 年度には、1)エンドミルのサイズ、刃形状と刃数、2)エンドミルの送り速度と回転速度、切り込み量、3)エンドミルに与えるスティックスリップモーションの振幅、4)エンドミルに与えるスティックスリップモーションの周期といった条件について調整し、加工実験を通じて発泡スチロール型の最適な加工条件を見出していく。
また、3Dプリンター用のファイル形式であるSTLデータを用いて直接ロボット加工できるようにインタフェイスを開発することで、従来のCAM工程を完全に省力化する試みに取り組む。すなわち、3Dプリンターと同等のユーザインタフェイスで加工ロボットを利用できるようにする。この場合、STLデータに含まれる多数の三角パッチから直接加工用パスを生成させると既加工領域がオーバカットされてしまうショートカットパスが含まれることになるため、オーバカットを回避するための加工パスの生成法についても検討する。

次年度使用額が生じた理由

必要とされた消耗品の価格変動により、3,784円の繰越が生じてしまいました。

次年度使用額の使用計画

平成27年度に、材料購入費として有効活用いたします。

研究成果

• [雑誌論文] Vibrational Motion Control for Foamed Polystyrene Machining Robot and Extraction of Radius of Curvature for Fuzzy Feed Rate Control (2015)
  • 著者名/発表者名: Maki K. Habib, Fusaomi Nagata, Tomoya Nagatomi, Shohei Hayashi, Akimasa Otsuka, Keigo Watanabe
  • 雑誌名: Procs. of the 20th International Symposium on Artificial Life and Robotics 巻: 無し ページ: pp. 776-780
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Machining robot for foamed polystyrene materials using fuzzy feed rate controller (2015)
  • 著者名/発表者名: Fusaomi Nagata, Akimasa Otsuka, Keigo Watanabe and Maki K. Habib
  • 雑誌名: Journal of Mechatronics and Automation 巻: Vol. 5, No. 1 ページ: pp. 34-43
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Fuzzy Feed Rate Controller for a Machining Robot (2014)
  • 著者名/発表者名: Fusaomi Nagata, Akimasa Otsuka, Keigo Watanabe and Maki K. Habib
  • 雑誌名: Proceedings of the 2014 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation (IEEE ICMA 2014) 巻: 1 ページ: pp. 198-203
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Trajectory Following Control with Micro Vibrational Motion for Endmills of a Polystyrene Machining Robot (2014)
  • 著者名/発表者名: Fusaomi Nagata, Akimasa Otsuka, Keigo Watanabe
  • 雑誌名: Procs. of the Fifth International Conference on Science and Engineering (ICSE2014) 巻: 1 ページ: pp. 1-4
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] ボールエンドミルの進行方向に直交する微小振動制御を用いたカスプマークの除去加工法の提案 (2014)
  • 著者名/発表者名: 永田、大塚、永冨、林、渡辺
  • 学会等名: 第１５回ＳＩＣＥシステムインテグレーション部門（ＳＩ部門）講演会
  • 発表場所: 東京ビッグサイト
  • 年月日: 2014-12-15 – 2014-12-17
• [学会発表] CLデータを用いたロボット加工システムへの速度調整機能の追加 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大塚章正、永田寅臣
  • 学会等名: 第32回 日本ロボット学会 学術講演会
  • 発表場所: 九州産業大学、福岡県
  • 年月日: 2014-09-04 – 2014-09-06
• [学会発表] CLデータの位置姿勢情報に基づく軌道追従制御器を用いた発泡スチロール加工ロボット (2014)
  • 著者名/発表者名: 大塚章正、永田寅臣、中村航輔
  • 学会等名: ロボティクス・メカトロニクス講演会2014 (ROBOMECH2014 in Toyama)
  • 発表場所: 富山国際会議場
  • 年月日: 2014-05-25 – 2014-05-29
• [図書] Industrial Machining Robot with Incorporated Robotic CAM System, Handbook of Research on Advancements in Robotics and Mechatronics (2015)
  • 著者名/発表者名: Fusaomi Nagata, Akimasa Otsuka, Keigo Watanabe, Maki K. Habib, Takamasa Kusano
  • 総ページ数: Chapter 25, pp. 793-817
  • 出版者: IGI Global
• [備考] 東京理科大学研究者情報データベースRIDAI
  • URL: http://www.tus.ac.jp/ridai/doc/ji/RIJIA01Detail.php?act=nam&kin=ken&diu=A19749