未選択｜長良の落陽。

主な産業用ロボットの形状4分類

・垂直多関節ロボット

その名の通り、多関節型で、垂直に動いてくれる産業用ロボットです。まるで人間の腕みたいにスムーズに動いて、どのような動作でも可能になります。 4～7軸を装備していることがほとんどで、溶接もできますし、塗装も可能な多彩な動きをみせてくれます。何でもできてしまうので、多くの現場で使われています。複雑な動きに耐えようと思ったら、まずティーチングが必要です。

・水平多関節ロボット（SCARAロボット）

その名の通り、今度は水平に関節が動いて、蛇のおもちゃのように複雑な動きができるロボットです。横に２軸、縦に１軸持っており、手首も動くケースが多いので、全部で４軸が多くなっています。ただ、形状の問題があり、縦の動きだけになります。つまり、上から差し込むタイプの動作だけができるということです。それでもこの動きには重要な価値があり、組み立てる際にぎゅっと押し込む動きが必要な作業にとても適しているといえるでしょう。

・直角座標ロボット

直交ロボットとも呼ばれます。直角の軸を二つ以上組み合わせて、二次元を表現します。二次元の動きに強く、小部品を組み立てるのに適しています。以前はよく使われていましたが、最近は産業用ロボットが複雑な動きができるようになったので、直角座標ロボットはあまり使われなくなっています。

・パラレルリンクロボット

パラレルリンクロボットとは、UFOキャッチャーのような形状で、軽量なアームが素早く動いて製品をぱぱっとつかみ、作業することができてしまいます。製品が流れてくると、パラレルリンクロボットが動き、先端のアームでつまみます。運ぶのが基本なので、迅速に動けるのが魅力的なロボットです。

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3Dプリンターで造形できるもの

製造業で用いる治具・工具等

製造過程で必要な治具、工具を造形します。

金属パーツをプラスチックに置き換えることで、生産効率の向上やコスト削減が可能です。

モノづくりにおける試作品

今も昔も変わらず、「試作品造形」は3Dプリンターの得意技です。

形状確認や勘合チェック、カラーマッチング等、いろいろ活用できます。

実製品や最終製品パーツ

ABSやカーボンファイバー材料の高強度プラスチックを使用して最終製品を造形します。

形状確認や勘合チェック、カラーマッチング等、いろいろ活用できます。

歯型や臓器等の医療用モデル

歯科矯正器具やマウスピース製作用の歯列モデルや、手術シミュレーションや研修時に用いる臓器モデルを造形します。

最近では、コロナ対策用フェイスシールドや人工呼吸器のパーツ造形も注目されました。

樹脂型

試作用の型を樹脂で造形することで、大幅なコストカットとリードタイム削減が可能です。

最終製品と同じ物性で試作品を作りたい場合などに最適な方法です。

実際に造形した造形物の具体例

機能性検証用モデル

熱可塑性樹脂を使用した「FDM方式」の３Dプリンターで「機能性」を求めた造形物が作成できます。

場合によっては「PolyJet方式(インクジェット方式)」も活用できます。

①ABSを使用したバッテリーケース

こちらの画像のサンプルはFDM方式の装置を活用して、ABS材料で造形したバッテリーケースです。蓋の部分にツメがあり、蓋を閉めるとカチャっと靭性を持ったツメがしっかりとはまります。

また、上蓋と下蓋っは別々に造形して後から嵌め合せているので、複数形状のマッチングを試すこともできます。

②アクリル軟質材料を使用したシーリング検証

このモデルはアクリルベースの軟質材料を使用しており、シーリング検証に活用できます。最終製品に取り付けて水漏れやエラーを確認することで製品開発を効率化させます。

また、コンシューマー製品製作の場合は質感やグリップ感を検証することが可能です。

リアルなモデル(単色編)

造形モデルにリアリティを求めるのであれば、UV硬化性のアクリル材料を使用する「PolyJet方式(インクジェット方式)」が活躍することでしょう。

① 形状確認試作

形状確認の為の試作造形の例です。外観の確認はもちろん、内部へのパーツ組み込みがしっかりとできるか、壁厚は適正であるかなど3DCAD上では見つけづらい課題(問題)を、実物モデルを用いて検証がでるので、結果として開発の効率が上がります。

もちろん、複数形状を同時に造形ができるのでパターンテストも行えます。

② 切削や射出成型等の他工法で造形できないモデル

こちらは自転車のチェーンモデルです。一体造形をしており、造形後の組み立て作業は一切行っておりません。稼働部分にはサポート材と呼ばれる仮置きの材料が入り、それを除去することでチェーンが完成いたします。 PolyJet方式(インクジェット方式)では積層ピッチ(1層の厚み)が最小14ミクロンと微細で複雑な形状のモデルを造形できます。

リアルなモデル(フルカラー編)

① フルカラーモデル

機種によっては材料を混ぜ合わせてフルカラー造形することも可能です。

このサンプルは7種類の材料を混ぜ合わせた一体造形となっており、本体部分もグリップ部分も3Dプリンターによる造形のみで後加工の着色等は一切しておりません。

② フルカラー＋透明材料

透明度の高いクリアなモデルを造形することもできます。

透明材料を使用することでクリアモデルの造形や製品内部を可視化などに活用できます。

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サーボモーターとステッピングモーターの違いと使い分け

サーボモーターとステッピングモーターの使い分けをするには、サーボモーターとステッピングモーターの違いを把握する必要があります。

サーボモーターとステッピングモーターの違い「従来常識」

ここでは、設計初心者に向けてサーボモーターとステッピングモーターの使い分けをするために必要な大きな違いを纏めました。

サーボモーターは高いがステッピングモーターは安い

サーボモーターに比べてステッピングモーターは一般的に「使いやすくて安い」と言われていますが、安いといっても購入の安さと制御がシンプルで結果的に安いというのがあります。ステッピングモーターはセンサもフィードバックも不要なので構造物がシンプルで制御もシンプルということです。

サーボモーターとステッピングモーターはトルク特性が違う

サーボモーターは中回転域から高回転域までフラットなトルク特性が特徴で、ステッピングモーターのトルク特性はフラットではなく、低～中回転域においてトルクが高く高回転域ではトルクが下がってきます。

サーボモーターは過負荷アラーム。ステッピングモーターは脱調

急激な速度変化及び過負荷時において、サーボモーターとステッピングモーターは私たちに対して違う反応をします。サーボモーターは過負荷アラームが鳴り停止、ステッピングモーターはアラーム無く脱調し同期を失います。脱調とは「入力パルスに同期しなくなった状態」であり回転角度を制御できなくなってしまいます。但し、設計が適切で容量選定が適切なモーターを使用の場合、モーターが脱調することはありません。

応答性はステッピングモーターの方が勝っている

サーボモーターはエンコーダのフィードバックを待つので指令に対しての「遅れ」が存在するんですが、「オープンループ制御ステッピングモーター」はパルスに同期して動作するので「遅れがほぼ無い」です。そのため実は複数モーターの同期運転にも特性的には適しています。

停止精度はサーボモーターもステッピングモーターも高い

停止精度はサーボモーター及びステッピングモーター両者高精度であると考えてよいです。参考までにですが、ステッピングモーターの停止誤差はステップ間で累積しません。

サーボモーターとステッピングモーターの違い「新常識」

従来の常識において、サーボモーターとステッピングモーターを比べると、ステッピングモーターのコスト面の安さが選定のメインとなり、能力はなかなか理解されないまま「制御＝サーボモーター」という流れが強かったと思います。うまくステッピングモーターを使えば安く設備を作れるのにあえてサーボを選んでしまっているという設計士も多いはずです。

最近では少し制御の常識が変わってきて、ステッピングモーターとサーボモーターの使い分けがより明確になってきました。以下がその新常識です。

サーボモーターもステッピングモーターもフィードバックはできる

今までのステッピングモーターはノンフィードバックが当たり前な所から、今ではセンサ内蔵のクローズドループ制御タイプのステッピングモーターもありますし、エンコーダー付きのステッピングモーターもありますので、フィードバックはサーボモーター・ステッピングモーターいずれも可能であると考えたほうが良いです。エンコーダーをつけることによりステッピングモーターの弱点である効率の悪さも改善されているようです。

サーボモーターとステッピングモーターの使い分けまとめ

以下にサーボモーターとステッピングモーターの使い分けを私なりの順番にて記載いたします。これが全てではないと思いますが、サーボモーターとステッピングモーターの特色を生かした判断ができるようにしてあります。

装置に必要な制御の把握

フィードバックが必要なときはサーボモーターか、エンコーダ付きのステッピングモーターもしくはセンサ内蔵のクローズドループ制御タイプのステッピングモーターを利用する。→この時点ではどちらを選択しても良い

補間運転などの高度な制御が必要な場合はサーボモーターを選択する

補間運転とは位置決めにおいて2台あるいは3台のモータを同時運転して合成した運動をさせることです。その際にはサーボモーターを選ぶ必要があります。

低～中回転域はステッピングモーター。中～高回転域はサーボモーターを使用する。

装置の駆動に必要な回転速度が低～中回転域であればステッピングモーターでも良く、中～高回転域の回転を使用する場合はサーボモーターを選ぶ必要があります。

低回転はサーボモーターに不向きという意味ではなく、ステッピングモーターのトルク特性上、低～中回転域においてはステッピングモーターを使うメリットが大きいかも知れないといったところです。そして超が付くほどの低回転の場合はステッピングモーターを選択するのが良いかもしれません。ステッピングモーターは回転テーブルなどの角度割り出し、インチングなどに有利です。

※インチング（寸動運転）とは・・・ジョギングとも言い、モータの微回転等の始動電流の開閉を頻繁に行う事。

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3Dプリントプロジェクト「P-600」とは

アメリカングラファイト・テクノロジー社はもともとアメリカの鉱物調査と技術開発を行う上場企業で、炭素原子からなるグラフェンの研究開発を行っている。

グラフェンは21世紀の”奇跡の素材”として記載されており、柔軟でありながら銅や鋼より強く、より導電性に優れていると考えられている。

また、シリコンに代わる素材としても注目されており、より速くより安く、より柔軟につながるとされている。グラフェンの3Dプリンティングプロジェクト「P-600」はこのアメリカングラファイト・テクノロジー社とウクライナのハリコフ研究所が共同してあたるもので、ウクライナ科学技術センターが承認し支援を行う。

このプロジェクトでは3Dプリントのための材料として、ナノカーボンに含まれる物質、すなわちグラフェンの特性を研究するというものだ。「P-600」プロジェクトはナノテクノロジー、3Dプリント、固体物理、材料と熱物理学の専門家たちで構成されるというもの。

ウクライナ科学技術センター（通称STCU）は旧ソビエト時代に培われた兵器開発やR&Dの知識や技術力を軍事ではないハイテク経済の分野に転用することで経済発展を目指そうという趣旨の研究機関だ。

ウクライナ科学技術センターはいままでアメリカやカナダ、EUなどの160もの政府プロジェクトへの参加や、1200以上の各国の大学や研究機関の科学プロジェクトを支援している。

民間企業との共同研究も盛んで、代表的な企業として3M、インテル、ミシュラン、など140企業とのパートナーシップを結んでいる。2013年10月1日にウクライナ科学技術センターは正式にアメリカングラファイト・テクノロジー社とハリコフ研究所の共同研究に承認を行った。

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基礎から学ぶサーボモータの仕組み

いま注目を浴びているサーボモータとは一体どんなモータ？

私たちの日常生活を振り返ると、そのほとんどにモータが利用されていることに気づくでしょう。実は、世界で消費される電力のうち、モータが占める割合だけで約45％もあるというから驚きです。ただし、モータと一口に言っても、プラスチックモデルに付いている玩具のような小型モータから、発電所のポンプなどに使われる巨大なモータまで、様々な種類があります。

世の中には、こういった誰でも知っている汎用モータのほかにも、工場の製造ラインなどに使われるような特殊なモータもあります。その1つが「サーボモータ」と呼ばれる産業用モータです。では、サーボモータは、私たちが目にする汎用モータと比べて、どのように違うのでしょうか？

そもそもサーボモータの「サーボ」という語源は、「召使い」という意味の「Servant」（ラテン語ではServus）に由来すると言われています。ご主人が何か指示を出すと、それに従って召使いが忠実に働いてくれるようなイメージを想像すると分かりやすいかもしれません。

例えば、自動車製造工場で稼働する産業用ロボットは、部品をピッキングしたり、溶接したり、塗装したり、常に同じ動作を正確に繰り返しながら、大量の自動車を作り出しています。ロボットに内蔵されているサーボモータに指示を出すと、決められた位置や速度や回転力（トルク）で忠実に動いてくれます。

そのため、いまやサーボモータは、超高速や超精密な制御を行う産業機械の構成要素として、必要不可欠なものになっています。例えば、前出の産業用ロボットはもちろん、工作機械、電子部品の実装装置、半導体・液晶製造装置、射出成形機、ラベル包装機、プレス機械、医療機器など、様々な利用シーンで大活躍しているのです。

サーボモータとセットになった重要な構成要素とは？

サーボモータは、過酷な環境で何度も起動と停止を繰り返しながら動くため、一般的なモータよりも信頼性が高く、壊れないような構造になっています。かつては直流で動くDCサーボモータが使われていましたが、現在は交流で動くACサーボモータが主流になっています。DCサーボモータには「ブラシ」という機械式なスイッチがありました。しかし、ブラシの定期的な交換や、摩耗による粉塵の発生などがあり、保守性や信頼性に問題があったのです。

そこで、いまはブラシのないACサーボモータが、ほとんどの場合において採用されるようになりました。ACサーボモータの内部は「ロータ」と、その周りに配置された「ステータ」で構成されています。

ステータ（固定子）は、コアとなる鉄心の周りに電線が巻き付けられたものです。電線に電流が流れると、ステータの中は電磁石になります。交流は電流の向きと大きさが交互に変わるため、電磁石もそれに伴ってN極とS極に切り替わります。一方、ロータはモータの軸にあたる部分で、そこにもN極とS極の強力な永久磁石が埋め込まれています。

ACサーボモータのステータに交流が流れると、各コアが時間によってN極やS極になります。そして、ロータの永久磁石（N極やS極）を引き付けたり、あるいは反発させたりしながら、ロータを回転させるのです。なお、最近のACサーボモータは、全体がコンパクトになり、慣性（回転しづらさ）を小さくすることで、ロータが素早く回転できるように工夫が凝らされています。

また、ロータの後側には回転センサである「エンコーダ」が付いています。このエンコーダの内部には、スリットが刻まれた円盤と、光センサがあります。ロータとエンコーダの円盤は連結されているため、動いたスリットの数を光センサでカウントし、電気信号に変換することで、回転時の位置や速度を検出する仕組みです。

サーボモータが動く仕組みは？フィードバック信号とは何か？

前述のように、サーボモータは正確かつ素早く回転する機械ですが、モータ単体だけでは何もできません。モータを動かすためには、司令塔の役割を果たす「プログラマブルコントローラ（PLC）」と、実際にサーボモータを動かす「サーボアンプ」（ドライバ）が基本的には必要です。サーボアンプは、容量ごとに異なるサーボモータの性能を最大限に発揮できるようにチューニングされているため、メーカーによって両者がセットで販売されることが一般的です。

では、具体的にサーボモータは、どのような仕組みで動くのでしょうか？

まず、司令塔であるプログラマブルコントローラから、サーボモータをどう動かすべきか「位置/速度/回転力」についての目標値が出されます。位置なら、ある目標値でピタリと止められます。速度なら、低速から高速まで、一気に目標速度まで加速することが可能です。回転力については、サーボモータにかかる力（負荷）が急に変化しても目標の回転力を維持できます。

このようなプログラマブルコントローラからの目標値を受けるのが「サーボアンプ」です。サーボアンプは、サーボモータが目標値どおりに動くために必要な出力（電力）を供給します。ただし、本当にサーボモータが指令どおりに動いたかどうかは分かりません。そこで、前述のエンコーダが実際のサーボモータの回転位置や速度を検出し、その電気信号をサーボアンプに返します。

この信号のことを「フィードバック信号」（feedback）と呼びます。図の矢印のように、エンコーダがサーボモータからの信号を摂取し（feed）、それをサーボアンプ側に戻すわけです（back）。そして、プログラマブルコントローラから出された目標値とフィードバック信号を比較して、その誤差がゼロに近づくように、サーボモータの出力をうまくコントロールしていくわけです。

分かるように、このような制御は、フィードバック信号がサーボアンプ側に戻され、閉じられたループを構成するため、「クローズド・ループ制御」と呼ばれています。サーボモータの最大のメリットである正確な位置/速度/回転力は、このクローズド・ループ制御によって生み出されるのです。

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