単軸ロボットの用途・導入事例

主な用途は搬送

複数台組み合わせることで工場の自動化を進める単軸ロボットと単軸ロボットの主な用途はワークの搬送です。

導入事例

ここでは単軸ロボットの導入事例を2つ紹介します。
バイポーラステッピングモーター

現金（釣銭）出荷作業の自動化システム

釣銭作成機運搬工程において紙幣搬送を行うロボットを導入しました。

単軸ロボットと直交ロボットを組み合わせることでロボットの剛性を高めた結果、労働生産性が1.4倍に向上。

さらに、生産過程で生じていた不要物（ビニール）を削減することができ、環境にも優しいシステムを構築することができました。

1軸ステッピングCNCキット 

球型冷凍おにぎりの成型システム

冷凍球型おにぎりの成型、計量工程にロボットを導入しました。

単軸ロボットと水平多関節ロボットを組み合わせることで作業員への腕への負担を軽減されるとともに生産数はおよそ6,000個/日から21,000個/日へ上昇。成型不良率は1％から0.1％以下に減少させることができました。

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多関節ロボットを導入するときに同時に導入したい周辺機器

多関節ロボット、とりわけ垂直多関節ロボットは非常に汎用性が高く、精密さや繊細さが要求される作業にも対応が可能です。

汎用性が高いために多種多様な現場に応じた周辺機器が普及していますが、ここではシステム構築の上でより一般的な周辺機器を紹介します。

ステッピングモーターバイポーラ 平行軸ギアボックス

安全柵およびエリアセンサー

安全確保のため作業スペースにおいてロボットの稼働空間を仕切り、人間が立ち入りできないようにする柵です。同時に、もしもロボットの稼働空間に人間が存在した場合、それを感知するセンサーを併用してロボットの稼働を停止します。

産業用ロボットの稼働における安全確保は法令で義務づけられており（労働安全衛生規則第150条の4）これは必須の周辺機器です。

ロボット用走行装置

作業スペースにおいてロボット自体を移動させるための装置です。自動車製造のラインや複数の工作機械間でロボットを移動させます。

床面を走行するのみならず、天井からロボットを吊るして移動させるタイプのものもありますので、作業スペースの大きさや形状に応じた導入が可能です。

ブラシレスDCモータ

コンベア

上記のロボット用走行装置とは反対に、ロボットは据え置きにして対象のワークを自動搬送する装置です。連続的な搬送によっていわゆる流れ作業を実現します。

またコンベアはただ単に一定速度でワークを流し続ければよいというものではありません。たとえば不規則な間隔でワークが運ばれてきたり、あるいはコンベア上でのワークの位置や向きがまちまちであるような場合には、それをフィードバックしてロボットの動作が追従するように調整する仕組みが必要になります。

これをコンベアトラッキングと言います。多関節ロボット＋コンベアの導入にはこうしたトラッキングのためのセンサーも必須です。

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金属3D積層造形の造形方式

パウダーべッド方式(PBF：Powder Bed Fusion)

金属粉末を敷き詰め、造形する部分にレーザや電子ビームを照射し溶融・凝固させ積層させる方法です。複雑形状の高精度製品を造形するのに向いています。

金属積層造形においては最もよく利用されている方式で、航空宇宙分野では、ジェットエンジンの噴射ノズルやタービンブレード、ロケットのエンジン部品などへの適用が進むといわれています。

また、医療分野では、カスタムメイドが可能なためインプラントへの適用が進んでいます。さらには、自動車分野における試作品や小ロット部品、産業機器分野におけるタービンなどの部品への適用が進みつつあります。

※近畿大学次世代基盤技術研究所には、このパウダーベッド方式の金属3Dプリンタ(SLM Solutions社製SLM280HL)や、国家プロジェクトにおける要素技術研究機も設置されています。

イメージ

デポジション方式(DED：Direct Energy Deposition)

金属などの材料粉末とレーザまたは電子ビームを造形部分に同時に照射し、溶融・積層して造形する方法です。既存製品の補修や、比較的単純な形状で大型の造形品の製造に向いています。

デジタルステッピングドライバ

ジェットエンジンのブレードや種々な部品の補修に利用されています。また、ロケットエンジンの配管部品などへの適用も進められています。

最近では、溶接と同様にアーク放電を利用する方法も注目されています。

LMDとは…材料粉末とレーザーを同時照射するイメージ

LMDとは…任意の部分を溶融・積層させるイメージ

バインダージェッティング方式(Binder Jetting)

金属粉末などにバインダー(液体結合剤)を噴射して選択的に造形する方法です。現在は主に砂を材料としたものに利用されていますが、最近では金属粉末へも適用され始めています。

ギヤードクローズドループステッピングモーター

金属粉末射出成形(MIM)法のように成形体を成形した後、バインダーを除去し、焼結して造形体を作製します。

パウダーべッド方式やデポジション方式に比べ、密度は低くなりますが、微細形状の小型部品に向いています。

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建築模型作りを簡単にする3Dプリンター

住宅会社で建築模型を作る場合、通常の業務を行いながらだと想像以上に大変です。建築模型づくりが従業員の負担になる恐れがあります。このような問題を解決する方法として、3Dプリンターによる建築模型作りがあります。

3Dプリンターで建築模型を作れば、以下のようなメリットが得られるため、ぜひ検討してみてください。

ギヤードクローズドループステッピングモータ

コストを削減できる

建築模型作りで使用するスチレンボードの厚さや大きさにもよりますが、2,000円～4,000円程度かかります。また、建築模型づくりは2～3日程度の制作日数がかかり、その分の人件費が割り当てられることになります。

その一方で、3Dプリンターで建築模型を作れば、フィラメント（材料）を購入するだけで済みます。使用するフィラメント、建築模型の大きさによって異なりますが、1,500円～3,000円程度で制作できます。また、人件費がかかりません。

このように、建築模型コストが削減できることが、3Dプリンターの魅力です。

建築模型の精度が上げられる

建築模型作りは失敗してしまうケースも多いです。例えば、図面では修正箇所が反映されているのに、模型では修正箇所が反映されていないなど、模型づくりの担当者の見落としミスが発生します。このようなミスを防止するために、建築模型づくりの取り組み方についてルールを設けている住宅会社も存在するでしょう。

3Dプリンターの建築模型づくりは、図面データを3Dプリンター用データに変換して出力するだけのため、見落としミスが防止できます。図面データは変更したけれど、建築模型に変更箇所が反映されていなかった等のミスを防止できることも3Dプリンターの魅力です。

キャプティブリニアステッピングモータ

さまざまな素材が利用できる

3Dプリンターで使用するフィラメント（材料）には、さまざまな種類があります。利用用途によって、フィラメントを使い分けられることも3Dプリンターの魅力です。

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3Dプリンターで使用できる素材の種類

失敗しない3Dプリンティングのためには、用途に応じて、造形物の形状はもちろんのこと、素材も適切なものを考慮する必要があります。金属用3Dプリンターの話をする前に、まずは主要な素材の大分類から見ていきましょう。

素材1．プラスチック

最も頻繁に使われる材料の一つは、プラスチック素材です。個人用・家庭用の3Dプリンターで扱える材料は、基本的にプラスチックに分類されるため、目にする機会は多いでしょう。多用される最大の理由は、加工が設備が簡便な点でしょう。プラスチック素材にはPLA・ナイロン・ABSなど多くの種類が存在しますが、ほとんどが加熱で柔らかくなる熱可塑性を持っていたり、光によって硬化する光硬化樹脂です。また、他の素材と比較して安価なものが多いです。

一体型クローズドループステッピングモーター

一方で、加熱で柔らかくなるという特性は、耐熱性の観点からすれば弱みでもあり、高温環境で使用する場合には注意が必要です。工業用パーツとしては使いづらくもあります。スーパーエンジニアリングプラスチックと呼ばれるような、耐久・耐熱・耐薬品性に優れたプラスチック素材も存在しますが、取り扱い可能な3Dプリンターの値段は相応に高価です。

素材2．コンポジット

2種類以上の材料を組み合わせた複合材料のことをコンポジットと呼び、3Dプリンターの業界においては、主にプラスチックとファイバー（繊維）材を複合したFRP材（繊維強化プラスチック材）を指します。炭素繊維やガラス繊維、ケブラー繊維などを混ぜ込むことで繊維材が材料を強化し、プラスチック単体では実現できない高強度を実現します。コンポジットによる3Dプリント造形物は、プラスチックの加工の容易さや軽さを保ちつつ、金属にも劣らない強度を発揮します。

ただし、主材料がプラスチックなので、高熱や表面の摩擦に弱い点はプラスチックと同じです。その点を考慮した上できちんと活用すれば、プラスチックより強く、金属より軽く安いという、競争力の高い部品の製造が可能であり、すでに多くの産業分野で活用されています*。

素材3．金属

3つ目の大分類として、本記事のメイントピックである金属素材について紹介します。一般的に金属は、プラスチックより高い耐熱性と、高強度・高剛性、さらに耐薬品性や電気伝導性を持つ材料です。この特徴から、金属3Dプリンターはより厳しい条件下で活用することができます。

バイポーラステッピングモータ

その一方で、金属はプラスチックより安定性が高く、変形させるのに手間がかかるため、加工には大掛かりな設備が要求されます。素材や造形物に重量があるほか、電機や換気の設備が工業水準で求められ、3Dプリンター機器そのものだけではなく、設備側も一定以上の規模が必要になります。管理が必要な薬品を使用する場合もあり、プラスチック材料対象の3Dプリンターほど気軽に導入はできません。

しかし、3Dプリンターを用いる効果は多数あるため、やみくもに導入するのではなく、効果的な場面を見極め、適切な場面で運用するのが望ましいです。

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