1台の機械で複数の軸を協調制御することは、非常に複雑な作業となります。同期の問題、追加のプログラミング作業、そして困難なトラブルシューティングといった課題に直面することになります。これらの課題は、コアプロセスの改善に費やす時間を奪ってしまいます。多軸モーションコントロールソリューションの市場は、このニーズの広がりを示しています。2024年には5.3億米ドルに達しました。この需要の29%はロボット工学とCNCアプリケーションによるものです。これらのアプリケーションでは、正確なタイミングと極めて低いジッターが求められます。多軸モーションコントロールシステムとサーボドライブは、直接的な解決策を提供します。これらは、中央制御と共有リソースによって協調制御を容易にします。このアプローチにより、プログラミング作業が削減され、システムの信頼性が向上します。主な目標は、複雑なタスクをシンプルで効率的なプロセスに変えることです。
主要なポイント（要点）
多軸コントローラは電源を共有し、単一の中央制御システムを使用するため、ハードウェアコストが削減され、キャビネット内のスペースも節約できます。
電子ギアと仮想カムにより機械部品が不要になるため、プロファイルの変更が迅速に行え、摩耗も軽減されます。
既製の機能ブロックを備えた最新のプログラミングツールは、開発時間を節約し、高度なコーディングを必要とせずに動作を調整できます。
自動チューニングと診断により、手作業にかかる時間を大幅に削減し、システム性能を向上させ、トラブルシューティングを迅速化できます。
多軸モーション制御の複雑さ
同期とタイミングに関する課題
軸間の正確なタイミング制御は、あらゆる多軸モーションコントロールシステムの基盤となります。各サーボドライブは、まさに適切なタイミングで動作を実行する必要があります。わずか数マイクロ秒の遅延でも、最終製品に目に見える欠陥が生じます。これは、ロボット溶接やCNC加工など、ツールパスの完璧な連携が求められる分野で顕著に表れています。
EtherCATネットワークはこのタイミング問題を解決しますが、独自の複雑さを生み出します。マスターは単一のフレームを送信し、それが各スレーブデバイスを通過します。各スレーブは自身のデータを読み取り、フィードバックを挿入し、フレームを次のスレーブに渡します。このプロセスが継続的に繰り返され、決定論的な動作が実現されます。その性能は目覚ましく、約100軸の処理を125マイクロ秒で完了します。ただし、ネットワークトポロジーを慎重に構成する必要があります。ライン、バス、スター、リングといった構成はそれぞれ同期に異なる影響を与えます。エンジニアは、それぞれのアプリケーションに適したトポロジーを選択しなければなりません。
同期の問題は、カップリングの摩耗、制御パラメータの変動、ネットワーク通信の遅延などによって徐々に発生します。イーサネットベースのシステムでは、一貫した信号タイミングと最小限の遅延が求められます。ケーブルの品質、ネットワークトポロジー、電磁干渉はすべて同期に影響を与えます。
プログラミングとデバッグのオーバーヘッド
複数の軸の動作シーケンスを作成するには、かなりの労力が必要です。複数の駆動装置にわたって、線形補間、スプライン曲線、電子ギアリングを調整しなければなりません。各軸には独自の動作プロファイルが必要ですが、すべてのプロファイルがシームレスに連携する必要があります。プログラミングの複雑さは、軸が増えるごとに増大します。
デバッグは、さらに難易度を高める要素です。よくある課題としては、以下のようなものがあります。
同期の問題：フレームレートの一貫性により、すべての軸にわたる協調的な動きが保証されます。
信号品質の問題：ゴースト入力は、接地不良または信号ノイズを示していることが多い。
タイミングとレイテンシー：クロック速度は実行精度に影響を与えるため、レイテンシーの慎重なテストが必要です。
安全性と故障処理：緊急停止ロジックは、モーション信号を瞬時に遮断する必要があります。
多くの自動化エンジニアにとって、最大の課題はハードウェアではなく、モーションコントロールロジックの記述とデバッグである。機械の要求が高度化するにつれて、プログラミングも複雑化する傾向がある。
初期ネットワーク設定だけでも相当な作業が必要です。すべてのスレーブを検出し、アドレスを割り当て、通信パラメータを設定し、同期を確立しなければなりません。エラー処理には継続的な監視が不可欠です。セキュリティプロトコルは、さらに設定レイヤーを追加します。これらの作業は、本来他の優先事項に充てられるはずの貴重なエンジニアリング時間を浪費します。
多軸コントローラーがモーション制御を簡素化する方法
集中型制御アーキテクチャと分散型制御アーキテクチャ
多軸システムを設計する際には、集中制御と分散制御という2つの主要な選択肢があります。それぞれの方式は異なる機械のニーズに適しており、適切な方式を選択することで時間と労力を節約できます。
集中制御では、すべてのモーションロジックを1つの組み込みコントローラに集約します。この構成は、厳密な同期と高精度な協調動作に最適です。すべての軸が同じクロックと通信バスを共有するため、ドライブ間のタイミングのずれが解消されます。電子カムや複雑な補間など、マイクロ秒レベルの協調が必要な作業では、集中制御によって必要な決定性が得られます。コントローラがすべての軸を直接制御するため、複数のプロセッサを調整する手間が省けます。
分散制御は、機械全体にインテリジェンスを分散させます。各ドライブは独自の制御ロジックを持ち、ドライブ同士が直接通信します。この構成は、多数の軸を持つ大型機械やモジュール式のサブシステムに適しています。中央プロセッサに過負荷をかけることなく軸を追加できるため、拡張性が向上します。モーターの近くにドライブを配置することで電源配線が短縮され、配線の複雑さが軽減されます。モジュール式の機械設計により、サブシステムを個別に統合できます。1つの軸の故障が他の軸に影響を与えることはほとんどないため、障害の特定が容易になります。
システム要件 | 推奨されるアーキテクチャ |
|---|---|
多数の軸を備えた大型機械 | 分散制御 |
モジュール式サブシステム | 分散制御 |
モーター付近の配線を簡素化 | 分散制御 |
高精度な多軸同期 | 組み込み制御 |
精密な協調動作 | 組み込み制御 |
分散アーキテクチャは、拡張性と配線量の削減が最も重要な大型マシンやモジュール式システムでよく用いられます。軸数が増える可能性のあるマシンは、分散構成の恩恵を受けることができます。
どちらを選ぶかは、何を重視するかによって決まります。最大限の同期が必要な場合は、集中制御を選択してください。柔軟性と拡張性が必要な場合は、分散制御を選択してください。多くの最新システムでは、両方を組み合わせて使用し、ネットワーク上の分散ドライブを利用しながら、重要な軸については集中制御を維持しています。
電源共有型一体型サーボドライブ
統合型多軸サーボ駆動システムは、複数の駆動モジュールを共通の電源を備えた1つのパッケージに統合したものです。この設計により、個別の単軸駆動システムに比べてハードウェア構成が簡素化されます。
コスト面でのメリットはすぐに明らかです。DC電源を共有することで、各ドライブにAC-DC整流回路を設ける必要がなくなります。軸を追加するたびにコスト削減につながります。また、電源を共有することで、過電流保護装置、ラインフィルタ、ラインチョーク、ダイナミックブレーキ抵抗器などの部品点数も削減できます。部品点数が少なくなれば、軸あたりのコストが下がり、制御盤のスペースも節約できます。1本のAC電源で複数の軸を駆動できるため、制御盤のスペースをより効率的に活用できます。
福利厚生のカテゴリー | 単軸に比べて多軸が持つ利点 |
|---|---|
費用 | 共通のDC電源を使用し、各駆動部にAC-DC整流部がないため、軸あたりのコストが低減される。 |
宇宙 | 1本の主電源（交流）で複数の軸を駆動できるため、制御盤の設置スペースを少なく抑えることができます。 |
コンポーネント | 過電流保護装置、ラインフィルタ、ラインチョーク、およびダイナミックブレーキ抵抗器の必要数が少なくなる。 |
パワーシェアリング | 単軸システムとは異なり、軸は追加の配線やヒューズを必要とせずに、他の軸で使用された電力を回生することができる。 |
労働 | 配線や取り付け作業が軽減されることで、機器の数が少なくなり、人件費が削減されます。 |
電力共有は、効率性を大幅に向上させる大きなメリットです。ある軸の回転速度が低下すると、エネルギーが回生されます。多軸システムでは、そのエネルギーは必要な他の軸に直接供給されます。共有DCバスが自動的に電力転送を処理するため、余分な配線やヒューズは不要です。この回生機能によりエネルギー消費量が削減され、持続可能な製造が実現します。
統合システムでは、軸間の通信も向上します。EtherCATは、通信機器間の正確な同期に不可欠な、決定論的なサイクルタイムを提供します。ハードワイヤードI/Oとパルス列出力では、協調機能が限定されます。ASCIIとModbusは、中程度の機能を提供します。Modbus TCP/IPとEtherNet/IPは、登録と多軸協調に必要な速度が不足しています。EtherCATは、必要な決定論的なタイミングを提供するため、多軸モーションコントロールにおいて依然として最適な選択肢です。
その結果、よりシンプルで効率的なシステムが実現します。配線、設定、トラブルシューティングにかかる時間が短縮されます。機械の設置スペースとエネルギー消費量も削減されます。多軸モーションコントロールが、複雑すぎず扱いやすくなります。
簡素化された多軸協調のための主な特長
高度な同期技術と電子ギアリング
電子ギアリングは、多軸モーションコントロールを容易にするための最良のツールの1つです。外部位置データストリーム（通常は直交エンコーダ信号）を、すべての動作の主要な基準として使用します。駆動モータの出力カウントと入力エンコーダのカウントの比率を設定します。複数の軸を同時に異なる比率で動作させることができます。ギア比がスムーズに変化することで、起動と停止がより穏やかになります。
印刷機を例に考えてみましょう。用紙送り軸は、一定の比率で印刷ドラムの軸に追従します。サーボドライブはドラムの位置に基づいて動作を調整し続けるため、速度と位置は常に正確です。電子ギアリングは、他の方法ではうまく処理できない複雑な動作パターンにも対応できます。
バーチャルカムはこのアイデアをさらに発展させたものです。機械式カムは新製品への対応が難しく、交換が困難です。バーチャルカムはこの問題を解決します。
ハードウェアに触れることなく、カムプロファイルを素早く変更できます。
すべての軸を1つのマスター軸にリンクすることで、個別の速度プロファイルは不要になります。
摩耗が少ないということは、修理の回数も少なくなるということだ。
度やミリメートルなど、さまざまな単位で作業する
より詳細なCAMデータポイントでより良いパフォーマンスを実現
製品サイズが変更されても、機械式カムを交換する必要はありません。カムプロファイルはデジタルデータとして保存されます。I/O、ネットワークコマンド、またはモーションプログラムの条件を使用して、異なるプロファイルを選択できます。
分散型インテリジェンスにより、外部コントローラが不要になります。各ドライブは独自のプログラムを実行し、データを共有し、I/Oを直接使用します。これにより、中央制御層が不要になるため、OEM機器の構造が簡素化され、コスト削減につながります。
標準プロトコルには、同期ツールが組み込まれています。
EtherCAT（分散クロック）またはCANopen（SYNCメッセージ）は、カスタム調整コードなしでリアルタイム同期を実現します。
マスタースレーブ構成：マスターは定期的に同期メッセージを送信し、スレーブはクロックを調整して同期させるため、手動調整なしでマイクロ秒単位で同期を維持できます。
周期同期モード：共有時間ベース上のCSP、CSV、およびCSTモードにより、正確な経路追跡、速度変更、およびトルク制御が可能になります。
ユーザーフレンドリーなプログラミング環境
最新のプログラミングツールを使えば、学習が格段に容易になります。ACSPL +言語は最大128軸をサポートし、10kHzで動作し、64個のバッファ間でマルチタスク処理が可能です。オブジェクト指向とスクリプト言語のスタイルを融合させており、C言語でユーザー関数を記述したり、運動学計算に代数関数を使用したりできます。コントローラシミュレータは、モーション、I/O、イベント、ロジックを完全に再現します。ホスト統合は、C/C++、.NET、Python、MATLAB、Linux、およびmacOSライブラリに対応しています。
ビジュアルツールを使用すると、メニューからドラッグ＆ドロップ操作が可能です。テキストベースの言語としては、Visual Basic、C、C++などが挙げられます。IEC 61131-3 IDEは、Moog社のCODESYS 3ベースのMASSと同様に、プログラミング、テスト、デバッグ、視覚化のためのツールや、既製のファンクションブロックを備えています。
あらかじめ構築されたファンクションブロックを使用することで、プログラミング作業を大幅に削減できます。FMCPパッケージには、配線済み、テスト済み、認証済みの部品が含まれており、すぐに使用できます。あらかじめ構築されたガントリー構成（1D、2D、3D、T、H）は、多くのコントローラブランドに対応する標準ファンクションブロックを使用しています。単一のハンドリングファンクションブロックは設定不要で、スムーズな動作とフィールドバス統合による多軸制御を実現します。
パイプをベースとしたロボットプロジェクトにおいて、多軸モーション制御ソリューションは統合を容易にしました。使いやすいIDEには、位置決め、速度制御、同期のためのモーション機能が組み込まれていました。ソフトウェア開発キットとモーションライブラリにより、開発チームは高度なコーディングスキルがなくても独自の動作を作成することができました。
モーションコントロール機能を内蔵した最新のサーボドライブ 個別のスタンドアロンコントローラが不要になります。統合された構成により、余分な部品や配線が削減されます。内蔵のイーサネットプロトコルサポートにより、ハードワイヤリングが不要になります。 ハイエンドコントローラーはプロセス制御タスクを処理する かつて必要としていた PLC1つのコントローラーで、動作と機械ロジックの両方を管理します。
多軸システム導入のためのベストプラクティス
システムモデリングとシミュレーション
ハードウェアをセットアップする前に、システムをモデル化してください。この手順により、高額なミスを防ぎ、エンジニアリング時間を節約できます。まずはハードウェアのセットアップから始めましょう。単位、機械的な変換係数、および移動制限を設定します。コントローラのソフトリミットは、安全領域を超えた動きを防止します。適切なリミット設定により、衝突を防止できます。衝突は機器に損傷を与え、安全上のリスクを生み出します。
ベガステージの事例研究は、モデリングがどのように役立つかを示しています。エンジニアはステージアセンブリ全体に対して有限要素解析（FEA）を実行しました。ハンマー衝撃試験から得られたベアリング剛性モデルを追加することで、現実的な開ループ伝達関数が得られました。チームはこの関数を用いてフィードバック制御ループをモデル化しました。このモデリングにより、ステージの整定時間を予測することができました。ウェーハ検査サイクルに基づいて完全な動作プロファイルをシミュレーションすることで、最大スループットを確認し、改善しました。設計は、目標帯域幅をはるかに超える最初の観測可能な固有モードに到達しました。この結果は、動作性能を直接的に向上させました。
座標系の原点とホーミングルーチンも設定する必要があります。起動時にホーミングルーチンを実行してください。このルーチンは各軸を既知の位置に移動します。ホームセンサーまたはハードストップがこの位置をマークします。モデリングは、本番コードを記述する前にこれらのルーチンを確認するのに役立ちます。さまざまなケースをテストして、エラーを早期に発見できます。
自動チューニングと診断
多軸システムの調整を手動で行うと、何時間もかかり、結果も不均一になりがちです。自動調整ツールはこの問題を解決します。すべての軸の慣性、摩擦、負荷状態をチェックし、システム全体で安定したモーター応答を実現します。調整ツールは、動作中の機械的振動を低減するためにパラメータを自動的に調整します。また、チャタリングや不安定性も軽減されます。これは、特に精密切削作業において効果を発揮します。
高度な診断機能により、トラブルシューティング時間も短縮されます。AP-MARSシステムは、回路解析（CIA）を採用しています。このアルゴリズム群は、ノードグループを検出し、各ネットの信号経路をチェックします。自動化された方法により、プロービングミスによる人為的ミスが排除されます。また、ピンごとの物理的な接触回数も削減されます。プロービング手順は80%以上削減されます。障害検出が迅速になることで、ダウンタイムが短縮され、エンジニアリングに費やす時間を増やすことができます。
これらのツールを適切なモーションプログラミングと組み合わせてください。ポイントツーポイント移動、絶対位置決め、および相対位置決めコマンドを使用します。低速では精度が向上し、高速ではサイクルタイムが短縮されます。多軸モーション制御では、直線補間と円弧補間を使用します。適切に協調したモーションは、軸を順次移動する場合と比較してサイクルタイムを30～50%短縮します。また、経路精度も向上します。これらの方法は、あらゆる多軸モーション制御システムの核となります。
多軸コントローラを使えば、難しい問題も簡単に解決できます。複雑なネットワーク設定に悩むことなく、全軸で正確なタイミング制御が可能です。電源を共有することでハードウェアコストが削減され、設置スペースも少なくて済みます。最新のプログラミングツールを使えば、開発時間を大幅に短縮できます。自動チューニングと診断機能により、トラブルシューティングも数時間から数分へと大幅に短縮されます。
これで明確な選択肢ができました。Moog MSDやB&RのACOPOSシリーズのような統合型サーボドライブシステムを検討してみてください。アプリケーションエンジニアに、お使いの機械に必要な機能について相談してみましょう。最適な構成を提案してくれるはずです。今日からモーションコントロールをよりシンプルに始めましょう。
FAQ
集中制御と分散制御の違いは何ですか？
集中制御では、すべてのモーションロジックが1つの組み込みコントローラに集約されます。これにより、高精度なタスクにおいて厳密な同期が実現します。分散制御では、インテリジェンスが複数のドライブに分散されます。各ドライブは独自のロジックを実行します。マイクロ秒レベルの協調動作が必要な場合は集中制御を、拡張性と大型機械における配線の削減が必要な場合は分散制御を選択してください。
電子ギアリングは、多軸協調をどのように簡素化するのか？
電子式ギアリングは、通常は直交エンコーダから得られる単一の位置データストリームをマスター基準として使用します。各駆動軸ごとにギア比を設定します。複数の軸が同時に異なるギア比で動作します。ギア比がスムーズに変化することで、始動と停止がより穏やかになります。機械式ギアボックスは一切不要です。
多軸システムにおいてEtherCATが好まれる理由は？
EtherCATは、同期に不可欠な決定論的なタイミングを提供します。1つのフレームが各スレーブデバイスを通過します。各スレーブはデータを読み取り、フィードバックを挿入し、フレームを次のスレーブに渡します。このプロセスは継続的に繰り返されます。約100軸の処理が125マイクロ秒で完了します。Modbus TCP/IPなどの他のプロトコルでは、この速度は実現できません。
別途必要ですか PLC 多軸コントローラー付きですか？
いいえ。モーションコントロール機能を内蔵した最新のサーボドライブは、スタンドアロンコントローラの必要性をなくします。ハイエンドコントローラは、以前は必要とされていたプロセス制御タスクを処理します。 PLC1つのコントローラーで動作制御と機械ロジックの両方を管理します。この統合により、余分な部品や配線が削減されます。
自動チューニングによってどれくらいの時間を節約できるのか？
多軸システムの調整を手動で行うと、何時間もかかり、結果も不均一になります。自動化ツールは、すべての軸の慣性、摩擦、負荷条件をチェックし、振動を低減するためにパラメータを自動的に調整します。高度な診断機能により、プロービング手順を80%以上削減できます。トラブルシューティングにかかる時間は、数時間から数分に短縮されます。
