サーボプレス 101:基本ガイド

産業オートメーションは、特に組み立て作業で使用される場合、魔法のように思えることがあります。次の自動化プロジェクトに役立つ基本について学ぶ必要があります。

サーボ機構は、21 世紀の自動化の中心です。基本的な要素はサーボモーターです。回転運動を直線運動に変換する装置。必要なフィードバックを提供する一連のセンサー。フィードバック データをコマンド信号に変換するコントローラ。およびソフトウェアを有効にします。これが高速精密組立作業の「魔法」です。基本コンポーネントの 21 世紀の進歩により、サーボプレスはゲームを変えるテクノロジーです。

高速で正確なだけでなく、大型化も実現しています。金属成形およびスタンピング業界では、最大 5,000 トン (4,536 メートル トン) の容量を持つサーボ プレスが利用可能であり、より大型のユニットが開発中です。これらのプレスは、エンジニアがプロセスのストローク全体で力、速度、位置をリアルタイムで正確に制御できるようにすることで、ユーザーがプロセス設計に取り組む方法を変えています。

30 年前、業界のパイオニアたちは、精密ボールねじとサーボモーター、ロータリー エンコーダー、ロード セルを組み合わせて、組み立て作業専用に設計された最初の電気機械アセンブリ プレス (EMAP) を製造しました。

成功したアーリー アダプター

アーリーアダプターは、組み立て中にプロセスパラメーターを測定する機能により、各操作の力/位置の「特徴」を既知の良好なサイクルのものと比較し、プレスパラメーターをリアルタイムで調整して複製することにより、文字通り製品を「複製」できることを発見しました。この基本的なコンセプトは、単純なリベット留めから高価値の電子機器の取り付けまで、何百もの異なるアセンブリ アプリケーションで使用されてきました。いくつかの例を次に示します。
ユニバーサル ジョイント アセンブリ:カルダン タイプのユニバーサル ジョイントには、センター クロスまたは「スパイダー」があり、アームの穴にベアリング カップを押し込むことによって、一対の U 字型アームに取り付けられます。 「スパイダー」で機械加工されたジャーナルをキャプチャします。組み立てたら、ベアリング カップをアームに固定して所定の位置に保持します。

課題は、ベアリング カップを押し込んで固定している間、スパイダーを腕の中心に保つことです。これは、挿入中に各ベアリング カップに同じ力を加えるように同期された 1 組の EMAP によって実現されます。カップが所定の位置に配置されると、スパイダーが正確に中央に配置され、EMAP が同時にステーキング操作を実行します。スパイダーの反対側の脚に均等な力が加えられるため、脚は中心に留まり、毎回適切に組み立てられます。

このアプリケーションが機能するのは、操作中に EMAP が監視され、コントロールによって力と位置がリアルタイムで調整されるためです。品質保証のためにプロセス全体のデータを取得して保存し、各アセンブリの 100% のトレーサビリティを提供できます。そのデータは、組み立て中の部品の異常を特定して修正するのにも役立ちます。これにより、サプライ チェーン全体と組み立てプロセスの品質が向上します。

医療用カテーテル アセンブリ:重要な操作は、小径の金属チューブを、カテーテルの柔軟な部分に取り付けられたより大きなチューブに取り付ける圧着プロセスです。クリンプが完全でないと、引っ張ったときにバラバラになるか、チューブが完全に閉じてしまい、カテーテルが役に立たなくなります。小さな金属チューブをわずかに大きいチューブに一貫して圧着することは、途方もない挑戦であることが判明しました.

カテーテルの圧着操作で一貫した品質を維持するための鍵は、適用される力の量と圧着工具の正確な位置の両方を同時に監視することでした。既知の良好な操作の両方のパラメーターが取得されると、力/位置の「シグネチャ」がベンチマークとして使用され、その後の操作が測定されました。

外部位置変換器を備えた EMAP ベースの圧着ステーションを使用して、カテーテルの圧着操作を実行します。 EMAP は繰り返し可能な圧着力を提供し、変換器は圧着が浅すぎず深すぎないことを確認するために工具を監視します。その結果、製造されたすべてのカテーテルに対して 100% の努力によるテスト認証が得られ、現場での圧着不良が実質的に排除されます。

リベット ボール ジョイント アセンブリ:自動車用ボール ジョイント アセンブリは安全上重要なコンポーネントであり、通常はリベットで上下のコントロール アームに取り付けられます。考えられる故障モードは 3 つあります。1) リベットが長すぎるか短すぎる、2) リベットが硬すぎる、または柔らかすぎる、3) リベットが完全に欠落している可能性があります。組み立ては安全上重要であるため、従来からリベット締め後の 100% 検査が実施されてきました。

従来の油圧プレスの代わりに EMAP ベースのシステムを使用すると、実行中のプロセスを監視し、「署名」を既知の良好な操作と比較することで、100% の検査要件が不要になります。 3 つの個別のロード セルがツーリングに取り付けられ、各リベットにかかる力を個別に測定し、シングル ポジション トランスデューサがラムの移動距離を測定します。硬すぎたり柔らかすぎたり、短すぎたり長すぎたりするリベットは、穴の直径などの許容範囲外の詳細と同様に、署名に明確な変化をもたらします.

このシステムは、次の機能を提供します。長い、短い、硬い、柔らかい、および/またはリベットの欠落を検出します。すべてのアセンブリの 100% 認証;組み込みのデータ取得。製造されたすべての部品の力と位置データの記録が、すべてプロセス サイクル中にリアルタイムで記録されます。結果は一貫性があり、正確で、追跡可能です。つまり、品質を保証するためにすべての部品の工程後検査が不要になります。

基本を超えて

初期の採用者が、EMAP ベースのシステムによって生成された詳細なプロセス データには、単に「シグネチャ」と「クローン」アセンブリを比較する以上の用途があることに気付くのに、それほど時間はかかりませんでした。 EMAP サプライヤは、より高度なアプリケーションをサポートするために、ハードウェアとソフトウェアの両方の機能を強化することにも忙しくしていました.

これらの進歩を利用した最初のアプリケーションの 1 つは、自動車のコントロール アームの組み立てでした。この製品は、適切な機能を実現するために幾何学的精度が必要ですが、非常に厳密な公差では経済的に製造できないコンポーネントで作られています。コントロール アームは、頑丈なスタンピングまたは鋳造でできており、ゴムで覆われたブッシングが所定の位置に押し付けられています。明らかに、極端な寸法精度の候補ではありません.

自動車エンジニアが通常行うことは、アセンブリに必要なジオメトリを定義し、「達成方法」の部分をサプライヤーに任せることです。サプライヤーはこれを「ファントム」ディメンションと呼び、さまざまな業界で非常に一般的です。

「ファントム」寸法の仕様を満たすための従来のアプローチは、正確なツールと固定具を作成し、それらを継続的に調整して、部品の一定の予測不可能な変動に対処することです。他のサプライヤーは、「プレスして希望」し、次に「測定して分類」し、スクラップと再加工のコストを受け入れることを選択します.代わりに EMAP ベースのシステムでこの課題に対応するには、印刷機に統合されたロード セルの外部にある追加のセンサーを処理する高度なソフトウェアが必要です。組み立ては、2 つの EMAP と 2 つのデジタル プローブで行われます。これらのプローブが必要になるのは、取り付け中に弾性ブッシングが曲がり、正確な位置を知ることが困難になるためです。プローブは、機械とロードセルのたわみも補正します。

コントロール アームを組み立てるには、ブッシングを初期位置に押し付け、力を取り除き、デジタル プローブで位置を測定します。 1 つのブッシングは、ボール ジョイントに関連する寸法にプレスされます。プローブは位置を測定し、情報をコントローラーに送り返します。コントローラーは、プレス機にさらにどれだけプレスするかを伝えます。ブッシングが配置されるまで、このシーケンスが繰り返されます。もう 1 つのブッシングは同じ取り付け手順を使用しますが、最初のブッシングに関連する寸法に押し付けられます。これは「ファントム」寸法であり、システムは、コントロール アームやブッシングの変動に関係なく、効率的かつ再現的に達成できます。

上記のシステムは、構成部品の寸法仕様を変更することなく、組み立てられたコントロール アームの機能品質を大幅に向上させます。実際、完成品の機能品質に影響を与えずに製造コストを削減するために、これらの構成部品の公差を緩めることができる可能性は十分にあります。機能は消費者の品質の尺度であり、コントロール アーム システムによって開拓された種類のインテリジェントなアセンブリにより、メーカーの尺度にもなります。

成熟したテクノロジー

インテリジェントなアセンブリ アプリケーションが普及するにつれて、それらを可能にするために必要なハードウェアおよびソフトウェア システムも増加しています。今日、EMAP は 0.2 kN から 500 kN までの範囲の力出力で利用可能であり、広範囲の一体型および外部センサーを装備することができます。これらは、システム ビルダー、H フレーム プレス、およびエンド ユーザー向けの柔軟なスタンドアロン ワークステーションの個別のコンポーネントとして利用できます。

革新的なエンジニアにより、EMAP はロボットのエンド エフェクターとして使用できるほど軽量になり、人間のハンドヘルド モデルも利用できるようになりました。これらの製品は両方とも、プレスが部品に持ち込まれるアプリケーションを対象としています。つまり、プレス操作の反力がロボットや人間のオペレーターに伝達されることはありません。

Promess が開発したロボット用途向けのソリューションの 1 つが、一体型バック ストップを組み込んだロボット プレスです。操作中、プレスはロボットによってパーツ上に配置され、ツーリングが使用されます。次に、ロボットは 2 つの軸でフリー フロートになり、位置を保持する一方で、プレスが統合されたバック ストップに到達するまで、3 番目の軸でプレスの動きに対応します。プレスの動作は完全にプログラム可能で、プレスには力センサーと位置センサーを装備して、インテリジェントなアセンブリ操作をサポートできます。

リニア EMAP/ロータリー アクチュエータ コンボ

もう 1 つのトレンドは、リニア EMAP とロータリー アクチュエータを組み合わせて、組み立て時の機能テストを容易にすることです。たとえば、自動車のフード ラッチは、EMAP を使用してリベットで組み立てられます。リベットがピーニングされている間、ラッチが作動し、指定されたレベルに達するまで必要な力が継続的に測定され、その時点でプロセスが停止します。このプロセスにより、リベットやスタンピングのばらつきに関係なく、作動力が均一なラッチが製造されます。同様のシステムは、自動車のシート ラッチ、ペンチの組み立て、さらには自動車のディファレンシャルの荷重下でのギアのバックラッシュのチェックにも使用されています。

これらのアプリケーションはすべて、高度なコントローラーとソフトウェアに依存して、複数のデータ入力をリアルタイムで処理および統合し、必要なサーボ コマンドを生成します。負荷が均一でない場合でも、プラテン プレスのコーナーを駆動する複数の EMAP を同期させる機能を備えた制御が利用可能になり、各 EMAP がプラテンを平行に保つために必要な力を生成します。

制御ソフトウェアはハードウェアとともに進化してきました。今日のシステムは、数年前の以前のシステムよりもはるかに簡単にプログラミングできます。サプライヤは、多くの場合プロの制御エンジニアが必要ないレベルまでプロセスを簡素化するシステムに多大な時間と才能を投資してきました。

EMAP テクノロジが成熟するにつれて、インテリジェントなアセンブリと、寸法ではなく機能仕様へのアセンブリの概念が、幅広い業界でますます実用的になっています。ただし、成熟度は停滞を意味するものではありません。このテクノロジーは、メーカーを何十年、場合によっては何世紀にもわたって悩ませてきた課題に対する真に革新的なソリューションを可能にすることで、成長を続けています。