組立工程の最適化：4つの産業用ロボット・ピックアンドプレース技術の比較研究

2024年5月20日

組立向け4つの産業用ロボット・ピックアンドプレース技術の比較と対比

• 著者：Brian McMorris
• 3Dビンピッキング
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2024年5月 Simple Solutions Newsletter

現代の産業界において、自動化は労働需要とコストの削減、製造生産性と効率の向上において、ほぼすべての市場分野とアプリケーションで極めて重要な役割を果たしています。エンジニアが利用できる多数の自動化技術の中でも、産業用ロボットによるピックアンドプレース操作は、製造と物流プロセスを自動化し、労働需要を削減できる重要な技術として際立っています。これらの操作は、物体や部品をある場所から別の場所へ移動させるもので、多くの場合、精度と速度が要求されます。本稿では、代表的な4つのピックアンドプレース技術、すなわちフレキシブルフィーダー、4Dビンピッキング、振動フィーダーボウル、コンベアライントラッキングについて詳しく比較検討します。

1. フレキシブルフィーダー

フレキシブルフィーダーは、空気圧、振動、ロボットシステムなどのさまざまな機構を用いて、部品を機械視覚システムの前に提示し、ロボットによるピックアンドプレース操作を可能にします。これらのフィーダーは、さまざまな形状とサイズのコンポーネントに対応できるため、多様な製品ラインを持つ製造環境で汎用性を発揮します。フレキシブルフィーダーの主な利点の一つは、不規則な形状の物体や複雑な形状の部品を扱えることです。ただし、部品のサイズはフィードプレート幅の1/3以下でなければならず、機械視覚によるシングレーション（個別化）と位置特定のためのスペースを確保する必要があります。一般的に、部品の最長寸法は1mm〜100mm、重量は1kg（2.2ポンド）未満である必要があります。

サイズ制限以外にも、フレキシブルフィーダーには他の潜在的な制限があります。特に、正確な姿勢制御が必要な複雑な部品を扱う場合、他の部品ピッキング技術と比較して遅くなる傾向があります。また、フレキシブルフィーダーの初期セットアップとキャリブレーションには時間がかかり、ロボティクスと視覚の専門知識を持つ熟練人材が必要となる場合があります。部品は剛性がなければならず、柔らかいゴム状の部品は、シングレーションに必要な機械的振動や振動に反応しないため扱えません。

フレキシブルフィーダーのアプリケーションを成功させる鍵の一つは、ピックする部品を識別、判定、位置特定し、部品座標と回転をロボットコントローラーに送信する機械視覚システムの適切な選定、キャリブレーション、統合です。これに加えて、適切な照明選定（トップライティングまたはバックライティング）、フィードプレート設計の選定、バルク供給オプションによる無人稼働時間の延長が重要です。その後、ロボットをプログラミングして部品に移動し、適切なグリッパーでピックします。ピック後、部品はさらなる加工や組立のためにカスタム治具やネストに配置されます。この一連の操作により、毎分10〜30個の部品のピッキング、姿勢制御、配置が可能です。

2. 4Dビンピッキング

4Dビンピッキングは、人工知能（AI）と統合ロボティクスを含む高度な視覚システムを用いて、ビンやコンテナから物体を3次元すべて（幅X、長さY、高さZ）に加え、光強度の次元で識別しピックします。この技術は、深いビン内であっても、ランダムで重なり合った部品姿勢や一括材料の処理に非常に効率的です。視覚センサーと高度なアルゴリズムを採用することで、4Dビンピッキングシステムは、照明条件が大きく変化する雑然とした環境でも、物体を正確に位置特定し把持できます。

4Dビンピッキングの主な課題の一つは、大量の視覚データをリアルタイムで処理する際の計算複雑性です。ここでAI（部品姿勢と照明の可能性の大量学習）と、アプリケーションサーバーの高度な数学処理チップが活躍します。多様な照明条件下での信頼性の高い物体認識と、リアルタイムでの把持計画アルゴリズムの生成には、多大な計算リソースと専門知識が必要です。4Dビンピッキングシステムでは、コストはカメラではなく、ハイエンドGPU演算にあります。

4Dビンピッキングは、中程度の供給速度に適した優れた技術です。このアプローチは、フレキシブルフィーダーでは効果が薄い、あるいは不可能な不規則な形状や大型部品の解決策となることが多々あります。長尺部品はクラシックな「棒倒し」のような形で重なり合うことがありますが、視覚システムはピックに最適な候補を判別し、ロボットを適切な姿勢で誘導して高速でピックアンドプレースを行い、毎分10〜30個の処理が可能です。

3. 振動フィーダーボウル

振動フィーダーボウルは、部品が通過するトラックを備えた精密に製造されたボウルでの振動を利用して、部品を整列させ、ロボットのピックアンドプレース操作のために供給します。これらのボウルは、振動力で容易に操作できる中小型コンポーネントに特に効果的です。振動フィーダーボウルは、高速動作と供給プロセス中の部品姿勢維持における信頼性で知られています。フォトセンサーとエアブラストを用いて、誤ってトラックに乗った部品を検知し、「吹き飛ばす」か、トラックの戦略的な開口部から排出します。

その効率性にもかかわらず、振動フィーダーボウルには制限があります。特に、過度な振動により損傷を受けやすいデリケートまたはセンシティブな部品を扱う場合に顕著です。また、異なる部品形状に対応したフィーダーボウルの設計とカスタマイズは困難で、専門的なエンジニアリングと職人的な専門知識を必要とする場合があります。頻繁なエンドプロダクトの切り替えで異なる組立部品が必要な場合、それらの部品専用のフィーダーボウルを設計し、すべてのボウルを交換・再キャリブレーションする必要があります。これは高コストかつ時間がかかる操作であり、振動ボウルは、年間数十万〜数百万個の部品ボリュームを持つ固定エンドプロダクトの大量生産に最も適しています。振動ボウルは、毎分60〜200個の速度でピッキング用に部品を配置できますが、この速度はほとんどのロボットアームの能力を超えるため、ピッキングは通常、専用の「ハードオートメーション」で行われます。

4. コンベアライントラッキング

コンベアライントラッキングは、ロボットの動きを移動するコンベアベルトと同期させ、生産ラインに沿って移動する物体をピックアンドプレースする技術です。この技術は、継続的な操作と高速スループットが不可欠な大量生産製造環境で一般的に使用されます。コンベアラインをトラッキングすることで、ロボット（通常はFanucやABBなどの企業の「デルタ」ロボット設計）は、部品が利用可能になると正確に位置決めしてピックできます。

コンベアライントラッキングの主な利点の一つは、最小限のダウンタイムで大量の部品を処理する拡張性と効率性です。この技術は、ベーカリー製品、包装スナック食品、包装衣料などの食品包装で人気があります。デルタロボットで最大毎分120個の速度を達成できます。しかし、この技術は、精密な部品姿勢が要求されるアプリケーションや、不規則な形状の物体を扱う場合には適さない可能性があります。典型的な4軸デルタロボットは1つの平面でのみ動作し、「Z」方向や垂直方向の動きがあまりなく、平らな物体をピックして包装ラインに転送するのに最適です。しかし、Fanuc M-1iAのように、4軸デルタに3軸リストとグリッパーを追加したハイブリッドタイプも利用可能です。

まとめ

各産業用ロボット・ピックアンドプレース技術は、アプリケーションの具体的な要件に応じて明確な利点と制限を提供します。フレキシブルフィーダーは汎用性に優れますが、特定のタスクでは速度と精度に欠ける場合があります。4Dビンピッキングは一括材料の処理に最適ですが、多大な計算リソースを必要とします。振動フィーダーボウルは高速動作を提供しますが、デリケートな部品には不向きです。コンベアライントラッキングは継続的な操作を保証しますが、特定のアプリケーションでは精度に欠ける場合があります。最終的に、製造業者は自社のニーズを慎重に評価し、生産目標と制約に最も適したピックアンドプレース技術を選択する必要があります。

Futura Automationは、組立アプリケーション向けに、各カテゴリーのピッキングとプレースのコンポーネントまたは完全なソリューションを提供しています。Futura Automationは、Flexfactoryフレキシブルフィーダーの米国代理店であり、完全システムのFanucとBrooks Automationの認定ロボットディーラーです。視覚コンポーネントとして、独自のFeedware CXソフトウェアによる統合の容易さを実現するCognex、Fanuc IR Vision、Keyence視覚システムが利用可能で、既存システムに統合できます。

4Dビンピッキングでは、Futuraは高度な視覚とロボットパス処理を備えたApera.aiと協業しています。振動フィーダーボウルが適切な技術である場合はVibromaticが良い供給源です。ライントラッキングアプリケーションでは、再びFutura AutomationがApera.AI、Cognex、Keyenceで視覚課題を解決し、Fanucでデルタロボットを提供します。最も困難なピックアンドプレースの課題をFutura Automationにご相談ください。最適なソリューションを提供いたします。 tech@futura-automation.com