神戸大学工学フォーラム神戸大学工学フォーラム20162016神戸大学工学フォ ラム神戸大学工学フォ ラム20162016神戸商工会議所会館神戸商工会議所会館

20162016年年1111月月2828日日

SIP（戦略的イノベーション創造プログラム）／革新的設計生産技術

CAM-CNC統合による革新的な工作機械の知能化と機械加工技術の高度化機械加工技術の高度化

研究開発責任者研究開発責任者

神戸大学大学院工学研究科神戸大学大学院工学研究科 教授教授 白白 瀬瀬 敬敬 一一

実施体制実施体制

神戸大学，ソフトキューブ（株），キタムラ機械（株神戸大学，ソフトキューブ（株），キタムラ機械（株））

発表者発表者

白白 瀬瀬 敬敬 一，尾一，尾 西西 雅雅 弘，片弘，片 田田 優優 介介

工作機械とは工作機械とは

機械をつくる機械機械をつくる機械 ｢｢マザ マシンマザ マシン｣｣

2Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

Department of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe UniversityDepartment of Mechanical Engineering, Graduate School of Engineering, Kobe University

機械をつくる機械機械をつくる機械 ｢｢マザーマシンマザーマシン｣｣

工作機械の知能化とは工作機械の知能化とは

工作機械は加工用プログラムの指令どおりに機械加工を行う工作機械は加工用プログラムの指令どおりに機械加工を行う

機械加工を指令するために加工用プログラムを作成する機械加工を指令するために加工用プログラムを作成する

① 加工用プログラムの作成に多大な労力と時間を要する部品の種類が増える，部品の形状が複雑になる，部品の種類が増える，部品の形状が複雑になる，

工作機械が高機能になる工作機械が高機能になる etc.etc.

② 加工プロセスが制御できない② 加工プロセスが制御できない工作機械を制御することが前提工作機械を制御することが前提

工作機械に機械加工を任せたい，加工プロセスを制御したい

械械工作機械の知能化工作機械の知能化工作機械が自ら意思決定を行いながら機械加工を行う

3Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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加工プロセスの制御，加工プロセスの制御， 加工精度の補正，加工精度の補正， 異常時の対処異常時の対処

自動化システムから自律化システムへ自動化システムから自律化システムへ

り 源

の段

取り

人的

資源

化の

ための

りをする人

人的資源の不足人的資源の不足

自動

化

段取

り

人的資源 不足人的資源 不足

製品寿命

製品種類

部品形状 加工工程

短い短い長い長い

多品種多品種

複雑複雑

少品種少品種

単純単純 部品形状，加工工程 複雑複雑単純単純

現状の自動化システムは人的資源を必要とする現状の自動化システムは人的資源を必要とする

自律化システムで人的資源の不足を補う自律化システムで人的資源の不足を補う

システムに指示を与えるのではなくシステムに指示を与えるのではなく

ドイツドイツ IndustrieIndustrie 4.04.0

自律生産システムの実現自律生産システムの実現

4Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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システムに指示を与えるのではなくシステムに指示を与えるのではなくシステムに任せるシステムに任せる

自律生産システムの実現自律生産システムの実現

プロジェクトテーマの目的プロジェクトテーマの目的

機械加工技術の高度化を目的に 機械加工を事前に作成した加工機械加工技術の高度化を目的に，機械加工を事前に作成した加工用プログラム（NCプログラム）で指令する方式から，加工中に工具位置や工具姿勢を計算して逐次指令する方式に転換して，革新的な工作や工具姿勢を計算して逐次指令する方式に転換して，革新的な工作機械の知能化技術を開発する。これにより，NCNCプログラムの作成を不要にしてプログラムの作成を不要にして，，製造リードタイムを製造リードタイムを

ププ短縮し短縮し，，加工プロセスの制御を実現する加工プロセスの制御を実現する。。

新技術のインパクト新技術のインパクト

対象製品対象製品

新技術のインパクト新技術のインパクト

① 機械加工を3Dプリンタ感覚で実現② 機械加工を工作機械に任せても

カップ

ソケット

新技術により期待される効果新技術により期待される効果

② 機械加 を 作機械 任 も安心･安全

ソケット

ステム

骨頭

一品加工の金型

① 製造リードタイムの短縮② 加工コストの低減

5Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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テイラーメイド人工骨 ③ 国際競争力の向上

CAMCAM--CNCCNC統合による工作機械の知能化･自律化統合による工作機械の知能化･自律化 形状情報形状情報 バッチ処理

NC

形状情報，形状情報，加工情報の喪失加工情報の喪失

バッチ処理

近似した微小線分（形状情報が不十分）

プラント制御CAD CAM CNCﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ

NCﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑ

工作機械

フィードバック不可フィードバック不可形状情報 加工情報 運転指令

製品のCAD モデル

工作機械に加工を指示

プラント制御（制御対象が工作機械）

( ) 現行のNC工作機械

フィードバック不可フィードバック不可

元の曲線 近似した微小線分

形状情報 加工情報 運転指令NCプログラムが必要

加工プロセスの制御は不可

次(a) 現行のNC工作機械

CAM ＆ CNC

形状情報，加工情報の活用形状情報，加工情報の活用

逐次処理

3次元CADモデル（形状情報が豊富）

製品のCAD モデル CAD CAPP サーボ

アンプDCM

工作機械に加工を一任

加工プロセス制御（制御対象が加工プロセス）

CAPP：Computer-aided process Planning ［計算機援用工程設計］DCM：Digital copy milling ［仮想倣い加工］

素材のCADモデル

形状情報 加工情報 工作機械

フィードバック可フィードバック可NCプログラムが不要

⇒ 製造リードタイムの短縮

加工プロセスの制御

6Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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(b) 自律型･知能型のNC工作機械

DCM：Digital copy milling ［仮想倣い加工］ 加工プロセスの制御

加工トラブルの回避

自動工程設計自動工程設計

加 除去領域加 除去領域加工除去領域加工除去領域の算出の算出

加工除去領域加工除去領域の分割の分割

被削材形状 製品形状 加工除去領域

の分割の分割

分割した加工除去分割した加工除去領域の順序算出領域の順序算出

機械機械学習学習によるによる知能化知能化

分割した加工除去領域分割した加工除去領域の工具経路の生成の工具経路の生成

知能化知能化

7Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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倣い加工の原理をデジタル化：倣い加工の原理をデジタル化： 仮想倣い加工（仮想倣い加工（DCMDCM））

工具

倣い加工

プロ ブ 同期運転 工具プローブ 同期運転

工作物製品模型

(a) 走査線加工

工具

仮想倣い加工

仮想プローブ

データ通信

工作物CADモデル

(b) 等高線加工

8Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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工具経路生成の例

(b) 等高線加工

工具の位置による工具送り速度制御工具の位置による工具送り速度制御

加工品位は高いままで加工時間を短くしたい

送り速度送り速度 Fast Fast SlowSlow

加工時間加工時間 ShortShort LongLong加工時間加工時間 Short Short LongLong

加工品位加工品位 Bad Bad GoodGood高品位を要する領域高品位を要する領域低品位で可の領域低品位で可の領域加工時間は長いが加工時間は長いが高品位の加工高品位の加工

加工時間は短いが加工時間は短いが低品位の加工低品位の加工

/min

/min 500500

d Sp

eed

mm

/d

Spee

d m

m/

100100

200200

300300

400400

DCMDCMにおける実時間工具経路生成における実時間工具経路生成

Feed

Feed

Tool position mm Tool position mm 00 1010 2020 3030 4040 5050 6060

00

“Finish Surface” “Finish Surface” からの距離に応じたからの距離に応じた

9Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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工具送り速度の加減速工具送り速度の加減速

素材の硬度あるいは材質に応じた工具送り速度制御素材の硬度あるいは材質に応じた工具送り速度制御

状加工形状（Surface 情報）

加工面

Chemical Chemical wood wood

Acrylic Acrylic

peed

peed High speed High speed

加工面

切削送り速度切削送り速度

•• アクリルアクリル : : 200200 mm/min mm/min Tool positionTool position

Feed

sp

Feed

sp

Low speed Low speed

被削材 応じた 具送り速度 制御

10Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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•• ケミカルウッドケミカルウッド : : 10001000 mm/minmm/min 被削材に応じた工具送り速度の制御

加工形状と切削力の同時シミュレーション加工形状と切削力の同時シミュレーション

エンドミル 削力

N FxFyFz

工具1回転

ンドミル

切N

工具10回転

作物切削力

N

加工形状シミュレータと切削力シミュレータ

工作物

加工形状シミュレ タと切削力シミュレ タ

11Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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切削力シミュレータによる適応制御と切削異常検出切削力シミュレータによる適応制御と切削異常検出

切削力シミュレ タと切削力シミュレ タとNCNC工作機械への同期指令工作機械への同期指令 切削力シミュレータと切削力シミュレータとNCNC工作機械への同期指令工作機械への同期指令

切削力（切削トルク）の推定値に応じて切削条件を修正切削力（切削トルク）の推定値に応じて切削条件を修正

切削力（切削トルク）の推定値と実測値を比較して切削異常検出切削力（切削トルク）の推定値と実測値を比較して切削異常検出 切削力（切削トルク）の推定値と実測値を比較して切削異常検出切削力（切削トルク）の推定値と実測値を比較して切削異常検出

切削力センサの設置は

工作機械

逐次指令切削力

(実測値)

切削力センサの設置は現実的ではない

センサレスでは切削力の正確な検出が難しい工作機械

切削力シミュレータ※切削力の実測値と推

定値を比較することで

正確な検出が難しい

切削力(推定値)

仮想倣い加工システム

定値を比較することで，切削異常を検出する。

12Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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CAMCAM--CNCCNC統合による知能化統合による知能化NCNC工作機械工作機械

OnlyOnly 4 Steps!4 Steps!

製品製品 ワークワークワークワーク 工程工程

歯科補綴物のテイラーメイド加工歯科補綴物のテイラーメイド加工

製品製品モデルモデル選択選択

ワ クワ クモデルモデル選択選択

工程工程設計設計実行実行

加工加工開始開始

金型をイメージした多面体金型をイメージした多面体ＮＣプログラム不要の試作機ＮＣプログラム不要の試作機

13Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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機械加工を機械加工を33Ｄプリンタ感覚で実現！Ｄプリンタ感覚で実現！

プロジェクトの情報発信プロジェクトの情報発信

新聞報道新聞報道 新聞報道新聞報道

2015年 9月10日 日本物流新聞 2015年11月28日 日本経済新聞年 月 本経済新聞

日本経済新聞 2015年11月28日

14日本物流新聞 2015年 9月10日

ユーザインターフェイスユーザインターフェイス

画面デザインの留意点画面デザインの留意点 画面デザインの留意点画面デザインの留意点

タッチパネルによる操作を考慮タッチパネルによる操作を考慮 初心者でも取扱い容易な初心者でも取扱い容易な簡潔簡潔、、直感的直感的な操作コンセプトな操作コンセプト →→ シンプルシンプルイズベストイズベスト初 者 扱 容易初 者 扱 容易 簡潔簡潔、、直直 操作操作 従来機の画面とは一線を画する従来機の画面とは一線を画するインパクトインパクトのある画面のある画面

回転回転拡大・縮小

移動

15Keiichi Keiichi SHIRASESHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab., Computer Integrate Manufacturing Systems Lab.

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ユーザインターフェイスユーザインターフェイス

簡単操作簡単操作 簡単操作簡単操作

煩わしい設定はすべて自動 少ないステップですぐにNC加工を開始少 す を開始

ワークワークワークワークモデルモデル

製品製品モデルモデル

⼯程⼯程設計設計 加⼯加⼯モデルモデル

選択選択モデルモデル選択選択

設計設計実⾏実⾏

加⼯加⼯開始開始

4Steps4Steps

16Keiichi Keiichi SHIRASESHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab., Computer Integrate Manufacturing Systems Lab.

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4 p4 p

仮想倣い加工（仮想倣い加工（DCMDCM）による工具経路生成）による工具経路生成

逐次指令する工具経路計算逐次指令する工具経路計算 逐次指令する工具経路計算逐次指令する工具経路計算

倣い加工の原理をモデル化 計算した工具経路をリアルタイムに工作機械へ指令算 具経路をリ 作機械 指令

修正前修正前 修正後修正後修正前修正前 修正後修正後

パス計算のパス計算の

17Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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問題を修正問題を修正

工具モーション制御工具モーション制御

加工領域をボクセル化し工具送り速度を制御するデ タを保持加工領域をボクセル化し工具送り速度を制御するデ タを保持 加工領域をボクセル化し工具送り速度を制御するデータを保持加工領域をボクセル化し工具送り速度を制御するデータを保持

ボクセル毎に製品のモデル表面からの距離を保持 距離データはX/Y/Z各軸方向それぞれに保持距離 / / 各軸方 そ ぞ 保持 工具進行方向に対して工具と製品のモデル表面との距離を検出し、工具経路に

依らない工具送り速度制御を実現

縦軸に対しての距離 横軸に対しての距離

18Keiichi Keiichi SHIRASESHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab., Computer Integrate Manufacturing Systems Lab.

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※説明用にボクセルを2Dで表現しています

工具モーション制御の事例工具モーション制御の事例

高速高速低速低速

19Keiichi Keiichi SHIRASESHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab., Computer Integrate Manufacturing Systems Lab.

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切削力シミュレーション切削力シミュレーション

ボクセルモデルを用いた切削力のリアルタイムシミュレ ションボクセルモデルを用いた切削力のリアルタイムシミュレ ション ボクセルモデルを用いた切削力のリアルタイムシミュレーションボクセルモデルを用いた切削力のリアルタイムシミュレーション

並列処理とメモリ節約の工夫並列処理とメモリ節約の工夫

ボクセルのオクトツリー表現

20Keiichi Keiichi SHIRASESHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab., Computer Integrate Manufacturing Systems Lab.

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適応制御適応制御

予測した切削力（切削トルク）に応じて工具送り速度を調整予測した切削力（切削トルク）に応じて工具送り速度を調整 予測した切削力（切削トルク）に応じて工具送り速度を調整予測した切削力（切削トルク）に応じて工具送り速度を調整 切削力が小さくなれば工具送り速度を増速 切削力が大きくなれば工具送り速度を減速 切削力が過大になれば加工を中断 ⇒ トラブル回避

具 具

増速

具 具

減速

ワーク

工具

ワーク

工具

ワーク

工具

ワーク

工具

切削力小 切削力適正 切削力大 切削力適正

切削力が過大になると切削力が過大になると･･････切削トルクの限界値危険

工具

破損

切削力が過大になると切削力が過大になると切削トルクの限界値

送り速度を下方修正

ワーク

工具

切削トルク適切な切削トルクの範囲

下方修正

送り速度を

21Keiichi Keiichi SHIRASESHIRASE, Computer Integrate Manufacturing Systems Lab., Computer Integrate Manufacturing Systems Lab.

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時間

送り速度を上方修正

試作機の制御装置試作機の制御装置

１次試作１次試作 １次試作１次試作インテリジェント機能を装備した独自ＮＣ装置「Arumatik-Mi」へDCM機能を組込み

２次試作２次試作工具モーション制御のために高性能CPU GPGPUを搭載工具モーション制御のために高性能CPU、GPGPUを搭載

マルチコア、マルチスレッドCPUの採用

高性能GPGPU 高性能GPGPU 加工パス処理能力 1.6 倍 サーボ間通信速度 3 倍 サ ボ間通信速度 3 倍 IoT: 機械の見える化に MTConnect を採用

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試作機試作機 超高速の超高速のXX軸走査線加工軸走査線加工

毎分70,000 回転HSK-E25

X軸送り速度 120 m/min主軸ヘッドとテーブルの同期対向制御HSK E25

主軸ヘッド主軸ヘッド

60 m/min60 m/min主軸 ッドとテ ブルの同期対向制御

ワークテーブルワークテーブル

60 m/min60 m/min//

23Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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EMOEMO 20152015

イタリアのミラノでイタリアのミラノで 20152015年年1010月月55日～日～1010月月1010日に開催された日に開催されたイタリアのミラノでイタリアのミラノで 20152015年年1010月月55日～日～1010月月1010日に開催された日に開催されたEMOEMO MILLANOMILLANO 20152015（欧州工作機械見本市）に試作機を出展（欧州工作機械見本市）に試作機を出展

24Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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IMTSIMTS 20162016

アメリカのシカゴでアメリカのシカゴで 20162016年年99月月1212日～日～99月月1515日に開催された日に開催されたアメリカのシカゴでアメリカのシカゴで 20162016年年99月月1212日～日～99月月1515日に開催された日に開催されたIMTSIMTS 20162016（国際工作機械見本市）に試作機を出展（国際工作機械見本市）に試作機を出展

25Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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JIMTOFJIMTOF 20162016

東京のビックサイトで東京のビックサイトで 20162016年年1111月月1717日～日～1111月月2222日に開催された日に開催された東京のビックサイトで東京のビックサイトで 20162016年年1111月月1717日～日～1111月月2222日に開催された日に開催されたJIMTOFJIMTOF 20162016（日本国際工作機械見本市）に試作機を出展（日本国際工作機械見本市）に試作機を出展

26Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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試作加工サンプル試作加工サンプル

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研究開発の達成目標研究開発の達成目標 【【平成平成3030年度年度 最終目標最終目標】】

製品と素材の3次元CADモデルから機械部品が加工できるNC工作機 製品と素材の3次元CADモデルから機械部品が加工できるNC工作機械の特徴を活かして、切削力の適応制御、機上計測による修正加工を可能とする革新的で知能的なNC工作機械を試作して製品化する。を可能とする革新的で知能的なNC工作機械を試作して製品化する。切削力の適応制御で加工トラブルの発生を低減し切削力の適応制御で加工トラブルの発生を低減し、、修正加工で加工修正加工で加工精度を改善することを目標とする精度を改善することを目標とする。。

切削力一定の適応制御により、切削力の急変に起因する加工トラブルを回避する。

修正加工により、加工プロセスに起因する加工誤差を低減する。

機械加 任 安心 安全 ！機械加 任 安心 安全 ！

http://www.subaru.jp/eyesight/digest/

28Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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機械加工を任せて安心･安全に！機械加工を任せて安心･安全に！

開発計画開発計画

NCプログラムを作成することなく 素材と製品の3次元CADモデルから NCプログラムを作成することなく、素材と製品の3次元CADモデルから機械加工が可能な、世界に例のない革新的知能化NC工作機械を試作する。（第1次試作）する。（第1次試作）

切削力の適応制御を実現して、加工効率の向上と加工トラブルの回避を実現する。（第2次試作）を実現する。（第2次試作）

機上計測と修正加工を実現して、加工精度を改善する。（第3次試作）

H26H26年度年度 H27H27年度年度 H28H28年度年度 H29H29年度年度 H30H30年度年度

要素技術のアルゴリズム要素技術のアルゴリズム 切削力要素技術のアルゴリズム要素技術のアルゴリズム考案･検証（神戸大学）考案･検証（神戸大学）

実証用ソフトウェアの開発実証用ソフトウェアの開発ブブ

送り速度制御ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ切削力

ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ適応制御 機上計測 修正加工

工程設計 GUI 切削力適応制御 機上計測 修正加工

（ソフトキューブ）（ソフトキューブ）

試作機開発試作機開発（キタムラ機械）（キタムラ機械）

工程設計 GUIｼﾐｭﾚｰｼｮﾝｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ

適応制御 機上計測 修正加工

第1次試作NCﾌﾟﾛｸﾞﾗﾑﾚｽ加工

第2次試作切削力適応制御 機上計測と修正加工

第3次試作機上計測と修正加工

29Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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（キタムラ機械）（キタムラ機械）

連絡先連絡先

ご清聴ありがとうございました。ご清聴ありがとうございました。

神戸大学大学院工学研究科機械工学専攻

白 瀬 敬

神戸大学大学院工学研究科機械工学専攻

白 瀬 敬白 瀬 敬 一

〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1

白 瀬 敬 一

〒657-8501 神戸市灘区六甲台町1-1TEL 078-803-6139, FAX 078-803-6155

E-mail shirase@mech.kobe-u.ac.jpTEL 078-803-6139, FAX 078-803-6155

E-mail shirase@mech.kobe-u.ac.jp

30Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.Keiichi SHIRASE, Computer Integrated Manufacturing Systems Lab.

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