ロボット工学および自動化用部品において、CNC加工が不可欠である理由

ロボットの精度は、その構成部品の精度に左右されます。アームが1日数千回、数分の1ミリメートル以内の誤差で「ピック・アンド・プレース」動作を繰り返す場合、その精度はソフトウェアだけから生まれるものではありません。それは、関節、ベアリング、構造部材に機械加工によって刻み込まれているのです。 ギアボックスにわずかな遊びが生じたり、ベアリングの穴径が数ミクロンずれたり、ブラケットが荷重でたわんだりすれば、アーム全体が先端ツールでの精度を失ってしまいます。だからこそ、ロボット工学はCNC加工にこれほど大きく依存しているのです。CNC加工こそが、精密な機械の設計図を、実際に精密な部品へと変えるプロセスなのです。.

ここでは、なぜ機械加工がロボット製造の根幹をなすのか、どの部品がそれに最も依存しているのか、そしてロボットのハードウェアの製造がなぜこれほどまでに困難なのかについて解説します。これは、私たちが日々現場で目にする状況に基づいており、 ロボットによる機械加工作業, 、そこでは、精度、重量、再現性のすべてを、一つずつではなく、同時に満たさなければならない。.

簡単な答え： CNC加工はロボット工学において不可欠です。なぜなら、ロボットは厳しい公差、部品間の再現性、そして特定の材料特性によってその成否が決まるものであり、CNC加工はこれら3つの要件をすべて満たすからです。 ロボットの関節、ギアボックスハウジング、アクチュエータ部品、エンドエフェクタには、確実な位置決めを行うためのミクロンレベルの精度、高速移動のための軽量化、そしてすべてのユニットで均一な品質が求められます。多軸CNC加工は、金属やエンジニアリングプラスチックを問わず、鋳造や3Dプリントでは実現できない方法で、これらの要件をすべて満たすことができます。.

ロボット工学がすべての部品に求める4つの要件

ロボットの構成部品は、同時に複数の方向から力を受けます。こうした相反する要求を理解すれば、なぜこの分野では鋳造や成形ではなく、機械加工が主流となっているのかがわかるでしょう。.

• 精度 — 位置決め精度は、すべての接合部および穴において、厳しい寸法公差および形状公差に左右されます。.
• 再現性 — 自動化では部品ごとのばらつきを補正できないため、生産ラインから出荷されるすべての製品は同一でなければならない。.
• 軽量 — 可動部が軽量であれば、動作が速くなり、慣性が低減され、より小型で安価なモーターを使用できるようになります。.
• 耐久性 — 部品は数百万回のサイクルに耐えるため、材料の強度と表面品質は不可欠です。.

これらはいずれも、ロボット工学に特有のものではありません。しかし、その組み合わせこそが独特なのです。部品には、軽量かつ高強度で、かつ高精度であり、さらに再現性がある――これら4つの要件をすべて同時に満たす必要があります。CNC加工は、1つの部品においてこれらすべての要件を満たすことができる数少ない加工プロセスの一つです。.

CNC加工によって製造される主要なロボット部品

接合部および構造部材

ロボットの可動範囲を広げる腕や関節は、通常、強度対重量比の良さからアルミニウムで機械加工されます。これらの部品には、不規則な角度の取り付け面、内部のケーブル配線、軽量化のための空洞など、複雑な形状が採用されており、これはまさに 5軸CNC加工. これを使えば、1回の設定ですべての機能を統合し、それらの間の関係をしっかりと維持することができます。.

ギアボックスおよびアクチュエータハウジング

ギア、ベアリング、ハーモニックドライブを収容するハウジングは、ロボット全体の中で最も公差が厳しく求められる部品です。ベアリングの穴は真円であり、同心であり、寸法が厳密に合っていなければなりません。そうして初めて、ギアはバックラッシュなく噛み合い、シャフトは振れなく回転するのです。 ここで数ミクロンの誤差が生じると、1メートルもの長さのアームの先端で目に見えるほどのガタとして現れてしまいます。そのため、これらの部品は、製造工程の中で最も厳しい公差に基づいて加工・検査されます。.

エンドエフェクタとグリッパー

自動化用ハンド（グリッパー、ツールチェンジャー、特注のエンドエフェクタなど）は、通常、生産数が少なく、特定の用途に限定された部品である。これこそが機械加工の真骨頂だ。治具を製作する必要がなく、数個の特注エンドエフェクタのコストは、プロトタイプ1個分の費用程度に収まる。こうした機構用のシャフトやピンといった旋削部品は、当社の CNC旋盤加工サービス 回転アセンブリに求められる同心度を備えています。.

運動および直線成分

リードスクリューのナット、リニアレールのキャリッジ、カムフォロア、カップリング――これらはすべて、スムーズに動作し、毎回同じ位置に正確に位置決めされるために、機械加工の精度に依存しています。これらにわずかな粗さや寸法誤差が生じると、完成した機械において、すぐに振動や摩耗、精度の低下として現れてしまいます。.

表1：一般的なロボット用部品と、CNC加工によるその製造方法。.

なぜ鋳造や3Dプリントを使わないのか？

ロボット工学のエンジニアは、鋳造や3Dプリントを活用していますが、精度が極めて重要な接合部ではほとんど使用されません。 鋳造では厳しい公差を維持できず、いずれにせよ嵌合面には機械加工が必要となります。3Dプリントは、形状が複雑で応力の少ないブラケットや迅速な試作には最適ですが、負荷がかかる接合部に求められる寸法精度、表面仕上げ、強度という点では、一般的にプリント部品は不十分です。 機械加工はこのギャップを埋めるものであり、だからこそ、ロボットの精度を実際に決定づける部品においては、依然として機械加工が標準的な手法として用いられているのです。その多くは材料に起因しており、当社の 材料ガイド ロボット設計者が検討する金属とプラスチックの選択肢について解説している。.

表2：精密ロボット部品においてCNC加工が主流である理由。.

ロボットを動かす素材

ロボット工学における材料選びは、重量と強度の間の絶え間ないせめぎ合いです。アルミニウム（特に6061および7075）は、軽量で加工しやすく、ほとんどの荷重に耐える十分な強度を備えているため、可動構造部材として広く採用されています。当社の アルミニウムのCNC加工ガイド 材質の選定には細心の注意が払われています。摩耗や負荷が最も大きい箇所――ギア、シャフト、高応力接合部――には、鋼やステンレスが採用されます。POMやPEEKなどのエンジニアリングプラスチックは、軽量化、自己潤滑性、あるいは電気絶縁性が求められる部品の加工に使用されます。 これらすべてにおいて適切な嵌合を実現するには、現実的な公差設定が不可欠であり、当社の CNC公差ガイド 表紙。.

大規模な環境における精度と再現性

ここが真のメリットです。機械加工は、単に1つの精密な部品を作るだけではありません。1000個目の部品も、最初の部品と全く同じものに仕上げるのです。形状データがプログラムに組み込まれ、制御された機械によって切削されるため、部品間のばらつきはごくわずかで、予測可能な範囲に抑えられます。 ロボットが人の手による微調整なしに部品を扱う自動組立においては、この一貫性がすべてです。ある部品用にセットアップされたグリッパーは、あらゆる部品に対応できます。1番目のユニットに適合するジョイントは、1,000番目のユニットにも適合します。この再現性こそが、ロボットプログラムをプロトタイプから量産へとスケールアップさせる際に、その過程で適合性を再設計する必要がない理由なのです。.

よくある質問

ロボット部品にはどのような公差が必要ですか？

用途によって異なります。構造用ブラケットであれば±0.1 mmの公差でも問題ない場合がありますが、軸受穴や歯車噛み合わせ部では、多くの場合±0.01 mm以下の公差が求められ、同心度や真円度についても幾何学的要件が課されます。最も厳しい公差は、位置決め精度を決定する接合部に適用されます。.

なぜロボット工学ではアルミニウムがこれほど広く使われているのでしょうか？

重量対強度比に優れ、加工が容易で、陽極酸化処理を施すことで耐摩耗性と耐食性を高めます。可動部が軽量化されることで慣性モーメントも低減され、その結果、動作が高速化され、モーターの小型化が可能になります。これはロボットアームにおいて大きな強みとなります。.

CNC加工は、自動化による生産量の増加に対応できるのでしょうか？

はい。パレットチェンジャー、バーフィーダー、無人運転を活用することで、機械加工では厳しい公差を維持しつつ、ロボット用部品を量産レベルで生産することができます。単純なカバー部品を非常に大量に生産する場合は、成形加工も併せて行うことができます。.

機械を精密に加工する上で、どのロボット部品が最も重要ですか？

ギアボックスハウジング、ベアリング穴、および接合部。これらの箇所で生じた誤差は、アームの長さに沿って増幅され、工具先端で大きな位置決め誤差となるため、精度を確保しなければならないのはまさにそこなのです。.

結論

ロボット工学と自動化は、精度、再現性、そして重量と強度の適切なバランスにかかっています。CNC加工は、これら3つの要素を1つの部品に実現するために開発されたプロセスです。荷重を支える関節から、公差が極めて重要なギアボックスハウジングに至るまで、ロボットの精度を左右する部品がCNC加工されるのには、それなりの理由があるのです。 当社がサポートしている業界については、当社の 対象業界, 、詳しくは当社の 高精度CNC加工サービス, 、または お問い合わせ お客様のロボット工学および自動化コンポーネントについて詳しくお話しさせていただきます。.

著者について パトリック・チェン — XY Machining アプリケーションエンジニア パトリックは、XY Machining社において、米国のエンジニアリングチーム向けに薄肉部品の設計をレビューするとともに、繊細な部品を公差内に収めるための治具や工具経路について、現場の作業員と連携して取り組んでいます。見積もりを出す前に薄肉部品の耐圧試験を行うには、, モデルを弊社チームにお送りください.