航空機製造における進歩

航空機製造における進歩

ヘキサポッドが実現するロボット向けの高ダイナミックな6自由度補正キネマティック

ADMASシステムでMABI Robotic製の多関節ロボットに取り付けられ、CFRP部品を加工するPIのヘキサポッド

Wing of Tomorrowプロジェクトにおける翼外板の輪郭加工の改善

切削、バリ取り、シーリング、穴あけ

研究プロジェクト「LuFo VI-1： ADMAS（Advanced Machining and Sealing）」のパートナーとして、PIは2024年6月にベルリン国際航空宇宙ショー（ILA Berlin）でカスタム設計の新しいヘキサポッドを発表しました。 

エアバスが主導する共同プロジェクトの一環として、PIは航空機製造における高ダイナミックな補正キネマティック向けに、高性能な6自由度ヘキサポッドモーション・位置決めシステム（モデルH-900K101）を開発したのです。 このプロジェクトの目的は、樹脂トランスファー成形（RTM）の製造プロセスにおける炭素繊維強化複合材料（CFRP）部品の加工精度とシーリング精度を向上させると同時に、製造時間とプロセスコストを削減することでした。 

炭素繊維複合材料は高い剛性と軽量性を兼ね備えており、航空分野におけるエネルギー効率の向上とCO2排出量の削減に役立ちます。

40 kgの負荷をかけた性能試験中のH-900K101 ヘキサポッド

加工力の動的補正

補正キネマティックが主眼を置くのは、Wing of Tomorrowプロジェクト向けの単通路機用CFRP製翼外板の輪郭加工です。切削とバリ取りに加え、その後のシーリングと穴あけにも対応します。 PIのH-900K101 ヘキサポッドは、従来の多関節ロボットによる粗動と組み合わされて、加工ツールやシーリングツールの高ダイナミックかつ高精度な位置決めに使用されています。

「新しいH-900K101 ヘキサポッドでは、最大40 kgのペイロードをXY平面内において最大1.2 Gで加速できる高ダイナミックなシステムを実現しました」と語るのは、ドイツのカールスルーエにあるPI本社でパラレルキネマティック技術開発部門を率いるChristian Sander博士です。 「このシステムは、切削中に加工力の影響で生じる高周波の経路偏差を動的に補正できます。」 新設計では、従来モデルと比較して、低重心化や動作高さの抑制をはじめ、多くの最適化が図られています。

40 kgの負荷をかけた動的誤差補正試験

ツールの微細位置決め

新開発のヘキサポッドシステムは、用途特有の境界条件や環境条件に合わせて設計されているため、航空宇宙産業で求められる厳しい公差に対応しながら、時間的制約の厳しい製造プロセスに特に最適化されています。

PIの高負荷対応旋回ベンチ上で0～90度の角度調節を行うヘキサポッド試験

この高い動的パフォーマンスに加え、ヘキサポッドシステムは、ヘキサポッドコントローラーとドライブエレクトロニクスの間の光ファイバーデータ伝送も備えています。 また、EtherCAT®インターフェース使用時の極めて低い遅延や、保護等級IP54に準拠した部品密閉構造もこのシステムの特長です。 光ファイバーデータ伝送により、インターフェースの多様性を制限することなく、ヘキサポッドコントローラーを機械加工セル外の制御盤内に容易に配置できます。最大100 m（330 ft）離れたドライブエレクトロニクスの制御も可能です。 EtherCAT®インターフェースについて、PIは自社のコントローラーとドライバーのアーキテクチャにEtherCAT®の機能を高度に統合しています。 その結果、エッジ検出センサーシステム、多関節ロボット、ヘキサポッドの間の複雑な経路誤差補正ループにおいて、PIの位置決めシステムに起因するデッドタイムは最小限に抑えられています。 EtherCAT®制御ループにおいて、ヘキサポッドの位置指令から位置応答までの応答時間は、1.5 msと高速です。

状態監視

「LuFo VI-1： ADMAS」プロジェクトでは、状態監視の一環として、加速度センサーを使用してヘキサポッドの各支柱の摩耗を検出することも検討されました。 個々の支柱内で発生する振動の周波数スペクトルを駆動部品特有の固有振動数に対応付けることで、システムの変化や保守の必要性を示す指標が得られます。

ヘキサポッド： パラレルキネマティックモーションシステム

ヘキサポッドは、6自由度のモーションを実現するパラレルキネマティックシステムで、従来のシリアルキネマティックモーションシステムよりも省スペースです。 産業用途では、ヘキサポッドの各支柱に絶対位置センサーを搭載することで安全性を確保し、リファレンスを不要にしています。 座標変換はすべてモーションコントローラーで実行され、使いやすいソフトウェアによって複雑なモーションプロファイルを実行できます。 PIの高精度ヘキサポッドは、標準構成で1 kg～250 kgの負荷に対応し、最小±0.06 μmの再現性を実現します。 カスタム構成の高精度ヘキサポッドでは、2,000 kgを超える負荷にも対応可能です。

Hexapod Positioniersystem - Copyright Physik Instrumente
Physik Instrumente（PI）が研究プロジェクト「LuFo VI-1： ADMAS」向けに開発した位置決めシステムは、コントローラー（左）、ヘキサポッド（中央）、ドライブエレクトロニクス（右）で構成されている。 コントローラーとドライバーは、光ファイバーデータ伝送で通信する。 ヘキサポッドとドライバーには、IP54の密閉構造を採用し、CFRP粉塵、冷却液、潤滑剤から保護している。

このシステムでは、数ミリメートルから数百ミリメートルのトラベルレンジ、最小ナノメートルレンジの精度、そして0.1 mm/s～500 mm/sの速度を実現しています。 PIのヘキサポッドは、オートメーション、計測、フォトニクス、光学アライメント、自動車、医療技術、天文学、研究など、世界中の幅広い用途で使用されています。 要件に応じて、研究室、クリーンルーム、高真空、超高真空など、環境に合わせた仕様を選択できます。 

PIは、エアバスとIFAMの主導のもと、40年にわたるヘキサポッド設計の経験を生かし、この先駆的な研究に貢献したのです。 このプロジェクトは、ドイツ連邦経済・気候保護省の公的資金による助成を受けて、DLR航空研究プロジェクト管理機関の監督のもとで実施され、2024年4月末に無事完了しました。 

ドイツのシュターデにあるFraunhofer Institute for Manufacturing Technology IFAMは、応用技術の卓越した知見を活用して、システム全体の実証装置の構築を担当するとともに、本プロジェクトや各パートナーが抱える研究課題への対処に取り組みました。