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自動ケーブル切断機「線切れ~る」の製作 ~測長、切断の自動化~

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自動ケーブル切断機「線切れ~る」の製作 ~測長、切断の自動化~
東海職業能力開発大学校浜松校紀要第21号
自動ケーブル切断機「線切れ~る」の製作
~測長、切断の自動化~
Manufacture of automatic cable cutting machine[SENKIREERU]~Automation side length of cut~
所属科名 電気エネルギー制御科
蔭山 哲也
(*1)山田 勇斗 (*1)江川 遼吾 (*1)河合 利樹 (*1)近藤 恭兵 (*1)柴原 安美
(*1)平成 26 年度電気エネルギー制御科卒業生
[要約]
自動ケーブル切断機「線切れ~る」
(以下、本装置)は、主に屋内配線ケーブル工事にて使用す
るケーブルを、自動的に切断することを目的に開発した装置である。本装置は、自動で測長を行
い、指定した長さ及び本数で切断する事ができ、これらの制御にはPLCを用いている。電気エ
ネルギー制御科では、PLCを用いた制御方法について長期間にわたり訓練する。本装置は、こ
れら訓練にて習得する技術を活かし、その技術の具体的利用を体験しながら製作したものである。
1.はじめに
を事前に指導員が準備することがあり、当短大と同じ
ように、この作業で多くの時間を要し、これらが負担
現在、流通している機械製品のほとんどが何らかの
となっていた。
省力化・自動化がされている。
これらの作業の負担軽減を第一の目的とし、制御方
こうした背景の中で、電気エネルギー制御科では、
法や制御装置の具体的な使用方法などを、より深く理
これらの設計・製作又は保守管理の業務に従事できる
解することができると考え、自動ケーブル切断機の製
ように、1本目の柱として制御技術を身につけるため
作を行うこととした。
訓練を行っている。有接点による電動機制御に始まり、
PLCを使用しコンベアや空気圧アクチュエータの制
2.概要
御、このほか、高機能ユニットを利用して、タッチパ
本装置の動作概要は図 1 の通りである。ケーブルを
装置にセットし、タッチパネルより長さ・本数を入力。
その設定に応じてケーブルを測長・切断する。
装置概要を表1に、主な使用機器を表2に示す。
ネル、他のPLCとの通信、A/D、D/Aによる読
み取りなどについて訓練を行ってきた。また、2本目
の柱となる電気配線工事、また電力管理の保守につい
ても同様に訓練を進めており、1学年時には、電気配
線工事による訓練を多く取り入れている。この電気配
ケーブルをセット
線工事の訓練では、ケーブルを指定した長さで準備す
る作業がある。この作業に時間を多く費やしたことが
タッチパネルで
装置開発のきっかけとなる。この作業では、生徒が中
設定入力
心となり、ケーブルをスケールなどを利用し長さを測
りペンチ等により切断を行っていたが、この長さを測
り切断する作業を自動化することにより、配線練習の
自動で測長・切断
時間を増やすことができると考えた。
また、職業訓練支援センターでも、電気配線工事を
終了のブザー
カリキュラムとした実施施設が多くあり、特に仕上が
ケーブルを取り出す
り像の確認として行う習得度確認課題においては、同
様にしてこのようなケーブルを切断する作業が行われ
図 1 動作概要
ている。習得度確認課題では、時間制限を設けてその
出来栄えや時間などにより点数化するため、ケーブル
20
なり、実際の組み立てもスムーズに行うことができた。
各部品を班員が分担して、作図しそれらを組み合わせ
ることで、2D-CADでは見抜くことのできなかっ
た、部品同士などの干渉や、工具を使用して組み付け
ることが可能かどうかなどを把握することができた。
また、主にカバーとして使用するアクリル部品など
については、従前の2D-CADを利用し、レーザ加
工機により加工を行った。
始めに、フレーム部品を作画する方法を示し、それ
らを用いた組み上げ方などを説明後、各部品作成にと
りかかった。副効果として、部品を正確に仕上げる事
により、干渉を見抜く必要があったため、作図してい
くにつれ、互いに責任感が生まれること。また、各自
が作成した部品が組み上げられていくことで、達成感
や一体感が生まれた。
表1 装置概要
大きさ
H530×W800×D520[mm]
電源
AC100[V]
対象
VVF1.6-2C、1.6-3C、2.0-2C
長さ
200~2000[㎜]誤差+20[㎜]以内
加工速度
1 分間に 2m ケーブル 4 本切断
・作業終了時、電線不足の際はブザーを鳴らす。
・安全性に配慮し、全体をアクリルで覆う。
表2 主な使用機器
機器
平行開閉形エアチャック
型番
個数
MHZ2-25D-M9BWV
2
US425-401+4GN9K
1
CDM2E25-200Z-B59W
1
スピードコントロールモータ
4.駆動部
+ギヤヘッド
エアシリンダ
5名体制の元で実施を行うため、人数の割り振りを
行った。この他、加工速度を上げることや人為的なエ
ラーを少なくするために、レーザ加工機に専属1名、
機械加工に1名、3D-CADの責任者を1名として
割り当てた。制御の主となる駆動部は、電線を送る機
構と、切断する機構に分け設計・製作を行った。
RCP3-SA3C-I-28P
電動シリンダ
1
-4-150-P3-P
CPU ユニット
Q02HCPU
1
高速カウンタユニット
QD62
1
タッチパネル
AGP3500-T1-AF
1
4-1 切断機構
動力としてエアシリンダとモータを使用する案があ
ったが、実習を通して得た技能・技術を活かして製作
したかったこと、ビニル被覆から銅線まで一度に切断
するため、材質の違いによる力の加え方を、空気の圧
縮性を用い切断すること、また、ケーブルを固定する
機構を同じく空気の圧縮性を用いて把持するために空
気圧源を使用することとしたため、エアシリンダを使
用することにした。
ケーブルの切断には、電子ばねばかりを使用して計
測し、マージンを1.5倍とした約1200[N]の
力が必要であることがわかった。この出力が得られる
エアシリンダは口径が大きく、装置が大きくなってし
まうため、10倍のリンク機構を使用することでトル
クを得ることにした。これにより必要な出力は120
[N]
、ストロークは200[mm]以下となり、これ
を補うことのできるSMC社製のクレビス型エアシリ
ンダCDM2E25-200Zを使用することにした。
カッターは、調達が容易な市販のケーブルカッタを
使用した。リンク機構とするには長さが足りないため、
柄の部分は砥石切断機により切断後、ワイヤー放電加
工機により取り付け穴を設け、加工が行い易いSS4
00の板を固定した。
砥石切断機は、フレームを任意の長さに切断するこ
とができるため、使用方法を説明後、この柄について
も切断を行った。また、柄を固定するためのSS40
0の機械加工には、生産技術科の指導員の指導のもと、
半自動のフライス旋盤により穴あけを行った。
3.設計
当初は2D-CADソフトのECAD DIOを使
用して設計し、骨組みや部品の配置などを行っていた。
しかし、各部品の前後や重なり方など、部品間の干渉
がわかりくいため、パソコンの環境的に構築の行い易
い無償の3D-CADソフトであるGoogle S
ketchup(図2)を使用した。
図2 Google Sketchupによる設計例
このソフトでは、使用している部品を一覧表示する
機能や、フレーム間を固定するブラケットの個数、同
サイズのフレームの使用数など、使用部品点数を表示
することができる。このため、部品発注ミスも少なく
21
4-3 ケーブルの位置決め機構
ケーブルの送り・切断の際に、それぞれの機構での
4-2 送り機構
柄の穴開け時に使用したワイヤー放電加工機からヒ
ントを得て、ローラによる送り機構とした。2つのロ
ーラを使用し、一方のローラを固定し、もう片方のロ
ーラはバネで、固定されたローラ側に力を加え、ケー
ブルを挟み込む機構とした。また、ローラを抑える力
は、ばねにより行うが、この調整が可能なようにねじ
の先端にばねを取り付ける方法とした。それぞれのロ
ーラなどは、2枚のアクリル壁にシャフトを通し固定
する方法とした。
ケーブルの測長方法は、ケーブルを挟むローラをさ
らに一組設け、片方のローラにロータリーエンコーダ
を用いることで、測長を行う仕組みとしている。装置
の写真を図3に示す。
ケーブルの位置決めが重要であることが分かった。こ
のためケーブルを送るために必要な部品や機構を調べ、
フレアによる方法とすることとした。
本装置では切断対象である3種類の大きさのケーブ
ルに対応しなければならず、市販のものではないため、
アクリル板のレーザ加工と3D-CADであるCAT
IA(図5)を使用し、3Dプリンタを用いて製作し
た部品とを組み合わせて製作した。
図5 CATIAによるモデリング
図3 ローラによる送り機構
ケーブルを送る為に必要な力を、図4の簡易的な装
置を作成後、電子ばねばかりを用いて計測しローラ半
径から算出した。また、理想回転速度は、目標とする
加工速度より算出し、50[min-1]
、必要なトルク
は0.45[N・m]とし、販売されているモータか
ら選定した。
さらに速度が速い場合での調整が行えるよう、10
~133[min-1]までの速度可変が可能な、出力
0.72[N・m]のオリエンタルモータ社製スピー
ドコントロールモータUS425-401を使用する
ことにした。
図6 制作したフレア
図6のように、入り口の部分がケーブルごとに大き
さを調整しており、上から順にVVF1.6-2C用
VVF1.6-3C用、VVF2.0-2C用に対応
している。
組み上げる方法についても検討を重ね、できるだけ
部品点数の少ない形となるように、Google S
ketchupによる設計を重ね、最終的にこれらを
CATIAへ移し替えて製作を行った。また、同様に
図4 簡易トルク計測装置
切断部にもフレアを製作した。
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ルを送ることが出来なかった寸法部分である。
また、ケーブルを把持する部分においては、アクリ
ルを加工し、図7のようにケーブルを把持する機能と
ケーブルを持ち上げ、ケーブルを送る際にケーブルカ
表3 指示値との誤差
ッタの刃に引っかかってしまうことを防止した。
ケーブル長さ[mm] ※送り速度 50[min-1]の時
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
1.6-2C
+15
+20
+18
+10
+10
+10
+12
+10
+10
+11
1.6-3C
+13
+18
+10
+12
+10
+11
+10
+15
+15
+11
2.0-2C
+20
+10
この他、2000 ミリメートルほどの長いケーブルの取
り出しがうまくできずに、エラーを起こしてしまうこ
とがある点、安全面の配慮ではまだ不十分であるとい
図7 ケーブル把持部のフレア
う点において改良が必要であると考える。
5.制御部
6.おわりに
PLCには、ロータリーエンコーダ接続のための高
今回の設計、製作を通して、社会に通じる実践技術
速カウンタ、タッチパネルとの接続に使用するシリア
者になるように基礎的な知識、技術・技能を定着及び
ルコミュニケーションユニットのほか、入出力点数が
向上させること、また、コミュニケーション能力を向
制作過程において増えることを考慮し、ビルディング
上させることができた。そして物作りの大変さ、楽し
ブロックタイプの三菱電機社製Q02Hを使用するこ
さを伝えることができた。装置の目的が当初からはっ
ととした。
きりとわかりやすいものであったため、取り組みとし
測長には、1回転あたり2000パルスを出力する
ては良かったものだと考えている。一方で、今回の装
ロータリーエンコーダのパルス数及び、ケーブルを送
置が、電気エネルギー制御科として初めての製作とな
るローラの直径により、ケーブルの長さを求めた。
り、また、同様に私自身も初めての総合製作実習であ
ケーブル長=
ローラ直径
2000
π
ったため、1年を通しての時間配分など進め方には苦
出力パルス値
労をし、生徒にも遅くまで残らせてしまうなど様々に
この他、加工が終了した後や、ケーブルがなくなっ
反省する点があった。進め方や管理の仕方など多くの
た場合、ケーブルを送ることができなくなった場合に
収穫があり、次年度以降の取り組みの中に反映してい
ブザーを鳴らすようにした。また、操作方法を示すた
きたい。
め、装置の立ち上げから切断までの工程をタッチパネ
最後に、自動ケーブル切断機の製作にあたり、アド
ル画面にて示し、操作方法をわかりやすくした。
バイスを下さり、加工指導、道具提供までしてくださ
った機械系指導員の皆様に感謝申し上げます。
6.結果
装置を稼働させ、実測を行った結果を表3に示す。
[参考文献]
数値は、加工されたケーブルの長さの平均で、制御方
熊谷英樹「新実践自動化機構図解集」日刊工業新聞社 2010 年
法を、ケーブルの送り値が指示された値より+10 ミリ
熊谷卓/西田真美「自動化機構 300 選」日刊工業新聞社 2011 年
メートル大きくなった時に、モータを止めるようにし
高橋徹「空気圧の基礎と応用」東京電機大学出版局 1995 年
ている為、いずれの場合でもケーブル長に+の誤差を生
じさせる結果となった。色のついた部分には、ケーブ
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