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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。 22 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 23