JP5181562B2

JP5181562B2 - シミュレーション方法

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Publication number: JP5181562B2
Application number: JP2007190735A
Authority: JP
Inventors: 謙司伊井; 浩村山; 素直新妻
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-07-23
Filing date: 2007-07-23
Publication date: 2013-04-10
Anticipated expiration: 2027-07-23
Also published as: WO2009014131A1; JP2009022996A

Description

本発明は、プレスラインを構成するプレス機械間でワークを搬送するプレス間ワーク搬送系における設置位置及び搬送ラインを最適化するシミュレーション方法に関するものである。

近年、自動車ボディ成型用に用いられるプレス機械としては、大型トランスファープレスに代わって、タンデムプレスラインが導入されている。タンデムプレスラインは、例えば３〜５台のプレス機械を並べて設置し、それぞれのプレス機械間に成型途中のワークを搬送するための搬送装置（搬送系）が設けられ、これらが協調動作することでプレスを行うものである。搬送装置としては、例えば汎用ロボットが用いられる。

ところで、搬送時のサイクルタイムを短縮すべく、プレス機械内に進退する際にプレス機械との余裕距離ができるだけ小さい位置を搬送装置が移動するように制御されることが望ましい。この場合、例えば金型や周辺機器（アップライト、クランパ、オイルパン等）との干渉を防止すべく、従来は試行錯誤を繰り返して搬送装置における設置位置や搬送ラインを決定していた。したがって、最適な設置位置や搬送ラインを決定するには膨大な時間を要するといった問題があった。そこで、代表的なパターンに基づいて設置位置及び搬送ラインを決定したり、設計者の経験に基づいて設置位置及び搬送ラインを決定することでサイクルタイム短縮が図られていたが、必ずしも最適な解を求めることができなかった。

このような背景の下、シミュレータを用いることで、プレス側部材と搬送側部材との間で干渉が起こるか否かを判別し、上述したような設置位置や搬送ラインの選定を容易にしたプレス装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−１１６５８３号公報

上記特許文献１に開示されたプレス装置では、プレス側部材と搬送側部材との間で生じる干渉を仮想空間内で予めチェックする干渉チェック装置を導入している。しかしながら、搬送サイクルタイムを向上させる点を考慮しておらず、上記構成のみでは依然として搬送サイクルタイムを十分に短縮できるとは言い難く、新たな手法の提供が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、搬送時のサイクルタイムを短縮した搬送系を提供することのできる、シミュレーション方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のシミュレーション方法は、隣接するプレス機械間でワークを搬送する搬送系の設置位置及び搬送ラインをシミュレーションする方法であって、前記プレス機械及び前記搬送系の形状モデルを形成する第一工程と、前記プレス機械に対する前記搬送系の設置位置がそれぞれ異なると共に同一の第一搬送ラインに従ってワーク搬送を行う動作パターンを複数形成し、該動作パターンに基づいて動作シミュレーションを行って、ワークを最も早く搬送可能な最適設置位置を選定する第二工程と、前記搬送系を前記最適設置位置に固定配置すると共に前記第一搬送ラインとは異なる複数の第二搬送ラインのそれぞれに従ってワーク搬送を行う動作パターンを複数形成し、該動作パターンに基づいて動作シミュレーションを行って、ワークを最も早く搬送可能な最適搬送ラインを選定する第三工程と、を含むことを特徴とする。

また、上記シミュレーション方法においては、前記第三工程で選定された前記最適搬送ラインを前記第二工程における前記最適設置位置に設定し、前記第二工程と前記第三工程とを繰り返すのが好ましい。

また、上記シミュレーション方法においては、前記第二工程では、前記各動作パターンについて干渉チェックを行うとともに、干渉が生じない場合のシミュレーション結果のみを記憶し、該記憶されたシミュレーション結果を比較することで前記最適設置位置を選定するのが好ましい。

また、上記シミュレーション方法においては、前記第三工程では、前記各シミュレーションモデルについて干渉チェックを行うとともに、干渉が生じない場合のシミュレーション結果のみを記憶し、該記憶されたシミュレーション結果を比較することで前記最適搬送ラインを選定するのが好ましい。

本発明によれば、以下の効果を得ることができる。
第二工程及び第三工程に基づいてシミュレーションを行うことで、プレス機械間に配置される搬送装置の設置位置及び搬送ラインを最適化することで搬送時のサイクルタイムを短縮した搬送系を提供することができる。

以下、本発明のシミュレーション方法に係る一実施形態について図面を参照しつつ、説明する。なお、本実施形態では所謂タンデムプレスラインにおいて、プレス機械間に設けられる搬送装置（搬送系）における設置位置及び搬送ラインを最適化シミュレーションを行うことで搬送サイクルタイムを短縮する方法について説明する。

図１は本実施形態に係るシミュレーション方法を用いるロボットシミュレータ（搬送系シミュレータ）の概略構成を示す図である。
図１に示すように、ロボットシミュレータ１は、プレス機械や搬送装置等の各機器における図面寸法データからシミュレーション時に必要となる形状モデル（３次元モデル）や動作パターン（動作データ）等のシミュレーションモデルを生成するデータ作成部１１と、該データ作成部１１によって生成したシミュレーションモデルに基づき、各機器（プレス機械及び搬送装置）の動作シミュレーションを行う動作シミュレーション部１２と、この動作シミュレーションの結果を判定する判定部１３と、を備えて構成されている。

具体的に前記データ作成部１１は、図２、３に示すようなプレス機械Ｐ及びロボットＲ（搬送系）の形状モデルを生成する。なお、図２は形状モデルにおける立面図を示すものであり、図３は形状モデルにおける平面図を示すものである。なお、図２、３中、ＸＹＺ方向は互いが直交するＸＹＺ座標系に対応している。
本実施形態のシミュレーション対象となるタンデムプレスラインは、図２、３に示すように隣接するプレス機械ＰのアップライトＰ１間に搬送用のロボットＲが配置されている。このロボットＲとしては汎用ロボットが用いられる。このロボットＲは、図４に示すように多関節のアームＡを有し、アームＡの関節部に設けられたモータ（不図示）により例えば６軸方向に移動可能となっている。そして、先端に設けられたワーク把持部Ａ１により、プレス機械Ｐ間でプレス加工を施すワークＷを搬送する。

次にロボットシミュレータ１における作業工程について図面を参照して説明する。
はじめに図５に示すように、第一工程として第一処理作業（ステップＳ１〜Ｓ３）を行う。具体的にはシミュレータをスタート（起動）させ、プレスラインを構成する機器の寸法データを入力する。具体的には、ロボット（搬送系）やプレス機械の図面データ（３Ｄ−ＣＡＤデータ）を入力する（ステップＳ１）。すると、前記データ作成部１１が上記図面寸法データから図２、３に示したような形状モデルを自動的に生成する（ステップＳ２）。
続いて、上記のステップＳ２で生成した形状モデルに基づき、ロボットＲの基準設置位置及び基準搬送ラインＬ１を設定する（ステップＳ３）。

ロボットＲの高さ方向（又はＺ軸方向）設置位置は、図８中Ｚ軸方向の距離（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…）によって規定することができる。また、ロボットＲのＸ軸方向における設置位置は、図９に示されるようにプレス機械Ｐ間の中心を結ぶライン中心線Ｘ´からの距離（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３…）で規定することができる。また、ロボットＲのＹ軸方向における設置位置は、図８、９に示されるようにプレス機械Ｐ間（プレス間ピッチ）の中心線上に固定するのが望ましい。このようにすれば、プレス機械Ｐ間でワーク搬送を行うロボットＲの動作を単純化することができるからである。
したがって、ロボットＲの基準設置位置は、Ｙ軸方向以外は任意の値に設定することが可能であり、後述する第二工程としての第二処理作業（ステップＳ４〜１０）時に任意の値に設定すればよい。

ロボットＲの搬送ラインは図４に示したロボットＲのワーク把持部Ａ１を基準として設定され、本実施形態では図８、９中の基準搬送ライン（第一搬送ライン）Ｌ１に設定する。この基準搬送ラインＬ１は、図９に示すようにプレス機械Ｐ間の中心を結ぶライン中心に一致している。

ところで、ロボットＲは図４に示したように関節を多数（本実施形態では６つ）有しているため、ロボットＲがプレス機械Ｐ間でワークを搬送する搬送時間はロボットＲの設置位置及び搬送ラインによって大きく変化する。したがって、搬送時間を短縮するためには、モータの移動時間を最小とするようにロボットＲの設置位置及び搬送ラインを最適化することが重要である。

そこで、本発明に係るシミュレーション方法では、プレス機械Ｐに対するロボットＲの設置位置がそれぞれ異なると共に同一の上記基準搬送ラインＬ１に従ってワーク搬送を行う形状モデル（図８，９参照）の動作パターンを複数形成し、各動作パターンに基づいて動作シミュレーションを行って、ワークＷを最も早く搬送可能なロボットＲの最適設置位置を選定する第二処理作業（ステップＳ４〜１０）を行う。ここで、ワークＷを最も早く搬送するとは、第二処理作業内で最速となることを意味している。

以下、第二処理作業について図６に示す工程図を参照しつつ説明する。
第二処理作業では、はじめに上記ステップＳ３に基づいてシミュレーション計画を作成する（ステップＳ４）。このステップＳ４では、以下のように繰り返し行うシミュレーション回数を規定する。

具体的には、図８，９に示したロボットＲの設置位置を規定するＸ座標（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３…，Ｘｎ，…Ｘ１０）及びＺ座標（Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３…，Ｈｎ，…Ｈ１０）をそれぞれ１０通りに変化させ、合計１００パターンの位置に設置されるロボットＲの形状モデルに関するシミュレーション計画を作成する。

続いて、上記シミュレーション計画に基づいて、１００パターン全てについて動作シミュレーションを行う。ここで、上記動作シミュレーションを行う際に、シミュレーション回数を確認する（ステップＳ５）。そして、全ての動作シミュレーション（１００パターン分）が終了した場合にはステップＳ６に進む。一方、全てのシミュレーションが終了していない場合にはステップＳ７〜Ｓ１０に進む。

以下、ステップＳ７〜Ｓ１０について説明する。
まず、上記シミュレーション計画（ステップＳ４）に基づいて、各設置位置に設置されたロボットＲの動作パターンを作成（ステップＳ７）し、各動作パターンに基づき、一方のプレス機械Ｐ内から、他方のプレス機械ＰへとワークＷを搬送させる動作をシミュレーションする。このとき、プレス機械Ｐ間でワークを搬送する際の時間、及びロボットＲとプレス機械Ｐとの間で干渉が生じるか否かについて判定部１３がチェックする（ステップＳ８）。

ここでロボットＲがプレス機械Ｐに干渉する（ＹＥＳ）と判定された場合、判定部１３はシミュレーション結果を記憶することなく、上記ステップＳ４に戻る（ステップＳ９）。一方、干渉が生じない（ＮＯ）と判定された場合には、判定部１３はシミュレーション結果を記憶し、上記ステップＳ４に戻る（ステップＳ９）。ここで、記憶される内容としては、ロボットＲの形状モデルにおける設置位置、及び搬送時間である。
上記ステップＳ４に戻った後、同様にシミュレーション回数を確認し（ステップＳ５）、１００パターン全てについて同様のシミュレーションを繰り返す（ステップＳ７〜Ｓ１０）。

このようにして、１００回のシミュレーションを自動的に行う。全てのシミュレーションが終了すると、ステップＳ６に進む。このステップＳ６では、判定部１３に記憶されたロボットの設置位置、搬送時間（プレス内進入時間、ロボット単体サイクル時間）等のシミュレーションデータを整理し、最適な設置位置を抽出する。このとき、判定部１３には干渉が生じないシミュレーション結果のみが記憶されているため、判定時間を短縮することができる。

これにより、干渉を生じることなく、プレス内進入時間が短く、かつロボット水平（図８，９中、Ｘ−Ｙ平面内）動作時にリフト方向（図８，９中、Ｚ軸方向）における動きが少ないロボット設置位置を決定することができる。すなわち、本実施形態ではプレス機械Ｐでワークを最も早く搬送することのできるロボットＲの設置位置（座標）として、例えばＴ（Ｘｎ，Ｈｍ）を選定することができる。

続いて、上記第二処理作業で選定した設置位置Ｔ（Ｘｎ，Ｈｍ）にロボットＲの形状モデルを固定配置するとともに上記基準搬送ラインＬ１とは異なる複数の搬送ライン（第二搬送ライン）に従ってワーク搬送を行うロボットＲの形状モデルの動作パターンを複数形成し、各動作パターンに基づいて動作シミュレーションを行って、プレス機械Ｐ間でワークを最も早く搬送する前記搬送系の搬送ラインを選定する第三工程として第三処理作業（ステップＳ１１〜１８）を行う。

以下、第三処理作業について図７に示す工程図を参照しつつ説明する。
上記第二作業処理（ステップＳ４〜Ｓ１０）ではロボットＲの搬送ラインを直線状の基準搬送ラインＬ１に固定した状態でロボット設置位置Ｔ（Ｘｎ，Ｈｍ）を選定したが、第三作業処理では、第二作業処理で選定された設置位置Ｔ（Ｘｎ，Ｈｍ）にロボットＲを固定配置すると共に搬送時間をより短縮するロボットＲの第二搬送ラインについて検討する。

ロボットＲの搬送ライン（第二搬送ライン）の一例として、例えば図１０に示されるようにプレス機械Ｐ内へ進入する位置（ロボット教示点Ｔ１，Ｔ２）とプレス機械Ｐ外へ退避した位置（ロボット教示点Ｔ３，Ｔ４）を通る搬送ラインＬ２で規定できる。第三作業処理では、ロボットＲの旋回軸以外の軸の動きを最小限にし、プレス機械Ｐ内における搬送時間をより短縮できる、曲線状の搬送ラインを選定する。

ここで、ワークＷを把持した状態の搬送ライン（ロボット教示点Ｔ２，Ｔ３）は、ワークＷを把持していない状態の搬送ライン（ロボット教示点Ｔ１，Ｔ４）に比べて内側（ロボットＲの設置側）となる。このように第三作業処理における搬送ラインＬ２は、ロボット教示点（Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４）によって表現することができる。また、上記ロボット教示点をＸ軸方向に移動する距離をパラメータ化し、例えば搬送ラインＬ３（ロボット教示点Ｔ５，Ｔ６，Ｔ７，Ｔ８）も規定できる。このようにロボット教示点をパラメータ化することで搬送ラインを任意（Ｌ２，Ｌ３，…，Ｌｓ）に設定できる。なお、第三作業処理では、実際はＺ軸方向においてもロボット教示点を変化させた搬送ラインを設定するが、図示を省略している。

第三作業処理では、はじめに上記第二作業処理（ステップＳ４〜１０）と同様のシミュレーション計画を作成する（ステップＳ１１）。このステップＳ１１では、以下のステップで繰り返し行われるシミュレーション回数を規定する。本実施形態では、上述したようにプレス機械Ｐ内への進退時におけるロボット教示点をパラメータ化し、上記第二処理作業と同様に例えば１００パターンの搬送ライン（Ｌ２〜Ｌ１０１）に基づいて搬送を行うシミュレーション計画を作成する。

続いて、上記シミュレーション計画に基づいて、１００パターン全てについて動作シミュレーションを行う。ここで、上記動作シミュレーションを行う際に、シミュレーション回数を確認する（Ｓ１２）。そして、全てのシミュレーション（１００パターン分）が終了した場合にはステップＳ１７に進む。一方、全てのシミュレーションが終了していない場合にはステップＳ１３〜Ｓ１６に進む。

以下、ステップＳ１３〜Ｓ１６について説明する。
まず、上記シミュレーション計画（ステップＳ１１）に基づいて、各搬送ラインに基づいて搬送を行うロボットＲの動作パターンを作成（ステップＳ１１）し、各動作パターンに基づき、一方のプレス機械Ｐ内から、他方のプレス機械ＰへとワークＷを搬送させる動作をシュミレーションする。このとき、プレス機械Ｐ間でワークＷを搬送する際の時間、及びロボットＲとプレス機械Ｐとの間で干渉が生じるか否かについて判定部１３がチェックする（ステップＳ１４）。

ここでロボットＲがプレス機械Ｐに干渉する（ＹＥＳ）と判定された場合、判定部１３はシミュレーション結果を記憶することなく、上記ステップＳ１１に戻る（Ｓ１５）。一方、干渉が生じない（ＮＯ）と判定された場合には、判定部１３はシミュレーション結果を記憶し、上記ステップＳ１１に戻る（ステップＳ１６）。ここで、記憶される内容としては、ロボットＲの形状モデルにおける設置位置、及び搬送時間である。
上記ステップＳ１１に戻った後、同様にシミュレーション回数を確認し（ステップＳ１２）、１００パターン全てについて同様のシミュレーションを繰り返す（ステップＳ１３〜Ｓ１６）。

このようにして、１００回のシミュレーションを自動的に行う。全てのシミュレーションが終了すると、ステップＳ１７に進む。このステップＳ１７では、判定部１３に保持された搬送時間（プレス内進入時間、ロボット単体サイクル時間）、ロボットの動作軌跡等のシミュレーションデータを整理する。このとき、判定部１３には干渉が生じないシミュレーション結果のみが記憶されているため、判定時間を短縮することができる。

これにより、干渉を生じることなく、プレス内進入時間が短く、かつロボット水平動作時にリフト方向（図８中Ｚ軸方向）の動きが少ない安定した搬送ラインを決定（選定）することができる。したがって、ロボットＲの上流プレスから下流プレスにワークＷを搬送する際に、干渉を生じることなく、しかも搬送時間を短縮することのできる搬送ラインＬｋを提供することができる。

本実施形態では、上記第三作業処理（ステップＳ１１〜Ｓ１７）と第二作業処理（ステップＳ４〜Ｓ１０）とを複数回繰り返す（ステップＳ１８）。
上記第二作業処理では、基準搬送ラインＬ１（直線）をロボットの搬送ラインと仮定し、プレス機械Ｐに対して干渉を生じることなくワークを最も早く搬送可能なロボット設置位置Ｔ（Ｘｎ，Ｈｍ）を決定していた。そのため、上記第三作業処理で選定した搬送ラインＬｋを基準として上記第二作業処理を繰り返すことで、より最適なロボット設置位置Ｔ´（Ｘｎ´，Ｈｍ´）を得ることができる。さらに、２回目の第二作業処理で選定されたロボット設置位置Ｔ´（Ｘｎ´，Ｈｍ´）に基づいて、再度第三作業処理を繰り返すことでより最適な搬送ラインＬｋ´を選定することができる。
このように、第二作業処理と第三作業処理とを複数回（２〜３回）繰り返すことにより、最も早くワーク搬送を行うことのできるロボット設置位置、及び搬送ラインを選定することができる。
したがって、本実施形態に係るロボットシミュレータ１によれば、搬送時のサイクルタイムを短縮するロボットを設置することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。
例えば、上記実施形態では第一搬送ラインをライン中心線Ｘ´に沿う直線状のものに設定したが、第三作業処理時に設定される曲線状の搬送ラインを予め第一搬送ラインに設定するようにしてもよい。これによれば、プレスロボットの形状によってはより短時間でロボットＲの最適設置位置及び最適搬送ラインを選定することができる。
また、本発明は、プレス機械Ｐ間を単純に行き来する上記実施形態以外の搬送経路についても採用可能である。例えば、プレス機械Ｐ間にワークＷに所定処理を施す中継点を設定し、この中継点を経由した後、隣のプレス機械Ｐにワーク搬送を行うような搬送経路を設定してもよい。
また、上記実施形態ではシミュレーション回数を１００回として説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、適宜変更可能であることはもちろんである。
また、プレス機械Ｐ間でワーク搬送を行う搬送装置としては上述した汎用ロボットに限定されることはなく、ワークを把持しつつ搬送可能な従来公知の搬送用の装置についても本発明は適用可能である。

ロボットシミュレータの概略構成を示す図である。ロボットシミュレータによって形成される形状モデルを示す立面図である。ロボットシミュレータによって形成される形状モデルを示す平面図である。ロボットの概略構成を示す図である。ロボットシミュレータにおける作業工程を示す図である。第二処理作業における作業工程を示す図である。第三処理作業における作業工程を示す図である。ロボット設置位置を説明するための図である。ロボット設置位置を説明するための図である。第三処理作業を説明するための図である。

符号の説明

Ｌ１…基準搬送ライン（第一搬送ライン）、Ｌ２，Ｌ３，Ｌｓ…搬送ライン（第二搬送ライン）、Ｒ…ロボット（搬送系）、Ｐ…プレス機械、１…ロボットシュミレータ

Claims

隣接するプレス機械間でワークを搬送する搬送系の設置位置及び搬送ラインをシミュレーションする方法であって、
前記プレス機械及び前記搬送系の形状モデルを形成する第一工程と、
前記プレス機械に対する前記搬送系の設置位置がそれぞれ異なると共に同一の第一搬送ラインに従ってワーク搬送を行う動作パターンを複数形成し、該動作パターンに基づいて動作シミュレーションを行って、ワークを最も早く搬送可能な最適設置位置を選定する第二工程と、
前記搬送系を前記最適設置位置に固定配置すると共に前記第一搬送ラインとは異なる複数の第二搬送ラインのそれぞれに従ってワーク搬送を行う動作パターンを複数形成し、該動作パターンに基づいて動作シミュレーションを行って、ワークを最も早く搬送可能な最適搬送ラインを選定する第三工程と、を含み、
前記第三工程で選定された前記最適搬送ラインを前記第二工程における前記最適設置位置に設定し、前記第二工程と前記第三工程とを繰り返すことを特徴とするシミュレーション方法。
前記第二工程では、前記各動作パターンについて干渉チェックを行うとともに、干渉が生じない場合のシミュレーション結果のみを記憶し、該記憶されたシミュレーション結果を比較することで前記最適設置位置を選定することを特徴とする請求項１に記載のシミュレーション方法。
前記第三工程では、前記各シミュレーションモデルについて干渉チェックを行うとともに、干渉が生じない場合のシミュレーション結果のみを記憶し、該記憶されたシミュレーション結果を比較することで前記最適搬送ラインを選定することを特徴とする請求項１又は２に記載のシミュレーション方法。