自動車の組立ラインを歩いたり、複雑な金属製造プロジェクトがまとまっていくのを見たり、3D プリンターが完璧な精度で建築材料を何層も重ねていくのを見たことがある人なら、おそらく産業用ロボットが働いているのを見たことがあるでしょう。これらの機械は、人間の作業者が 24 時間体制で扱うのは不可能または危険な、重労働、反復作業、高精度の作業を実行します。しかし、産業用ロボットがある瞬間に車のドアを扱い、次の瞬間には繊細な電子部品を扱うことができるのはなぜなのか疑問に思ったことがあるなら、その答えは多くの場合、1 つの重要な仕様、つまり積載量に集約されます。産業用ロボットのサプライヤーとして、初めてのロボットアームを購入する中小企業の経営者から、10 年間使用したラインを更新する生産管理者に至るまで、私は毎日、可搬質量についての質問を受けます。今日は、産業用ロボットにとって可搬質量が何を意味するのか、その計算方法、それが万能の数値ではない理由、そして適切な可搬質量の選択がスムーズで効率的なワークフローとコストのかかるダウンタイムの違いとなるのかを正確に詳しく説明したいと思います。
まず、基本的な定義を正確に理解しましょう。多くの初心者 (および一部の経験豊富なオペレーター) がここで混乱するからです。産業用ロボットの可搬質量について話すとき、私たちはアームがグリッパーでどれだけの重量を保持できるかだけを話しているのではありません。それは一部ですが、それ以外にもたくさんのことがあります。実際の可搬質量には、アームが最大速度で移動し、完全に伸び、動作範囲全体をナビゲートしている間の、ロボットが使用しているツールまたはアーム端ツーリング (EOAT) の重量に加えて、ロボットが扱っている部品の重量が含まれます。多くのサプライヤーは、ロボットが完全に静止しているときに保持できる重量である「静的積載量」の数値をリストしていますが、実際のアプリケーションで使用すべき数値であることはほとんどありません。静的ペイロードを使用する場合は、必要な溶接ガンを保持できるロボットを購入するかもしれませんが、コーナーを全速力で動き始めると、関節にかかるストレスによって精度が狂ったり、早期の摩耗が発生したりする可能性があります。
これを当社の製品ラインの例で具体的に説明してみましょう。産業用ロボットの最も一般的な用途の 1 つである溶接業界に携わっている場合は、溶接トーチの重量、それに電力とシールドガスを供給するケーブル、および溶接される部品の重量を考慮する必要があります。自転車のフレームのような小型で軽量の部品の場合は、可搬重量の低いロボットで機能する可能性がありますが、建設機械で使用される重い構造用鋼の場合は、より強力なロボットが必要です。そこが私たちのARC2010 溶接ロボット定格ペイロードは 20 キログラムで、速度や精度を犠牲にすることなく重い溶接ガンや厚い鋼部品を扱うのに十分です。それを比較してくださいARC1440 溶接ロボット、ペイロードは14キログラムです。この方法は、自動車のボディパネルなど、それほど重量を持ち上げる必要がない、より小型で軽量の溶接作業に適していますが、狭いスペースでの作業には特別な器用さが必要です。
では、なぜペイロードがそれほど重要なのでしょうか?なぜなら、アプリケーションに対してペイロードが低すぎるロボットを選択すると、問題が発生することになるからです。ロボットは負荷を移動させるためにより激しく働く必要があり、これはモーター、ギア、関節の摩耗が早くなることを意味します。これにより予期せぬ故障が発生する可能性があり、生産時間のロスや修理代などの費用がかかります。また、作業の品質を損なう可能性もあります。重い荷物を移動するためにアームに負担がかかると、溶接、塗装、梱包に必要な正確な経路が維持できなくなり、部品の欠陥が生じる可能性があります。逆に、可搬質量が高すぎるロボットを選択するのはお金の無駄です。ペイロードが 50 キログラムのロボットは、小さな箱の梱包などの単純な作業に必要な以上に初期費用がかかり、より多くのエネルギーを消費し、より多くのスペースを占有します。それは、毎日の通勤のためにピックアップ トラックを購入するようなものです。確かに積載量には耐えられますが、決して使わない機能にお金を払っていることになります。
可搬質量について理解すべきもう 1 つのことは、可搬質量はロボットの姿勢に基づいて変化するということです。ほとんどの産業用ロボットには「作業範囲」、つまりロボットが到達できるスペースがあり、アームが最も安定した位置 (通常は真っすぐに伸び、ベースが最も低い位置) にあるときに可搬質量が最大になります。アームがさらに伸びたり、作業範囲のより遠くにある部分に到達するためにひねったりすると、有効積載量は減少します。たとえば、グリッパーがベースから 50 センチメートルの位置にあるロボットの可搬質量は 20 キログラムですが、1 メートルに延長すると 15 キログラムにすぎません。だからこそ、ロボットを購入する前にワークセルの計画を立てることが非常に重要です。各タスクでアームがどのくらいの距離まで到達する必要があるかを測定し、それを可搬質量の計算に組み込むことが重要です。大きなワークベンチに手を伸ばす必要がある場合は、最大拡張時の能力の低下を考慮して、可搬質量がわずかに高いロボットを選択する必要がある場合があります。
さまざまなタイプの産業用ロボットと、それらの可搬質量がどのように積み重なるかについて話しましょう。これは 1 つの数字ですべてに当てはまるシナリオではないためです。産業用ロボットには主に 6 つのタイプがあり、それぞれが異なるタスク用に設計されており、それぞれに独自の可搬質量範囲があります。最も一般的なタイプの多関節ロボット (組立ラインで見られる標準的な 6 軸ロボット アームを思い浮かべてください) の可搬質量は、電子機器の組み立てなどの小規模で精密な作業の場合は 1 キログラム程度、重量物の取り扱いの場合は 1,000 キログラム以上までの範囲に及びます。スカラ ロボットは、小さな部品のピッキングや配置などの高速で平面的な作業に適しており、通常、可搬質量は 1 ～ 20 キログラムです。梱包と仕分けのスピードが速いことで知られるデルタのロボットは、最大で約 20 キログラムもあります。次に、私たちのような特殊なロボットがあります。移動式溶接ロボット、多関節アームと可動ベースを組み合わせたものです。このロボットはアーム、溶接装置、移動ベース自体の重量を考慮する必要があるため、可搬質量は固定溶接ロボットよりも若干低くなりますが、固定作業セルには大きすぎる大きな部品の周りを移動できることでそれを補っています。私たちの産業用溶接ロボットたとえば、当社のラインは 6 キログラムから最大 30 キログラムまでの幅広い可搬重量をカバーしているため、小型の自動車部品から大型の建設機械に至るまで、あらゆる溶接作業に適切なロボットを適合させることができます。
より重い積載物を扱えるようにロボットを「改良」できるかどうか、よく尋ねられます。短い答えは「いいえ、そうではありません」です。ロボット全体は特定の積載量を念頭に置いて設計されており、モーター、ギア、構造コンポーネントはその積載量に対応できるサイズになっています。可搬質量が低いと評価されているロボットに、より重いツールや部品を搭載しようとすると、そのロボット用に作られていない部品にストレスがかかることになり、故障につながる可能性があります。場合によっては、必要以上に重いグリッパーやツールを使用しようとすることがありますが、これにより余分な重量が追加され、ロボットの有効積載量が減少します。そのため、特定のツール、部品、作業範囲に基づいて、必要な積載量を正確に計算できるサプライヤーと協力することを常にお勧めします。
可搬質量に影響を与えるもう 1 つの要因は、ロボットの速度です。ロボットが最高速度で移動しているとき、負荷の勢いによりアームにさらなるストレスが加わります。したがって、低速で 10 キログラムのペイロードを扱えるロボットは、最高速度で移動する場合には 8 キログラムしか扱えない可能性があります。これは、サイクルタイムがすべてであるパッケージングやピックアンドプレースなどの高速アプリケーションにとって重要なポイントです。 1 分あたり 100 個の部品を移動する必要がある包装ラインを実行している場合、ロボットの可搬質量がその速度を考慮していることを確認する必要があります。たとえば、当社のスカラ ロボットは、高速でも定格積載量を維持するように設計されています。これは、多くのお客様にとって、速度が持ち上げ力と同じくらい重要であることを当社が認識しているためです。
ペイロード容量がビジネスにどのような影響を与えるかの実例についてもお話しましょう。数年前、私たちは静的積載量 10 キログラムの中古ロボットを使用している小さな自動車部品店と協力しました。彼らは排気管を溶接するためにそれを使用していました。溶接ガンの重さは 4 キログラム、排気管の重さは 5 キログラムで、合計 9 キログラムで、収まるはずでした。しかし、彼らはロボットの作業領域の遠端にある部品を作業していたため、有効積載量は 7 キログラムに減少しました。数か月後、ロボットの手首関節が荷重を移動するために負担がかかり、故障し始めました。ジョイントを交換する必要があったため、ロボット自体の価値よりも費用がかかり、さらに 2 週間の生産期間が失われました。彼らが私たちに来たとき、私たちは 14 キログラムの定格積載量と作業セル全体をカバーするのに十分なリーチを備えた ARC1440 溶接ロボットを推奨しました。 3年ほど使用していますが、大きな問題はありません。このような問題は、最初からペイロードを正しく取得することで回避できます。
では、アプリケーションに適切なペイロード容量を計算するにはどうすればよいでしょうか?段階的に見ていきましょう。まず、取り扱う部品の重量を合計します。次に、アーム先端工具 (グリッパー、溶接トーチ、塗装ガンなど) の重量を追加します。 3 番目に、ツールに取り付けられアームと一緒に動くケーブル、ホース、またはその他のアクセサリの重量を加えます。 4 番目に、ロボットの作業範囲を考慮します。各タスクに必要な最大リーチを測定し、そのリーチでのロボットのペイロードを調べます (この情報はすべてのロボットの仕様書に記載されています)。第 5 に、10 ～ 15% の安全マージンを追加します。このマージンは予期せぬ重量 (少し重い部品や後で追加する可能性のあるツールなど) を考慮し、ロボットの磨耗を軽減するため、重要です。計算された合計荷重が 9 キログラムの場合、15% の安全マージンにより 10.35 キログラムになるため、少なくとも 11 キログラムの定格可搬質量を持つロボットが必要になります。
注目すべき仕様はペイロード容量だけではありませんが、最も重要な仕様の 1 つであることにも注意してください。その他の要素には、到達範囲、精度、速度、再現性、ロボットが設計されたタスクの種類などがあります。たとえば、可搬質量が大きいロボットは電子機器の組み立てに必要な精度を備えていない可能性があり、非常に高速なロボットは重量物の取り扱いに耐える耐久性を備えていない可能性があります。だからこそ、知識豊富なサプライヤーと協力することが重要です。私たちは、これらすべての要素を比較し、最大積載量のロボットだけでなく、お客様の特定のニーズに最適なロボットを見つけるお手伝いをいたします。
私は産業用ロボットのサプライヤーとして、可搬質量の設定を誤るとプロジェクトが頓挫する可能性があり、また、可搬容量を正しく設定するとビジネスがどのように変化するかをこの目で見てきました。自動化を始めたばかりの小規模工場であっても、生産ラインの更新を検討している大規模製造業者であっても、可搬質量はロボット システムの基礎です。これは軽く考えられる数字ではありません。調査を行って、作業セルの計画を立て、負荷を計算し、遠慮せずに助けを求めてください。
可搬質量が特定のアプリケーションにどのように適用されるかについて詳しく知りたい場合、または当社の溶接ロボット、モバイル ロボット、または産業オートメーション ソリューションの製品ラインを調べたい場合は、遠慮なくお問い合わせください。当社は、自動車、航空宇宙から建設、梱包に至るまで、あらゆる規模の企業と協力してきました。効率を高め、品質を向上させ、従業員の安全を守るための適切なロボットを見つけるお手伝いをします。
参考文献
- ロボット産業協会（2022年）。産業用ロボットの安全規格と仕様。 RIA レポート 15.06-2022。
- 国際標準化機構。 （2021年）。ロボットとロボット装置 – 産業用ロボットの安全要件。 ISO 10218-1:2021。
- ヴコブラトビッチ、M.、ストキッチ、D. (2018)。産業用ロボットの基礎。スプリンガープレス。
- エンドオブアームツーリング協会。 （2023年）。ロボット EOAT の負荷要件の計算に関するガイド。 EOAT業界レポート。
- 自動車製造ソリューション。 （2022年）。溶接ロボットのペイロードの最適化: ケーススタディ。自動車生産四半期。
