精密金型加工を対象として、小型高精度高速ミーリング加工機「SuperMill-2m」を開発した。開発した加工機は駆動系と案内にリニアモータとリニアガイドの組合せ構造を採用して、高分解能リニアスケールと高性能NCの組合せで、高精度高速機械運動を実現している。5万rpmと16万rpmの2本のスピンドルを搭載して、金型の荒加工、仕上げ、微細加工まで実現できている。さらに小サイズ、コンパクト設計、移動部の軽量化、熱源、振動源の分離構造で、金型加工の迅速化、高精度化を目指したものである。本報では機械の特性および加工事例について報告する。

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工作機械のダウンタイム短縮のために異常部位の特定が重要である.しかし,パラレルメカニズム工作機械では機構が閉ループを形成しており,ジョイントに異常が発生した場合,その影響は機構全体に及ぶため原因部位の特定が困難である.そこで本稿では前報で提案した受動ジョイントの回転抵抗モデルを用いてサーボモータ負荷から各受動ジョイントの回転抵抗値を同定することで異常が発生したジョイントを特定する手法を提案する.

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MCの高速高精度化に伴い多様なミーリングチャックが開発されているが,その工具把持特性について共通の評価手法が確立されているとは言い難い.本研究では,チャックの工具把持部における曲げ剛性に着目し,その評価法を提案する.まず,曲げモーメントに対する工具把持部の剛性をモデル化し,それに基づいた評価法を考案する.さらに,実際のチャックに適用して曲げ剛性を測定した結果を検討し,本手法の有用性を明らかにする.

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MC主軸高速回転時に生じる遠心力の作用を工具把持力に変換可能にすることにより,超高速回転に対応できる工具把持機構を開発している.本報では,前報に基づいて試作した機構における課題点の解決策を検討し,クランプおよびアンクランプ動作の確実性を高めた耐遠心力性能を発揮し得るチャッキング機構を提案する.さらにその工具把持特性について,接触を考慮したFEM解析により明らかにし,提案する機構の妥当性を確認する.

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MC主軸の高速化に伴い各種2面拘束ツールシャンクが提案されているが,剛性の観点からはシャンク部を中実にしたものが望ましい.しかしながら中実2面拘束ツールシャンクがその特性を十分に発揮するためには大きな引込み力が求められるが,そのための高剛性なクランプ機構が存在しないという課題がある.そこで本報では,くさび効果により引込み力を短い力のループで効果的に増力できる高剛性なツールシャンククランプ機構を提案する.

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エンドミル加工の知能化には切削負荷のモニタリングは重要な課題である.我々は主軸変位を主軸に配置した変位センサで検出して切削抵抗モニタリングを行う知能化主軸の開発を行ってきた.主軸剛性は,主軸変位を切削抵抗に変換するための重要なファクターである.本研究では回転時の主軸剛性を測定する方法について提案し,検証を行う.

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結合部は,真実接触部と非接触部からなる.これまで真実接触部の熱特性のみを評価してきた.本報では,真実接触部に加えて,非接触部に介在する空気を通じた熱移動も含めた接触熱特性の定量的評価法について検討する.まず,試料表面からの熱伝達の影響を考慮した測定法を提案する.さらに,結合部における空気介在の有無による熱特性の違いから真実接触部および空気介在部のそれぞれ接触熱特性を定量化する方法について検討する.

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筆者らは,これまで主軸パターン運転試験による熱変位測定結果に対し熱変位特性評価モデルを用いて,主軸の各回転数に応じた最大熱変位や熱変位時定数を1度に評価可能な方法を提案してきた.しかし,この方法から得られる熱変位時定数は,一定回転数試験を個別に行って求めたものと一致しない場合があった.そこで,本報では主軸回転に伴う熱変位時定数の基本的な特性を明らかにし,その基本特性に応じた新たな評価法を提案する.

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筆者らがこれまでに提案した主軸パターン運転試験による工作機械熱変位特性の評価法によれば,主軸回転数や機械間で異なる固有の熱変位特性を明らかにできることが分かっている.しかし,その特性を生じさせるメカニズムについては明確になっていない.そこで,本報では複数の構成要素からなる工作機械主軸系を想定した物理モデルを用いて,その物理パラメータが主軸熱変位特性に及ぼす基本的な影響を検討する.

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ボールねじの温度分布を測定し,これをもとに,ボールねじのスラスト固定用軸受とテーブル用ナットとの間の熱膨張量を推定する.ナット位置は,CNC制御装置から取得した現在座標値である.熱膨張量の推定値を補正量としてCNC制御装置に指令し,機械座標系原点シフト機能により,リアルタイムで補正を行い,テーブルの位置決め精度を向上させた.z-0～z-384mmの範囲で±2μmの位置決め精度を達成した.

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本研究は,位置検出機能をもったフォトダイオード(PSD)を用いて,工作機械の要素に相当する,移動体の傾斜,真直度の測定を行う.PSDを2個用いることで,移動体の傾斜・真直度を同時に求めることができる.2個のPSDについて,レーザ光源からPSDまでの光路長の差を大きくするため,平行な鏡の間の反射を利用したシステムについて,測定精度を検討した.

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切削加工では,サブミクロンオーダの形状精度を得るために,通常,修正加工が用いられる.ワーク形状の測定において,別の測定機を用いる場合はワーク着脱に起因する誤差が発生する.機上計測では加工機の運動誤差の修正が不可能である.本研究では加工中の運動誤差を計測,補正し,加工誤差を低減する.送り系にボールねじを用いた加工機において,真直度誤差の計測と補正を行い,加工誤差の低減が可能かどうかの検証を行った.

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平面研削における非加工時間を短縮するために,工作物形状に倣ってテーブル反転運動する適応制御システムを開発した.マグネットチャック内部に垂直方向に組み込んだ加速度センサにより,研削砥石と工作物の干渉による微小振動を検知し,振動があるレベルより小さくなると同時にテーブル進行方向を反転させる.すなわち,加工中はテーブルが一方向に進むが,加工終了と同時に進行方向が反転する.本システムにより,加工時間を短縮することに成功した.また,各種形状・様々な配置の工作物に対して本システムを適用し,本システムの有効性を評価した.

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近年,高速かつ高精度な加工の要求が高まっており高精密加工機が着目されている.高精密加工機の性能として高速かつ小円での円弧補間運動の高精度化が求められる.そこで,リニアモータ駆動,油静圧案内を採用した高精密加工機を用い,高速かつ小円での円弧補間運動の運動精度を測定,評価したその結果をもとに円弧補間運動の高精度化の手法について報告する.

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直交する2つの軸で円弧補間運動を行うと，軸の運動方向が反転する象限切替え時に象限突起が生じる．本研究では，運動方向反転直後の摩擦特性を変位の関数として簡単な数式でモデル化し，摩擦モデルにより計算されたモータ軸換算の摩擦トルクをトルク指令に加算することで，象限突起を補正する方法を提案する．実験とシミュレーションにより，半径と送り速度が変化しても象限突起を効果的に補償できることを確認したので報告する．

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機械制御における主要な外乱として摩擦力が挙げられるが，この影響は一般に未知であるため，摩擦特性を表す適当なモデルを仮定し，このモデルのパラメータをオンライン推定することによる摩擦補償法が提案されている。本講演では，はじめに，X-Yテーブルを対象とした目標値信号の修正機構を有する輪郭制御法を提案する。つぎに，この制御法に前述の摩擦補償法を応用することを試み，実験により有効性を検証した結果について述べる。

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NC工作機械のすべり案内面においては、位置決め時のロストモーション特性が加工精度および加工面品位に大きく影響する。これまでに水平案内面について、ロストモーション特性を明らかにしてきた。本報においては、水平軸に比べ質量、摩擦力、モーメント負荷がより複雑となる垂直案内面のロストモーション特性を明らかにした。

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多軸加工機で複雑形状を加工する際、直進軸と旋回軸は激しい速度変化を伴って運動する。特に旋回軸ではウォームギヤの回転むらと急激に変化する指令に追従するためのトルク飽和が問題になる。本研究では、角度指令を変化させることでウォームギヤの回転むらを補償する方法と、加加速度を制限することでトルクの飽和を回避する方法について検討した。その結果、速度を制限せずに良好な運動軌跡を得ることができたので報告する。

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The minimal invasive surgical technique used for treatments on cancer infected liver is comparatively to be effective due to fast recovery of the wound and the rehabilitation period. Needle insertion planning shows its difficulties when needle contact the tissue structures and become complicated with existence of gravity, cancer size and position, needle properties and surrounding organs. In this study, a constitutive equation of viscoelastic material properties of liver is formulated using measured experimental results on pig′s liver. 3-D Finite Element Model is created using sliced MRI images. Approximations were made on friction between needle and soft tissue, and the condition of tear-off elements integrated with quasi-static analysis. In simulation, we proposed a retainer tool to minimize the displacement of the cancer infected part as a new boundary condition. Numerical results by proposed boundary condition technique show the possibility to design a new device in order to navigate needle to hit the cancer precisely.

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カテーテル誘導用マスタスレーブシステムを開発した.これは手術現場における職業被曝を防ぐためのロボットである.よりリアルな遠隔操作を実現させるため,マスタ側に力覚呈示機構を有していることをコンセプトとしている.滑りねじ,ベアリングを工夫したマスタロボットを設計し,力覚呈示のためにERアクチュエータを導入した.この導入により安全性,操作性の高い遠隔手術を行うことができる.

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臓器の変形,器具への力覚を提示する手術訓練シミュレーションシステムが多く開発されている.有限要素法は大規模行列演算であり,実時間計算を妨げる要因となっている.そこで計算手法を簡略化し,実時間内で穿刺時における力学現象を解析し,力覚を提示するシステムを構築する.反力を臓器モデルの内部応力から算出する簡易的手法を提案し,モデルの粒度と計算時間の観点からシステムの評価を行い,本研究の有効性を示した.

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呼吸等により能動的に運動する患部に追従しながら,超音波を集束させてピンポイントに患部へ照射する非侵襲超音波診断・治療統合システムの研究を進めている.本研究においては,高速CCDカメラを利用する場合とは異なり,超音波画像処理を経由することによる追従誤差が問題になる.そのため,患部に対するロボットの追従性が低下する.この問題に対処するために本報では力センサを利用して患者の呼吸情報をリアルタイムに取得する方法を提案する.

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本研究は胎児の腫瘍性疾患に着目し,低侵襲で安全な腫瘍栄養血管塞栓術を実現することを全体構想に掲げ,必要な量の塞栓物質を疾患部に輸送し,投与できる磁気誘導型のワイヤレス微細薬物(血管塞栓物質)輸送機器およびその輸送システムを開発することから着手した.本報では,輸送機器の原理を考案し,模擬機器を製作した.それを磁力駆動させ,物質を輸送し,模擬血管を塞栓できることを確認したので報告する.

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人工股関節は,骨頭材の細胞毒性や摩耗粉による骨融解等の問題を有しており,長寿命化及び性能向上が望まれている.これまでに,高生体適合材料のアルミナセラミックス骨頭採用を目的とした発泡ライナの衝撃緩和能力について報告した.本研究では,人工股関節の長寿命化及び性能向上を目的とし,発泡ライナが有する衝撃緩和能力を検討すると共に,ライナ表面へのコーティングによる摩耗粉発生を抑制する効果について検討した.

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人工股関節置換手術においては、ステムの形状を大腿骨近位髄腔の形態にフィットさせることが初期固定および大腿骨近位におけるストレスシールディングの抑制に有効であることが報告されている。そこで、本研究では、3次元X線CT画像を基に、2次性変形性股関節症に見られる変形の大きな骨形態に対して、大腿骨近位髄腔に対する占拠率を高めるカスタムメイドステムの設計手法を提案したので報告する。

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変形性股関節症の有効な治療法の一つに人工股関節への置換手術があるが,ソケットの挿入位置や骨頭径は医師の経験に頼るところが大きく最適位置への挿入,最適な骨頭径の選択が難しい状況にある.本研究では,患者個々に適した人工股関節の開発を目的とし,ソケットの挿入位置および骨頭径が応力分布に及ぼす影響について検討した.

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This research presents a new method to obtain accurate measurements using the Motion Capture technology for the purpose of calculating the Lifting Index (LI) and the Recommended Lifting Weight (RWL) for lifting tasks that satisfy the conditions of the revised NIOSH lifting equation. It also presents a method to calculate the different multipliers of the NIOSH equation using the motion capture data.

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前腕のひねりを伴う作業において，作業姿勢が異なると作業対象の回転可動域が変化することがわかった．そこで上肢と作業対象からなるリンク機構において各セグメントの方向ベクトルの一致度を定義し，その一致度から作業対象の回転可動域を推定するモデルを提案した．この結果をデジタルヒューマンに組み込み，前腕のひねりを伴う作業において作業対象の最適な配置を検討するための評価システムを開発した．

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著者らの一部が所属する有明高専は福岡県大牟田市にある．大牟田市は高齢化率が20%を超えており全国でも有数の高齢社会を迎えている．したがって高齢者の健やかな生活を支援することは地域の大きな課題となっている． 文部科学省が平成12年にとりまとめた新体力テストによると，高齢者（65歳以上）の体力測定においては，被験者の安全を考慮してADL(Activity of Daily Living)テストが用いられている．このテストの評価項目の一つとして握力測定がある．握力の測定においては，機器の使い易さなどからスメドレー式の握力計が利用されている．しかし，この握力測定法においては最大筋力を発揮する際に極度の緊張がともなう可能性があり，被験者によっては危険を伴う可能性がある．そこで，本研究においては，物を把握する力を被験者に負担をかけずに手軽に計測できる手法を検討した．

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以前より,視覚障害者の歩行支援には白杖が多く用いられてきた。白杖は点字ブロックなどの歩行支援設備がない場所でも使用可能で利便性が高い。しかし機能面では,障害物検出範囲が狭く,障害物の形状によっては検出できない場合もある。本研究では,超音波センサで広範囲の障害物を検出し,振動モータで障害物の情報を触覚提示することで白杖を補完する視覚障害者歩行支援デバイスを提案する。

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ｃBN膜は磁界励起イオンプレーティング法で基板上に成膜される。基板電圧を-50Ｖ～-100Ｖに増加させると膜硬度が増加し、基板電圧-100Ｖで膜硬度は4500HKとなった。膜質を調査した結果、基板電圧増加とともに膜のＮ／Ｂ比が増加し、化学状態分析の結果、基板電圧-100VでｃBNの存在が確認できた。基板電圧-100Vの条件でボールエンドミルにｃBN成膜した場合、良好な切削結果が得られた。

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切削加工において,工具材の硬度,強度,耐熱性および刃先の鋭利さなどの工具の持つ材質は,加工面の仕上がりに影響する.酸化アルミニウムを主成分とするコランダム(サファイア,ルビー)は,モース硬度12でダイヤモンドに次ぐ硬さを持ち,耐熱性に優れている.本研究では,工具材に単結晶コランダムを用いて,エンドミルを試作し切削性能の評価を行う.

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旋盤加工において，背分力を制御することにより微細軸を作製することができる．昨年度までの研究で，横切刃角と切込量をパラメータとして切削抵抗を制御することができた． 本研究は，これを任意の直径の加工に適用するための切刃形状の設計方法について検討している．

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ボーリングバーのびびり振動を抑制するために、金属板、金属スリーブ、ゴム球から構成されるカンチレバータイプのダイナミックダンパーを開発した。本ダイナミックダンパーを装着したボーリングバーでは、ダンパーを使用しない場合よりも減衰比が15倍大きく、切削時におけるびびり抑制効果が見られた。ダイナミックダンパーの減衰特性の実測値は力学モデルによる解析結果と定性的に一致した。

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本研究は、金型などに使用されている超硬合金材料の磨き加工における新規高能率研磨法の開発を目的としている。熱可塑性プラスチック材料のひとつであるポリベンゾイミダゾール材料の高速エンドミリング加工した際に生じる超硬合金工具の特殊な逃げ面摩耗現象を明らかとし、摩耗機構の解明を試みた。この摩耗機構を利用して超硬合金材料の高能率化を実現する新規研磨加工法を提案し、研磨特性を検証した。

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SUS304の旋削加工でドライカットを行うと、すくい面摩耗と逃げ面摩耗はウェットカットと大差ないが、境界部付近の溝状の摩耗は大幅に増加し、特に入り側境界部付近が顕著である。この摩耗は本来の境界より外側の非切削部に生じるもので切屑生成に直接起因したものではなく、生成後の切屑が関与した摩耗であると考えられる。ドライカットを行うためには、まずこの摩耗の抑止が必要である。

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鋼材の被削性における介在物の役割は種々報告されており,特に快削鋼の代表的な介在物である鉛は融点が低いことから加工中に溶融し,その結果工具表面での潤滑作用や剪断域での脆化作用が働くことで切削抵抗の減少や切りくず分断性が向上すると言われている。本報告では機械構造用炭素鋼の被削性に対する鉛の効果に対し,二次元切削によってその切りくず生成における剪断域中の鉛の挙動に着目して検討したのでその結果を報告する。

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本研究では従来の従動式ロータリー工具に対し、工具を能動的に回転させて切削する加工をスピンドル加工と呼ぶ。本報では、旋削時に工具回転が切削力、切削温度などの切削現象に及ぼす影響を検討した結果を報告する。また、切削温度は熱電対法によって計測した。

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自動車のバンパーやインパネ用の深い金型を切削加工する際には,工具の主軸を傾斜させて加工することが多い.工具を傾けることで工具の突き出しを短くできるので,安定かつ高精度な加工が実現できる.この種の傾斜加工では,主軸を傾ける方向を適切に選択しないと,工具やホルダーと工作物が衝突する問題が発生しやすい.前報まである領域を加工するのに適した工具軸方向の決定方法について述べてきた.実際の現場では加工範囲は広く,1方向だけですべての領域を加工することは難しい.本報では,広い加工領域をどのように分割し,どの軸方向で加工するのが最適なのかを検討したので報告する

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本研究では,オーバーハング形状のように工具を傾斜させなければ加工できない複雑な形状の粗加工に有用な手段として,突き加工用工具を5軸制御する荒加工方法を提案し,そのための工具経路生成手法を開発している.前報では平面で構成される形状に限定した手法を示したが,本報では曲面形状に対応可能な手法に拡張したので報告する.

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バンパー等の深さのある金型を安定に加工する方法として，工具軸を傾斜させる加工法が普及している．工程設計では，最適な工具姿勢の決定に多大な時間を要する．特に一方向からだけでは加工不可能な領域を，加工可能な複数の領域へ分割する作業の計算機支援が望まれている．本研究では，加工すべき領域内で接近可能な範囲が最も広くなる工具軸方向を選択し，その範囲に加工済みとマーク付けする処理を繰り返すことで，領域の自動分割を実現した．自動分割の結果を工具軸方向ごとに色分け表示することで工程設計者に有益な情報を提示する手法を開発した．

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従来の5軸制御加工用メインプロセッサは工作機械の可動範囲を考慮していないため,実現不可能な工具姿勢を出力してしまうという問題があった.本研究は,工作機械の可動範囲を考慮した工具経路の生成を目的としている.本報では,提案してきた1切削点における工具姿勢を表す2次元コンフィギュレーション空間上に可動範囲に対応する領域を表現することにより,目的の工具経路の生成が可能となった.

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多品種少量生産においては,非加工時間である工程設計の一層の自動化が求められる.しかし,自由曲面などは加工フィーチャの定義・認識が困難で標準化が進んでいない.そこで本研究では,複雑形状を対象とした5軸制御工作機械のための工程設計支援システムを開発する.本報では,3+2軸制御加工における各割り出し角で算出した除去可能領域から効率の良い割り出し角を決定する手法,及びその高速化について報告する.

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5軸機の精度検査方法の一つにNAS979に規定されているテーパコーン(円錐台)の同時5軸制御加工があるが,テーブルチルト型5軸機が想定されておらずワークの配置が規定されていない.ワークの位置により各軸動作が変化するため,幾何誤差や回転軸精度などによる加工精度への影響度合いも変化することが考えられ,位置によって検査結果が異なることになる.そこで本研究ではこの影響度合いを解析し,適切なワーク配置を提案する.

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従来,5軸制御マシニングセンタによる円すい台の仕上げ加工は,主軸頭旋回形の機械用に考え出されたものであるために,テーブル旋回形に適用しようとした場合に,取付位置,取付方法,送り速度などをどのように決めればよいか不明であった。本研究では,通常使用する送り速度の下で,円すい台の半頂角と円すい台の傾き角との関係,円すい台の取付位置についてシミュレーションで調べ,円すい台の半頂角を15度とした場合には,円すい台の傾き角は,14度又は16度とするのが良いことを示す。また,テーブル中心に円すい台底面の中心を合わせるのがよいことも示す。

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第1報では,サーボ系の同期精度に起因すると考えられる偏差が大きく現れたが,5軸機に固有の幾何学的な偏差が円すい台の仕上げ形状にどのように影響するかをシミュレーションで解析し,実験で確認をしている。テーブル旋回形の5軸機では,固有の偏差8個があることが知られているが,このうちの4つの偏差が影響を及ぼし,軌跡は固有の形状を描くことがわかった。また,円すい台底面の位置によっても形状が変化することがわかった。

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製品の小型化・多様化に対応するため,小型部品や複雑な自由曲面の計測・加工に適した構造形態として回転2軸と直動1軸で構成される極座標型装置を開発した.まず装置に内在する組立誤差の同定方法を考案した.次に同定結果をもとに装置の組立誤差を修正し,さらに形状創成関数を用いて補正することにより計測精度を向上できることを示した.最後にプローブと被測定物の接触角による測定誤差を調べ,その補正方法を考察した.

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近年、情報通信機器の発達により、部品の小型化が著しく進んでいる。小型部品を小型工作機械で製造すると、エネルギ効率のよい加工が期待できる。これまでに小型旋盤を初めとする数多くの小型機械が試作され、かつ良好な加工結果が得られている。しかし、工具自動交換機能のような実用化に関わる研究があまりなされてない。本研究は小型工具の自動交換装置を開発し、実際の加工実験に適用し、本装置の実用性について検討を行った。

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45nm CMOS世代の多層配線プロセス、Cu配線／Low-k絶縁膜技術の現状について概説する。45nm CMOS世代においては、ポーラスLow-k材料の導入が必須である。ポーラスな材料の扱いには、機械的強度等物性値をコントロールすることが重要である。本講演においては、ポーラスLow-kとCu配線のインテグレーションのための課題の対策事例をあげ、キーとなる最先端の要素技術を紹介する。

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ダイヤモンドパッドコンディショニングの基礎的な研究として、ダイヤモンドコンディショニングによって得られたパッド表面状態と研磨レートの関連を調査した。パッドの目詰まり状態、各種コンディショナ仕様および各種コンディショニング条件によって得られるパッド表面状態と酸化膜CMPプロセスの関連付けを行った。

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