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XFEL実験向け精密ロボットにPC制御を採用
Beckhoffの制御技術とEtherCATがSLACの研究用ロボットに採用され、位置決め精度と研究設備の自動化効率向上に貢献。
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Square Oneの特許取得済み「Tri-Sphere Robotic Positioning System」は、高エネルギー物理学の実験を効率化する最先端のパラレルロボットです。（写真提供：Square One Systems Design）
高エネルギー物理研究施設では、限られたビームタイムを最大限活用するため、実験装置の高精度な位置決めと迅速なセットアップ変更が求められる。このような背景のもと、SLAC国立加速器研究所のX線レーザー実験用ロボットにBeckhoff Automationの制御技術が採用された。
高スループットX線レーザー研究を支えるロボット技術
このシステムは米国カリフォルニア州メンロパークのSLAC国立加速器研究所に導入された。同研究所では、Linac Coherent Light Source（LCLS）X線自由電子レーザー（XFEL）を用いて、原子レベルでの材料解析が行われており、超電導材料研究や創薬研究などに活用されている。
LCLS-IIへのアップグレードにより、X線パルス性能は毎秒120パルスから約100万パルスへと向上し、実験準備時間の短縮が研究設備の有効活用において重要な要素となった。
この課題に対応するため、米国の精密ロボット開発企業Square One Systems Designは、高精度な実験機器の切り替えを可能にする並列ロボット「Tri-Sphere Robotic Positioning System」を開発した。
大型負荷とナノスケール位置決めに対応する並列ロボット
Tri-Sphereは、一般的な多関節産業用ロボットと同様に6自由度の動作を実現しながら、約5,440kgの可搬重量に対応する設計となっている。また、幅約100ナノメートルのX線ビームに対して実験装置を正確に配置できる高精度位置決め性能を備えている。
このロボットは複数の実験装置やサンプルの迅速な切り替えを可能にし、装置停止時間が研究効率に直結する研究施設において、連続運用を支える役割を果たしている。
PCベース制御とEtherCATによるリアルタイム通信
Tri-Sphereの制御アーキテクチャには複数のBeckhoff Automation製品が採用されている。CX2033 Embedded PCが中央制御装置として機能し、自動化およびモーション制御を実行する。
リアルタイム通信にはEtherCATが使用され、複数軸の同期制御に必要な決定論的通信を実現している。さらに、ステッピングモーター制御用のEL7041およびEL7047コンパクトドライブ端子、絶対値エンコーダ用のEL5042端子も組み込まれている。
TwinCAT NC PTPソフトウェアは複雑な多軸モーション制御を担い、TwinSAFE端子およびFail Safe over EtherCAT（FSoE）は作業者が実験ハッチ内に入る際の安全監視や緊急停止機能を提供する。
Tri-Sphereは、ベッコフの組込み型PC「CX2033」、EtherCAT通信、TwinCAT NC PTPを採用しています。（写真提供：Square One Systems Design）
実験準備時間の短縮による稼働率向上
このロボットシステムにより、ビームラインを停止することなく実験準備を別エリアで行うことが可能となり、並行作業による運用効率向上が実現された。その結果、従来約2日を要していた実験準備時間は約12時間へと短縮された。
Tri-Sphereは非対称な作業領域設計と、回転中心をソフトウェアで調整可能な構造を持ち、多様な実験装置への柔軟な対応を可能にしている。オペレーターはビーム中心位置、高さ、回転条件などのパラメータを専用ソフトウェア上で設定できる。
さらに、システムはエアキャスター上に設置されており、異なる実験ハッチ間での迅速な移動にも対応する。複数の実験エリアにBeckhoffの制御技術が導入されたことで、SLACではダウンタイムを抑えながら高精度な実験継続が可能となった。
研究インフラに広がる産業用制御技術
Tri-Sphereの導入事例は、PCベース制御やEtherCATのような産業用リアルタイムEthernet技術が、製造業だけでなく科学研究施設やラボオートメーション分野にも適用可能であることを示している。
精密ロボットとPC制御技術の統合により、複雑な研究設備における運用効率の課題に対応し、装置利用率や迅速な実験構成変更が研究生産性に与える影響への対策となっている。
産業ジャーナリスト Aishwarya Mambet により編集、AI支援のもと。
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高エネルギー物理研究施設では、限られたビームタイムを最大限活用するため、実験装置の高精度な位置決めと迅速なセットアップ変更が求められる。このような背景のもと、SLAC国立加速器研究所のX線レーザー実験用ロボットにBeckhoff Automationの制御技術が採用された。
高スループットX線レーザー研究を支えるロボット技術
このシステムは米国カリフォルニア州メンロパークのSLAC国立加速器研究所に導入された。同研究所では、Linac Coherent Light Source（LCLS）X線自由電子レーザー（XFEL）を用いて、原子レベルでの材料解析が行われており、超電導材料研究や創薬研究などに活用されている。
LCLS-IIへのアップグレードにより、X線パルス性能は毎秒120パルスから約100万パルスへと向上し、実験準備時間の短縮が研究設備の有効活用において重要な要素となった。
この課題に対応するため、米国の精密ロボット開発企業Square One Systems Designは、高精度な実験機器の切り替えを可能にする並列ロボット「Tri-Sphere Robotic Positioning System」を開発した。
大型負荷とナノスケール位置決めに対応する並列ロボット
Tri-Sphereは、一般的な多関節産業用ロボットと同様に6自由度の動作を実現しながら、約5,440kgの可搬重量に対応する設計となっている。また、幅約100ナノメートルのX線ビームに対して実験装置を正確に配置できる高精度位置決め性能を備えている。
このロボットは複数の実験装置やサンプルの迅速な切り替えを可能にし、装置停止時間が研究効率に直結する研究施設において、連続運用を支える役割を果たしている。
PCベース制御とEtherCATによるリアルタイム通信
Tri-Sphereの制御アーキテクチャには複数のBeckhoff Automation製品が採用されている。CX2033 Embedded PCが中央制御装置として機能し、自動化およびモーション制御を実行する。
リアルタイム通信にはEtherCATが使用され、複数軸の同期制御に必要な決定論的通信を実現している。さらに、ステッピングモーター制御用のEL7041およびEL7047コンパクトドライブ端子、絶対値エンコーダ用のEL5042端子も組み込まれている。
TwinCAT NC PTPソフトウェアは複雑な多軸モーション制御を担い、TwinSAFE端子およびFail Safe over EtherCAT（FSoE）は作業者が実験ハッチ内に入る際の安全監視や緊急停止機能を提供する。
Tri-Sphereは、ベッコフの組込み型PC「CX2033」、EtherCAT通信、TwinCAT NC PTPを採用しています。（写真提供：Square One Systems Design）
実験準備時間の短縮による稼働率向上
このロボットシステムにより、ビームラインを停止することなく実験準備を別エリアで行うことが可能となり、並行作業による運用効率向上が実現された。その結果、従来約2日を要していた実験準備時間は約12時間へと短縮された。
Tri-Sphereは非対称な作業領域設計と、回転中心をソフトウェアで調整可能な構造を持ち、多様な実験装置への柔軟な対応を可能にしている。オペレーターはビーム中心位置、高さ、回転条件などのパラメータを専用ソフトウェア上で設定できる。
さらに、システムはエアキャスター上に設置されており、異なる実験ハッチ間での迅速な移動にも対応する。複数の実験エリアにBeckhoffの制御技術が導入されたことで、SLACではダウンタイムを抑えながら高精度な実験継続が可能となった。
研究インフラに広がる産業用制御技術
Tri-Sphereの導入事例は、PCベース制御やEtherCATのような産業用リアルタイムEthernet技術が、製造業だけでなく科学研究施設やラボオートメーション分野にも適用可能であることを示している。
精密ロボットとPC制御技術の統合により、複雑な研究設備における運用効率の課題に対応し、装置利用率や迅速な実験構成変更が研究生産性に与える影響への対策となっている。
産業ジャーナリスト Aishwarya Mambet により編集、AI支援のもと。
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