SLAC国立加速器研究所、X線レーザー実験用ロボットにPC制御とEtherCATを採用

ベッコフオートメーション株式会社
段取り替え時間を2日から12時間に大幅短縮

ベッコフオートメーション（本社：ドイツ・フェアル）の製品および技術は、世界各国のさまざまな産業分野で幅広く活用されています。今回は、米国カリフォルニア州メンロパークにあるSLAC国立加速器研究所（以下SLAC）における、高エネルギー物理学研究分野での導入事例をご紹介します。

SLACが擁するX線自由電子レーザー（XFEL）は、物質の構造を原子レベルで解析できる研究装置であり、超伝導材料や新薬開発など、幅広い先端研究を支えています。こうした中、限られた装置をいかに有効活用するかは、研究成果を左右する重要な課題となっています。こうした課題を解決すべく、科学研究施設向けに精密ロボットシステムの開発を専門に請け負う米国のSquare One Systems Designは、ベッコフのPC制御技術とEtherCATを採用した高精度ロボット位置決めシステム「Tri-Sphere」を開発し、実験の段取り替え時間を従来の2日間からわずか12時間へと大幅に短縮することに成功しました。


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）


X線レーザー研究装置で求められる「精度」と「スピード」
SLAC国立加速器研究所は、世界最強レベルの出力を誇るX線自由電子レーザー「Linac Coherent Light Source（LCLS）」を擁する米国の国立研究機関です。LCLSは大規模アップグレードプロジェクト「LCLS-II」を完了し、X線照射性能を従来の毎秒120パルスから、毎秒100万パルスへと飛躍的に向上しました。
SLACのような最先端研究施設で重要視されるのは、X線の照射性能だけではありません。「ビームタイム」と呼ばれる実験稼働時間の一秒一秒が極めて貴重です。複数の実験装置や試料を迅速かつ正確に入れ替えられる高精度なロボットシステムの導入は長年の課題となっていました。

パラレルロボット「Tri-Sphere」に採用されたベッコフの制御技術
このような課題に対応するため、精密ロボットシステム開発を専門とする米国のSquare One Systems Designは、パラレルロボット「Tri-Sphere Robotic Positioning System」を開発し、特許を取得しました。Tri-Sphereは一般的な回転関節型産業用ロボットと同様の6自由度の動作を実現し、同時に最大約5,440kgの可搬能力と、幅わずか100ナノメートルという極めて細いX線ビームへの高精度な位置決めを両立しています。

Tri-Sphereシステムに採用されたベッコフの製品および技術は以下の通りです。
・ 組込み型PC：「CX2033」はメインコントローラとして全ての自動化・制御タスクを処理
・ リアルタイムEtherCAT通信：高速・高精度なモーション制御を実現
・ コンパクトドライブターミナル：ステッピングモータ用「EL7041/EL7047」、
アブソリュート　エンコーダ用「EL5042」により、省スペースかつ高度な制御を実現
・ TwinCAT NC PTPソフトウェア：複雑な多軸モーション制御に対応
・ TwinSAFEターミナル/FSoE：作業員がハッチ内にいる際の安全監視と非常停止機能を提供


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）


導入効果：段取り替え時間を2日から12時間へ
Square One Systems Designのエンジニアリング・ディレクターであるボブ・ビオラ氏は、Tri-Sphereの導入効果について次のように説明します。
「SLACでは、ビームラインを停止することなく、作業ハッチ外でTri-Sphere上に実験用のセットアップを準備できます。これにより作業が大幅に加速し、実験の段取り替え時間は従来の2日間からわずか12時間に短縮されました」

この高い運用効率を支えるのが、ベッコフのPC制御を採用したTri-Sphere独自の設計コンセプトです。主任制御エンジニアのジェイス・ウォルシュ氏は次のように説明します。
「Tri-Sphereの非対称的な作業領域と、回転の中心をソフトウェアで調整できる点が、他に類を見ない柔軟性と精度を実現しています。これにより、実験装置を迅速かつ正確に再配置し、幅広い実験に適応することで、研究成果に良い影響を与えています」
Tri-Sphereの操作員は、直感的なフロントエンドソフトウェアを使用して、ビームの中心点や高さ、回転条件などのパラメータを簡単に設定できます。また、システムはエアキャスター上に設置されており、異なる実験ハッチへの移動も迅速にできます。
ベッコフの制御技術は複数の実験ハッチに統合されています。そのため、SLACはダウンタイムを最小限に抑えつつ、高精度な実験を継続できる環境を実現しています。

最先端研究を支えるベッコフの技術
ベッコフ米国支社のビジネスディベロップメントリーダーであるマシュー・ガルシアは、次のように総括しています。
「Tri-Sphereプロジェクトは、Square Oneとベッコフの協業の成果を示す好事例です。当社の技術が、SLACをはじめとする施設において、研究成果や運用効率の向上に貢献していることを大変嬉しく思います」
SLACでの導入実績が示すように、Tri-Sphereは科学研究分野における重要な課題の克服に貢献しています。困難な試験環境にも適応可能な柔軟性と高い性能を備えた本システムは、すでに世界的に著名な他の研究機関にも導入が進んでおり、次なる発見への道を切り拓いています。

参考URL：
■ Square One Systems Design：https://www.sqr-1.com
■ ベッコフ 科学研究装置向けソリューション：https://www.beckhoff.com/science