工作機械における工具とプロセスの監視 – 課題の解決

ほとんどの業界においてそうですが、企業はこれまでにないほど競争力強化に注力する必要があります。ベアリング業界出身者として、部品の高品質を確保する必要性がますます高まっていることを知っています。自動化はこれを実現し、同時に効率化を図る重要なツールです。キスラーでは、業界を問わず顧客が持続可能な製造への圧力をますます感じていることも確認しています。これに対応する重要な手段の一つが、廃棄物を絶対最小限に削減することです。加工において、工具は部品の品質に大きな影響を与えます。工具を交換するタイミングが遅すぎると、廃棄率が増加します。逆に、交換が早すぎると不要なコストが発生します。人による工具の状態に対する洞察には限界があるため、工作機械における工具監視、機械監視、プロセス監視は、現在の製造において不可欠です。

キスラーとご自身は、工作機械におけるプロセス監視の分野でどのように位置付けられているとお考えですか？

高度で堅牢なセンサは、自動化プロセスの基盤です。水晶圧電式動力計の製造メーカーとして、キスラーは機械加工の研究開発において豊富な経験を有しています。また、射出成形や接合システムなどの他のアプリケーションにおける機械監視においても多くの経験を有しています。これらの分野を組み合わせ、顧客がシナジー効果を享受できるようになることは、自然な流れです。SKFからキスラーに移籍した際に持ち込んだのは、研究開発段階から産業応用への移行経験と、プロセスと機械の動作特性を組み合わせた広範で深い応用知識です。

機械加工アプリケーションにおける機械工具用の圧電式測定技術のメリットと限界は何ですか？

測定原理は圧電効果に基づいています。圧電式センサの核心には特殊な石英結晶があり、力が加わると小さな電気荷が発生します。荷電量と力は直接比例関係にあります。さらに、石英は剛性が高く、自然振動数が高いため、極めて動的な力を正確に測定できます。これは加工力の測定において大きな利点です。

研究開発用途では、主に動力計を使用し、3次元方向の加工力を高精度に測定できます。しかし、監視用途では、そのような複雑なセンサはほとんど必要ありません。また、動力計は特定の産業用途ではコスト効率が悪く、スペースが限られ、機械構造の変更が許されない生産機械に組み込むのも困難です。

本質に焦点を当てたキスラーは、動力計のコスト効率の良い代替案を提供しています：比較的シンプルでコンパクトな力またはひずみセンサを使用し、ツールホルダ内に組み込んだり、スピンドルハウジングなどの機械表面に装着可能です。当社の顧客は、このタイプのセンサを他のプロセス監視ソリューションで長年使用してきました。この経験を基に、現在加工プロセスへの応用を進めています。

動力計は絶対切削力を測定します。圧電センサを用いた加工プロセスの測定はどのように機能しますか？

研究開発（R&D）アプリケーションでは、動力計が使用される場合、絶対力測定が求められます。これは、複数のセンサを使用してすべての力ベクトルとトルクを測定し計算することを意味します。一方、プロセス監視では、圧電式センサーは通常、主要な力ベクトルの監視により、関連するプロセス特性について結論を導き出すことができます。例えば、工具の摩耗が増加すると、切削力や切削ダイナミクスが上昇します。これらは、工具ホルダで直接測定することも、材料に影響を与える力を介して隣接する機械部品で測定することもできます。圧電式センサまたはひずみセンサを工作機械に組み込むことで、ユーザーはプロセスサイクルを比較し、異常を検出することができます。工具メーカー Paul Horn GmbH とキスラーグループの協力は、このようなソリューションが最終的にどのようなものになるかを示す一例です。両社は、旋削用途向けの、すぐに使用できるセンサ付き工具ホルダを共同で提供しています。これにより、統合の労力を最小限に抑え、センサ付き工具システムが、元のセンサなしシステムと同じ特性を使用時に発揮することを保証します。統合時には、力センサが力流に最適に配置されるため、データからプロセスの力条件に関する相対的な判断を行うことができます。

このようなソリューションと接続されたmaXYmosプロセス監視ユニットを使用することで、プロセスを監視し自動化することが可能です。測定された力が想定範囲外の場合や他の異常が発生した場合、工作機械内のプロセス監視システムは、機械またはプロセス制御システムにフィードバックを提供します。これにより、監視ソリューションはプロセス最適化のためのデータを容易に取得する手段を提供します。また、工具の寿命延長、段取り変更作業の最小化、不良品の早期検出、機械の故障や予期せぬ停止の防止にも役立ちます。

工具ホルダ経由で加工力が測定できない場合、機械構造にひずみセンサを装着する方法を代替案としてご提案いただきました。ひずみセンサが正確な測定を行うための理想的な位置の特徴は何か、またユーザーがそれをどのように見つけることができるでしょうか？

最適な位置は機械の構造に強く依存します。機械の全体的な剛性と、切削点から構造体へ力が伝わる方法を考慮する必要があります。もう一つのポイントは、切削方向や切削対象物によって異なる切削力の挙動です。幸いなことに、当社の国際サービスはこれらのセンサの設置に豊富な経験を有しています。加工部門の専門知識と組み合わせることで、各顧客の特定のニーズに対応したサポートを提供できます。

ツールの摩耗以外に、システムは何を監視しますか？

工具監視は当社のソリューションの主要な焦点です。しかし、当然ながら他の有益な副次効果もあります。例えば、プロセス監視システムは、切削していない状態でも機械工具を保護できます。工具位置決め時に非常に高い送り速度で工具が切削せずに移動する場合、機械の力が工具と機械との衝突を引き起こし、重大な損傷を引き起こす可能性があります。当社のソリューションは、この高速な動きを検知し、事故が発生する前に機械を停止します。

別の例：当社の顧客の1社が、測定信号が非常に小さい（定義されたウィンドウよりもはるかに小さい）ことに気づきました。何か問題があるに違いありません。調査の結果、ロードされた部品の寸法がわずかにずれていたことが判明しました。つまり、モニタリングシステムは、入ってくる部品と生産された部品の品質を間接的に制御する手段です。そのため、既存の前工程や後工程の品質測定を削減でき、コストを低減できます。

貴社のシステムは、加工プロセスを監視する最初のシステムではありません。キスラーのソリューションが他の実績のあるオプションと異なる点はどこですか？

最大の違いは、圧電式センサに内在する高周波数にあります。ひずみゲージ技術は、コスト効果が高く確立されたオプションです。しかし、多くの加工プロセスの高ダイナミクスを捕捉する点で欠点があります。工具は当然、時間とともに摩耗します。しかし、破損する瞬間は突然訪れることがあります。本日、顧客からデータと画像が送られてきました。彼らは、突然、非常に短い瞬間だけ測定曲線が限界を超えたことを確認しました。それは小さなピークに過ぎず、その後曲線は正常に戻りました。しかし、アラートが鳴り機械が停止したため、工具を確認したところ、確かに欠けが生じていました。このようなケースでは、圧電式センサが真の優位性を発揮します。

加工は多くの製造業の重要な工程です。このソリューションから最も恩恵を受けるのは誰でしょうか？逆に、恩恵を受けないのは誰でしょうか？

当社の最初のパッケージには、センサ、モニタリングシステム、ケーブル、および付属ソフトウェアが含まれており、ベアリング部品、自動車部品、医療部品、ネジや時計部品などの小規模から中規模の部品を大量生産する顧客を対象としています。ここでの制約要因はサイクルタイムです。当社は高速測定が可能ですが、圧電式センサにも限界があります。一方、機械の年齢は問題になりません。もちろん、新規ラインの計画や新機械の購入時には、自動化技術の導入は現在では標準となっています。工作機械においても測定ソリューションの需要はあります。しかし、当社のパッケージでは既存の機械への後付けも可能です。当社のソリューションは柔軟性があり、使用するMESの種類は問いません。目標は、自動化のメリットを比較的低い導入コストで実現することです。

次のステップは何ですか？既に、より大きな部品を製造する顧客向けにソリューションの提供を計画していますか？

はい、対応するパッケージの準備を進めています。もう一つのアイデアは、システムをよりスマート化し、工作機械における測定とプロセス監視を超えて機能を広げることです。特定のケースでは、既に機械のエラーを補正する機能を実現する計画です。例えば、切削速度、送り速度、切削深さを調整することで、顧客はさらに高い製品品質を達成できます。