リアルタイム切削力監視が精度と効率を向上

図1. 切削加工における切削力は、キスラーの9232Aのような圧電歪みセンサーを用いて高精度に間接測定できます。（画像: キスラーグループ）

高生産性、低製造コスト、高ワーク品質：これらは、産業メーカーにとって持続可能性、収益性、競争優位性をもたらす重要な要素です。信頼性の高い機械監視は、進行中のプロセスに関する貴重なリアルタイム洞察を提供します。それは、信頼性が高く、生産的で、再現性のある製造の基盤であり、機械オペレーターが短期的および長期的な改善について十分な根拠に基づいた意思決定を行うのを助けます。この技術は、高度に動的な加工プロセスにおける異常を検出することさえ可能で、ユーザーは即座に対応して高生産性を確保し、スクラップ率を低減し、工具寿命を延ばすことができます。これらすべての利点により、適切なセンサー技術に基づく継続的な機械およびプロセス監視は、今日の製造業における重要な成功要因となっています。

圧電歪みセンサーによる機械監視

スイス・ヴィンタートゥールのキスラーグループによる機械監視ソリューションは、機械の機械的および電気的環境に統合できるセンサーを特徴としています。しかし、機械の定義された位置に実際に必要なセンサーのみを取り付けます。このアプローチにより、機械監視システムの複雑さとコストの両方を最小限に抑えますが、センサーを機械の機械的および電気的構造に統合することは依然として困難な場合があります。

センサーのタイプと位置は、最大精度で高度に動的なプロセスを捉える上で重要な成功要因です。センサーは加工プロセスを妨げないよう切削点の近くに配置する必要がありますが、同時に実際の切削以外の影響を受けない位置でなければなりません。切削力の監視は、厳しい公差部品の製造に必要な安定した加工操作を確保する上で重要な役割を果たします。この種の機械監視ソリューションを採用するユーザーは、総加工コストを削減しながら自律加工へ前進することもできます。

切削力を捉える一つの方法は、工作機械構造に作用する変形力を測定することです。これは、工作機械構造に取り付けたり統合したりした圧電表面歪みセンサーで達成できます。スウェーデン・リドショーピングのMINGANTI GLOBAL ABとの最近のプロジェクトでは、垂直旋盤にキスラーの圧電表面歪みセンサー9232Aが統合されました。このセンサーは、±600マイクロストレイン（µε）の測定範囲により、表面での引張および圧縮歪みを測定するために必要な高感度を提供します。

切削刃近くでの間接切削力測定

図2. 切削工具ホルダーがクランプされているラム。（画像: キスラーグループ）

この機械監視システムは、高工具摩耗と工具破損を検出し、クラッシュ時に機械を停止させることを目的としています。また、精密な測定データに基づいて力制御が確立されれば、プロファイル精度の監視と改善にも使用できます。難削旋削で発生する大きな径方向力は、切削工具ホルダーを保持するラムの弾性変形を引き起こします。この変形は非常に小さいですが、工作機械制御装置によって部分的に補償できます。それでもなお、切削刃の非常に近くに配置された優れた精度の歪みセンサーで捉えるのに十分な大きさです。

機械監視は機械信号に基づくこともできますが、このアプリケーションでは品質が機械タイプと摩耗状態の両方に依存します。機械信号は切削プロセスとは無関係な偏差を示すことがあり、工具摩耗や製品品質をターゲットとする機械制御システムには十分ではありません。

ミンガンティとキスラーは、機械監視ソリューションを完成させるために2つ目のセンサーを設置することにしました。これにより一定の冗長性が確保され、部品の高コストにも対応できます。この目的で、キスラーの8274A単軸圧電加速度計がラムに追加で統合されました。これは、より高い周波数の測定を提供することで力（歪み）測定を補完し、プロセスの急激な変化を検出できるようにします。両センサー入力はデジタルチャージアンプで処理され、PROFINET経由で工作機械制御に接続されます。このチャージアンプの主な利点の一つは、ユーザーがローパスフィルタとハイパスフィルタを自動的に実行でき、信号の高度に動的な部分に容易に焦点を当てられることです。

追加労力なしで高い表面プロファイル精度を達成

図3. 図は、キスラー歪みセンサーからの力（歪み）信号（上部プロット）と切削後の表面プロファイル測定（下部プロット）の間に良好な相関があることを示しています。（画像: キスラーグループ）

拡張された機械監視システムは、工具摩耗の監視、工具破損の検出、機械クラッシュの検出と制御に使用されます。定常的な信号レベルを自動的に学習し、逸脱を検出するために変化を監視します。これにより、オペレーターは工具交換、機械停止などの必要なアクションを開始できます。工具故障（破損、刃先チッピングなど）は、NCにロードされた不正確な切削データ、低品質な刃先、間違ったクーラント圧力、楕円度が高すぎるリングによる各回転での切削深さの大きな変化など、さまざまな理由で発生します。このような故障が発生すると、その影響は力と振動の両信号で明確に見えます。

ベアリング部品の最も重要な品質パラメータの一つは、表面のプロファイル精度（「直線度」）です。このパラメータは、ベアリング内の転動体とリング間の摩擦に影響します。大型リング（直径1〜2メートル）でタイトな公差（3〜6µm）を維持することは、難削旋削プロセスの難しい側面であり、多くのベアリングメーカーは研削やホーニングを追加工程として実施しています。キスラーの機械監視システムは、工具の歪み（たわみ）を間接的に測定できるため、プロファイル精度（形状偏差）が歪み（間接力）信号で明確に見えます。力信号入力は、クローズドループ制御の助けを借りて切削条件を変更するために、旋削作業中に直接使用できるため、たわみを補償できます。

精密加工のための精密機械監視の重要性

機械信号の監視は運転状態に関する情報を提供できますが、実際の加工精度とは直接関係しない問題を示す可能性があります。しかし、この記事で説明したように、キスラーには歪みゲージや加速度計など、切削プロセスを直接監視する方法があります。切削力の監視は、厳しい公差部品の製造に必要な安定した加工操作を確保する上で重要な役割を果たします。ミンガンティ・グローバルAB社長のマーカス・カルダナ氏は、「切削力の精密な測定は、プロファイル精度を維持する上で重要なステップです」と述べています。

本記事は、キスラーのビジネス開発マネージャー、ビュレント・タスデレン氏によって執筆されました。詳細についてはこちらをご覧ください。