リアルタイムの切削抵抗モニタリングにより精度と効率が向上

図 1. キスラーの 9232A などの圧電ひずみセンサーを使用すると、機械加工における切削抵抗を高精度で間接的に測定できます。 （画像：キスラーグループ）

高い生産性、低い製造コスト、高いワーク品質。これらは産業メーカーにとって持続可能性、収益性、競争力をもたらす重要な要素です。信頼性の高いマシン監視により、進行中のプロセスに関する貴重なリアルタイムの洞察が得られます。これは、信頼性が高く、生産性が高く、再現可能な製造の基礎であり、機械オペレーターが短期および長期の両方の改善について十分に根拠のある決定を下すのに役立ちます。このテクノロジーは、非常に動的な加工プロセスの異常も捕捉できるため、ユーザーは即座に対応して高い生産性を確保し、スクラップ率を削減し、工具の寿命を延ばすことができます。これらすべての利点のおかげで、適切なセンサー技術に基づく継続的な機械とプロセスの監視は、今日の製造業における重要な成功要因となっています。

PE ひずみセンサーによる機械モニタリング

スイスのヴィンタートゥールにあるキスラー グループの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備えています。ただし、実際に必要なセンサーのみが機械内の定められた位置に取り付けられます。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が最小限に抑えられますが、機械の機械的および電気的構造へのセンサーの統合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、非常に動的なプロセスを最大限の精度で捕捉するための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に切断点の近くに配置する必要がありますが、同時に実際の切断以外の影響を受けないようにする必要があります。切削抵抗の監視は、公差の厳しい部品の製造に必要な安定した加工作業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選択したユーザーは、自律加工に向けて前進し、そうすることで総加工コストを削減することもできます。

切削力を把握する 1 つの方法は、工作機械の構造に作用する変形力を測定することです。これは、機械構造に取り付けられた、または機械構造に組み込まれた圧電表面ひずみセンサーを使用して実現できます。スウェーデンのリドショーピングにある MINGANTI GLOBAL AB との最近のプロジェクトでは、立形旋盤に統合型キスラー PE 表面ひずみセンサー 9232A が装備されました。このセンサーは、±600 マイクロひずみ (με) の測定範囲により、表面の引張ひずみと圧縮ひずみの両方を測定するのに必要な高感度を提供します。

刃先付近の間接切削抵抗測定

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

この機械監視システムは、工具の高度な摩耗と工具の破損を検出し、衝突が発生した場合に機械を停止することを目的としています。また、正確な測定データに基づいて力制御が確立されると、それを使用してプロファイル精度を監視し、改善することができます。ハードターニング時に発生する大きな半径方向の力により、切削工具ホルダーを保持するラムが弾性変形します。変形は非常に小さいため、機械制御ユニットによって部分的に補正できます。しかし、それでも、刃先のすぐ近くにあるひずみセンサーで精度よく捕捉できるほど十分な大きさです。

機械の監視は機械の信号に基づいて行うこともできますが、このアプリケーションでは、品質は機械のタイプと摩耗状態の両方に依存します。機械信号は、切削プロセスに関係のない偏差を示す場合があるため、工具の摩耗や製品品質を対象とした機械制御システムには不十分です。

Minganti と Kistler 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を決定しました。これにより、ある程度の冗長性が提供され、部品のコストが高いことも考慮されます。この目的のために、キスラー社の 8274A 単軸圧電加速度計がさらにラムに統合されました。高周波測定を提供することで力（ひずみ）測定を補完し、プロセスの突然の変化を検出できるようにします。両方のセンサー入力は、PROFINET を介してマシン制御に接続されたデジタル チャージ アンプで処理されます。このチャージ アンプの主な利点の 1 つは、ユーザーがローパス フィルターとハイパス フィルターを自動的に実行できるため、信号の非常にダイナミックな部分に集中しやすくなることです。

高い表面プロファイル精度を達成 – 余分な労力をかけずに

図 3. この図は、キスラーひずみセンサーからの力 (ひずみ) 信号 (上のプロット) と切断後の表面プロファイル測定 (下のプロット) の間に良好な相関関係があることを示しています。 （画像：キスラーグループ）

拡張機械監視システムは、工具の磨耗を監視し、工具の破損を検出し、機械のクラッシュを検出および制御するために使用されます。通常の信号レベルを自動的に学習し、変化を監視して逸脱を検出します。これにより、オペレータは工具の交換、機械の停止などの必要なアクションを開始できるようになります。工具の故障 (破損、エッジの欠けなど) は、数値制御に読み込まれた誤った切削データ、低品質の刃先、不適切なクーラント圧力、またはリングが楕円形すぎて回転ごとの切込み深さが大きく変化するなど、さまざまな理由によって発生する可能性があります。このような障害が発生すると、その影響は力信号と振動信号の両方にはっきりと現れます。

ベアリングコンポーネントの最も重要な品質パラメータの 1 つは、表面のプロファイル精度 (「真直度」) です。このパラメータは、ベアリング内の回転要素とリングの間の摩擦に影響します。大型リング (直径 1 ～ 2 メートル) で厳しい公差 (3 ～ 6 μm) を維持することは、ハードターニング加工の難しい側面です。そのため、多くのベアリングメーカーが追加のステップとして研削またはホーニングを行っています。キスラーの機械監視システムは、工具のひずみ (たわみ) を間接的に測定できるため、ひずみ (間接的な力) 信号でプロファイル精度 (形状の偏差) が明確に表示されます。力信号入力は旋削動作中に直接使用でき、閉ループ制御により切削条件を変更できるため、たわみを補正できます。

正確な加工には正確な機械モニタリングの重要性

機械信号を監視すると動作状態に関する情報が得られますが、実際の加工の精度に直接関係しない問題が示される可能性があります。ただし、この記事で説明したように、キスラーにはひず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。切削抵抗の監視は、公差の厳しい部品の製造に必要な安定した加工作業を確保する上で重要な役割を果たします。 Minganti Global AB 社長の Marcus Caldana 氏は、切削抵抗を正確に測定することは、プロファイルの精度を維持するための重要なステップであると述べています。

この記事は、キスラーのビジネス開発マネージャーである Buelent Tasdelen によって書かれました。詳細については、 ここをご覧ください。