EDM加工の革新：インダストリー4.0による高速・高効率自動化

EDM（放電加工機）は、厳しい公差の維持、ほぼすべての金属への対応、繊細で壊れやすい部品への適性など多くの利点を持つ一方で、熟練オペレーターの確保が年々困難になっており、ロボットだけではそのギャップを埋められません。機械内部の自動化プロセス、新しい設計、インダストリー4.0の機能がこの課題を解決しつつあります。

GFマシニングソリューションズ（イリノイ州リンカーンシャー）のプロダクトマネージャー、エリック・オスティーニ氏（父と祖父もEDMに携わった）は次のように語ります。「卒業してEDMのすべてを知ったつもりになっていた私に、父は『数年現場で働けば、自分がEDMについて何も分かっていなかったことに気づくだろう。昔は発電機の音を聞いて、機械の何を調整すべきか分かったものだ』と言いました。今はすべて自動化されています。過去にこれらの機械を動かすために何が必要だったか、あなたは知りません。ただボタンを押すだけで動くのです。」

工作機械メーカーは、オペレーターが内部で起きている「何（What）」と「なぜ（Why）」を理解しなくても済むようにすることで、知識と経験の不足を補っています。

「自動化を進めるのは、技術がその方向に向かっているからだけでなく、機器を使う人々の知識レベルのためでもあります」とオスティーニ氏は付け加えます。「優秀なオペレーターを見つけるのは非常に困難です。優秀なオペレーターができることを機械が自動で行えるようにすれば、平均的なオペレーターでも優れた成果を出せるようになります。」

ベルモント・イクイップメント・アンド・テクノロジーズ（ミシガン州マディソンハイツ）では、顧客のワーク固定具におけるマルチリード部品検知用の独自回路を社内開発し、センサーに触れることで部品が正しくロードされているかを検証。部品の誤装着と、セットアップ工程での時間のかかるオペレーター介入を排除しました。

また同社は、オンボード技術を活用し、特定用途向けのカスタム設定を作成できる加工ソフトウェアを開発。「オペレーターの能力や知識に応じて、初心者はプリセットで機械を操作でき、熟練工はジョブ固有の設定をカスタマイズして、後から誰でも実行できるようにしています」とベルモントのオペレーション担当副社長、トニー・ティル氏は説明します。

部品と電極のためのパレット

MCマシナリーシステムズ（イリノイ州エルクグローブビレッジ）のテクニカルマーケティングマネージャー、グレッグ・ランゲンホルスト氏によると、他の工作機械と同様に、EDMでもパレットチェンジャーを使って生産プロセスを自動化できます。「ワイヤーEDMやダイシンクEDMで自動化セットアップを使用する場合、ワークピース（ダイシンク用電極と部品の両方）は通常、基準付きのツーリングベースにセットアップされます。例えば、ダイシンク用電極をツーリングパレットにセットアップし、グラファイトをグラファイト加工機で加工した後、自動的に移動させてチャックにセットし、三次元測定機（CMM）で検査するといった流れです。」

小型部品のワイヤーEDM自動生産では、三菱電機のEDMが六軸ロボットを使用してワークピースをEDM内外に交換します。この多関節システムでは、ロボットがそのような関節運動を処理できるため、ワークピースを垂直・水平、正面・背面、または角度をつけた状態で扱えます。

「大型ワークピースの場合、システム3Rやエロワのロボットを使用します。一般的にこれらのユニットは固定平面グリッパーを備え、ツーリングラックからワークピースを取り出し、機械テーブル上の全く同じ向きにセットします。ロボットでダイシンクのヘッドとテーブルを載せたり、吊り下げ電極ブランクをグラファイト加工機のテーブル上に反転載せたりするには、フリップタイプまたはロータリーグリッパーが必要です」とランゲンホルスト氏。

エロワ・コンパクト80は、ダイシンクEDMでZ軸方向に電極とワークピースを交換できる比較的新しいロボットです。300×300mm（11.8×11.8インチ）までのパレット、80kg（176ポンド）までの部品をハンドリング可能。「グラファイト加工機とダイシンクの間に置けばワークセルを構築できます」とランゲンホルスト氏。「グラファイトブランクを加工機に投入し、完成電極を取り出し、ワークピースをダイシンクに載せ、加工機から出たばかりの電極をすぐさま使用できます。」

同氏は、MCマシナリーのEDMユーザーの一つである金型ショップが、大型の長方形フレーム型治具を使用している例を挙げます。「1つの大きな部品や複数のワークピースをそのフレーム/テーブルに載せ、EDMで一晩中や週末に稼働させるのと同じようにできます。4〜5種類の完成品が載ったフレームを取り出し、別の装填済みフレームを戻すのです。ワークピースは機械外のフレーム/テーブルでプリセットされ、すべて直角で真っ直ぐです。すべての原点をCMMで測定して機械に送り、プログラムと共に読み込めば機械時間を節約できます。または、機械に載せた後にワイヤーで一度測定してからプログラムを実行します。」

マキノ（ミシガン州オーバーンヒルズ）は、リモート監視機能群「HyperConnect」をリリースし、既存のHyper-i制御システムにいくつかの機能を開発・追加して、オペレーター能力の向上を図っています。その中には、熟練オペレーターの知識と経験を取り込み、あらゆるスキルレベルのオペレーターが容易に使える機能に変換する「E-Tech Doctor」機能が含まれます。

「適応型電源技術の知能と能力を高めることで、高性能な結果を得るために必要なオペレータースキルレベルを下げられます」とマキノのEDMプロダクトマネージャー、ブライアン・フルーガー氏。「機械がより堅牢な自己適応能力を持つことで自律的にできることが増え、オペレーターは他の工場業務に時間を割けるようになります。」

ロボットを採用しているメーカー向けに、ソディック（イリノイ州シャウムバーグ）の一部ワイヤー・ダイシンクEDMシリーズには、ロボットアームが機械内部にアクセスしやすいよう、セグメント式ドロップタンクドアが装備されています。「これらのプロセスを自動化できるほど、オペレーターはより重要な作業や、複数の作業を同時にこなせるようになります」とソディックのアディティブビジネス開発マネージャー、エヴァン・シバーソン氏。

MCマシナリーシステムズは、EDMをよりシンプルかつ操作しやすくするため、ナレッジベースシステムを構築しました。例えばワイヤーEDMでは、異なるワイヤー径、ワーク材質、板厚に対応します。「各ジョブタイプごとに『E-Pack』と呼ばれる、特定ジョブに関連する電源設定、送り速度値、カッターオフセット値を用意しています。機械制御装置のデータテーブルにそれらすべての情報があり、オペレーターは画面の質問に答えてワイヤータイプ、ワーク材質・板厚、希望精度と仕上げ面粗さを選ぶだけです。機械がすべて自動で判断します。1パスで済むか5パス必要かも、機械が自動で決めます。」

「また、機械制御画面にスライドバーがあり、左端が速度優先、右端が精度優先になっています」とランゲンホルスト氏は続けます。「右にスライドすると機械が遅くなり、コーナー精度が高まります。精度がそれほど必要なければ左端で高速化。中間も選べます。」

ロボット向け制御の構築

GFMSのオスティーニ氏が「EDMの基礎知識を持つオペレーターなら、ボタンを押すだけで機械を動かせる」と言ったのは、文字通りの意味です。ソフトウェアの変更により、オペレーターが何をしたいかに応じて、ボタン一つで電源設定を調整できるようになりました。

標準より10〜15%速く切削したいなら、ボタンを押すだけでソフトウェアが発生器設定をすべて調整します。逆に、金曜夕方で帰宅時間なら、ボタン一つで機械を保守的/エコモードに切り替えられます。この場合、ワイヤー速度が大幅に低下します。

以前ならこの設定は部品精度を悪化させたとオスティーニ氏。「しかし、この設定に合わせて発生器技術を開発したおかげで、同じ精度を維持しながらワイヤー消費量を30〜35%削減できます。」ダイシンク側にも同様のワンボタン自動化を追加しました。

GFMSはまた、スコープとレニショー・プローブを用いた測定・検証機能をEDMに追加し、オペレーターがジョブを正しくセットアップしたか確認できるようにしました。切削後、プローブとスコープで再度検証してからワークピースを取り出せます。

「例えば、CUT 1000シリーズにはIVU（統合ビジョンユニット）と呼ばれるシステムがあり、切削された形状を測定し、部品を機械から取り出す前に正しく切削されたかを知らせます」とオスティーニ氏。「ダメならその場で修正するか、スクラップにします。」

ベルモント・イクイップメント・アンド・テクノロジーズは、顧客が現在または将来望む自動化レベルに合わせた様々なモデルを提供。「完全なロボットターンキーシステムから、後から簡単に追加できるよう機械的変更とプレ配線を施した設計まで、幅広いソリューションを用意しています」とティル氏。

インダストリー4.0とデータ分析

熟練オペレーターの確保が難しい中、インダストリー4.0の要素の一部が運用効率を高めることで差を埋めています。インダストリー4.0の目的の一つは、機械データを収集・分析して問題を特定できるようにすることです。

「多くのお客様は、プロセスの知見を得て、いかに効率的に機械を運用できるかを分析するためのデータフィードバックを求めています」とティル氏。「それにより、問題が発生する前に特定できます。分析側を担うオフラインソフトウェアパッケージがいくつかあり、フィードバックに必要な接続確立をお客様と共に進めています。」

トラブルシューティングはインダストリー4.0の鍵だとオスティーニ氏も同意。「何かが見えたら、次は『なぜ』を知りたくなります。そこが分析をより直感的にする必要があるポイントです。」同氏は、工場オーナーが機械の切削時間と非切削時間を比較し、午後4時頃に非切削時間が長いことに気づき、原因を探る例を挙げます。

「そこで他のデータを見る必要が出てきます」とオスティーニ氏。「メンテナンス中か、アラームで停止中か、オペレーターが段取り中か。」インディアナ州のある企業がこれを実施し、週中に一貫した落ち込みがあることに気づきました。データを見ると、交代勤務の引き継ぎ時間でした。前のオペレーターがジョブを機械に残し、次のオペレーターが内容を把握していなかったため、把握に時間がかかっていたのです。その結果、同社は各シフトに15分ずつ重ね、2人のオペレーターで引き継ぎできるようにしました。1年後のコスト試算では、追加人件費を考慮しても10万ドルの節約になったそうです。

フロートセンサーで漏液防止

ソディックはEDMをロボット対応にするとともに、ドロップタンクドアで人のアクセスもより便利にしました。この機能はワイヤーEDMのALNシリーズとダイシンクのAGシリーズに搭載されています。

「自動化の観点で特に有用です。人が物理的にドアを開ける代わりに、ドアが十分低いためロボットが入り込んで工具やワークピースを交換できます」とシバーソン氏。

ドアは多段式の壁が互いに降り込む構造のため、タンクを半分だけ開けられます。これにより、タンクを完全に排水してドアを全開にせずともワークピースにアクセス可能。また、ドアにはフロートセンサーが付いています。「加工中はタンクに作動液が満たされますが、満タンの状態でドアを下げたくありません。水位が高すぎると、水位でストップしてそれ以上下がらないため、誤った漏液を防ぎます。」

AGダイシンクシリーズには、冷却付きリニアモーターと、最大2000rpmで回転可能なC軸オプションが搭載されています。

マキノでは、新型機がより自律的に動作可能です。オプションで、ダイシンク用自動工具交換装置、ワイヤーEDM用自動ワイヤー通線システムなどがあり、無人運転時間を延長できます。より高度な自動化では、ロボットでワークピースを交換して機械稼働率を向上させ、1台のロボットで複数台の機械を担当することも可能です。

新しいHyperConnectは、機械を社内ネットワークに接続した際にリモートアクセスとネットワーク通信を改善する4つの機能を提供します。EDM Mailでは、機械停止などのステータスをメールで通知し、機械ダウンタイムと生産損失を最小化。EDM Viewerでは、PCやスマートデバイスから機械制御をリモート監視・アクセスでき、無人運転中に機械がどこで何をしているかを正確に「見る」ことができます。Machine-to-Machine Viewingでは、自分の作業エリアを離れずに、ネットワーク上の他のHyper-i制御を機械制御画面から直接閲覧可能。PC Viewerでは、ネットワーク上のPCのプログラムとデータを機械の24インチ（610mm）ディスプレイでアクセス・表示でき、Microsoft Officeや専用CAD/CAMソフトなど、機械操作に必要なあらゆるタスクをHyper-i制御から実行できます。

前述のE-Tech Doctorに加え、マキノはHyper-i制御システムに、内部プローブ不要のワークレベリングを含む複数の缶詰ピックアップサイクル、測定検証、機械稼働率トラッキングとレポート機能などを開発しました。

「稼働率トラッキング機能の狙いは、現在のプロセスの有効性と効率を監視するために必要なツールを工場に提供することです。これは多くの工場で共通の弱点です」とフルーガー氏。「この新しいトラッキングツールにより、24時間365日の機械稼働率を測定し、改善領域を特定できます。」