センサ搭載切削工具制御：工作機械を主流へ導くインダストリー4.0の鍵

インダストリー4.0とIIoT（産業用モノのインターネット）イニシアチブの成功の鍵は、工作機械、さらには切削工具自体に、より多く、より優れたセンサが登場していることにある。これらのセンサは、データと接続性を提供し、「未来の工場」の基盤を形成する。

しかし、これは決して未来の話ではなく、今日すでに様々な「スマートセンサ」が利用可能だ。それらはデータを収集し、工作機械の健全性と金属切削プロセスの状態をオペレータに示す。この進化は、ワークの位置と完成品の幾何学的形状のますます精密な測定、およびプロセスで使用される工具の構成と制御を通じて達成される。

Manufacturing Engineering誌は、複数の業界専門家にセンサベースの切削制御システムの現状を評価してもらい、また未来の機会を特定するための「水晶玉」を覗いてもらった。

現在と未来：成熟度のスペクトラム

センサベースの制御と最適化の領域において、我々は「絵に描いた餅」から「成熟製品」までの連続体のどこにいるのか？ 答えは「ケースバイケース」だ。

「基本的な測定とアダプティブ制御については、我々は学習曲線のかなり先まで進んでいます」と、マーポス社の研削製品プロダクトマネージャー、フランク・パウエル氏。「工作機械には多様なインプロセスセンサとトランスデューサを装備できます。第一段階では、これらのセンサは機械保護に利用されます。システムは、予期せぬ力の歪みや潜在的な衝突に対し、オペレータの1000倍の速さで反応できるからです。技術は、ワーク位置と完成品の幾何形状のより精密な測定、およびプロセスで使用される工具の構成と制御を通じて進化しています。」

インダストリー4.0の観点では、切削工具のデジタル製造技術は、成熟製品よりも「絵に描いた餅」に近いと、サンドビック・コロマントのサイレントツール担当テクニカルセールススペシャリスト、ニール・マンソン氏。「我々は業界のパラダイムシフトの崖っぷちにいます。実際、我々の会社ではセンサベースのインテリジェント切削工具への最初の飛躍をまさに始めたところです。」

バッドアックス・ツーリング・ソリューションズのジョー・ボランスキー氏はやや異なる見方を示す。「製品は実証済みで、学習曲線のかなり先まで進んでおり、画期的な方法で適用可能です。我々の場合、実証済みの科学に基づき、工作機械物理の限界において全く新しい方法でソリューションを提示するフライス加工用製品を導入しています。」バッドアックス・ツーリング・ソリューションズは、3社の米国企業（ブライニー・ツーリング・システムズ、フラートン・ツール、ブルースワーフ）によるアライアンスだ。

「我々は開発曲線の真ん中あたりにいると考えます」と、オークマアメリカのプロダクトスペシャリストマネージャー兼テックセンターマネージャー、ウェイド・アンダーソン氏。「基本的な設備効率と周辺機器との通信能力については、すぐに使えるオフザシェルフのソリューションが多数存在します。しかし、人工知能（AI）と拡張現実（AR）技術はこれからの分野です。」

工作機械から生成される膨大なデータを考えると、アンダーソン氏が言及する「これからの技術」は不可欠だと、プレモのエンジニアリング担当バイスプレジデント、アンディ・ヘンダーソン氏は語る。「自動化の世界では、1970年代以来『物理的』な進化が続いてきました。次のフロンティアは『精神的』な進化——AIと機械学習（ML）を用いてデータに知性を付加することです。継続体上では、これらの技術は成熟しており、個人・消費者向け分野（Google、Amazon、Facebookなど）で継続的に使用されています。これらの技術を用いたソフトウェア、例えばRazorが、機械加工現場でAIとMLの価値を実現するのを支援しています。」Razorはプレモの製品で、データソースに接続し、情報を収集し、洞察と推奨アクションを提供して、設備ダウンタイム削減、生産プロセス最適化、リスク管理のための先制的アクションをユーザーが取れるよう支援する。

センサが支配する

専門家全員が、センサが果たす重要な役割で一致した。「測定されるものは管理される」という古い格言がある。誰が言ったかは定かではない（ケルビン卿説、ピーター・ドラッカー説あり）が、工作機械を制御・最適化するあらゆる試みが、切削工具がワークと接触する「重要な接点」における高速・高精度・高信頼なデータに基づかなければならない事実を突いている。

技術的に言えば、アダプティブ制御のためにデータを収集・分配・分析する技術は、現在のインダストリー4.0やIIoTへの関心が高まるずっと前から利用可能だった。歴史的に、インプロセス計測装置は60年以上前（例：マリオ・ポッサティの研削中部品検査ゲージ）に遡る。しかし、センサにおける大きな進歩は、ずっと最近になってからだ。

最近の技術革新

その一つが、切れ刃摩耗を自動補正するボーリング工具だ。「CNC工作機械がいかに高度であっても、ボーリング工具の切れ刃摩耗を自動補正することはできません」と、リジボア社社長、アンソニー・バセット氏。「我々のバッテリー駆動『ActiveEdge』工具は、ボーリング工具切れ刃のインプロセス寸法調整を自動化します。ワイヤレス技術を用いて単一工具上の複数の切れ刃径を遠隔調整し、プロセス性能を最適化し、オペレータ介入の必要性を排除します。」

フライス加工領域で新境地を開くのが、バッドアックス・スマートツールのアセンブリとソフトウェアシステムだ。バッドアックスは、試行錯誤を物理学に置き換え、工作機械起動直後に「スイートスポット（最適安定域）」を即座に捉えるとする。特定の機械、主軸、ツールホルダ、工具の組み合わせにおける固有の振動周波数パターンを測定し、同社の特許アルゴリズムと解析により、機械が動作すべき最適安定域を計算する。結果として、個々の機械に最適化されたソフトウェアインターフェースを備えた、オフザシェルフのプレバランス済み・組立済みツールホルダと工具が提供される。

「誰もが、振動とチャタリングが高速加工の主要な制約要因であることを知っています」とボランスキー氏。「通常、オペレータは試行錯誤で適切な送り、速度、切込み幅、切込み深さを探します。多くの場合、性能の壁にぶつかったと思っても、実際には直感に反するセットアップ——はるかに高い金属除去率が可能な領域——にチャタリングフリーな運転域が存在します。そのセットアップを、ステップオーバー、溝切り、コーナー加工にかかわらず、起動直後に製品が即座に定義します。基盤技術は、ボーイング・ファントム・ワークス、米国防総省などの組織によって、ジョブのROIを大幅に向上させることが実証されています。」

バッドアックスは、様々な機械とアセンブリの組み合わせに関する大規模データベースを構築中だ。顧客の機械がデータベースにない場合、1回のテストでそのセットアップダイナミクスを特定できる。

インプロセスセンサからインツールセンサへの移行を果たしたのが、サンドビック・コロマントとその「SilentTools+」インテリジェント切削工具だ。「SilentTools+は、オペレータが通常『盲目』で行わざるを得ない長い突き出し加工において、プロセスへの巨大な洞察を提供する防振工具ソリューションです」とマンソン氏。

「ハイテク施設での長突き出し加工は、切削先端までプロセスを制御したいという要望があるため困難です」と同氏。「我々はSilentToolsの内部にセンサを埋め込み、Bluetoothでグラフィカルインターフェースと通信することで、オペレータが密閉された機械内部、深いボアの内部で『目と耳』を持てるようにしました。さらに、切削先端がセンターにあるかどうかを判定し、迅速かつ容易なセットアップを可能にする機能も備えています。」

SilentTools+システムを用いると、工具たわみ、チャタリング、切削力、工具負荷、温度をリアルタイムで監視できる。「これらすべての領域への洞察により、スクラップ率の低減と生産性向上が実現され、実質的なコスト削減につながると考えています」とマンソン氏。

情報だけでなく「制御」へ

一部のセンサ出力は情報提供のみだが、付加価値が生まれるのは、センサ信号が処理され、部品品質と工具状態の制御に用いられるときだ。メーカーは工具パスと加工時間を最小化し、仕上げ面品質を向上し、機械寿命を最大化し、複雑な形状、薄肉、中空シリンダー、細長いシャフトといったより困難な部品を効率的に加工できるようになる。

アンダーソン氏はこう語る。「オークマ監視システムは良い第一歩です。プロセス固有のニーズにカスタマイズ可能な最大64の異なる入力を取り込めます。ある顧客は、機械ダウンタイムを測定し、OEE（総合設備効率）データを分析することで、オペレータが他の場所で手一杯の際に機械を停止させていた単純な原因を特定しました。監視システムを使えば、オペレータに潜在的な問題を警告し、予防措置を取れるようになります。」

プレモのヘンダーソン氏は、製造成功への道は、金属切削アプリケーションで工具が生成するデータの山を越えるところにあると信じる。「これらのデータは最適化のための貴重な『原材料』です」と同氏。「我々のRazorソフトウェアのデータ分析アルゴリズムは、膨大なデータをふるいにかけ、人間がスプレッドシートで決して見つけられない相互関係とパターンを見つけ出します。AIとML技術を用いてモデルを開発し、オペレータと管理者がデータ駆動型の明確な結論に極めて速く到達し、それに基づいて行動できるようにします。知性は人工的ですが、製造現場の人間のアプローチを極めて忠実に模倣します。唯一の違いは、膨大なデータ量に圧倒されないことです。データ収集期間が長く、データ量が多ければ多いほど、Razorは学習し続けます。」

実証された能力

今日のシステムは、切削プロセスを維持し、何かが正しくないことを予期し、オペレータや機械に是正措置を通知する能力を実証していると、マーポスのパウエル氏。「通知のみにするか、自動アクションを取るかは顧客が決めます」と同氏。「技術的には、自動制御のための多くの能力がありますが、一部のケースでは活用されていません。」

マーポスの新システム「BLÚ」は、研削盤とその他の工作機械での50年以上の経験の集大成だ。工作機械監視とプロセス制御アプリケーションを単一システムに統合し、リアルタイム工具・プロセス監視、アダプティブ制御、クラッシュ緩和を、高速処理とサンプリング時間で実現する。パウエル氏によれば、「BLÚは、セットアップ、手動、自動のいずれのモードでもオペレータを支援するよう、工作機械とほぼシームレスに統合されるように設計されています。」

システムの中核は、機械キャビネット内に収められたマスターノードだ。バス構造を持ち、オンマシン計測、音響放射監視、ホイールバランス（研削）、工具退避、その他の機能用ノードを接続できる。

ゼニスシステムは、ボーリング作業用のクローズドループ自動システムだと、リジボアのバセット氏。「従来システムは純粋に機械的で、ボーリング機械への継続的なフィードバックがありません。ゼニスは、工具が所望の量だけ調整されたことを機械制御にフィードバックし、確認します。この位置センサフィードバックにより、不良品の加工を防ぎます。」

この技術はどこまで行けるか？

「デジタルやセンサベースの切削工具ソリューションに、必ずしも『エンドゲーム（最終到達点）』は見えません」とサンドビック・コロマントのマンソン氏。「現代の機械加工現場と製造施設では、今後5〜10年で、コンシューマー製品の道を辿るように、センサと切削工具へのIIoT活用がよりユビキタス（至る所にある）になります。我々にとっての自然な進展は、SilentTools+をCNC工作機械の制御系に統合することです。現在はライブプロセスビューを持つスタンドアロンシステムですが、工作機械メーカーとCAMソフトウェアパートナーと協力し、スタンドアロンから機械制御・プロセス統合へ移行を図っています。」

オークマのアンダーソン氏も同意する。「技術、そして何より技術の『実装』が、新たな技術を生み出します。数年前、車のオートディミングルームミラーは馬鹿げていると思いました。今では、それがない車は買いません。同様に、我々の業界でも新技術が、代替的進歩のための新市場を開拓するでしょう。」

マーポスのパウエル氏も、エンドゲームはないべきだと同意。「主要なパラメータと変数をすべて監視する技術は整っています。確かに改善の余地はあり、より高速・高感度なセンサ、センサデータをより速く賢く処理するソフトウェアの開発に日々取り組んでいます。10年以内に、機械加工現場をより効率的・生産的にするゲームチェンジャー、技術的ブレイクスルーが少なくとも1つはあるでしょう。ゲームが変われば、我々も変わります。」

バッドアックスのボランスキー氏は、自社が「今まさにゲームチェンジャーを持っている」と考える。「開発のペースは加速しています。顧客は5年も10年も待ちたくありません。我々の製品は効率を再定義し、工作機械を物理の限界で動作させます。次のステップは、我々のツーリングアセンブリを方程式から外し、独自の振動センシングとデータ解析を機械とそのロジックに直接埋め込むことです。」こうして、機械はオペレータの試行錯誤なしに、常に最も高度に最適化された状態でのみ動作するようになる、と同氏。

リジボアのバセット氏によれば、「CNC制御による超硬工具の自動発注、オペレータ介入の更なる削減、単一拠点からの調整、別プロセス稼働中にソリッドモデルをCNC機械へ入力」などが開発目標だ。「今日直面している最大の限界は、異なるCNC工作機械メーカーと機械コントローラメーカー間の互換性のなさと標準の欠如です。」結局、プロプライエタリなアプローチは成長を制限し、新機能を容易に追加したい顧客にとっては最終的により高コストになる、とバセット氏は結論づける。

プレモのヘンダーソン氏によれば、一部の人々は「無人製造（ライツアウト・マニュファクチャリング）」、すなわち人間の介入なしをエンドゲームと定義する。「個人的には、ライツアウトは『世界平和への探求』に似ていると思います。製造業にとって、目指すには魅力的な概念だが、多くの状況で達成可能ではありません。工具に内蔵されたセンサとツールネットワーク、データをシームレスに収集・整理・分析するソフトウェア、ファクトリーインテリジェンスの源としてネットワーク化された工作機械——これらは我々をそのライツアウト工場に大きく近づけます。これは機械が人間を置き換えることを意味しません。人間を単調な作業から解放し、よりやりがいがあり、確実により生産的な仕事に従事させるものです。これは、マシニングセンタの手動制御を自動化したCNCの登場と似ています。それにより、人々はより安全かつ生産的に働けるようになりました。」