CAD/CAMソフトウェアで部品ハンドリングを加速：セットアップ時間短縮と効率向上の最新機能

ツールパス改善、ジョブセットアップ時間短縮、デジタル工具ライブラリとの連携、機械シミュレーション・検証・解析ツールの向上に焦点

ほぼすべてのCAD/CAMベンダーに注力点を尋ねると、5年前も今日も、そして5年後も同じ答えが返ってきます。「いかに速く部品を工作機械に載せ、いかに速く取り外すか」です。この2つの主要領域における現状をお伝えします。

近年、CAD/CAMソフトウェアには効率向上とジョブセットアップ時間短縮のための様々な変更が加えられてきました。しかし、シーメンスPLMソフトウェア（テキサス州プレイノ）のNX CAM製品開発ディレクター、ヴィンセント・パラダイス氏の言葉を借りれば、「特効薬はありません」。同氏は、事前定義テンプレートの活用や、CADファイル内の製品製造情報（PMI）の活用増加を含め、自動化が最も重要な支援になると語ります。

「公差や仕上げ要求など、CAMで下流工程で活用できる情報をCADモデリングプロセスに常に追加しようとしています」とパラダイス氏。「スマートなデジタルモデルを読み取れれば、要求公差に基づいて加工方法を自動的に選択できます。」

オープンマインドテクノロジーズUSA（マサチューセッツ州ニーダム）のマネージングディレクター、アラン・レバイン氏も、マクロを通じて工場のベストプラクティスを蓄積し、CAMプログラミングを自動化する価値を強調します。「例えば、深穴ドリル加工を特定の方法、異なるペッキングステップと送りで行いたい場合、これらのプロセスをマクロとして保存すれば、プログラマーが毎回同じ手順を踏む必要がありません」と同氏。同社ソフトウェアはマクロの分類も支援し、検索と適用を容易にします。また、プログラミングアシスタントモジュールが、工場ごとに異なるが特定の工場内では標準化されているセットアップタスク（ゼロポイントの設定場所など）を自動化します。

オープンマインドのhyperMILLソフトウェアに搭載されたhyperCAD-Sモジュールは、点、曲線、面、ソリッド、ポリゴンメッシュを容易に選択できるようにすることで、NCプログラマーのCAD向けタスクを高速化します。要素の追加、削除、変更、表示、非表示が素早く行え、すべての機能がNCプログラマーのタスクに特化しています。さらに、治具の位置決め機能も含まれ、ユーザーが加工している部品のどの面にも合わせて調整可能です。例えば、クランプジョーを最適な位置へ直線的または放射状に移動できます。

同様に、オートデスク（カリフォルニア州サンラファエル）のPowerMillとFeatureCAM製品マーケティングマネージャー、マーク・ガズデン氏は、FeatureCAMユーザーが工作機械を段階ごとにプログラミングする必要がないことを指摘します。「代わりに、『旋削』『穴あけ』『ボルト』といった日常的な現場用語でプログラミングします。これらの用語から必要条件を認識し、指示なしで自動的に適切な回転数とトルクを採用します。」

ガズデン氏はまた、FeatureCAMの「指示型自動フィーチャー認識（DAFR）」機能を強調します。「穴、ボス、側面、ポケットを単一ワークフローで自動認識し、プログラミングを高速化します。標準的なAFRがアクティブなZ軸でモデルをスライスし、下方向に進みながら完全なフィーチャーを生成するのに対し、DAFRでは認識開始前にユーザーが希望するフィーチャーを選択できます。プログラミング時間を最小化し、サイクルタイム削減に貢献します。従来にない試みとして、DAFRは旋削プロジェクトでも使用可能です。インデックス角度の選択オプションがあり、Z軸移動回数を減らして切削を高速化します。」

3Dシステムズ（サウスカロライナ州ロックヒル）の製品マネージャー、ダニエル・レメナック氏も、フライス加工を超えたプログラミング支援について語ります。「GibbsCAMのMTM製品は、複数の主軸でフライス、旋削、その他の操作をプログラミングし、部品の全面にアクセスできるマルチタスクマシン向けの完全な加工ソリューションを提供し、同期と自動ワーク搬送操作を支援します。これにより、ワンセットアップでの無人加工が可能になります。同様に、GibbsCAMのトンブストーン管理システムは、1つまたは複数のジョブをトンブストーン治具に自動レイアウトし、次のトンブストーンを機械外でセットアップしている間、機械をフル稼働させられます。」

CNCソフトウェア（コネチカット州トーランド）のシニアマーケットアナリスト、ベン・マンド氏（Mastercam開発元）は、ほとんどの工場が多様な顧客から多様な形式で部品ファイルを受け取ることを指摘します。「そのため、我々の大きな焦点は、機械技師向けのCADツールを開発し、部品を準備してより速く機械に載せることにあります。穴埋め、治具作成、表面やソリッドの修復など、データが破損していたり不完全だったりすることがよくあります。」マンド氏は、設計者が部品モデリング時に考慮しなかった状況に機械技師が直面することも多く、これが機械技師に特化したCAD機能を提供するもう一つの理由だと述べます。

シミュレートするか、無視するか

3次元加工シミュレーションは巨大なプログラミング支援となり、進化し続けています。ロボットローディングやスライドドアのロゴまで含め、工作機械全体をシミュレートします。加工の観点からは不要かもしれませんが、マンド氏が観察するように：

「オペレーターは工具を金属の塊に突っ込みます。精度への信頼を高められることは何でも良いことです。そして検証全体への信頼を植え付ける優れた方法です。」複雑なマルチタスキングマシンでは、あらゆる詳細をシミュレートすることが重要になります。そうでなければ、プログラマーが衝突を予見し回避するのは困難だからです。

レメナック氏も、CAMベンダーがシミュレーション対象の範囲を広げていることに同意します。「プログラマーが、補間旋削、ねじホイリング、ポリゴン旋削、ブローチ、さらには金属積層造形プロセスなど、新しいタイプの加工に対して正確なシミュレーションを求めているからです。」

シーメンスのパラダイス氏は興味深い観察を述べます。「CAMシステムは長らく、プログラマーに提供していた以上にツールパスについて多くのことを知っていました。しかしここ数年、ツールパス情報をずっと多く表示するようになりました。」例として、工具角度の表示、残材厚みの表示、問題がある場合はその箇所へプログラマーを直接誘導する機能などを挙げます。

「どれも当たり前のことのように聞こえますが、かなり新しいことです」と同氏。「プログラマーが何が起きているか理解しようとしたり、優れた仕上げを得ようとしたりする際、これらは非常に重要になります。」自動衝突検出はCAMパッケージの一般的な属性でしたが、どこでなぜ衝突するかをプログラマーが容易に特定できるわけではありませんでした。パラダイス氏によれば、これは変わりつつあります。「ユーザーにより正確な情報を提供し、より良い加工操作の作成を支援しています。」

CNCソフトウェアのマンド氏は、モーションのカラーコーディングが役立つと付け加えます。「一目で送り速度、モーションタイプ、使用工具タイプがわかります。」パラダイス氏の見解に同調し、現代のCAMは検証のための広範なツールパス解析ツールとプログラムの出力結果、さらに「モーションの一片を深く掘り下げ、それを支える数値を見る」ための解析ツールの両方を提供すると述べます。「それほど頻繁には必要とされませんが、必要なときには重要です。」

逆に、あえて正確に見せない方が良い場合もあります。マンド氏によれば、CADからCAMへの移行は、機械技師が部品のコーナーのRなどのフィーチャーを一時的に抑制して加工を容易にできる機能によって支援されます。

パラダイス氏によれば、CADモデルの詳細度を減らしながら、その領域のフィーチャーを加工するようCAMプログラムに指示すると有利な場合もあります。「モデリング時間を節約できます。ファイルサイズを削減できます。そしてCAMを自動化できます。すべて同じプロセスで。」この最後の例は、オートデスクと同様に、シーメンスPLMもNXで完全なCAD/CAMパッケージを提供していることを思い出させます。

最後にパラダイス氏は、すべてのCAMシミュレーションが等しく正確でシームレスなわけではないと主張します。「NX CAM内部でシミュレーションを駆動するのは、工作機械に送られる最終的なGコードです。ポストプロセッシングがシステムに組み込まれています。したがって、パスをプログラミングすると即座にGコードが生成され、それを使ってシミュレーションを駆動します。」

パラダイス氏によれば、ほとんどのCAD/CAMパッケージは機械加工シミュレーションにサードパーティ製品を使用します。「自分のポストプロセッサからGコードをエクスポートし、別のシステムにインポートしなければなりません。そのシステムで工作機械モデル、ワークホールディング、切削工具を再現する必要もあります。そこでGコード駆動シミュレーションを実行します。設計変更や問題があればCAMシステムに戻り、変更し、サイクルを繰り返す必要があります。NX CAMでそれらすべてをオンザフライで行えるのは我々だけです。」

部品を速く取り出す

カッター直前の材料を体積解析し、最適送り速度を自動プログラミングする機能は、サイクルタイム短縮の追求においておそらく最もホットなトピックです。すべてのCAMプロバイダーが異なる名称と操作・軸構成のバリエーションでこの機能を提供しています。Mastercamでは「ダイナミックモーション」と呼ばれます。マンド氏の説明では、ソフトウェアが「工具の切り込みを常に変化させ、チップ負荷を一定に保ちます。」

わかりやすい例は、直線部では高速で、コーナーでは減速することです。従来のプログラミングでは、コーナーで工具が耐えられる送り速度を設定し、それを外周全体に適用していました。

目標は、物理的に可能な限りワークに食い付いたまま加工することです。これにより、従来の荒加工やトロコイド加工（部品の一部分を切削し、ループして別の小部分を切削する）と区別されます。上から見たダイナミックモーションのツールパスは混沌として見えるかもしれませんが、チップはサイズと形状が一定です。また工具にとっても良く、離脱と再食い付きが工具摩耗に寄与するからです。

マンド氏は、もう一つの理想として、工具の切削面をできるだけ多く使い、深い軸方向切り込みをとることを挙げます。「従来加工より少し浅い半径方向切り込みですが、一連の深い半径方向切り込みで段階的に切り下げるより、深い軸方向切り込みと浅い半径方向切り込みの組み合わせの方がはるかに速いのです。」

マンド氏は、ほとんどのCAD/CAMパッケージに同様の技術があることを認め、「過去数年で複雑な荒加工と2D仕上げの標準的な方法になった」と述べます。「普遍的に有益なツールパスタイプの創造にこれほど近づいたことはありません。古い機械と一流でない工具を使う工場でも、加工時間を50〜60%削減した例を見ています。」

オープンマインドのアプローチは、セレリティブテクノロジーズ（カリフォルニア州ムアパーク）からVoluMillキットの基本ライセンスを取得し、スライシングによる多段階深さ切削、セクショニング、衝突チェックなど独自の手法を追加したものです。このカスタマイズを考慮し、製品名を「Maxx Machining荒加工」として区別しています。

レバイン氏によれば、最もユニークな点は五軸加工への拡張です。「タイヤ金型や航空機エンジンケーシングのような形状部品がある場合、五軸荒加工パスで提示できます。従来のCAMでタイヤ金型のような曲面を加工すると、大量のZカットを行い、表面に多くの階段状段差が残ります。五軸で高能率荒加工を適用すると、形状に沿って変形し、仕上げパス用に一定量の残材を残します。プロセス全体がスムーズになり、多くの中間クリーンアップカットを省略できます。」

マンド氏によれば、Mastercamは最近ダイナミックモーションを五軸荒加工と旋削に追加し、ガズデン氏はPowerMillの新しい「自動工具軸傾斜」が「あらゆるモデル形状とツールパスタイプに対して滑らかで安全な五軸モーションを生成する単一ソリューションを提供し、五軸プログラム作成を三軸コードと同じくらい容易にする」と語ります。

GibbsCAMもVoluMillを使用し、レメナック氏は切削時間と工具寿命の劇的な改善を評価します。「最近の進歩では、これらの高能率フライスアルゴリズムで得られた教訓を旋削に応用し、GibbsCAM 12で利用可能なVoluTurnのような新世代の旋削ツールパスが生まれました。これらの新しい旋削ツールパスは、高い材料除去率を実現しながら機械と工具へのストレスを低減し、切削品質と工具寿命を向上させます。」

非切削時間の削減

現代のCAMは、リフトオフ高さとリフトオフ距離の両方を削減することで、非切削時間も自然に最小化します。「リフトオフ高さは些細なことのように聞こえますが、大型部品では大きな違いを生みます」とパラダイス氏。同氏は、切削・非切削両パスの移動をスムーズにすることの重要性にも着目します。

「非切削モーションを扱う簡単な方法は、機械に停止、リフトオフ、次の加工エリア上空へ高速移動、再停止、降下、食い付きを指示することです。数回の移動なら問題ありませんが、長期間加工する部品では、全く同じ位置でメカニクスに数千回もの同じ動作が繰り返され、機械を傷めます。遅くもなります。適切な曲線を計算し、両端に加減速を組み込むのが最善の方法です。例えば、大手顧客が非切削パスをスムーズにしただけで、数百台の機械でサイクルタイムを10%短縮しました。」

非切削時間のスムーズ化には、高度な制御装置や高価な機械は不要です。経済的な機械の生産性を高める簡単な方法です。また機械の摩耗も減らすため、機械寿命も延びます。

その他の注目すべき進歩

オープンマインドのhyperMILLに新搭載された3D最適化荒加工サイクルは、高送りカッター（浅い切り込みで大きなステップオーバーをとるカッター）を用いるアプリケーション向けに強化されました。ステップオーバー距離は、高送りカッターの形状に対するカスプハイトの測定値から計算でき、大きなステップオーバー時にコーナーの残材を除去する特別なツールパス移動が可能です。

レバイン氏によれば、秘訣はカッター底面の形状を精密にモデリングすることです。「他のソフトウェアは高送りカッターをコーナーラジアス付きブルノーズカッターとして近似します。実際の高送りカッター底面には大きな実効半径があり、我々はそれをそのままモデリングします。」

メリットの一つは、ソフトウェアがカッター形状のどこに余裕があるかを知っているため、壁際ギリギリまで加工できることです。カッターを平底で近似するシミュレーションでは、実際には接触しない箇所で接触と判断されます。レバイン氏は、カッター形状のモデリングにより、隣接カット間距離の計算が改善され、表面品質の制御が可能になったと付け加えます。

高送りカッターに限らないオープンマインドのもう一つの機能は「インテリジェントカット分割」です。例えば、ワークのある区間で4.1インチ（104mm）の材料除去が必要で、プログラマーが1.0インチ（25.4mm）ステップオーバーを指定した場合、最後の切削が非常に薄くなります（この例よりさらに薄くなることも）。非効率なだけでなく、材質によってはこのような薄切りが非常に有害になるとレバイン氏。「そこで、指定ステップオーバーを上書きし、総ステップ数に基づいて再計算することで、すべての切削が同等の材料を除去するオプションを提供しています。」

最後に、多くの企業が「サークルセグメントエンドミル」やその他の新しい円錐バレル工具設計の活用を可能にしています（「新工具設計がこれまで以上に高速な切削を実現」、ME Tooling & Workholding号、2018年春号参照）。レバイン氏の説明では、これらの工具は最大1,500mmの実効半径を持ち、6mmや8mmのステップオーバーを実現し、サイクルタイムを90%以上削減しながら優れた仕上げ面を得られます。「隣接する丸みを帯びた内部コーナーなどの領域でカッターを交換する必要がなく、手の届きにくい領域も効率的かつ安全に加工できます。」

ガズデン氏によれば、3年前にある顧客と提携し、バレル工具を用いた非常に複雑なブリスクの五軸加工を最適化し、フライスサイクルタイムを200時間から35時間に短縮しました。「83%の削減です。工具コストも72%削減しました。」

もう一つの改善領域は3Dプリントです。オートデスクのガズデン氏は、減算と加法のプロセスを組み合わせたマシンの利用可能性が高まっていることを強調します。「これらのハイブリッドマシンは部品製造のあり様を変えるでしょうが、加法プロセスは単なる減算プロセスの逆ではないため、CAMソフトウェアにとってプログラミングの課題となります。このことを念頭に、オートデスクはPowerMillに専門ツールを追加し、高速加法製造プロセスのプログラミング、制御、シミュレーションを可能にしました。」