シミュレーションソフトウェア：より安全で高速なCNC運用のための視覚的検証

「赤ボタン（非常停止）」を押す日々に疲れたら？ シミュレーションソフトウェアがより安全で短い機械セットアップの鍵です。

理想的なCNCの世界では、最初の部品はいつも良品です。余分なブランクやバー材は不要。セットアップ時間は、わずかな工具交換と新プログラムのロードに必要な分だけ。クラッシュはnever起きず、非効率なコードを書き直す必要もありません。オペレーターはグリーンボタンを押すだけで、数分〜数時間後に完成ワークピースが飛び出します。

この世界を可能にする魔法のテクノロジーとは？ それは「シミュレーションソフトウェア」と呼ばれ、上記のような製造のニルヴァーナ状態に至った工場はごくわずかですが、その方向への重要な一歩です。

プログラマーに、ツールホルダ、主軸、タレット、常に変化するワークピース、それを貫く切削工具など、加工プロセスのすべてをシミュレートする能力を与えることで、ソフトウェア開発者たちはバーチャルワールドを、グリーンボタンが押された瞬間に起こるすべてを高精度に予測するものへと変えています。結論は明確です：貴社の工場がNCプログラムの検証にツールパスシミュレーションソフトウェアを使っていないなら、貴重な生産時間を無駄にしているだけでなく、高価な工作機械と安全記録をリスクにさらしています。

保険をかける

「でも、うちのCAMソフトにはシミュレーション機能があるはず」と思われるかもしれません。現行システムで仕事ができるなら、なぜ追加投資が必要なのか？ Mastercam開発元CNC Software Inc.（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・マンド氏によれば、それを行う非常に良い理由があるかもしれません。

「今日のほとんどのCAMシステムは、大半の加工アプリケーションに十分なレベルのツールパスシミュレーションを提供しています」と同氏。「これと専用シミュレーションソフトウェアの違いは、CAMパッケージは原則として、工作機械で使用される実際のポストプロセス済みGコードを読み取らないことです。このため、スタンドアロンのツールパスシミュレーションは、極めて高価値なジョブや複雑な加工アプリケーションに、追加のセキュリティ層を提供します。保険をかけるようなものです。」

製造業の他のすべてと同様、CAMソフトウェアもますます高機能になっており、それは加工プロセスのより多くのシミュレーション能力を含みます。かつては切削工具とワークピースの粗いワイヤーフレームモデルが標準でしたが、Mastercamなどは今や、ワークホールディング、ツールホルダ、さらにはCNC本体まで含め、加工環境全体を驚くほどリアルに表現します。

マンド氏はこの発展を、CADとCAMの徐々なる融合に例えます。かつては完全に別製品だった二つが、今日ではCAMが非常にCAD的になり、逆もまた然りです。

「多くの工場は、CAMパッケージが必要なすべてを行うため、スタンドアロンCADシステムを必要としなくなりました」と同氏。「機械とツールパスシミュレーションソフトウェアでも非常に似た状況です。CAMは同じ深さの検証を提供しないかもしれませんが、また、その追加のセキュリティレベルを望まない限り、仕事はこなせます——そして常に進化しています。」

パワーアップ

オートデスク（カリフォルニア州サンラファエル）のPowerMill製品マネージャー、クレイグ・チェスター氏はマンド氏の評価に同意します。「我々の顧客のごく少数しか専用シミュレーションパッケージを使用していません。CAMシミュレーションの信頼性に自信があるからです」と同氏。

スタンドアロンパッケージに投資する少数の顧客は、複数のCAMソリューションを、おそらく異なるサプライヤーから使用しており、単一の専用ソリューションが一貫した結果を提供するためだとチェスター氏は説明します。これらは一般的に大手顧客、例えば航空宇宙や防衛企業で、フライス旋盤複合機、五軸マシニングセンタ、放電加工機などに異なるCAMパッケージを使用している傾向があります。

皮肉なことに、スタンドアロンシミュレーションソフトウェアの最大の利点——機械Gコードを読み取る能力——が、アキレス腱にもなり得ます。

「CAMプログラム外部でシミュレートするデメリットは、部品がプログラミングされた後にしか問題を発見できないことです」とチェスター氏。「加工プロセスの早い段階でエラーがあれば、その後の多くのツールパスを再プログラミングする必要があります。しかしCAMプログラム内ですべてをシミュレートすれば、これらの不要でコストのかかる再計算を回避できます。」

しかし待ってください。オートデスクのCAMおよびハイブリッド製造グループ製品管理ディレクター、トム・マッコロー氏は、内蔵シミュレーションがプログラマーにツールパス変更の効果を迅速に判断させることに同意しつつ、これが多くの企業にとって万能解ではないと付け加えます。

「非常に大型の自動車用金型で、数週間かけて荒加工と中仕上げを行った最終段階で、ストックに衝突し、部品と主軸の両方を損傷する状況を想像してください」と同氏。「これは当該ジョブだけでなく、キューにある他のジョブ（他の顧客のもの）にも悪影響を及ぼします。潜在的インパクトは巨大であり、高付加価値部品のメーカーが、独立したソフトウェアから『セカンドオピニオン』を得ようとする動機になります。」

シーメンスのNX CAMにおけるGコード駆動シミュレーションは、工作機械を駆動するのと同じNCプログラムを使用します。高精度シミュレーションにより、企業は失敗を排除し、部品品質を向上させ、機械稼働率を高められるとシーメンスは述べます。

ソリッドで検証

ダッソー・システムズ（マサチューセッツ州ウォルサム）のDELMIAロールマネージャー、ジャン＝マルク・コーザック氏も同様の推奨をします。同社のCAM製品も、他のソフトウェアプロバイダーと同様に、クランプ装置、チャック、ジョー、インデックスヘッドを含む工作機械の完全な3D表現を備えた、精密でリアルなシミュレーション機能を提供します。

コーザック氏によれば、これは大半の部品メーカーにとって十分です。なぜなら、ほとんどの衝突問題は機械コード生成のずっと前で（そしてそうすべきで）排除できるからです。「統合システムでは、プログラム定義の非常に早い段階で、アクセシビリティと到達性の課題をすべてチェックできます。これには、材料への高速移動や過度にアグレッシブな切削パラメータといったツールパスエラー、前述の要素間の衝突可能性も含まれます。」

しかしコーザック氏は、統合CAMシミュレーションにはある意味で限界があると指摘します。ツールパスを作成するソフトウェアからのシミュレーションを信用したがらない顧客もおり、ソフトウェアベンダーが裁判官と陪審員の両方を務めることはできないと懸念するからです。

施設で複数のCAMソリューションを使用している場合、CAMソフトウェアへの正確なインターフェースを持つ単一の外部シミュレーションプログラムが、均質な検証を提供できるため好まれます。

専用シミュレーションソフトウェアは、ほとんどの制御装置で使用される缶サイクルとサブルーチンを考慮しない傾向がある、ツールパス指向のCAMベースシミュレーションより包括的であることが多いです。

外部シミュレーションソフトウェアの賛成論がある一方で、コーザック氏は統合システムの方が速く、エラーが少ないと示唆します。「すべてのシミュレーション用3D要素が同じソースを持つため、完全なデジタル連続性を提供します。二つのシステム間でデータ転送する必要がなく、追加の労力と情報損失の可能性がありません。」

フォースを使え

マスターカムのベン・マンド氏が前述したように、機械コントローラで使用されるコードを読み取ることは、スタンドアロンと統合シミュレーションソフトウェアのおそらく最大の差別化要因です。このテーマについて語るのにふさわしい人物は、CGTech Inc.（カリフォルニア州アーバイン）のVERICUTツールパスシミュレーション・検証ソフトウェア製品マネージャー、ジーン・グラナタ氏です。

「サードパーティシミュレーションの価値を、不要だ、オーバーキルだと主張して否定しようとする人々がいます」と同氏。「しかし、工作機械と加工プロセスのデジタルツインを実現するには、五軸補正、工具長と治具オフセット、マクロとサブルーチン、ポジショニングモード時の切削工具の実際の動きなど、CAMシステムからの内部指示でシミュレーションを構築する際には考慮されない要素を含める必要があります。」

機械工場がこのレベルのシミュレーション精度を必要とするかどうかの議論が続いている中、グラナタ氏は彼らが必要とするものを素早く指摘します：最適化。「熾烈な競争の中で、ビジネス継続はしばしばカミソリのように薄い利益率にかかっています。そのため、ツールパス最適化への大きな焦点があります。」

グラナタ氏にとって、最適化とはCAM固有のルーチン（効果的なポケットクリアリングと一定チップ負荷に焦点を当てたもの）のことではありません。それらは加工方程式の必要な部分ではありますが。より重要なのは、ワークピース材料と使用切削工具を前提に、工作機械が何ができるかに基づいてツールパスを最適化する方法を見つけることだと言います。

ここにForceが登場します。VERICUTスイート内のソフトウェアモジュールで、ツールパスシミュレーションとCAMソフトウェアの双方を補完します。箱にどのロゴがあっても関係ありません。

「これはインダストリー4.0プログラミングインテリジェンスの全く新しいレベルを代表し、CGTechと他のソフトウェア開発者たちは、この能力の表面をかすめただけです」と同氏。「すべての切削工具メーカーが、自社工具をもっと酷使できると語り、最適化がそれを達成する最良の方法です。」

Gコードを読む

スタンドアロンと統合シミュレーションの間を跨ぐ立場にあるのが、シーメンスPLM Software Inc.（テキサス州プレイノ）です。同社はCGTechの最も初期のパートナーの一つであり、今日もその役割を継続しています。しかし、シーメンスのシニアディレクター（先進部品製造担当）、ヴィンス・パラダイス氏が説明するように、同社は独自のシミュレーションアプローチを開発することを決め、それをNX CAMソフトウェアの不可欠な一部としました。

「優れたCAMシステムはたくさんあり、すべてが何らかのレベルのツールパスシミュレーションを提供していますが、複数のレベルがあることを認識することが重要です」と同氏。「ストックモデル、切削工具、たぶんツールホルダが互いに相対的に動くのが見える基本シミュレーションがあります。これをツールパス検証と呼び、有用ですが、あくまで出発点です。」

一歩進めると、真の機械シミュレーション、つまりCGTechのグラナタ氏が言及し、シーメンスの誰もが熟知する「デジタルツイン」があります。「これが今日我々が焦点を当てているものです」とパラダイス氏。「先ほど説明した基本を超え、独自のキネマティクスと相対運動を持つ加工セットアップのすべての側面を含みます。多くのCAMシステムが今日これを示しますが、我々が異なるのは、NCコードをオンザフライでポストし、NX CAMでシミュレーションに使用することで、『両方の長所を兼ね備えた』ソリューションを提供している点です。」

パラダイス氏は次のアナロジーを提示します：航空機パイロットになりたいなら、汎用フライトシミュレーションソフトウェアを使うフライトシミュレーターで学ぶのと、実際の飛行機の制御環境をより忠実に再現するもので学ぶのと、どちらが良いでしょうか？ 「実際のGコードを使用するCAM統合シミュレーションは後者に非常に似ており、加工プロセス中に何が起こるかを最も完全に再現する方法です。」

春へ前進

Spring Technologies Inc.（ボストン）、今年テクノロジーソリューションプロバイダーのヘキサゴンに買収された同社も、CNC機械シミュレーションと検証ソフトウェアの開発元です。ジェネラルマネージャーのシルベール・プロイジー氏は、ツールパス最適化とGコード検証のメリットについて同僚たちと意見を共にしますが、これらのソフトウェアシステムを検討している人々へのいくつかの追加考慮事項を加えます。

第一に、シミュレーションは高度に複雑な工作機械や高価な部品を持つ工場だけのものではありません。「もちろん主要顧客はマルチチャネル旋盤と五軸マシニングセンタを持つ企業ですが、NCプログラムを最適化したい工場が増えており、これには基本的な二軸・三軸機械を持つ工場も含まれます」とプロイジー氏。「どの資本設備もクラッシュさせる余裕はありませんが、この不幸な出来事が起きたとき最も影響を受けるのは中小規模工場です。我々のNCSIMULソフトウェアはそのリスクを排除します。」

CGTechのVERICUTツールパスシミュレーション・検証ソフトウェアによるツールパス最適化は、予測切削力に基づき、工具寿命向上とチャタリングにつながる振動の排除を支援します。

ツールパスシミュレーションでは、プログラマーは常に工具がどこにあり、次にどこへ向かうかを把握できます。Mastercamモジュールでの例です。

スタンドアロンシミュレーションソフトウェアの使用が時間かかりエラーを招くとする批判者に対し、プロイジー氏は自動化をツールパスシミュレーションの次のステップとして見るよう勧めます。ショップフロアネットワークに接続されたサーバーにNCSIMULをインストールすることで、ツールパスファイルを「ブラックボックス」に送り、自動的に検証させることが可能です——問題がなければ、Gコードが実行可能であることを知らせるメールレポートを読むだけで済みます。これは自動化への道の第一歩に過ぎません。

プロイジー氏によれば、同社ソフトウェアは現在、NCプログラムを他の工作機械用に再処理でき、「ボタン一つで」実行可能です。今後は、どの機械にジョブが割り当てられたかに基づき、そのステップを自動的に処理する柔軟でスマートなインターフェースを構想しています。

「第三のポイントは接続性です」と同氏。「ヘキサゴンとの提携により、工作機械のセンサーからデータを取得し、それらの値を使ってプログラムをオンザフライで更新できるようになることを期待しています。工具長オフセットや治具位置、主軸負荷と振動のフィードバックかもしれません。まだIndustry 4.0のその段階には至っていませんが、確実にやってくるものです。」

シミュレーションパズルを完成させる

CAMplete Solutions Inc.（オンタリオ州キッチナー）のセールス&マーケティングバイスプレジデント、ジェフ・フリッチ氏もIndustry 4.0とIIoT（産業用IoT）に照準を合わせます。同社のTruePathソフトウェアは「統合3D環境で五軸ツールパスの解析、修正、最適化、シミュレーションに必要なすべてを提供し」、LiteとTurnMill製品はそれぞれ三軸フライス盤と旋削複合旋盤向けに類似機能を提供します。

Industry 4.0機能の観点では、CAMpleteのIntelligent Protection System（IPS）が製造コミュニティの進む方向を最も明確に示しています。工作機械メーカーの松浦機械との提携で開発されたIPSは、TruePathのシミュレーション能力を活用し、インプロセス機械データに基づくインテリジェントな先読みを提供します。結果として、手動運転モード中でも実質的にクラッシュフリーな機械環境を実現するとフリッチ氏。

ダッソー・システムズのDELMIAのような精密な加工シミュレーションは、複雑なフライス旋盤複合機とマルチタスキングマシンの使用増加に伴い、これまで以上に重要になっています。

他のシミュレーションシステムと同様、TruePathはGコードを読み取り、機械で安全に実行可能か検証します。「しかし一日の終わりには、オペレーターが実際に適切な工具を主軸に入れ、部品が正しい位置にあることを誰も保証できません」と同氏。

IPSはTruePathと連携してこの潜在的問題を排除します。CAMシステムの様々な値に頼る代わりに、機械コントローラへ直接高速光ファイバー接続があり——オフセットやマクロ値について仮定する必要がなく、リアルタイムで読み取られ、問題の位置に達する前に機械を安全に停止させます。

まだ他の機械ブランドでは利用できませんが、IPSは拡大中です。インテリジェントな機械プロービングも開発中で、部品を測定し、適切なオフセットを作成し、公差外状態を修正するために必要なプログラム部分を自動的に再実行します。

「これは人間オペレーターが行うことと変わりませんが、ソフトウェアで行っています」とフリッチ氏。「今、機械が自動フィードバックに頼って意思決定できるよう、このロジックを構築中です。最終的に部品品質を向上させながら、サイクルタイムと運用コストを削減します。工場は1つの良品を作るために2〜3個加工したり、測定のために部品を機械から取り出したりする必要はありません——最初の部品が良品で、すべての人的介入なしに。それが我々の目標です。」