CNC効率を解き放つ：コネクテッド制御を導入せよ

インターネットとクラウドベースコンピューティングがCNC工作機械の運用を変える。あなたの工場は準備できていますか？

イーサネットポートがCNC旋盤とマシニングセンタに登場してから20年以上が経過。MTConnect工作機械通信標準が2010年シカゴIMTSで米国公式デビュー。その直後からクラウドコンピューティングと産業用IoT（IIoT）が語られるようになり、ドイツの経済学者クラウス・シュワブが2015年に「第4次産業革命」突入を宣言する論文を発表してから、これらの用語が主流になりました。

2021年へようこそ。工作機械オーナー、CNCプログラマー、製造エンジニアの皆さんには、過去20年間で工作機械業界が劇的に変化したことは明らかでしょう。CNC工作機械はかつてより遥かに賢くなり、ガラス扉の裏側で起きているあらゆることについて大量のデータを生成できるようになりました。製造ソフトウェアも賢くなり、世紀の変わり目には夢物語だった相互運用性とクラウドベース機能を提供しています。

この技術的進歩が良いか悪いかは議論の分かれるところです。現場はすでに十分厳しい——ビッグデータやスマート機械など必要ない、パーツを出荷するだけで精一杯だ、と主張する声もあれば、インダストリー4.0とそのすべてこそが製造業の明確な前進の道であり、受け入れない企業はまもなく淘汰される、と見る向きもあります。

FOCASの獲得

真実はその中間にあります。FANUCアメリカのF.A.エンジニアリングディレクター、ポール・ウェブスター氏（ミシガン州ロチェスターヒルズ本社）は、CNC工作機械がY2K以前からネットワーク/インターネット対応だったと指摘。この機能を無視している工場でも問題なく稼働し続けており、今後数年も続くでしょう。しかし、工作機械の接続性とそれによる加工プロセスの可視化が決して悪いことではなく、黒字案件と忘れたい案件の分かれ目になる可能性があることは、ほぼ誰も否定しないでしょう。

「FOCAS API（アプリケーションプログラミングインターフェース）を90年代初期に導入し、光ファイバーそしてイーサネットポートを搭載したため、CNC接続はかなり前から容易でした。難しいのは、どのデータが必要で、取得したデータをどう活用するかを判断することです」——ウェブスター氏

取得可能データ：アラーム履歴、送り速度とスピンドルオーバーライド設定、サーボモーターとスピンドル温度、消費電力、マクロ変数など、継続的・自動的に取得可能。さらに、ジョブ番号、生産ステータス、切削工具消費、部品品質情報などのオペレーター入力データを加えれば、あらゆる監視ソフトウェアのダッシュボードを一瞥するだけで、現場全体の完全な把握が可能になります。

FANUCの場合、ブランドに依存しない分析プラットフォーム「MT-LINKi」（1,000台以上のCNC同時監視可能）と生産監視プログラム「FASData」を提供。他のコントローラーメーカー、工作機械メーカー、切削工具サプライヤー、サードパーティソフトウェア開発者も類似ソリューションを提供。すべてが膨大なデータを収集し、人間が理解できる形で提示し、トレンドと潜在的問題を生産に悪影響を及ぼす前に察知・対応できるようにします。

クラウドのジレンマ

では、このデータと分析ソフトウェアをどこに置くのが最適か？ 専用ハードウェア/ソフトウェアスペシャリストが管理するオフサイトホスティング施設のクラウドか？ それとも社内IT人材を活用した「オンプレミス」設置か？

ウェブスター氏と本記事取材の他の専門家は、前者がより安全でコスト効率に優れることが多い一方で、多くの工場が部品プログラムと生産データの社外流出を懸念している点で一致。ハイデンハインの機械事業開発ディレクター、ギスベルト・レドヴォン氏（イリノイ州シャウムバーグ）も、同社のStateMonitorソフトウェアは顧客の希望する場所にインストール可能だが、可能な限りオンサイト導入を推奨すると述べます。

「我々の哲学は、顧客が知的財産を保護すべきであり、それは工作機械とソフトウェアシステムを適切にセキュアされた社内ネットワークに接続することを意味します。ショップがハッキングされ、身代金支払いを強いられた事例は多数あります。通常はメール経由で、工作機械コントローラー経由ではありませんが、懸念は残ります。これがNTMA（全米工具機械協会）が、製造業者をサイバー犯罪から守るセミナーを始めた理由です」——レドヴォン氏

それでもレドヴォン氏は、クラウドは勢いを増す技術トレンドだと認めます。関連リスクを軽減するには、優れたITハウスキーピングが必要。工場ネットワークと外部の間に堅牢なファイアウォールを設置。CNCからクラウドへの直接接続を避け、外部ファイル/ソフトウェア/パッチをセキュアな社内サーバーにダウンロードし、ウイルス対策ソフトで検査してから配布。全コンピュータユーザーにパスワード管理、悪意あるメール/サイトの見分け方、企業情報保護を教育。リストは尽きません。

「コントローラーは工作機械の中枢神経であり、クラウドアクセスの利便性がインターネット露出リスクに見合うとは思いません。しかし、これがインダストリー4.0戦略の実装を妨げるものではありません。ぜひ工作機械をネットワーク接続し、分析用データ収集を開始してください。それにより、段取り時間短縮、サイクルタイム削減、工具寿命最大化、今日のCNCコントローラーとソフトウェアが提供するあらゆる利点を得られます」——レドヴォン氏

ネイティブな才能：デジタルツイン

インダストリー4.0のもう一つの構成要素はデジタルツイン。ここでは、CNC工作機械の仮想的かつ高精度・包括的な表現を指します。シーメンスインダストリーの機械事業デジタル化責任者、ビベック・フルタド氏（イリノイ州エルクグローブビレッジ）によると、デジタルツインはCNC機械の設計・導入を効率化し、最終的に製造業者の効率を高めます。

「当社のSINUMERIK Oneコントローラーは『デジタルネイティブ』として知られ、デジタルツインとその他のイネーブリングテクノロジーをゼロからサポートするよう構築されています。CNC工作機械メーカーが、旋盤やマシニングセンタのキネマティクスと動作特性をすべて含むバーチャルバージョンを作成可能。これによりエンジニアリング時間と開発コストを大幅削減し、エンドユーザーのニーズを満たす製品を保証します」——フルタド氏

デジタルツイン対応コントローラーは他にも多目的です。新入社員のトレーニングを高速化し、高価な工作機械をクラッシュさせるリスクを低減。見積担当者の精度向上、エンジニアの最適製造プロセス開発、CNCプログラマーのGコードと切削工具選定の事前検証を支援。現場では、拡張グラフィックスと高いユーザビリティで操作性を向上。

ハイエンドCAMシステムやPLMソフトウェアがあれば、高度なCNCコントローラーなしで同様のことが可能だと主張する向きもあるでしょう。確かにこれらのソフトウェアプラットフォームの能力は近年劇的に向上しました。しかし、デジタルツイン対応工作機械は、データ交換を強化し、相互運用性のループを閉じる重要なツールを機械工場にもたらします。

適応し、克服する

デジタルツイン以外でも、フルタド氏はCNCコントローラーがより知能的かつユーザーフレンドリーになり、スマートフォンユーザーにはお馴染みの機能・特徴を備えつつあると指摘。「かつて電話は通話専用でしたが、今や健康管理、情報検索、商品注文など何でもできます。新世代コントローラーも同様の機能性を提供。情報処理とデータ準備を、人間オペレーターや他システムがより効果的に活用できる形で実行します」

この知能は加工プロセスにも及びます。シーメンス、FANUC、カロン・エンジニアリングなどのサードパーティソリューションプロバイダーが、スピンドル・軸負荷、機械振動など切削工具寿命と部品品質に影響する要因を継続監視し、リアルタイムで加工パラメータを調整して切削量を最適化し、潜在的問題を排除するアダプティブ制御機能を提供。

ファゴール・オートメーション（イリノイ州エルクグローブビレッジ）もインダストリー4.0を視野に。北米ゼネラルマネージャー、ハーシュ・ビブラ氏によると、同社のARFS（適応型リアルタイム送り・回転速度）制御は上記すべてを実現し、さらにセンサーベース技術で予知保全にも活用可能。「i4.0接続パックも提供。加工データ収集に加え、状態ベースアラート送信、工作機械チューニング、ファームウェア更新、パラメータ変更などをモバイルデバイスやリモートコンピューターから実行可能」

最大のボトルネック

ビブラ氏は大きな変化を予見。IIoT対応センサーと加速度計の工作機械への搭載増、より知能的なコントローラーに加え、工場自体がスマート化。前述のアダプティブ機能を遥かに超える人工知能（AI）が普及し、本格的な無人化製造に必要な自動意思決定への道が開かれます。5G通信網の開発・展開により、これらすべてが文字通り加速。帯域幅増大とレイテンシ削減に加え、前述のハッキング懸念の緩和も期待。「将来のコントローラーは5G搭載で、生成データをエッジデバイスへ最大10Gbpsで無線送信可能。数年内に、製造現場からの情報収集を根本的に変革すると予想」

インダストリー4.0の課題は、先進技術を理解・運用できる熟練労働者の不足。製造業がよりテックサビーになるにつれ再教育が必要。しかし、従業員離職・定年退職による部族知識の喪失と経験損失の懸念は過去のものになるでしょう。

アプリストアへようこそ

オクマアメリカのエンジニアリング・テクノロジー担当VP、ジム・コスマラ氏（ノースカロライナ州シャーロット）は、今日の接続性向上の多くをPCベースコントローラーの採用に帰属。「多くの人が忘れがちですが、オクマは工作機械メーカーであると同時に、自社サーボシステムとコントローラーも製造しています。これらはMicrosoft WindowsとIntelチップで動作し、容易な接続性を提供します」

PCベースコントローラーなら、各種ソフトウェアをコントローラーに直接インストール可能。コロナ禍当初、オクマユーザーはMicrosoft Teamsで協業し、画面共有やリモートコントロールが可能でした。「それが我々の『アプリストア』のコンセプトです。ユーザーはOSPコントローラーに必要なものを直接ダウンロード・インストールでき、別途PCが不要。協業と接続性に全く新しい可能性を開きます」とコスマラ氏。

アプリの一つがオクマの「Connect Plan」。CNC工作機械の監視と運用データ収集が可能で、ほぼあらゆるブランド・世代の工作機械、ロボット、その他自動化に対応。コスマラ氏によると、Connect PlanはAIアルゴリズムで利用可能情報を分析し、人間が見逃すトレンドを特定します。

旋盤部門マネージャーが、数週間のデータ収集レポートとダッシュボードを見て、特定の旋盤が毎朝オペレーターのコーヒー習慣で10分遅れて起動すること、または出荷エリア近くの研削盤のスピンドル温度が搬入口開閉で毎回下がることに気づくシナリオを想像してください。AIならこれらのトレンドを人間より遥かに速く検知し、管理者が潜在的問題領域に早期対応可能。情報はデータベースに蓄積されるため、管理者が退職しても知識は失われません。

「デミングは『データなきところに、意見あるのみ』と言いました。IIoTとインダストリー4.0は、そのデータを収集し活用し、最終的に知識へと昇華させることです。それがこの旅の第一歩。今やバーチャル会議、どこからでも機械ステータスと生産レベルの確認、自動化をシンプルにするリモートツールが利用可能。プラントに行かずにそれができれば、さらに良し。すべては効率と機械稼働率の最大化であり、モダンなCNCコントローラーでより容易に実現できます」——コスマラ氏