自動化計測ソフトウェアがスマート製造を推進

スコット・ローウェンが学校を卒業してから久しいが、彼は今でも「科学プロジェクト」に取り組んでいる。これは、部品を測定し、その結果得られたデータで補正値を決定し、それを旋盤、フライス盤、その他の工作機械に自動的にフィードバックする概念実証プロジェクトを、ローウェンが冗談めかしてそう呼んでいるものだ。

ミシガン州ウィクソムのツァイス インダストリアル クオリティ ソリューションズでソフトウェアおよびアクセサリのプロダクト マネージャーを務めるローウェンのこの継続的な科学プロジェクトは、「計測データから工作機械への完全自動補正を容易に実現できる」という仮説を完全には支持していないものの、ツァイスは自動化ソリューションの開発を続けている。Capture 3D Inc.（ツァイス傘下）、レニショー、ベリサーフ ソフトウェアなど他社も、計測データを用いて工作機械へのさまざまなレベルの自動補正を行うソリューションを提供している。

こうした取り組みは、ローウェンの業務の一部として継続されている。

「自動フィードバック システムに必要な接続を構築するための時間投資は、工作機械への自動フィードバックによるペイバックを大きく上回ります」と彼は語る。「依然として、適切なデータを確認し、工作機械への適切なフィードバックや補正を行うエンジニアの配置が必要だと考えています」

これは製造エンジニアの雇用維持には良い知らせかもしれないが、次の疑問を投げかける。計測プロセスをスマート製造に完全に統合できるのか？ それとも計測は、つながり、データ駆動型で自動化された新しいものづくりの世界において、従来のプロセスに留め置かれるのか？

自動補正アクション

イリノイ州ウェストダンディのレニショーは、「レニショー セントラル」という製品をソフトローンチしている。これは、工作機械プローブ、ツールセッタ、イケイター ゲージング システム、三次元測定機（CMM）からの機械ステータス、アラート、測定結果などの情報を扱う製造データ プラットフォームだ。

このプラットフォームにはアプリケーション プログラミング インターフェース（API）があり、ユーザーは情報を取得し、ERP（企業資源計画）システムやカスタマイズされたダッシュボードなどの他のソフトウェア システムにデータを連携できる。

「お客様が測定データを取得し、ツール オフセットやワーク オフセットなどの事前設定された自動補正アクションを生成するという大きな進化が見られます」とレニショーの工作機械ソフトウェア マネージャー、ブランドン・ゴラブ氏は語る。「ユーザーは測定への対応方法と、補正アクションを伝達する工作機械を設定します」

これを可能にしているのが「インテリジェント プロセス コントロール」という機能拡張だ。これは一連の通信プロトコルで、顧客が測定シナリオへの対処方法を指定できる。その結果、必要に応じて製造プロセスや工作機械へのオフセット設定やインテリジェントな調整が自動的に行われる。

レニショー セントラルには、機械ステータスと測定結果を表示する標準ダッシュボードを提供する可視化機能もある。履歴データ分析にも活用できる。

ソフトローンチ期間中は、測定デバイス 1 台につき工作機械 1 台の構成だが、ゴラブ氏はレニショー セントラルが連携できる機械台数に上限はないと考えている。

「レニショー セントラルに加え、工作機械自体がデータを収集するだけでなく、単一機械アーキテクチャ内でクローズドループ製造フィードバックを実現する製品も複数用意しています」と同氏。

新人や経験の浅いオペレーター向けに設計された「Set and Inspect with Program Builder」は工作機械上で使用し、オフライン ソリューションの「Productivity+」もある。Set and Inspect は、部品セットアップ、部品検証、治具ロード検証、切削・測定・切削（オペレーターが半仕上げパスを実行し、結果を測定してから測定データに基づき仕上げパスを実行）といった作業に使用される。「これらすべてをソフトウェアで設定できます」とゴラブ氏。Set and Inspect はレニショーの Reporter ソフトウェアとも連携し、データをレニショー セントラルにフィードバックできる。

「Productivity+ は CAD モデルを使用して Inspection+ と同様のプログラムを生成しますが、CAD 駆動型のためプログラマーにとってより簡単です」とゴラブ氏。「個々の機械レベルでのデータ活用という点では、Inspection+ と非常に似ています」Inspection+ は、CNC コントローラレベルで動作する G コードを記述できる経験豊富なユーザー向けのマクロベース計測ソフトウェアだ。

レニショーの計測技術は予知保全にも活用できる。Productivity+ のデータと、毎秒数千ポイントを測定して部品表面状態を評価する同社の Sprint センサーを組み合わせることで実現する。

「工具が摩耗すると、通常ワーク表面にウェービネス（うねり）が見られます」とゴラブ氏。「これは工具性能の直接測定であるため、主軸負荷などの間接的手法よりも工具摩耗の優れた指標となります」

判断を設計者へシフト

クローズドループ製造は、Capture 3D のゼネラル マネージャー、リック・ホワイト氏にも馴染み深いが、より具体的には「アダプティブ マシニング」と呼ばれるクローズドループ技術だ。「スキャン データの結果に基づき、CNC マシニング センター内でクローズドループを構築します」と同氏。「アダプティブ マシニング ソフトウェアは、CAD モデルに到達するために何をすべきかを判断し、問題を修正するための新しい工具パスを自動的に生成します。これはリアルタイムで、人的介入なしに行われます」

ホワイト氏は、GOM の非接触 3D 計測ソリューションの米国主要パートナーである Capture 3D の CEO を務めていたが、2021 年 10 月に同社がツァイスに買収された。

アダプティブ マシニングへの活用に加え、Capture 3D の全視野 ATOS 3D スキャニング技術のデータは、GOM ソフトウェアによるデジタル組立解析にも供給できる。「航空宇宙および自動車のお客様は、世界中の工場から送られてくる部品をデジタルで組み立て、物理的な出荷前に適合性、アライメント、仕様を確認するために当社技術を活用し、大きな成功を収めています」とホワイト氏。「これにより、問題の修正や変更への準備をより迅速に行え、コスト削減と製品投入の迅速化に貢献しています」

例えば、自動車 OEM が自社工場、ベンダー、ティアサプライヤーからハングオンパーツの計測データを受け取った際、それらがどこにあっても、ボディインホワイトのデジタルモデルを用いて協働的なデジタルプロセスでコンポーネントの適合性を判断できる。さらに、全視野データはデジタルツインのために数百万の精密なデータポイントを提供する。「そして素晴らしいのは、これが実際に機能し、かなり成功していることです」とホワイト氏。

データフローを活用するもう一つの手法がモデルベース定義（MBD）だ。「MBD とは、測定コールアウト、プロセス、バラツキ、GD&T（幾何公差）が最初から CAD モデルの一部となり、PMI（製品製造情報）とともに GOM ソフトウェアにインポートされることを意味します」とホワイト氏。「設計者が部品を設計する際、その部品の公差情報も同時に盛り込みます。すると計測システムがその情報を持ち、何を検査すべきか、どのコンポーネントが公差内か公差外かを判断できるようになります」

これにより、工程の下流にいる検査員から設計者へ「何を測定するか」という判断がシフトする。設計者の方がグローバルな視点を持つため、その情報を最もよく理解しているという考えだ。部品同士が協働するように設計されており、同一部品内であっても公差は普遍的ではない。

「MBD を計測ソフトウェア内で正しく読み取るには、汎用的な標準化が必要です」とホワイト氏。「QIF（品質情報フレームワーク）がその架け橋になることを期待しています」と同氏。QIF はデジタルでの品質情報共有のための統一 XML フレームワーク標準だ。さらに、「組織によって導入スピードは異なりますが、全体的な上昇トレンドが見られ、これが未来だと考えています」と付け加えた。

デジタル計測標準コンソーシアム（DMSC）は、寸法計測の発展を支えるデジタル計測標準の重要なニーズに応えるため QIF を策定したとホワイト氏は説明する。DMSC のウェブサイトによると、QIF 3.0 計測標準は 2020 年 8 月に ISO によって採択・承認・発行され、新たな ISO 標準 ISO 23952:2020 となった。

「皆にとって合理的なフォーマットの標準化には賛同しています」とホワイト氏。「主要 CAD ソフトウェアベンダーの代弁はできませんが、これが標準になれば彼らも採用せざるを得ないでしょう」

スキャン メッシュへの MBD 追加

「ボイングは MBD を要求しており、大手航空宇宙企業すべてが要求しています」とベリサーフの社長兼 CEO、アーニー・ハステッド氏は語る。同氏は MBD を「時間とコストの節約になる」と評する。「多くのティア企業はまだ慣れていません。図面慣れしているからです」

「主要 CAD ベンダーが標準機能として MBD を実装したのはここ数年のことです。これで適切な GD&T 公差でモデルに公差指定ができ、そのファイルをサプライヤーに送れば図面は不要になります」

CAD モデルに MBD 情報があれば、ベリサーフ ソフトウェアは埋め込みデータを使用し、あらゆる CMM、アーム、トラッカー、スキャナで検査計画を自動化できる、とハステッド氏。「工作機械プロービングを行う場合、ツール オフセットの調整プロセスがあります。工作機械にはカッタ補正と工具摩耗補正があり、工具が摩耗すれば内径・外径特性に応じてオフセットを調整し、特徴を大きくまたは小さく加工できます。工具摩耗への自動調整は可能ですが、工具が破損したら交換が必要です」

ユーザーはベリサーフのソフトウェア開発キット（SDK）で特別なアプリケーションを作成し、意思決定を支援できる。例えば、部品が公差外ならアプリが機械のツールマガジンに予備工具がある場合の工具交換を支援する。ロボットを制御して工程内検査や他の自動化プロセスを行うルーチンも作成可能だ。

ベリサーフ ソフトウェアのユーザーは、CAD モデルがない場合でもスキャン メッシュに MBD を追加できる。「部品をスキャンしたら、メッシュの表面をクリックして板厚を取得できます」と同氏。2021 年 11 月、レニショーとベリサーフは北米企業がレニショー経由でベリサーフ CMM ソフトウェアにアクセスできる契約を締結した。

製造エンジニアが最もよく知っている

ツァイスのローウェン氏は、自動化が急速に進んでいるものの、製造現場には依然として貴重な人的判断が必要だと警鐘を鳴らす。

「当社の経験では、自動化を困難にする現実的なエンジニアリング変数が多すぎます」とローウェン氏。「形状が公差外になった理由、実際に何が悪かったのか、どう修正すべきかを判断するには、人間の頭脳を持つ製造エンジニアが必要だと結論づけました」

工具摩耗は理解しやすい理由の一つだが、寸法が公差外になる主因になることは稀だ、と同氏。工具摩耗だけが理由なら自動化に同意するが、現実には部品が仕様を満たさない理由は十数個あるという。

「保持治具が部品を歪ませたり、十分にクランプできていなかったり。工具が切削中に一軸方向で不安定にたわんだり、素材自体が公差外だったり。それこそがエンジニアが学校で学ぶこと、つまり『どうすればより良い部品が作れるか』です」

自動化ソリューションの構築に見合うペイバックを妨げているのが、製造業者がより短いロットでより多様な部品を生産する現在のトレンドだ。

「自動車サプライヤーに『この部品を今後 7 年間作り続けるなら、自動化をエンジニアリングしましょう。10 億個作るなら時間投資に見合います』と提案できます。しかし多くのお客様は小ロット生産です」

ツァイスはローウェン氏の仮想的な自動車サプライヤー例のようなエンジニアリング ソリューションを提供している。しかし、より短いロットで多様な部品を扱う顧客やその他の顧客向けには、PiWeb というエンジニアリング ツールがある。これは製造エンジニアが公差外部品を分析・特定するだけでなく、なぜ公差外なのかを突き止めるツールを提供する。

「部品が公差外の場合、なぜ公差外なのかを仮説立てし、それを裏付ける証拠が必要なのは通常、製造エンジニアです」とローウェン氏。「PiWeb なら部品データベースを検索し、工作機械、日時、ロット番号でフィルタリングして統計的傾向を確認できます。データだけでなく部品自体の視覚化ツールも優れており、寸法と座標から工作機械のどの軸を補正すべきかを把握できます」PiWeb はツァイスの計測ソフトウェア Calypso から直接データを取得する。他の計測ソフトウェアのデータでも、QDAS、DMO、QIF などの一般的なファイル形式なら読み込み可能だ、とローウェン氏。

ローウェン氏は、業界が計測データと工作機械の自動補正による自動化ソリューションに向かう必要性を理解している。これらがより簡単かつ迅速に導入できるようになれば、より広く受け入れられるだろう、と同氏。そのためにローウェン氏と同僚たちは、さらに多くの「科学プロジェクト」を実施し続けるだろう。