次期ISO 230-13規格で工作機械QCを昇格——プロービング測定を品質管理へ

工作機械の品質管理（QC）は、深い変革の岐路に立っています。ドイツ・アーレンのAfM Technologyでプロダクトマネージャー兼アプリケーションエンジニアを務めるシュテフェン・ハイラー氏によると、間もなく発行されるISO規格（ISO 230-13）が、工作機械のプロービング測定を品質部門が受け入れ可能なレベルで校正するプロセスを定義します。

これは工作機械が常に典型的な三次元測定機（CMM）と同等の精度になることを意味しません。しかし、生産部門とQC部門が同じ言語を話せるようになり、工作機械の測定値がQCで使用可能になります。その結果、より良いプロセス管理と品質コストの低減というメリットがもたらされます。

体積誤差補正（VEC）は、工作機械が許容可能なQCを実行できるようにするおそらく最も重要な要因です。しかし、最終検査にオフライン設備を使用し続ける場合（一般的にそうでしょう）でも、VECの最新手法は複雑部品の高精度生産を確実にする最良の道筋を提供します。

例えば、メリーランド州ロックビルのAutomated Precision Inc.（API）オペレーションマネージャー、アート・キートリンスキー氏によると、同社の補正パッケージにより、多軸工作機械の体積精度が4〜5倍改善され、時にはそれ以上の改善が見られます。「校正前の工具先端での最大体積誤差が0.3〜0.5mmの機械が、校正後には約0.075mmになります。5軸機では、あり得る43の誤差すべてを対象に改善します。」［43の工作機械偏差については「Keeping Machines Honest with Advanced Calibration, Optimization」（Manufacturing Engineering、2019年6月）参照］

APIはレーザートラッカーと、同社が「アクティブターゲット」と呼ぶものを組み合わせてこれを実現しますと、製品管理・マーケティング担当バイスプレジデント、ロン・ヒックス氏は説明します。「アクティブターゲットはスピンドルに搭載された小型モーター駆動リフレクターです。レーザートラッカーが単一の機器位置から工作機械の工具先端位置を正確に測定できるようにします。」これは重要だとヒックス氏は指摘します。VECプロセスでは測定中にスピンドルが機械のすべての軸をリアルタイムで動くためです。標準的なレーザートラッカーリフレクターでは、ビームが機械の体積全体で様々な点で遮断されるため、これが不可能でした。ヒックス氏は「従来のレーザープロセスとは異なり、私たちのシステムは工作機械の主要軸に合わせる必要がありません。これはスピードと精度の面で劇的な利点があります……1日で2台の機械を補正できました。」と付け加えます。

APIのシステムは「あり得るすべての機械ポーズを測定する」とキートリンスキー氏は付け加えます。大きな機械体積（例：10m）では最大250点をプロットすることがあります。そこから独自ソフトウェアが、各軸に必要な誤差補正を計算する多項式の係数を生成します。キートリンスキー氏が説明するように、これは複雑な数学です。「誤差は必ずしも線形ではありません。二次または三次多項式を解く必要が生じる場合があります。」

カリフォルニア州パームデールのノースロップ・グラマン工場は成功事例の一つだとヒックス氏。同工場では大型5軸ガントリーマシンでF-35胴体のすべてのトリミングと穴あけを行い、APIが毎年各機械のVECを実施しています。一方、キートリンスキー氏によると、ロッキード・マーチンとイスラエル航空宇宙産業は横形マシンで翼セクションを加工しており、APIがそれらもサービスしています。

限界もあります。ミシガン州の高品質工具、プロトタイプ、少量生産部品メーカーへの最近の訪問は、注意喚起をもたらしました。

限界を理解する

キートリンスキー氏によると、そのミシガン企業はAPIを招き、すでに21誤差マップベースのVECを受けた5軸機でデモンストレーションを依頼しました。「これはほとんどの機械とCMMの標準です。」とキートリンスキー氏。これらすべての校正は、機械が剛体であると仮定します——つまり、その軸の体積を通じた移動全体で角度誤差が同じであると。例えば、X軸を体積のどこで動かしても、ピッチ、ヨー、ロール誤差を測定すれば同じ角度データが得られると。しかし、大型機械ではそうとは限りません。」これは通常、レールが平行でないためだと氏。これにより機械と駆動系にストレスがかかり、「負荷電流が上昇し、その他多くの問題」を引き起こします。

最初にキートリンスキー氏がチェックしたのは、レーザートラッカーを用いた直線軸の直線性で、1時間以内に完了します。直線性とピッチ、ヨー、ロール、直角度などの他の幾何学的誤差には通常直接的な関係があると氏は付け加えます。「直線でなければ、直角度を評価することさえできません。」このケースでは、最大200〜250ミクロン（0.010インチ）の誤差が見つかりました。APIは機械の完全なアライメントを実施しました——「ブリッジを緩めて機械的にスクエアに戻しました。それから21誤差補正マップを適用しました。この時点で……角度誤差が機械全体で同じになり、前回の校正から10倍の改善を達成しました。」

これは主に機械的アライメントの強化によるものだとキートリンスキー氏は強調します。「機械的にどれだけ正確にアライメントされているかで、校正結果が決まります。」逆に、「機械的にアライメントされていない機械を、ソフトウェアだけで何とかしようとしてはいけません。」

加工中誤差の補正

前述の限界内で、VECは機械の幾何学的不正確さを著しく改善できます。しかし、「作業中の不正確さ」——運転応力、熱的不安定性、その他の要因により加工中に発生する追加誤差——についてはどうでしょうか？ ミツイセイキ（USA）最高運営責任者、ビル・マランチェ氏は、不正確さの主な原因として「ロストモーション、熱、設計」を挙げます。「ロストモーションは多くの側面に影響しますが、幾何学的アライメントとフィットで要約できます。」VECが他の要因に対処する中で、熱的不安定性が加工中誤差の主要な発生源として浮上します。そして機械が大きければ大きいほど、実際と公称の工具位置の変動が大きくなる可能性があります。

この問題への一つのアプローチは、機械の内蔵プローブを用いてその偏差を計算し、補正することです。コネチカット州ウィンザーのSelect Machining Technologiesビジネス開発マネージャー、ダグ・シュルテ氏によると、彼らのSoraluceマシンは「資格球を複数のプリセットポイントでプロービングします。これは多くのヘッドと軸位置で行われます。ソフトウェアが測定点を機械のキネマティックモデルと比較し、機械の幾何学における工具中心点を確保するために必要な補正を行います。」Soraluceはこの機能をDynamic Head Calibration（DHC）と呼び、5軸機では一般的な機能だとシュルテ氏は言います。［Manufacturing Engineering 2019年6月号でOkuma版を紹介］

Soraluceマシンは一般的に複数の2軸ヘッドを備え、DHCは全測定サイクルで25〜30分かかります。これはVECと同様に定期的な加工前補正向けに設計されています。しかしSoraluceには、加工中の誤差をターゲットにし、わずか1〜2分で実行できるAccura Headsという追加機能があります。このオプションは同じプローブと測定球を使用しますが、加工プログラム内部で実行されるとシュルテ氏は説明します。

「部品上の特定の角度にあるフィーチャーを加工する場合、その角度が非常にクリティカルなら、Accura Headsルーチンを使ってその特定の向きでの角度と工具先端位置を検証できます。それからその1本の工具に対してオフセットを適用します。その操作を実行する直前にプローブサイクルを行います。」

シュルテ氏はまた、特定の機械設計でより厳しい公差が必要な場合、球を切削エリアに近い位置に取り付けるべきだと示唆します——機械のサイズに依存します。「Soraluceは縦方向移動量60メートル超のマシンを製造しています」と氏。そんなに遠くでは、外部影響により実際と公称の位置決めに偏差が生じるのは容易に想像できます。

加工とQCのハンドシェイク

「補正済み機械」を前提とすれば、オペレーターは工作機械のプローブをQC機能に使用する可能性を検討できます。新しいISO 230-13規格が要件を定義し、CMMの規格であるISO 10360を参照して行います。CMMを判断する主要仕様は最大許容誤差（MPE）値です。受け入れテストでは、ステップゲージまたはレーザーと測定球の組み合わせを用いて、7方向（4体対角線、X、Y、Z各1）を測定します。テストに合格するには、最大偏差（E₀）がMPEを超えてはなりません。

ハイラー氏が説明するように、新ISO規格は機械工具に対しても受け入れテスト手順と必要な値をCMMと同様に明確に定義しますが、これは機械メーカーにとって新しい概念です。「現時点では、どの工作機械メーカーも自社のMPEの大きさを知りません。そのような値を決定する手順を学び、それが何であるかを突き止める必要があります。これは私たちがOEMに提供するサービスの一つです。」一度ビルダーがある機械のこの値を決定し——CMM設置時と同様に現場で検証されれば——ユーザーは機械上で最終部品検査を行い、CMMに載せることなく部品を顧客に納入し、測定精度を文書化したレポートを添付できます。

機械工具のMPEがエンドユーザーにとって許容可能かは別の問題です。しかし、より高精度な機械であれば、少なくとも一部の用途では満足のいくQCを果たせる可能性が高いです。特に大型部品では顕著だと、ミツイセイキの研削製品マネージャー、ベアト・リース氏は指摘します。「超高精度を求める大型CMMには莫大なコストがかかります。数字は天文学的です。経済的なソリューションを提供できるところはないようです。」

さらにリース氏は言います。CMMや工作機械のMPEを知っているだけでは、航空宇宙や自動車の規格を満たせません。なぜなら、それらは「部品上の各測定や検証の横に不確実度値を要求するからです。」多くの人はMPEだけを機械の「精度」と考えますが、その数値は現実世界で発生する測定変動——および追加の不正確さ——を捉えていません。例えば、リース氏は説明します。「工場内の温度変動が異なる測定値を生みます。CMMのMPEが1.9＋L/250μmなら、計算上の不確実度は1メートルあたり3μmかもしれません。1メートル測定ならMPE値は5.9μm以内の精度を示唆します。しかし不確実度値を加えると、実際にはプラスマイナス8.9μm以内で測定していることになります。」

ミクロンを分ける

測定を極めて真剣に受け止めるショップの一つが、その名もふさわしいPrecision Grinding Solutions（PGS）、コネチカット州ハムデンです。オーナーのカート・リード氏は、不確実度測定を含めQCを確実に把握することが不可欠だと考えます——彼らはプラット・アンド・ホイットニーなどの大手OEMや、ティア1・2航空宇宙サプライヤー向けにジェットエンジン回転部品を研削しているからです。PGSはいくつかのプラット拠点のゲージ校正契約も持っています。

PGSにはZeiss PRISMO ultra CMMがあり、リード氏はこれを「リファレンスクラス」マシンと呼びます。このCMMはE₀ 0.5＋L/500μmを誇り、PGSは「古い方法の一つ」で不確実度予算を決定してきました。「既知のアーティファクト——例えば私たちが校正に関わっているプラットゲージの一つ——を取り、重要なフィーチャーを50回ほど測定します。このデータのばらつきを調べ、室温変化などの要因を考慮し、それらを長年の式に当てはめて不確実度数値を導き出します。」

今、PGSは測定不確実度をさらに正確に把握する新しい方法——Virtual CMM（VCMM）を導入しています。リード氏によると、VCMMはZeissのCalypso実行ソフトウェアパッケージのプラグインモジュールで、「レポートに別の列を挿入し、あなたが行うすべての単一測定の不確実度を表示できるようにします。」それだけでなく、レーザー校正では考慮されない他のすべての誤差も取り込むとリード氏は付け加えます。

PGSはこの取り組みに必要なデータ取得のためAfMと協力しています。リード氏によると、これは温度変動と振動の追跡を超えています。「例えば、長いスタイラスで細いシャフトを使っているか、短くて太いスタイラスを使っているかを考慮します。機械の曲げシグネチャーはどうなっているか？ 機械を測定するとき、実際のジオメトリ、スケール、ガイドウェイ……それらはどう見えるか？」AfMは、様々な球とステップを組み込んだアーティファクトセットを用いた一連の特別測定によりこれらを決定します。その後、エラーファイルがバックグラウンドで動作し、不確実度を決定します。

要約するとリード氏、「VCMMはシステム全体とラボの不確実度を調べる、より現代的で包括的な方法です。単一アーティファクトベースではありません。AfMが行うすべての測定を通じて修飾され、CMMの測定体積全体を修飾します——ゲージをテストした一つのローカルエリアだけでなく。」

完成すれば、新しいレポートは品質像を悪く見せるでしょう、とリード氏はコメントします。「より良い仕事をするからです、フィーチャーごとに。この機能をオンにすれば、すべてのプログラムで実行されるすべての単一フィーチャーの不確実度が見えます。ミクロン単位だった測定に不確実度を加えると、也许1.15ミクロンになります。しかし、システム全体の不確実度を真実に、フィーチャーごとに検証します。」

リード氏のシステムはすでに優秀です。PGSにはトップクラスのCMMがあり、ラボ温度は華氏1/3度以内で安定しています。しかし不確実度を制限するため他の投資もしています：「AfMのソフトウェアと測定アーティファクトを購入し、機械精度をより良く管理しています。Zeissサービスで使われているものと同一の700mmステップエッジも購入しました。我々の意図は、機械が常にどこにあるかを理解することです。」

PGSはOEMによる年次校正のみに依存しなくなります——それらは時間のスナップショットしか表さないからです。リード氏によると、それらの訪問には多額のコストがかかり、それでも一年中機械がどう動いているか疑問が残ります。「OEMが1年後に戻ってきて、『現状』校正がスペック外なら、その機械で受け入れたすべての製品が疑問視されます。そのリスクはもう取りません。CMMの週次、甚至は日次の検査を目指しています。」