マシン内プロービングによるCNC工具点検の自動化方法

PFT、深圳

抽象

自動工具点検は、現代のCNC加工、特に高精度・大量生産において不可欠な工程となっています。本研究の目的は、サイクルタイムを中断することなく工具摩耗および寸法精度を監視するための工作機械内プロービングシステムの有効性を評価することでした。方法としては、3軸垂直マシニングセンター内にタッチトリガプローブを統合し、制御ソフトウェア内で独自の点検サイクルを開発して実施しました。データは500回の加工サイクルにわたる反復的な工具点検から収集され、直径および長さの偏差を記録しました。その結果、自動プロービングにより手作業による点検時間を65％削減しながら、±2 µm以内の寸法精度を維持できることが示されました。オフライン点検との比較分析では、工作機械内プロービングは段階的なフランク摩耗の検出において特に、同等またはそれ以上の再現性を達成していることが確認されました。本研究の結論として、工作機械内プロービングはCNC環境における工具点検を自動化する実用的でスケーラブルなソリューションを提供し、工程の信頼性とコスト削減の両方を支援するといえます。

1 紹介

工具の摩耗や破損は、CNC生産において部品の寸法誤差や工作機械の停止時間の最も一般的な原因のひとつです。従来、検査はオフラインの装置（工具測定器や顕微鏡など）を用いた手動測定に依存してきました。これらは精度は高いものの、生産を中断し、労務費を増加させる原因となります。工作機械内プロービング技術は、加工サイクル内で直接工具の測定を自動化することによって、これらの課題に対応します。本研究では、工作機械内プロービングが工具検査を自動化するためにどのように実装可能かを調査し、設計方法論、性能結果、実用上の含意に焦点を当てます。

2 研究方法

2.1 設計コンセプト

検査システムは、垂直マシニングセンタのスピンドルに組み込まれた接触式プローブを中心に構築されました。プローブは各加工サイクルの前後に工具の長さと直径を測定するようプログラムされています。プロービングルーチンは標準のGコードマクロを使用して開発され、異なる工作機械間での再現性を確保しました。

2.2 データ収集

焼入れ鋼部品の500回のマシニングサイクルからデータが収集されました。工具の長さおよび直径の偏差はCNCコントローラーによって自動的に記録されました。工具プリセッターを用いたオフライン測定はコントロールグループとして使用されました。

2.3 装置およびモデル

• 機械: 3軸VMC、12,000rpmスピンドル

• プローブ: レニショーOMP60接触トリガ式プローブ

• テストに使用した工具: ø10mm超硬エンドミル、TiAlNコーティング

• ソフトウェア ファナック0i-MFコントローラー（カスタムプロービングサイクル付き）

このセットアップにより再現性が確保され、本手法を他のマシン構成に適応させることができます。

3 結果と分析

3.1 工具長さ測定

図1は、工作機械内プロービングとオフラインプリセットの比較を示しています。結果は±2 µmの最大偏差を示し、両方法の間に有意な差は見られませんでした。

3.2 工具直径の測定

表1は500サイクルにわたる測定された工具直径の偏差を示しています。工作機械内プローブは、すり減りによる徐々な減少を一貫して検出しました。

表1 500サイクルにわたる工具直径の偏差 (µm)

データは機械内プロービングが手動方法と比較して時間短縮のうえで同等の精度を提供することを確認しています。

3.3 時間効率

手動検査は工具ごとに平均45秒を要した一方、自動プロービングはこれを15秒に短縮し、65％の時間短縮を実現しました。

4 考察

結果から、機械内プロービングは多くのCNC用途においてオフライン工具検査を置き換えるか補完する可能性があることが示唆されています。その有効性は、工具取扱いによるセットアップ誤差を排除しながら加工環境内で直接工具を測定できる能力に起因しています。一方、限界としてはプローブの較正要件や高冷却液環境における信号干渉の可能性が挙げられます。ただし、大多数の大量生産シナリオにおいては、利点がこうした制約を上回ります。本調査結果は、機械内プロービングが広く採用されることで、ダウンタイムを大幅に削減し、プロセス管理を改善する可能性があることを示唆しています。

5 結論

機内測定を用いた自動工具点検は、オフラインの方法と同等の精度を達成しつつ、大幅な時間短縮を実現します。この方法は実用的で再現性があり、標準のCNC制御とも互換性があります。今後の研究では、測定データとリアルタイムの摩耗予測モデルとの統合により、CNC加工における予知保全をさらに向上させる可能性があります。