CNCプログラムは、完全に検証されていても、実際のセットアップがプログラムの前提条件と一致していない場合、動作に失敗することがあります。スピンドルプロービングは、プログラムされたプロセスと機械内部の実際の状態とを結びつける確認機能を提供します。

例えば、ツールパスが正しいか確認でき、CAM 戦略を最適化でき、正確なデジタルツインを用いてGコードを検証でき、さらに、すべての工具について、プログラムされた形状との照合を行うことができます……。

そして、間違ったビレットが装填されてしまいます。素材が規格外であったり、90度回転していたり、切りくずの上に載っていたりする可能性があります。また、誤ったワーク保持具が取り付けられている場合もあります。バイスのジョーが、一方のねじ山をもう一方より1山先に掴んでしまった可能性もあります。あるいは、古い座標変換がまだ有効な状態で、ワークのオフセットが設定されてしまった可能性もあります。

シミュレーションでは、こうしたことは一切把握できません。シミュレーションは、実際の設定がデジタル上の設定と一致しているという前提のもと、与えられたプロセスを検証するものです。

スピンドルプローブは、その仮定を検証する。

CloudNCでは、プロービングは主に以下の4つの分野で活用されています：

1. 加工開始前のセットアップ確認
2. 部品の製造中に工程を監視する
3. 基準点の設定と測定が困難な形状の測定
4. 機械の校正の確認、特に5軸加工機について

これらの点検を総合的に行うことで、衝突、工具の破損、部品の廃棄、および長期にわたる予期せぬ稼働停止のリスクを低減することができます。

当社の調査プロセスを、詳しくご紹介します：

1. 切断する前に設定を確認してください

セットアップの検知サイクルでは、機械内に材料とワーク保持具がセットされているかどうかを確認する必要があります。

業務内容によっては、以下の確認が含まれる場合があります：

• ビレットの高さ、長さ、幅
• 株式の概要
• 材料の結晶粒方向
• バイスまたは治具内での位置
• ライザーおよびフィクスチャの高さ
• 副拠点
• 顎の位置
• 完成した部品周辺の余材

これらは単純なチェックですが、実務上のさまざまなミスを発見することができます。

間違った在庫品と向きが間違っている

作業員が、別の部品用のビレットを選んでしまったり、長方形のビレットを間違った向きで積み込んでしまうことがあります。また、材料が規定サイズより大きすぎたり小さすぎたり、あるいは角が歪んで届いてしまうこともあります。

航空宇宙用部品の場合、材料の結晶粒の方向も重要な要素となる場合があります。このリスクを低減する方法の一つとして、素材を誤った方向にセットできないよう、非対称なビレット寸法を指定することが挙げられます。その後、プローブ検査を行い、想定通りの寸法が確保されていることを確認します。

これにより、2段階の安全対策が講じられます。まず、ストックが正しい装填を誘導するように設計されており、さらに、切断開始前に機械が装填が正しいかどうかを確認します。

位置決め誤差およびワーク保持誤差

適切なビレットであっても、間違った場所にある可能性があります。

機械の移動範囲、加工済みエッジ、張り出し部分、あるいは複数部品のセットアップなどの理由により、一部の部品は意図的にバイスの中心からずらして配置されることがあります。プローブ測定ルーチンは、すべてのビレットがプログラムされた位置に対して中心に配置されていると仮定するのではなく、意図された位置を確認する必要があります。

位置誤差には、それほど明らかではない原因もあります。

自動センタリング式バイスジョーは、両方のジョーが正しく噛み合った場合にのみ自動でセンタリングされます。片側がもう一方より1ピッチ分先行して噛み合った場合、バイスはしっかりと締め付けられるものの、ビレットが1ミリメートル以上ずれてしまう可能性があります。

また、素材がバイスのジョーに引っかかったり、段差に落ちたり、破片の上に載ったりすることもあります。素材が斜めに切断されている場合、バイスを締め付けると素材が傾くことがあります。これにより、Z軸および水平軸の両方において素材の位置が変化します。

目視検査では、その部品は依然として問題ないように見えるかもしれません。プローブは、こうした見過ごされがちな設定ミスを、測定可能な偏差として明らかにします。

予期せぬ在庫変動が生産条件に影響を及ぼしている

高性能なツールパスは、制御された噛み合わせにかかっています。

ダイナミックな、あるいはトロコイド状のフライス加工経路をプログラムすることで、小さく、かつ一定した半径方向の切削深さを実現できます。ビレットが予想よりも大きく、かつ中心からずれて装填されている場合、最初のパスで、カッターが除去することを想定していた量よりもはるかに多くの材料に遭遇する可能性があります。

Z軸についても同様の問題が生じます。3 mmの切削用にプログラムされた面削り加工において、材料の厚さが規定値より厚かったり、誤ったライザーが取り付けられていたりすると、実際には6 mmの切削深さになる可能性があります。

考えられる結果としては、次のようなものがあります：

• インサートやカッター本体の破損
• ホルダーとストックとの接触
• スピンドルの過負荷
• バイスから引き抜かれるビレット
• スピンドルまたは機械の損傷

実用的なアプローチとしては、最大在庫許容値と最大ポジション許容値を定義することが挙げられます。プロービングサイクルにより、実際のビレットがその許容範囲内に収まっていることが確認されます。

これにより、最初の加工工程で、噛み合わせに敏感なツールパスが開始される前に、素材の外側を所定の状態に整えることができます。ビレットが正規化されると、各カッターは「CAM 」戦略で想定されている量の被削材に遭遇することになります。

まずZを確認してください

最初の探り手は、通常、安全な位置からセットアップの上部を確認するべきです。

これにより、次のような重大なエラーを迅速に検出します：

• ビレットの厚さが不正確
• 間違ったライザー
• 設定が不適切なワークオフセット
• 能動的な座標シフト
• 予想を大幅に上回る量が積載されていた

60 mmのライザーの代わりに取り付けられた100 mmのライザーは、切削速度で回転するカッターやスピンドルを使用するのではなく、保護されたプロービング動作によって検出されるべきである。

2. 部品の製造中にその工程を監視する

セットアップ時のプロービングは、ジョブの開始部分を保護します。処理中のプロービングは、バッチの残りの部分を保護します。

従来のプロセスでは、作業者が部品を加工し、取り外して手動で測定し、オフセットを調整するという手順が用いられる場合があります。これは試作段階では有効ですが、検査と検査の間の期間における保護効果は限定的です。

工具の摩耗、刃先の損傷、温度や材料のばらつきにより、加工形状が徐々に公差範囲から外れてしまうことがあります。工程内プロービングを行うことで、不良品が大量に生産される前に、機械がそのずれを検知することができます。

実施可否の確認

工程内管理における最も単純な手法は、公差チェックです。

機械は、重要な穴、内壁、突起、または表面を測定し、その結果を定義された許容範囲と比較します。測定結果が許容範囲内である限り、生産は継続されます。測定値が許容範囲外となった場合、機械はあらかじめ定められた対応手順に従います。

機器によっては、次のような動作をする場合があります：

• この悪循環を断ち切ろう
• その部品を検査対象としてマークする
• 生産ラインからパレットを取り出す
• 別のジョブを読み込む
• ツールを「利用不可」としてマークする
• 姉妹ツールを呼び出す
• オペレーターに通知する

200個の部品を無人運転で加工する場合を考えてみましょう。5番目の部品の寸法公差が許容範囲を外れた場合、その時点で加工を停止すれば、残りの195個のブランクと、それに伴う加工時間を守ることができます。

バッチ全体をそのまま処理させると、はるかに大きな問題が生じます。すべての部品を検査する必要があり、不合格となった箇所は手直しが必要になる可能性があり、一部の部品はすでに追加の工程を経ている場合もあります。多くの場合、その箇所を修復することはまったく不可能です。

自動摩耗補正

プロービングは、工具の摩耗オフセットを自動的に更新するためにも使用できます。

典型的な閉ループプロセスでは、次のようなことが行われる場合があります：

1. その形状を機械加工する
2. 測定面を清掃してください
3. その機能を詳しく調べる
4. 公称値からの偏差を計算する
5. わずかな摩耗補正を行う
6. 工具が所定の摩耗限界に達するまで作業を続ける
7. そのツールの使用を中止するか、姉妹ツールに切り替えてください

これにより、長期間にわたる生産工程を通じて、その特性を公称値に近い状態に保つことができます。

この利点は、チタン、二相ステンレス鋼、高ケイ素アルミニウムなど、切削刃が急速に摩耗する材料において特に顕著です。工具の寸法が数ミクロン変化しても、多くの部品を切削し続けることが可能です。自動補正機能により、加工公差から逸脱することなく、工具の有効寿命をより長く活用することができます。

補正ロジックには明確な制限が必要です。機械は、定義された総摩耗範囲内で、小さく妥当な調整のみを行うべきです。大幅な調整や一貫性のない結果が出た場合は、自動的なオフセット変更を行うのではなく、動作を停止させるべきです。

測定する前に掃除をしてください

探針は、接触している表面のみを測定することができます。

切りくず、バリ、および切削液は、誤った測定値を引き起こす可能性があります。この点は、測定結果を用いて工具オフセットを更新する場合、さらに重要になります。

したがって、クリーニングはプロービングサイクルの前段階として行う必要があります。スピンドルを通した空気、クーラント、クリーニングツール、あるいは繰り返し測定などを用いて、測定結果を受け入れる前に対象部を清掃することができます。

これにより、考えられるすべての汚染源を取り除くことはできませんが、測定の一貫性は大幅に向上します。

プロービングは検査プロセスを支える

機械によるプロービングは、工程のフィードバックを提供します。正式な検査には、依然として独自の役割があります。

この特性は、それを製造したのと同じ機械を用いて、同じ運動学システムおよび熱システムを使用して測定されています。測定結果は、機械、プローブ、およびスタイラスの状態や校正状況に依存します。

初回検査、CMM測定、および顧客固有の品質要件は、依然として適用されます。工程内プロービングにより、これらの検査段階の間に継続的な管理が可能となり、工程に異常が生じ始めた際に、生産チームに早期に警告を発することができます。

3. 基準点を設定し、測定が困難な形状を測定する

ワークオフセットの設定は、スピンドルプローブの最も一般的な用途ですが、その価値は、ダイヤルゲージを使うことで数分を節約できるというだけにとどまりません。

プローブ測定を行うことで、部品の実際の基準特徴から座標系を設定することができます。

コンポーネントから設定する

部品は、おおよそ位置合わせした状態でセットし、その場で測定することができます。

エッジに沿って2か所を接触させることで、角度位置決めを行うことができます。穴、突起、平面、または角を利用することで、残りの基準座標を決定することができます。

これは、モジュラー式のワーク保持装置を使用する場合に役立ちます。プログラマーは、専用の治具を設計・加工する代わりに、既存のマトリックスプレート、クランプ、ダボを利用できる場合があります。オペレーターは、許容範囲内でワークをセットすると、プロービングルーチンがその正確な位置を算出します。

これにより、かかる時間が短縮されます：

• 治具の設計
• 治具の材料の選定
• プログラミングおよび加工時のワーク保持
• 部品の手動計時
• 部品を位置合わせしながらはめ込む
• わずかな荷重変動を補正するための設定の調整

また、機械での作業も簡素化されます。オペレーターはワークをセットし、標準的な基準点を設定するだけで、細かい位置合わせはプログラムが自動的に行います。

制御状態のエラーを防ぐ

5軸加工機では、さまざまな加工方向に対応するために、座標の回転や並進が頻繁に行われます。

オペレーターが作業オフセットをリセットする際に、これらの変換のうちいずれかが有効なままになっていると、新しい基準点が大幅にずれてしまう可能性があります。背景で200 mmの並進が発生した場合、次のセットアップで200 mmの誤差が生じる可能性があります。

その結果、プログラムは、ビレットの実際の頂点よりもはるかに下の方を加工しようとしてしまう可能性があります。

加工開始直後のZ軸プロービングを行うことで、この種のエラーを直接チェックすることができます。機械は、切削工具を投入する前に、想定される表面位置と実際の位置を比較します。

手作業での検査が困難な特徴を測定する

幾何学的形状の中には、従来の手工具では測定が困難だったり、正確に測定することが不可能だったりするものがあります。

一例として、互いに向き合う2つの短い円弧から構成される部分的な円筒形状が挙げられます。この場合、ボアマイクロメーターが安定した3点接触を行うのに十分な連続した表面がない可能性があります。2点による直線測定では距離は得られますが、その形状の直径や中心を完全に特定することはできません。

スピンドルプローブは、測定可能な円弧に沿って複数の測定点を取得することができます。その後、制御ソフトウェアまたは測定ソフトウェアは、CMMの検査手法と同様の手法を用いて、最適な中心位置と半径を算出することができます。

この機械には、すでにワーク周辺を周回する再現性の高い動作システムが備わっています。プロービング機能により、このシステムを切削加工だけでなく、セットアップや工程測定にも活用できるようになります。

4. 5軸運動学の確認

5軸加工機においても、プロービングは直線軸と回転軸の関係を維持する上で重要な役割を果たしています。

回転中心の位置や運動学パラメータは、温度変化、稼働中の動作、衝突、および機械の通常の動作によって変化する可能性があります。こうした変化が検出されない場合、機械は個々の表面を正確に加工しても、異なる向きから加工した際にそれらの表面が一致しなくなる可能性があります。

一般的な症状には次のようなものがあります：

• インデックス付き面間のステップ数
• 回転運動後の位置のずれ
• ある向きでは揃うが、別の向きでは揃わない特徴
• 検査台では問題ないように見えるが、外部検査で不合格となる部品

最新の制御システムでは、スピンドルプローブと校正済み基準体を使用して、機械の運動学的状態を確認・更新することができます。これと同等の手作業では、基準ブロックを取り付け、複数の表面を測定し、誤差を計算した上で、手作業で補正値を入力する必要があります。

自動化されたサイクルにより、チェック作業がより迅速になり、再現性が高まり、定期的に実施しやすくなります。

5軸加工において、スピンドルプローブは、工作機械の座標変換の信頼性を維持するために必要な装置の一つです。

探査の経済性

包括的なプロービング処理はサイクルタイムを増加させます。専用のワークホルダーを備えた安定した大量生産ラインにおいては、その時間を再検討し、最適化すべきです。

多品種少量生産の環境では、その計算方法は異なってきます。

1台の機械が1シフトの間に、互いに関連性のない数十もの加工をこなすことがあります。それぞれの加工では、ビレット、治具、ライザー、基準面の構成が異なります。セットアップを行うたびに、わずかな誤差が生じる可能性が高まります。

ほんの数分間、状況を詳しく確認するだけで、次のような事態を防ぐことができます：

• 数百ポンド相当のカッター本体
• インサートのフルセット
• 高付加価値のビレット
• その部品にすでに費やされた加工時間
• 数万ポンドもするスピンドル
• 数十万相当の機械の生産能力
• 故障した機械の背後で待ち受けているすべての仕事

修理費用はコストの一部に過ぎません。機械の稼働停止は、納期や顧客への約束、さらには工場全体の稼働率にも影響を及ぼします。

言い換えれば、マシンの最上部に近づくほど、それを破壊するためのコストは高くなる。

スタイラスはプローブ本体よりも安価です。プローブ本体はスピンドルよりも安価です。優れたプロセス設計とは、エラーを可能な限りコストの低い段階で検出するものです。

デジタルプロセスと機械の連携

CAM、シミュレーションとGコードの検証を行うことで、意図した加工プロセスの極めて正確なモデルを作成することができます。工具管理のチェックにより、想定されているカッターが装着されていること、およびその測定長さがプログラムと一致していることを確認できます。

残された不確定要素は、物理的な設定である。

この機械は、まだ以下の点を確認する必要があります：

• 正しいビレットがセットされました
• 在庫は予想通りの状況にある
• ワークの固定は正しい
• アクティブな座標系は部品と一致しています
• 重要な特性は許容範囲内にとどまっている
• 機械自体は適切に校正された状態を維持している

スピンドルプロービングにより、こうした検査が行われます。

体系的に活用することで、プロセス保証の中核となるものです。これにより、回避可能な故障を未然に防ぎ、無人生産を支援し、不良品を削減するとともに、実際の加工プロセスが検証済みのプロセスと一致しているという確信を製造業者に与えます。

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