業界初、NC平面研削盤の自動化を徹底解説

業界初、NC平面研削盤の自動化を徹底解説

NC研削盤メーカー、ユーザの皆様 
以下のような課題でお悩みではありませんか?

  • 手動で砥石をワークに当てて、火花を見て/音を聞いて加工開始点を割り出しているので時間がかかる
  • 熟練度によって砥石の当て込み作業の品質にバラつきがあるが標準化できない
  • AEセンサを使っているが条件が変わると精度が安定しない

NC平面研削盤は、工作機械の中でも工作物の寸法を確定させる高精度な加工が求められます。
そのため、NC化されても自動化の難易度が高く、人手不足の現場で多くのユーザが課題を抱えています。

本記事ではメトロールのエアマイクロセンサを使ってNC平面研削盤を完全自動化へつなげる、業界初の取組みを徹底解説します。

●本記事をまとめると・・・
・人手による「砥石の当て込み作業」のリスクがわかる
・NC研削盤を自動化するエアマイクロセンサの使用方法がわかる
・エアマイクロセンサを使った「砥石の当て込み作業」の自動化方法がわかる
・NC研削盤の自動化事例がわかる

NC平面研削盤の「砥石の当て込み作業」とは?

研削盤ユーザの方は以下のイラストのような「砥石の当て込み作業」は馴染み深いのではないでしょうか?

NC平面研削盤の「砥石の当て込み作業」とは?
▲一般的な段取り作業として行われている「砥石の当て込み作業」

通常、NC研削盤でワークを加工する際、「砥石の加工開始点の割り出し」と「ワークの原点出し」は欠かせません。

砥石の加工開始点(=砥石の径)を割り出す作業は「砥石の当て込み作業」と呼ばれます。
一般的に、「砥石の当て込み作業」は回転中の砥石をワークに手動で当てることで、表面にわずかに接触した際に生じる火花や音を聞いてを「加工開始点」を割り出します。

砥石の位置は、熱変位や摩耗で変化するため「当て込み作業」で加工開始点を確認し、定期的に径を補正する必要があります。

次に、この「砥石の当て込み作業」が抱えるリスクを解説します。

マメ知識:「砥石の当て込み作業」ってどこでもやってるの?
2021年に開催された展示会メカトロテック2021でNC研削盤ユーザにヒアリングを行ったところ、30社のうち23社がこの「当て込み作業」を行っており、残り7社はAEセンサを使用していました。

NC平面研削盤における「砥石の当て込み作業」のリスクとは?

一般的に行われている「砥石の当て込み作業」には次のような課題やリスクを抱えています。

  • 当て込み作業のたびに人手がはいり、全自動化ができず工数がかかる
  • 技能に左右されるため、人によって加工精度や工数が安定しない
  • 直接砥石をワークに当てるため、ドレス直後の砥石やワークが傷つく
  • 砥石をワークにぶつけて事故に繋がるリスクがある

特に、属人的な課題に伴う人材採用、技能習得は一朝一夕では解決が困難です。
長期にわたって持続的で安全な生産体制を築くうえで、技能の標準化・自動化による解決が必要ではないでしょうか?

NC平面研削盤の「砥石の当て込み作業」の自動化とは?

メトロールでは、属人化している「砥石の当て込み作業」の自動化を長年研究し、当社のエアマイクロセンサを用いた方法で実現しました。 まずはじめに「エアマイクロセンサとは?」という方向けにセンサの測定原理を解説します。

※「砥石の当て込み作業の自動化」の研究について
2020年にNEDOの採択を受け国家プロジェクトとしてスタート。
平面研削盤最大手の岡本工作機械製作所に採用された技術として2021年に開催されたメカトロテックで初めて発表されました。
NC平面研削盤の「砥石の当て込み作業」の自動化を解説
▲NC平面研削盤に搭載されたエアマイクロセンサ

NC平面研削盤を自動化する「エアマイクロセンサ」とは?

エアマイクロセンサは一言で説明すると、「空気(エアノズル)を使って対象物との距離をOK/NGで検出する高精度位置決めセンサ」です。
センサにはあらかじめOK/NGの基準となる「距離のしきい値」を登録しておき、対象物とエアノズルの距離がしきい値よりも近いか離れているかを高精度に判定します。

しきい値とは?
一般に,ある現象を起こさせるために,系に加えなければならない物理量の最小値

引用:化学辞典 第2版「しきい値」の解説

エアマイクロセンサの解説 -使用事例-

エアマイクロセンサの使い方を「ワークの有り無し確認」を事例に解説します。

例)センサのしきい値=10μmで設定した場合
あらかじめ「距離のしきい値を10μm」とセンサに登録し、あとはノズルにワークを近づけるだけです。(イラスト参照)

NC平面研削盤を自動化する「エアマイクロセンサ」とは?
▲エアマイクロセンサの用途説明

ワークとノズルの間の距離がしきい値(=10µm)以上離れているときはNG信号を出力します。
10μm以下になるまでワークがノズルに近づくとOK信号に切り替わります。

マメ知識:なぜエアで距離が検出できるのか、センサの検出原理とは?
エアノズルから供給されるエアの流量・背圧の変化をセンサが検出しOK/NGの判定を行っています。
ノズルにワークが近づくと、ノズル(穴)がふさがれ、供給されるエアが制限されます。その結果、センサ内の圧力が変化します。微小な背圧の変化を利用して対象物との距離を検出しています。

センサを用いたNC平面研削盤の自動化方法を解説

ここからが本題である、エアマイクロセンサを用いたNC平面研削盤の自動化方法を解説します。

今回の検出対象はワークではなく「回転砥石の加工開始点」です。
まずNC研削盤にエアノズルを設置します。加工開始点の検出方法は、センサの信号が切り替わる位置まで回転中の砥石をエアノズルに近づけていくだけです。(イラスト参照)

センサを用いてNC平面研削盤を自動化する方法
▲エアマイクロセンサを用いたNC平面研削盤の自動化方法

NC平面研削盤の自動化 -検出手順-

実際のエアノズルと砥石の拡大写真を見ながら、検出の手順を解説します。

〈手順1:砥石をエアノズルに近づける〉
ノズルと砥石の間にはしきい値を超えた距離があり、センサはNG信号の状態です。
信号がOKに切り替わるしきい値の位置まで砥石をノズルに近づけていきます。

NC平面研削盤の自動化 -検出手順1-
▲ノズルと砥石を横から見た図(手順1:センサNG信号出力時)

〈手順2:信号が切り替わった位置を加工開始点とする〉
砥石の位置がしきい値に到達すると、センサがOK信号に切り替わります。
センサがOK信号に切り替わった座標を読み取ることで、「砥石の加工開始点」を割り出すことができます。

NC平面研削盤の自動化 -検出手順2-
▲ノズルと砥石を横から見た図(手順2:センサOK信号出力時)

センサ信号が出力されたときの砥石の基準位置の座標から砥石の外径を演算で割り出すことが可能です。

NC平面研削盤のモニター画面
▲砥石の外径を割り出した結果を示すNC平面研削盤のモニター画面

以上のように、手順1、手順2と併せることでこれまで作業者が人手で行っていた「砥石の当て込み作業」の完全自動化を実現します。※「ワークの高さ」をタッチプローブなどで検出することも必要です。

【動画解説】NC平面研削盤の自動化

前章で解説した砥石の計測手順を、実際のNC平面研削盤の動きを見ながら動画でご紹介します。

▲エアマイクロセンサを用いた砥石の加工開始点の割り出し方法の解説

【採用事例】NC平面研削盤の自動化事例

「回転砥石の当て込み作業の自動化」は、研削盤大手メーカーの岡本工作機械製作所様のCNC平面研削盤に「といし径計測が可能な非接触センサ」としてオプション採用されています。

▲といし径計測が可能なエアセンサ の紹介動画 (引用元:岡本工作機械製作所HP) 

NC平面研削盤の自動化についてよくある質問

砥石の加工開始点の計測について、よくある質問についてお答えしていきます。

砥石にクーラントをかけたままの状態でも計測できる?

計測時はクーラントを止める必要があります。クーラントを止めてから数秒砥石を回転させ水気を取ってから計測するとより正確な計測が可能になります。クーラント(水分)を含んだ砥石は膨張しているため正確な測定ができない場合があります。

センサの信号はいくつ出せる?

信号は最大3点まで登録が可能です。目的に応じてしきい値をセットすることで、生産性の高い制御が可能になります。
例として、砥石の位置をみる「測定信号」のほかに、砥石のアプローチ速度を制御するための「減速信号」や衝突を防ぐ「オーバートラベル信号」があります。

NC平面研削盤を自動化するエアマイクロセンサの信号はいくつ出せる?
▲エアマイクロセンサの信号の活用事例

砥石の番手はどれくらいまで見れる?

NC平面研削盤に使用する砥石の番手はどれくらいまで見れる?
▲砥粒が細かいほど精度の高い測定が可能です。

砥粒の細かい精密な砥石であるほど高い繰返し精度がでるため正確な計測が可能です。
ダイヤモンド砥石やCBNなどの精密砥石であれば、最大1μmの繰返し再現性で計測が可能です。
詳細はスタッフまでお尋ねください。

砥石はどんな形状であっても計測可能?

  • 通常砥石
  • R形状砥石
  • 薄型切断砥石(ブレード)
  • V溝加工用テーパー形砥石

それぞれの砥石形状に応じて検出方法が異なります。お問い合わせください。

NC平面研削盤に使用する砥石の形状
▲砥石の種類

砥石はどれくらいの回転数で計測すればいい?

目安として、加工時と同じ回転数の状態での計測を推奨しています。具体的な回転数はお問い合わせください。

エアマイクロセンサの取り付け場所は?

ノズルとセンサ間のエア配管長が短いほど応答性が良くなるため、ノズルの近くに設置することを推奨しています。
エアマイクロセンサはIP67で切削油に対する耐久性もあるため、機内での設置も可能です。

NC平面研削盤ではなく汎用機でも搭載できる?

汎用機の場合は、ノズルと砥石の芯合わせが難しいため、推奨していません。

NC平面研削盤の自動化を導入するには?

現在、岡本工作機械製作所様のNC研削盤での搭載実績がございます。お気軽にお問い合わせください。
その他メーカー様のNC研削盤の場合でもご連絡お待ちしております。

AEセンサとは違うの?

AE(アコースティックエミッション)センサは、砥石をワークに直接当てた際の波形を検出する接触式センサです。
そのため

  • ワークを削った位置が加工開始点なるため、加工後の寸法がずれるリスクがある
  • 条件が変わると検出精度を安定させるのがむずかしい

エアマイクロセンサは、エアをつかった非接触検出のため、ワークや砥石を削ることなく安定した検出が可能です。

【動画解説】NC平面研削盤の自動化

ここまでで解説したNC平面研削盤の自動化を3Dを用いた動画でわかりやすく解説しています。

【実演!】エアマイクロセンサによるNC研削盤の自動化
3Dでわかりやすく解説

NC平面研削盤の自動化 メディア掲載

2021年9月発刊の生産財マーケティングにて、岡本工作機械製作所様との共同研究を取材頂きました。

NC平面研削盤の自動化に関するお問合せ

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