フォースフィードバック機械加工

ビッグデータ！センサー革命！IoT！インダストリー4.0！生産能力と効率性の向上を約束するかのようなこれらの言葉が「第三次産業革命」の到来を告げてます。新しい技術がもたらすものについては大げさに話されることが多いですが、私には本当に大きな発展の可能性が見えています。そしてこの発展は、大胆なビジョンと新技術を効果的・効率的に開発する技術的才能を持った人の下に到来するでしょう。

これらの新しい技術が従来の技術である機械加工にどのような影響を与えるか考えてみましょう。

今日の工作機械は、非常に高度なテクノロジーの一つです。これは速度、精度、制御、コストをより良くするため無数の技術者たちが行ってきた画期的な取り組みの集大成です。しかしながら工作機械の位置や速度フィードバックの制御には根本的に限界があり、未だに狭い領域にあります。今まさに発展中である検知能力、センサーの小型化、信号処理、アルゴリズム設計、そして機械学習は製造工程や戦略を変革させることができるでしょう。

これは広大なテーマなので、今回はその影響の一つであるフォースセンサーとフォースフィードバック制御に焦点を当てたいと思います。まずフォースセンサーとフォースフィードバック制御がなぜ機械加工（または機械相互作用に依存している他の材料除去工程）を向上させる可能性があるのかを見ていきます。次にこの技術を導入する際の主要課題を見ます。

フォースフィードバックは、ロボット工学では話題となっており、初めて機械への応用を試みた人たちもいます。

利点

フォースセンサーを工作機械に組み込む利点は何でしょう。

• サイクルタイムの向上：機械の加工力が弱い場合、フォースフィードバックによりCNCは自動的に送り速度を上げ、効率的にチップロード（荒削りの場合のみでしょう）を一定に保つことができます。サイクルタイムの低下を最適化する複雑な物理的モデルや分析モデルに基づいたソフトウェアパッケージもありますが、これらによる予測は、入力やアルゴリズムと同等の精度です。機械加工は、非常に複雑で高度に非線形な熱機械・化学プロセスで多くの変換変数を持つため、これらのモデルは機械加工の力を忠実に表すことはできません。しかし力をリアルタイムで測定することにより、データを送り速度や主軸速度に利用でき、切削力が低すぎる（機械能力を無駄にしている）部位や高すぎる（工作機械のベアリング、モーター、ガイドを過度に磨耗させている）部位の加工速度を自動的に上げることができます。
• ツール寿命の向上：切削力をリアルタイムで測定することにより、機械加工力が高すぎる場合に送り速度を下げ、ツールの過度な磨耗や破損を防ぐことができます。
• 歩留りの向上：切削力をリアルタイムで測定し、過去の切削力データと比較することによりツールの切れ味が低下した際に警告を出すことができます。これにより歪んだワークが機械加工による応力増加を受けたり、繊細（肉薄）な部位に破損を生じさせることを防ぐことができます。
• 衝突防止および／または破損の最小化：帯域幅が十分に高いフォースセンサー機械加工センターは、フォースの急上昇を検知することができ、プログラムのエラーや機械の軌跡上の予期せぬ物体によりシステムが衝突を起こすことを防ぐことができます。
• ガタの防止：データの周波数を解析することによりシステムはガタを検出し、送り速度または主軸速度を調整することができます。
• 機械の安全性向上：ジョグ動作中のフォース閾値をかなり低く設定することにより、システムが人や物に当たった際CNCは直ちに停止することができます。

チャンス

次に、なぜこれは今まで行われてこなかったのでしょうか。主な課題は何でしょう。センサー技術の基盤は十分成熟しているのに、これが今まで行われてこなかったのはなぜでしょう。もちろん工作機械にフォースセンサーを組み込むには多くの障害があります。予期できる課題もあれば開発中にしか見えてこない課題もあります。予期できる課題には次のようなものがあります。

1. 厳しい環境下での高解像度、中・高周波検知を手頃なコストで：これらのタスクを網羅するフォースセンサーは、ほとんどの機械加工でニュートンからキロニュートンの検知範囲を必要とします（もちろんマイクロマシニング運転と非常に大きなマシニング運転とではフォースセンサー要件が異なります）。またセンサーはｋＨｚまで検知できる必要があります（応用の仕方によっては３ｋＨｚまで必要かもしれません）。これらの要件は必ずしも不可能ではありませんが、安い費用で確実に行うことは簡単ではありません。
2. 大きな雑音のある環境下での高速無線通信：理想的には動作の出来るだけ近くでフォースを測定することが最善です。複雑で絶えず変化する機械加工の力ベクトルを考えると、ツールホルダーにフォースセンサーを取り付けることが最善策のように思えますが、ホルダーは非常に早く回転し、常に軸から出入りし変更されるので難しいところです。このため、いかなる有線接続も（スリップリングまでも）行うことができません。スリップリングはノイズの多いこのような苛酷な環境ではすぐに磨耗してしまいます。しかし我々は未来に生きていて高速無線通信が手軽に使えます。同じ設備内に何十、何百もの機械がある場合があり、モーターからのＥＭノイズを度外視しても無線通信が複雑となることが課題となっています。また賢く多様な電力供給方法がない限り、センサーと無線通信には低電力が必要というさらに複雑な問題もあります。
3. 高速計算とデータ処理：機械から出てきたデータから、速度の上げ下げ、停止等の伝達に使えるような意味ある情報を取得するには賢いアルゴリズムを使う必要があります。
4. 位置と速度をインピーダンス制御、アドミッタンス制御、ハイブリッドコントロール、アーキテクチャ等のフォースと組み合わせる高度な制御アルゴリズム
5. 一つ以上のパラメータ（サイクルタイムの向上、ツール磨耗およびワーク変形の低下、ガタの低下など）を最適化する高度な制御戦略
6. ロバスト性能のための複雑なシステムの統合

ロバスト性能のための複雑なシステムの統合   これらの問題を個々に見るとＳＦの世界の話ではありません。それぞれ他の分野ではある程度解決されてきた問題です。日々世界中の人々がセンサーの小型化、信号処理、アルゴリズム設計、機械学習を発展させています。

フォースフィードバックは、製造に新たな可能性を開く数多くの技術の一つでしかありません。これらの技術は機械加工技術そして製造業全体に大きな影響を与えるでしょう。その日が来るのがとても楽しみです。