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工作機械産業
省人化・生産効率向上 支える 機上計測
日本の製造業は高度なオペレーションと熟練技能者の存在によって支えられ、高い生産性を実現してきた。しかし熟練技能者の高齢化、若者の製造業離れによる人手不足、原材料やエネルギー価格の高騰、そして大量生産から多品種少量生産への移行による生産効率の低下など数多くの問題に直面している。このような状況の中、省人化や生産効率の向上を実現するための解決策として、機上計測の導入が注目されている。
機上計測の利点
機上計測における要求が高い測定対象には①工作物の仕上げ面②工作機械の各要素③加工現象―がある。多品種少量生産の場合、形状が複雑で高い精度を要求される場合が多いため、工作物の仕上げ面を機上計測し、修正加工するシステムが必要不可欠である。
機上計測の利点は第一に、工作物の運搬作業を省略できることである。従来の製造プロセスでは工作物を測定室へ移動させるといった非効率な手順が必要であった。機上計測により、製造工程と検査工程を一体化させることで運搬の無駄を排除し、省人化や生産性を向上できる。
第二に、段取り作業を削減できることである。機上計測では加工原点を利用した測定を行うため、測定のための位置決めや原点出しの必要がない。そのため生産性の大幅な向上とオペレーターの負担軽減が実現できる。
第三に、チャッキング誤差を防げることである。従来のオフラインでの計測・検査および修正加工では、チャッキング誤差が原因で所望の精度を得るために何度も工程を繰り返す必要があり、製作時間の増加を招いていた。
機上計測を導入することでチャッキング誤差が生じず、修正加工の回数を減らすことができ、生産効率の向上に貢献する。
2種類の非接触機上計測
非接触機上計測には、画像処理による輪郭・寸法計測とレーザー変位計のスキャンによる形状計測がある。近年の動向として、高精細な画像取得が可能になった電荷結合素子(CCD)カメラによる機上計測製品が市販され、製造現場にも普及している。これは輪郭抽出を安定して行えるソフトウエアの進歩も大きな要因である。
レーザー変位計も、レーザー出力制御機能を持つなど高性能化が進んでおり、レーザー変位計を搭載した工作機械も登場している。しかしながら、その利用範囲はまだまだ限定的な利用にとどまっている。
レーザー変位計を工作機械の主軸に取り付け、工作機械の軸を利用して形状計測を行うため、工作機械の運動精度以上の測定精度を得ることができない。またレーザー変位計は、工作物にレーザーを照射し、反射した光の位置や量の変化から工作物との距離を算出するため、工作物の形状や表面粗さの影響を受けやすい。さらに製造現場におけるレーザー変位計には耐環境性が求められることが要因と考えられる。
振動誤差の影響を受けない機上計測用レーザー変位計
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図1 光スキッドセンサーのモデル -
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そこで筆者らは、工作機械の運動誤差や製造現場において生じる振動誤差の影響を受けない機上計測用レーザー変位計として光スキッドセンサーを開発した(図1、図2)。光スキッドとは、触針式表面粗さ測定のスキッド法を光学的に行う手法である。
図3に示すように大小二つのスポットを工作物に照射する。形状を測定する際、スキッドの出力はスポット径が形状より十分大きい場合には、形状は平滑化され出力には現れない。しかし、レーザー変位計の走査時に生じる運動誤差や環境振動により生じる変位誤差は、スキッドでもスタイラスでも同様に検出される。したがって、同測定位置を同時に測定したそれぞれの出力の差から、スタイラスによって検出される被測定物の形状情報だけを取り出すことができる。
人工知能(AI)技術などの高度化により機上計測は、品質保証だけでなく、高精度加工や安定加工の実現と生産性の向上に大きく寄与する技術である。しかし機上計測の実用化のためには、工作物の表面粗さや形状への対処、加工環境の変動によって測定精度に直接的な影響を受けない測定原理や測定手法の工夫が必要だと感じる。
【執筆】
長崎大学
総合生産科学域 工学研究科
助教 大坪 樹
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