ＭＣ・ＮＣ工作機械

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　製造業では、カーボンニュートラル（温室効果ガス排出量実質ゼロ）やグリーン・トランスフォーメーション（ＧＸ）への対応を背景に、生産設備の省エネルギー化要求が高まっている。工作機械分野においても、「ＩＳＯ１４９５５」に対応した工作機械の環境評価における規格「ＪＩＳ　Ｂ　０９５５」が制定され、工作機械の環境負荷や省エネ性能を評価する取り組みが進められている。

消費電力評価と見える化

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　工作機械の消費電力は、主軸回転や切削そのものだけでなく、各送り軸の運動状態や周辺機器の動作によっても変化する。図１に加工中の工作機械全体の消費電力推移の一例を示す。加工時には送り軸、主軸、クーラント装置など複数の要因が同時に電力を消費しており、加工条件や工具経路によってその変動は大きく異なる。しかし、機械全体の総消費電力だけでは、どの軸運動や機械動作が消費エネルギーへ影響しているのかを把握することは難しい。

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　そこで筆者らは、立型５軸マシニングセンター（ＭＣ）を対象に、各軸運動時の消費電力測定を行った。図２に測定対象とした工作機械の構成と、各軸の消費電力測定結果の一例を示す。測定の結果、Ｚ軸では重力の影響により、上昇時と下降時で消費電力が大きく異なることが分かった。特に上昇動作では、主軸頭の重量を支えながら駆動する必要があるため、大きな電力を消費する。

　また、本工作機械ではＹ軸が２本のボールねじで駆動され、その上にⅩ軸およびＺ軸が搭載されている構造となっている。このため、Ⅹ軸方向よりもＹ軸方向の送り運動において消費電力が大きくなることも確認された。つまり、同じ平面加工であっても、加工方向によって必要なエネルギーが変化することを意味している。

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　さらに、回転軸についても大きな差異が確認された。ゆりかご型構造のＢ軸では、Ｃ軸を含むテーブル全体を傾斜させる必要があるため、大きな電力を消費する。また、重力の影響により、傾斜方向によって消費電力が変化することも分かった。図３に示す円すい台形状の５軸加工では、Ｂ軸動作時に消費電力が大きく変動していることが確認できる。

　一方、加工全体の消費エネルギーを評価する際には、送り軸や主軸の運動だけでなく、待機電力やクーラント装置など周辺機器の消費電力も無視できない。例えば切削条件を変更して送り速度を低下させた場合、加工時間が長くなることで待機電力やクーラント使用時間が増加し、加工全体の消費エネルギーが増大する場合もある。そのため、図１のような瞬間的な電力値だけでなく、加工時間を含めた総消費エネルギーとして評価する必要がある。

　このため近年では、材料除去率や切削条件に基づき切削エネルギーを推定する研究も進められている。筆者らも現在、送り駆動系だけでなく切削エネルギーを含めた統合的なシミュレーションモデルの構築を進めている。これにより、加工全体のエネルギー変化を事前に予測し、より高精度な省エネ加工条件の検討が可能となる。

　しかしながら特に多軸工作機械では、このような消費電力変化を詳細に把握することは容易ではない。

　各軸や周辺機器の電力を個別に計測するためには、多数の測定機器やセンサーが必要となり、導入コストや解析工数が増大する。近年では、消費電力の「見える化」を目的とした電力測定ユニットやモニタリングシステムも提案されているが、多くは機械全体の総消費電力を対象としており、各軸運動や加工状態との関係まで詳細に評価するものは少ない。

　そこで筆者らは、実測データを基に工作機械の消費電力シミュレーションモデルを構築し、モデルベースで消費エネルギーを予測・評価する手法について検討している。これにより、加工前の段階でＮＣプログラムや工具経路によるエネルギー変化を把握することが可能となる。さらに、ＣＡＭシステムやデジタルツインと連携することで、消費エネルギーを考慮した加工設計や工具経路最適化へ利用できる。