5 軸 3 次元計測装置(CMM)で品質保証部も”Good Time”

Kawasaki Motor Manufacturing Corp. USA社、米国ミズーリ州メアリヴィル工場では、スキャニング式プローブの採用で、表面形状のデータ収集と機械加工セルへのフィードバックがスピードアップして、CMM装置の治具を低減し、プローブキャリブレーションの時間を数時間から数分に短縮しました。

計測スループットの増加と測定における柔軟性の向上で、製造および研究開発部門へのフィードバックの高速化が実現、それとともに、最終的にはスキャニング式3次元側定装置での測定だけになり、ギヤやカムリフトの寸法検査システムが不要となることもありえそうです。
「カワサキ」オートバイファンに乗り心地を楽しんでもらうことを願って「Let the good timesroll」をキャッチコピーで謳う同社の、小型エンジン工場内でも”Good Time”が進行中です。

 

5軸スキャニングプローブシステム2台を同工場に導入したことで、3次元側定装置(CMM)での寸法検査時間とプローブキャリブレーションの時間が激減され、エンジン部品加工作業へのQC(品質管理)フィードバックの高速化が実現し
ています。同工場では、SP25スキャニングプローブ2個使用のPH10首振りヘッド搭載従来型3軸対応の3次元測定装置(CMM)から、レニショーの 5 軸 REVO® システム搭載のミツトヨ製3次元測定機、Crysta-Apex121210に切り替えました。

その結果、多量のスキャニング側定が必要なアプリケーションでの検査時間が半分から半分以下に減少、特注のプローブ構成部品の必要がなくなり、それまで 6 ~ 7 時間かかったプローブキャリブレーションの時間が45分に激減され、また、新たに形状表面データの大量収集機能が備わったため、パーツの品質が一層向上されています。

中でも最も重要なのはREVOシステムの導入により、計測スループット量の増加とデータの質の向上に大きな進捗が見られて、品質管理作業での柔軟性が大幅に向上したため、生産活動と研究開発活動の両面において、戦略的サポート装置として、本システムの価値が認識されたことです。


カワサキ方式製造システム敷地面積 80 万平方フィート(74.4万平米)のメアリヴィル工場は、1989年に操業開始。業務用および民生用芝刈り機OEM供給者向けに、また、カワサキATV(4輪バギー車)および多目的車「Mule™」を生産する系列工場向けに、1000cc以下の空冷/水冷単気筒および2気筒エンジンを生産しています。

工場内では、アルミダイカスト品、プラスチック射出成形品の生産、さらに、大量の機械加工、塗装、組立が行われます。さらにすべてのエンジン(年間約 50 万台)には、出荷前に始動テストを行っています。


「ここは、カワサキ方式製造システム(KPS)で操業しています」と品質管理技術グループ・スーパーバイザー、ワッツ氏は説明します。

「多品目を少量生産していますが、製品の品質および生産技術で要求されるレベルは、自動車業界でも最高水準にあります」同工場には、機械加工のラインが50あり、通常、最初の加工工程を行う工作機と最終工程の工作機がお互いに向かい合うように、U字に配置されています。「基本的に、複数の工程からなる機械加工ラインを、パーツが高速で一個流しされる方式です」とワッツ氏は続けます。同社製ロボットを連携させ、ダイカスト工程の多くの場面で、また、機械加工のある部分で作業の自動化が進められています。クランクケース生産ラインの一本では、ロボットが素材を機械に搬入して、加工済み品を搬出し、組立工程で使用される部品置き場に保管されます。パーツはアルミニウム材、鋳鉄材、鉄鋼材から機械加工されます。
「高級車に使用されるパワートレインと同様の公差を使用しており、アルミニウムパーツには4~5の重要工程、また鉄鋼パーツには15の重要工程が存在します。」とワッツ氏は公差について説明します。

 

形状面に数ミクロン単位の公差を使用したり真位置に0.05mmという公差を使用するのも珍しいことではありません。

品質管理(QC)検査室では、量産パーツ125種の検査および、下請け納品パーツや開発用試作品の検査も担当します。検査室は内部が環境(温度・湿度)管理され、機械加工の生産ラインの隣に設置されており、定期/通常検査用のパーツがカートやトレイン(何台かのトローリーカートを引く電気車両)で搬入されます。ライン組み替えの際に、優先的に検査する重要部品が人の手で持ち込まれたり、問題がありそうな部品をオペレーターが持ち込んだりします。

 

5 軸スキャニングの利点

「私がここで働き始めた当時は、PH10首振りヘッドとSP25プローブを搭載した2台の3軸CMMと、固定式プローブを搭載したもう1台のCMMがありました」とワッツ氏は振り返ります。

「あの当時、プローブ構成部品を製作しなければならず、首振り式ヘッドを使用してもできる検査が限られていて、なかなか思うようにいきませんでした。プローブ構成部品の数があまりに多くて、キャリブレーションに6~7時間を要していたため、計測スループットにも影響がありました。私たちは業界標準以上のものを求めていたため、いくつかのオプションを検討したところ、5軸REVOシステムが最も高速で柔軟性に優れているように思われただけでなく、ニーズに最も適していました。」
同社は、2009 年にミツトヨで REVO システムをすでに取付けた状態のミツトヨのCrysta-Apex 121210を購入しました。同機で全てのパートプログラムが実行できる状態になってから、別のもう一台の同タイプ工作機械にもREVOシステムを後付しました。


REVO 5軸スキャニング式プローブヘッドは、最速毎秒6000点のデータ収集が可能です。これは、はめこみ(fit)や形状表面を高精度で検証するために多量のデータ収集が必要な、自由曲面の表面や複雑形状の高速・高精度計測用に設計されており、無限の回転と位置決めを実行するために回転軸を、垂直の平面と水平の平面でそれぞれ1軸づつ、2軸使用しています。さらに、5 軸ソフトウェアは3次元測定機の直線軸と同期をとりながら、ヘッドを移動させま
す。本ソフトウェアの「Look ahead」アルゴリズムがプローブの計測パスと測定機が継続して連動するようにします。ヘッドは移動しながら位置を調整し、スタイラス先端が常に、最高500mm/secの倣い測定速度で、変化する形状輪郭/表面に接触し続けるようにします。


「SP25 はスキャニングプローブでしたが、3 軸 CMM ではスキャニング速度が遅すぎたため、95パーセントはタッチプローブ計測に使用していました。」とワッツ氏は説明します。

 

「タッチプローブ計測では不充分だということを示す良い例は、シリンダーとクランクの穴です。直径 80 ~ 100mm、深さ 150mm の穴形状を測定する際、充分な数のデータ点数を高精度で収集するには、SP25 では時間がかかりすぎました。それで、機械の芯だし/セットアップと設計部門から特別な要請があった場合にだけ、寸法計測を実行しました。現在では、計測するすべてのクランクケースに対して REVO で穴のスパイラルスキャンを行い、システムからソフトウェアに値を出力しています。これらデータのグラフは、社内LANを介して、品質管理部、製造技術部、生産部のだれもが利用できるようになっており、トラブル発生時の検証解析に威力を発揮しています。問題が「可視化」するのです。SP25 で 3 ~ 4 分かかっていた作業も、REVO により 10 秒で計測できるようになりました。」

 

REVO スキャニングヘッドを使用することで、タッチプローブ計測を行う必要性がほとんど排除されました。現在、検査の95%に倣い側定を使用、以前のような時間のロスがなく、使用するコンピュータの処理速度の限界まで大量に、データ収集ができます。ROVOプローブは、必要な場合に「ヘッドタッチ」プローブとして使用したり、伝統的な機械タッチプローブ計測に使用することも可能です。


「倣い側定で寸法検査を実施して、生産や製造技術部関係者の、側定データに対する信頼度が増しました」とワッツ氏は付け加えます。「タッチプローブ計測では、7 ~ 8点しか側定点を取り込まないので、微塵粒子1粒でも 円が完成されず、円の位置が外れてしまうことがあります。タッチプローブでは検出できない平面度エラーの例やタッチプローブ計測の少ないデータ量では発見できないシリンダー穴形状の例が、明確に文書化されています。それでも出荷前にこれらの問題は検出されましたが、パーツは廃棄処分となりました。 REVO のスキャニング機能で、時間を大幅にかけなくても、形状誤差を早期に検出できます。おかげで、早い段階から品質問題を特定して、より素早い対応を取れるようになりました」。

 

プローブ構成部品数を少なくして、柔軟性を向上REVOを使用するメアリヴィル工場では、すべての量産パーツの計測に必要なプローブ構成が2つのみとなり、チェンジラックに収納の特注プローブは、2・3の特殊アプリケーション用に使用されます。
REVO は無限の角度で位置決めできるために、特殊な治具を使用したり、どのプローブを使用するかを考慮する必要もなく計測できるようになったため、下請け業者からのパーツ用の特殊な構成も不要になりました。

プローブ数の減少に伴い、キャリブレーション時間も 46 分前後に短縮されました。そのため品質管理の担当者は、シフトのたびにキャリブレーションを実行する代わりに、キャリブレーションしてあることをモニターします。
「現在では、わずか 2 種類のプローブ部品ですべての量産パーツを計測できるようになりました。」とワッツ氏は述べます。

「REVOではスタイラスとワークの間で大きなアプローチ角度を確保できるのでに、大型ボールスタイラス構成部品を使用しなくても済みます。Rovoで倣い側定中、このアプローチ角度があるため、 内径5mmの計測に使用したのと同じスタイラスでも、スライラス軸が当たってしまうこともなく、シリンダー内径などの大きなシリンダー形状を測定することができます。」

REVOシステムの柔軟性も時間を短縮できるようになった一因です。

「どんなパーツでも、特殊なキャリブレーションを行うことなく、限られた冶具で、(2台あるうちの)どちらの機械で側定することができます。」とワッツ氏は説明します。

「3 種類の治具ですべてのパーツを計測しています。REVOプローブは、初めに位置決めを行った後、自動的にパーツへオリエントします。そのため、パーツのアライメントによる側定エラーを心配することなく、特殊冶具の使用をほぼ排除しました。」
同社では、REVOシステムへのアップグレードがきっかけとなって、検査ルーチンのプログラミングも社内で開発したコードによる、パラメータ式とモジュール式のプログラム作成方法に移行しました。この方法だと、ひとつのパーツグループに同一のプログラムが使用できます。「たとえば、ここで扱う 30 種類のクランクシャフトを例に取ると、そのサイズや位置が異なっても、どれも同じ形状です。そのため、同じ検査プログラムを使用してすべてのパーツを計測すること
ができます。」とワッツ氏はいいます。「これが REVO導入による最も大きな利点の一つです。」角度に制限がないREVOシステムでは、形状のサイズや向きによってスタイラスがパーツ形状に干渉することを心配することなく、簡単にパラメータ式でプログラムを作成することができます。プローブは、計測対象の形状に対して自動的に直角に配置されるため、プログラム作成がシンプルになります。

 

測定が高速化すればするほど、研究開発部への品証データが高質化


ワッツ氏は、3 軸から 5 軸プログラミングへの移行は難しくなく、あまり技術力のないプログラマーでも3 軸と同様に REVO の検査プログラムを作成できるといいます。しかし、検査スピードを最適化するためには、できるだけ多くヘッドの動作を盛り込むことが重要です。

「そうすれば、計測誤差を引き起こすことなくパーツを最速で倣い側定できます。」とワッツ氏は付け加えます。

 

「REVOシステムでたくさんの可能性が広がり、制約はほとんどありません。ですから、プログラマーの技術力に関係なく速度面の利点を享受できます。」
検査結果は、加工ラインに手渡されたり、社内LANを介して、加工ラインのオペレーターが近くのパソコンからアクセスしたりします。

「検査レポートのいくつかは、直接マシニングセンターの座標系に、オフセット値を送るようになっています。そのため、CNCオペレーターはオフセット調整値をレポートから読み取ることができ、どのオフセット値を入力するかで、ミスが発生することは起こりえなくなります。」とワッツ氏は説明します。

 

「我々は”ベストフィット”アルゴリズムのいくつかを活用しており、かなり複雑なアルゴリズムを駆使しなれば、正しく調整できないパーツなどで、また、複数工程の同時調整の実行に、製造エンジニアと連携して使用しています。REVOを使用する以前はこの能力が限られていましたが、REVO によりパラメータ式のプログラミングを行えるようになったために、あらゆる領域に簡単にこの能力を拡張できるようになりました。

 

5軸3次元側定機による倣い側定は、速度、データ品質、検査能力の面でメアリヴィル工場品質管理部に一大革命をもたらしましたとワッツ氏はいいます。
「全く同じ工作機械を2台設備することが、どれだけ大きな利益となるかを実感し、その成果を得ています。1台の機械が故障したり、キャリブレーションのために停止していても、他の機械で重要なパーツを測定できるからです。大型パーツを小型のCMM に配置したり、難しい角度を必要とするパーツを対応できない機械で計測しようとしたりするのが、品証検査室の仕事でしたから、これが一番の恩恵です。以前は、研究開発部門から特定の形状を計測するように要請されても、与えられた時間ではほとんど不可能なケースもよくありました。現在では、短時間でデータを提供できるだけでなく、スキャンしたデータに対する人々からの信頼度が高まっています。単純な検査スピードの向上に加えて、柔軟性、治具の低減、形状計測、パラメータ式プログラミングなどの要因がすべて相乗効果になっています。」
メアリヴィル工場ではすでに、5万個以上の量産
パーツを2 台の REVO 搭載3次元側定装置で計測しました。実用性が確認されれば、REVOシステムをさらに、ギアやカムリフトの検査にも拡大する計画があることをワッツ氏は示唆します。「カムリフト用に当社ソフトウェアで独自のアルゴリズムとサブルーチンを開発しました。ローブの上にあるリフトの測定に要するプローブの角度は、REVO システムがなければ、もっと困難だったはずです」