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RFIDチップを搭載した工具ホルダーのスマート管理ソリューション
RFIDは1990年代に登場した非接触型の自動識別技術で、高速スキャン、小型化、耐汚染性および耐久性の高さ、再利用性、透過性と無障害読み取り、大容量のデータ記憶能力および高いセキュリティといった特長を備えているため、生産データの収集・監視・伝送において大きな応用可能性を有しています。本稿では、無線RF技術を基盤として、工具のシャンク部にRFIDチップを搭載し、工具情報の収集・管理を実現することで、総合的な生産コストの低減を図ります。
公開日:
2023-06-27
NC工作機械はすでに機械加工车间の主流設備となっており、一般的な小規模なNC加工车间では工具の保有数が千本に達し、さらにその付属部品を加えると総数は万本を超え、種類も百種以上にのぼります。工具の数量および種類が急増するに伴い、生産現場では各種類・各種規格の標準工具と非標準工具が混在し、大量の工具が工具倉庫と工作機械、および各工作機械設備の間で頻繁に移動・交換されています。現在、国内の加工车间では多くの場合、工具の管理が手作業および紙製バーコードによる方式に依存しています。しかし、紙製バーコードは油汚れの環境下では容易に汚損し、工具の寿命も経験に基づく判断に頼らざるを得ません。工具の不足により多くの加工工程が停止し、工作機械のオペレーターは工具の探索に多大な時間を費やさざるを得ません。NC工作機械の種類および新製品の種類が増加するにつれ、既存の工具管理方案ではもはや需要を満たせなくなっているため、無線周波数識別技術（RFID）の導入が進められています。
RFIDは1990年代に登場した非接触型の自動識別技術で、高速スキャン、小型化、耐汚染性および耐久性の高さ、再利用性、透過性と無障害読み取り、大容量のデータ記憶能力および高いセキュリティといった特長を備えているため、生産データの収集・監視・伝送において大きな応用可能性を有しています。本稿では、無線周波数技術を基盤として、RFIDチップを工具のシャンクに搭載し、工具情報の収集・管理を実現することで、総合的な生産コストの低減を図ります。
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1 切削工具管理業界の現状と需要
国内外の切削工具管理に関する研究に従事する専門家らは、多数の切削工具管理ソフトウェアを開発してきましたが、それでも切削工具管理のすべての要件を満たすには至っておらず、現行の切削工具管理には以下の問題が存在します：
①工具の全ライフサイクルにわたる記録およびデータを分析することができず、時間点ごとに工具情報の収集と監視を実現しているのみで、未加工時のデータを取得することはできない。
②従来の工具管理にはM2M（マシン・トゥ・マシン）による情報交換が欠けており、統合的な管理を実現できない。
③現行の工具管理方案は、生産ニーズの充足を目的としており、工具のライフサイクル全体にわたるコスト問題は考慮されていない。
上記の課題を解決し、製造業のさらなるスマート化・自動化の実現を目指すためには、工具情報の管理に新たな技術的手法を導入することが急務です。バロフは、工作機械における工具の使用状況をスマートに管理し、工具のパラメータを工作機械へ伝達することで、工具を工作機械の刃物庫に登録し、加工プログラムから容易に呼び出せるようにします。さらに、工具による加工が完了した際には、工具の生産時間をそのRFIDタグに書き込むことで、工具のリアルタイムな情報収集や工具状態の追跡といった機能を実現しています。
2 切削工具情報管理システムのパラメータ収集および設定
工具情報管理システムとは、製造セル内の各種機械設備（NC工作機械、ツールセットアップ装置など）およびRFIDリーダー・ライターとの通信を基盤とし、無線RF技術を活用するとともに、CNCとRFIDリーダー・ライターの間でシリアル通信技術を採用することにより、工具のライフサイクル全体にわたる情報のモニタリングおよび保管・管理を実現するシステムである。工具のライフサイクルは一般に、計画、調達、識別、入庫、貸出、組み付け、使用、返却、再研磨、廃棄といった段階から構成される。
工作機械の工具管理の前提条件は、まず工具をツールセット化し、さらにツールアライメント装置を用いて工具の位置合わせを行うことです。工具の各機能を確実に発揮させるためには、工作機械でツールバンクの初期化を実施し、工具の加工時間をツールハンドルのRFIDタグに書き込む必要があります。なお、高周波RFIDは読み書き距離が比較的短いため、ツールハンドルのRFIDを読み書きする際には、空気圧式の装置によりアンテナをRFIDタグに近づける必要があります。
(1)工作機械の刃物庫の初期化
NC工具情報のインテリジェントな伝送を実現するには、まずNC工作機械に依存する必要があります。工具が工作機械に装着される際に自動的にツールチェンジャーへ収納され、さらにRFIDタグから工具のパラメータが工作機械のツールチェンジャーに読み込まれるよう保証するためには、工作機械のツールチェンジャーに対して初期化処理を実施する必要があります。具体的な手順は以下のとおりです。
①工作機械で工具の交換が行われる際には、工作機械の制御によりツールチェンジャーを一回転させ（図2参照）、すべての工具を工作機械のツールバンクに再初期化する必要があります。
②各工具について、次の操作を実施する。CNCは指令によりシリンダーを駆動してRFIDリーダヘッドを上方に持ち上げる。シリンダーが所定位置に到達すると、CNCは近接スイッチの状態を取得し、RFIDリーダライタの動作を起動する。その後、シリンダーの状態を500 ms維持し、CNCはシリアル通信を通じてRFIDリーダライタを駆動して、工具ハンドルのRFIDチップの読み取り処理を行う。続いてシリンダーを戻し、CNCはシリンダーの磁気式近接スイッチによる到達検出後、工具の動作を継続させる。
③制御が必要な機能：CNC操作画面にボタンを追加し、そのボタンを押すたびに刃物台が自動で1回転するようにする。これにより、工具交換のたびに必ず1回転させ、工作機械の刃物庫を初期化できる。なお、工作機械の刃物庫用ツールホルダーに直接工具を取り付けることは認めない。
(2)工具の生産時間記録
刃物の取り外し（組み付け）時に、当該刃物の生産量（加工時間）を刃物管理システムに登録します。工作機械の加工時間を刃物ホルダーのRFIDに書き込む手順は以下のとおりです：
①工作機械から工具を抜く前または工具のセットを行った後に、工作機械は使用した工具を記録し、ツールディスクを回転させて、各工具の加工時間を逐一入力する。
②シリンダーの状態を500 ms維持し、CNCがシリアル通信によりRFIDリーダー・ライターを駆動して、ドレッサーホルダーのRFIDチップにデータを書き込む。
③エアシリンダーを戻し、CNCによりエアシリンダーの磁気リミットスイッチが確実に作動したことを確認した後、カッターヘッドは引き続き回転を続けます。
上記の方案を円滑に実施するためには、CNC操作画面にボタンを追加し、工具の取り外し前またはセット後にそのボタンを一度押すことで、工作機械を一回転させ、同時に工具の使用時間を記録することで、最終的に工具寿命の管理を完了させる必要があります。また、当該方案のプロセスを実行する際には、作業手順の規範に厳格に従うことが重要です。
(3)RFIDチップにおける工具データの保存
工具コードは、工具の識別を確実にするための唯一無二の情報であり、これをRFIDに記録することで、各工具を個別に管理します。対応するプログラムを作成する際には、工具の仕様・型式に基づいて工具の公称直径および公称長さを決定し、それに応じた加工プログラムを設定したうえで、実際の加工状況に応じて適切な直径補正および長さ補正を行います。同一の工具が異なる工作機械に取り付けられることや、同一の工作機械でも異なる製品を加工することがあるため、また加工中に異常が発生することもあり得ます。したがって、加工中には上記の加工情報を表示する必要があります。プログラムによる制御により、加工プロセス中にリアルタイムでレポートを表示し、工具コード、加工対象製品、製品数量、異常情報などのほか、RFIDに記録された工具コード、工具寿命、工具の使用時間といった情報も同時に提示することができます。
3 ハードウェアシステムの構成およびソフトウェア開発
ハードウェアは、電子タグ（RFID）、アンテナ、リーダー／ライターおよび関連するデータインタフェースで構成される。RFIDタグはデータの担体であり、チップと結合素子から成り、各RFIDタグには固有の電子コードが割り当てられている。RFIDタグ用アンテナは、RFID電子タグの応答器アンテナとして機能し、通信による誘導作用によりタグとコントローラーとの間で無線周波数信号を伝送する。一方、リーダー／ライターは、RFIDタグの情報を読み取ったり書き込んだりするための装置である。
要約
工具にRFIDタグを搭載することで、工具のライフサイクル全体にわたる識別と情報の読み書きが可能となり、さらにNC工作機械などの設備本体にリーダー・ライターを設置して、RFIDタグと主要制御システムとの間の情報交換のインターフェースとして機能させます。RFIDタグを情報のキャリアとして活用することで、工具と設備本体、および設備本体同士の間で情報のやり取りを実現し、工具の寿命予測を実現します。この新たなソリューションにより、工具のライフサイクル全体にわたる管理が可能となり、工具在庫を20％削減、工具コストを10％低減、準備時間を15％短縮、設備効率を10％向上、納期を10％短縮、総合コストを15％以上削減することが可能です。
RFID刃柄、RFIDチップ、RFIDによるスマートな工具管理
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