■技術名技術 のITホイールシステム 特許出願済［著者］五十君 智
工業機材事業本部 技術本部
研削ソフト技術部 加工技術グループ

研削におけるインプロセスセンシング技術の開発［展開性・目指す方向性］

目指すのは次世代の研削！ものづくりの理想を目指したスマートファクトリーを形にするためにはどんな技術が必要か？ 砥石メーカーが担うべきタスクを追求していきます。
研削は加工品質を決定付ける因子が多い加工方法です。
砥石の状態は刻一刻と変化していき、それにともない加工品質も変化します。
さらにドレッシングの出来ばえやドレッサの状態などによっても性能が左右されるため、加工に時間がかかったり、人の感覚に頼らざるを得ない工程があるなど、無人化・省人化・合理化が難しいという印象を持たれている方も多いのではないでしょうか。
砥石の状態やドレッシングの出来ばえを定量化できないか？ドレッシングのタイミングを最適化できないか？
研削条件を自動的に最適化できないか？
そういったお客様の声を受け、ノリタケでは新しいセンシング手法による研削の見える化技術を開発しています。

01 スマートファクトリー の 実 現 を目 指すものづくりの 現 場
近年のものづくりにおけるトレンドとして、IoT技術によるスマートファクトリー化、生産工程の見える化技術が注目を浴びています。実際、国内最大の工作機械見本市であるJIMTOFにおいても2016年頃からIoTやAIに関連した展示が多くなりました。その内容についてもJIMTOF2016の未来のものづくりに対するビジョン・コンセプトの提案から、JIMTOF2018では実装を念頭としたものが研削盤メーカーを中心に展示されていました。
JIMTOF2020はコロナ禍の影響により、オンラインで開催されることになり、今後の業界の展開が垣間見えることに期待が寄せられています。将来、5GやWi-Fi6といった新たな高速通信規格の普及によってさらにIoT技術の利用範囲が拡大すると、研削における自動化・最適化に対する要求が高まってくると考えています。それに応えるため、センサー内蔵ITホイールを用いた研削の見える化技術ITホイールシステムの開発を進めています。

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［技術の芽］ITホイールシステム

02 I Tホイールシステム の 開 発 思想
ITホイールシステムは、研削ホイール内部にセンサーを配置したITホ

図1 ITホイールシステム

イールにより研削状態をインプロセスで見える化し、研削の自動化のたクラウド

ル ーター

PC

CLOUD

RUTER

Wi-Fi

めのインプットデータを得ることを目的として開発したものです。ITホイールで得られたデータは高速無線通信（Wi-Fi）にてパーソナルコンピュータ(PC)やクラウドに送ることが可能です
（図1）。

Wi-Fi

ここでのセンサーは主にAEセンサーを示します。AEセンサーで得られコアワーク

るAE波 は物質が変形したり破壊したりするときに放出される音波（弾※性エネルギー）で、これをセンシング、解析することで砥石の状態やドレッシングの状態を定量化できる可能性があります。既存のセンシングでは回転軸ケース周辺に取り付ける仕様（図2）や、回転軸中心に非接触式のAEセンサー内蔵ITホイール

図2 研削盤への一般的なセンサー配置例

センサーを取り付ける仕様が一般的で、AEセンサーが研削点に十分近いAEセンサーとは言い難いため、機械振動ノイズや研削点での振動の減衰により研削
ワーク
砥石ドレッサ現象を発信源とした振動を捉えることが難しいという問題がありました（図3）。
図3 研削における振動の発信源

必要な信号

ノイ ズ
軸受・スピンドル（砥石軸） モーター・ポンプ・主軸（ワーク軸）

歯車

研削現象

送り駆動系

砥粒の破砕

砥粒

研削盤

AE波

ボンドブリッジの破断

ワーク
ボンドブリッジ

一方、ITホイールはコア内部にAEセンサーを配置しているため、研削点と図4 ITホイールのセンサー配置
図5 研削時振動の周波数解析結果

AEセンサー

AEセンサーの位置がこれまでの手法

コア

一般的なセンサー配置
さまざまな周波数にピークが発生

機械的な振動が発生しやすい箇所かワーク

振幅よりも格段に近く（図4）、逆に軸受等、ら離れています。検証試験の結果、これらの効果からITホイールによって採取された振動波形を周波数解析すると、ノイズの影響が非常に少ない

周波数

センサー内蔵ITホイール

特徴的で一般的なセンサー配置とは異なる周波数にピークが発生

I T ホイールシステム の 開 発 思 想 や 構 成 に つ いては 、N O R I T A K E

振幅

クリーンな波形が得られることがわかっています（図5）。

TECHNICAL JOURNAL 2018
「IoTにより変わりゆくものづくりの現場」
周波数にも詳しく掲載しています。

2021 ｜ 51［技術の芽］ITホイールシステム

03 振動の周波数 解 析ITホイールにおいてAEセンサーから得られたアナログ電気信号はコ

図6 砥石ドレッシング時の周波数解析結果

アに内蔵されたA/D変換器によりデジタル信号に変換され、同じくコアに内蔵されたWi-Fi通信モジュールによりWi-Fiルーターを介してPCにの大きさに変換します。

第二周波数帯振幅送られます。PCでは振動の時間軸波形をFFT解析※により、周波数と振幅第一周波数帯

ITホイールで得られた波形には、前述の通りノイズが少ないクリーンな波形が見られます。また、ここで見られる波形には2つの特徴的な周波数ピークが存在し、ノリタケではこれらを比較的低周波数帯で発生する「第一周波数帯」と、比較的高周波数帯で発生する「第二周波数帯」と呼図7 ビトリファイドCBNホイールとロータリードレッサの回転方向ダウンカットドレッシングんでいます（図6）。

ビトリファイドCBNホイールでは、これらの周波数帯のピークは、それぞれ何を示しているのでしょ

アップカットドレッシング
ビトリファイドCBN
ホイール
ロータリードレッサ

うか。それを解明するために、ドレッシング時のロータリードレッサの周VwとビトリファイドCBNホイール（以降「ホイール」）の周速度（Vw）速度（VD）

Vw
VDの差（周速度比VD/Vw）による研削時の作用の違いに着目し、ホイールをVD

ロータリー
ドレッサ

ロータリードレッサにてドレッシングした際の振動を測定しました。
ドレッシングの際のホイールとロータリードレッサの回転方向（図7）や周速度比を変化させて振動の変化を分析しています（図8）。

ロータリードレッサによるドレッシング作用は、ホイールとロータリードレッサの回転方向によって変化することが知られており、特にダウンカットでの周速度比1.0の条件下では特異的なホイール面状態となります。
周速度比が1.0の場合、ホイールの砥粒に対するロータリードレッサのダイヤモンド砥粒の切込み角が大きくなることで、砥粒の摩滅が起こりにくく、逆にボンドブリッジの破断やCBN砥粒の破砕が著しくなります。
そのようなホイール面でワークを研削した場合、ワークの表面粗さが悪く、研削抵抗が低くなります（このような作用を研削では「ホイールが軟らかく作用する」と表現します）。
それを踏まえて第一周波数帯と第二周波数帯に発図8 ドレッシング条件と振動強度積分値

生する振動強度（振幅の大きさ）の周波数積分値を見第一周波数帯第二周波数帯てみます。
アップカットの周速度比1.0やダウンカットの周速度比0.3,0.5に対し、ダウンカットの周速度比振動強度積分値1.0では第一周波数帯が3倍程度まで大きくなり、逆に第二周波数帯は減少します。
つまり、この周波数帯の振回転方向

アップカットダウンカットダウンカットダウンカット

周速度比（VD/Vw）

1.0

0.3

0.5

1.0

VD:33m/s
Vw:33m/s

VD:10m/s
Vw:33m/s

VD:17m/s
Vw:33m/s

VD:33m/min
Vw:33m/min※ホイールスペック：CB 80 - V
ロータリードレッサスペック：SD 40 - M
ドレッシングリード：0.10mm/r.o.w. ドレッシング切込み：R0.002mm/pass

動強度を捉えることで、ドレッシング時のホイールに対する作用を定量的な指標として見える化できる可能性があります。
次に、ホイールでワークを研削した際の振動を分析

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［技術の芽］ITホイールシステムした結果を紹介します(図9)。
ここで縦軸は振動強度

図9 研削条件と振動強度比比を表しています。
これは、第一周波数帯と第二周波数帯それぞれの周波数積分値の比となっています。
振動強度比

振動強度比＝第一周波数帯積分値/第二周波数帯積分値

ホイール周速度（m/s）

452545ホイールの周速度や研削能率、ワークの種類を変研削能率（mm3/mm・s）

2272化させた際の振動強度比はドレッシングの周速度比

ワーク材質（硬度）SCM435

SCM435

SCM435

SUS304を変化させた試験と同様に、ホイールが軟らかく作用するほど第一周波数帯の積分値が大きくなるた（HRc48）（HRc48）（HRc48）45（Hv165）ホイール表面
3Dマップ

め、振動強度比が大きくなっています。
図9には研削後のホイール表面の3Dマップを示しています。
このマップは、ホイール表面の形状をレーザー顕微鏡にて測定しており、赤色から青色で示した部分が砥粒またはボンドを、

図10 マップの立体イメージ

黒い部分は気孔を表しています。
図10に3Dマップの立体イメージを示します。
振動強度比が大きいほどホイール表面の砥粒やボンドが脱落して黒い部分が多くなっていることがわかります。
このように、振動解析により、インプロセスでホイール表面の状態を定量的に検知することが可能となります。ホイール表面の状態の見える化で、将来的にはホイールの状態やドレッシングの出来ばえの定量化、研削条件やドレッシングのタイミングを自動最適化する技術として、スマートファクトリー実現に貢献したいと考えています。

04 最後にITホイールシステムによって高感度に研削点の現象を捉えられる可能性があると考えます。今後、さらに開発を進め、研削の見える化、自動化に寄与できる技術として発展させていきますので、ご期待ください。

QA

ITホイールは具体的に何に使えますか？
ホイール面の状態を定量的に捉えることができるため、研削盤の自動化としてフィードバック制御をする際の指標値として用いたり、ホイールの異常脱落等の［注釈］※AE波 ： アコースティックエミッションの略で、物質が変形・破砕するときに放出する弾性波。

問題を検知したりドレッシングを行うタ※FFT解析 ： 得られたデータを時間軸波形から、周波数とその周波数に含まれる振動の大きさにイミングを判断したり、といった用途を検変換するフーリエ変換を計算機により高速に行うアルゴリズム。
［文献］
五十君 智：I oTにより変わりゆくものづくりの 現 場,NORITAKE TECHNICAL JOURNAL
2018, (2017)72-77［特許］・株式会社ノリタケカンパニーリミテド.五十君智.ドレッシング面評価装置、ドレッシング装置、および、研削加工装置.特開 2020-69638.2020-05-07
・株式会社ノリタケカンパニーリミテド.五十君智.研削面状態評価装置および研削加工装置.特開2020-69639.2020-0507

討しています。

QAAE波で捉えることができる加工現象は？
着目している周波数帯の振動強度がQ A

砥石の作用硬さによって変化することから、砥粒の破砕や作用砥粒の多い少■期待効果
サイクルタイム短縮

工具寿命向上

加工品質向上

作業性改善

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環境配慮

＆ないなど砥石の状態をリアルタイムに捉えられる可能性があります。

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