CNC上デジタルツインで加工誤差をリアルタイム補正

三菱電機株式会社は、アーヘン工科大学との共同研究により、CNC（Computer Numerical Control）装置上でデジタルツインを動作させ、加工誤差をリアルタイムに補正する技術を開発した。工作機械の構造変形による加工誤差を最大50％低減できることが確認されている。

切削加工における精度低下の要因
機械加工では、切削力による機械構造の変形、工具摩耗、温度変化、加工対象のばらつきなどが加工精度に影響を与える。これらの要因は加工中に動的に変化するため、従来の事前補正や静的モデルでは十分な精度維持が難しい。

結果として、不良品の発生や再加工が増加し、生産効率や材料利用率の低下につながる。

デジタルツインによるリアルタイム推定
こうした課題に対し、現場データと物理モデルを組み合わせて加工状態を仮想空間で再現するデジタルツイン技術が活用されている。加工中の状態をリアルタイムで推定し、誤差を予測することで、制御系へのフィードバックが可能となる。

ただし、リアルタイム補正を実現するためには、以下の3要素を同時に満たす必要がある。
・高頻度でのセンサデータ取得
・高精度な誤差推定モデル
・制御系への即時反映

CNC装置上での実装課題
工作機械に内蔵されるCNC装置は、処理能力やメモリ容量に制約があるため、大規模なモデルやデータ処理をそのまま実装することが難しい。このため、従来は外部計算機との連携が必要となり、リアルタイム性やシステム構成の複雑化が課題となっていた。

コンパクトモデルによるリアルタイム制御
今回の技術では、高サンプリングレートで取得した軸位置、電流、切削力などのデータから、誤差推定に必要な情報のみを抽出し、最小限の計算式で構成されたコンパクトな物理モデルを構築している。

この設計により、CNC装置上でのリアルタイム処理が可能となり、推定結果を即座に制御へ反映できる。

加工誤差低減効果
本技術を実装した工作機械において、構造部の変形に起因する加工誤差を最大50％低減できることが確認されている。リアルタイム補正により、加工中の変動要因に追従した精度制御が可能となる。

生産性と環境負荷への影響
加工誤差の低減は、不良品削減や再加工の削減につながる。これにより、材料使用量の削減や加工時間の短縮が可能となり、生産性向上と環境負荷低減の両立に寄与する。

スマートマニュファクチャリングへの位置付け
CNC装置内でデジタルツインを実装し、リアルタイム制御に活用する本技術は、工作機械の高度化における一つの方向性を示している。外部システムに依存せず、機械単体で高度な補正機能を実現することで、現場レベルでのデジタルツイン活用が進展する可能性がある。

Induportals編集者ロミラ・ディシルバにより編集、AIの支援を受けています。