WormsensingのDragonfly®は、従来のひずみゲージの感度を1000倍も上回る動的ひずみセンサであり、厚さ150µm未満のフレキシブルPCBという同じフォームファクターを維持しています。Dragonfly®の広い帯域幅（0.02Hzから100kHz以上）は、構造部品に作用する準静的な力と、回転機械の回転周波数の高調波の振動を同時に評価することを可能にします。実用的な応用を示すために、産業用フライス盤のスピンドルにDragonfly®と標準的な加速度計を取り付けました。比較分析では、Dragonfly®はスピンドルの早期摩耗を引き起こす異常な力を検出できるだけでなく、加速度計の信号から従来得られていた振動（摩擦や衝撃など）も提供できることが示されました。スピンドルにかかる力を測定できる能力により、工具の能動的な制御、特に異常な使用時の自動停止が可能になります。

1. はじめに

近年、産業界では機械のモニタリング装置が広範に普及し、いわゆる「第4次産業革命」を迎えています。これらのモニタリングシステムは、振動信号をリアルタイムで取得し、データ処理を行い、クラウドに関連する指標を送信することが可能です。現在、フライス盤やドリル、切削工具などの一般的な産業機械には、摩耗の初期兆候や過度な負荷、不適切な操作を検出するためのセンサが取り付けられ、異常を検知すると自動で停止し、損傷が発生する前にメンテナンスを行う仕組みが整っています。このような自動停止の機能により、機械に損傷が及ぶ前に停止させることが可能となり、手動チェックよりも優れた利点を持っています。最終的な目的は、機械の停止時間を減少させ、機械所有者にとっての生産性の低下やコスト増加を抑えることです。 歴史的に、ISO 20816規格に基づく加速度計が機械モニタリングの主流センサとして使用されてきました。この規格では、振動モニタリングの方法と、主に加速度測定から導き出される関連指標が定義されています。フライス加工のモニタリングにおいては、以下の物理量が工具の状態を評価するために提案されています。
 

• 切削力：スピンドルや作業台内にひずみゲージや圧電PVDFフィルムを追加することで推定され、工具の状態と最も直接的に関連する指標です。
• 工具の振動：異なる位置（スピンドル、CNCテーブル、加工物）に設置した加速度計で測定されます。加速度計の取り付けは比較的簡単なため、この目的で広く使用されていますが、加速度信号の分析は切削力ほど工具の状態に直接関係しないため、複雑です。
• モータの電力や温度などの他の指標：精度は高くなく、工具の状態について加速度や切削力測定ほどの詳細な洞察は提供しません。

通常、産業用フライス盤には切削力を監視するセンサが組み込まれていないため、設置には制約があり、センサは迅速に設置できる必要があります。また、機械の構造部品を改造せずに取り付けることが求められます。 従来の抵抗性ひずみゲージは、低感度で小さな変形（10µdef未満）を正確に測定することが困難です。フライス工具の構造部品は剛性が高く、変形がわずかであるため、測定信号が抵抗性ひずみゲージのノイズレベルに近く、特に高周波では信号がノイズに埋もれやすいです。

もう一つの選択肢として、圧電ひずみセンサがあります。市販されている選択肢としては以下が挙げられます：

• 薄膜PVDFひずみセンサ：低コストで柔軟性があり、取り付けも容易ですが、時間とともに圧電特性が劣化するため、信頼性のある機械モニタリングには不向きです。
• 金属ケースに埋め込まれた圧電結晶を使用した伸び計：時間の経過に伴って安定しているものの、既存の機械に組み込むには適切な場所に平らで硬い面が必要であるため、取り付けが困難です。

Wormsensingが製造するDragonfly®ひずみセンサは、これらの技術的課題を克服し、薄型で圧電結晶フィルムを柔軟なPCBフレックス基板に組み込み、非常に感度が高く、耐久性に優れ、取り扱いやすいセンサを実現しています。狭い空間にも簡単に取り付け可能で、現在広く使用されているIEPE対応の収録機に対応しています。この研究では、Dragonfly®センサを使用して産業用フライス工具のスピンドルケーシングを計測し、その測定値を産業用加速度計と比較しています。

2．産業用途事例

2.1 目的

この章で取り上げる装置は、航空宇宙業界の大手メーカーに属するもので、24時間体制でアルミ部品のフライス加工を行っています。ここで注目すべき部品はスピンドルです。スピンドルは、加工ツールをモータに接続するベアリングを含む機械部品です。 スピンドルの製造元によれば、このスピンドルは10,000時間のフライス加工に耐える設計とされていますが、実際には4,000時間ごとに交換が必要となっています。早期摩耗の原因を調査するために、まずスピンドルを保持するフレームに3軸加速度計を取り付けて計測が行われましたが、すべての問題を特定することはできませんでした。 実際のところ、スピンドルにかかる力は加速度計では測定できません。また、機器に力センサを追加することもできません。これは、力センサを設置するには構造部品の改造が必要になるためです。Dragonfly®センサの高感度により、フライス工具がかける力でスピンドル構造に生じるわずかな歪みを測定できるため、異常な負荷がスピンドルにかかる場合の監視に適したセンサといえます。
 

2.2 設置

モニタリング対象となる工具の写真を図2に示しています。 この写真では、加速度計がフレームに固定され、Dragonfly®ひずみセンサがスピンドルに取り付けられています。写真にはフライスカッターは写っていませんが、これはスピンドル内に設置される予定です。スピンドル自体には、工具が加工材料に加える強い力に耐えるためのベアリングが組み込まれています。

スピンドルには以下の2種類のセンサが装備されています：

• 一般的な産業用MEMS加速度計は、装置専用に設計された金属製のホルダーを用いて、加速度計がスピンドルに適切な位置で固定されています。
• Wormsensing社製のDragonfly®は、スピンドルのクランプ領域の上部に接着されています。Dragonfly®センサの設置には、表面の清掃と配線を含めて20分を要しました。このセンサはIEPEチャージアンプを内蔵しており、多くの収集装置と互換性があります。 取り付けられたセンサの技術図面は図３に示されています。

  両方のセンサは、IFM製の産業用16ビット収集・監視システムに接続されており、信号を50kHzのサンプリングレートで記録するように設定されています。また、12kHzでカットされるアナログアンチエイリアスフィルターも備えています。

3．結果

3.1 フライス加工セッションの分析

図4に、Dragonfly®による典型的なフライス加工セッション中の時間データとスペクトログラムを示しています。プロットには、機械の起動やフライス加工の開始といった様々なイベントが示されており、これらのイベントは信号から明確に識別できます。また、フライス加工フェーズの2つのステップも特定できます。これは、工具がまず垂直に移動し、その後穴を広げるために水平方向に移動する際のものです。 機械のヘッドが工具に到達する約10秒のタイミングで、スピンドルに強い力が加わっていることを示す大きなピークが時間信号に明確に現れています。この情報を得た機械オペレータは、工具の位置座標を確認し、この過剰な負荷を引き起こしたエラーを発見しました。
 

3.2 Dragonfly®と加速度計の比較研究

1度に1つのセンサしか記録できないため、2つの類似したフライス加工セッションを実施し、1つは加速度計で、もう1つはDragonfly®ひずみセンサで記録しました。図6に記録されたデータを示しており、原データ、全周波数範囲および低周波数でのスペクトログラムが表示されています。また、センサ信号をフィルタリングし、機械モニタリングに役立つ様々な指標を300msの時間ウィンドウごとに計算しています。

これには以下が含まれます：

• 低周波数（0-50Hz）でのピーク間振幅
• 中周波数（50-1000Hz）でのピーク間振幅
• 高周波数（1-15kHz）でのピーク間振幅

フライス加工セッションは、生材料と工具が約3秒間接触する複数のフェーズから構成されています。

3.2.1 スペクトログラム

図５は、加速度計とDragonfly®の両方が工具の回転周波数のすべての高調波を測定できることを示しています。Dragonfly®は広範囲の周波数に対応しており、加速度計の共振周波数と思われる5kHzを超える高調波も観測でできます。また、Dragonfly®は低周波でのSN比が優れています。これは、Dragonfly®がスピンドルの変位に比例するひずみを測定しているためであり、加速度計のように時間に対して2回微分した加速度を測定するよりも、低周波数でのSN比が高くなるためです。
 

3.2.2 スペクトル

フライス加工フェーズ中の2つの信号のパワースペクトル密度（PSD）は、図６にプロットされています。 図5の最初のプロットには、Dragonfly®の生の信号のPSDが示されています。この信号の単位はひずみです。Dragonfly®のPSDを加速度計のPSDと比較するため、Dragonfly®信号を時間に対して2回微分し、加速度と同じ時間依存性を持つようにしています。2つ目のプロットには、加速度計のPSDと、微分後のひずみのPSDが示されており、両方のPSDにおいて高周波数および低周波数で同じピークが確認できます。さらに、さまざまなピークの相対的な振幅も類似しており、これにより、振動解析手法をDragonfly®の信号に直接適用できることが示されています。
 

3.2.3 時間データ

Dragonfly®センサの生の時間データは、低周波数において加速度計よりも多くの情報を含んでいます。これは、各フライス加工フェーズの開始時と終了時に、工具が加工物と接触し、スピンドルに一定の力を加える際に特に顕著です。図7には、フライス加工フェーズの開始時における時間信号の拡大図が示されています。
図7は、加速度計の信号には50Hz以下の情報が含まれていないことを明確に示しています。一方で、Dragonfly®は、63.7秒付近で工具が加工材と接触した際に平均レベルの上昇を捉えています。この低周波成分の振幅は、工具が加工物に加える力を示しており、接触が過度に強いかどうかを監視するために利用できます。
 

3.2.4 指標

図５の最後のプロットには、0.3秒毎で計算された主要な指標が示されています。 前述の通り、低周波（0-50Hz）でのピーク間振幅は、接触力を監視し、スピンドルに損傷を与える可能性のある衝撃を防ぐために活用できます。この指標は通常、工具が加工物と接触するフライス加工フェーズの開始時と終了時に増加します。Dragonfly®は圧電センサであり、動的な力の測定に適しています。力が変化しないときには、IEPEアンプでの電荷漏れにより、数秒の時間スケールで信号はゼロに戻ります。一方、加速度計ではスピンドルにかかる力についての情報は提供されません。 その他の2つの指標（中周波および高周波でのピーク間振幅）は、通常、衝撃や摩擦を監視するために使用され、両センサで同様に計算が可能です。

 

4．結論

産業用フライス盤のスピンドルにDragonfly®ひずみセンサを取り付けることで、このセンサが産業用加速度計の信号から得られるすべての情報を提供し、さらに価値のある追加情報も得られることが示されました。Dragonfly®によって、工具が加工物に加える力を推定することが可能となり、スピンドルの摩耗と直接的に相関する追加の指標を開発することができます。また、スピンドルにかかる負荷の把握による損傷を防ぐために機械の自動停止を実装することも可能になります。