CNC技術・CNC工作機械とは何か、一挙にわかりやすく解説！

CNC技術・CNC工作機械とは何か、一挙にわかりやすく解説！
CNC テクノロジーと CNC
数値制御 (NC) 技術は、数値制御と略され、デジタル情報を使用して機械の動作と加工プロセスを制御する方法です。 最新の CNC では制御にコンピューターが使用されているため、コンピューター数値制御 (CNC) とも呼ばれます。
機械の動きと加工プロセスのデジタル情報制御を実現するには、対応するハードウェアとソフトウェアが利用可能でなければなりません。 デジタル情報制御を実現するハードウェアとソフトウェアを総称して数値制御システムと呼び、数値制御システムの中核となるのが数値制御装置です。
数値制御技術によって制御される工作機械を数値制御工作機械（NC工作機械）といいます。 コンピュータ技術、自動制御技術、精密計測技術、工作機械設計などの先端技術を統合した代表的な機電一体製品であり、現代の製造技術の基盤となっています。 工作機械の制御は、CNC テクノロジーの最も初期かつ最も広く使用されている分野でもあります。したがって、CNC 工作機械のレベルは、現在の CNC テクノロジーの性能、レベル、開発の方向性を表します。
CNC工作機械には、ボール盤、フライス盤、中ぐり盤、旋盤、研削盤、電気加工機、鍛造機、レーザー加工機、その他特殊用途に特化したCNC工作機械など、さまざまな種類があります。 CNC技術を用いて制御する工作機械を総称してNC工作機械と呼びます。
自動工具交換 (ATC) 装置を備えた CNC 工作機械 (回転工具ホルダーを備えた CNC 旋盤を除く) をマシン センター (MC) と呼びます。 自動工具交換により、ワークのロードとクランプを一度に行うことで複数の加工ステップを完了できるため、プロセスの集中化とプロセスの統合が実現し、それによって補助加工時間が短縮され、工作機械の効率が向上します。 ワークの取り付け・位置決め回数を削減し、加工精度を向上させます。 マシニング センターは現在、生産量の点で最大かつ最も広く使用されている CNC 工作機械です。
マシニングセンタをベースに、複数の自動パレットチェンジャ（APC）とその他の関連装置で構成される加工ユニットをフレキシブルマニュファクチャリングセルFMCと呼びます。 FMCは、集中処理や複合処理を実現するだけでなく、作業台（パレット）の自動交換や比較的充実した自動監視制御機能により、一定期間の無人処理を可能にし、装置の処理効率をさらに向上させます。 FMCはフレキシブル・マニュファクチャリング・システム(FMS)の基盤であるだけでなく、独立した自動加工装置としても利用できるため、開発スピードが速いです。
FMCやマシニングセンタをベースに、物流システムや産業用ロボット、関連機器を加え、中央制御システムによる集中制御・一元管理を行った製造システムをフレキシブル・マニュファクチャリング・システム（FMS）と呼びます。 FMSは、長時間の無人加工を可能にするだけでなく、複数種類の部品の完全な加工・組立を可能にし、工場での製造プロセスの自動化を実現します。 高度に自動化された先進的な製造システムです。
テクノロジーの発展に伴い、絶え間なく変化する市場の需要に適応するために、現代の製造業は工場の製造プロセスの自動化を開発するだけでなく、市場の予測、生産の意思決定、製品に至るまでの包括的な自動化を達成する必要があります。デザイン、製品の製造から販売まで。 これらの要件から構成される完全な生産製造システムは、Computer Integrated Manufacturing System (CIMS) と呼ばれます。 CIMS は、長期にわたる生産活動とビジネス活動を有機的に統合し、今日の自動製造技術開発の最高段階であるインテリジェント生産の効率と柔軟性を高めます。 CIMS では、生産設備の統合だけでなく、情報を特徴とするテクノロジーと機能の統合も意味します。 コンピュータは統合ツールであり、コンピュータ支援オートメーション ユニット技術は統合の基礎であり、情報とデータの交換と共有は統合の架け橋です。 形成された最終製品は、情報とデータの物質的な具体化として見ることができます。
CNC システムとそのコンポーネント
CNC システムの基本コンポーネント
CNC システムはすべての CNC 機器の中核です。 CNC システムの主な制御対象は座標軸の変位 (移動速度、方向、位置などを含む) であり、その制御情報は主に CNC 加工プログラムまたはモーション制御プログラムから得られます。 したがって、CNC システムの最も基本的なコンポーネントとして、プログラムの入出力デバイス、CNC デバイス、およびサーボ ドライブの 3 つの部分が含まれる必要があります。
入出力装置の機能は、CNC加工やモーション制御のプログラム、加工や制御データ、工作機械のパラメータ、座標軸の位置、検出スイッチの状態などのデータを入出力することです。 キーボードとディスプレイは、CNC 機器に不可欠な最も基本的な入出力デバイスです。 さらに、CNC システムによっては、光電リーダー、磁気テープ ドライブ、またはフロッピー ディスク ドライブを装備することもできます。 周辺機器として、コンピュータは現在一般的に使用されている入出力装置の 1 つです。
CNC デバイスは CNC システムの中核です。 入出力インターフェース回路、コントローラ、演算器、メモリで構成されます。 CNC装置の機能は、入力装置から入力されたデータを内部の論理回路や制御ソフトウェアを介して編集、計算、処理し、さまざまな情報や命令を出力して工作機械の各部を制御し、指定された動作を実行させることです。
これらの制御情報や指令のうち、最も基本的なものは、座標軸の送り速度、送り方向、送り変位指令である。 補間演算によって生成され、サーボドライブに与えられ、ドライバーによって増幅され、最終的に座標軸の変位を制御します。 工具や座標軸の移動軌跡を直接決定します。
さらに、CNC 工作機械などのシステムや機器によっては、主軸速度、ステアリング、開始/停止コマンドがある場合もあります。 切削工具の選択および交換手順。 冷却および潤滑装置の開始および停止の指示。 ワークピースを緩めたりクランプしたりするための手順。 作業台の分割などの補助的な指示。 CNC システムでは、これらはインターフェイスを介して信号の形で外部の補助制御デバイスに提供されます。 補助制御装置は、上記の信号に対して必要な論理演算をコンパイルおよび実行し、信号を増幅して、対応する実行装置を駆動して工作機械の機械コンポーネント、油圧および空圧補助装置を駆動して指定された動作を完了します。
サーボドライブは通常、サーボアンプ（ドライバー、サーボユニットとも呼ばれます）とアクチュエーターで構成されます。 CNC 工作機械では、一般的に AC サーボ モーターがアクチュエーターとして使用されます。 リニアモーターは高度な高速加工機に使用されています。 さらに、DC サーボ モーターは 1980 年代以前に製造された CNC 工作機械にも使用されていました。 簡易CNC工作機械のアクチュエーターとしても便利です。 サーボアンプはアクチュエータによって形状が異なり、駆動モータと組み合わせて使用​​する必要があります。
上記は、CNC システムの最も基本的なコンポーネントです。 CNC技術の発展と工作機械の性能向上に伴い、システムに求められる機能も高まっています。 さまざまな工作機械の制御要件を満たし、CNC システムの完全性と統一性を確保し、ユーザーの使用を容易にするために、より高度な CNC システムが一般的に使用されており、通常は工作機械の補助制御デバイスとして内部プログラマブル コントローラーが装備されています。 さらに、金属切削工作機械では、スピンドル駆動装置も CNC システムの一部になる可能性があります。 閉ループ CNC 工作機械では、測定および検出デバイスも CNC システムに不可欠です。 高度な CNC システムでは、ヒューマン マシン インターフェイスやデータ管理、入出力デバイスとしてコンピューターも使用されることがあります。これにより、CNC システムの機能が強化され、パフォーマンスがより完全になります。
つまり、CNC システムの構成は、制御システムの性能と機器の特定の制御要件に依存します。 その構成と構成には大きな違いがあります。 加工プログラムの入出力デバイス、CNC デバイス、およびサーボ ドライブの 3 つの最も基本的なコンポーネントに加えて、さらに多くの制御デバイスが存在する場合もあります。 図 1-1 の破線のボックスは、コンピューター数値制御システムを表します。
NC、CNC、SV、PLCの概念
NC (CNC)、SV、および PLC (PC、PMC) は、CNC 装置で最も一般的に使用される英語の略語であり、実際の使用状況によって異なる意味を持ちます。
NC (CNC) NC と CNC は、それぞれ Numerical Control と Computerized Numerical Control の一般的に使用される英語の略語です。 現在の CNC ではコンピュータ制御が使用されているため、NC と CNC の意味は完全に同等であると考えることができます。 エンジニアリング用途では、さまざまな使用シナリオに応じて、NC (CNC) には通常 3 つの異なる意味があります。広い意味では、制御テクノロジ - CNC テクノロジを表します。 狭義には、制御システム (CNC システム) の実体を表します。 さらに、特定の制御デバイス (CNC デバイス) を表すこともできます。
SVSV は、Servo Drive の一般的に使用される英語の略語です。 日本のJIS規格によれば、物体の位置、方向、状態を制御変数として使用し、目標値の変化に追従する制御機構です。 一言で言えば、目標位置などの物理量に自動的に追従できる制御装置です。
CNC 工作機械では、サーボ ドライブの役割は主に 2 つの側面があります。1 つは、CNC デバイスによって指定された速度で座標軸を動作させることです。 2 つ目は、CNC デバイスによって与えられた位置に従って座標軸を配置することです。
サーボドライブの制御対象は通常、工作機械の座標軸の変位と速度です。 実行メカニズムはサーボです。 入力された指令信号を制御・増幅する部分をサーボアンプ（ドライバ、アンプ、サーボユニットなどとも呼ばれます）と呼ぶことが多く、サーボドライブの中核となります。
サーボドライブは、CNC デバイスと組み合わせて使用​​できるだけでなく、システムに付随する別の位置 (速度) としても使用できるため、サーボ システムと呼ばれることがよくあります。 初期の CNC システムでは、位置制御部分は CNC と一体化されており、サーボドライブは速度制御のみを行うのが一般的でした。 したがって、サーボドライブは速度制御ユニットと呼ばれることがよくあります。
PLCPC はプログラマブル コントローラーの略です。 パーソナル コンピュータの普及に伴い、パーソナル コンピュータ (PC とも呼ばれます) との混同を避けるために、プログラマブル ロジック コントローラ (PLC) は一般にプログラマブル マシン コントローラ (PMC) と呼ばれています。 したがって、CNC工作機械においては、PC、PLC、PMCは全く同じ意味を持ちます。
PLC は、高速応答、信頼性の高いパフォーマンス、便利な使用、簡単なプログラミングとデバッグの特徴を備えており、一部の工作機械の電気機器を直接駆動できます。 そのため、CNC装置の補助制御装置として広く使用されています。 現在、ほとんどの CNC システムには、CNC 工作機械の補助命令を処理するための内部 PLC が付属しており、工作機械の補助制御デバイスが大幅に簡素化されています。 さらに、多くの場合、PLC の軸制御モジュールや位置決めモジュールなどの特殊機能モジュールを直接使用して、点位置制御、線形制御、単純な輪郭制御を実現し、CNC 特殊工作機械や CNC 生産ラインを形成することもできます。
CNC工作機械の構成と加工原理
CNC工作機械の基本コンポーネント
CNC工作機械は最も典型的なCNC装置です。 CNC 工作機械の基本構成を理解するには、まず CNC 工作機械で部品を加工する作業プロセスを分析する必要があります。 CNC 工作機械では、部品を加工するために次の手順を実行できます。
加工部品のパターンや加工計画に応じて、所定のコードとプログラム形式を用いて、工具の移動軌跡、加工工程、加工パラメータ、切削量などをCNCシステムが認識できる指令形式、つまり、加工プログラムを書きます。
加工プログラムをCNC装置に入力します。
CNC装置は、入力されたプログラム（コード）を解読・処理し、対応する制御信号を各座標軸のサーボ駆動装置や補助機能制御装置に送り、工作機械の各部の動作を制御します。
移動プロセス中、CNC システムは工作機械の座標軸位置、トラベル スイッチの状態を常に検出し、プログラムの要件と比較して、適格な部品が処理されるまで次のアクションを決定する必要があります。
オペレータは工作機械の加工状況や作業状況をいつでも観察・点検し、必要に応じて工作機械の動作や加工プログラムを調整することで、工作機械を安全かつ確実に稼働させることができます。
このことから、CNC 工作機械の基本コンポーネントとして、入出力装置、CNC 装置、サーボ駆動およびフィードバック装置、補助制御装置、機械本体などが含まれる必要があることがわかります (図に示すように)。図1-1）。
図1-1 CNC工作機械の構成
図1-1の破線枠は工作機械ホストの加工制御を実現するCNCシステムと総称されます。 現在、ほとんどの CNC システムはコンピュータ数値制御 (CNC) を使用しています。 以上、図中の入出力装置、CNC装置、サーボドライブ、フィードバック装置から構成される工作機械CNCシステムについて説明した。 以下、その他のコンポーネントについて簡単に紹介します。
測定フィードバック デバイスは、閉ループ (半閉ループ) CNC 工作機械の検出リンクです。 その機能は、パルスエンコーダ、ロータリートランス、インダクトシン、グレーティング、磁気定規、レーザー測定器などの最新の測定コンポーネントを介して、実行コンポーネント（ツールホルダーなど）またはワークベンチの実際の変位速度と変位を検出することです。サーボ駆動装置やCNC装置にフィードバックし、アクチュエータの送り速度や動作誤差を補正して、動作機構の精度を向上させるという目標を達成します。 検出装置の設置や検出信号のフィードバック位置はCNCシステムの構造形式に依存します。 検出部品としては、サーボ内蔵パルスエンコーダ、速度測定機、リニアグレーティングなどがよく使われます。
高度なサーボ システムではデジタル サーボ ドライブ技術 (デジタル サーボと呼ばれます) が使用されているため、サーボ ドライブと CNC デバイスは一般にバスを介して接続されます。 ほとんどの場合、フィードバック信号はサーボドライブに接続され、バスを通じて CNC デバイスに送信されます。 ごくまれな場合、またはアナログ制御サーボ ドライブ (一般にアナログ サーボとして知られる) を使用する場合にのみ、フィードバック デバイスを CNC デバイスに直接接続する必要があります。
補助制御機構と送り伝達機構は、CNC装置と工作機械の機械部品や油圧部品との間に位置する制御部品です。 その主な機能は、CNC デバイスによって出力されたスピンドル速度、ステアリング、および開始停止コマンドを受信することです。 ツール選択の交換。 冷却および潤滑装置の起動停止指示。 ワークピースや工作機械コンポーネントのワークテーブルの回転を緩めたりクランプしたりするための補助コマンド信号、および工作機械の検出スイッチのステータス信号は、必要なコンパイル、論理判断、および電力増幅によって直接駆動され、対応する実行コンポーネントを駆動します。 、工作機械の機械部品、油圧および空圧の補助装置を駆動して、指示で指定された動作を完了します。 通常はPLCと強力な電力によって制御されます

補助制御機構と送り伝達機構は、CNC装置と工作機械の機械部品や油圧部品との間に位置する制御部品です。 その主な機能は、CNC デバイスによって出力されたスピンドル速度、ステアリング、および開始停止コマンドを受信することです。 ツール選択の交換。 冷却および潤滑装置の起動停止指示。 ワークピースや工作機械コンポーネントのワークテーブルの回転を緩めたりクランプしたりするための補助コマンド信号、および工作機械の検出スイッチのステータス信号は、必要なコンパイル、論理判断、および電力増幅によって直接駆動され、対応する実行コンポーネントを駆動します。 、工作機械の機械部品、油圧および空圧の補助装置を駆動して、指示で指定された動作を完了します。 通常、PLC と高電圧制御回路で構成され、PLC は構造的に CNC と統合される (内蔵 PLC) ことも、比較的独立した (外部 PLC) こともできます。
工作機械本体は、CNC工作機械の機械構造部品であり、主伝達システム、送り伝達システム、ベッド、作業台、補助運動装置、油圧空圧システム、潤滑システム、冷却装置、切りくず除去装置、保護システムおよびその他の部品。 しかし、CNCの要求に応え、工作機械の性能を最大限に引き出すために、全体のレイアウト、外観、伝動系の構造、工具体系、動作性能などに大きな変更が加えられました。 工作機械の機械部品には、ベッド、ボックス、コラム、ガイドレール、作業台、主軸、送り機構、工具スイッチ機構などが含まれます。
CNC加工の原理
従来の金属切削工作機械では、部品を加工する際、オペレータは、工具がワークピースを切断し、最終的に品質の高い部品を製造できるように、図面の要件に応じて工具の動作軌道と速度のパラメータを継続的に変更する必要がありました。
CNC 工作機械の加工には、基本的に微分の原理が適用されます。 動作原理とプロセスは次のように簡単に説明できます。
数値制御装置は、加工プログラムの要求に応じて、工作機械の対応する座標軸に応じて、最小移動量（パルス相当）（図1-2の△X、△Y）で工具経路を微分し、各座標軸上で移動する必要があるパルスの数を計算します。
補間ソフトウェアまたは CNC 装置の補間アルゴリズムを使用して、必要な軌道を「最小移動単位」単位の等価線に当てはめ、理論上の軌道に最も近い当てはめ線を見つけます。
③ CNC 装置は、当てはめた直線の軌跡に基づいて、対応する座標軸に送りパルスを連続的に割り当て、サーボ駆動により割り当てられたパルスに従って機械座標軸を駆動します。
上記のことから、まず、CNC 工作機械の最小動作 (パルス相当) が十分に小さい限り、使用されるフィッティング ラインは理論上の曲線を効果的に置き換えることができることがわかります。 第二に、座標軸のパルス分布方法を変更する限り、近似された線の形状を変更することができ、それによって加工軌跡を変更するという目的を達成することができる。 第三に、割り当てるパルスの周波数を変えるだけで、座標軸（ツール）の移動速度を変えることができます。 これにより、CNC 工作機械の工具移動軌跡を制御するという基本的な目標が達成されます。
データ ポイントの高密度化を通じて、与えられた数学関数に基づいて理想的な軌道 (輪郭) 内の既知のポイント間の中間点を決定する方法は、補間と呼ばれます。 同時に補間に参加できる座標軸の数を連結軸数といいます。 CNC 工作機械のリンク軸の数が多いほど、輪郭加工のパフォーマンスが向上するのは明らかです。 したがって、リンク軸数はCNC工作機械の性能を測る重要な技術指標となります。