重要なCNCコンセプトNo.1-コンピューター数値制御の基礎

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これは、コンピューター数値制御の重要な概念に関する10部構成のシリーズの最初の記事です。このシリーズのアプローチの概要については、この記事を読んでください 。

コンピューター数値制御の利点は何ですか？

すべての形式のCNC工作機械が提供する最初の利点は、自動化の向上です。ワークピースの製造に関連するオペレーターの介入を減らすか、なくすことができます。多くのCNCマシンは、機械加工サイクル全体で無人で稼働できるため、オペレーターは他のタスクを実行できます。これにより、CNCユーザーには、オペレーターの疲労の軽減、人為的ミスによるミスの減少、各ワークピースの一貫した予測可能な加工時間など、いくつかの副次的な利点が得られます。機械はプログラム制御下で稼働するため、CNCオペレーターに必要なスキルレベル（基本的な機械加工の実践に関連）も、従来の工作機械でワークピースを製造する機械工と比較して低下します。

CNCテクノロジーの2番目の大きな利点は、一貫性のある正確なワークピースです。今日のCNCマシンは、信じられないほどの精度と再現性の仕様を誇っています。これは、プログラムが検証されると、2、10、または1000の同一のワークピースを正確かつ一貫して簡単に作成できることを意味します。

ほとんどの形式のCNC工作機械が提供する3番目の利点は、柔軟性です。これらのマシンはプログラムから実行されるため、別のワークピースを実行することは、別のプログラムをロードするのとほぼ同じくらい簡単です。プログラムが検証され、1回の生産実行で実行されると、次にワークピースを実行するときに簡単に呼び出すことができます。これにより、さらに別のメリット、迅速な切り替えが可能になります。

これらのマシンはセットアップと実行が非常に簡単であり、プログラムを簡単にロードできるため、セットアップ時間が非常に短くなります。これは、今日のジャストインタイムの生産要件では不可欠です。

モーションコントロール—CNCの心臓部

CNCマシンの最も基本的な機能は、自動で正確で一貫性のあるモーションコントロールです。すべての形式のCNC機器には、軸と呼ばれる2つ以上の運動方向があります。これらの軸は、移動距離に沿って正確かつ自動的に配置できます。最も一般的な2つの軸タイプは、線形（直線経路に沿って駆動）と回転（円形経路に沿って駆動）です。

従来の工作機械で必要とされるように手動でクランクとハンドホイールを回してモーションを発生させる代わりに、CNCマシンでは、CNCの制御下にあるサーボモーターによってモーションを作動させ、パーツプログラムによってガイドすることができます。一般的に、モーションタイプ（高速、直線、円形）、移動する軸、モーションの量、およびモーションレート（送り速度）は、ほとんどすべてのCNC工作機械でプログラム可能です。

コントロール内で（通常はプログラムを介して）実行されるCNCコマンドは、ドライブモーターに正確な回数回転するように指示します。駆動モーターが回転すると、ボールねじが回転します。そして、ボールねじが直線軸を駆動します。ボールねじの反対側にあるフィードバック装置により、制御装置は指示された回転数が発生したことを確認できます。

かなり大雑把な例えですが、同じ基本的な線形運動が一般的なテーブルバイスに見られます。バイスクランクを回転させると、親ねじが回転し、バイスの可動ジョーが駆動されます。比較すると、CNC工作機械の直線軸は非常に正確です。軸駆動モーターの回転数は、軸に沿った線形運動の量を正確に制御します。

図1：この例では、プログラムゼロがリングの中央に配置されています。プログラムゼロの左または下の座標は、負の位置として指定されていることに注意してください。

図2：アブソリュートモードで指定されたコマンドでは、ツールの正確な位置を簡単に知ることができます。インクリメンタルモードでは、特定のモーションコマンドに対するツールの現在の位置を特定するのが非常に難しい場合があります。

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軸運動の指令方法—座標系の理解

CNCユーザーが、特定の線形運動量を命令するために各軸駆動モーターに何回回転するかを指示しようとして、軸運動を引き起こすことは不可能です。 （これは、テーブルバイスのハンドルを何回回すと可動ジョーが正確に1インチ動くかを把握する必要があるようなものです！）代わりに、すべてのCNCコントロールにより、軸の動きをはるかに単純で論理的な方法で命令できます。何らかの形の座標系を利用することによって。 CNCマシンで使用される最も一般的な2つのシステムは、長方形（または「デカルト」）座標系と極座標系です。圧倒的に最も一般的なのは長方形の座標系です。

長方形座標系の非常に一般的なアプリケーションの1つは、グラフ化です。

グラフについて私たちが今知っていることを取り上げて、それをCNC軸の動きに関連付けましょう。 CNCプログラマーは、概念的なアイデアを表すために理論上のポイントをプロットする代わりに、軸の動きの物理的なエンドポイントをプロットします。軸は増分に分割されます。しかし、時間や生産性などの概念的なアイデアの増分に分割される代わりに、CNCマシンの直交座標系の各直線軸は測定の増分に分割されます。インチモードでは、最小増分は0.0001インチです。メートル法モードでは、最小増分は0.001ミリメートルです。 （ちなみに、回転軸の増分は0.001です
度。）

CNCマシンの座標系内の各軸は、どこかで開始する必要があります。 CNCの目的では、この原点は一般にプログラムゼロと呼ばれます。 ポイント（ワークゼロとも呼ばれます 、パートゼロ 、またはプログラムの起源 ）。通常、プログラムのゼロ点は、すべての寸法が始まる点として選択されます。

この手法では、プログラマーがツールをプログラムのゼロ点の1インチ右の位置に送信することを希望する場合、 X1.0 命令されます。プログラマーがツールをプログラムのゼロ点の1インチ上の位置に移動することを希望する場合は、 Y1.0 命令されます。コントロールは、軸がコマンドされた目的地に到達するように、各軸駆動モーターとボールねじを回転させる回数を自動的に決定します。これにより、プログラマーは非常に論理的な方法で軸の動きを命令できます。

これまでの例では、すべてのポイントがたまたまプログラムのゼロポイントの右上にありました。プログラムのゼロ点の右上にあるこの領域は、象限（この場合は象限番号1）と呼ばれます。プログラム内で必要なエンドポイントが他の象限に分類されることは、CNCマシンでは珍しいことではありません。この場合、少なくとも1つの座標をマイナスとして指定する必要があります。図1は、端点が4つの象限すべてに該当し、負の座標を指定する必要がある場合の1つの一般的なアプリケーションを示しています。

絶対モーションとインクリメンタルモーション

これまでのすべての説明は、プログラミングの絶対モードが使用されることを前提としています。アブソリュートモードでは、すべてのモーションの終点はプログラムのゼロ点から指定されます。初心者の場合、これは通常、モーションコマンドのエンドポイントを指定するための最良かつ最も簡単な方法です。ただし、軸モーションのエンドポイントを指定する別の方法があります。

インクリメンタルモードでは、モーションのエンドポイントは、プログラムゼロからではなく、ツールの現在の位置から指定されます。このモーションコマンドの方法では、プログラマーは常に「ツールをどこまで動かす必要がありますか？」と尋ねる必要があります。インクリメンタルモードが非常に役立つ場合もありますが、一般的に言えば、これはより面倒で難しい方法です。

モーションコマンドを作成するときは注意してください。初心者は少しずつ考える傾向があります。アブソリュートモードで作業する場合（初心者が行う必要があります）、プログラマーは常に「ツールをどの位置に移動する必要がありますか？」と尋ねる必要があります。この位置はプログラムゼロを基準にしており、ではありません。 ツールの現在の位置から。図2は、2つの同一の一連の動きを示しています。1つはインクリメンタルモードで、もう1つはアブソリュートモードです。

コマンドの現在の位置を非常に簡単に特定できることは別として、アブソリュートモードで作業することのもう1つの利点は、モーションコマンド中に発生したミスに関係しています。アブソリュートモードでは、プログラムの1つのコマンドでモーションミスが発生した場合、1つの動作のみが正しくなくなります。一方、インクリメンタルな動きでミスをすると、ミスしたところからの動きもすべて不正確になります。

プログラムゼロの割り当て

CNC制御には、何らかの方法でプログラムのゼロ点の位置を通知する必要があることに注意してください。これがどのように行われるかは、CNCマシンと制御によって劇的に異なります。古い方法は、プログラムにプログラムゼロを割り当てることです。この方法では、プログラマーは、プログラムのゼロ点から機械の開始位置までの距離を制御装置に指示します。これは通常、少なくともプログラムの最初に、場合によっては各ツールの最初に、G92（またはG50）コマンドを使用して実行されます。

プログラムゼロを割り当てる一般的に良い方法は、何らかの形のオフセットを使用することです。マシニングセンターの制御メーカーは通常、プログラムゼロを割り当てるために使用されるオフセットを呼び出しますフィクスチャオフセット 。ターニングセンターのメーカーは通常、各工具にプログラムゼロを割り当てるために使用されるオフセットを呼び出しますジオメトリオフセット 。プログラムゼロを割り当てる方法の詳細は、重要な概念番号4で説明します。

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軸運動に関するその他のポイント

これまでの主な関心事は、各モーションコマンドのエンドポイントを決定する方法を示すことでした。これまで見てきたように、これを行うには、長方形の座標系を理解する必要があります。ただし、モーションがどのように行われるかについては他にも懸念事項があります。たとえば、モーションのタイプ（高速、直線、円形など）、およびモーションレート（送り速度）もプログラマーにとって重要です。これらの他の考慮事項については、重要な概念3番目ので説明します。

CNCプログラム

現在のほとんどすべてのCNCコントロールは、プログラミングにワードアドレス形式を使用しています。 （これに対する唯一の例外は、特定の会話型コントロールです。）単語アドレス形式とは、CNCプログラムが文のようなコマンドで構成されていることを意味します。各コマンドはCNCワードで構成されており、各ワードには文字アドレスと数値があります。文字アドレス（X、Y、Zなど）はコントロールに単語の種類を示し、数値はコントロールに単語の値を示します。英語の単語や文章のように使用されるCNCコマンドの単語は、CNCマシンに現時点で何をしたいのかを伝えます。

各単語には、文字アドレスと数値があります。文字アドレスは、コントロールに単語の種類を示します。 CNC制御メーカーは、単語名（文字アドレス）とその意味をどのように決定するかによって異なります。初心者のCNCプログラマーは、制御メーカーのプログラミングマニュアルを参照して、単語の名前と意味を判断する必要があります。いくつかの単語タイプとそれらの一般的な文字アドレス仕様の簡単なリストを次に示します。

ご覧のとおり、文字アドレスの多くは論理的な方法で選択されています（Tは工具、Sはスピンドル、Fは送り速度など）。暗記が必要なものもあります。

特殊機能を指定できる2文字のアドレス（GとM）があります。モードを設定するために一般的に使用される準備機能（G）が指定します。すでにG90で指定されているアブソリュートモードとG91で指定されているインクリメンタルモードを導入しています。これらは、使用される準備機能の2つにすぎません。マシンの機能のリストを見つけるには、制御メーカーのマニュアルを参照する必要があります。

準備機能と同様に、その他の機能（Mワード）では、さまざまな特殊機能を使用できます。その他の機能は通常、プログラム可能なスイッチとして使用されます（スピンドルのオン/オフ、クーラントのオン/オフなど）。また、CNC工作機械の他の多くのプログラム可能な機能のプログラミングを可能にするためにも使用されます。

初心者には、これらすべてがCNCプログラミングには多くの暗記が必要であるように思われるかもしれません。ただし、CNCプログラミングで使用される単語は約30〜40語しかないのでご安心ください。 CNC手動プログラミングを学ぶことを、40語しかない外国語を学ぶようなものと考えることができれば、それほど難しいことではないように思われるはずです。

小数点プログラミング

特定のレターアドレス（CNCワード）では、実数（整数の一部を必要とする数）を指定できます。例としては、X軸指定子（X）、Y軸指定子（Y）、および半径指定子（R）があります。現在のほとんどすべてのモデルのCNCコントロールでは、各文字アドレスの仕様内で小数点を使用できます。たとえば、X3.0625を使用して、X軸に沿った位置を指定できます。

一方、一部の文字アドレスは整数を指定するために使用されます。例としては、スピンドル速度指定子（S）、ツールステーション指定子（T）、シーケンス番号（N）、準備機能（G）、およびその他の機能（M）があります。これらの単語タイプの場合、ほとんどのコントロールはしません。 小数点の使用を許可します。初心者のプログラマーは、CNC制御メーカーのプログラミングマニュアルを参照して、小数点を使用できる単語を見つける必要があります。

その他のプログラム可能な機能

最も単純なCNCマシンを除くすべてのマシンには、軸の動き以外のプログラム可能な機能があります。今日の本格的なCNC機器では、マシンに関するほとんどすべてがプログラム可能です。たとえば、CNCマシニングセンターでは、スピンドルの速度と方向、クーラント、工具交換、およびその他の多くの機械機能をプログラムできます。同様に、CNCターニングセンターでは、スピンドルの速度と方向、クーラント、タレットインデックス、および心押し台をプログラムできます。また、すべての形式のCNC機器には、独自のプログラム可能な機能のセットがあります。さらに、プロービングシステム、工具長測定システム、パレットチェンジャー、適応制御システムなどの特定のアクセサリも利用できる場合があり、プログラミングの考慮が必要になります。

プログラム可能な機能のリストはマシンごとに大幅に異なり、ユーザーは使用するCNCマシンごとにこれらのプログラム可能な機能を学習する必要があります。 重要な概念の2番目 、さまざまな形式のCNC工作機械で通常プログラム可能なものを詳しく見ていきます。

コンピューター数値制御の主要な概念の詳細：

重要なCNCコンセプト＃2-マシンを知る

重要なCNCコンセプト＃3-CNCモーションタイプを理解する

重要なCNCコンセプト＃4-補償の形態

重要なCNCコンセプト＃5-プログラムフォーマットの重要性

重要なCNCコンセプト＃6-CNCプログラミングの方法

重要なCNCコンセプト＃7—オペレーターの視点から機械を知る

重要なCNCコンセプト＃8—機械操作のモード

重要なCNCコンセプト＃9—操作の重要なシーケンス

重要なCNCコンセプト＃10—CNCプログラムを安全に検証する