CNC工作機械
背景
CNCまたは「コンピューター数値制御」機械は、現代の技術に必要な複雑な部品を作成できる高度な金属加工ツールです。コンピュータの進歩とともに急速に成長しているCNCは、旋盤、フライス盤、レーザーカッター、研磨ジェットカッター、パンチプレス、プレスブレーキ、およびその他の工業用工具としての作業を行っていることがわかります。 CNCの用語は、コンピューターロジックを利用して動きを制御し、金属加工を実行するこれらのマシンの大規模なグループを指します。この記事では、最も一般的なタイプである旋盤とフライス盤について説明します。
歴史
木工旋盤は聖書の時代から使用されてきましたが、最初の実用的な金属加工旋盤は1800年にヘンリーモーズリーによって発明されました。それは単に、加工中の材料またはワークピースをクランプまたはスピンドルに保持し、それを回転させて、切削工具が表面を目的の輪郭に加工できるようにする工作機械でした。切削工具は、クランクとハンドホイールを使用してオペレーターが操作しました。寸法精度は、ハンドホイールの目盛り付きダイヤルを観察し、切削工具を適切な量だけ動かしたオペレーターによって制御されました。製造された各部品は、オペレーターが同じ順序で同じ寸法に移動を繰り返す必要がありました。
最初のフライス盤は、切削工具が回転スピンドルに配置されたことを除いて、ほとんど同じ方法で操作されました。ワークピースを機械ベッドまたは作業台に取り付け、再びハンドホイールを使用して切削工具の下を動かし、ワークピースの輪郭を加工しました。この初期のフライス盤は、1818年にイーライホイットニーによって発明されました。
工作機械で使用されるモーションは「軸」と呼ばれ、「X」（通常は左から右）、「Y」（通常は前から後ろ）、「Z」（上下）と呼ばれます。作業台を水平面または垂直面で回転させて、第4の運動軸を作成することもできます。一部の機械には5番目の軸があり、スピンドルをある角度で回転させることができます。
これらの初期の機械の問題の1つは、各部品を作成するためにオペレーターがハンドルを操作する必要があることでした。単調で肉体的に疲れる作業であることに加えて、同じ部品を作るオペレーターの能力は制限されていました。動作のわずかな違いにより、軸の寸法にばらつきが生じ、その結果、適合性の低い部品や使用できない部品が作成されました。操業のスクラップレベルは高く、原材料と労働時間を浪費していました。生産量が増えるにつれ、オペレーター1人あたり1日あたりに生産される使用可能な部品の数はもはや経済的ではなくなりました。必要だったのは、機械の動きを自動的に操作する手段でした。これらの操作を「自動化」する初期の試みでは、リンケージを介してツールまたは作業台を動かす一連のカムを使用していました。カムが回転すると、リンクがカム面の表面をたどり、一連の動作で切削工具またはワークピースを動かします。カム面はリンケージの動きの量を制御するように形作られ、カムが回転する速度が工具の送り速度を制御しました。これらの初期の機械は正しく設定するのが困難でしたが、一度設定すると、その日の優れた再現性を提供しました。いくつかは今日まで生き残っており、精密機械加工の代名詞である「スイス」機械と呼ばれています。
初期の設計から現在まで
日中の運用
現代のCNCマシンの設計は、1940年代後半から1950年代初頭にかけてのジョンT.パーソンズの仕事から生まれました。第二次世界大戦後、パーソンズはヘリコプターのローターブレードの製造に携わり、複雑な形状の正確な機械加工が必要でした。パーソンズはすぐに、初期のIBMコンピューターを使用することで、手動の計算やレイアウトを使用した場合よりもはるかに正確な輪郭ガイドを作成できることに気付きました。この経験に基づいて、彼は航空機用の大きな翼セクションピースを製造するための「自動輪郭切断機」を開発するための空軍契約を獲得しました。コンピュータカードリーダーと正確なサーボモーター制御を利用して、結果として得られたマシンは巨大で、複雑で、高価でした。ただし、自動的に機能し、航空機業界で要求される高精度の部品を製造しました。
1960年代までに、自動化された機械の価格と複雑さは、他の業界での用途が見つかるまで低下していました。これらの機械は、直流電気駆動モーターを使用して、ハンドルを操作し、ツールを操作しました。モーターはテープリーダーから電気的な指示を受けました。テープリーダーは、選択した一連の穴が開けられた幅約1インチ（2.5 cm）の紙テープを読み取りました。穴の位置と順序により、リーダーはモーターを正確な時間と速度で回転させるために必要な電気インパルスを生成することができ、実際には人間のオペレーターと同じように機械を操作しました。インパルスは、当時「メモリ」機能を備えていなかった単純なコンピュータによって管理されていました。これらはしばしば「NC」または数値制御マシンと呼ばれていました。プログラマーは、タイプライターのようなマシンでテープを作成しました。これは、初期のコンピューターで使用されていた「プログラム」として使用されていた古い「パンチカード」によく似ています。プログラムのサイズは、特定のパーツを作成するために読み取る必要のあるテープのフィートによって決定されました。
この1980年代のCNCチャッキングマシンは、工作機械とコンピューターのテクノロジーの組み合わせを示しています。 （ヘンリーフォード博物館とグリーンフィールドビレッジのコレクションから。）
コンピュータが最初に生産機械にリンクされた方法の話は、陰謀と論争に満ちています。それは、20世紀における産業、大学、軍隊の絡み合いを明らかにしています。物語はまた、多くの革新を単一の個人または機関に帰することがいかに難しいかを例示しています。誰がいつ、どのような影響を与えたのかを整理することは、複雑な企業です。
1947年、ジョンパーソンズは、ミシガン州トラバースシティにある航空製造会社を率いました。部品の形状の複雑化とそれに伴う数学的および工学的問題に直面して、パーソンズは会社の工学的コストを削減する方法を模索しました。彼は、International Business Machine Corp.に、メインフレームのオフィスコンピューターの1つを使用して、新しいヘリコプターブレードの一連の計算を行うことを許可するように依頼しました。最終的に、パーソンズはIBMの伝説的な社長であるトーマスJ.ワトソンと取り決めを行い、IBMはパーソンズコーポレーションと協力してパンチカードで制御されるマシンを作成しました。間もなくパーソンズは空軍と契約を結び、プロペラや翼のような輪郭形状をカットするカードまたはテープ（自動ピアノのような）で制御される機械を製造しました。その後、パーソンズはマサチューセッツ工科大学のサーボ機構研究所のエンジニアにプロジェクトの支援を求めました。 MITの研究者は、さまざまな種類の制御プロセスを実験しており、第二次世界大戦にまでさかのぼる空軍プロジェクトの経験があります。次に、MIT研究所は、これを制御およびフィードバックメカニズムに関する独自の研究を拡大する機会と見なしました。その後、コンピューター数値制御工作機械の開発の成功は、軍のスポンサーの要求に応えようとしている大学の研究者によって着手されました。
ウィリアム・S・プレッツァー
統合された電子機器の進歩により、テープは廃止されるか、プログラムを磁気メモリにロードするためにのみ使用されました。実際、最新のCNCマシンのメモリ容量は、「メモリのフィート」と呼ばれることもあります。
最新のCNCマシンは、プログラムコンピュータのメモリに保存されている数千ビットの情報を読み取ることで機能します。この情報をメモリに配置するために、プログラマはマシンが理解できる一連の命令を作成します。プログラムは、主軸を新しい位置に移動するようにコントローラに指示する「M03」や、機械内部のプロセスから補助入力を読み取るようにコントローラに指示する「G99」などの「コード」コマンドで構成されます。コードコマンドは、CNC工作機械をプログラムするための最も一般的な方法です。しかし、コンピューターの進歩により、工作機械メーカーは「会話型プログラミング」を提供できるようになりました。このプログラミングでは、指示がよりわかりやすい言葉に似ています。会話型プログラミングでは、「M03」コマンドは単に「MOVE」として入力され、「G99」コマンドは単に「READ」として入力されます。このタイプのプログラミングにより、プログラマーによるトレーニングの高速化とコードの意味の記憶の軽減が可能になります。ただし、業界はその形式のプログラミングに大きく依存しているため、ほとんどの会話型マシンは依然としてコードプログラムを読み取ることに注意することが重要です。
コントローラは、プログラマがマシンの使用を高速化するための支援も提供します。たとえば、一部のマシンでは、プログラマーはフィーチャーの位置、直径、深さを入力するだけで、コンピューターがワークピースにフィーチャーを作成するための最適な加工方法を選択します。最新の機器は、コンピューターで生成されたエンジニアリングモデルを採用できます。正しい工具速度、送り、およびパスを計算します。図面やプログラムを作成せずに部品を作成します。
モダンなデザインと生の
素材
機械の機械部品は、動きの速い部品を支えるために剛性と強度が必要です。スピンドルは通常最強の部品であり、大きなベアリングで支えられています。スピンドルがワークまたはツールを保持するかどうかにかかわらず、自動クランプ機能により、プログラムの実行中にスピンドルを迅速にクランプおよびアンクランプすることができます。
鋳鉄またはミーハナイトは、金属加工機械に最適な材料でした。今日、ほとんどの機械は、熱間圧延鋼の溶接物とステンレス鋼などの鍛造製品を自由に使用して、コストを削減し、より複雑なフレーム設計の製造を可能にしています。
マシンの側面に取り付けられているのは、さまざまなツールのマガジンです。ツールバーと呼ばれることもあるトランスファーアームは、ツールをマシンから取り外し、マガジンに配置し、マガジンから別のツールを選択して、プログラムの指示に従ってマシンに戻します。この手順に必要な通常のサイクル時間は2〜8秒です。一部のマシンには、最大400個のツールが大きな「ハイブ」に含まれている場合があり、プログラムの実行時にそれぞれが順番に自動的にロードされます。
機械のベッドまたは作業台は、通常は柔軟なガードで保護されている硬化鋼の「ウェイ」で支えられています。
キャスト鉄 またはMeehaniteは、金属加工機械に最適な材料でした。今日、ほとんどの機械は熱間圧延鋼と鍛造の溶接物を自由に使用しています 
機械の機械部品は、動きの速い部品を支えるために剛性と強度が必要です。スピンドルは通常最強の部品であり、大きなベアリングで支えられています。スピンドルがワークまたはツールを保持するかどうかにかかわらず、自動クランプ機能により、プログラムの実行中にスピンドルを迅速にクランプおよびアンクランプすることができます。コストを削減し、より複雑なフレームデザインの製造を可能にするステンレス鋼などの製品。
一部のマシンはセルとして設計されています。つまり、製造するように設計された特定のパーツグループがあります。セルマシンには、さまざまなパーツのそれぞれでさまざまな操作をすべて実行するのに十分なツールを搭載する大きなツールマガジン、大きなワークテーブルまたはワークテーブルを変更する機能、および他のCNCマシンからのデータ入力用のコントローラーの特別な機能があります。これにより、CNCマシンを他の同様に装備されたマシンと組み合わせて、複数の部品を同時に製造できるフレキシブルマシニングセルにすることができます。セルのグループは、20台または30台のマシンを含むものもあり、フレキシブルマシニングシステムと呼ばれます。これらのシステムは、人間の介入をほとんど必要とせずに、文字通り何百もの異なる部品を同時に製造できます。いくつかは、「ライトアウト」製造と呼ばれるもので監督なしで昼夜を問わず実行するように設計されています。
製造
プロセス
最近まで、ほとんどのマシニングセンターは工作機械メーカーによって顧客の仕様に合わせて建設されていました。現在、標準化された工具設計により、ほとんどのユーザーの必要なすべての操作を実行できる新しい設計により、見込生産または後の販売用に機械を構築できるようになりました。新しいCNCマシンのコストは、垂直センターの約50,000ドルから、エンジンブロックのフレキシブル機械加工システムの500万ドルまでです。実際の製造工程は次のように進行します。
ベースの溶接
- 1機械のベースは、鋳造または溶接されています。次に、熱処理によって鋳造または溶接の応力を取り除き、金属を機械加工用に「正規化」します。ベースは大型マシニングセンターに固定され、ウェイの取り付けエリアは仕様に合わせて加工されます。
- 2ウェイは平らに研磨され、ボルトで固定され、ベースに固定されます。
ボールスクリューのボルト締め
- 3ベッドまたはスピンドルを動かすメカニズムはボールスクリューと呼ばれます。これらは、駆動モーターの回転運動を線形運動に変え、スクリューシャフトとサポートベアリングで構成されています。シャフトが回転すると、ベアリングマウントがシャフトのらせん状の溝に追従し、スピンドルの下の作業台またはスピンドルキャリア自体のいずれかを動かす非常に正確な直線運動を生成します。これらのボールスクリューはベースにボルトで固定され、ベアリングマウントは作業台またはスピンドルキャリアにボルトで固定されています。
スピンドルの取り付け
- 4スピンドルは機械加工および研磨され、駆動モーターに取り付けられてから、可動スピンドルキャリアにボルトで固定されます。ほとんどのマシニングセンターでは、各運動軸に個別のボールねじと一連のウェイがあります。
コントローラー
- 5コンピューターまたはコントローラーは、マシンの他の部分とは別の電子アセンブリです。フレームの側面またはオペレーターのコンソールに取り付けられた温度管理されたエンクロージャーがあります。これには、マシンを操作するためのすべての操作メモリ、コンピュータボード、電源装置、およびその他の電子回路が含まれています。さまざまな配線により、コントローラーがマシンモーターとポジションスライドに接続されます。 The
スライドは、軸の位置情報をコントローラーに継続的に送信するため、スピンドルに対する作業台の正確な位置がわかります。常に知られています。コントローラの前面には、プログラム情報、位置、速度、送り、およびオペレータがマシンのパフォーマンスを監視するために必要なその他のデータを表示するビデオ画面があります。また、フロントパネルには、データ入力キー、データ接続ポート、およびスタートストップスイッチがあります。 - 6組み立てられた機械は、精度をテスト実行されます。各マシンには、コンピューターのオペレーティングシステムで数学的に修正されたわずかな物理的な違いがあります。これらの補正値は別のメモリに保存され、マシンはこれらを継続的にチェックします。マシニングセンターは使用に伴って摩耗するため、これらのパラメータを再調整して精度を確保できます。テスト後、完成した機械は塗装され、出荷の準備が整います。
品質管理
マシニングセンターの品質は、設計から納品、セットアップに至るまで組み込まれている必要があります。作業者と工具の意図しない衝突による衝突を防ぐために、オペレーターへの注意深い指示も重要です。クラッシュは、ツールの損傷や機械の故障につながる可能性があります。多くのコントローラーには、差し迫ったクラッシュを検知してマシンを緊急停止させるサブプログラムがあります。すべてのCNCは、衝撃を避けるために特別な取り扱いがされて出荷され、工場で訓練を受けた技術者によって慎重にセットアップされます。元の補正係数は、後で参照できるように記録されます。完全なプログラミング、操作、およびメンテナンスのマニュアルが提供されています。
未来
CNCマシンの未来は爆発的です。開発中のアイデアの1つは、スピンドルが6つの伸縮式ボールねじ支柱によって吊り下げられているスパイダーのような機械です。ストラットは従来の機械と同じですが、ボールねじアセンブリが中央にある丸いものです。スピンドルの動きは、適切な部品の輪郭を保証するために何百万もの計算を実行する洗練されたコンピューターによって制御されます。高レベルの独自の数学を開発して使用するのに数百万ドルの費用がかかるこの機械は、金属加工でこれまでにない操作を実行することを約束します。コンピュータと人工知能の進歩により、将来のCNCマシンはより速く、より簡単に操作できるようになります。これは安くはなく、洗練されたCNCマシンの価格は多くの企業の手の届かないものになるでしょう。ただし、元の3軸動作を実行する基本的なCNCマシンの価格を下げることができます。
製造プロセス