CNC工作機械の基礎知識：初心者向けクイックガイド

CNC工作機械とは

CNC工作機械とは、オンボードコンピュータを搭載した数値制御（NC）工作機械です。このコンピュータは「機械制御ユニット（MCU）」と呼ばれます。部品加工に必要な数値データは、プログラムの形で機械に入力されます。プログラムはモーターを駆動するための適切な電気信号に変換されます。

機械のフレームベッドはCNC工作機械の機械的構造であり、主駆動系、送り駆動系、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、保護システムなどで構成されています。しかし、数値制御の要件を満たし、工作機械の性能を最大限に発揮するために、全体レイアウト、外観、伝達システム構造、工具システム、操作性能において大きな変更が加えられています。CNC工作機械の機械部品には、ベッド、箱体、柱、ガイドレール、作業テーブル、主軸、送り機構、工具交換機構などが含まれます。

CNC工作機械の仕組み

CNC工作機械は、コンピュータを使用してデジタルプログラム制御技術を実現します。この技術では、事前に記憶された制御プログラムに従って、装置の運動軌跡と周辺装置の動作の順序制御機能をコンピュータが実行します。コンピュータを使用して、もともとハードウェア論理回路で構成されていた数値制御装置を置き換えることで、入力操作指示の記憶、処理、計算、論理判断などの制御機能をコンピュータソフトウェアで実現し、処理によって生成されたマイクロ命令を送信して、モーターや油圧アクチュエータをサーボ駆動装置に駆動させ、CNC工作機械を稼働させます。

CNC工作機械の運転手順

1. 加工部品の図面と工程計画に基づき、指定されたコードとプログラム形式を使用して、工具の移動経路、加工プロセス、工程パラメータ、切削量をCNCシステムが認識できる命令形式にプログラミングします（加工プログラムの作成）。
2. 作成した加工プログラムをCNC装置に入力します。
3. CNC装置が入力プログラム（コード）をデコード・処理し、各座標軸のサーボ駆動装置と補助機能制御装置に対応する制御信号を送信して、工作機械の各部の動きを制御します。
4. 移動中、CNCシステムはCNC工作機械の座標軸位置、ストロークスイッチの状態などを常時検出し、プログラムの要求と比較して次のアクションを決定し、合格品が完成するまで続けます。
5. オペレーターは随時、加工状況と工作機械の作業状態を観察・確認できます。必要に応じて工作機械の動作と加工プログラムを調整し、安全で信頼性の高い運転を確保します。

直交座標系

従来の工作機械で生産可能なものは、ほぼすべてCNC工作機械でも生産でき、多くの利点があります。製品生産に使用される工作機械の動きには、ポイントツーポイント（直線運動）と連続パス（輪郭運動）の2つの基本タイプがあります。

直交座標系（長方形座標系）は、フランスの数学者・哲学者ルネ・デカルトによって考案されました。このシステムでは、3つの垂直な軸に沿って、任意の点から別の点を数学的に記述できます。この概念は、工作機械の構造が一般的に3軸（X、Y、Z）プラス回転軸に基づいているため、工作機械に完璧に適合します。一般的な立型フライス盤では、X軸はテーブルの水平移動（左右）、Y軸はテーブルの前後移動（柱方向）、Z軸はニースまたは主軸の垂直移動です。CNCシステムは直交座標を多用するため、プログラマーは工作物上のあらゆる点を正確に特定できます。工作物上で点を特定する際、垂直と水平の2本の直交する直線を使用し、交点を原点（ゼロポイント）と呼びます（図1）。

3次元座標平面を図2に示します。X平面とY平面（軸）は水平で、工作機械テーブルの水平運動を表します。Z平面または軸は工具の垂直運動を表します。プラス（+）とマイナス（-）の符号は、原点から移動軸に沿った方向を示します。XY軸が交差して形成される4象限は反時計回りに番号付けされます（図3）。第1象限のすべての位置はX正（X+）かつY正（Y+）です。第2象限ではX負（X-）かつY正（Y+）、第3象限ではX負（X-）かつY負（Y-）、第4象限ではX正（X+）かつY負（Y-）となります。

図3において、点AはY軸から右へ2単位、X軸から上へ2単位の位置にあります。1単位＝1.000とすると、点Aの位置はX+2.000、Y+2.000となります。点Bの位置はX+1.000、Y-2.000です。CNCプログラミングでは、プラス（+）の値は暗黙の了解なので表示不要ですが、マイナス（-）の値は必ず表示します。例えば、点AとBの位置は以下のように表記されます：

A X2.000 Y2.000
B X1.000 Y-2.000

コンピュータシステムは、センサーと電気駆動装置で構成される工作機械に接続され、プログラムが工作機械軸の動きを制御します。

代表的なCNC工作機械の種類

初期の工作機械は、オペレーターが機械の前で操作する設計でしたが、CNCではオペレーターが工作機械の動きを直接制御しなくなったため、この設計は不要になりました。従来の工作機械では、時間の約20%しか材料除去に費やされていませんでした。電子制御の導入により、実際の金属除去時間は80%以上に増加し、切削工具を各加工位置に移動させる時間も短縮されました。

様々な業界で使用される代表的なCNC工作機械10種類は以下の通りです：

1. CNCフライス盤（CNCミル）
2. CNCルーター（CNCルーターマシン）
3. CNCレーザー加工機（レーザーカッター、レーザー彫刻機、レーザー溶接機）
4. CNC旋盤（CNC旋盤）
5. CNC穴あけ盤（CNCドリル）
6. CNC中ぐり盤
7. CNC研削盤（CNCグラインダー）
8. 放電加工機（EDM）
9. CNCプラズマ切断機（CNCプラズマカッター）
10. 3Dプリンター