精密加工のためのCNC補正技術トップ3：工具長・半径・治具オフセット

補正は異なる機械タイプに異なる理由で適用されますが、すべての補正形式はCNCユーザーが工具に関連する予測不能な状況を考慮できるようにします。

CNC使用における補正の適用方法を議論する前に、まず一般的な観点から補正を見てみましょう。

工具補正は加工精度と品質を決定します。CNCシステムには工具長補正、工具半径補正、治具オフセット補正があります。これら3種類の補正は、加工における工具形状によるパス問題を基本的に解決できます。

工具長補正：

1. 工具長の概念

工具長は非常に重要な概念です。部品をプログラミングする際、まず部品のプログラミング中心を指定し、次にワークプログラミング座標系を確立します。この座標系は単なるワーク座標系で、ゼロ点は一般的にワーク上にあります。長さ補正はZ座標のみに関係します。XとY平面のプログラムゼロ点とは異なり、工具は主軸テーパー穴によって位置決めされ変更されないため、Z座標のゼロ点は異なります。各工具の長さは異なります。例えば、深さ50mmの穴をドリルであけ、次に深さ45mmのタップ穴を加工する場合、長さ250mmのドリルと長さ350mmのタップを使用します。まずドリルで深さ50mmの穴をあけます。このとき工作機械はワークゼロ点を設定しています。タップに交換する際、両工具が設定ゼロ点から加工を開始すると、タップの方がドリルより長いため、タップが長すぎて工具とワークを破損させます。ここで工具補正を設定すれば、タップとドリルの長さが補正されます。このとき、工作機械ゼロ点設定後、タップとドリルの長さが異なっても、補正の存在によりタップ呼び出し時にZ座標ゼロ点が自動的にZ+方向に移動し、タップの長さが補正されて正しい加工ゼロ点が確保されます。

2. 工具長補正の動作

工具長補正の使用は、G43（G44）とHを含むコマンドを実行し、同時にZ座標値を与えることで実現され、補正後に工具がワーク表面から距離Zの位置に移動します。別のコマンドG49でG43（G44）コマンドをキャンセルします。実際にはこのコマンドを使用する必要はありません。なぜなら各工具はそれぞれ独自の長さ補正を持っているからです。工具交換時にG43（G44）Hコマンドで独自の工具長補正を与えると、前の工具の長さ補正は自動的にキャンセルされます。

3. 工具長補正の2つの方法

1) 工具の実長を工具長補正として使用（この方法を推奨）

工具長を補正として使用するには、工具セッターで工具長を測定し、この値を工具長補正レジスタに入力します。

工具長を工具長補正として使用する理由は以下の通り：

第一に、異なるワーク加工で工具長オフセットを常に変更する必要がなくなります。このような工具は異なるワークで使用しても工具長オフセットを修正する必要がありません。この場合、各工具を一定の工具番号ルールでファイル管理し、工具の長さと半径など関連パラメータを小さなタグに記入できます。実際、多くの大手機械加工企業がCNC加工設備の工具管理にこの方法を採用しています。専門の工具管理部門を持つ企業では、オペレーターと工具パラメータを対面で伝える必要がありません。同時に、工具が工具マガジン容量の都合で取り外され、次回再装着される場合でも、タグの工具長値を工具長補正として使用するだけで再測定不要です。

第二に、工具長を工具長補正として使用すると、工作機械で工具セッティングを行うことで工作機械稼働時間を占有する代わりに、工作機械が加工動作を行っている間に工具セッターで他の工具の長さを測定でき、加工センターの処理効率を最大限に発揮できます。このように、主軸がプログラムされたZ座標点に移動するとき、それは主軸座標のZ座標値プラス（またはマイナス）工具長補正となります。

2) Z方向の工具先端とプログラムゼロ点の距離（正または負）を補正値として使用

この方法は、工作機械を操作する人が1人しかおらず、工具セッターで工具長を測定する十分な時間がない場合に適しています。この方法では、1つの工具で別のワークを加工する際に工具長補正を再設定する必要があります。この方法で工具長補正を使用する場合、補正値は主軸が工作機械Z座標ゼロ点からワークプログラミングゼロ点まで移動するときの工具先端移動距離となるため、この補正値は常に負で大きくなります。

工具半径補正：

1. 工具半径補正の概念

工具長補正がプログラミングで工具長を基本的に考慮しなくて済むようにするのと同様に、工具半径補正によりプログラミング時に工具径をあまり考慮しなくて済みます。工具長補正はすべての工具に適用可能ですが、工具半径補正は一般的にフライスカッターのみに使用されます。フライスカッターでワークの外周や内周を加工する際に工具半径補正を使用し、ワークの端面をエンドミルで加工する際は工具長補正のみが必要です。工具半径補正は理解と使用が比較的難しい指令であるため、多くの人がプログラミングで使用したがりません。しかし一度理解しマスターすれば、プログラミングと加工に大きな利便性をもたらします。

プログラマーがフライスカッターでワーク形状を加工するプログラムを準備する際、まずワーク形状と工具半径に従って慎重に座標値を計算し、工具中心のパスを明確にする必要があります。このとき使用される工具半径はフライスカッターの半径値のみです。一生懸命フライスカッターをプログラミングした後、このフライスカッターが適さず他の径に変更する必要があると気づきます。プログラマーは躊躇なく工具中心が通るルートの座標値を再計算しなければなりません。シンプルなワークなら大した問題ではありませんが、複雑な形状の金型では再計算は単純に困難すぎます。

ワークの輪郭加工は荒加工と仕上げ加工に分かれるため、荒加工プログラム編纂後に荒加工が完了します。荒加工後はワーク寸法が変わっているため、仕上げ用の工具中心座標値を計算しなければならず、作業量はさらに増えます。ここで工具半径補正を使用すれば、これらの悩みはすべて解決します。工具半径を無視してワーク寸法に従ってプログラミングし、工具半径を半径補正として半径補正レジスタに入力します。フライスカッターが一時的に交換される場合でも、荒・仕上げの場合でも、工具半径補正値を変更するだけでワーク形状のサイズを制御でき、基本的にプログラムを修正する必要がありません。

2. 工具半径補正の使用

工具半径補正の使用はG41とG42コマンドで実行されます。補正には2方向あり、つまり工具の切削送り方向に垂直な左右両側に沿って補正が行われ、左手則に従います。G41は左補正で左手則に従います。G42は右補正で右手則に従います。G41は2で使用されます。G42で半径補正を行うとき、有効な補正のために工具移動方向と座標に特別な注意を払う必要があります。工具半径補正の開始位置は非常に重要です。不適切な工具パスを使用するとミスしやすくなります。

治具オフセット補正

工具長補正と半径補正がプログラマーに工具の長さとサイズを考慮させないようにするのと同様に、治具オフセットはプログラマーがワーク治具の位置を考慮しなくて済むようにします。

マシニングセンタで小さなワークを加工する場合、治具で一度に複数のワークをクランプできます。プログラマーはプログラミング時に各ワークの座標ゼロ点を考慮する必要がなく、それぞれのプログラミングゼロ点に従ってプログラミングし、治具オフセットを使用して工作機械のプログラミングゼロ点を各ワーク上で移動させます。治具オフセットは治具オフセットコマンドG54～G59で実行されます。別の方法はG92コマンドで座標系を設定することです。1つのワーク加工後、次のワーク加工時にG92で新しいワーク座標系をリセットします。

以上がCNC加工でよく使用される3種類の補正であり、これらはプログラミングと加工に大きな利便性をもたらし、作業効率を大幅に向上させます。