NC工作機械（数値制御）の定義、応用、基本原則を解説

NC工作機械とは？

数値制御（コンピュータ数値制御、通称CNC）とは、コンピュータによって工作機械（ドリル、旋盤、フライス盤、3Dプリンターなど）を自動制御することです。

CNC機械は、材料（金属、プラスチック、木材、セラミックス、複合材）を加工し、手動オペレーターが直接加工操作を制御することなく、コーディングされたプログラム指令に従って仕様を満たすように加工します。

CNC機械は、モータ駆動の操作可能な工具と、しばしばモータ駆動の操作可能なプラットフォームで構成され、両方が特定の入力指示に従ってコンピュータによって制御されます。指示は、GコードやMコードなどの機械制御指令の順次プログラムとしてCNC機械に届けられ、実行されます。

プログラムは人間が書くこともできますが、より多くはグラフィカルなCAD（コンピュータ支援設計）ソフトウェアと/or CAM（コンピュータ支援製造）ソフトウェアによって生成されます。3Dプリンターの場合、印刷する部品が「スライス」され、その後指示（プログラム）が生成されます。3DプリンターもGコードを使用します。

CNCは、手動制御（ハンドホイール、レバーなど）や、プレファブリケートされたパターンガイド（カム）による機械的制御が必要な非コンピュータ化加工に比べて大きな改善です。現代のCNCシステムでは、機械部品の設計と製造プログラムが高度に自動化されています。

部品の機械的寸法はCADソフトウェアで定義され、CAMソフトウェアによって製造指令に変換されます。結果として得られる指令は「ポストプロセッサ」ソフトウェアによって特定機械で部品を製造するために必要な特定コマンドに変換され、CNC機械にロードされます。

特定部品には複数の異なる工具（ドリル、鋸など）が必要な場合があるため、現代機械では多くの工具を単一「セル」に統合することがよくあります。他の設置では、複数の異なる機械を外部コントローラーと人間またはロボットオペレーターで使用し、部品を機械間で移動させます。

どちらの場合も、部品製造に必要な一連のステップは高度に自動化され、元のCAD図面に近い部品が生産されます。

NC機械とは？

数値制御は、数値、文字、記号によって操作を制御するプログラム可能な自動化の形態と定義されます。この指示は特定のジョブを実行するように設計されています。NC機械はジョブごとにプログラムを変更する能力を持ち、ジョブが変わるとプログラム指示も変更されます。生産設備を変更するよりもプログラム指示を変更する方が容易です。この柔軟性が全体的な生産コストを削減します。

NCシステムの種類

NCシステムには以下の2つの主要タイプがあります：

1. ポイントツーポイント（PTP）システム

PTPは、コンポーネントの位置のみを制御するNCシステムです。このシステムでは、ワークに対するコンポーネント動作のパスは制御されません。異なる位置間の移動は、工作機械で許容される移動速度で、最短経路で実行されます。

2. 輪郭制御（コンターリング）システム

コンターリングNCシステムは、位置だけでなくコンポーネント動作、すなわち移動速度と所望位置間のプログラムされたパスを制御できます。

数値制御技術の応用

数値制御技術は、金属切削、自動製図、スポット溶接、プレス加工、組立、検査など幅広い生産作業に応用されています。しかし、NCの主要な応用は金属機械加工作業です。実質的に金属除去プロセス全体を行うように構築されています（金属加工例：旋削、鋸引き、研削、フライス、穴あけ、ボーリング）。

数値制御機械が最も適している生産ジョブは以下の通りです：

• NC技術は機械加工プロセスのシーケンス/シリーズに適している。
• ジョブ形状が複雑、高価。プロセスでのミスが高い損失につながる。
• 将来的に設計変更が予想される。
• 大量の金属除去が必要。
• ワーク部品に100%検査が必要。
• ワーク部品に厳しい公差が必要。
• 加工時に多くの操作が必要。小ロットバッチで頻繁に加工される。

NC機械の利点

• 製造柔軟性の向上。 NCは設計変更と生産スケジュールシフトに容易に適応。
• 製造リードタイムの短縮。 NCでジョブを容易かつ迅速にセットアップ可能。
• 非生産時間の短縮。 複雑な加工ではNCが非生産時間削減に有効。自動工具交換、迅速なセットアップ、ワークハンドリング時間短減による。
• 治具の削減。 NC操作で必要な治具はシンプルで低コスト。NCテープがジグ・治具の代わりに位置決めを行うため。
• 在庫削減。 セットアップ削減とリードタイム短縮の結果。
• 品質管理の向上。 人為的ミスのリスクなし。高精度で部品を製造。検査工数も削減。
• 作業者安全性の向上。
• スクラップ削減。 NC機械の高精度がスクラップ材料削減に寄与。
• 床面積要件の削減。 1台のNCで多様な操作が可能なため、複数の従来機械を置換。

NC機械の欠点

• 高い投資コストとメンテナンスコスト。 最も複雑で洗練された技術は従来機械より高コスト。
• 熟練オペレーターが必要。 NC要員の発掘と訓練を考慮する必要あり。
• パンチテープの裂け・摩耗と信頼性の低いパンチテープコンポーネント。
• パンチテープでのパートプログラミングミス。
• 最適な送り速度と切削速度がない。 従来NC機械は操作中に切削速度と送りを変更するオプションを提供しない。