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コンピュータ数値制御（CNC）またはCNC加工とは、コンピュータによる工作機械の自動制御のことです。これは、パンチカードやパンチテープなどのデータ記憶媒体によって工作機械が直接管理される数値制御（NC ）の進化形です。CNCはプログラミング、変更、リアルタイム調整が容易であるため、コンピューティングコストの低下に伴い、徐々にNCに取って代わってきました。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]
CNCマシンは、電動で操作可能なツールであり、多くの場合、電動で操作可能なプラットフォームでもあり、どちらも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示のシーケンシャルプログラムの形でCNCマシンに送られ、実行されます。プログラムは人が作成することもできますが、多くの場合、グラフィカルなコンピュータ支援設計（CAD）またはコンピュータ支援製造（CAM）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、印刷する部品は、指示（またはプログラム）が生成される前に仮想的な「スライス」に断面化されます。3DプリンターもGコードを使用します。[ 4 ]
CNCは、反復生産において、機械を手動で制御する必要がある（例えば、ハンドルやレバーなどの装置を使用する）か、事前に製作されたパターンガイドによって機械的に制御する必要がある非コンピュータ化加工に比べて、生産性を大幅に向上させます（パンタグラフミルを参照）。しかし、これらの利点は、設備投資とジョブのセットアップ時間の両面で大きなコストを伴います。一部の試作品や小ロットのジョブでは、熟練した機械オペレーターが、CNCワークフロー[ 5 ]のセットアップ中に部品を高い水準で仕上げることができます。
最新のCNCシステムでは、機械部品の設計と製造プログラムは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示に変換されます。生成された指示は、（ポストプロセッサソフトウェアによって）特定の機械が部品を製造するために必要な具体的なコマンドに変換され、CNCマシンにロードされます。
特定の部品の加工には、ドリル、のこぎり、タッチプローブなど、複数の異なる工具が必要となる場合があるため、現代の機械では複数の工具を1つの「セル」に統合していることがよくあります。また、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が部品を機械間を移動させる、複数の異なる機械を使用する設備もあります。いずれの場合も、部品の製造に必要な一連の工程は高度に自動化されており、各仕様に許容誤差が含まれる元のCAD図面のすべての仕様を満たす部品が製造されます。
数値制御システムでは、工具の位置は部品プログラムと呼ばれる一連の命令によって定義されます。位置決め制御は、開ループシステムまたは閉ループシステムのいずれかを使用して行われます。開ループシステムでは、通信はコントローラからモータへの一方向のみで行われます。閉ループシステムでは、負荷や温度の変動によって発生する位置、速度、加速度の誤差を補正するために、コントローラにフィードバックが提供されます。開ループシステムは一般的に安価ですが、精度は劣ります。ステッピングモータはどちらのタイプのシステムでも使用できますが、サーボモータは閉ループシステムでのみ使用できます。
モーション制御は、通常少なくとも 2 つの軸 (X 軸と Y 軸) [ 6 ]と Z (深さ) 方向に移動するツールスピンドルなど、複数の軸を制御します。ツールの位置は、高精度な動作を実現するためにダイレクトドライブステッピングモーターまたはサーボモーターによって駆動されます。古い設計では、一連の減速ギアを介してモーターが駆動されます。開ループ制御は、力が十分に小さく、速度が大きすぎない限り機能します。商用金属加工機械では、閉ループ制御が標準であり、要求される精度、速度、再現性を提供するために必要です。
GコードとMコードの位置はすべて、3次元直交座標系に基づいています。この座標系は、数学でグラフを描く際によく用いられる典型的な平面です。この座標系は、工作機械の経路や、特定の座標で実行する必要のあるその他の動作をマッピングするために必要です。絶対座標は、一般的に機械でより一般的に使用されるもので、平面上の(0,0,0)点を表します。この点は、実際の加工を開始する前に、開始点または「ホームポジション」として、加工対象物上に設定されます。
制御装置のハードウェアが進化するにつれて、フライス盤自体も進化を遂げてきました。その変化の一つとして、安全対策として機構全体を大きな箱に収めるようになりました（扉には安全ガラスが使用され、オペレーターが機械の動作を監視できるようになっています）。多くの場合、オペレーターが作業対象物から十分な距離を保ち、安全に操作できるよう、追加の安全インターロックも設けられています。現在製造されている最新のCNCシステムのほとんどは、100%電子制御です。
CNCのようなシステムは、動きや操作として説明できるあらゆるプロセスに使用されます。これには、レーザー切断、溶接、摩擦攪拌溶接、超音波溶接、火炎切断、プラズマ切断、曲げ加工、スピニング加工、穴あけ、ピン留め、接着、布地切断、縫製、テープおよび繊維の配置、ルーティング、ピックアンドプレース、鋸引きなどが含まれます。
CNCでは、「クラッシュ」とは、機械が機械本体、工具、または加工対象部品に損傷を与えるような動きをした場合に発生します。場合によっては、切削工具、アクセサリクランプ、バイス、治具の曲がりや破損、あるいはガイドレールの曲がり、駆動ネジの破損、構造部品のひび割れや変形によって機械本体自体が損傷することもあります。軽度のクラッシュでは機械や工具に損傷を与えない場合もありますが、加工対象部品が損傷して廃棄せざるを得なくなる場合があります。多くのCNC工具は、電源投入時にテーブルや工具の絶対位置を感知する機能を持っていません。作業の基準点を得るには、手動で「ホーミング」または「ゼロ設定」を行う必要があります。これらの制限は、加工対象部品の位置を特定するためのものであり、機構の厳密な動作制限ではありません。多くの場合、駆動機構の物理的な範囲を超えて機械を駆動することが可能であり、その結果、機械同士の衝突や駆動機構の損傷が発生します。多くの機械は、物理的なリミットスイッチに加えて、軸の動きを一定の制限値以下に制限する制御パラメータを実装しています。しかし、これらのパラメータは多くの場合、オペレーターによって変更可能です。
多くのCNCツールは、作業環境について何も認識していません。スピンドルや軸駆動部に負荷検知システムを備えている機械もありますが、そうでない機械もあります。これらの機械は、提供された加工コードを盲目的に実行し、衝突が発生しているか、または発生しようとしているかを検知し、アクティブなプロセスを手動で中止するのはオペレーターの責任です。負荷センサーを備えた機械は、過負荷状態に応じて軸やスピンドルの動きを停止できますが、これは衝突の発生を防ぐものではありません。衝突による損傷を軽減するだけです。衝突の中には、軸やスピンドル駆動部に過負荷がかからないものもあります。
駆動システムが機械の構造的強度よりも弱い場合、駆動システムは障害物に押し付けられ、駆動モーターが「その場で滑る」ことになります。工作機械は衝突や滑りを検出できないため、例えば、工具はX軸上で210mmの位置にあるはずなのに、実際には障害物に当たって滑り続けた32mmの位置にある、といった状況が発生します。次の工具の動作はすべてX軸上で-178mmずれ、以降の動作はすべて無効となり、クランプ、バイス、または機械本体との衝突がさらに発生する可能性があります。これはオープンループステッピングシステムではよくあることですが、モーターと駆動機構の間で機械的な滑りが発生しない限り、クローズドループシステムでは発生しません。代わりに、クローズドループシステムでは、駆動モーターが過負荷状態になるか、サーボモーターが目的の位置に到達できなくなるまで、機械は負荷に逆らって動き続けようとします。
衝突の検出と回避は、絶対位置センサー（光学エンコーダーストリップまたはディスク）を使用して動作が発生したことを確認したり、駆動システムにトルクセンサーまたは電力消費センサーを使用して、機械が切削ではなく単に移動しているべきときに異常な負荷を検出したりすることで可能ですが、これらはほとんどのホビー用CNCツールの一般的な構成要素ではありません。代わりに、ほとんどのホビー用CNCツールは、磁場の変化に応じて特定の角度だけ回転するステッピングモーターの精度を前提としています。ステッピングモーターは完全に正確で、決してステップミスをしないと想定されることが多いため、ツールの位置監視は、ステッピングモーターに送信されるパルスの数を時間とともにカウントするだけです。ステッピングモーターの位置を監視する別の手段は通常利用できないため、衝突やスリップの検出は不可能です。
商用CNC金属加工機は、軸移動に閉ループフィードバック制御を使用します。閉ループシステムでは、コントローラは絶対エンコーダまたはインクリメンタルエンコーダを使用して各軸の実際の位置を監視します。適切な制御プログラミングにより衝突の可能性は低減されますが、機械が安全に操作されるようにするのは依然としてオペレーターとプログラマの責任です。しかし、2000年代と2010年代には、機械加工シミュレーションのソフトウェアが急速に成熟し、工作機械全体（すべての軸、スピンドル、チャック、タレット、ツールホルダ、心押し台、治具、クランプ、および材料を含む）を3Dソリッドモデルで正確にモデル化することがもはや珍しくなくなり、シミュレーションソフトウェアがサイクル中に衝突が発生するかどうかをかなり正確に予測できるようになりました。このようなシミュレーションは新しいものではありませんが、コンピューティングの進歩により、その精度と市場浸透度は大きく変化しています。[ 7 ]
CNCプログラミングの数値システムでは、コードジェネレータは、制御機構が常に完全に正確である、またはすべての切削方向または移動方向で精度公差が同一であると仮定することができます。最新のNC工作機械のほとんどでボールねじが一般的に使用されているため、バックラッシュの大部分は解消されますが、それでも考慮する必要があります。駆動機構または切削機構が一方向からのみ切削力を加えるように駆動され、すべての駆動システムがその一方向の切削方向にしっかりと押し付けられている場合、機械的なバックラッシュが大きいCNCツールでも高い精度を実現できます。しかし、バックラッシュが大きいCNC装置と切れ味の悪い切削工具では、カッターのビビリやワークピースの削り込みが発生する可能性があります。バックラッシュは、切削中に軸の移動方向が反転する操作、例えば軸の動きが正弦波状になる円のフライス加工などの精度にも影響します。ただし、リニアエンコーダまたは手動測定によってバックラッシュの量を正確に把握できれば、これを補正できます。
バックラッシュが大きい機構自体は、切削加工において必ずしも繰り返し高精度である必要はありませんが、他の基準物体や精密面を用いて機構をゼロ点調整することができます。具体的には、基準物体にしっかりと圧力をかけ、それを以降のすべてのCNC制御動作のゼロ基準点として設定します。これは、手動工作機械において、マイクロメータを基準ビームに固定し、その物体を基準としてバーニアダイヤルをゼロに調整する方法と類似しています。
Gコードは、機械の移動や穴あけ機能など、機械の特定の動作を指示するために使用されます。ほとんどのGコードプログラムは、最初の行にパーセント記号（%）が付き、2行目にプログラムの数値名（例：「O0001」）と「O」が続き、最後の行に再びパーセント記号（%）が付きます。Gコードの形式は、文字Gの後に2～3桁の数字が続きます（例：G01）。Gコードは、フライス盤と旋盤の用途によって若干異なります。例：
【コードその他の機能（Mコード）】。Mコードは、軸の動きを指示しないその他の機械コマンドです。Mコードの形式は、文字Mの後に2～3桁の数字が続きます。例：
％ O0001 G20 G40 G80 G90 G94 G54（インチ、カッター補正キャンセル、すべての固定サイクルの無効化、軸を機械座標系に移動、毎分送り速度、原点座標系） M06 T01（工具1への工具交換） G43 H01（工具長さ補正（正方向）、工具の長さ補正） M03 S1200（スピンドルは1200RPMで時計回りに回転します） G00 X0. Y0. (X=0、Y=0への高速移動) G00 Z.5（z=0.5への高速移動） G00X1。 Y-.75 (X1 への早送り。Y-.75) G01 Z-.1 F10（Z-.25の位置で部品に毎分10インチの速度で突入する。） G03 X.875 Y-.5 I.1875 J-.75 (半径原点をI.625 J-.75として、X.875 Y-.5まで反時計回りに円弧をカット) G03 X.5 Y-.75 I0.0 J0.0 (半径原点をI0.0 J0.0として、X.5 Y-.75まで反時計回りに円弧を切断) G03 X.75 Y-.9375 I0.0 J0.0（半径原点をI0.0 J0.0として、X.75 Y-.9375まで反時計回りに円弧をカット） G02 X1. Y-1.25 I.75 J-1.25 (半径原点をI.75 J-1.25として、X1. Y-1.25まで時計回りの円弧を切断) G02 X.75 Y-1.5625 I0.0 J0.0 (前の円弧と同じ半径原点を持つ、X.75 Y-1.5625にカットされた時計回りの円弧) G02 X.5 Y-1.25 I0.0 J0.0 (前の円弧と同じ半径原点を持つ、X.5 Y-1.25 にカットされた時計回りの円弧) G00 Z.5（Z.5への高速トラバース） M05（スピンドル停止） G00 X0.0 Y0.0 (ミルが原点に戻る) M30（プログラム終了） ％ プログラムに適切な速度と送り速度を設定することで、より効率的でスムーズな製品加工が可能になります。速度と送り速度が間違っていると、工具、機械の主軸、さらには製品自体に損傷を与える可能性があります。これらの数値を最も迅速かつ簡単に調べるには、オンラインで入手できる計算機を使用するのが良いでしょう。また、材料に適した速度と送り速度を計算するための公式を使用することもできます。これらの値は、オンラインまたは「機械ハンドブック」で確認できます。
その他多くのツールにはCNC版があり、以下のようなものがある。
最初のNCマシンは1940年代と1950年代に作られ、既存のツールをベースに、パンチテープでシステムに入力されたポイントに従ってツールや部品を動かすモーターを取り付けて改造したものでした。[ 4 ]これらの初期のサーボ機構は、アナログおよびデジタルコンピュータによって急速に拡張され、機械加工プロセスに革命をもたらした現代のCNC工作機械が誕生しました。
CNCは加工製造分野で幅広く活躍しており、従来のフライス加工や旋削加工だけでなく、他の機械や設備にも対応するCNCが設置され、製造業を支え、品質と効率を大幅に向上させています。従来の切削加工は、積層造形（3Dプリンティング）と組み合わせることで、新しい製造方法[ 10 ]であるハイブリッド積層切削加工（HASM）を生み出すことができます[ 11 ] 。もう1つのトレンドは、多数のセンサーを使用してAIと組み合わせ、柔軟な製造を実現することです[ 12 ]。
{{cite journal}}: CS1メンテナンス: DOIは2025年7月現在非アクティブです（リンク）
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