数値制御

機械加工において、数値制御はコンピュータ数値制御（CNC）とも呼ばれ、 ^[1]コンピュータによるツールの自動制御です。^[2]ドリル、旋盤、ミル、グラインダー、ルーター、3Dプリンターなどのツールの操作に使用されます。 CNCは、コード化されたプログラムされた指示に従い、手動のオペレーターが加工操作を直接制御することなく、材料（金属、プラスチック、木材、セラミック、石、または複合材）を指定された形状に変換します。

CNC マシンは、特定の入力命令に従ってコンピューターによって制御される、電動操作ツールであり、多くの場合は電動操作プラットフォームです。命令は、G コードや M コードなどのマシン制御命令の連続プログラムの形式で CNC マシンに送信され、実行されます。プログラムは人間が作成することもできますが、グラフィカルコンピューター支援設計(CAD) またはコンピューター支援製造(CAM) ソフトウェアによって生成される場合の方がはるかに多くなっています。3D プリンターの場合、印刷する部品は、命令 (またはプログラム) が生成される前に「スライス」されます。3D プリンターも G コードを使用します。^[3]

CNC は、機械を手動で制御する (ハンドホイールやレバーなどのデバイスを使用) か、事前に作成されたパターンガイドによって機械的に制御する (パンタグラフミルを参照) 必要がある反復生産の場合、非コンピューター化された機械加工に比べて生産性が大幅に向上します。ただし、これらの利点は、資本支出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。一部のプロトタイプ作成や小ロットジョブでは、優れた機械オペレーターが、CNC ワークフローがまだセットアップ中である間に、部品を高い基準で仕上げることができます。

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 ソフトウェアを使用して定義され、CAM ソフトウェアによって製造指令に変換されます。結果として得られた指令は (「ポスト プロセッサ」ソフトウェアによって) 特定の機械がコンポーネントを製造するために必要な特定のコマンドに変換され、CNC マシンに読み込まれます。

特定のコンポーネントには、ドリル、のこぎり、タッチ プローブなど、複数の異なるツールの使用が必要な場合があるため、最新のマシンでは、複数のツールを 1 つの「セル」に統合することがよくあります。他のインストールでは、外部コントローラーと、コンポーネントをマシンからマシンへ移動する人間またはロボット オペレーターとともに、複数の異なるマシンが使用されます。いずれの場合も、部品の製造に必要な一連の手順は高度に自動化されており、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。各仕様には許容差が含まれます。

モーションとは、通常少なくとも 2 つの軸 (X 軸と Y 軸)と^[4] Z (深さ) 方向に移動するツール スピンドルを制御することです。ツールの位置は、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、非常に正確な動きを実現します。古い設計では、一連のステップダウン ギアを介したモーターによって駆動されます。オープン ループ制御は、力が十分に小さく、速度が速すぎない限り機能します。市販の金属加工機械では、クローズド ループ制御が標準であり、要求される精度、速度、および再現性を提供するために必要です。

コントローラのハードウェアが進化するにつれ、ミル自体も進化しました。安全対策として、機構全体を大きな箱に収めるという変更が行われました (ドアに安全ガラスが付いており、オペレーターがマシンの機能を監視できます)。また、多くの場合、オペレーターが作業対象物から十分に離れて安全に操作できるように、追加の安全インターロックが装備されています。今日製造されている新しい CNC システムのほとんどは、100% 電子制御されています。

CNC のようなシステムは、動作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、摩擦攪拌接合、超音波溶接、炎およびプラズマ切断、曲げ、回転、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、ピッキングと配置、および鋸引きが含まれます。

最初のCNCマシンは1940年代から1950年代にかけて、既存のツールをベースに、パンチテープ上のシステムに入力されたポイントに沿ってツールまたはパーツを動かすモーターを改造して作られました。^[3]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ーで急速に拡張され、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。

現在、加工製造分野における CNC は非常に広範囲に及んでおり、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 が搭載されており、製造業をサポートし、品質と効率を大幅に向上させています。 もちろん、CNC の最新のトレンド^{[5]は、従来の}減算製造と付加製造(3D プリント) を組み合わせて、新しい製造方法^[6]であるハイブリッド付加減算製造 (HASM) を作成することです。^{[7]もう一つのトレンドは、}柔軟な製造を実現することを目的として、多数のセンサーを使用してAIを組み合わせることです。^[8]

他にも多くのツールに CNC バリアントがあります。

CNC では、機械が機械、工具、または加工中の部品に有害な動きをすると「クラッシュ」が発生し、切削工具、付属クランプ、バイス、固定具が曲がったり壊れたり、ガイド レールが曲がったり、駆動ネジが壊れたり、構造部品がひずみで割れたり変形したりして機械自体が損傷することがあります。軽度のクラッシュでは、機械や工具が損傷することはありませんが、加工中の部品が損傷して廃棄しなければならない場合があります。多くの CNC ツールには、電源を入れたときにテーブルやツールの絶対位置を感知する機能が備わっていません。作業の基準となるように手動で「ホーム位置」または「ゼロ位置」を設定する必要があり、これらの制限は、作業する部品の位置を把握するためだけのものであり、メカニズムの厳密な動作制限ではありません。機械をその駆動メカニズムの物理的境界の外側に駆動する可能性があり、その結果、機械自体に衝突したり、駆動メカニズムが損傷したりすることがあります。多くの機械では、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を超えて制限する制御パラメータを実装しています。ただし、これらのパラメータはオペレータによって変更されることがよくあります。

また、多くの CNC ツールは、作業環境について何も知りません。機械には、スピンドルと軸ドライブに負荷感知システムが搭載されている場合もありますが、搭載されていないものもあります。機械は提供された加工コードに盲目的に従い、クラッシュが発生しているかどうか、または発生しそうかどうかを検出するのはオペレーターの責任であり、オペレーターはアクティブなプロセスを手動で中止する必要があります。負荷センサーを搭載した機械は、過負荷状態に応じて軸またはスピンドルの動きを停止できますが、これによってクラッシュの発生を防ぐことはできません。クラッシュによる損傷を制限することしかできません。クラッシュによっては、軸またはスピンドル ドライブに過負荷がかからない場合もあります。

駆動システムが機械の構造的完全性よりも弱い場合、駆動システムは障害物に押し付けられるだけで、駆動モーターは「所定の位置に滑り込む」ことになります。 機械ツールは衝突や滑りを検出しない可能性があるため、たとえば、ツールは X 軸で 210 mm の位置にあるはずですが、実際には 32 mm の位置にあり、そこで障害物にぶつかって滑り続けます。 次のツールの動きはすべて X 軸で -178 mm ずれ、それ以降の動きはすべて無効になり、クランプ、バイス、または機械自体とのさらなる衝突が発生する可能性があります。 これはオープン ループ ステッパー システムでは一般的ですが、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 システムでは不可能です。 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移動しようとし続けます。

衝突の検出と回避は、絶対位置センサー (光学式エンコーダ 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するか、または駆動システム上のトルク センサーまたは電力消費センサーを使用して、マシンが単に動いていて切削していないときに異常な歪みを検出することにより可能ですが、これらはほとんどの趣味の CNC ツールの一般的なコンポーネントではありません。代わりに、ほとんどの趣味の CNC ツールは、磁場の変化に反応して特定の角度だけ回転するステッピング モーターの想定精度に頼っています。ステッパーは完全に正確でミスステップがないと想定されることが多いため、ツールの位置の監視では、時間の経過とともにステッパーに送信されるパルスの数をカウントするだけです。ステッパーの位置を監視する代替手段は通常利用できないため、衝突またはスリップの検出は不可能です。

市販のCNC金属加工機械は、軸の動きに対して閉ループフィードバック制御を使用しています。閉ループシステムでは、コントローラはアブソリュート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減りますが、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とプログラマの責任です。しかし、2000年代から2010年代にかけて、機械加工シミュレーション用のソフトウェアは急速に成熟しており、工作機械のエンベロープ全体（すべての軸、スピンドル、チャック、タレット、ツールホルダー、テールストック、固定具、クランプ、ストックを含む）が3Dソリッドモデルで正確にモデル化されることは珍しくなくなりました。これにより、シミュレーションソフトウェアはサイクルで衝突が発生するかどうかをかなり正確に予測できます。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、その精度と市場への浸透は大きく変化しています。^[11]

CNC プログラミングの数値システムでは、コード ジェネレーターは、制御されるメカニズムが常に完全に正確であるか、またはすべての切削または移動方向で精度許容差が同一であると想定できます。ほとんどの最新の NC マシンではボール スクリュー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排除されますが、それでも考慮する必要があります。大きな機械的バックラッシュを持つ CNC ツールでも、駆動または切削メカニズムが 1 方向からのみ切削力を適用するように駆動され、すべての駆動システムがその 1 つの切削方向にしっかりと押し付けられている場合は、非常に正確です。ただし、バックラッシュが大きい CNC デバイスと鈍い切削ツールでは、カッターがチャタリングし、ワークピースが削れる可能性があります。バックラッシュは、軸の動きが正弦波である円のフライス加工など、切削中に軸の動きが反転する操作の精度にも影響します。ただし、リニア エンコーダー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している場合は、これを補正できます。

高バックラッシュ機構自体は、切削プロセスで繰り返し精度を保つために必ずしも頼りにされるわけではありませんが、他の参照オブジェクトまたは精密表面を使用して、参照に対してしっかりと圧力をかけ、それをすべての後続の CNC エンコード動作のゼロ参照として設定することで、機構をゼロにすることができます。これは、マイクロメーターを参照ビームに固定し、そのオブジェクトを参照として使用してバーニヤダイヤルをゼロに調整する手動工作機械の方法に似ています。 ^{[引用が必要]}

数値制御システムでは、ツールの位置はパート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、オープンループまたはクローズドループ システムのいずれかを使用して処理されます。オープンループ システムでは、通信はコントローラからモーターへの一方向のみで行われます。クローズドループ システムでは、負荷や温度の変動によって生じる位置、速度、加速度の誤差を修正できるように、コントローラにフィードバックが提供されます。オープンループ システムは一般に安価ですが、精度は低くなります。ステッピング モーターは両方のタイプのシステムで使用できますが、サーボ モーターはクローズド システムでのみ使用できます。

G および 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。このシステムは、数学でグラフを作成するときによく見られる典型的な平面です。このシステムは、特定の座標で実行する必要があるマシン ツールのパスやその他のアクションをマップするために必要です。絶対座標は、一般にマシンでより一般的に使用され、平面上の (0,0,0) ポイントを表します。このポイントは、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」を提供するためにストック マテリアル上に設定されます。

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命令するために使用されます。G コード プログラムの大部分は、最初の行にパーセント (%) 記号で始まり、2 行目に「O」とプログラムの数値名 (つまり「O0001」) が続き、プログラムの最後の行に別のパーセント (%) 記号が続きます。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、ミル アプリケーションと旋盤アプリケーションで若干異なります。例:

[G00 高速モーションポジショニング]

[G01 直線補間動作]

[G02 円弧補間動作 - 時計回り]

[G03 円弧補間動作 - 反時計回り]

[G04 ドゥエル（グループ00）ミル]

[G10 オフセット設定（グループ00）ミル]

[G12 円形ポケット加工 - 時計回り]

[G13 円形ポケット加工 - 反時計回り]

[その他の機能のコード (M コード)] ^{[引用が必要]}。M コードは、軸の動きを指示しないその他のマシン 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:

[M01 運転停止]

[M02 番組終了]

[M03 始動スピンドル - 時計回り]

[M04 スタートスピンドル - 反時計回り]

[M05 スピンドル停止]

[M06 ツール交換]

[M07 ミストクーラントのクーラント]

[M08 フラッドクーラントオン]

[M09 クーラントオフ]

[M10チャックオープン]

[M11チャッククローズ]

[M12スピンドルアップ]

[M13 M03とM08の両方のスピンドル時計回り回転と冷却液注入]

[M14 M04とM08の両方のスピンドル反時計回り回転と冷却液注入]

[M15 M05とM09の両方のスピンドル停止とフラッドクーラントオフ]

【M16 特殊工具呼び出し】

[M19スピンドルの向き]

[M29 DNCモード]

[M30 プログラムリセット＆巻き戻し]

[M38ドアオープン]

[M39 ドア閉]

[M40スピンドルギア中央]

[M41 ローギアセレクト]

[M42 ハイギアセレクト]

[M53 スピンドルを後退] (ツールスピンドルを現在の位置より上に上げ、オペレーターが必要な操作を実行できるようにします)

[M68 油圧チャッククローズ]

[M69 油圧チャックオープン]

[M78 テールストック前進]

[M79 テールストック反転]

%
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、軸を機械座標に移動、毎分送り、原点座標系)
M06 T01 (工具1への工具交換)
G43 H01（正方向の工具長さ補正、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 まで高速移動)
G00 Z.5 (z=.5 への高速移動)
G00X1。 Y-.75 (X1 への早送り。Y-.75)
G01 Z-.1 F10 (10インチ/分でZ-.25の位置で部品に突っ込みます。)
G03 X.875 Y-.5 I.1875 J-.75 (半径原点が I.625 J-.75 で、反時計回りに X.875 Y-.5 まで円弧をカット)
G03 X.5 Y-.75 I0.0 J0.0 (半径原点が I0.0 J0.0 で、反時計回りに X.5 Y-.75 まで円弧をカット)
G03 X.75 Y-.9375 I0.0 J0.0(半径原点がI0.0 J0.0で、反時計回りにX.75 Y-.9375まで円弧をカット)
G02 X1. Y-1.25 I.75 J-1.25 (半径原点が I.75 J-1.25 で、X1. Y-1.25 まで CW 円弧がカットされます)
G02 X.75 Y-1.5625 I0.0 J0.0 (前の円弧と同じ半径の原点で X.75 Y-1.5625 まで CW 円弧をカット)
G02 X.5 Y-1.25 I0.0 J0.0 (前の円弧と同じ半径の原点で X.5 Y-1.25 まで CW 円弧をカット)
G00 Z.5 (Z.5 まで高速移動)
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）
%

プログラムに正しい速度と送りを設定すると、より効率的でスムーズな製品製造が可能になります。速度と送りが不正確な場合、ツール、機械のスピンドル、さらには製品に損傷を与える可能性があります。これらの数値を見つける最も迅速で簡単な方法は、オンラインで入手できる計算機を使用することです。材料に適した速度と送りを計算する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Machinery's Handbookで見つけることができます。

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• コンピュータ支援製造ソフトウェアのリスト

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• ウィキメディア・コモンズのコンピュータ数値制御に関連するメディア