コンピュータ数値制御（CNC）とは何か：その仕組みと用途

コンピュータ数値制御、または CNC、スタンド 過去1世紀にわたる製造業における最も影響力のある発明の一つとして、ロボットは知られています。ロボットは、労働力を純粋に肉体的な作業からより熟練した監督へと移行させることで、工場や作業場の運営方法を根本から変革しました。この変化により、製造業者は生産速度の向上、品質管理の強化、そしてかつてないほど複雑な設計への対応が可能になりました。

この記事では、CNC とは何か、CNC がどのように機能するか、実際の環境ではどこに登場し、CNC の将来はどうなるのかについて考察します。

コンピュータ数値制御とは何ですか?

コンピュータ数値制御（CNC）とは、コンピュータが切削加工機や成形加工機の動きを制御するシステムを指します。 CNCマシン さまざまなタスクを実行できます。掘削、カット、 ミリングまたは 研削別のコンピュータプログラムをロードするだけで、簡単に新しい部品を作成できます。この柔軟性により、新しい部品を作成する際にハードウェアを交換する必要がなくなります。

CNCにおける「数値」とは、機械が工具を誘導するために座標、速度、角度といった数値を読み取ることを意味します。制御コンピュータはこれらの数値を解釈し、正確な動きに変換します。製造業者は、機械自体に触れることなく、プログラムを編集するだけで部品のサイズや形状を微調整できます。

CNCの簡単な歴史

初期の数値制御システムは1940年代後半に登場し、単純なコマンドを紙テープに記録していました。これらのコマンドは機械内のカムとギアを駆動し、基本的な切削加工を実行しました。エンジニアたちは ジョン・パーソンズ 　 フランク・スタレン 1950年代、シコルスキー社でヘリコプターの開発に携わっていた際に、真のCNC方式の先駆者の一つを開発しました。1960年代と1970年代に近代的なコンピュータが登場したことで、プログラマーはより柔軟なソフトウェアを作成できるようになりました。今日のCNCマシンは、物理的なテープではなく、マイクロプロセッサと洗練されたユーザーインターフェースを採用しています。

CNCシステムのコア部品

一般的な CNC セットアップは、次の 4 つの主な要素で構成されます。

コントロールユニット

マシンコントロールユニット（MCU）はCNC工作機械の「頭脳」として機能します。工作機械に動作を指示するプログラムを読み取り、回転させる信号を送ります。 スピンドルロボットはテーブルを移動させ、ポンプやレーザーを操作します。また、センサーからのフィードバックを聞き取り、リアルタイムで動作を調整します。

ソフトウェアインターフェース

デザイナーが使う コンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェア 2Dまたは3Dで部品を描画します。その後、 コンピュータ支援製造 CAM（CAM）ソフトウェアは、図面を機械コードに変換します。CAMの出力は、CNCに工具の移動方法を正確に指示します。

コミュニケーションリンク

ファイルは、イーサネットケーブル、USBドライブ、またはシリアルリンク（RS-232、RS-422）を介して設計コンピュータとマシン間で転送されます。現代の「スマートファクトリー」環境では、マシンがIoTネットワークを介してパフォーマンスデータを中央サーバーに送信することもあります。

モーションコンポーネント

高精度のボールねじ、リニアガイド、サーボモーター、またはステッピングモーターは、電子信号を複数の軸に沿ったスムーズで正確な動きに変換します。

入力および出力デバイス

機械はキーボード、タッチスクリーン、またはUSBドライブを介してセットアップ情報を受け取ります。機械のステータス更新、エラーメッセージ、サイクルタイムはモニターとインジケータライトに表示されます。オペレーターはこれらの入出力パネルを介して、送り速度、主軸回転速度、またはクーラント流量を調整します。

CNCシステムの仕組み

CNCシステムは設計図を機械の動きに変換します。設計者は コンピュータ支援設計 （CAD）モデル。CAD ソフトウェアは、部品の形状を 2 次元または 3 次元形式でキャプチャします。 CNCプログラマー そのモデルをコンピュータ支援製造（CAM）ソフトウェアにインポートします。CAMソフトウェアは、材料、工具サイズ、切削パラメータに基づいてツールパスを生成します。結果はGコードとMコードと呼ばれる一連の命令として表示されます。

CNCコントローラはこれらのコードを1行ずつ読み取ります。コントローラはシステムの頭脳として機能し、各コマンドを解釈してモーター、ドライブ、バルブに電気信号を送ります。モーションコントロールシステムは、プログラムに従って各軸（X、Y、Z軸、および追加の回転軸）を動かします。フィードバックセンサーが実際の位置をコントローラに報告し、システムは精度を維持するために調整を行います。

CNCが座標と動きを扱う方法

CNC工作機械は、直交座標系と呼ばれる3次元グリッドに従って動作します。すべての動きは、以下の座標に沿って測定されます。

• X軸: 水平方向の左から右への動き。
• Y軸: 前後方向の水平方向の動き。
• Z軸: 垂直方向の上下運動。

その他にもたくさんのグーグルの フライス盤 回転軸を追加する（ A, B, CX軸、Y軸、Z軸を中心に回転する5軸または6軸の旋回軸を備えています。5軸または6軸の旋回軸により、機械はさまざまな角度から部品にアプローチし、複雑な形状を一度のセットアップで加工できます。

CNC は動作を 3 つの基本的なタイプに分類します。

高速モーション（G00）

コントローラはG00などのコマンドを送信し、できるだけ早く新しいポイントに移動します。機械は最高速度で最も安全な経路をたどります。オペレーターはこのモードを使用して、切削せずに再配置します。

直線運動（G01）

G01などのコマンドは、工具をXNUMX点間を直線で移動させます。オペレーターはFコードで送り速度を設定します。システムは各直線セグメントの終了時に一時停止し、次のセグメントを開始する前に位置を確認します。

円運動（G02/G03）

円弧パスは、G02またはG03コードを使用して、指定された半径の円弧を彫ります。プログラマは円弧の中心と方向を指定します。コントローラは工具を曲線に沿って滑らかに動かします。

機械制御ユニット内部

MCU は 2 つの内部部分に分かれています。

• データ処理ユニット (DPU): このミニコンピューターは計算をします。CAMファイルを読み込み、各モーターの回転速度を計算し、コマンドを電気パルスに変換します。
• 制御ループユニット（CLU）： このセクションは、機械上のセンサー（位置エンコーダ、リミットスイッチ、温度プローブなど）を読み取り、DPUにフィードバックを送信します。DPUは、パス上の動作を維持するためにリアルタイムで動作を調整します。

一般的なCNCプロセスとその応用

CNC技術は、さまざまな製造方法をサポートします。一般的な CNC加工の種類 次のとおりです。

• 旋回： 回転部品が回転する一方で、固定工具が外面または内面を削り出します。旋削加工される部品には、シャフト、リング、コーンなどがあります。
• 製粉： 回転カッターは、静止したワークピースから材料を削り取ります。多軸フライス盤は、工具を傾けたり回転させたりすることで、特殊な角度まで加工できます。
• 放電加工 (EDM): 微細な電気火花が金属を少しずつ侵食します。放電加工は硬い金属や特殊な形状の金属にも適用できます。
• パンチング: 金型を備えたプレス機で金属に穴や形状を打ち抜きます。この方法では、高速かつ繰り返しの切削が可能です。
• ルーティング： 回転するルータービットは木材、プラスチック、または柔らかい金属を切断します。 CNCルーター 家具に装飾的な形を彫ったり、看板を作ったりします。
• 研削： 回転するホイールは、表面を非常に厳しい公差で滑らかにします。研削は、高い精度と美しい仕上がりを実現します。
• プラズマ切断: 高温のプラズマアークは金属を素早く切断します。工場では、大型の鉄鋼部品や板金パネルの製造にプラズマカッターが使用されています。
• 溶接： ロボット制御のトーチが、プログラムに従ってパターンに沿って部品を溶接します。CNC溶接により、一貫した溶接品質を実現します。
• ウォータージェット切断: ウォータージェットは、時には研磨粒子を混ぜて、熱を使わずに材料を切断します。ウォータージェットはガラスから石まで、あらゆる材料を加工できます。
• レーザー切断: レーザービームを集束させ、経路に沿って材料を溶融または蒸発させます。この方法では、金属、プラスチック、木材などの薄い板を高精度に切断できます。
• 3D印刷： 積層造形とも呼ばれるこのプロセスでは、プラスチックまたは金属を層ごとに積み重ねて部品を製造します。CNCがプリンターヘッドを制御し、各層をトレースします。

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CNCが生産性を向上する方法

CNC マシンはさまざまな方法で効率を変革します。

• 初回実行時の精度が高いため、やり直したり廃棄したりするスクラップが少なくなります。
• 機械は何時間も無人で稼働するため、スタッフはプログラミング、セットアップ、検査などの作業を行うことができます。
• ツールマガジンにより、機械は自動的に工具を交換できます。ドリル加工からフライス加工への切り替えはわずか数秒で完了します。
• プログラムの信頼性が証明されると、ショップは最小限の追加セットアップで数百または数千の部品を生産できるようになります。

CNCマシンのプログラミング：GコードとMコード

CNC プログラマーは主に 2 つのコード セットを使用します。

Gコード（幾何学的コード）

Gコード ツールパスと動作モードを直接制御します。例えば、G00は早送り、G01は直線送り、G02/G03は円弧送りをトリガします。コマンドには、座標文字（X、Y、Z）、送り速度（F）、主軸速度（S）、工具選択（T）が含まれます。

例としては以下の通りです：

• 早送りの場合はG00
• 直線カットのG01
• G02/G03（時計回りまたは反時計回りの円弧）

Mコード（その他のコード）

Mコード 機械ユーティリティを制御します。例としては、M00（プログラム停止）、M03（スピンドルオン、時計回り）、M05（スピンドルオフ）、M08（クーラントオン）、M09（クーラントオフ）などがあります。Mコードは、プログラム内の切削以外の機能を処理します。

例としては以下の通りです：

• プログラム停止のM00
• M08 冷却開始
• M09 冷却剤を止める
• M06 ツールを交換する

プログラマーはコードを手動で記述するか、CAMソフトウェアに自動生成させます。プログラム行はそれぞれ、任意の行番号で始まり、その後にGコード、座標、パラメータが続きます。プログラマーは、プログラムを機械上で実行する前に、CAMソフトウェアでシミュレーションとデバッグを行います。

CNCプログラムの各行は通常、行番号（N）で始まり、Gコード、Mコード、座標（X、Y、Z）が続きます。例：

N10 G21 ; Set units to millimeters
N20 G90 ; Use absolute coordinates
N30 G00 X0 Y0 ; Rapid move to start point
N40 M03 S1500 ; Start spindle at 1,500 rpm
N50 G01 X50 Y0 F200 ; Cut in a straight line at 200 mm/min
N60 M05 ; Stop spindle
N70 M30 ; End program

一般的なコーディングプラクティス

プログラマーは、デバッグを容易にするために、シーケンスを行番号（Nコード）で始まるブロックにグループ化します。複雑な動作を説明するコメントを追加します。コードを実際の機械にロードする前に、シミュレーションを実行して衝突やツールパスエラーがないか確認します。

CNC加工におけるソフトウェア

CNC は主に 3 種類のソフトウェアに依存しています。

CAD (コンピュータ支援設計)

CADソフトウェア 2次元形状をスケッチしたり、3次元の立体を彫刻したりするためのデジタル空間を提供します。設計者は、シンプルな描画ツール、サーフェス関数、ソリッドモデル機能から選択できます。CADパッケージには通常、穴、ポケット、締結部品などの標準部品のライブラリが含まれています。

CAM (コンピュータ支援製造)

CAMソフトウェアはCADモデルをインポートし、プログラマーが工具と切削戦略を選択できるようにします。ソフトウェアは各工具のステップバイステップの指示を計算します。最新のCAMシステムは、速度、工具寿命、または表面仕上げを最適化することができます。また、ツールパスのシミュレーションや干渉チェックも行います。

CAE (コンピュータ支援エンジニアリング)

CAEツールは、CAMの限界を超え、部品が荷重、熱、振動に耐えられるかどうかを評価します。エンジニアはCAEを用いて、応力解析、熱流解析、動作解析などを実行します。これらの解析は、金属を切削する前に弱点を見つけるのに役立ちます。

CNCを使用する典型的な産業

CNC テクノロジーは、材料を成形するほぼすべての分野で活用されています。

• 自動車: エンジン ブロック、トランスミッション ギア、トリム部品用。
• 航空宇宙: 翼、タービンブレード、航空電子機器筐体用。
• 電子機器: ヒートシンク、コネクタ、ハウジング部品用。
• ヘルスケア: 外科用器具、補綴具、インプラント部品向け。
• 家具と木工品: キャビネットのドア、看板、特注の木工品など。
• 防御: 武器のコンポーネント、ドローン、装甲板用。
• エネルギー: 油田バルブ、風力タービン部品、太陽光発電サポート構造用。
• ロボット工学と自動化: ロボットアーム、グリッパー、取り付けブラケット用。
• ジュエリー＆アート: 複雑な指輪、彫刻、装飾パネル用。

日常的なアイテムの製造から重要な安全部品の製造まで、CNC は現代の設計に求められる再現性と精度を提供します。

CNCを使う理由とは？CNC技術のメリット

メーカーは CNC システムを使用すると多くの利点が得られます。

• CNC マシンは、人間が手工具を誘導するよりも速く切削工具とワークピースを移動できます。
• 同じプログラムで、数百または数千のサイクルにわたって同一の部品を生産します。
• CNC マシンは、正しくセットアップされると、許容誤差をマイクロメートル以内に抑えます。
• ジョブを変更するには、マシンのツールを変更するのではなく、新しいプログラムをロードするだけで済みます。
• オペレーターは可動部品に近づかなくても作業できます。CNCシステムにはインターロックと緊急停止機能が組み込まれています。
• オンマシンセンサーは、許容範囲を満たさない部品を測定し、拒否することができます。
• 多軸 CNC マシンは、手作業では不可能な内部の空洞やアンダーカットを彫刻できます。
• 熟練したオペレーターは、手作業による切断ではなく、セットアップと品質に重点を置いています。
• CAM ソフトウェアは、部品を密にネストしたり、ニアネットシェイプ加工を選択して無駄を削減したりできます。

CNC には長所がある一方で、いくつかの欠点もあります。

• CNC マシンと関連ソフトウェアへの初期投資は 6 桁以上になる場合があります。
• 企業は訓練を受ける必要がある CAM加工 G コードの書き方とデバッグ方法を知っているプログラマー。
• 高精度のボールねじ、リニアガイド、スピンドルには、定期的な潤滑、アライメントチェック、フィルターの交換が必要です。
• 強力なスピンドルとサーボモーターは大量の電力を消費するため、エネルギーコストがかさむ可能性があります。
• 非常に大きな部品は標準的な CNC マシンに適合しない可能性があり、特殊なガントリーまたはロボット アームが必要になります。

小規模な工房や趣味で工作を行う場合、予算が限られているため、手動の工作機械や卓上CNCシステムを選択することがあります。一方、大規模なメーカーは、処理能力が高く、部品あたりの人件費が低いため、投資回収期間が短い傾向があります。

違いは何ですか 数値制御 　 コンピュータ数値制御?

私たちが話すとき 数値制御 (NC) とコンピュータ数値制御 (CNC) は、プログラム可能な命令を使用して工作機械を駆動するという同じ基本的な考え方の 2 世代ですが、命令の保存、編集、実行の方法にいくつかの重要な違いがあります。

機能	数値制御(NC)	コンピューター数値制御（CNC）
制御方法	機械式/アナログ式	デジタルコンピュータベース
プログラムの作成	パンチテープまたはカード	CAD/CAMで生成されたプログラムまたは手動のGコード編集
プログラムの変更	変更ごとにテープを再度パンチする	コンソールでテキストを編集し、新しいファイルをすぐにアップロードします
柔軟性	低い（プログラムの変更が難しい）	高（変更や更新が容易）
オートメーション	基本的な自動化	フィードバックと診断機能を備えた高度な自動化
多軸制御	限定的	多軸同時制御をサポート
ユーザーインタラクション	最小限の	インタラクティブなグラフィカルユーザーインターフェース
誤差補正	なし	リアルタイムのエラー検出と修正
部品の複雑さ	限定的 - シンプルで繰り返しの多い形状	非常に高い - 多軸補間、複雑な輪郭

CNCの最近の進歩と将来

コンピューティング能力の向上に伴い、CNCシステムはよりスマートになっています。メーカーは現在、機械をモノのインターネット（IoT）に接続しています。センサーは振動、温度、工具の摩耗に関するデータを中央サーバーに送信します。そして、人工知能（AI）ツールがそのデータのパターンを検知し、スピンドルの故障や生産速度の低下を予測します。

この接続性により、監督者はどこからでも工場を監視できます。また、機械は設定をリアルタイムで調整できるため、工具が摩耗しても部品を許容範囲内に維持できます。今後数年間で、ワークピースを一切動かすことなく、原材料から完成品までを一貫して処理する「ワンストップ」CNC工作機械がさらに増えるでしょう。

結論

コンピュータ数値制御（CNC）技術は、現代の製造業に不可欠な要素となっています。その精度、速度、そして柔軟性は、数え切れないほど多くの業界で非常に貴重なものとなっています。技術の進歩に伴い、CNCマシンはよりスマートで、より高速で、より高性能になり、世界中の製造業の未来を変革していくでしょう。

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