CNCマシンの5つのコアシステム：この図を理解すれば、CNCの仕組みが理解できます

CNC工作機械システムは、機械がNCプログラムを読み取り、各軸を駆動し、実際の位置を確認し、工具交換、クーラント、その他の補助機能を制御する方法を決定します。緑色の「サイクルスタート」ボタンを押すと、これら5つのシステムが数ミリ秒以内に連携して動作を開始します。

前回の2つの記事では、CNC工作機械の歴史的発展を紹介し、CNC座標系について説明しました。

この記事では、さらに一歩踏み込んで説明します。

CNC工作機械はどのようなシステムで構成されているのでしょうか？これらのシステムはどのように連携して動作するのでしょうか？あなたが毎日操作している機械の内部では、具体的に何が起こっているのでしょうか？

CNC工作機械システムがサイクルスタートコマンドを受信すると、何が起こるのか？

コントロールパネルの緑色のサイクルスタートボタンを押すと、機械はCNCプログラムに従って動作を開始します。

その過程全体は、まるで魔法のように見えるかもしれない。

しかし、この一見単純な行動の裏には、高度に調整され、精密なシステムが存在している。

一方の部品は加工プログラムを読み込む。
もう一方の装置は、命令を電気信号に変換する。
もう1台はモーターを駆動する。
もう1つの装置は、機械の実際の位置を継続的に監視する。
もう1つは、冷却液の供給、工具交換、その他の補助作業を制御します。

これらの構成要素は、CNC工作機械の5つの主要システムを構成します。

これら5つのシステムを理解することは、単に好奇心を満たすためだけではない。

機械の故障が発生した場合、この知識があれば、システムのどの部分が問題の原因となっているかを特定するのに役立ちます。さらに高度なCNC技術を習得していく過程で、これら5つのシステムは、新しい概念を理解するための明確な枠組みを提供してくれるでしょう。

システム1：CNCコントローラー ― 機械の「頭脳」

CNCコントローラは工作機械全体の核となる部分です。一般的にはCNCシステム、数値制御装置、またはCNC制御システムと呼ばれています。

その動作プロセスは、主に5つのステップで説明できる。

プログラムを読む

CNCコントローラは、内部メモリ、CFカード、USBデバイス、またはネットワークインターフェースからNCプログラムを読み取ります。

デコード

Gコード、Mコード、その他のプログラム命令を、内部制御システムが処理できるデータに変換する。

補間計算

CNCコントローラは、プログラムされた動作コマンドに基づいて、各時間間隔中に各軸がどれだけ移動する必要があるかを計算します。

これは、CNCシステムによって実行される最も重要な計算の1つです。

例えば、A地点からB地点へ移動する命令は、無数の極めて小さな移動ステップに分割されなければなりません。制御装置はこれらのステップをリアルタイムで計算し、調整します。

制御コマンドの送信

各軸の計算された移動量は、電気制御信号に変換され、サーボシステムに送信されます。

補助機能の調整

CNCコントローラは、以下のようなMコード機能も制御します。

• 主軸速度制御
• 自動工具交換
• 冷却水制御
• 機械のクランプと解放
• その他の補助機械操作

CNCコントローラは、単にプログラムを自動的に実行するだけではありません。

また、各機械軸から位置情報を継続的に受信し、動作誤差をリアルタイムで補正します。

オペレーターが毎日使用するコントロールパネルとディスプレイ画面は、CNCコントローラーのヒューマンマシンインターフェースである。

このインターフェースを通して、オペレーターはプログラムの入力、パラメータの変更、座標の確認、加工状況の監視、およびCNCシステムとの通信を行うことができます。

システム2：サーボシステム ― 機械の「筋肉」

CNCコントローラは、次のようなコマンドを発行する場合があります。

X軸を0.001mm移動します。

しかし、このデジタル指令は実際の機械的な動きに変換されなければならない。これがサーボシステムの役割である。

サーボシステムは主に2つの部分から構成される。

サーボドライブ

サーボドライブは、CNCコントローラから制御信号を受信し、それを増幅して、モーターを駆動できる電力に変換する。

それは、非常に高精度なパワーアンプのように機能します。

サーボモーター

サーボモーターは、電気エネルギーを機械的な回転運動に変換する。

サーボモーターと従来型モーターの主な違いは、サーボモーターには位置エンコーダーが搭載されている点です。

これにより、回転角度を正確に制御し、極めて迅速に応答することが可能になります。サーボモーターは、数ミリ秒以内に始動、停止、加速、減速、方向転換を行うことができます。

CNC工作機械には通常、複数のサーボシステムが搭載されている。

フィード軸サーボシステム

通常、X軸、Y軸、Z軸はそれぞれ独立した送りサーボシステムを備えている。

これらのサーボシステムは、切削工具、スピンドルヘッド、および作業台の動きを制御します。

スピンドルサーボシステム

スピンドルサーボは、スピンドルと切削工具の回転速度を制御します。

スピンドルサーボの焦点は、送り軸サーボの焦点とは若干異なります。

送り軸サーボシステムは、主に位置決め精度に重点を置いています。指令された移動距離を正確に達成する必要があります。

スピンドルサーボは主に速度安定性を重視しています。切削加工中、スピンドル速度は安定している必要があり、切削力の変化によって大きく変動してはなりません。

5軸CNC工作機械の場合、通常、A軸、B軸、C軸などの回転軸を制御するために、2つの追加のサーボシステムが必要となります。

その結果、5軸加工時には5つまたは6つのサーボシステムが同時に動作する可能性がある。

システム3：機械的構造 ― 骨格と関節

サーボモーターは回転運動を発生させる。

しかし、CNC加工では、切削工具と工作物の精密な直線運動、回転位置決め、および制御された運動が必要となる。

この機械の機械構造は、モーターの回転を機械部品の正確な動きに変換する。

機械構造の主要部分は以下のとおりです。

機械のベッドとフレーム

機械ベッドは、CNC工作機械の基本的な支持構造である。

通常は鋳鉄または溶接鋼板で作られる。

高品質の機械ベッドには、以下の条件が求められます。

• 高い構造剛性
• 優れた耐振動性
• 安定した寸法性能
• 可動部品を確実に支える

機械ベッドの剛性と耐振動性は、加工精度を維持するために不可欠である。

リニアガイドウェイ

直線ガイドウェイは、作業台とスピンドルヘッドを特定の移動方向に沿って誘導します。

現代の加工センターでは、一般的に直線転がりガイドウェイが使用されています。これは、直線転がりガイドウェイが以下の利点を提供するためです。

• 低摩擦
• 高い動作精度
• 早い反応
• 高速送り
• 良好な位置決め再現性

高精度CNC工作機械では、静圧ガイドウェイが使用される場合があります。これらのガイドウェイは極めて低い摩擦レベルで動作し、優れた滑らかさと精度を実現します。

ボールねじ

ボールねじは、サーボモーターの回転運動を作業台またはスピンドルヘッドの直線運動に変換する重要な部品です。

ボールねじアセンブリ内部では、鋼球がねじ軸とナットの間を転がり、力を伝達する。

転がり摩擦は滑り摩擦よりもはるかに小さいため、ボールねじは非常に効率的な伝達とマイクロメートルレベルの位置決め精度を実現できる。

スピンドル

スピンドルは切削工具を保持し、高速で回転させる。

スピンドル精度、特にスピンドル振れは、最終的な加工精度と表面品質に直接影響します。

最大主軸回転速度は、機械が対応できる切削速度も決定します。

高速CNCスピンドルは、40,000rpm、あるいはそれ以上の回転数に達することができます。

システム4：計測・フィードバックシステム ― 閉ループ制御の「目」

フィードバックシステムは非常に重要ですが、多くのCNC初心者はその機能を十分に理解していないかもしれません。

CNCコントローラがサーボモーターに10回転するよう指令を出したと仮定します。

制御システムは、モーターが実際に正確に10回転したかどうかをどのように判断するのでしょうか？

切削工具が必要な距離だけ移動したかどうかは、どのようにしてわかるのでしょうか？

答えは、測定およびフィードバックシステムです。

その機能は、機械の実際の位置をリアルタイムで測定し、その情報をCNCコントローラに送信することです。

コントローラーは、実際の位置と指令された位置を比較し、ずれがあれば自動的に修正します。

この連続的なプロセスは次のように説明できます。

コマンド → 実行 → 実測位置 → 誤差比較 → コマンド修正

このサイクルは閉ループ制御と呼ばれ、CNC工作機械が高い位置決め精度を実現するための主要なメカニズムの一つである。

CNC工作機械では、2種類の一般的な位置測定装置が使用されています。

ロータリーエンコーダー

ロータリーエンコーダは通常、サーボモーターのシャフトに取り付けられます。

モーターの回転角度と回転速度を測定します。

しかし、ロータリーエンコーダは作業台ではなくモータ側で位置を測定するため、ボールねじ、カップリング、熱膨張、弾性変形などによる誤差が生じる可能性がある。

この構成は、半閉ループ制御システムとして知られています。

ほとんどのマシニングセンターは、このタイプのフィードバックシステムを採用しています。

元の記事によると、一般的な位置決め精度はおよそ次のとおりです。

±0.005〜±0.01mm

線形スケール

機械のガイドウェイのすぐ横にリニアスケールが設置されており、作業台の実際の直線変位を測定します。

作業台の位置を直接測定するため、ボールねじやその他の伝動部品によって発生する誤差を補正できる。

この構成は、完全閉ループ制御システムとして知られています。

より高い位置決め精度を提供し、おおよそ以下の値を達成できます。

±0.001 mm

高精度CNC工作機械や高精度5軸加工センターには、一般的にリニアスケールが装備されている。

システム5：補助機能システム ― 機械の作業完了を支援する

最初の4つのシステムは、切削工具が正確に動くことを保証する。

しかし、精密な動作だけでは、機械加工プロセス全体を完了するには不十分である。

CNC工作機械には、いくつかの補助システムも必要となる。

自動ツールチェンジャー

自動工具交換装置（一般的にATCと略される）は、マシニングセンタの最も重要な機能の1つである。

工具マガジンには複数の切削工具が収納されています。工具交換が必要な場合、工具交換機構またはロボットアームが自動的に交換作業を行います。

工具交換は通常、ほんの数秒で完了します。

工具マガジンの収納容量は、機械の構成によって、約8本から100本以上まで幅があります。

冷却システム

機械加工中、切削工具と被加工物の間には大量の熱が発生する。

切削液または冷却液は、いくつかの機能を果たします。

• 切断温度を下げる
• 切削ゾーンの潤滑
• チップを洗い流す
• 切削工具の保護
• 表面品質の向上

一般的な冷却方法としては、外部からの冷却液噴霧とスピンドル内部への冷却液注入がある。

スピンドル内部のクーラントは、スピンドルと切削工具内部の通路を通って流れ、切削領域に直接供給されます。

空圧および油圧システム

空気圧システムと油圧システムは、比較的大きな力を必要とする機械操作に使用されます。

典型的なアプリケーションは次のとおりです。

• ワーククランプ
• 工具交換動作
• 工具のクランプ解除
• スピンドルツールリリース
• 治具の操作
• 油圧式位置決め機構

PLC（プログラマブルロジックコントローラ）

CNCコントローラは主に動作制御を担う。

しかし、工作機械には、次のような多数の切り替えおよびシーケンス制御操作も含まれています。

• 自動工具交換
• 冷却液の切り替え
• 防護扉連動機構
• 油圧クランプ
• 潤滑制御
• アラーム検出
• 機械安全機能

これらの操作は通常、統合型プログラマブルロジックコントローラ（PLC）によって処理されます。

PLCとCNCコントローラは連携して、完全な機械制御システムを構成する。

5つのコアシステム間の信号の流れ

CNC加工プロセス全体は、以下の信号経路を通して理解することができます。

これは、オペレーターがサイクルスタートボタンを押した後に起こることです。

これは非常に精度の高い閉ループ制御プロセスであり、毎秒数千回繰り返される可能性がある。

主要なCNC制御システムブランドの紹介

CNCコントローラの役割を理解した上で、主要なCNC制御システムブランドをいくつか簡単に見ていきましょう。

ファナック

ファナックは日本のブランドであり、世界で最も広く使用されているCNC制御システムメーカーの1つです。

同社のシステムは、安定性、信頼性、そして確立された技術エコシステムで知られている。

FANUCシステムは製造工場で広く使用されており、CNCオペレーターやプログラマーにとって適切な出発点とみなされることが多い。

シーメンス SINUMERIK

シーメンスはドイツのブランドであり、同社のSINUMERIK CNCシステムはヨーロッパの工作機械で広く使用されている。

SINUMERIK ONEは、ハイエンド工作機械に一般的に搭載されており、強力な機能と5軸加工に対する包括的なサポートを提供します。

しかし、他のシステムと比較すると、習得には比較的時間がかかる可能性がある。

シーメンスのCNCシステムは、自動車、航空宇宙、および先端製造業の分野で幅広く使用されています。

ハイデンハインTNC

ハイデンハインもドイツのブランドです。

同社のTNC制御システムは、主にフライス盤とマシニングセンタに特化している。

ハイデンハインのシステムは、高度な5軸機能でよく知られており、航空宇宙機械加工、精密金型製造、その他の高精度用途において高い評価を得ています。

代表的な中国製CNC制御システムブランド

中国のCNC制御システムブランドは近年急速に発展している。

ブランド	会社	主なメリット	市場ポジショニング	5軸サポート
華中9シリーズ	華中CNC	中国が開発したCPUと独自に制御された技術	エントリーレベルからミドルレベルのシステムと国内代替	穏健派
グラクソ·スミスクライン	広州CNC	競争力のある価格設定と充実したサポート製品ラインナップ	経済的なCNCマシン	穏健派
Kede GNC62	Kede CNC	5軸同時加工および旋削・フライス加工機能	中級から高級市場	比較的強い
シンテック	シンテックテクノロジー	CAMとの強力な互換性、ユーザーフレンドリーなインターフェース、そして中国製5軸加工機での幅広い使用実績	急速な5軸成長を遂げる中価格帯市場	比較的強い

概要：CNC工作機械システムの理解

CNC工作機械は、5つの主要システムで構成されています。

CNCコントローラー：
機械の頭脳。プログラムを読み込み、補間計算を行い、動作指令を送信する。

サーボシステム：
機械の筋肉とも言える部分。モーターを駆動し、各軸の精密な動きを制御する。

機械構造:
機械の骨組みと接合部。これには、機械ベッド、ガイドウェイ、ボールねじ、作業台、スピンドルなどが含まれる。

測定およびフィードバックシステム：
機械の目。実際の位置を測定し、閉ループ制御を可能にする。

補助機能システム：
機械の「手」。工具交換、冷却液、油圧システム、空圧システム、その他の補助機能を制御します。

これら5つのシステムが連携することで、CNCマシンはデジタル加工プログラムを、正確で再現性の高い自動化された製造作業に変換することができる。

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