CNC機械とは何ですか?

CNC機械の歴史
ミシガン州トラバースシティのパーソンズ コーポレーションのジョン T. パーソンズ (1913 ～ 2007 年) は、現代の CNC 機械の先駆けである数値制御の先駆者と考えられています。ジョン・パーソンズはその業績により、第二次産業革命の父と呼ばれています。彼は複雑なヘリコプターのブレードを製造する必要があり、製造業の未来は機械をコンピューターに接続することであるとすぐに気づきました。現在、CNC 製造部品はほぼすべての業界で使用されています。CNC マシンのおかげで、私たちは非工業化世界よりも安価な商品、より強力な国防、より高い生活水準を手に入れることができました。この記事では、CNC マシンの起源、さまざまなタイプの CNC マシン、CNC マシン プログラム、および CNC マシン ショップによる一般的な慣行について説明します。

マシンとコンピューターの出会い
1946 年当時、「コンピューター」という言葉はパンチカードで動作する計算機を意味していました。パーソンズ コーポレーションはこれまでプロペラを 1 つしか製造したことがありませんでしたが、ジョン パーソンズはシコルスキー ヘリコプターに、プロペラの組み立てと製造のための非常に正確なテンプレートを製造できると説得しました。彼は最終的に、ヘリコプターのローターブレード上のポイントを計算するパンチカードコンピューター方式を発明しました。次に、オペレーターにシンシナティのフライス盤のホイールをそれらのポイントまで回転させました。彼はこの新しいプロセスの名前を決めるコンテストを開催し、「数値制御」または NC の造語者に 50 ドルを与えました。

1958 年に、彼はコンピューターを機械に接続する特許を申請しました。彼の特許申請は、彼が始めたコンセプトに取り組んでいた MIT より 3 か月前に到着しました。MIT は彼のコンセプトを利用してオリジナルの機器を作成し、パーソンズ氏のライセンシー (Bendix) は IBM、富士通、GE などにサブライセンスされました。NC のコンセプトは普及するのが遅かったです。パーソンズ氏によれば、このアイデアを売り込んだのは製造業者ではなくコンピューター担当者だったという。しかし、1970 年代初頭までに、米軍自体が NC コンピューターを製造し、多数のメーカーにリースすることでその使用を普及させました。CNC コントローラーはコンピューターと並行して進化し、製造プロセス、特に機械加工の生産性と自動化をますます推進しました。

CNC加工とは何ですか?
CNC マシンは、世界中でほぼすべての業界の部品を製造しています。彼らは、プラスチック、金属、アルミニウム、木材、その他多くの硬い素材から物を作ります。「CNC」という言葉はComputer Numerical Controlの略ですが、現在では誰もがCNCと呼んでいます。では、CNC マシンをどのように定義すればよいでしょうか?すべての自動モーション コントロール マシンには、コマンド機能、駆動/モーション システム、フィードバック システムという 3 つの主要コンポーネントがあります。CNC 加工は、コンピューター駆動の工作機械を使用して固体材料からさまざまな形状の部品を製造するプロセスです。

CNC は、通常、SolidWorks や MasterCAM などのコンピュータ支援製造 (CAM) またはコンピュータ支援設計 (CAD) ソフトウェアで作成されるデジタル指示に依存します。ソフトウェアは、CNC マシンのコントローラーが読み取ることができる G コードを書き込みます。コントローラー上のコンピューター プログラムは設計を解釈し、切削工具やワークピースを複数の軸上で移動させて、ワークピースから目的の形状を切り出します。自動化された切断プロセスは、古い機器のレバーやギアを使用してツールやワークピースを手動で移動するよりもはるかに高速かつ正確です。現代の CNC マシンは複数のツールを保持し、さまざまな種類の切削を行います。移動面 (軸) の数と、機械加工プロセス中に機械が自動的にアクセスできるツールの数と種類によって、CNC がどの程度複雑なワークピースを作成できるかが決まります。

CNC マシンの使用方法?
CNC 機械の能力を最大限に活用するには、CNC 機械工がプログラミングと金属加工の両方のスキルを習得する必要があります。技術専門学校や見習いプログラムでは、金属の切削方法の感覚を得るために、生徒に手動旋盤の使用を開始させることがよくあります。機械工は 3 つの次元すべてを想像できなければなりません。現在、ソフトウェアにより、部品の形状を仮想的に描画し、それらの部品を作成するためのツール パスをソフトウェアによって提案できるため、複雑な部品の作成がかつてないほど簡単になりました。

CNC 加工プロセスで一般的に使用されるソフトウェアの種類
コンピュータ支援図面 (CAD)
CAD ソフトウェアは、ほとんどの CNC プロジェクトの出発点です。さまざまな CAD ソフトウェア パッケージが存在しますが、どれも設計を作成するために使用されます。一般的な CAD プログラムには、AutoCAD、SolidWorks、Rhino3D などがあります。クラウドベースの CAD ソリューションもあり、CAM 機能を提供するものや、他のものよりも優れた CAM ソフトウェアとの統合を備えているものもあります。

コンピューター支援製造 (CAM)
CNC マシンは、多くの場合、CAM ソフトウェアで作成されたプログラムを使用します。CAM を使用すると、ユーザーは「ジョブ ツリー」をセットアップしてワークフローを整理し、ツール パスを設定し、機械が実際に切削を行う前に切削シミュレーションを実行できます。多くの場合、CAM プログラムは CAD ソフトウェアのアドオンとして機能し、CNC ツールやワーク可動部品に移動先を指示する G コードを生成します。CAM ソフトウェアのウィザードを使用すると、CNC マシンのプログラミングがこれまでより簡単になります。一般的な CAM ソフトウェアには、Mastercam、Edgecam、OneCNC、HSMWorks、Solidcam などがあります。2015 年のレポートによると、Mastercam と Edgecam はハイエンド CAM 市場シェアのほぼ 50% を占めています。

分散数値制御とは何ですか?
直接数値制御は分散数値制御 (DNC) になりました
NC プログラムと機械パラメータの管理には、直接数値制御が使用されました。これにより、プログラムがネットワークを介して中央コンピュータからマシン制御ユニット (MCU) と呼ばれるオンボード コンピュータに移動できるようになりました。当初は「直接数値制御」と呼ばれ、紙テープの必要性を回避していましたが、コンピューターがダウンすると、すべてのマシンがダウンしてしまいました。

分散数値制御では、コンピュータのネットワークを使用して、CNC にプログラムを供給することで複数の機械の動作を調整します。CNC メモリにはプログラムが保持されており、オペレータはプログラムを収集、編集し、返却することができます。

最新の DNC プログラムでは次のことができます。
● 編集 – 他の NC プログラムを編集しながら 1 つの NC プログラムを実行できます。
● 比較 – 元の NC プログラムと編集した NC プログラムを並べて比較し、編集内容を確認します。
● 再起動 – ツールが壊れた場合、プログラムを停止し、中断したところから再起動できます。
● ジョブ追跡 – オペレーターはジョブを記録し、セットアップやランタイムなどを追跡できます。
● 図面の表示 - 工具、治具、仕上げ部品の写真、CAD 図面を表示します。
● 高度な画面インターフェイス – ワンタッチ加工。
● 高度なデータベース管理 – データを簡単に取得できるように整理および維持します。

製造データ収集 (MDC)
MDC ソフトウェアには、DNC ソフトウェアのすべての機能に加えて、追加データを収集し、全体的な機器効率 (OEE) を分析することができます。総合的な設備効率は、以下によって決まります。 品質 – 生産されたすべての製品のうち、品質基準を満たす製品の数 可用性 – 指定された設備が稼働または部品を生産している計画時間の割合 パフォーマンス – 計画または理想的な運転と比較した実際の運転速度装備の割合。

OEE = 品質 x 可用性 x パフォーマンス
OEE は、多くの機械工場にとって重要なパフォーマンス指標 (KPI) です。

マシン監視ソリューション
マシン監視ソフトウェアは、DNC または MDC ソフトウェアに組み込むことも、個別に購入することもできます。マシン監視ソリューションを使用すると、セットアップ、実行時間、ダウンタイムなどのマシン データが自動的に収集され、理由コードなどの人的データと組み合わされて、ジョブの実行方法の履歴とリアルタイムの両方を把握できるようになります。最新の CNC マシンは 200 種類ものデータを収集しており、マシン監視ソフトウェアはそのデータを製造現場から最上階までのすべての人々に役立てることができます。Memex のような企業は、あらゆる種類の CNC マシンからデータを取得し、意味のあるチャートやグラフで表示できる標準化されたデータベース形式に変換するソフトウェア (Tempus) を提供しています。米国で普及しているほとんどのマシン監視ソリューションで使用されているデータ標準は、MTConnect と呼ばれます。現在、多くの新しい CNC 工作機械には、この形式でデータを提供する機能が備わっています。古いマシンでもアダプターを使用すると貴重な情報を提供できます。CNC 機械の機械監視はここ数年で主流になり、新しいソフトウェア ソリューションが常に開発されています。

CNC マシンにはどのような種類がありますか?
現在、無数の異なるタイプの CNC マシンがあります。CNC マシンは、上で説明したように、コントローラーでプログラムされたとおりに材料を切断または移動する工作機械です。切断の種類は、プラズマ切断からレーザー切断、フライス加工、ルーティング、旋盤までさまざまです。CNC マシンは、組立ラインでアイテムを持ち上げて移動することもできます。

以下は CNC マシンの基本的なタイプです。
旋盤:このタイプの CNC はワークピースを回転させ、切削工具をワークピースに移動させます。基本的な旋盤は 2 軸ですが、さらに多くの軸を追加して、より複雑な切削加工を行うことができます。材料はスピンドル上で回転し、研削または彫刻ツールに押し付けられ、目的の形状が作成されます。旋盤は、球、円錐、円柱などの対称的なオブジェクトを作成するために使用されます。多くの CNC マシンは多機能であり、あらゆる種類の切削を組み合わせています。

ルーター:CNC ルーターは通常、木材、金属、シート、プラスチックを大きな寸法に切断するために使用されます。標準ルーターは 3 軸座標で動作するため、3 次元での切削が可能です。ただし、プロトタイプ モデルや複雑な形状用に 4 軸、5 軸、6 軸マシンを購入することもできます。

フライス加工:手動フライス盤は、ハンドホイールと送りねじを使用して切削工具をワークピース上に関節運動させます。CNC ミルでは、CNC が高精度ボールネジをプログラムされた正確な座標に移動します。フライス加工 CNC マシンにはさまざまなサイズとタイプがあり、複数の軸で実行できます。

プラズマカッター:CNC プラズマ カッターは強力なレーザーを使用して切断します。ほとんどのプラズマ カッターは、プログラムされた形状をシートまたはプレートから切り出します。

3Dプリンタ：3D プリンターはプログラムを使用して、目的の形状を構築するために小さな材料片をどこに配置するかを指示します。3D パーツはレーザーを使用して層ごとに構築され、層が成長するにつれて液体または粉末が固化します。

ピックアンドプレイスマシン:CNC の「ピック アンド プレース」マシンは CNC ルーターと同様に機能しますが、このマシンには材料を切断する代わりに、真空を使用してコンポーネントをピックアップし、目的の場所に移動して配置する小さなノズルが多数付いています。これらは、テーブル、コンピューターのマザーボード、その他の電気アセンブリの製造に使用されます。

CNC マシンはさまざまなことができます。今日、コンピューター技術は、想像できる限りの機械に搭載することができます。CNC は、望ましい結果を得るために機械部品を移動するために必要なヒューマン インターフェイスを置き換えます。今日の CNC は、鋼鉄のブロックなどの原材料から開始して、正確な公差と驚くべき再現性を備えた非常に複雑な部品を製造することができます。

すべてをまとめる: CNC 機械工場が部品を製造する方法
CNC の操作には、コンピューター (コントローラー) と物理的なセットアップの両方が必要です。典型的な機械工場のプロセスは次のようになります。

設計エンジニアは CAD プログラムで設計を作成し、CNC プログラマーに送信します。プログラマーは CAM プログラムでファイルを開き、必要なツールを決定し、CNC の NC プログラムを作成します。NC プログラムを CNC マシンに送信し、正しい工具セットアップのリストをオペレーターに提供します。セットアップオペレータは、指示に従ってツールをロードし、原材料（またはワークピース）をロードします。次に、サンプル部品を実行し、品質保証ツールで測定して、CNC マシンが仕様に従って部品を製造していることを確認します。通常、セットアップオペレーターは最初の製品を品質部門に提供し、品質部門はすべての寸法を検証し、セットアップを承認します。CNC 機械または関連機械には、必要な数の部品を製造するのに十分な原材料が搭載されており、機械オペレーターは機械が稼働し続け、仕様どおりに部品を製造できるように待機しています。そして原料もある。作業によっては、オペレーターが立ち会わなくても CNC マシンを「無人」で実行できる場合があります。完成したパーツは指定されたエリアに自動的に移動されます。

今日のメーカーは、十分な時間、リソース、想像力があれば、ほぼすべてのプロセスを自動化できます。原材料が機械に投入され、完成した部品がすぐに使える状態でパッケージ化されて出てきます。メーカーは、製品を迅速、正確、そしてコスト効率よく製造するために、幅広い CNC マシンに依存しています。