CNC工作機械の基準点復帰不良の解析と除去方法
要約：本稿では、CNC工作機械の基準点復帰原理を、閉ループ、半閉ループ、開ループの各システムにわたって詳細に分析する。具体的な事例を通して、CNC工作機械の様々な基準点復帰障害について、障害診断、分析方法、対策戦略を含めて詳細に検討し、マシニングセンター工作機械の工具交換点における改善策を提示する。
I. はじめに
手動の原点復帰操作は、工作機械の座標系を確立するための前提条件です。多くのCNC工作機械は、起動後の最初の動作として、手動で原点復帰操作を行います。原点復帰に不具合があると、プログラム処理が実行できなくなるだけでなく、原点位置の不正確さが加工精度に影響を与え、衝突事故につながることもあります。そのため、原点復帰の不具合を分析し、解消することは非常に重要です。
II. CNC工作機械の原点復帰原理
（A）システム分類
閉ループ CNC システム: 最終的な直線変位を検出するためのフィードバック装置を装備しています。
半閉ループ CNC システム: 位置測定装置はサーボモーターの回転軸またはリードスクリューの端に設置され、角度変位からフィードバック信号が取得されます。
オープンループ CNC システム: 位置検出フィードバック装置なし。
（B）基準点返還方式
基準点復帰のためのグリッド方式
アブソリュートグリッド方式：アブソリュートパルスエンコーダまたは格子定規を用いて基準点に戻ります。工作機械のデバッグ時には、パラメータ設定と工作機械の原点復帰操作によって基準点が決定されます。検出フィードバック要素のバックアップ電池が有効である限り、機械を起動するたびに基準点の位置情報を記録するため、再度基準点復帰操作を行う必要はありません。
インクリメンタルグリッド方式：インクリメンタルエンコーダまたは目盛り定規を用いて原点復帰を行う方式で、機械の起動ごとに原点復帰操作が必要です。あるCNCフライス盤（FANUC 0iシステム搭載）を例に挙げると、インクリメンタルグリッド方式による原点復帰の原理とプロセスは以下のとおりです。
モードスイッチを「原点復帰」ギアに切り替え、原点復帰を行う軸を選択し、その軸の正方向ジョグボタンを押します。軸は高速で原点に向かって移動します。
ワークテーブルと一体となって移動する減速ブロックが減速スイッチの接点を押し下げると、減速信号がオン（ON）からオフ（OFF）に変化します。ワークテーブル送りは減速し、パラメータで設定された低速送り速度で移動を続けます。
減速ブロックが減速スイッチを解放し、接点状態がオフからオンに変化すると、CNCシステムはエンコーダの最初のグリッド信号（1回転信号PCZとも呼ばれます）の出現を待ちます。この信号が現れると、ワークテーブルの動きは直ちに停止します。同時に、CNCシステムは原点復帰完了信号を送信し、原点ランプが点灯して、工作機械軸が原点に正常に復帰したことを示します。
基準点復帰用磁気スイッチ方式
オープンループシステムでは、通常、磁気誘導スイッチを用いて基準点復帰位置決めを行います。あるCNC旋盤を例に挙げると、磁気誘導スイッチを用いた基準点復帰の原理とプロセスは以下のようになります。
最初の 2 つの手順は、基準点の戻りのグリッド方式の操作手順と同じです。
減速ブロックが減速スイッチを解放し、接点状態がオフからオンに変化すると、CNCシステムは誘導スイッチ信号の出現を待ちます。この信号が現れると、ワークテーブルの動きは直ちに停止します。同時に、CNCシステムは原点復帰完了信号を出力し、原点ランプが点灯します。これは、工作機械が軸の原点に正常に戻ったことを示します。
III. CNC工作機械の基準点復帰における故障診断と解析
CNC 工作機械の基準点復帰に障害が発生した場合は、単純なものから複雑なものへの原則に従って包括的な検査を実行する必要があります。
（A）警報なしの故障
固定グリッド距離からの偏差
障害現象: 工作機械を起動し、最初に基準点を手動で戻すと、基準点から 1 つまたは複数のグリッド距離だけずれ、その後のずれ距離は毎回固定されます。
原因分析：通常、減速ブロックの位置が正しくないか、減速ブロックの長さが短すぎるか、基準点として使用する近接スイッチの位置が不適切です。このような故障は、工作機械の初回設置・デバッグ後、または大規模なオーバーホール後に発生することが多いです。
解決策: 減速ブロックまたは近接スイッチの位置を調整でき、基準点復帰時の早送り速度と早送り時定数も調整できます。
ランダムな位置からの逸脱または小さなオフセット
故障現象：基準点の任意の位置から逸脱し、その逸脱値はランダムまたは小さく、基準点復帰操作を実行するたびに逸脱距離が等しくない。
原因分析:
ケーブルシールド層の接地不良などの外部干渉、およびパルスエンコーダの信号線が高電圧ケーブルに近すぎる。
パルスエンコーダまたは格子定規で使用される電源電圧が低すぎる（4.75V未満）か、障害があります。
スピードコントロールユニットの制御基板に不具合があります。
送り軸とサーボモーターの結合が緩んでいます。
ケーブルコネクタの接触不良またはケーブルが破損しています。
解決策: 接地の改善、電源の確認、制御基板の交換、カップリングの締め付け、ケーブルの確認など、さまざまな原因に応じて対応する対策を講じる必要があります。
(B) 警報音を伴う故障
減速動作を行わないことで発生するオーバートラベルアラーム
不具合現象：工作機械が基準点に戻る際に減速動作が行われず、リミットスイッチに接触してオーバートラベルにより停止するまで移動を続ける。基準点復帰を示す緑色のランプが点灯せず、CNCシステムは「NOT READY（準備完了）」状態を示す。
原因分析：基準点復帰用減速スイッチが故障し、スイッチ接点を押し下げてもリセットできない、または減速ブロックが緩んでずれているため、工作機械が基準点に戻るときにゼロ点パルスが機能せず、減速信号をCNCシステムに入力できません。
解決方法：「オーバートラベル解除」機能ボタンを使用して、工作機械の座標オーバートラベルを解除し、工作機械を移動範囲内に戻してから、基準点復帰用減速スイッチが緩んでいないか、対応する移動スイッチ減速信号線に短絡または断線がないかどうかを確認します。
減速後に基準点が見つからないために発生したアラーム
故障現象：基準点復帰処理中に減速しますが、リミットスイッチに触れてアラームが出るまで停止し、基準点が見つからずに基準点復帰動作に失敗します。
原因分析:
エンコーダ (または格子定規) は、基準点復帰操作中に基準点が戻されたことを示すゼロ フラグ信号を送信しません。
基準点復帰のゼロマーク位置が失敗しました。
送信中または処理中に、基準点リターンのゼロフラグ信号が失われます。
計測システムにハードウェア障害が発生し、基準点復帰のゼロフラグ信号が認識されません。
解決策: 信号追跡法を使用し、オシロスコープを使用してエンコーダの基準点復帰のゼロフラグ信号を確認し、障害の原因を判断して対応する処理を実行します。
不正確な参照点の位置によるアラーム
故障現象：基準点復帰処理中に減速が発生し、基準点復帰のゼロフラグ信号が表示され、ゼロまでブレーキをかける処理もありますが、基準点の位置が不正確で、基準点復帰操作が失敗します。
原因分析:
基準点復帰のゼロフラグ信号が失われ、測定システムはこの信号を見つけて、パルスエンコーダがさらに 1 回転した後にのみ停止できるため、作業台は基準点から選択した距離の位置で停止します。
減速ブロックが基準点位置に近すぎるため、座標軸が指定距離まで移動せずにリミットスイッチに触れると停止します。
信号干渉、ブロックの緩み、基準点復帰のゼロフラグ信号の電圧が低すぎるなどの要因により、作業台が停止する位置は不正確になり、規則性がなくなります。
解決策: 減速ブロックの位置を調整する、信号干渉を排除する、ブロックを締める、信号電圧を確認するなど、さまざまな理由に応じて処理します。
パラメータの変更により基準点に戻らないことによるアラーム
故障現象：工作機械が基準点に戻るときに、「基準点に戻っていません」というアラームが発せられ、工作機械は基準点復帰動作を実行しません。
原因分析：指令倍率（CMR）、検出倍率（DMR）、基準点復帰時の早送り速度、原点付近の減速速度がゼロに設定されている、工作機械操作パネルの早送り倍率スイッチと送り倍率スイッチが0％に設定されているなど、設定パラメータが変更されたことが原因と考えられます。
解決策: 関連するパラメータを確認して修正します。
IV. 結論
CNC工作機械の原点復帰不良には、主に2つの状況があります。アラーム発生を伴う原点復帰不良と、アラーム発生を伴わない原点ドリフトです。アラーム発生を伴う故障の場合、CNCシステムは加工プログラムを実行せず、大量の廃棄品の発生を回避できます。一方、アラーム発生を伴わない原点ドリフト不良は見過ごされやすく、加工部品の廃棄、あるいは場合によっては大量の廃棄品の発生につながる可能性があります。
マシニングセンター機では、座標軸の基準点を工具交換点として使用する機械が多いため、長時間運転中に基準点復帰障害、特に非アラーム基準点ドリフト障害が発生しやすくなります。そのため、第2の基準点を設定し、基準点から一定の距離の位置でG30 X0 Y0 Z0命令を使用することをお勧めします。これは工具マガジンとマニピュレーターの設計にいくつかの困難をもたらしますが、工作機械の基準点復帰障害率と自動工具交換障害率を大幅に低減でき、工作機械の起動時に必要な基準点復帰は1回だけです。
要約：本稿では、CNC工作機械の基準点復帰原理を、閉ループ、半閉ループ、開ループの各システムにわたって詳細に分析する。具体的な事例を通して、CNC工作機械の様々な基準点復帰障害について、障害診断、分析方法、対策戦略を含めて詳細に検討し、マシニングセンター工作機械の工具交換点における改善策を提示する。
I. はじめに
手動の原点復帰操作は、工作機械の座標系を確立するための前提条件です。多くのCNC工作機械は、起動後の最初の動作として、手動で原点復帰操作を行います。原点復帰に不具合があると、プログラム処理が実行できなくなるだけでなく、原点位置の不正確さが加工精度に影響を与え、衝突事故につながることもあります。そのため、原点復帰の不具合を分析し、解消することは非常に重要です。
II. CNC工作機械の原点復帰原理
（A）システム分類
閉ループ CNC システム: 最終的な直線変位を検出するためのフィードバック装置を装備しています。
半閉ループ CNC システム: 位置測定装置はサーボモーターの回転軸またはリードスクリューの端に設置され、角度変位からフィードバック信号が取得されます。
オープンループ CNC システム: 位置検出フィードバック装置なし。
（B）基準点返還方式
基準点復帰のためのグリッド方式
アブソリュートグリッド方式：アブソリュートパルスエンコーダまたは格子定規を用いて基準点に戻ります。工作機械のデバッグ時には、パラメータ設定と工作機械の原点復帰操作によって基準点が決定されます。検出フィードバック要素のバックアップ電池が有効である限り、機械を起動するたびに基準点の位置情報を記録するため、再度基準点復帰操作を行う必要はありません。
インクリメンタルグリッド方式：インクリメンタルエンコーダまたは目盛り定規を用いて原点復帰を行う方式で、機械の起動ごとに原点復帰操作が必要です。あるCNCフライス盤（FANUC 0iシステム搭載）を例に挙げると、インクリメンタルグリッド方式による原点復帰の原理とプロセスは以下のとおりです。
モードスイッチを「原点復帰」ギアに切り替え、原点復帰を行う軸を選択し、その軸の正方向ジョグボタンを押します。軸は高速で原点に向かって移動します。
ワークテーブルと一体となって移動する減速ブロックが減速スイッチの接点を押し下げると、減速信号がオン（ON）からオフ（OFF）に変化します。ワークテーブル送りは減速し、パラメータで設定された低速送り速度で移動を続けます。
減速ブロックが減速スイッチを解放し、接点状態がオフからオンに変化すると、CNCシステムはエンコーダの最初のグリッド信号（1回転信号PCZとも呼ばれます）の出現を待ちます。この信号が現れると、ワークテーブルの動きは直ちに停止します。同時に、CNCシステムは原点復帰完了信号を送信し、原点ランプが点灯して、工作機械軸が原点に正常に復帰したことを示します。
基準点復帰用磁気スイッチ方式
オープンループシステムでは、通常、磁気誘導スイッチを用いて基準点復帰位置決めを行います。あるCNC旋盤を例に挙げると、磁気誘導スイッチを用いた基準点復帰の原理とプロセスは以下のようになります。
最初の 2 つの手順は、基準点の戻りのグリッド方式の操作手順と同じです。
減速ブロックが減速スイッチを解放し、接点状態がオフからオンに変化すると、CNCシステムは誘導スイッチ信号の出現を待ちます。この信号が現れると、ワークテーブルの動きは直ちに停止します。同時に、CNCシステムは原点復帰完了信号を出力し、原点ランプが点灯します。これは、工作機械が軸の原点に正常に戻ったことを示します。
III. CNC工作機械の基準点復帰における故障診断と解析
CNC 工作機械の基準点復帰に障害が発生した場合は、単純なものから複雑なものへの原則に従って包括的な検査を実行する必要があります。
（A）警報なしの故障
固定グリッド距離からの偏差
障害現象: 工作機械を起動し、最初に基準点を手動で戻すと、基準点から 1 つまたは複数のグリッド距離だけずれ、その後のずれ距離は毎回固定されます。
原因分析：通常、減速ブロックの位置が正しくないか、減速ブロックの長さが短すぎるか、基準点として使用する近接スイッチの位置が不適切です。このような故障は、工作機械の初回設置・デバッグ後、または大規模なオーバーホール後に発生することが多いです。
解決策: 減速ブロックまたは近接スイッチの位置を調整でき、基準点復帰時の早送り速度と早送り時定数も調整できます。
ランダムな位置からの逸脱または小さなオフセット
故障現象：基準点の任意の位置から逸脱し、その逸脱値はランダムまたは小さく、基準点復帰操作を実行するたびに逸脱距離が等しくない。
原因分析:
ケーブルシールド層の接地不良などの外部干渉、およびパルスエンコーダの信号線が高電圧ケーブルに近すぎる。
パルスエンコーダまたは格子定規で使用される電源電圧が低すぎる（4.75V未満）か、障害があります。
スピードコントロールユニットの制御基板に不具合があります。
送り軸とサーボモーターの結合が緩んでいます。
ケーブルコネクタの接触不良またはケーブルが破損しています。
解決策: 接地の改善、電源の確認、制御基板の交換、カップリングの締め付け、ケーブルの確認など、さまざまな原因に応じて対応する対策を講じる必要があります。
(B) 警報音を伴う故障
減速動作を行わないことで発生するオーバートラベルアラーム
不具合現象：工作機械が基準点に戻る際に減速動作が行われず、リミットスイッチに接触してオーバートラベルにより停止するまで移動を続ける。基準点復帰を示す緑色のランプが点灯せず、CNCシステムは「NOT READY（準備完了）」状態を示す。
原因分析：基準点復帰用減速スイッチが故障し、スイッチ接点を押し下げてもリセットできない、または減速ブロックが緩んでずれているため、工作機械が基準点に戻るときにゼロ点パルスが機能せず、減速信号をCNCシステムに入力できません。
解決方法：「オーバートラベル解除」機能ボタンを使用して、工作機械の座標オーバートラベルを解除し、工作機械を移動範囲内に戻してから、基準点復帰用減速スイッチが緩んでいないか、対応する移動スイッチ減速信号線に短絡または断線がないかどうかを確認します。
減速後に基準点が見つからないために発生したアラーム
故障現象：基準点復帰処理中に減速しますが、リミットスイッチに触れてアラームが出るまで停止し、基準点が見つからずに基準点復帰動作に失敗します。
原因分析:
エンコーダ (または格子定規) は、基準点復帰操作中に基準点が戻されたことを示すゼロ フラグ信号を送信しません。
基準点復帰のゼロマーク位置が失敗しました。
送信中または処理中に、基準点リターンのゼロフラグ信号が失われます。
計測システムにハードウェア障害が発生し、基準点復帰のゼロフラグ信号が認識されません。
解決策: 信号追跡法を使用し、オシロスコープを使用してエンコーダの基準点復帰のゼロフラグ信号を確認し、障害の原因を判断して対応する処理を実行します。
不正確な参照点の位置によるアラーム
故障現象：基準点復帰処理中に減速が発生し、基準点復帰のゼロフラグ信号が表示され、ゼロまでブレーキをかける処理もありますが、基準点の位置が不正確で、基準点復帰操作が失敗します。
原因分析:
基準点復帰のゼロフラグ信号が失われ、測定システムはこの信号を見つけて、パルスエンコーダがさらに 1 回転した後にのみ停止できるため、作業台は基準点から選択した距離の位置で停止します。
減速ブロックが基準点位置に近すぎるため、座標軸が指定距離まで移動せずにリミットスイッチに触れると停止します。
信号干渉、ブロックの緩み、基準点復帰のゼロフラグ信号の電圧が低すぎるなどの要因により、作業台が停止する位置は不正確になり、規則性がなくなります。
解決策: 減速ブロックの位置を調整する、信号干渉を排除する、ブロックを締める、信号電圧を確認するなど、さまざまな理由に応じて処理します。
パラメータの変更により基準点に戻らないことによるアラーム
故障現象：工作機械が基準点に戻るときに、「基準点に戻っていません」というアラームが発せられ、工作機械は基準点復帰動作を実行しません。
原因分析：指令倍率（CMR）、検出倍率（DMR）、基準点復帰時の早送り速度、原点付近の減速速度がゼロに設定されている、工作機械操作パネルの早送り倍率スイッチと送り倍率スイッチが0％に設定されているなど、設定パラメータが変更されたことが原因と考えられます。
解決策: 関連するパラメータを確認して修正します。
IV. 結論
CNC工作機械の原点復帰不良には、主に2つの状況があります。アラーム発生を伴う原点復帰不良と、アラーム発生を伴わない原点ドリフトです。アラーム発生を伴う故障の場合、CNCシステムは加工プログラムを実行せず、大量の廃棄品の発生を回避できます。一方、アラーム発生を伴わない原点ドリフト不良は見過ごされやすく、加工部品の廃棄、あるいは場合によっては大量の廃棄品の発生につながる可能性があります。
マシニングセンター機では、座標軸の基準点を工具交換点として使用する機械が多いため、長時間運転中に基準点復帰障害、特に非アラーム基準点ドリフト障害が発生しやすくなります。そのため、第2の基準点を設定し、基準点から一定の距離の位置でG30 X0 Y0 Z0命令を使用することをお勧めします。これは工具マガジンとマニピュレーターの設計にいくつかの困難をもたらしますが、工作機械の基準点復帰障害率と自動工具交換障害率を大幅に低減でき、工作機械の起動時に必要な基準点復帰は1回だけです。