数値制御技術とCNC工作機械
数値制御技術（略称NC：Numerical Control）は、デジタル情報を用いて機械の動きや加工手順を制御する技術です。現在、現代の数値制御ではコンピュータ制御が一般的に採用されているため、コンピュータ数値制御（Computerized Numerical Control – CNC）とも呼ばれています。
機械の動作や加工工程をデジタル情報制御するには、対応するハードウェアとソフトウェアが必要です。デジタル情報制御を実現するためのハードウェアとソフトウェアの総称を数値制御システム（Numerical Control System）と呼び、その中核を成すのが数値制御装置（Numerical Controller）です。
数値制御技術によって制御される機械は、CNC工作機械（NC工作機械）と呼ばれます。これは、コンピュータ技術、自動制御技術、精密測定技術、工作機械設計などの先進技術を総合的に統合した典型的なメカトロニクス製品であり、現代の製造技術の礎となっています。工作機械の制御は、数値制御技術の最も古く、最も広く応用されている分野です。したがって、CNC工作機械のレベルは、現在の数値制御技術の性能、レベル、および発展の傾向を大きく反映しています。
CNC工作機械には、穴あけ、フライス加工、ボーリング加工などの工作機械、旋削、研削、放電加工、鍛造、レーザー加工、その他特定の用途に特化した特殊CNC工作機械など、様々な種類があります。数値制御技術によって制御される工作機械はすべてNC工作機械に分類されます。
回転工具ホルダーを備えたCNC旋盤を除き、自動工具交換装置ATC（Automatic Tool Changer – ATC）を備えたCNC工作機械は、マシニングセンター（Machine Center – MC）と呼ばれます。工具の自動交換により、ワークは一度のクランプで複数の加工工程を完了できるため、工程の集中化と工程の統合が実現します。これにより、補助加工時間を効果的に短縮し、工作機械の作業効率を向上させます。同時に、ワークの取り付けと位置決めの回数を減らし、加工精度を向上させます。マシニングセンターは現在、CNC工作機械の中で最も生産量が多く、最も幅広い用途に使用されています。
CNC工作機械をベースに、マルチワークテーブル（パレット）自動交換装置（Auto Pallet Changer – APC）などの関連装置を追加することで、フレキシブル製造セル（Flexible Manufacturing Cell – FMC）と呼ばれる加工ユニットが実現されます。FMCは、工程の集中化や工程の統合を実現するだけでなく、ワークテーブル（パレット）の自動交換と比較的充実した自動監視・制御機能により、一定期間の無人加工を可能にし、設備の加工効率をさらに向上させます。FMCは、フレキシブル製造システム（FMS）の基盤となるだけでなく、独立した自動加工設備としても活用できるため、その発展速度は非常に速いです。
FMCとマシニングセンターをベースに、物流システム、産業用ロボット、関連設備などを追加し、中央管理システムによって集中的かつ一元的に制御・管理する製造システムを、フレキシブル生産システム（FMS）と呼びます。FMSは、長時間の無人加工だけでなく、各種部品の完全加工や部品組立を実現し、工場の製造工程の自動化を実現します。高度に自動化された先進的な製造システムです。
科学技術の継続的な進歩に伴い、市場の需要の変化に適応するために、現代の製造業は工場の製造プロセスの自動化を推進するだけでなく、市場予測、生産意思決定、製品設計、製品製造から製品販売まで、包括的な自動化を実現する必要があります。これらの要件を統合して形成される完全な生産製造システムは、コンピュータ統合製造システム（Computer Integrated Manufacturing System – CIMS）と呼ばれます。CIMSは、より長い生産活動とビジネス活動を有機的に統合し、より効率的で柔軟なインテリジェント生産を実現し、今日の自動化製造技術の発展の最高段階を表しています。CIMSでは、生産設備の統合だけでなく、より重要なのは、情報による技術統合と機能統合です。コンピュータは統合ツールであり、コンピュータ支援自動化ユニット技術は統合の基礎であり、情報とデータの交換と共有は統合の架け橋です。最終製品は、情報とデータの物質的な現れとみなすことができます。
数値制御システムとその構成要素
数値制御システムの基本構成要素
CNC工作機械の数値制御システムは、すべての数値制御装置の中核です。数値制御システムの主な制御対象は、座標軸の移動（移動速度、方向、位置などを含む）であり、その制御情報は主に数値制御処理プログラムまたはモーション制御プログラムから得られます。したがって、数値制御システムの最も基本的な構成要素は、プログラム入出力装置、数値制御装置、およびサーボドライブです。
入出力装置の役割は、数値制御処理や動作制御プログラム、処理・制御データ、工作機械パラメータ、座標軸の位置、検出スイッチの状態などのデータを入出力することです。キーボードとディスプレイは、あらゆる数値制御機器に必要な最も基本的な入出力装置です。さらに、数値制御システムに応じて、光電式リーダ、テープドライブ、フロッピーディスクドライブなどの装置が装備されることもあります。周辺装置として、コンピュータは現在、最も広く使用されている入出力装置の一つです。
数値制御装置は、数値制御システムの中核となる構成要素であり、入出力インターフェース回路、コントローラ、演算装置、メモリなどから構成されています。数値制御装置の役割は、入力装置から入力されたデータを内部ロジック回路または制御ソフトウェアを介して集計・演算・処理し、各種情報や指令を出力することで、工作機械の各部を制御し、指定された動作を実行させることです。
これらの制御情報・指令の中で最も基本的なものは、座標軸の送り速度、送り方向、および送り変位指令です。これらは補間計算によって生成され、サーボドライブに供給され、ドライバによって増幅され、最終的に座標軸の変位を制御します。これにより、工具または座標軸の移動軌跡が直接決定されます。
さらに、システムや設備によっては、例えばCNC工作機械では、スピンドルの回転速度、方向、始動／停止、工具の選択および交換指示、冷却および潤滑装置の始動／停止指示、ワークの緩めおよび締め付け指示、作業台のインデックス付けなどの補助指示もあります。数値制御システムでは、これらはインターフェースを介して信号の形で外部の補助制御装置に提供されます。補助制御装置は、上記の信号に対して必要なコンパイルおよび論理演算を実行し、それらを増幅し、対応するアクチュエータを駆動して工作機械の機械部品、油圧および空気圧補助装置を駆動し、指示で指定された動作を完了します。
サーボドライブは、通常、サーボアンプ（ドライバ、サーボユニットとも呼ばれる）とアクチュエータで構成されます。CNC工作機械では、現在ではアクチュエータとしてACサーボモータが一般的に使用されていますが、高度な高速加工を行う工作機械ではリニアモータが使用されるようになってきています。また、1980年代以前に製造されたCNC工作機械では、DCサーボモータが使用されるケースもありました。また、簡易なCNC工作機械では、ステッピングモータがアクチュエータとして使用されることもありました。サーボアンプの形式はアクチュエータによって異なり、駆動モータと組み合わせて使用する必要があります。
上記は数値制御システムの最も基本的な構成要素です。数値制御技術の継続的な発展と工作機械の性能レベルの向上に伴い、システムに対する機能要件も高まっています。さまざまな工作機械の制御要件を満たし、数値制御システムの完全性と統一性を確保し、ユーザーの使用を容易にするために、一般的に使用されている高度な数値制御システムには、工作機械の補助制御装置としてプログラマブルコントローラが内蔵されているのが一般的です。さらに、金属切削工作機械では、スピンドル駆動装置も数値制御システムの構成要素になることができます。閉ループCNC工作機械では、測定および検出装置も数値制御システムに不可欠です。高度な数値制御システムでは、コンピューターがシステムのヒューマンマシンインターフェースやデータ管理、入出力装置として使用されることもあり、数値制御システムの機能をより強力にし、性能をより完璧にしています。
結論として、数値制御システムの構成は、制御システムの性能と設備の具体的な制御要件によって決まります。その構成と構成には大きな違いがあります。処理プログラムの入出力装置、数値制御装置、サーボドライブという3つの最も基本的な構成要素に加えて、さらに多くの制御装置が存在する場合があります。図1-1の破線部分は、コンピュータ数値制御システムを表しています。
NC、CNC、SV、PLCの概念
NC（CNC）、SV、PLC（PC、PMC）は、数値制御装置で非常に一般的に使用される英語の略語であり、実際のアプリケーションではさまざまな場面で異なる意味を持ちます。
NC（CNC）：NCとCNCは、それぞれ数値制御（Numerical Control）とコンピュータ数値制御（Computerized Numerical Control）の一般的な英語の略語です。現代の数値制御はすべてコンピュータ制御を採用しているため、NCとCNCの意味は完全に同じであると考えられます。エンジニアリングアプリケーションでは、使用場面に応じて、NC（CNC）は通常3つの異なる意味を持ちます。広義には制御技術（数値制御技術）を表します。狭義には制御システムの実体（数値制御システム）を表します。さらに、特定の制御装置（数値制御装置）を表す場合もあります。
SV：SVとは、サーボドライブ（Servo Drive、略称はservo）の一般的な英語略称です。JIS規格の規定用語によれば、「物体の位置、方向、状態を制御量とし、目標値に対する任意の変化に追従する制御機構」とされています。つまり、目標位置などの物理量に自動的に追従できる制御装置です。
CNC 工作機械では、サーボ ドライブの役割は主に 2 つの側面に反映されます。1 つ目は、数値制御装置によって指定された速度で座標軸を動作できるようにすることです。2 つ目は、数値制御装置によって指定された位置に従って座標軸を配置できるようにすることです。
サーボドライブの制御対象は通常、工作機械の座標軸の変位と速度であり、アクチュエータはサーボモーターであり、入力されたコマンド信号を制御および増幅する部分はサーボアンプ（ドライバー、アンプ、サーボユニットなどとも呼ばれる）と呼ばれることが多く、サーボドライブの中核を成しています。
サーボドライブは、数値制御装置と連動して使用されるだけでなく、位置（速度）追従システムとして単独でも使用されるため、サーボシステムと呼ばれることもあります。初期の数値制御システムでは、位置制御部はCNCと統合されるのが一般的で、サーボドライブは速度制御のみを行っていました。そのため、サーボドライブは速度制御ユニットと呼ばれることが多かったのです。
PLC：PCはProgrammable Controller（プログラマブル・コントローラ）の英語の略称です。パーソナルコンピュータの普及に伴い、パーソナルコンピュータ（PCとも呼ばれます）との混同を避けるため、プログラマブルコントローラは現在、プログラマブルロジックコントローラ（Programmable Logic Controller – PLC）またはプログラマブルマシンコントローラ（Programmable Machine Controller – PMC）と呼ばれることが一般的です。そのため、CNC工作機械においては、PC、PLC、PMCは全く同じ意味を持ちます。
PLCは、応答速度が速く、性能が信頼でき、使い勝手が良く、プログラミングとデバッグが容易で、一部の工作機械の電装品を直接駆動できるなどの利点があり、数値制御装置の補助制御装置として広く利用されています。現在、ほとんどの数値制御システムは、CNC工作機械の補助命令を処理するためのPLCを内蔵しており、工作機械の補助制御装置を大幅に簡素化しています。さらに、多くの場合、PLCの軸制御モジュールや位置決めモジュールなどの専用機能モジュールを介して、PLCを直接利用して点位置制御、直線制御、簡単な輪郭制御を実現し、特殊なCNC工作機械やCNC生産ラインを形成することができます。
CNC工作機械の構成と加工原理
CNC工作機械の基本構成
CNC工作機械は最も一般的な数値制御装置です。CNC工作機械の基本構成を理解するには、まずCNC工作機械による部品加工の作業プロセスを分析する必要があります。CNC工作機械では、部品加工のために以下の手順が実行されます。
加工する部品の図面や工程計画に基づいて、規定のコードとプログラム形式を使用して、工具の移動軌跡、加工プロセス、プロセスパラメータ、切削パラメータなどを数値制御システムが認識できる指示書に書き込む、つまり加工プログラムを記述します。
作成した加工プログラムを数値制御装置に入力します。
数値制御装置は、入力されたプログラム（コード）をデコードして処理し、各座標軸のサーボ駆動装置や補助機能制御装置に対応する制御信号を送信して、工作機械の各部品の動きを制御します。
移動中、数値制御システムは工作機械の座標軸の位置、移動スイッチの状態などを随時検出し、それらをプログラムの要件と比較して、合格した部品が加工されるまで次の動作を決定する必要があります。
オペレーターは、工作機械の加工状況や動作状態をいつでも観察・検査できます。必要に応じて、工作機械の動作や加工プログラムを調整し、安全で信頼性の高い工作機械の動作を確保する必要があります。
CNC 工作機械の基本構成としては、入出力装置、数値制御装置、サーボドライブおよびフィードバック装置、補助制御装置、工作機械本体が含まれることがわかります。
CNC工作機械の構成
数値制御システムは、工作機械本体の加工制御を実現するために使用されます。現在、ほとんどの数値制御システムはコンピュータ数値制御（CNC）を採用しています。図中の入出力装置、数値制御装置、サーボ駆動装置、フィードバック装置が工作機械数値制御システムを構成し、その役割は既に説明しました。以下では、その他の構成要素について簡単に説明します。
測定フィードバック装置：閉ループ（半閉ループ）CNC工作機械の検出リンクです。その役割は、パルスエンコーダ、レゾルバ、誘導同期装置、格子、磁気スケール、レーザー測定器などの最新の測定要素を介して、アクチュエータ（ツールホルダーなど）または作業台の実際の移動速度と変位を検出し、サーボ駆動装置または数値制御装置にフィードバックして、アクチュエータの送り速度または移動誤差を補正し、運動機構の精度を向上させることです。検出装置の設置位置と検出信号をフィードバックする位置は、数値制御システムの構造によって異なります。サーボ内蔵のパルスエンコーダ、タコメータ、リニアグレーティングは、一般的に使用される検出部品です。
高度なサーボはすべてデジタルサーボドライブ技術（デジタルサーボと呼ばれる）を採用しているため、サーボドライブと数値制御装置間の接続には通常バスが使用されます。ほとんどの場合、フィードバック信号はサーボドライブに接続され、バスを介して数値制御装置に送信されます。ごくまれな場合、またはアナログサーボドライブ（一般にアナログサーボと呼ばれる）を使用する場合のみ、フィードバック装置を数値制御装置に直接接続する必要があります。
補助制御機構および送り伝達機構：数値制御装置と工作機械の機械・油圧部品の間に配置されます。主な役割は、数値制御装置から出力される主軸速度、方向、起動/停止指令、工具選択・交換指令、冷却・潤滑装置の起動/停止指令、ワークや工作機械部品の緩め・締め付け、ワークテーブルのインデックス、工作機械の検出スイッチの状態信号などの補助指令信号を受信することです。必要なコンパイル、論理判断、電力増幅を経て、対応するアクチュエータが直接駆動され、工作機械の機械部品、油圧、空圧補助装置を駆動して、指令で指定された動作を完了します。通常、PLCと強電流制御回路で構成されます。PLCは、CNCと構造的に統合することも（内蔵PLC）、比較的独立して動作させることもできます（外付けPLC）。
工作機械本体、すなわちCNC工作機械の機械構造は、主駆動システム、送り駆動システム、ベッド、作業台、補助運動装置、油圧・空圧システム、潤滑システム、冷却装置、切削片除去装置、保護システムなどの部品で構成されています。しかし、数値制御の要求を満たし、工作機械の性能を十分に発揮させるために、全体的なレイアウト、外観設計、伝達システムの構造、工具システム、操作性能などにおいて大きな変化を遂げてきました。工作機械の機械部品には、ベッド、ボックス、コラム、ガイドレール、作業台、スピンドル、送り機構、工具交換機構などが含まれます。
CNC加工の原理
従来の金属切削工作機械では、部品を加工する際に、オペレータは図面の要件に応じて工具の移動軌跡や移動速度などのパラメータを継続的に変更する必要があり、これにより工具はワークピースに対して切削加工を実行し、最終的に合格した部品を加工します。
CNC工作機械の加工は基本的に「微分」原理に基づいています。その動作原理とプロセスは、以下のように簡単に説明できます。
数値制御装置は、加工プログラムが要求する工具軌跡に従って、工作機械の対応する座標軸に沿った軌跡を最小移動量（パルス相当）（図1-2の△X、△Y）で微分し、各座標軸が移動するために必要なパルス数を算出します。
数値制御装置の「補間」ソフトウェアまたは「補間」計算機を使用して、必要な軌道を「最小移動単位」単位で等価ポリラインにフィッティングし、理論上の軌道に最も近いフィッティングポリラインを見つけます。
数値制御装置は、フィッティングされたポリラインの軌跡に従って、対応する座標軸に送りパルスを連続的に割り当て、サーボ駆動を介して、割り当てられたパルスに従って工作機械の座標軸を移動できるようにします。
以下のことがわかります。第一に、CNC工作機械の最小移動量（パルス相当量）が十分に小さければ、フィッティングしたポリラインは理論曲線と同等に置き換えることができます。第二に、座標軸のパルス割り当て方法を変更すれば、フィッティングしたポリラインの形状を変更でき、加工軌跡を変更するという目的を達成できます。第三に、…の周波数が…