CNCの基礎、ユーザー、機能

日付: 2024-06-03 ‖ 著者：FuDong Machinery

IT技術の進歩に伴い、製造現場でも生産効率の向上を図るためIT化や自動化が進められています。機械加工工程そのものを自動化する最も自動化が進んでいる手法の一つが「CNC（コンピュータ数値制御）」です。CNCを搭載した工作機械は「CNC工作機械（CNC機）」と呼ばれ、工業部品製造などで使われています。CNCの利点は、安定した品質と高い安全性を持った製品を大量生産できることです。

次に、CNCの概要と用途、CNCのメリットとデメリット、CNCで実現できる加工方法などを紹介します。 

• CNCとは何ですか?

CNCとは「Computer Numerical Control」または「Computerized Numerical Control」の略で、コンピュータを使って工作機械を数値制御することです。プログラミングによって機械の動き（移動方向、移動速度、加工量など）を自動化することで、安全かつ効率的に高品質な製品を生産することができます。従来、フライス盤や旋盤などの設備は人の手によって操作されていました。しかし、この方法では「作業者によって加工製品の仕上がりに差が出る」「複雑な形状の加工ができない」「作業効率が上がらない」などの問題がありました。これらの問題は、デジタル制御によって機械の動きを自動化することで解決できます。現在では多くの工作機械でコンピュータ数値制御が導入されています。また、CNC工作機械にCADやCAMを組み合わせれば、設計から加工までをコンピュータ内で行うことができます。

CNC工作機械の用途:

CNC工作機械は、自動車、医療機器、航空機などの部品製造や金型加工など、さまざまな業界で広く使用されています。特に、自由曲面加工や3次元形状加工など、汎用工作機械（非CNC手動機械）では難しい精密加工に適しています。また、工作機械によっては、金属だけでなく、プラスチックや木材などの非金属も加工できるものもあります。

CNC と NC の違い:

CNCと似た言葉にNCがあります。NCは「Numerical Control（数値制御）」の略称で、CNCと違って「Computer（コンピュータ）」という言葉は入っていません。違いは何でしょうか？NCはトランジスタや演算回路などのハードウェアのみで工作機械の動作を制御する方法です。20世紀の50年代に開発された技術で、通常はデータ読み取り基板、演算基板、サーボ制御基板など複数の基板の組み合わせで制御されます。これに対しCNCはNCの制御機構をコンピュータ（マイコン）に置き換えます。専用のプログラミング言語を使って機械の動作をソフトウェアで制御します。ただし、近年ではNC装置にコンピュータが搭載される例も多く、NCとCNCの違いは徐々に縮まってきています。

CNCの使い方:

CNCを使用して材料を加工する場合、大まかに以下の手順で作業が行われます。

• 3D CADを使用して製品の3Dデータを作成します
• CAMでNCプログラムデータを作成する
• 必要なツールを準備し、ツールホルダーに固定します
• 加工テーブルに材料を設置する
• 処理を開始

CADは3Dデータを作成するツールですが、CAMはCADで作成した3Dデータを元にNCプログラムを作成するアプリケーションです。NCプログラムとは、工具の速度や種類、工具交換時間、工具の軌跡などをプログラム形式で記述した制御の一種です。CAMを使用すれば、工具や加工条件を入力するだけでNCプログラムを自動作成できます。プログラミングの知識がなくても、CAMを使用すればNCプログラムを作成し、CNC加工作業を行うことができます。

• CNCの特徴

次にCNCのメリットとデメリットを紹介します。

• CNCの利点

一貫した品質:

作業者が手動で機械を操作すると、製品の仕上がりにばらつきが生じることがあります。例えば、作業者のスキルや熟練度によって製品のサイズや状態が変わったり、作業者が機械を誤って操作して廃棄品が出たりすることがあります。CNC工作機械はプログラムに従って自動的に加工するため、比較的安定した製品品質が得られます。大量生産に適しており、コスト削減に役立ちます。CNC機械は数値制御によって自動的に加工されるため、ワークの無駄な動きが減り、作業者が手動で操作するよりも速く加工できる場合が多くあります。1個あたりの加工時間が短く、同じ製品を効率よく大量に生産できるのが利点です。

また、CNC工作機械の稼働時には監視装置が1台あればよく、1人の作業者が複数台の機械の加工作業を担当することができます。しかも、監視も行わずに完全無人化が可能です。より少ない作業者でより多くの製品を生産することが可能となり、生産性の向上と人件費の削減につながります。 

高い安全性：

CNC 工作機械は、作業者が機械の近くにいなくても自動で加工ができるため、機械に巻き込まれたり、切りくずが飛び散って怪我をするリスクが少ないという利点があります。しかし、機械の仕様に合わないワーク（例：機械の加工範囲を超えるほど長い棒状の材料）に使用すると、重大な怪我を負う可能性があるため、操作時には機械の動作条件を慎重に確認する必要があります。ATC 機能と組み合わせると、工具交換も自動化できます。ATC とは Automatic Tool Changer の略で、CNC 加工時に工具を自動で交換する装置のことです。あらかじめ設定された工具（フライスやドリルなど）を NC プログラミングに従って自動的に交換し、加工します。このような装置と組み合わせると、機械を止めたり、作業者が工具を交換したり、別の機械で工程管理したりすることなく、自動的に加工を続けることができます。同時に、自動工具交換により作業時間を短縮し、効率的な加工を実現することもできます。

• CNCの欠点

エクスペ装備:

CNC工作機械は、手作業による加工操作の構造に加え、デジタル制御用のコンピューターとソフトウェアが搭載されているため、従来の汎用工作機械に比べてはるかに高価で、導入コストが高いのが欠点です。 

また、場合によっては別途CAMを用意する必要があるため、投資に見合うだけの価値があると判断された場合にのみ導入を検討してください。 

加工前のさらなる準備:

CNC 工作機械を自動加工作業に利用する場合、「NC プログラム作成の知識習得」「NC プログラムの作成と入力」「材料の位置決め」「材料の試し切り」など、多くの準備作業が必要です。従来の汎用機よりも準備作業が多いため、最初の部品を加工するまでに多くの準備時間が必要です。自動加工による効率性と、必要な準備作業の多さを考慮して、総作業時間を見積もる必要があります。

• CNC加工

世の中には多種多様なCNC工作機械があります。NC工作機械は起動するとプログラムに従って自動で加工を行います。作業員がいない夜間や早朝でも加工ができるため、作業効率や生産性が向上します。また、手作業では難しい3次元形状を高精度に加工することもできます。以下にいくつか例を挙げます。

CNCフライス盤:

フライス盤にCNC機能を搭載した装置を「CNCフライス盤」といいます。CNCフライス盤では、フライス加工（回転工具で固定された工作物を切削する方法）を自動化することができます。

CNC旋盤:

CNC旋盤は、旋盤加工（回転する工作物を固定された工具で切削する方法）を自動化する装置です。セグメント化されたシャフトなどの自動加工が可能です。0.001mm単位で加工できる装置もあります。

CNC研削盤:

CNC研削盤は、研削加工（高速回転する砥石で工作物の表面を削る加工方法）を自動化する装置です。砥石の自動交換や、研削範囲の自動制御が可能です。

マシニングセンター:

マシニングセンターもCNCの一種です。CNC加工機において、ATCとは「ボーリング、フライス加工、穴あけ、ねじ切り、仕上げなどの複数の加工工程を、同じ機械で連続的に行うこと」と定義されています。大きさ、形状、可動軸数などによってさまざまな種類に分かれています。

その他のCNC加工機:

光エネルギーの溶解原理を利用した「CNCレーザー加工機」や高圧ウォータージェット切断の原理を利用した「CNCウォーター切断機」もCNC工作機械の一種です。

• まとめ

「CNC（コンピュータ数値制御）」とは、工作機械をコンピュータで自動操作することです。移動方向、移動速度、加工量をプログラムし、移動方向を機械に反映させ、高精度にデジタル制御します。CNC機能を備えた工作機械は「CNCマシン」と呼ばれ、自動車や医療機器など、多くの製造分野で広く使用されています。CNCマシンを使用すると、高品質の製品を安定して大量生産できます。利点は、作業員が近くにいる必要がないため、怪我や事故を減らすことができます。ただし、欠点は、設備が高価で、加工前の準備が多いことです。CNC工作機械は、加工効率と安全性の向上に大きな役割を果たします。長所と短所を比較検討した上で、一般的な工作機械とどのように選択するかを分析する必要があります。-END-