ノースカロライナ州
(Numerical Control、デジタル制御、数値制御と呼ばれる) は、機械やその他の装置の動作を制御するための離散デジタル情報の使用を指し、オペレーター自身によってのみプログラムすることができます。
ティッカー
CNC技術の応用
CNC 技術の発展は非常に早く、これにより金型加工の生産性が大幅に向上し、より高速な動作速度を備えた CPU が CNC 技術開発の核となっています。 CPUの向上は計算速度の向上だけではなく、速度そのものの他の面でのCNC技術の向上も伴います。 近年の CNC 技術の大きな変化だからこそ、金型製造業界における CNC 技術の現在の応用を見直すことは価値のあることです。
写真
プログラムブロックの処理時間など CPUの処理速度の向上と、CNCメーカーによる高集積CNCシステムへの高速CPUの適用により、CNCの性能は大幅に向上しました。 より高速で応答性の高いシステムにより、単にプログラムの処理速度が向上するだけではありません。 実際、パート プログラムをかなり高速で処理できるシステムは、低速処理システムのように動作する可能性があります。これは、完全に機能する CNC システムであっても、処理速度を制限するボトルネックとなる可能性のある潜在的な問題がいくつかあるためです。
現在、ほとんどの金型工場では、高速加工には加工プログラムの処理時間の短縮だけでは不十分であることが認識されています。 多くの点で、この状況はレースカーの運転と似ています。 常に速い車がレースに勝つのでしょうか? たまに観戦する人でも、レースの結果にはスピード以外にも多くの要素が影響することを知っています。
まず第一に、ドライバーのトラックに関する知識は非常に重要です。ドライバーは、コーナーを安全かつ効率的に通過するために適切に速度を落とすことができるように、どこに急カーブがあるかを把握する必要があります。 高送りで金型を加工する過程において、CNCで加工する軌跡モニタリング技術は急カーブの情報を事前に取得することができ、この機能も同様の役割を果たします。
同様に、他のドライバーの行動や不確実性に対するドライバーの感度は、CNC のサーボ フィードバックの数に似ています。 CNC におけるサーボ フィードバックには、主に位置フィードバック、速度フィードバック、電流フィードバックが含まれます。
ドライバーがサーキットを走行するとき、動作の一貫性、ブレーキとアクセルを上手に操作できるかどうかなどが、ドライバーのその場でのパフォーマンスに非常に重要な影響を与えます。 同様に、CNC システムのベル型加減速機能とトラックからプロセスまでの監視機能は、急激な速度変化ではなくゆっくりとした加減速を使用して、工作機械のスムーズな加速を保証します。
それ以外にも、レーシング カーと CNC システムの間には類似点があります。 レーシングカーのエンジンの出力はCNCの駆動装置とモーターに似ており、レーシングカーの重量は工作機械の可動部品の重量に匹敵し、レーシングカーの剛性と強度は工作機械の強度と剛性に似ています。 特定の経路エラーを修正する CNC の能力は、車を車線内に維持するドライバーの能力と非常に似ています。
現在の CNC と似たもう 1 つの状況は、最速ではない車には多才なドライバーが必要な場合が多いということです。 これまで、高速切削時の高い加工精度を保証できるのはハイエンド CNC のみでした。 現在、ミッドレンジおよびローエンドの CNC は、十分な作業を行う能力を備えています。 ハイエンド CNC は現在入手可能な最高のパフォーマンスを備えていますが、使用しているローエンド CNC が同クラスのハイエンド CNC と同じ処理特性を備えている可能性もあります。 かつては金型加工の最大送り速度を制限する要因はCNCでしたが、現在では工作機械の機械構造が要因となっています。 工作機械がすでに性能の限界に達している場合、より優れた CNC を使用してもそれ以上向上することはありません。
CNCシステムの本質的特性
以下は、現在の金型加工プロセスにおける基本的な CNC 特性の一部です。
1. 曲線と曲面の不均一有理 B スプライン (NURBS) 補間
この手法では、一連の短い直線を曲線に合わせるのではなく、曲線に沿った補間を使用します。 このテクノロジーの応用は非常に一般的です。 ツーリング業界で現在使用されている CAM ソフトウェアの多くは、NURBS 補間形式でパーツ プログラムを生成するオプションを提供しています。 同時に、強力な CNC は 5 軸補間機能と関連機能も提供します。 これらの特性により、表面仕上げの品質が向上し、モーター動作の滑らかさが向上し、切削速度が向上し、より小さなパーツ プログラムが可能になります。
2. 命令ユニットの小型化
ほとんどの CNC システムは、動作および位置決めコマンドを 1 ミクロン以上の単位で工作機械のスピンドルに送信します。 CPU の処理能力向上の利点を最大限に活用すると、一部の CNC システムの最小命令単位は 1 ナノメートル (0.000001mm) に達することもあります。 指令単位が1000倍になると、より高い加工精度が得られ、モーターの回転がよりスムーズになります。 モーターのスムーズな動作により、一部の工作機械はベッドの振動を増大させることなく、より高い加速度で動作することができます。
3. ベルカーブ加減速
S字加減速、クリープ制御とも呼ばれます。 線形加速方法を使用する場合と比較して、この方法は工作機械に優れた加速効果を得ることができます。 ベルカーブ法は、線形法や指数関数法などの他の加速法と比較して、位置決め誤差が小さくなります。
4. 処理対象のトラックモニタリング
この手法は広く使用されており、低レベルの制御システムでの動作と高レベルの制御システムでの動作を区別する多数のパフォーマンス上の違いがあります。 一般に、CNC は、より適切な加減速制御を保証するために、処理軌跡を監視することによってプログラムの前処理を実現します。 CNC の性能に応じて、処理対象の軌跡を監視するために必要なプログラム ブロックの数は 2 から数百まで異なります。これは主にパート プログラムの最短処理時間と加減速の時定数によって決まります。 一般に、処理要件を満たすためには、少なくとも 15 個のトラック監視プログラム ブロックの処理が必要です。
5. デジタルサーボ制御
デジタルサーボシステムの開発は急速に進んでおり、ほとんどの工作機械メーカーが工作機械のサーボ制御システムとしてこのシステムを選択しています。 このシステムの使用後、CNC はサーボ システムをよりタイムリーに制御できるようになり、CNC による工作機械の制御がより正確になりました。
デジタルサーボシステムの役割は次のとおりです。
1) 電流ループのサンプリング速度が向上し、電流ループ制御の改善と合わせてモーターの温度上昇が低減されます。 これにより、モーターの寿命を延ばすことができるだけでなく、ボールねじに伝わる熱を低減し、ねじの精度を向上させることができます。 さらに、サンプリング速度が速くなると、速度ループのゲインも増加するため、工作機械の全体的なパフォーマンスの向上に役立ちます。
2) 多くの新しい CNC は高速シーケンスを使用してサーボ ループに接続するため、通信リンクを通じて CNC はモーターとドライブのより多くの動作情報を取得できます。 これにより、工作機械のメンテナンス性が向上します。
3) 連続位置フィードバックにより、高送り速度での高精度加工が可能です。 CNCの動作速度の高速化により、位置フィードバックの速度が工作機械の動作速度を制限するボトルネックとなっています。 従来のフィードバック方式では、CNCや電子機器の外部エンコーダのサンプリング速度が変化するため、信号の種類によってフィードバック速度が制限されます。 シリアルフィードバックを使用すると、この問題はうまく解決されます。 工作機械の高速回転時でも高度なフィードバック精度を実現します。
6. リニアモーター
近年、リニアモータの性能と普及が著しく向上し、多くのマシニングセンタに採用されています。 これまでに、ファナックは少なくとも 1,000 台のリニア モーターを設置しました。 GE ファナックのいくつかの先進技術により、工作機械のリニア モーターは最大出力 15,500N、最大加速度 30g を実現できます。 その他の先進技術の適用により、工作機械の小型化、軽量化、冷却効率の大幅な向上を実現しました。 これらすべての技術の進歩により、リニア モーターには回転モーターよりも多くの利点がもたらされます。 より正確な位置決め制御、より高い剛性。 より高い信頼性。 内部ダイナミックブレーキ。
外部追加機能: オープン CNC システム
オープン CNC システムを使用する工作機械は非常に急速に発展しています。 現在、代替通信システムの通信速度は比較的高速であるため、多くの種類のオープン CNC 構造が存在します。 ほとんどのオープン システムは、標準 PC のオープン性と従来の CNC の機能を組み合わせています。 この最大の利点は、工作機械のハードウェアが古くても、オープン CNC では既存のテクノロジーや処理要件に応じてパフォーマンスを変更できることです。 他のソフトウェアを使用して、Open CNC に機能を追加することもできます。 これらの特性は、金型加工に密接に関係している場合もあれば、金型加工とはほとんど関係がない場合もあります。 通常、金型工場で使用されるオープン CNC システムには、次の一般的な機能オプションがあります。
安価なネットワーク通信。
イーサネット;
適応制御機能;
バーコード リーダー、ツール シリアル番号リーダー、および/またはパレット シリアル番号システムで使用できるインターフェイス。
多数のパート プログラムを保存および編集する機能。
ストアド プログラムは情報の収集を制御します。
ファイル処理機能。
CAD/CAMテクノロジーとワークショッププランニングの統合。
共通の操作インターフェース。
この最後の点は非常に重要です。 金型加工においては操作性の良いCNCの需要が高まっているためです。 この概念において最も重要なことは、異なる CNC が同じオペレーター インターフェイスを備えているということです。 原則として、異なる種類の工作機械や異なるメーカーの機械は異なる CNC インターフェイスを使用するため、異なる工作機械のオペレータは個別にトレーニングを受ける必要があります。 オープン CNC システムは、作業現場全体で同じ CNC 制御インターフェイスを使用する機会を生み出します。
工作機械の所有者は、C 言語を知らなくても、CNC 操作用の独自のインターフェイスを設計できるようになりました。 さらに、オープンシステムコントローラーにより、個々のニーズに応じてさまざまな機械動作モードを設定できます。 このようにして、オペレーター、プログラマー、および保守担当者は、独自の要件に従ってセットアップできます。 使用中は、必要な特定の情報のみが画面に表示されます。 この方法を使用すると、無駄なページ表示が減り、CNCの操作が簡単になります。
5軸加工
複雑な金型を作成するプロセスでは、5 軸加工の適用がますます普及しています。 5 軸加工を使用すると、部品の加工に必要なツーリングや工作機械の数が減り、加工プロセスに必要な機器の数が最小限に抑えられ、総加工時間も短縮されます。 CNC はますます強力になり、CNC メーカーはより多くの 5 軸機能を提供できるようになりました。
これまでハイエンドCNCのみに搭載されていた機能が、ミッドレンジ製品にも搭載されています。 これまで 5- 軸加工技術を使用したことのないメーカーにとって、これらの機能を適用すると、5- 軸加工が容易になります。 現在の CNC テクノロジーを 5 軸加工に使用すると、5 軸加工には次のような利点があります。
特殊なツールの必要性を軽減します。
パーツ プログラムの完了後にツールのオフセットを設定することができます。
一般的なプログラムの設計をサポートし、後処理されたプログラムを異なる工作機械間で互換的に使用できるようにします。
仕上げの品質を向上させます。
さまざまな構造の工作機械に使用できるため、プログラム上で主軸とワークのどちらが中心点を中心に回転するかを指定する必要がありません。 それはCNCパラメータによって解決されるからです。
球面フライスの補正の例を使用して、5 軸が金型加工に特に適している理由を説明できます。 部品や工具がピボット軸を中心に回転する場合、球面フライスのオフセットを正確に補正するために、CNC は工具の補正量を X、Y、Z の 3 方向に動的に調整できなければなりません。工具の刃先の連続性を確保することは、仕上げ品質の向上につながります。
さらに、5 軸 CNC は、スピンドルを中心とした工具の回転に関連した機能、スピンドルを中心とした部品の回転に関連した機能、およびオペレータが工具ベクトルを手動で変更できるようにする機能にも役立ちます。
工具の中心軸を回転軸とした場合、元の工具長さの Z 軸方向のオフセットは X、Y、Z 方向の 3 つの成分に分割されます。 さらに、X および Y 軸方向の元の工具径オフセットも X、Y、Z 軸方向の 3 つの成分に分割されます。 切削工学では、工具を回転軸に沿って送ることができるため、継続的に変化する工具の向きを考慮して、これらすべてのオフセットを動的に更新する必要があります。
「工具中心点プログラミング」と呼ばれる CNC のもう 1 つの機能により、プログラマは工具の経路と中心点の速度を定義できます。 CNC は、回転軸と直線軸の方向のコマンドを通じて、ツールがプログラムに従って動作することを保証します。 この機能により、工具を交換しても工具の中心点が変化しなくなります。これは、5 軸加工でも 3 軸加工と同様に工具のオフセットを直接入力でき、工具の中心点を変更することができることを意味します。工具の長さは、ポストプログラミングを再度行うことによっても説明できます。 スピンドルの回転による回転軸の運動学により、工具プログラミングの後処理が簡素化されます。
工作機械も同様の機能を利用して、中心軸を中心にワークを回転させることで回転運動を得ることができます。 新開発のCNCは、固定オフセットを動的に調整し、座標軸を回転させることで部品の動きに合わせることができます。 CNC システムは、オペレータが工作機械の低速送りを手動で実行する場合にも重要な役割を果たします。 また、新しく開発された CNC システムでは、工具ベクトルの方向に沿って軸をゆっくりと移動させることができ、また、工具先端の位置を変更せずに工具先端ベクトルの方向を変更することもできます (上の図を参照)。
これらの機能により、オペレータは 5 軸加工ツールを使用する際に、金型業界で広く使用されている 3 プラス 2 プログラミング方法を簡単に使用できるようになります。 しかし、新しい 5 軸加工機能が徐々に開発され、受け入れられるようになると、真の 5 軸金型製造機がより一般的になる可能性があります。
