ノースカロライナ州
(数値制御、CNC と呼ばれる) は、機械やその他のデバイスの動作を制御するための個別の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。
コンピューター数値制御(CN
CNC技術の応用
CNC技術の発展は非常に早く、金型加工の生産性は大幅に向上しました。 中でも、より高速な演算速度を備えたCPUはCNC技術開発の核となります。 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、CNC 技術は大きな変化を遂げてきましたが、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価値があります。
プログラムブロックの処理時間など CPU の処理速度が向上し、CNC メーカーが高速 CPU を高度に統合された CNC システムに適用するにつれて、CNC のパフォーマンスが大幅に向上しました。 より応答性の高いシステムは、プログラムの処理速度の向上だけではありません。 実際、パーツ プログラムを比較的高速で処理できるシステムは、低速な処理システムのように動作する場合もあります。これは、完全に機能する CNC システムであっても、制限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。 処理速度のボトルネック。
現在、ほとんどの金型工場は、高速加工には単に加工プログラムの処理時間が短いだけではないことを認識しています。 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? 自動車レースを時々観戦する人でも、レースの結果に影響を与える要因はスピード以外にもたくさんあ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が重要です。ドライバーは、適切に速度を落とし、安全かつ効率的にカーブを通過するために、急カーブがどこにあるのかを知らなければなりません。 高速送りで金型を加工する過程において、CNCで加工する軌跡監視技術は、急な曲線の出現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、他のドライバーの動きや不確実性に対するドライバーの応答性は、CNC のサーボ フィードバックの量に似ています。 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、動きの一貫性やブレーキと加速を上手に行えるかどうかは、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や加工軌跡監視機能も、急激な速度変化ではなくゆっくりとした加減速を行うことで工作機械のスムーズな加速を実現します。
さらに、レーシング カーと CNC システムの間には他にも類似点があります。 レーシングエンジンのパワーはCNC駆動装置とモーターと同等です。 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ます。 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。 経路固有のエラーを修正する 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よく似ています。
現在の CNC と似たもう 1 つの状況は、最速ではないレーシング カーには総合的なスキルを備えた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、高速切削しながら高い加工精度を確保できるのはハイエンド CNC のみでした。 現在、中級および低級の CNC は、十分な作業を行うための機能を備えています。 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、使用するローエンド CNC が類似製品のハイエンド 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、CNC を改良してもそれ以上性能が向上することはありません。 画像 CNC システムの固有の特性
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. 曲面の不均一有理 B スプライン (NURBS) 補間
このテクノロジーでは、一連の短い直線を使用して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かなり一般的になりました。 金型業界で現在使用されている多くの CAM ソフトウェアには、NURBS 補間形式でパーツ プログラムを生成するオプションが用意されています。 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、モーターの動作がよりスムーズになり、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、動作と位置決めの命令を 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 処理能力の向上を最大限に活用した後、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、モーターがよりスムーズに回転するようになります。 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、クロール制御とも呼ばれます。 この方法は直線加速方法と比較して、工作機械のより良い加速効果を実現できます。 線形法や指数関数法などの他の加速法と比較して、釣鐘曲線法は位置決め誤差を小さくすることができます。
4. 処理対象トラックのモニタリング
このテクノロジーは広く使用されており、ローエンド制御システムでの動作方法とハイエンド制御システムでの動作方法を区別する多数のパフォーマンスの違いがあります。 一般に、CNC は、より適切な加減速制御を確保するために、加工軌跡の監視を通じてプログラムの前処理を実装します。 各種 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 ブロック数は 2 ～ 100 個となります。これは主にパート プログラムの最小処理時間と加減速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 個の軌跡監視プログラム ブロックの処理が必要となります。
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もより正確になります。
デジタルサーボシステムの機能は次のとおりです。
1) 電流ループ制御の改善と合わせて、電流ループのサンプリング速度が向上し、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、サンプリング速度を増加すると、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) 新しい CNC の多くは高速シーケンスを使用してサーボ ループに接続しているため、CNC は通信リンクを通じてモーターと駆動デバイスに関する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、高速・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。 工作機械が非常に高速で動作している場合でも、正確なフィードバック精度が実現されます。
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。 現在までに、ファナックは少なくとも 1,000 台のリニア モーターを設置しています。 GE ファナックの先進技術の一部により、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、工作機械のサイズと重量が削減され、冷却効率が大幅に向上しました。 これらすべての技術的進歩により、リニア モーターには回転モーターよりも大きな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動作。
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急速に発展しています。 現在利用可能な通信システムの通信速度は比較的高速であるため、さまざまなタイプのオープン CNC 構造が出現しています。 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、たとえ工作機械のハードウェアが時代遅れになったとしても、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利用して、Open CNC に他の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連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、次の共通の機能オプションがあります。
安価なオンライン通信。
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用のインターフェイス。
多数のパート プログラムを保存および編集する機能。
保存されたプログラム制御情報の収集。
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。
ユニバーサルな操作インターフェイス。
この最後の点は非常に重要です。 金型加工において操作が簡単な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 が同じ操作インターフェイスを備えているということです。 一般に、異なる種類の工作機械や異なるメーカーが製造した工作機械は異なる 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 システムにより、ショップ全体が同じ CNC 制御インターフェイスを使用できるようになります。
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。 これにより、オペレータ、プログラマ、保守担当者は、独自の要件に従って設定を行うことができます。 使用中は、必要な特定の情報のみが画面に表示されます。 この方法を採用することで、無駄なページ表示を削減し、CNCの操作を簡素化することができます。
5軸加工
複雑な金型の製造プロセスでは、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を減らすことができます。 加工プロセスに必要な設備の数が最小限に抑えられ、総加工時間も短縮されます。 CNC の機能はますます向上しており、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でしか利用できなかった機能が、ミッドレンジ製品にも採用されるようになりました。 これまで 5 軸加工技術を使用したことがないメーカーでも、これらの機能を適用することで 5 軸加工が容易になります。 現在の CNC テクノロジーを 5 軸加工に適用すると、5 軸加工には次の利点が得られます。
特別なツールの必要性を減らします。
パーツ プログラムの完了後にツール オフセットを設定できます。
後処理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、ユニバーサル プログラムの設計をサポートします。
仕上げの品質を向上させます。
異なる構造の工作機械にも使用できるため、主軸が中心点を中心に回転するのか、ワークが回転するのかをプログラム上で指定する必要がありません。 これはCNCのパラメータによって解決されるためです。
ボール ミーリング カッター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。 部品と工具が中心ピボット軸の周りを回転するときに球面フライスのオフセットを正確に補正するには、CNC が工具の補正量を X、Y、Z 方向に動的に調整できなければなりません。 工具の切削接触点の連続性を確保することは、仕上げ品質の向上に役立ちます。
さらに、5 軸 CNC の用途には、スピンドルを中心とした工具の回転に関連する機能、スピンドルを中心とした部品の回転に関連する機能、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が含まれます。
工具の中心軸を回転軸とした場合、元の工具長の Z 軸方向オフセットは X、Y、Z 方向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、工具が回転軸の方向に沿って送り動作を行う可能性があるため、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」と呼ばれるもう 1 つの CNC 機能を使用すると、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、工具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、工具の交換に伴う工具の中心点の変化を防ぎます。 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、別のポストプログラムを通じて説明できることも意味します。 工具の長さの変更。 スピンドルを回転させて運動軸を実現するこの機能により、ツールプログラミングの後処理が簡素化されます。
同じ機能を使用して、工作機械は中心ピボット軸の周りでワークピースを回転させることによって回転運動を取得することもできます。 新開発の CNC は、部品の動きに合わせて固定オフセットと回転座標軸を動的に調整できます。 オペレータが手動方法を使用して工作機械の低速送りを実現する場合、CNC システムも重要な役割を果たします。 また、新開発の CNC システムでは、軸を工具ベクトルの方向にゆっくりと送り、工具先端の位置を変え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 (上図を参照)。
これらの機能により、オペレータは 5 軸工作機械を使用する際に、金型業界で現在広く使用されている 3+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 軸金型加工機がより一般的になる可能性があります。
