NC旋盤
NC旋盤の主な機能と特徴は以下の通りです。
自動化: NC旋盤は数値制御によって自動的に加工を行います。事前に設定した加工手順やバイトの使い分けに基づいて、高度な自動加工が可能です。作業者が付きっきりで操作する必要がなくなるため、一人で複数台の機械を管理できます。
高精度: NC旋盤は横や縦、高さの座標軸を通じて切り込み位置を制御できます。そのため、加工物の材質や形状に応じて、回転速度や刃物の送り速度を制御し、高精度な加工を実現します。加工位置の正確さは、0.001mmの単位まで可能です。
加工の多様性: NC旋盤は、基本の旋削加工のほかにも穴開け、中ぐり、溝加工、ねじ切りなど、さまざまな加工が可能です。バイトの使い分けによって、多彩な形状を作り出すことができます。
柔軟性: NC旋盤は加工物の材質や形状に応じて、加工条件を柔軟に変更することができます。加工物ごとに最適な回転速度や送り速度を設定することで、効率的な加工を行います。
タレット機能: 主流となっているNC旋盤には、タレットと呼ばれる回転装置があります。タレットには複数のバイトを取り付けておき、加工物を固定したまま異なるバイトによる加工を連続して行うことができます。これにより、加工の効率性が向上し、作業時間の短縮が図れます。
NC旋盤の利点は、高い加工精度と再現性、生産性の向上、作業者の負担軽減、加工の多様性と柔軟性、自動化や効率化などです。これらの特徴と種類によって、さまざまな産業や部品製造業界で広く使用されています。
NC旋盤の構造
主軸（スピンドル）
モータ
加工の高能率化要求や高品位化要求の高まりから、NC旋盤のスピンドルは「ACモータのインバータ制御」か「ACサーボモータ」が採用されています。
インバータとは、AC（交流）モータに供給する電力の周波数を制御することにより、モータの回転速度を制御する機器です。
インバータがないと、電源の入ったACモータはフルスピードで動くため、速度が制御できず、モータの用途は限られてしまいます。インバータを使ってACモータの速度と加速度を調整することで、速度が一定のモータと比較して、用途の幅が広がります。
インバータは交流電源の周波数、電圧を自由に設定・変更が可能です。インバータはこの特長を使うことで、自由にモータの回転数やトルクを制御します。
周波数・電源を自由に設定できる制御をPWM（パルス幅変調）制御といいます。インバータは、交流の入力電源を一度直流電源に変換し、その変換した直流電源からPWM制御を使って、再度交流電源を作っています。このとき、インバータはパルス状の電圧を出力しますが、このパルスがモータコイルで平滑され、正弦波の電流がモータに流れることでモータの回転数やトルクを制御しています。
参考：インバータ 用語解説
ACサーボモータは三相交流電流の回転磁界によって回転します。モータは磁界の位置関係を知るためにエンコーダを利用しています。エンコーダには、ゼロマーカというゼロ信号を検出するスリットと、パルス検出用のスリットが付いています。エンコーダからの信号によって、ドライバはモータを制御しています。
サーボモータの制御の仕組み
サーボモータの制御は、フィードバック制御と呼ばれる制御方式を使用して行われるものが多いです。
制御の仕組みは以下のようになります。
- 目標値の設定: サーボモータの制御では、まず目標値を設定します。
- フィードバックセンサの利用: サーボモータは内部にフィードバックセンサ（エンコーダやホールセンサなど）を搭載しています。フィードバックセンサは、モータの現在の状態を検出し、制御系にフィードバック情報として提供します。
- 偏差の計算: 制御系は、目標値とフィードバック情報との差を計算して、制御対象との偏差（エラー）を求めます。偏差は制御系の入力となります。
- 制御信号の生成: 制御系は偏差を基に制御信号を生成します。制御信号は通常、パルス幅変調（PWM）信号として表現されます。パルスの幅や周波数によって制御信号の性質が変化し、モータの回転速度や位置を制御します。
- 制御信号の応用: 生成された制御信号はサーボモータに供給されます。サーボモータは制御信号に応じて回転運動を制御します。フィードバックセンサからの情報と比較しながら制御信号を調整し、目標値に近づけるようにモータを制御します。
軸受
主軸の軸受けはNC旋盤の性能を支配する主要な部分で、回転精度、剛性、熱的安定性が求められます。工作機械の主軸の軸受には低回転高回転に対応し、回転精度が高く、保守・組立てが簡便であることから「ころがり軸受」がよく用いられています。ころがり軸受けは、主に摩擦を減らすことで回転抵抗を低減し、摩耗や熱の発生を軽減する目的で使用されます。回転部品と支持部品の間にはころがり要素が配置され、回転時にころがり要素が軸受けの内側面や外側面と接触しながら回転します。
旋盤の主軸の剛性は主軸を支える軸受けの剛性に依存します。
参考：転がり軸受、旋盤主軸用ULTAGE精密転がり軸受（動画）
往復台
案内機構
NC旋盤の往復台の摺動面の機構には①すべり案内機構と②転がり案内の2種類があります。
すべり案内は摺動面同士が油膜を介して接触しているもので、摺動面積が大きく、剛性が高いこと、切削抵抗などの摺動の減衰性が高いことが利点です。
一方、転がり案内は摺動機構にリニアガイドやローガイドを使用したもので、転動体によるころがりによって運動するため、摺動抵抗が小さく、応答性・動作性に優れることが利点です。しかし、駆動部と案内部は点や線接触で接触面積が小さいため剛性が低く、振動の減衰性が低いことが欠点です。
NC制御
NC旋盤のNC制御は、コンピュータ（制御装置）を使用して旋盤の動作を制御する技術です。以下にNC制御の概要と基本的な要素について説明します。
NC制御の概要: NC制御は、加工操作を自動化し、旋盤を正確に制御するために使用されます。従来の手動操作に比べて高い精度と生産性を実現することができます。NC制御では、加工プログラムを作成し、制御装置に入力して旋盤の動作を指示します。制御装置は、モータや駆動系を制御して、工具の移動、回転速度、送り速度などを制御します。
NC制御の要素: NC制御にはいくつかの要素が含まれます。
制御装置（コンピュータ）: NC制御を担当するコンピュータや制御装置です。加工プログラムを実行し、モータや駆動系を制御します。
加工プログラム: 加工操作を指示するためのプログラムです。GコードやMコードと呼ばれるコマンドを使用して工具の移動、回転速度、送り速度などを指定します。
駆動系: 旋盤の動作を制御するための駆動装置です。モータやボールスクリュー、ベルトなどが使用され、工具の移動や回転速度、送り速度などを制御します。
センサーとフィードバック制御: 旋盤の状態をモニタリングするためのセンサーが使用されます。センサーからのフィードバック情報を制御装置に送り、制御装置は必要に応じて制御信号を調整して旋盤の動作を制御します。
NC制御の利点: NC制御を使用すると、以下のような利点があります。
高い精度: NC制御により、加工操作の精度が向上し、高品質な部品を生産することができます。
自動化: NC制御により、加工操作を自動化することができます。これにより、労力と時間を節約できます。
繰り返し性: 加工プログラムを使用するため、同じ操作を繰り返し実行することが容易です。これにより、一貫性のある製品を生産することができます。
複雑な操作の実現: NC制御は、複雑な形状や加工パターンを容易に実現することができます。加工プログラムを作成することで、細かい動作指示や複数の軸の同時制御が可能です。
生産性の向上: NC制御により、旋盤の動作を高速化することができます。高速かつ正確な動作により、生産性が向上します。
柔軟性: 加工プログラムを変更することで、異なる形状や加工要件に対応することができます。旋盤の再設定や工具の交換など、柔軟な生産切り替えが可能です。
NC制御は、製造業界において旋盤の自動化と効率化に重要な役割を果たしています。精度の向上、生産性の向上、柔軟性の確保などの利点を提供し、高品質な部品の製造を支援します。
NC旋盤の座標軸
座標軸（XYZ軸）：
X軸: X軸は旋盤の主軸（スピンドル）の回転軸に直行し、工作物の円周方向に延びる軸。
Y軸: Y軸は一般的なNC旋盤では使用されないことがあります。一部の特殊な旋盤では、Y軸が追加され、主軸（X軸）に対して垂直に移動することができます。上下方向の移動を制御します。
Z軸: Z軸は旋盤のスライド台（往復台）の移動軸に対応しており、Z軸はワークの軸方向に延びる軸です。
回転軸（ABC軸）：
A軸: A軸は主軸（X軸）を基軸とする回転軸です。
B軸: B軸はY軸を基軸とする回転軸です。
C軸: C軸はZ軸を基軸とする回転軸です。
座標系
機械座標（Machine Coordinate）: 機械座標はNC工作機械の固有の座標系です。NC旋盤では作業者からみると右奥が機械原点となり、座標は0になります
ワーク座標（Work Coordinate）: ワーク座標は、設定したワーク座標系を原点とした座標系です。加工原点として使用されます。ワーク座標を使用するためには、事前に機械座標をワーク座標系に入力しておきます。プログラムの中で、使用するワーク座標系を設定すると、ワーク座標系の原点（X0、Z0）として入力されている機械座標が使用されます。NC旋盤では通常、工作物の端面中心にします。
相対座標（Relative Coordinate）: 相対座標はオペレータが自由に変更できる座標系であり、主に確認用に使用されます。
インクレメンタル（Incremental）とアブソリュート（Absolute）
インクレメンタル（Incremental）とアブソリュート（Absolute）は、位置や数値を表現する方法の2つの異なるアプローチです。
インクレメンタル（Incremental）: インクレメンタルな位置指定は、前の位置からの相対的な変化を表現します。つまり、現在の位置からの移動量や変化量を示す方式です。例えば、”X+10″は現在の位置からX軸方向に正の方向に10単位だけ移動することを意味します。この方式では、現在の位置に基づいて移動を計算するため、移動先の絶対座標を示す必要はありません。
アブソリュート（Absolute）: アブソリュートな位置指定は、基準点からの絶対的な位置を表現します。つまり、絶対座標系において位置を指定する方式です。例えば、”X=50″はX軸方向の絶対位置が50単位であることを示します。この方式では、基準点からの位置を明確に指定するため、現在の位置に関係なく移動先の絶対座標を示すことができます。
これらの方法は、NC旋盤や他の数値制御システムで位置や動作を指定する際に使用されます。インクレメンタル方式は特に相対的な移動や複数の移動を組み合わせる際に便利です。一方、アブソリュート方式は特定の位置や点に正確に到達する必要がある場合に使用されます。どちらの方式を使用するかは、プログラムや操作の要件に基づいて決定されます。
NCプログラムの構成
- プログラム番号（Oコード）: プログラムの識別や管理を目的として使用される番号です。通常、”O”の後に数字が続き、プログラムの識別に使用されます。
- シーケンス番号（Nコード）と工程名：シーケンス番号は「N」で始まり、4桁の番号で指定されます。各工程を番号で表し、途中からスタートする際に区切りやすい目印として使用します。
- 準備機能の指令（Gコード）：加工工程開始前に必要な準備機能を指定します。代表的な準備機能として、早送り（G00）、刃先半径補正キャンセル（G40）、周速一定制御（G96またはG97）、毎回転送り（G99）があります。
- 送り機能の指令（Fコード）：切削工具の送り速度を指令します。
- 補助機能の指令（Mコード）：主軸の回転、停止、切削油剤の入切など主としてシーケンス制御を指令します。
- 使用する工具の指令（Tコード）：Tコードは使用する工具の刃物台の番号と工具補正を指令します。上2桁は刃物台の番号、下2桁は工具補正番号を指定します。
- 回転数の指令（Sコード）：周速一定制御の場合は周速（m/min）を指定し、回転数一定制御の場合は回転数（min-1）を指定します。
- エンド・オブ・ブロック（End of Block）: プログラムの1行分の終わりを示す記号で、セミコロン “;” が使用されます。エンド・オブ・ブロックは、1つのブロックの終了を示し、その後に新しいブロックが始まることを示します。
- モーダル指令（Modal Instruction）: モーダル指令は、一度設定されるとその効果が次のブロックにも継続する指令です。例えば、G90がモーダル指令であり、ワーク座標系をアブソリュートモードに設定します。モーダル指令は一度書けば、その後のブロックでも引き続き有効です。
- ワンショット指令（One-shot Instruction）: ワンショット指令は、一度だけ有効な指令であり、その指令のみが実行されます。
【FANUC Series 0 Gコード一覧】
| コード | グループ | 機能 |
|---|---|---|
| G00 | 01 | 位置決め |
| G01 | 01 | 直線補間 |
| G02 | 01 | 円弧補間/ヘリカル補間 CW |
| G03 | 01 | 円弧補間/ヘリカル補間 CCW |
| G04 | 00 | ドゥエル、イグザクトストップ |
| G05 | 00 | 高速サイクル加工 |
| G08 | 00 | 先行制御 |
| G09 | 00 | イグザクトストップ |
| G10 | 00 | データ設定 |
| G11 | 00 | データ設定モードキャンセル |
| G15 | 17 | 極座標指令キャンセル |
| G16 | 17 | 極座標指令 |
| G17 | 02 | XY平面 |
| G18 | 02 | ZX平面 |
| G19 | 02 | YZ平面 |
| G20 | 06 | インチ入力 |
| G21 | 06 | メトリック入力 |
| G22 | 04 | ストアードストロークチェックオン |
| G23 | 04 | ストアードストロークチェックオフ |
| G27 | 00 | リファレンス点復帰チェック |
| G28 | 00 | リファレンス点への自動復帰 |
| G29 | 00 | リファレンス点からの自動復帰 |
| G30 | 00 | 第2、第3、第4リファレンス点復帰 |
| G31 | 00 | スキップ機能 |
| G33 | 01 | ねじ切り |
| G37 | 00 | 工具長自動測定 |
| G39 | 00 | コーナオフセット円弧補間 |
| G40 | 07 | 工具径補正キャンセル |
| G41 | 07 | 工具径補正左 |
| G42 | 07 | 工具径補正右 |
| G43 | 08 | 工具長補正＋ |
| G44 | 08 | 工具長補正− |
| G45 | 00 | 工具位置オフセット 伸張 |
| G46 | 00 | 工具位置オフセット 縮小 |
| G47 | 00 | 工具位置オフセット 2倍伸張 |
| G48 | 00 | 工具位置オフセット 2倍縮小 |
| G49 | 08 | 工具長補正キャンセル |
| G50 | 11 | スケーリングキャンセル |
| G51 | 11 | スケーリング |
| G52 | 00 | ローカル座標系設定 |
| G53 | 00 | 機械座標系選択 |
| G54 | 14 | ワーク座標系1選択 |
| G55 | 14 | ワーク座標系2選択 |
| G56 | 14 | ワーク座標系3選択 |
| G57 | 14 | ワーク座標系4選択 |
| G58 | 14 | ワーク座標系5選択 |
| G59 | 14 | ワーク座標系6選択 |
| G60 | 00 | 一方向位置決め |
| G61 | 15 | イグザクトストップモード |
| G62 | 15 | 自動コーナオーバライドモード |
| G63 | 15 | タッピングモード |
| G64 | 15 | 切削モード |
| G65 | 00 | マクロ呼び出し |
| G66 | 12 | マクロモーダル呼び出し |
| G67 | 12 | マクロモーダル呼び出しキャンセル |
| G68 | 16 | 座標回転 |
| G69 | 16 | 座標回転キャンセル |
| G73 | 09 | ペックドリリングサイクル |
| G74 | 09 | 逆タッピングサイクル |
| G75 | 01 | プランジ研削サイクル（0-GSC） |
| G76 | 09 | ファインボーリングサイクル |
| G77 | 01 | プランジ直接定寸研削サイクル（0-GSC) |
| G78 | 01 | 連続送り平研削サイクル（0-GSC) |
| G79 | 01 | 間欠送り平研削サイクル（0-GSC) |
| G80 | 09 | 固定サイクルキャンセル/外部動作機能キャンセル |
| G81 | 09 | ドリルサイクル、スポットボーリング/外部動作機能 |
| G82 | 09 | ドリルサイクル、カウンターボーリングサイクル |
| G83 | 09 | ペックドリリングサイクル |
| G84 | 09 | タッピングサイクル |
| G85 | 09 | ボーリングサイクル |
| G86 | 09 | ボーリングサイクル |
| G87 | 09 | バックボーリングサイクル |
| G88 | 09 | ボーリングサイクル |
| G89 | 09 | ボーリングサイクル |
| G90 | 03 | アブソリュート指令 |
| G91 | 03 | インクレメンタル指令 |
| G92 | 00 | ワーク座標系の変更／主軸最高回転数クランプ |
| G94 | 05 | 毎分送り |
| G95 | 05 | 毎回転送り |
| G96 | 13 | 周速一定制御 |
| G97 | 13 | 周速一定制御キャンセル |
| G98 | 10 | 固定サイクルイニシャルレベル復帰 |
| G99 | 10 | 固定サイクルR点レベル復帰 |
| G107 | 00 | 円筒補間 |
| G150 | 19 | 法線方向制御キャンセルモード |
| G151 | 19 | 法線方向制御左側オン |
| G152 | 19 | 法線方向制御右側オン |
| G160 | 20 | インフィード制御機能キャンセル（0-GSC) |
| G161 | 20 | インフィード制御機能（0-GSC) |
【JIS 6315-2：2003 で規定されているMコード】
| コード | 機能 |
|---|---|
| M00 | プログラムストップ |
| M01 | オプショナルストップ |
| M02 | エンドオブプログラム |
| M03 | 主軸時計方向回転 ※1 |
| M04 | 主軸反時計方向回転 ※1 |
| M05 | 主軸停止 ※1 |
| M06 | 工具交換 |
| M07 | クーラント２ ※1 |
| M08 | クーラント１ ※1 |
| M09 | クーラント停止 ※1 |
| M10 | クランプ１ |
| M11 | アンクランプ１ |
| M13 | 主軸時計方向回転及びクーラント ※1 |
| M14 | 主軸反時計方向回転及びクーラント ※1 |
| M15 | 正方向運動 ※1 |
| M16 | 負方向運動 ※1 |
| M19 | 主軸オリエンテーション ※1 |
| M30 | エンドオブデータ |
| M31 | インターロックバイパス ※1 |
| M36 | 送り範囲１ ※1 |
| M37 | 送り範囲２ ※1 |
| M38 | 主軸速度範囲１ ※1 |
| M39 | 主軸速度範囲２ ※1 |
| M40〜45 | 歯車選択 ※1 |
| M48 | オーバーライド無視のキャンセル ※1 |
| M49 | オーバーライド無視 ※ |
| M50 | クーラント３ ※1 |
| M51 | クーラント４ ※1 |
| M55 | 位置１への工具の直線シフト ※1 |
| M56 | 位置２への工具の直線シフト ※1 |
| M60 | 工作物交換 ※1 |
| M61 | 位置１への工作物の直線シフト ※1 |
| M62 | 位置２への工作物の直線シフト ※1 |
| M68 | クランプ２ ※1 |
| M69 | アンクランプ２ ※1 |
| M71 | 位置１への工作物の旋回シフト ※1 |
| M72 | 位置２への工作物の旋回シフト ※1 |
| M78 | クランプ３ ※1 |
| M79 | アンクランプ３ ※1 |
| M98 | 未設定 サブプログラムとして用いてもよい |
| M99 | 未設定 エンドオブサブプログラムとして用いても |
