NC機械は、製造業において生産効率を大幅に向上させるための重要なツールです。近年の技術革新により、NC機械はより高精度で多機能なものへと進化しており、さまざまな業界で導入が進んでいます。この記事では、NC機械の基本的な仕組みから導入によるメリット、導入する際のポイントを詳しく解説します。NC機械の導入を検討している方や、より深く理解を深めたい方はぜひ参考にしてみてください。
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目次
NC機械とは
NC機械とは「Numerical Control機械」の略称で、数値によって工具の動作を制御し、材料を精密に加工するための機械のことです。コンピュータを使用してプログラムされた指令に基づき、工具の位置や速度や動作パターンを自動的に制御し、金属やプラスチック、木材などの素材を切削、削り出し、穴あけ、研削などの加工をおこないます。
NC機械の特徴
従来の汎用機械では、手動または機械的な操作によって制御がおこなわれます。オペレーターがハンドルやレバーを使用し、工具を手動で操作するため加工の精度はオペレーターの経験や感覚、技術力に依存します。そのため、加工精度や一貫性にばらつきが出る恐れがあり、品質を一定に保つことが難しい場合があります。
一方のNC機械では、コンピュータプログラムによる数値制御がおこなわれます。オペレーターがプログラムを入力すると、その指示に従い機械が自動で作動します。工具の位置や動きを正確に制御できるため、高精度な加工が可能です。プログラムによる自動制御のため同じ作業を繰り返しても誤差がほとんどなく、寸法のばらつきを最小限に抑えられます。
NC加工とは
NC加工とは、コンピュータによって制御された数値指令に基づいておこなわれる加工方法です。プログラムされた指示に従って、機械が自動的に工具の位置や動作を制御し、金属やプラスチックなどの材料を切削、削り出し、穴あけ、研削といった精密な加工をおこないます。
CAD（Computer-Aided Design）やCAM（Computer-Aided Manufacturing）ソフトウェアなどでデジタルモデルを作成し、それらを基に加工のプログラムが生成されます。プログラムが機械に送られることで、自動的に指示通りの加工をおこないます。オペレーターが手動で操作する必要がないため、高精度で一貫した加工が可能です。
NC機械を支える「NC施盤」とは
NC機械がさまざまな加工をおこなうのに対し、NC旋盤は円筒状の部品を加工するのに特化しています。どちらも製造業において欠かせないものですが、特定の用途に応じて使い分けられています。
ここでは、NC旋盤について詳しく説明していきます。
NC施盤とは
NC旋盤とは、コンピュータによる数値制御を用いて円筒状の材料を加工する旋盤機械のことを指します。旋盤機械とは、材料を回転させ、その回転に合わせて工具を移動させることで外径や内径、ねじなどを切削・加工する機械のことです。NC旋盤ではこれらの動作がすべてプログラム化されており、自動で高精度の加工がおこなわれます。
初期のNC旋盤はプログラムによる単純な動作の自動化に留まっていましたが、近年では技術の発展により高度なコンピュータ制御が可能となり、複雑な加工もおこなえます。また、工具の自動交換機能や多軸制御の導入により、一度のセットアップで複数の加工が可能になりました。さらに、AIやIoTとの連携によるリアルタイムのモニタリングや予防保全も可能となり、生産効率と品質の向上が図られています。
NC制御とは
NC制御とは、数値データを基に機械の動作を制御する技術のことを指します。CAD（コンピュータ支援設計）やCAM（コンピュータ支援製造）ソフトウェアで作成されたデータを用いて構築されたプログラムは、工作機械や製造機械の自動化に用いられ、高精度な加工が可能です。
まず初めに、NC制御では加工する製品の設計データから加工手順をプログラム化します。このプログラムには、工具の移動経路や速度、加工の深さなどが数値データとして含まれます。機械はこのプログラムを読み取り、指定された動作を自動的におこなうのです。また、加工中の動作をリアルタイムで監視し、必要に応じて動作を修正するフィードバック制御も同時におこなわれる場合もあります。
NC装置の構成
NC装置は次のような構成で成り立っています。
・コントローラ
プログラムされた指令を解釈し、機械の各部品に対する動作命令を出す中央制御装置です。これにより、工具の移動や速度が正確に制御されます。
・ドライブユニット
コントローラの指示に従ってモーターを駆動し、工具や材料の移動を実現します。主にサーボモータやステッピングモーターが使用されます。
・フィードバックセンサー
加工中の位置や速度をリアルタイムで測定し、データをコントローラに返すセンサーです。これにより、加工精度が保たれ動作が調整されます。
・操作パネル
ユーザーがプログラムの入力や加工状況の監視をおこなうためのインターフェースです。タッチスクリーンやボタンパネルがあげられます。
NC装置は旋盤、フライス盤、マシニングセンターなど、さまざまな工作機械に組み込まれ、自動車部品、航空機部品、医療機器などの精密加工に利用されています。
NC機械を使用することのメリット
NC機械を使用することのメリットを紹介します。
安定した品質を担保できる
NC機械を使用することで、安定した品質が担保できます。プログラムによる精密な制御により同じ加工条件が一貫して適用されるため、製品の寸法や形状にばらつきが生じないためです。自動化されたプロセスにより人為的な操作ミスを減らし、フィードバックセンサーがリアルタイムで加工状況を監視、微細な調整が可能です。また、加工データの記録と分析により、品質問題の早期発見と改善がおこなえ、高品質な製品を生産できます。
大量生産が可能
NC機械を使用することで大量生産が可能です。NC機械は事前に設定されたプログラムに従って自動的に動作するため、手作業に比べて加工速度が速く、一貫した品質で連続的に生産できます。また、工具の自動交換や複数の作業を一度に行える多軸制御により、ダウンタイムを最小限に抑え生産効率が向上します。
複雑な加工が容易にできる
NC機械を使用することで、複雑な加工が容易にできます。事前に設定されたプログラムに基づいて工具の動きを制御をおこなうため、複雑な形状や曲面、細かなディテールを正確に加工できます。また、多軸制御により、複数の方向から同時に加工をおこなえるため、手作業では困難だった複雑な部品の製造・加工が可能です。
多種多様な素材に対応できる
NC機械を使用することで、多種多様な素材に対応できます。プログラムを変更することで、金属やプラスチック、木材、複合材料など、さまざまな素材を加工できます。工具の選定や加工条件（速度、圧力、冷却など）を調整することで、各素材に最適な加工ができるため、異なる材料の製品を同じ機械で効率的に生産でき、多品種少量生産から大量生産まで幅広く対応できます。
NC機械を使用することのデメリット
NC機械を使用することのデメリットを紹介します。
プログラミングの質に個人差がある
NC機械を使用する際のデメリットとして、プログラミングの質の個人差が挙げられます。NC機械はプログラムによって操作されるため、プログラミングの質が加工の結果に直接影響します。プログラマーの技術や経験により、プログラムの精度や効率が異なり、結果として加工品質にばらつきが生じることがあります。
場合によってコストが高くなる
NC機械は、導入する機器によって初期コストやメンテナンスコストが高額になる場合があります。高度な制御技術を搭載しているNC機械であるほど、購入や設置にかかる費用が高額になる場合が多いです。また、導入後にも専門的なプログラミングや操作のために技術者の教育やトレーニングが必要で、これに伴う費用も発生します。他にも、機械のメンテナンスや修理に必要な専門的な知識にかかるコストも考慮しなければなりません。特に中小企業や少量生産の場合、導入コストが経済的な負担となる可能性があります。
NC機械を構成するためのプログラミング技術
NC機械を構成する、NCプログラムというものがあります。NCプログラムとは、数値制御をおこなうために使用される一連の指示のことです。工作機械などにおいて、工具の動きや加工の手順を制御するために使用されるプログラミング技術について紹介します。
NCプログラムの入力方法
NCプログラムを入力する方法として主に、手動入力、外部からの入力、DNCシステムを使用するという方法が一般的です。それぞれにどのような特徴があるのかを、詳しくみていきましょう。
・手動入力
手動入力では、NC機械の操作パネルやキーボードを使用して、GコードやMコードなどのNCプログラムを直接入力します。この方法は、短いプログラムや簡単な修正を行う際に便利です。経験豊富なオペレーターが機械の近くで直接入力できるため、即座に作業を開始することができますが、大規模なプログラムや複雑な作業には向きません。
・外部メディアからの入力
NCプログラムをUSBメモリ、SDカード、フロッピーディスク、またはネットワーク経由で外部から機械に転送する方法です。プログラムは通常、外部のCAD/CAMソフトウェアで作成されメディアに保存された後、NC機械に取り込まれます。これにより、複雑で長いプログラムを迅速かつ正確に機械に入力できます。
・DNCシステム
DNCシステムはコンピュータとNC機械をネットワークで直接接続し、プログラムをリアルタイムで送信する方法です。複数の機械に対して一括でプログラムを送信できるため、工場全体の生産効率を向上できます。また、DNCシステムはプログラムの管理やバージョン管理も容易におこなえるため、製造プロセスの一元管理が可能です。
これらの方法を使い分けることで、作業の効率や精度を向上させることができます。
NCプログラムの構成
NCプログラムは、数値制御で工作機械を動作させるための指示を定義する一連のコードやコマンドで構成されています。これらの構成要素には、主にGコード、Mコード、座標情報、速度情報、補助的な指示があります。それぞれにどのような役割があるのか、具体例を挙げながら説明します。
・Gコード（G-Function Codes）
Gコードは、NC機械がどのように動作するかを決定する重要な要素です。各コードは特定の動作を指定し、機械がプログラムされた通りに動くように指示を出します。これにより、複雑な加工を自動でおこなうことが可能です。
▪G00: 早送り動作（工具を速く動かす）
▪G01: 直線補間（直線的に工具を動かす）
▪G02: 時計回りの円弧補間
▪G03: 反時計回りの円弧補間
などが挙げられます。
・Mコード（Miscellaneous Function Codes）
Mコードは、NC機械の動作全体を制御するために必要な補助的な機能を操作するコードです。例えば、主軸の回転開始や停止、冷却装置のオン/オフ、工具の交換、プログラムの開始・終了の操作をおこないます。
▪M03: 主軸正転開始
▪M05: 主軸停止
▪M06: 工具交換
▪M30: プログラム終了とリセット
などが挙げられます。
・座標情報
座標情報とはNC機械において、工作機械の各軸（通常はX、Y、Z軸）に対し、工具やテーブルの位置を指定するために使用される数値データのことを指します。座標情報を用いて、工具の正確な位置や移動を制御し、素材のどこをどのように加工するかを決定します。
▪F500: 送り速度を500mm/minに設定
▪S1500: 主軸回転速度を1500rpmに設定
などが挙げられます。
・補助的な指示
補助的な指示とはNCプログラムにおいて、工作機械の基本的な動作以外の操作や制御を指示するためのコマンドです。これらの指示は、主に機械の動作を補完したり、特定の条件下で作業を円滑に進めたりするために使用されます。
▪T01: 工具番号1を選択
▪G28: 参照点への復帰（工具を安全な位置に戻す）
などが挙げられます。
NC機械を導入する際のポイント
NC機械を導入する際には、さまざまな要素を考慮する必要があります。そこで、機械を導入する際のポイントを紹介します。
自社にあった機械を導入する
NC機械はメーカーにより、それぞれ異なる技術やサービスを提供しています。中には、高品質で信頼性の高い機械を提供する代わりに価格が高く設定されていたり、基本の機械価格に付属品やオプションを追加することで使いやすいようにカスタマイズできたりします。カスタマイズをおこなったものが最終的な導入コストになるので、追加機能が別で発生する場合や基本の機械に含まれている場合など、さまざまなシチュエーションに応じて導入するメーカーを決めることが重要です。
適切な種類を選択する
作業環境に合ったNC機械を導入することは、生産性と安全性の向上において非常に重要です。適切な設置スペースや電力供給が確保されていないと機械の性能を十分に発揮できず、作業効率が低下する可能性があります。また、騒音や振動が適切に管理されていない環境では、作業者の健康や安全に影響を与えるリスクもあります。さらに、操作性やメンテナンス性を考慮した選定は、日々の作業をスムーズにおこなえるメリットのほかに、機械を長い期間使うことが可能です。適切な環境に合った機械の導入は、全体の生産力を最大化し、トラブルを未然に防ぐために不可欠です。
導入後のトレーニングとサポートを徹底する
NC機械を導入後は従業員へのトレーニングとサポートを徹底し、機械の効果的な運用と安全性の確保が重要です。適切なトレーニングがおこなわれないと操作ミスや設定エラーが発生し、製品の品質が低下したり、機械の故障を引き起こしたりするリスクがあります。さらに、トレーニングを受けた従業員が機械の効率的な使い方を理解することで、生産性の向上につながるでしょう。従業員へ継続的サポートをすることで、技術的な問題や疑問に迅速に対応でき、作業の中断を最小限に抑えられます。これにより、NC機械の導入効果を最大限に引き出すことが可能です。
NC機械を導入し生産効率をupさせよう
NC機械の導入により、生産効率を大幅に向上させることができます。NC機械はプログラムによって自動化された精密な加工をおこなうため、手作業に比べて加工時間の短縮が可能です。また、機械は同じ精度で繰り返し作業をおこなえるので、製品の一貫性が保たれ、不良品の発生を減らします。さらに、NC機械は複雑な形状や高精度な加工も迅速におこなえるため、複雑な製品を効率的に生産でき、コスト削減や納期の短縮が実現します。
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