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データ共有により加工精度と生産性を向上する統合CNCシステムの開発 (本文)

須藤, 雅子 慶應義塾大学

2020.09.21

概要

数値制御（NC：Numerical control）は，「⼯作物に対する⼯具経路，加⼯に必要な作業の⼯程などを，それに対応する数値情報で指令する制御」であり，コンピュータ化された数値制御（CNC：Computerized numerical control）は，「コンピュータを組み込んで，機械機能の⼀部，または全部を実⾏する数値制御」と定義されている[1]．数値制御装置（以下 CNCと称する）は，製造業において⽣産設備に⽋かせない⼯作機械や搬送装置，産業⽤ロボットの制御に広く使⽤されている．⼀般的なコンピュータと違い，CNC は機械制御という特定の機能を実現する⽬的に特化されている．その特定の機能を極限まで⾼める⽬的で⽣み出す技術は，機械性能の向上だけでなく，その技術が製造業に波及することで製造技術の技術発展を推進する役割を担っている．

CNC の機能は，外部から⼊⼒されたプログラムを解析して，機械を構成する各軸の移動量に分配し，機械を動作させることである．その機械動作により⼀定の計画のもとに作業が⾏われ，加⼯や組⽴てという所望の⽬的を果たす．制御する機械の作⽤点には，重⼒や摩擦⼒という様々な応⼒がかかり，さらに機械運動による発熱や環境変化に起因する機械変形などが加わるため，プログラムから機械動作を作り出すだけでは，設計どおりの結果を得ることはむずかしい．機械特性を考慮するとともに，作業中の機械状態を監視して，移動量に誤差分の補正をかけるという状況に応じたリアルタイムの制御が必要とされるため，制御アルゴリズムは複雑性を極める．

制御の特定の機能として，⽣産機械の性能特性の中で重要視されるのは⾼速⾼精度機能である．プログラム指令どおりに正確に軌跡を描き，指令速度で移動するには前述のように極めて複雑な制御が要求される．加えて⾼精度には，マイクロメートル単位や，ナノメートル単位の正確な位置決め精度と繰り返し精度で実⾏できることが必要である．このような制御が機械実装できれば，⾦属加⼯であれば複雑な形状に対する⾼精度加⼯で付加価値の⾼い製品製造を，産業⽤ロボットであれば⾼い繰り返し精度で正確な組⽴てや搬送作業による⾼い⽣産性を実現できる．反⾯，⾼精度で複雑形状を加⼯できる数値制御装置は⼤量破壊兵器製造に使⽤される⾼精度な部品製造の能⼒をもつという背景から，戦略物資として輸出貿易管理令[2]で輸出には厳しい管理を受ける．⾼精度な制御技術を利⽤するには，⾼い機能を開発・供給すると同時に，世界秩序を守る社会的責任を果たすことも要求される．

製造現場において，⾼精度な制御は⾼速で実現することに意味がある．⾼速化は制御のみならず，機械の剛性や，構成する部品の材料特性，機械動作に伴う発熱の影響など，考慮すべき複雑な問題を克服して実現できる．図 1-1 に⾦属加⼯において，複雑形状で⾼速加⼯が要求される代表的な⼯作物であるインペラを⽰す．⾦属加⼯の⾼速加⼯とは，切削⼯具を⾼速回転させ，それに応じた⾼い送り速度で切削を⾏う加⼯の⾼能率化を意味する．⼀⽅で，⼯作物を加⼯する際に発⽣する切り屑の排出量の増加や，⼯具磨耗の進⾏が早くなるといった複合的な問題を抱える．これらの問題に対しては，切削速度増加と共に切削性が⾼まる現象が解明されており，⾼速加⼯は⼯具や加⼯現象の研究とともに探求されている．産業⽤ロボットにおいては，垂直多関節型では機械剛性が低く絶対位置精度が低いため，⾼速化するとオーバーシュートや振動の問題が発⽣する．⾼速性が必要とされる作業には，制御に加え，スカラロボット（⽔平関節型ロボット）の直交⽅向の⾼速性や，パラレルロボットの合成速度の⾼速性など特化した機構で実現している[3]．

CNC は汎⽤のコンピュータ技術の機能を融合しつつ発展している．AI（Artificial intelligence）を活⽤した知能化や，製造現場のデジタル化の進化に伴い，複合的な領域を制御することが可能になっている．IoT（Internet of things）で収集したデータを活⽤してデジタルツインを実⽤化する場合に，CNC はより多くのデータを活⽤するプラットフォームとしての仕組みが必要とされることから，周辺装置や IT（Information technology）と連携する情報端末としての役割が強化されつつある．

CNC は従来の演算の⾼速化という⼿法に加え，デジタル製造の情報端末としてのアプローチによっても，⾼速⾼精度を極め，⾼品質な安定⽣産を実現できる．本章では⾦属加⼯を⽬的とした⼯作機械における⾼速⾼精度な加⼯への市場要求と，CNC の従来の制御⽅法による問題点について述べた後，本研究の⽬的について述べる．

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