CNCフライス加工の座標系ガイド

Marti Deans 4月 1, 2021 1 min read

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CNCフライス加工の座標系は、特定のCNCマシンだけでなく、あらゆる現場で使用できます。最新のCNCマシンでも、その本質は同じです。X、Y、Z軸を使用してマシン内部の座標空間を定義し、工具(エンドミル、押出機、レーザービーム)がその空間を移動します。テクノロジーが進化しても、本質は変わりません。この記事では、直交座標系、ワーク座標系(WCS)、オフセットを含むCNC座標系の基本について説明します。

ちなみに、CNCはマシニングセンタ、フライス加工はミリングとも言います。

なぜCNCフライス加工の座標が重要なのか?

積層造形機は、下から上に向かってパーツを組み立てていきます。パーツがビルドプレートのどこから始まるのかは不明ですが、フライス盤のようなものは、外部の物体から材料を差し引かなければなりません。しかし、フライス盤のようなものは、外部の物体から材料を減算しなければなりません。そのためには、機械は物理的な空間におけるワークピースの位置を理解する必要があります。CNCに金属の塊を押し込んで、ボタンを押すだけの簡単な作業ではありません。

様々なフライス工具を追加すると、作業はより複雑になります。各工具は長さが異なり、これにより、工具原点とワークピースの間の距離も変わります。エンドミルの長さにより、原点も変わります。

CNCマシンは、座標系により3D空間を理解します。 座標系がなければ、CNCは以下の3つを理解できません。

座標系は一見複雑に見えるかもしれませんが、簡単な構成要素に分解できます。まずは直交座標系の基本から始めてみましょう。

直交の基礎

ほぼすべてのCNCマシンは、X、Y、Z軸に基づいた直交座標系を使用しています。このシステムにより、機械は平面に沿って移動できます。直交座標系をその基本は、おなじみの数字のラインです。この線上の1点を原点とします。原点の左にある数字は負の値で、右にある数字は正の値です。

X、Y、Z軸を90度の角度で組み合わせると、CNCマシンが移動する3次元空間ができあがります。各軸は原点で合流します。

2つの軸が交差する場所に、プレーンと呼ばれるものが形成されます。例えば、X軸とY軸が出会うと、例えば、2.5次元のパーツの場合は、ほとんどの作業が行われるXY平面が得られます。これらの平面は、1~4番の4つの象限に分けられ、それぞれ正と負の値を持っています。

CNC マシンの直交座標系を理解するには、右手の法則を思い出してください。一般的な縦型マシニングの例として、親指と人差し指を外側に、中指を上に向けて、手のひらを上に向けます。手をCNCマシンの前に置き、マシンのスピンドルに合わせると、軸が完全に並んでいるのがわかるでしょう。

CNCマシンによる、座標の使用方法

CNCマシンは、直交座標系に従い各軸に沿って制御され、材料ブロックを形成します。各軸を基準にすると、機械に向かっているオペレーターの視点から見ると、一般的には次のような動きになります。

これをすべて合わせると、ワークの様々な面をXY平面で、Z軸に沿って様々な深さで切断することができるCNCマシンができあがります。フライス盤であれ、ルーターであれ、レーザーであれ、すべてこの基本的な移動システムを使用しています。

座標系に沿ったCNCの動きは、常に工具の動きに基づいており、テーブルの動きではありません。例えば、X軸の座標値を上げるとテーブルは左に移動しますが、工具から見るとワークに沿って右に移動していることになります。

Z軸の座標値を大きくすると主軸が上に移動し、小さくするとワークに向かって下に移動します。負のZ軸座標に対応するワークに切り込みを入れているのです。

これを読んで、以前よりも分からなくなってしまった方もご安心ください。工具とテーブルの動きの違いを理解することは、言葉で説明するよりも簡単です。ロバート・コーワン氏のビデオをご覧ください。

CNCマシンの原点

すべてのCNCマシンには、「機械原点」と呼ばれる独自の内部原点があります。CNCが最初に起動したとき、それが物理的な空間のどこにあるのか分からず、ベアリングを得るためにキャリブレーションが必要です。

このプロセスが発生すると、CNCの3軸すべてが限界まで移動します。限界に達すると、信号がコントローラに送られ、その軸の原点を記録します。これが3軸すべてで発生すると、機械は「原点復帰」されます。

プロセスはマシンによって異なります。一部のマシンでは、マシンが軸の限界に達したことをコントローラに信号を送る物理的なリミットスイッチがあります。一部の機械では、このプロセス全体を信じられないほど流動的で正確にするサーボシステムがあります。マシンコントローラは、回路基板を介して各機械軸に接続されたサーボモーターに信号を送ります。サーボモーターは、CNCマシンのテーブルに取り付けられたボールネジを回転させ、移動させます。

テーブルの前後移動により、最大0.0001mmまでの精度で瞬時に座標変化を伝達します。

機械工がCNC座標をどのように使うか

ここまでは、CNCマシンがどのようにして内部座標系を使用しているかを説明してきました。問題は、この座標系を人間が参照するは簡単ではないということです。例えば、CNCがホームポジションは、X軸、Y軸、Z軸に沿って機械的に極端に制限されているのが一般的です。これらの極端な座標値を CNC プログラムの出発点として使用しなければならないことを想像してみてください。悪夢のようです。

CNCプログラムを書きやすくするために、ワーク座標系(WCS)と呼ばれる人間が操作できるように設計された別の座標系を使用しています。WCSは、材料ブロック上の特定の原点を定義するもので、通常はFusion 360などのCAMソフトウェアで使用されます。

材料ブロック上の任意の点をWCSの原点として定義できます。原点を設定したら、芯出し機器、ダイヤル式インジケータ、プローブ、またはその他の位置決め方法を使用して、CNCマシン内でその位置を特定する必要があります。

WCSの原点を選択するための、プロセスについては、以下のポイントをご参考ください。

最適な原点の選び方については、ここでは割愛します。特に公差のスタックアップが大きくなると、説明が長くなるので。以前に加工したフィーチャーの公差、位置決め機構、機械の公差を念頭に置いて、最終的なパーツがスペック通りであることを確認しましょう。

CNCと人間の座標がどのように相互作用するか

前述したように、人間のオペレーターはWCSを使用します。CNCプログラムを書くための座標を理解するのに役立つからです。しかし、これらの座標は機械の座標とは常に異なります。では。CNCマシンはどのようにしてこの2つを並べるのでしょうか?答えは、オフセットです。

CNC マシンはワークオフセットを使用して、WCS と自機の原点との距離の差を決定します。これらのオフセットは機械のコントローラに保存されており、一般的には下記のようなオフセットテーブルにアクセスできます。

ここでは、G54、G55、およびG59という複数のオフセットがすでにプログラムされていることがわかります。複数のオフセットを設定すると、1つのジョブで複数のパーツを加工する場合、各パーツに独自のオフセットを割り当てられるメリットがあります。これにより、CNCマシンは、その座標系を正確に異なる場所にある複数のパーツに関連付け、一度に複数の段取りを完了させられます。

工具オフセット

同じ作業に複数の工具を使用することはよくあることですが、異なる工具の長さを考慮する必要があります。この作業を簡単にするために、CNCマシンにプログラムされている、「工具オフセット」という機能があります。工具オフセットがプログラムされていると、CNCマシンは各工具がスピンドルからどのくらい伸びているかを正確に把握できます。工具オフセットを記録する方法は複数あります。

画像提供:Practical Machinist.

まとめ

これで、座標の基礎がすべて整ったので、サンプルジョブのセットを見てみましょう。ここでは、すでに手作業で加工されたパーツを使用して、外形を定義します。次に、CNCマシンを使って穴、ポケット、スロットを開けてみましょう。

ジョブ 1

まずは軸と原点を確立します。

WCSを導入したことで、機械は内部座標を基準としたワークピース位置を把握できるようになりました。加工プロセスは、ポケットを加工し、部品の最初の側面に穴を開けることから始まります。

ジョブ 2

今度はパーツを裏返して反対側で作業する必要があります。パーツを180度反転させただけなので、外側の輪郭は左右対称で、前回のXとYのオフセットは再現可能なので、WCSは変わりません。また、同じツールを使っているので、同じZオフセットが使えるようにしています。

ここで覚えておくべき重要な変数の一つは、あなたのバイスのクランプ力です。作業員は通常、万力の閉じた位置に黒のマーカーで印をつけたり、トルクレンチを使ったりします。その理由は、部品を動かしたり回転させたりするときに、一定のクランプ圧を作るためです。クランプ圧が変化すると、部品の形状によっては、部品の位置決めに誤差が生じたり、部品の変形や湾曲などの不具合が発生する可能性があります。クランプ力がほぼ同じだと仮定すると、ジョブ2は加工できるようになります。

Job 3

ここで、いくつかの穴を開ける必要がありますが、そのためにはパーツを端に立てておく必要があります。この回転では、WCSのXY原点は変わりません。しかし、工具とパーツの間の移動距離が短くなります。

そのため、新たにオフセットを使用する必要があり、原点をパーツの上隅にずらすことになります。また、グリップ面を増加させるために平行線を削除し、バイスストップを下げました。

ここでは、ジョブ3を完成させるために、オリジナルの基準面のうちの2つをまだ使用できます。

これは簡単な例です。パーツは正方形で、XY原点は3つのセットアップすべてで再現可能で、Z原点も一度だけ変更されました。しかし、ワークピースの保持方法、再現性、以前のフィーチャーの正確性という思考プロセスは重要であり、これらの基本的なステップを何度も繰り返すことに気づくでしょう。

まとめ

これでCNC座標の理解は深まりましたね。キャリアのあらゆる場面で活用いただけるでしょう。ワーク座標系(WCS)は、内部の機械座標とCNCプログラムとの間のギャップを埋めるものです。これらの3つのシステムは、正確に部品の位置を特定し、一貫した品質で何度も何度でも機械加工を行うために連携しています。あなたがどんな機械を利用しているかどうかにかかわらず、座標系は常に正しくなります。

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