ＮＣフライス盤のプログラミング

　このページはＮＣフライス盤プログラミングの基礎について解説したものです。

　この内容は、金工室の機械工作マニュアルに掲載されているものをＷｅｂ用に手直ししたものです。印刷形式で出力する場合はＰＤＦファイル（Ａ４で７頁）をご利用下さい。

  • ＮＣプログラミング----------40KB


    もくじ

    1. はじめに
      1. ＮＣプログラミングとは
      2. ＮＣフライス盤（工作機械）を使った加工作業の流れ
    2. ＮＣフライスによる加工
      1. 起動時の原点設定
      2. ＮＣプログラムの概要と入力方法
      3. 加工原点とアプローチカット
    3. 実際のＮＣプログラム
      1. サンプルプログラム
      2. ＮＣ言語の解説
    4. プログラム運転
      1. プログラムのデバッグ
      2. ＮＣプログラム運転
      3. 簡易プログラム運転
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    はじめに


    ＮＣプログラミングとは

    　ＮＣとは数値制御、ニューメリカル・コントロールのことです。
    　工作機械をコンピュータを使って動かすことにより、自動化しようというのが大きな目的です。
    　今日の超精密加工を行う工作機械は、人間が立ち入れないような厳しい温度管理を必要としているので、完全に自動化することはものづくりの最先端技術の一つでもあります。


    　ちなみに、ここでの解説は、他のＮＣプログラミングにも役に立てればと思い、機種による違いをできる限り避けて最も一般的な命令体系を使ったＮＣプログラムを考えましたが、ＮＣ旋盤では座標の取り方が異なるなど、ＮＣ工作機械の種類や、制御装置によって異なってるところもたくさんあるので、ここでは、ＮＣプログラムによって加工する時の考え方や、プログラムの作り方のコツを知っていただければと思います。


    　それでは、コンピュータを使ってフライス盤を動かす方法、すなわち「ＮＣプログラミング」について、解説します。

    　「ＮＣプログラミング」とは、人間が機械の動きをコンピュータが認識できる命令に置き換え、順序良く並べておき、それをコンピュータが実行します。コンピュータは、ＮＣプログラムに記載された命令を、サーボモーターを動かすなどの一連の動作に置き換えて順次実行し、その結果としてフライス盤のテーブルや主軸が動き、加工が実施される・・・とうわけです。

    　このときの命令を順序良く並べる作業のことをＮＣプログラミングといいます。

    　ＮＣ工作機械の命令体系・・・これをプログラミング言語といいますが、ＮＣ工作機械は「Ｇコード」と呼ばれる体系をもっています。「Ｇコード」は機械の座標系をそのままＸ，Ｙ，Ｚに続く数値で表し、テーブルを動かすＧ−−、主軸のＯＮ−ＯＦＦやプログラムの終端などを表すＭ−−、テーブルの移動速度を表すＦ−−、工具の補正データを表すＤ−−など、アルファベット大文字の１字と数字を組み合わせた単純な構成です。

    　コンピュータ・プログラムでは命令の流れを制御する命令体系が付き物ですが、Ｇコードではスタートとエンドの他にサブルーチンの呼び出しがある程度の、大変シンプルなものです。
    　このような単純な命令体系を、自分の加工したい手順どおりに並べていくのは簡単なようで、実は以外に難しいところがあります。加工の手順をどのようにＧコードに置き換えるかをよく考えないと、プログラムを作る時間がかかってしまいます。


    ＮＣフライス盤（工作機械）を使った加工作業の流れ

    　ＮＣ工作機械はプログラムを作ってそれを実行するわけですが、実際にはプログラム運転に至るまで色々な作業があります。
    　以下に、ＮＣフライス盤を使って加工するときの手順を示します。

    １、ＮＣフライス盤（ＮＣ工作機械）の立ち上げ
    　　ＮＣ工作機械は電源を投入した後、原点設定（機械原点を取る）などの一連の作業が必要です。

    ２、プログラムの概要や座標系を決める＝加工手順を決める
    　　例：工具径補正＆アップカットを使った荒取り加工の次にダウンカットを使った仕上げ加工を行う
    　　　　一個だけなら絶対座標、同じ形状を繰り返す場合は相対座標

    ３、プログラムを入力する
    　　機種によって方法が異なります

    ４、バグ（間違い）取り（デバッグ）
    　　デバッグの方法も機種によって異なることがあります。私たちは主軸にサインペンを銜えて、ダミーの板に加工の経路を描かせることにしています。

    ５、工作物を固定
    　　工作物を取り付けます。機械の稼動領域から加工範囲がはみ出でないよう取り付け位置を考えます。

    ６、加工原点を決める
    　　Ｘ，Ｙ、Ｚの座標を工作物の座標に合わせます。

    ７、加工開始
    　　これでようやくＮＣ加工開始です。最初の加工では、加工速度（Ｆの値）が適正であるかどうかを確認し、必要に応じて速度のオーバーライド（０〜２００％までテーブルの送り速度を手動で変化させることができる）を調整します。

    ８、連続運転
    　　加工速度などの修正を加えた後、長い加工では自動運転を用います。
    　　帰宅前にプログラム運転を開始させ、翌日登校（出勤）したときに出来上がっている・・・というようなことができます。

    ９、寸法確認
    　　加工が完了したら工作物をテーブルに固定した状態で必ず測定し、間違いがないかを確認します。

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    １．ＮＣフライスによる加工


    　ここでは一般的なＮＣ加工について説明します。 　金工室には日立と新潟のフライス盤がありますが、個々のＮＣ工作機械の使い方についてはそれぞれ異なりますので、機械に付属している説明書をよく読んでください。


    １）起動時の原点設定
    　原点設定とは，ＮＣ制御装置に機械座標の原点を教えることで、ＮＣ工作機械を運転する場合，最初に行う作業です。

    　ＮＣフライス盤のテーブルには何らかの形でテーブルが移動した長さを計測する装置が組み込まれています。
    　金工室にある日立フライスと新潟フライスはどちらもリニアエンコーダが取り付けてあり、１ミクロンの単位で移動距離を計測しています。これらのリニアエンコダには絶対原点が電気的に読み取れるような工夫がされており、原点設定はこのスケールの絶対原点を読み込む作業となります。

    　原点設定によってＮＣ制御装置は機械に特有な各軸の可動範囲限界などを正しく認識します。普通のＮＣフライス盤はテーブルのＸ，Ｙ，Ｚの３軸について原点読み出しを行うようになっています。

    　この原点設定についても、メーカーや機種ごとに考え方や操作方法が異なるので注意してください。


    ２）ＮＣプログラムの概要と入力方法
    　最初に説明したように、ＮＣプログラムは刃物工具と工作物をどのように動かすかを機械に命令するものです。ＮＣプログラムの命令体系は、ＸＹＺ座標や移動方法を指示するものと、主軸制御やプログラムの流れを制御するものからなっています。

    　ＮＣの命令セットはＪＩＳ（日本工業規格）に従っていますが、ＮＣ工作機械にはその機械特有の命令があり、メーカーの説明書ではそれらの命令を使うよう指示されています。これらは方言と同じで、他の機械には通用しません。
    　機種によっては便利な機能をたくさん持っているものもあり、一般の工場で生産性を上げるのにおおいに貢献していますが、私たちのような教育・研究の場ではできるかぎり標準の機能だけで難しい加工もこなせるようにするよう指導しています。
    　この方法は機種が違うとプログラムも変ってしまうという問題を回避できます。もしみなさんが初心者なら、できる限りJISの命令（後で示すＮＣプログラムは全て標準命令を用いています）でプログラミングすることをおすすめします。

    　標準的なＧコードが使いこなせるようになったら、機械特有の便利な命令を使ってみましょう。何事も基礎が肝心ということです。

    　さて、いよいよ実際のＮＣプログラムを作ることにしましょう。

    ＮＣプログラムを作るときは後で述べる加工原点とアプローチカットを考慮に入れて加工手順を整理することが大切です。

    　少なくとも、通常のフライス加工では荒加工と仕上げ加工の２つに分けられます。このとき、荒削り工程ではアップカットを、仕上げ工程ではダウンカットを採用したいので、加工の順序（ルート）が丁度反対になります。

    　サブプログラムのネスティング（入れ子構造）は４重まで許されているのが普通です。サブプログラムを上手く使って工具径補正や工具長補正の値を変えながら同じ軌跡を描くことにより、つまりメインプログラムとサブプログラムの２つのプログラムだけで複雑な荒加工の工程を実行することができます。
    　次項で紹介するプログラムは、サブプログラムと工具径補正機能を組み合わせてプログラムの間違い探しも効率よく行えるようにしたものです。荒加工の代表的なテクニックの一つなので、実際のプログラミングの参考にしてください。

    プログラムの入力方法は機械によって異なります。基本的にはそれぞれの機械にプログラム編集機能とモニタ機能が備わっていますので、それぞれの機械に付属している取扱説明書を参照してください。金工室にはＮＣプログラム作成を支援するソフトウェアもありますが、ＮＣ装置に転送する機能がないので、機械の前で，直接手で入力することになります。
    以下、図４−５に示す加工物についてのＮＣプログラムを例に説明していきます。


    ３）加工原点とアプローチカット
    　　　　　　
    　ＮＣ加工の基準となる座標原点を加工原点とします。 　ＮＣ加工に入る前の刃物の位置から加工原点までの経路は早送りで移動するので、その間に障害物がないようにします。通常加工原点はプログラムを作りやすい位置に設定します。
    　　
    　加工開始位置(0,0)から加工を始める部分をアプローチカットといいます。
    　これは切削の開始場所が製品の仕上がりに影響しないようにするため、特別に他の経路と区別しています。下図はそれらの関係を示したものです。

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    ２．実際のＮＣプログラム


    １）サンプルプログラム

    　以下からはＮＣプログラムの実例（図の小判形の穴を加工する）に基づいて説明します。
    　このＮＣプログラムはＯ１０００（メインプログラム）とＯ１１００（サブプログラム）によって構成しており、穴の中央と工作物の上面を加工原点（Ｘ，Ｙ，Ｚとも0.0）としています。


    Ｏ１０００　　（プログラム名：１０００、メインプログラム）
    行　番　号　プログラム　　動作内容
    Ｎ００１０　Ｇ９０ Ｇ００ Ｚ５０． ；絶対座標系を指示，安全な高さに高速移動
    Ｎ００２０　Ｘ０． Ｙ０． ；加工開始座標へ高速移動
    Ｎ００３０　Ｚ２． Ｍ０３ ；加工開始位置の高さまで高速移動後，主軸回転
    Ｎ００４０　Ｇ０１ Ｚ−１． Ｆ１００；１mm切り込み，切削移動速度100mm/min
    Ｎ００５０　Ｄ４０ ；工具径補正番号４０，実際より大きい径を指定
    Ｎ００６０　／ Ｍ９８ Ｐ１１００ ；サブプログラムの呼び出し，キャンセルブロック
    Ｎ００７０　Ｄ３０ ；工具径補正番号３０、実際より僅かに大きい径
    Ｎ００８０　／ Ｍ９８ Ｐ１１００ ；サブプログラムの呼び出し、キャンセルブロック
    Ｎ００９０　Ｄ２０ ；工具径補正番号２０を指定、実際の工具径を指定
    Ｎ０１００　Ｍ９８ Ｐ１１００ ；サブプログラムの呼び出し
    Ｎ０１１０　Ｇ００ Ｚ５０． ；安全な高さを確保
    Ｎ０１２０　Ｘ０． Ｙ０． ；加工原点に戻る
    Ｎ０１３０　Ｍ０５ ；主軸回転を停止
    Ｎ０１４０　Ｍ０２ ；プログラムの終了


    Ｏ１１００　　（プログラム名：１１００、サブプログラム）
    行　番　号　プログラム　動作内容
    Ｎ００１０Ｇ４１ Ｆ１００ ；工具径補正（左補正）開始
    Ｎ００２０Ｇ０１ Ｘ０． Ｙ４５． ；スタートアップブロック,アプローチカットも兼ねる
    Ｎ００３０Ｘ−２０． Ｙ４５． ；直線切削
    Ｎ００４０Ｇ０３ Ｘ−２０． Ｙ−４５． Ｒ４５． ；円弧切削（CCW）
    Ｎ００５０Ｇ０１ Ｘ２０． Ｙ−４５． ；直線切削
    Ｎ００６０Ｇ０３ Ｘ２０． Ｙ４５． Ｒ４５． ；円弧切削（CCW）
    Ｎ００７０Ｇ０１ Ｘ０． Ｙ４５． ；直線切削
    Ｎ００８０Ｇ４０ Ｘ０． Ｙ０． ；エンドオブブロック，補正終了
    Ｎ００９０Ｍ９９ ；サブプログラムの終了

    　Ｏ１０００のＮ００５０からＮ００８０でＤの値を変えながら繰り返す部分は、工具径補正値を実際よりも大きく取って正規寸法より小さく加工し、徐々に適正値に近づけていきます。
    　そして最後にＤ２０で仕上げ加工とする手順です。
    　Ｏ１１００のＮ００５０からＮ００８０行についてですが、上の行と座標値が一致している軸は省略してもかまいません。
    　その時は以下のようになります。

    行　番　号　プログラム　動作内容
    Ｎ００４０Ｇ０３ Ｙ−４５． Ｒ４５．　；円弧切削（CCW）
    Ｎ００５０Ｇ０１ Ｘ２０．　Ｙ−４５．　； 直線切削
    Ｎ００６０Ｇ０３ Ｙ４５． Ｒ４５．　；円弧切削（CCW）
    Ｎ００７０Ｇ０１ Ｘ０．　； 直線切削
    Ｎ００８０Ｇ４０ Ｙ０．　；エンドオブブロック，補正終了

    　このプログラムでは、荒加工も仕上げ加工もダウンカットを用いました。
    　汎用フライス盤の場合、ダウンカットによる荒削りは危険を伴う場合があります。ＮＣフライス盤の送り機構にガタがある場合は、工具経路を逆周りにしてアップカットを使った荒加工のサブプログラムを用意する必要があります。

    （この部分のプログラムと解説の一部に間違いがありました。ご指摘いただいた方に感謝すると共に、間違った記述があったことをお詫びいたします。なお、間違っていた箇所は文字の色を変えておきました。２０１０年１２月７日　河合）

    ２）ＮＣ言語の解説
    　行の最初はプログラム番号です。機種によっては自動的に付けられます。

    Ｎ００１０
    Ｎ００２０
    ・・・

    以下に相互に関連のある命令の特徴をあげます。

    　それぞれのグループではその命令が一度実施されると次に同じグループの命令が実施されるまでその状態を保持（モーダル指令）します。

    移動グループ
    Ｇ００Ｇ０１Ｇ０２Ｇ０３Ｇ０４
    早送りＦ値の直線送りＣＷ円弧送りＣＣＷ円弧送りドウエル
    ＊　Ｇ００以外はＦで設定された速度で動きます．Ｆは一分間の送り速度（mm/min）を表します。
    ＊　円弧送りはＲ指定（半径指定）とＩ，Ｊ指定（円弧中心座標指定）があります。
    ＊　Ｘ，Ｙ，Ｚの値は必ず小数点を付けます。一般的には指令された数値をミクロンで認識するので
    　　小数点を忘れると思わぬ動きとなってしまいます。
    ＊　ドウエルはＰで指定した時間（秒）だけテーブルの動きを停止する機能です。

    工具径補正グループ
    Ｇ４０Ｇ４１Ｇ４２
    補正修了左側補正開始右側補正開始
    ＊　プログラムで指令された値が加工寸法となるよう自動的に工具半径分シフトした経路で移動します。
    　　工具径はＤで指定されたデータを参照します．工具径データは別に入力します。
    ＊　工具径補正は必ずスタートアップブロックとエンドオブブロックを挿入します。
    ＊　スタートアップブロックとエンドオブブロックは直線送り部分に挿入します。
    ＊　補正量を実際の刃物径より大きくとって荒削り行程とする方法が便利です。

    座標系グループ
    Ｇ９０Ｇ９１
    移動座標値を絶対値で指令する移動座標値を相対値で指令する
    ＊　慣れないうちは絶対座標系を使った方が工具経路を認識しやすく，デバッグが楽になります。
    ＊　絶対座標系と相対座標系は混在してもかまいません。サブプログラムで相対座標系を使うと同一形状の
    　　ものの開始位置を変えて加工（コピー）できるので便利です。

    プログラム制御グループ
    Ｍ０２Ｍ９８Ｍ９９
    プログラムの終了Ｐで指定したサブプログラムを呼び出しサブプログラム終了
    ＊　サブプログラムのネスティングは通常４重まで許されています。
    ＊　行の先頭に／を入れると、その行を無視することができます。これをキャンセルブロックといいます。
    　　キャンセルブロック機能は操作盤からON-OFFできます。

    主軸グループ
    Ｍ０３Ｍ０５
    主軸回転主軸停止
    ＊　Ｍに続く数字のゼロを省略してもかまいません。そのときは、Ｍ３、あるいはＭ５となります。

    フライス盤のＮＣは２.５軸制御といって、ＸＹＺの３軸を同時に指令することはできません。ＸＹＺのうちの何れか２軸は同時に指令できますが、残りの軸は別の行で指令します。

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    ３．プログラム運転


    　ＮＣプログラムを入力し終わったあと、いきなりプログラム運転はできません。
    　はじめにの「ＮＣフライス盤（工作機械）を使った加工作業の流れ」に説明したとおり、プログラムに潜む間違いを取り沿いたり、加工原点を設定するなどの作業を経なければなりません。
    　ここではその中の、デバッグをＮＣプログラム運転で注意しなければならないことを述べます。


    １）プログラムのデバッグ
    　作成したプログラムは必ずデバッグ（間違いを直すこと）を行います．この時，主軸にペンを装着して工具経路を描かせることで間違いを発見するといった方法が便利です．
    　日立フライス盤のデバッグ手順を示します．（新潟フライス盤は手順が違いますので注意！）

    １．マシンロック（各軸が動かない設定）状態でプログラムを実行し文法エラーをさがす．
    ２．Ｚ軸無視（固定）によるドライラン機能（Ｆで指定した値を用いず，制御盤で指定されて
    いる値を使う）を用いてＸＹのみの動きを確認する．
    ３．ドライラン（Ｆの値ではなく操作盤で指定した速度）でＺ軸も含めた動きを確認する．
    ４．主軸にペンを装着して工具経路を描かせ，工具径補正値も含めた総合的な動きを確認する．

    キャンセルブロックをうまく使うとデバッグを効率よく実施できます．サブプログラムを呼ぶ行をキャンセルブロックとする方法が便利です．


    ２）ＮＣプログラム運転
    デバッグが終了したら，いよいよ実際の加工に移ります．この時，工作物を固定した後で改めて加工原点と工具径補正などのデータが正しいことを確認します．
    　ＮＣプログラム運転を実行するとき、もう一つ注意することとして、加工物の固定工具と刃物経路の干渉の有無があります．特にプログラム運転で早送り（Ｇ００）を２軸同時に実施した時，Ｇ０１の動きと違うので，刃物経路と固定工具の干渉を見落とすことがあります．

    この時のＧ００の動きを左図に示します．Ｇ０１の動きは始点と終点を結んだ直線であるのに対し，Ｇ００はそれぞれの軸が最大速度で同時に動きます．従ってＧ００では，初めは４５°で移動し，短い方が設定値に達した後に，さらに残った軸が必要な距離だけ移動します．この経路上に固定工具があると，刃物と衝突し，刃物を破損する結果になるので注意してください．

    プログラム運転中に切屑を取り除いたり，刃物に切削油を付けようとする場合は，必ず機械を一時的に停止させます．プログラム中に一時停止を入れたいときはＧ０４（ドウエル）を必要な位置に書きこみます．



    ３）簡易プログラム（新潟フライス盤のみ）
    　新潟フライス盤のみの機能ですが，わざわざＮＣのプログラムを作らなくても，定型的な加工ならば機械からの質問に答える形でＮＣ加工が実現できます．フランジの外周に当分配置されたボルト穴，等間隔の穴，円や四角の中ぐりなどの加工は簡易プログラムで間に合います．


    安全のために

    　ＮＣ運転中はプログラムの間違いや外来雑音によって思わぬ動き（誤動作）をすることがあります．運転中に危険を察知した場合は直ちに緊急停止ボタンを押します．
    　緊急停止ボタンが押されると制御装置は全ての軸を急停止させた後，全ての機能を停止します．
    　ＮＣ運転中の事故に備え，操作に当たっている人は緊急停止ボタンをいつでも押せるような体勢を確保してください．また，ＮＣ工作機械が自分の考えていた動きと異なる動きをした場合は直ちに運転を中止し、技術職員に相談してください．
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