CNCプログラミングを理解し、学ぶ前に知っておくべき重要な情報

CNCプログラミングを理解したり学んだりする前に、まず習得すべき知識を明確にすべきである。

CNCプログラミングを理解したり学んだりする前に、どのようなスキルや知識を身につけるべきでしょうか？

1. Having a strong mechanical foundation and knowledge of part geometry and fixture design can be beneficial, as it provides a better understanding of machining processes and the components being programmed.

2. CNC programming encompasses both manual programming and Automatic programming. Manual programming often involves writing code directly, requiring a foundation in mathematics and a clear understanding of the Cartesian coordinate system and axis directions (X, Y, Z, and their negative counterparts). This knowledge is crucial for accurate programming.

3. While learning 2D quick drawing and CAD modeling (3D design) can help understand the visual aspects of CNC programming, it is not necessarily a prerequisite.

4. Having a passion for machinery and being interested in the performance and operation of specific machine brands (such as Mitsubishi, FANUC, Siemens, and Haas) can enhance motivation and engagement. However, hands-on machine operation is not strictly mandatory to begin learning CNC programming syntax.

5.工具速度、送り速度、切り込み深さなどの側面を含め、現場でCNC機械の実際の操作を観察することは、CNCプログラミングのスキルを向上させる貴重な洞察と実践的な知識を提供することができる。

6.熱心な学習、批判的思考、徹底的なメモの取り方、失敗から学ぶことは、CNCプログラミングやあらゆる技術を効果的に学び、習得するために不可欠である。

CNCプログラミングでは、どのようなソフトウェア・ツールを使用するのですか？

CNCプログラミングにおける手動プログラミングと自動プログラミング

前述したように、CNCプログラミングでは、プログラムを作成する方法として、主に手動と自動の2つのアプローチがある。

マニュアル・プログラミング：

Manual programming involves directly writing the CNC program code using a text editor or specialized software. The programmer needs to understand the CNC machine’s capabilities, the G-code language (standardized under the RS-274 format ^[1]), and the specific syntax required by the machine controller.

手作業によるプログラミング・プロセスには、通常、以下のようなものが含まれる：

工具の動き、主軸の回転数、送り速度、その他のパラメータを定義するために、Gコード命令の個々の行を記述すること。

数学的計算と三角法を使用して、部品の形状に基づいてツールパスの正確な座標を計算します。

工具の交換、ワークのセットアップ、工具のオフセットなどを考慮し、正確で効率的な加工作業を行う。

手動プログラミングは、加工プロセスを正確に制御し、コードのカスタマイズや微調整を可能にします。自動プログラミングが適さない、あるいは効率的でない複雑で特殊な加工アプリケーションでよく使用されます。

自動プログラミング：

Automatic programming, universally known as Computer-Aided Manufacturing (CAM), involves using specialized software to automatically generate CNC programs. The software generates the program code by using inputs such as part geometry, tooling information, machining operations, and other parameters.

自動プログラミング・プロセスには通常、以下のものが含まれる：

加工する部品の3DモデルまたはCADファイルをインポートまたは作成します。

CAMソフトウェア内で加工オペレーション、ツーリング、加工パラメーターを定義する。

このソフトウェアは、ツールパス、速度、送り、その他の命令を含むCNCプログラムコードを自動的に生成する。

自動プログラミングには、生産性の向上、プログラミング時間の短縮、加工前のツールパスのシミュレーションと最適化など、いくつかの利点があります。自動プログラミングは、大量生産や繰り返し加工を行う産業で一般的に使用されています。

手動プログラミングにも自動プログラミングにも、それぞれの利点がある。プロジェクト固有の要件、部品の複雑さ、プログラマーの専門知識、その他の要因に基づいて使い分けられる。多くのCNCプログラマーは、最良の結果を得るために、手動プログラミングと自動プログラミングのテクニックを使い分けている。

CNCプログラミングのステップ

マニュアル・プログラミングのワークフロー

1.部品図面の分析と工程計画：部品の図面を分析し、寸法と技術的な要求を理解し、加工計画を決定し、作業の順序を決める、 什器のデザイン 必要に応じて、適切な工具を選択し、ツールパスと切削パラメータを計画する。

2. Mathematical processing: A workpiece coordinate system is established based on the geometric characteristics of the part. The tool trajectory is calculated within this coordinate system, considering the starting and ending points of geometric elements, circular arc centers, and intersections or tangent points between geometric elements. For standard 2D profiles, basic trigonometry is applied to find intersection points. (Note: Calculating discrete points for complex 3D surfaces manually is practically obsolete today and is strictly handled by CAM software).

3.部品プログラムリストの作成決定された加工経路と加工パラメータは、CNCシステムのコマンドコードとプログラムセグメントフォーマットに変換される。部品プログラムは、指定されたプログラミング構文と規則に従って、一行ずつ書き込まれる。

4. Program input: While older generations used perforated paper tape, modern CNC machines primarily load programs via USB drives, Ethernet networks, Wi-Fi, or Direct Numerical Control (DNC) connections, using the machine’s MDI keyboard only for minor edits.

5. Program verification and the first test cut: The written program must be verified and tested before machining. Verification involves checking the machine’s motion trajectory by running the program without cutting the workpiece, a standard validation process commonly known as a “dry run” (air cutting). If the CNC machine has graphic display capabilities, simulation can be used to visualize the tool-cutting process. However, the first test cut on the actual workpiece is crucial to assess the accuracy of the machined parts and make necessary adjustments to cutting parameters and tool paths.

自動プログラミングのワークフロー

1.CADモデルのインポートまたは作成

最初のステップは、加工するパーツの3DモデルをCAMソフトウェアにインポートすることです。3Dモデルは、CADソフトウェアからインポートすることも、CAMソフトウェア内で直接作成することもできます。

2.機械加工の定義

Next, the programmer defines the machining operations to be performed on the part. This includes specifying CNCフライス加工 operations such as roughing, finishing, drilling, contouring, and pocketing. Each operation has specific parameters such as tool selection, cutting speeds and feeds, cutting depths, stepovers, and allowances.

3.ツールパス生成

Based on the defined machining operations, the CAM software generates a toolpath representing the tool’s movement and machining strategy on the part’s surfaces. The toolpaths are calculated by considering factors such as the tool’s geometry, tool orientation, collision avoidance, and advanced kinematic optimization algorithms ^[2].

4.シミュレーションと検証

ツールパスが生成されると、プログラマーはCAMソフトウェア内で加工プロセスをシミュレーションすることができます。このシミュレーションにより、工具の動きを視覚化し、潜在的な衝突やエラーを検出し、ツールパスが最適化され、部品に適していることを確認することができます。

5.後処理

ツールパスが確定し、検証された後、CAMソフトウェアは後処理を行う。これは、ツールパスをCNCマシンが理解できるマシン固有のGコード命令に変換することを含む。ポストプロセッサーは、ターゲットCNCマシンコントローラーの特定の構文とフォーマット要件に合うように、Gコード出力を調整します。

6.CNCマシンへの転送

生成されたGコードプログラムは、直接接続、またはUSBドライブやネットワーク転送などの外部記憶メディアを介してCNCマシンに転送されます。プログラムは機械のコントローラにロードされ、実行の準備が整う。

7.マシンのセットアップと実行

機械は、CNCプログラムを実行する前に、適切なワーク保持具、切削工具、ワークのアライメントをセットアップする。すべての準備が整うと、CNCプログラムが実行され、機械がワークに対してプログラムされた加工を行う。

CNCプログラミングの異なるコード

Gコード（準備コード）

G-codes are used to define various preparatory functions and operations. These codes specify the tool’s movement, machining modes, coordinate systems and other parameters. Some common G-codes include G00 (rapid positioning), G01 (linear interpolation), G02/G03 (circular interpolation), G17/G18/G19 (plane selection), and G90/G91 (absolute/incremental positioning).

Mコード（その他のコード）

Mコードは、スピンドルの動作など、その他の機械機能を制御するために使用される、 冷却剤 オン／オフ、工具交換、機械停止。機械のメーカーやモデルによって異なる。Mコードの例としては、M03/M04（主軸時計回り/反時計回り）、M05（主軸停止）、M06（工具交換）、M08/M09（クーラントオン/オフ）などがある。

Tコード（ツール選択）

Tコードは、加工に使用する工具番号または工具オフセットを指定するために使用します。これらのコードは、ツールマガジンまたはツールホルダー内のどの工具を特定の加工に使用するかを示します。例えば、T01 は工具番号 1 を選択し、T03 は工具番号 3 を選択します。

Sコード（主軸回転数）

S-code は、加工に必要な主軸回転速度を定義するために使用します。Sコードに続く値は、主軸回転数をRPM（毎分回転数）で表します。例えば、S1000 は主軸回転数を 1000 RPM に設定します。

Fコード（送り速度）

Fコードは、プログラムされたツールパスに沿って工具が移動する際の送り速度を指定するために使用します。F コードに続く値は、1 分あたりの単位で送り速度を表します。例えば、F200 は送り速度を毎分 200 単位に設定します。

X、Y、Z、およびその他の軸コード

これらのコードは、異なる軸に沿ったツールの座標と位置を指定します。XコードはX軸に沿った位置、YコードはY軸に沿った位置、ZコードはZ軸に沿った位置を表す。A、B、Cなど、より多くの軸を持つ機械には、追加の軸コードを使用できます。

ドエル・コード

Dwell codes pause the machine at a specific location or duration. The dwell time is specified using the P-code, representing the dwell time in seconds. For example, G04 X2.0 (or G04 P2000, as the P-address typically uses milliseconds in standard Fanuc controls) would cause the machine to dwell for 2 seconds.

Among the different codes used in CNC programming, the G-code is the most commonly used. G-codes are fundamental to CNC programming as they define the machine’s movement (governed by ISO 6983 standards) and control various aspects of the machining process.

最後の言葉

CNCプログラミングには、慎重な注意を払うべき数多くの重要な考慮事項が含まれる。機会があれば、CNCプログラミングで注意を要する重要な側面について包括的に論じるために、将来、記事を捧げるつもりである。

参考

[1] Kramer, T. R., Proctor, F. M., & Messina, E. R. (2000). The NIST RS274NGC Interpreter – Version 3. National Institute of Standards and Technology (NIST). https://doi.org/10.6028/NIST.IR.6556

[2] Altintas, Y. (2012). Manufacturing Automation: Metal Cutting Mechanics, Machine Tool Vibrations, and CNC Design (2nd ed.). Cambridge University Press. https://doi.org/10.1017/CBO9780511843723