数値制御

数値制御（NC）とは

数値制御（Numerical Control、NC）とは、機械の動作を数値データで指示する制御方式のことです。特にNC工作機械におけるNC加工で広く利用されています。NCは、手動による機械操作やカムを用いた機械的な自動化とは異なり、プログラムされた数値情報に基づいて機械を制御します。これにより、より精密で複雑な加工が可能となり、製造業の自動化に大きく貢献しました。

NC工作機械の特徴

NC工作機械は、各軸が独立したメカニズムを持ち、それぞれにフィードバック機構が備わっています。例えば、XYZ軸を持つNCフライス盤では、X、Y、Z軸それぞれに独立したサーボ機構があり、指令された数値通りに正確に移動します。この精度がNCの大きな特徴です。通常、NC工作機械はプログラムを解釈するコンピュータと組み合わせて使用され、CNC（コンピュータ数値制御）として運用されることがほとんどです。現代ではCNCではないNC工作機械は少なく、一般的に「NC工作機械」という場合はCNC工作機械を指します。CNCで使用されるプログラム言語はNCプログラムと呼ばれます。

NCの歴史

初期の自動化方式

工作機械の自動化は19世紀初頭、カムを使用する方法から始まりました。カムはオルゴールや鳩時計などにも用いられており、初期の自動化技術として重要な役割を果たしました。しかし、カムによる自動化は、設計と製造工程が直接的に結びついており、抽象的なプログラムによる制御とは根本的に異なるものでした。

トレーサー制御

カムによる自動化の発展として、テンプレートをスタイラスでなぞるトレーサー制御が登場しました。この方式では、テンプレートの形状を元に機械が動作します。また、記録再生方式では、熟練工の操作を記録し、それを再生することで自動化を実現していました。しかし、これらの方式は数値制御とは異なり、物理的な形状や動作を基にしているため、プログラムの柔軟性に欠けるという課題がありました。

サーボ機構とセルシンの登場

NCの実現には、工作機械の正確な位置決めが不可欠でした。そのため、サーボ機構の開発が重要な役割を果たしました。サーボ機構は、機械の動作を正確に測定し、目標位置に正確に移動させるためのフィードバックシステムです。特にセルシン（シンクロサーボ機構）は、遠隔のサーボの動きを正確に伝えることができるため、機械制御において重要な技術となりました。セルシンを機械制御に応用するアイデアは、GEのアーンスト・アレキサンダーソンによって提案されました。

パーソンズとNCの発明

一般的に、数値制御の発明者はジョン・T・パーソンズとされています。パーソンズは、ヘリコプターのローターブレードの製造を契機に、数値制御のアイデアを思いつきました。当初は木製の縦通材を製造していましたが、金属加工に切り替える過程で、設計図の数値を元に直接機械を制御する発想に至りました。

パーソンズは、ライト・フィールドのフランク・スチューレンと共に、パンチカードシステムを用いてローターの形状を数値化し、それを元に工作機械を制御する試みを始めました。この試みは「数値による方式」と呼ばれましたが、まだ手動での操作が必要でした。パーソンズは、パンチカードシステムを直接機械に接続することで、完全に自動化された工作機械を構想しました。

しかし、初期の試作機ではモーターの制御精度が課題となり、正確な切削ができませんでした。そこで、パーソンズはフィードバックシステムの先進的な研究を行っていたMITサーボ機構研究所を訪れました。

MITとの共同開発

MITのチームは、パーソンズの設計を大きく改良し、2点間を滑らかに切削する機能を加えました。これにより、より少ない数値データで複雑な形状を加工することが可能になりました。MITはパーソンズの設計を基に、試作機とその生産システムを開発しました。しかし、その後、MITはCincinnati Milling Machine Companyとの間で契約を結び、パーソンズは開発から遠ざけられました。

MITが開発した試作機は、7トラックの紙テープを入力として使用し、各軸を駆動するモーターを制御しました。しかし、このシステムは複雑で、真空管やリレーを多数使用しており、信頼性やコストの面で課題がありました。

NCの実用化

空軍の資金提供が終了した後、Giddings and Lewis Machine Tool Co. (G&L) が開発を引き継ぎ、NCの商業化を目指しました。G&Lは、MITの技術をベースに、磁気テープを用いた制御装置「Numericord」を開発しました。この装置は、よりコンパクトで信頼性が高く、NCの実用化に大きく貢献しました。

Monarch Machine ToolもNC旋盤の開発を始め、1955年の展示会でNC工作機械が多数発表されました。ボーイング社は、数値制御がコスト削減、リードタイム短縮、品質向上に貢献すると評価しました。しかし、当初はNCの採用はそれほど急速には進みませんでした。

米軍は、NCの普及を促進するために、120台のNC工作機械をリースするなどの措置を講じました。1958年、MITはNCの経済性に関する報告を発表し、NC工作機械が人間の機械工に対抗できる能力を持つことを示しました。

NCは、その後のコンピュータ技術の進歩と相まって、CNCへと発展し、現代の製造業において不可欠な技術となりました。

数値制御の歴史は、技術革新と産業の変化が相互に影響し合いながら進展してきたことを示しています。NCは、単なる自動化技術ではなく、製造業における新たな可能性を切り開く重要な技術革新でした。

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