あらゆる予算に対応するツールチェンジャー付き自動 CNC ルーター

定義

ATC CNC ルーターは、キャビネット製作、ドア製作、家具製作、工芸品製作、装飾品、楽器製作、看板製作、窓、テーブル、および最も人気のある木工プロジェクトと計画のさまざまなデザインに基づいて、手動操作の代わりにツールマガジン内のルータービットを自動的に変更する自動ツールチェンジャーキットを備えた CNC マシニングセンターの一種です。スピンドルには通常、4〜12 個のルータービットとカッターが付いたツールマガジンが搭載されており、マシンが動作しているときに作業要件に応じて自動的に変更できるため、手動操作は必要ありません。最も一般的なタイプの ATC CNC ルーターキットには、リニア ATC CNC キット、ドラム ATC CNC キット (ロータリー ATC CNC キット)、およびチェーン ATC CNC キットがあります。

自動工具交換装置は、スピンドルと工具マガジン間で工具を移動、ロード、アンロードするための装置です。自動工具交換装置は、CNC 加工における ATC の正式名称です。

自動工具交換キットは、CNC マシンを連続作業で駆動します。つまり、各プロセスが完了すると、次のプロセスで使用される新しいツールがスピンドルに自動的に交換され、スピンドルがツールをピックアップします。ツールの交換は通常、マニピュレーター、マガジン、スピンドルの協調動作によって完了します。

マルチスピンドルCNCルータと比較して、ATCはヘッドストックに一つスピンドルのみを必要とします。スピンドルコンポーネントは、さまざまな精密加工の要件を満たすのに十分な剛性を備えています。 また、工具マガジンには複雑な部品の多段階加工のための工具を多数格納することができ、工作機械の適合性と加工効率を大幅に向上させることができます。 ATCシステムは、工具マガジンと自動工具交換装置の二つの部品で構成されています。 二つの大きな利点があります。一つ目は一つスピンドルだけが予約されていることで、スピンドルの構造を簡素化し、スピンドルの剛性を向上させるのに役立ちます。二つ目は、ライブラリに異なるタイプと機能を持つ多数のルータビットを格納できることです、 これは、複雑で複数のステップの処理手順を完了するのに便利です。

自動工具交換キットは、工具マガジン、工具選択システム、工具交換機構などの部品で構成されており、構造がより複雑です。マガジンとスピンドルの間でビットを転送し、使用するビットをスピンドルに押し込み、交換したビットをマガジン内部に戻す役割を果たします。この交換方法は以前の方法ほど簡単ではありませんが、工具交換のためにマガジンとスピンドルが動くことを回避し、自動工具交換装置に置き換えられます。このようにして、機械部品の移動範囲が縮小され、交換がより速く完了し、設計レイアウトもより柔軟になります。

動作原理

自動工具交換システムにおいて、マガジンとスピンドルの間で工具の受け渡しや出し入れを実現する装置を工具交換装置といいます。工具の交換には、マガジンとスピンドルの相対移動とマニピュレータの 2 つの方法があります。マガジンとスピンドルの相対移動を利用して工具交換を実現する装置は、工具を交換するときに、まず使用済みの工具をマガジンに戻し、次にマガジンから新しい工具を取り出す必要があります。この 1 つの動作は同時に実行できず、工具交換時間が長くなります。

しかし、マニピュレータツールチェンジャーは、交換時にスピンドルとマガジン内のビットを同時に掴んでロードおよびアンロードできるため、交換時間がさらに短縮されます。ロボットを使用したツール交換方法が最も広く使用されています。これは、マニピュレータの交換が柔軟で、動作が速く、構造が簡単だからです。マニピュレータは、つかむ-引き出す-回す-挿入する-戻すなどの一連の動作を完了できます。ビットが落下するのを防ぐために、マニピュレータの可動爪にはセルフロック機構が装備されています。

機能と利点

高出力の自動工具交換スピンドルを採用し、始動性能が良好でトルクが大きく、機械の高速性と高効率性の利点を十分に発揮できます。日本製の高トルクサーボモーターを採用し、低騒音、高速性、高い位置決め精度などの利点があります。独自のツールマガジンを装備しており、必要なルータービットを自由に交換できます。ツール交換時間はわずか数秒です。標準のツールマガジンには8つのツールが付属しており、より大容量のツールマガジンをカスタマイズできます。

コスト

ATC (自動工具交換装置) CNC ルーター マシンのコストは、マシンの仕様、サイズ、機能、ブランドによって大きく異なりますが、通常は約 10,800 米ドルから 100,000 米ドル以上です。エントリーレベルの趣味用 ATC CNC ルーター キットの平均価格は 12,000 米ドルですが、高度な機能、広い作業領域、追加機能を備えた一部のハイエンド産業用 ATC CNC ルーター テーブルは、より高価になる傾向があります。全体として、工具交換装置付き ATC CNC ルーターを購入する平均コストは約 16,000 米ドルです。ニーズに基づいた正確な価格については、特定のメーカーまたはサプライヤーに相談することをお勧めします。

木工職人の多くは、ATC CNC ルーターを所有したいと熱望していますが、中には、通常の CNC マシンを自動ツールチェンジャー キットでアップグレードするのにどれくらいの費用がかかるのか見当もつかない人もいます。2025 年の産業用 CNC 市場レポートによると、DIY を行う場合は、通常のマシンに加えてさらに 3,000 ～ 8,000 ドルを費やす必要があります。

仕様

種類

自動工具交換装置は、一般的にリニア型、ドラム型、チェーン型の3種類に分かれており、それぞれについて紹介していきます。

リニアタイプ

4～12 個の工具を収納できるマガジンに対応したインラインチェンジャーです。工具交換が速く、使いやすいのが特徴です。

ドラムタイプ

CTM型ATC、ディスク型ATCとも呼ばれるロータリーチェンジャーの一種で、8～20個の工具を収納できるマガジンに使用します。

チェーンタイプ

工具交換速度が低い垂直 CNC マシンに使用されます。30 個以上の工具を収納できるマガジン用に設計されており、最高の工具収容能力を備えています。

CNC 加工でツールを変更するにはどうすればいいですか?

回転ツールホルダー

ロータリーツールポストは、CNC旋盤で一般的に使用される最も単純なチェンジャーのつです。 正方形、六角形、円盤形の軸方向工具台など、さまざまな形に設計できます。 ロータリーホルダーにはそれぞれ4つ、6つ以上の工具が取り付けられ、数値制御装置の指示に従ってビットが変更されます。 回転工具ホルダは、荒加工時の耐切削性に耐える構造の強度と剛性が良好である必要があります。 旋削加工の精度は工具先端の位置に大きく依存するため、コンピュータ数値制御旋盤の場合、加工工程中に工具位置を手動で調整しないため、回転工具を確実にするために信頼性の高い位置決めスキームと合理的な位置決め構造を選択する必要があります。 各インデックスの後、ラックは可能な限り高い繰り返し位置決め精度（通常は 0.001 ~ 0.005 mm）を実現します。 通常の状況では、ロータリーホルダーの変更作業には、ホルダーリフティング、ホルダーインデックス、ホルダープレスが含まれます。

スピンドルヘッドの交換

スピンドルヘッドの工具交換は、回転工具を備えたCNCマシンの比較的簡単な工具交換方法です。このスピンドルヘッドは、実際にはタレットツールマガジンです。スピンドルヘッドには、水平と垂直の2種類があります。通常、タレットインデックスを使用してスピンドルヘッドを交換し、自動工具交換を実現します。タレットの各スピンドルには、各プロセスに必要な回転工具が事前に取り付けられています。工具交換コマンドが発行されると、各スピンドルヘッドが順番に加工位置に回転し、メインモーションがオンになり、対応するスピンドルがビットを回転させます。非加工位置にある他のスピンドルは、メインモーションから切断されます。スピンドル工具交換装置は、自動緩め、クランプ、アンロード、ロード、アンロードなどの一連の複雑な操作を節約し、交換時間を短縮し、交換の信頼性を向上させます。ただし、スペース位置の制限により、スピンドルコンポーネントの構造サイズが大きくなりすぎて、スピンドルシステムの剛性に影響を与えます。スピンドルの剛性を確保するには、スピンドルの数を制限する必要があります。そうしないと、構造のサイズが大きくなります。そのため、タレットスピンドルヘッドは通常、コンピューター数値制御のドリルマシンやフライス盤など、プロセスが少なく、精度要件が低いマシンにのみ適しています。

自動工具交換システム

回転刃物台とタレットヘッドタイプのチェンジャーは、収容できるビットが多すぎるため、複雑な部品の加工ニーズを満たすことができません。そのため、ATC CNCマシンでは、主にツールマガジン付きの自動チェンジャーを使用しています。ツールマガジン付きのデバイスは、マガジンとツール交換機構で構成されており、交換プロセスはより複雑です。まず、加工プロセスで使用するすべてのビットを標準ホルダーに取り付け、機械の外でサイズを事前に調整した後、特定の方法でマガジンに入れます。交換するときは、まずマガジン内のビットを選択し、次にチェンジャーがマガジンまたはスピンドルからビットを取り出して交換し、新しいビットをスピンドルに入れ、古いビットをマガジンに戻します。マガジンは大容量で、ヘッドストックの側面または上部に取り付けることができます。自動工具交換マガジンを備えたマシンのヘッドストックにはスピンドルが1つしかないため、精密加工の要件を満たすには、スピンドルコンポーネントの剛性が高くなければなりません。また、マガジン内のビット数が多いため、複雑な部品の多工程加工が可能になり、機械の適応性と加工効率が大幅に向上します。マガジン付きATCシステムは、ドリリングセンターやマシニングセンターに適しています。

マガジンとツールの選び方は？

ツールマガジンタイプ

ツールマガジンは、一定数のルータービットを予備として保管するために使用されます。ルータービットは、マニピュレータを介してスピンドル上のビットと交換できます。ディスク型マガジンやチェーン型マガジンなど、さまざまなタイプのマガジンがあります。マガジンの形状と容量は、機械の技術的範囲に応じて決定する必要があります。ディスクツールマガジンでは、ルータービットの方向はスピンドルと同じ方向です。ビットを交換するときは、スピンドルボックスが一定の位置まで上昇し、スピンドル上のビットがマガジンの下部位置に揃い、ルータービットがクランプされます。スピンドルはコンピューターの制御下にあり、ハンドルを放すと、ディスクツールマガジンが前方に移動し、スピンドル上のルータービットが引き出されます。次に、マガジンは次のプロセスで使用するビットをスピンドルと揃った位置まで回転させ、マガジンを後方に動かして、新しいビットをスピンドルの穴に挿入します。スピンドルはホルダーをクランプし、スピンドルボックスは作業位置まで下降し、ツール交換タスクが完了し、次のプロセスが作業を開始します。この工具交換装置の利点は、構造が簡単で、コストが低く、交換の信頼性が優れていることです。欠点は、交換時間が長く、マガジン容量の小さい加工センターに適していることです。大きなマガジン容量が必要な加工センターでは、チェーンツールマガジンが使用されます。マガジンはコンパクトな構造と大きなマガジン容量を備えています。チェーンリングの形状は、機械のレイアウトに応じてさまざまなタイプにすることができます。形状、交換位置も突出させて交換を容易にすることができます。ルータービットの数を増やす必要がある場合は、チェーンの長さを増やすだけでよいため、マガジンの設計と製造に便利です。

ツール選択方法

マガジンには多くのビットが収納されています。交換する前に、必ずビットを選択する必要があります。よく使用される工具選択方法には、順次方式と任意方式があります。工具は、工程要件に応じて、マガジンのホルダーに順番に挿入されます。工程は、ビットを順番に調整することです。異なるワークピースを加工する場合は、マガジン内のビットの順序を再調整する必要があります。利点は、マガジンの駆動と制御が比較的簡単なことです。したがって、この方法は、加工バッチが大きく、ワークピースの種類が少ない中小型コンピュータ数値制御機械の自動工具交換に適しています。数値制御システムの発展に伴い、ほとんどの数値制御システムは任意工具選択方式を採用しており、工具ホルダーコーディング、工具コーディング、メモリタイプの3種類に分かれています。

ツールコーディング方法

ツールコードまたはホルダーコードは、ツールまたはホルダーにコードバーを取り付けることによって識別する必要があり、通常はバイナリコーディングの原則に従ってコード化されます。選択方式は特殊なツールホルダー構造を採用し、各ビットには独自のコードがあるため、ビットをさまざまなプロセスで再利用でき、交換したビットを元のホルダーに戻す必要はありません。大容量のマガジンをそれに応じて減らすことができます。ただし、各ビットには特殊なコーディングリングがあり、長さが長くなり、製造が難しく、マガジンとマニピュレーターの構造が複雑になります。ホルダーのコーディング方法は、1つのナイフが1つのホルダーに対応することです。1つのホルダーから取り外したツールは、同じホルダーに戻す必要があります。ピックアンドプレースビットは面倒で、交換に時間がかかります。現在、マシニングセンターではメモリ方式が広く使用されています。このようにして、マガジン内のホルダーの数と位置を、CNCシステムのPLCに適切に保存できます。ツール情報は、ツールがどの固定具に配置されているかに関係なく、常に PLC に保存されます。マガジンには位置検出装置が装備されており、各ホルダーの位置情報を取得できます。これにより、ツールを自由に取り出したり戻したりできます。マガジンには機械的な原点もあるため、ナイフが選択されるたびに、最も近いナイフが選択されます。

アプリケーション

ATC CNCルーターマシンは、家具や住宅改修、木工品、キャビネット、スクリーン、広告、楽器、精密機器のシェル加工産業など、幅広い業界で使用できます。また、加工できる材料には、主に木材、ガラス、石、プラスチック、アクリル、絶縁材料など、さまざまな非金属材料が含まれます。

木工

家のドア、 3D 波板加工、キャビネットドア、無垢材ドア、工芸木製ドア、無塗装ドア、スクリーン、工芸窓製作、靴磨き機、ゲーム機キャビネットおよびパネル、コンピューターテーブルおよびパネル家具製作。

金型製作

銅、アルミ、鉄などの金属型や、木、石、プラスチック、塩ビなどの非金属型も製作できます。

広告と趣味人

サイン製作、ロゴ製作、レタリング、アクリルカット、ブリスター成形、加飾。

工業製造業

工芸品やギフト業界で広く使用されている、あらゆる種類の影彫刻やレリーフ彫刻を作成できます。

トラブルシューティング

ATC 付き CNC ルーターは、コンピュータ数値制御マシンの中で最も強力な分類です。加工の強度と速度は他のコンピュータ数値制御マシンとは比べものになりませんが、完全に自動化された機械設備であるため、毎日の検査とメンテナンスも非常に重要です。ツールチェンジャー付き CNC ルーターは、通常のコンピュータ数値制御マシンの検出および障害診断方法とはまったく異なります。

機械動作検査方法

動作検査法は、機械の実際の動作を観察および監視して、故障の位置を特定し、故障の根本原因を追跡する方法です。一般的に、コンピュータ数値制御機械キットは、自動工具交換装置、交換テーブル装置、固定具および伝達装置などの油圧および空気圧制御部品を採用しており、動作診断を通じて故障の原因を特定するために使用できます。

状態分析法

CNC システムは、障害診断情報を表示するだけでなく、診断アドレスと診断データの形式でさまざまな診断状態を提供することもできます。たとえば、システムが参照ポイントに誤って戻った場合、関連するパラメータのステータス値を確認して、障害の原因を特定できます。

CNCプログラミングチェック方法

CNCプログラミングチェック方法は、プログラム機能テスト方法とも呼ばれ、特別なテストプログラムセグメントをコンパイルして障害の原因を確認する方法です。手動プログラミング方法を使用して、システム機能（直線位置決め、円弧補間、ねじ切り、固定サイクル、ユーザーマクロプログラムなど）の機能テストプログラムをコンパイルし、テストプログラムを実行して、これらの機能を実行するマシンの精度と信頼性をチェックし、障害の原因を特定します。通常、テストプログラムはマシンを修復するための指示とともに記述され、障害が発生したときにプログラムを実行して障害が何であるかを判断します。

機器検査方法

計器検査法とは、従来の電気計器を使用して、交流電源と直流電源の各グループの電圧、位相直流信号、パルス信号などを測定し、障害を検出する方法を指します。

数値制御システムの自己診断方法

数値制御システムの自己診断は、システムの内部自己診断プログラムまたは専用の診断ソフトウェアを使用して、システム内の主要なハードウェアとシステムの制御ソフトウェアを自己診断およびテストする診断方法です。主に、電源投入時の自己診断、オンライン監視、オフラインテストが含まれます。CNCマシンはシステムの自己診断機能を使用して、システムと各部品間のインターフェース信号の状態を簡単に表示し、障害の大まかな場所を見つけることができます。これは、障害診断プロセスで最も一般的に使用される方法です。