# 開発編 （CNC） ```{important} ### 目的 工作機械・CNCを扱う技術者が、TwinCAT 3 CNCを使って工作機械制御を実装するために、そのアーキテクチャと実装方法を理解する ### 対象 - 工作機械・CNCを扱う技術者 - BeckhoffのPLC基礎トレーニングを受講済 - BeckhoffのCNCのライセンスを購入し、「TC3_CNCPLCBase.tpzip(標準PLCプロジェクト)」と「Beckhoff.App.Shell.Core.exe(標準HMIアプリケーション)」が配布されていること ``` *** ::: ## 一般的なCNCとTwinCAT 3 CNCの違い ::: 現在広く普及しているCNCは、補間演算・軸指令の生成、画面の表示、PLC機能、サーボ制御など、複数の機能をまとめて専用のCNC装置として提供されています。({numref}`figure_cnc_system`) ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_001.png :align: center :name: figure_cnc_system 一般的なCNCの構成 ``` 一方でBeckhoffが提供するCNCは、産業用PC上で動作するTwinCAT 3のMotion機能の一部として提供されるソフトウェアCNCです。({numref}`figure_twincat_cnc`) TwinCAT 3という統合プラットフォームには、PLC、Motion、HMI、通信などの機能モジュールも含まれています。一般的なCNCとの違いは、CNC機能を専用CNC装置としてではなく、TwinCAT 3の拡張機能の一部として存在している点です。PLCやHMIなどを同じTwinCAT 3上で構成できるため、拡張性のあるCNCを構築することが可能です。 ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_002.png :align: center :name: figure_twincat_cnc TwinCAT 3 CNCの構成 ``` 以下は、それぞれのCNCの主要な機能の違いをまとめた表です。({numref}`cnc_comparison_table`) ```{csv-table} CNC項目別対比表 :header: 項目, 一般的なCNC, TwinCAT 3 CNC :name: cnc_comparison_table :widths: 25, 30, 52 制御機器, CNC装置, IPC + TwinCAT 3 画面, 標準のCNC画面, 専用アプリケーション・TwinCAT 3 HMI PLC機能, CNCの補助機能・PMC, TwinCAT 3 PLC 軸・ドライブ制御, CNC装置 + サーボアンプ, TwinCAT 3 CNC + EtherCAT対応ドライブアンプ ``` *** ::: ## Beckhoffの工作機械制御 ::: 前述の通り、Beckhoffが提供するCNCは、TwinCAT 3の機能モジュールの一部であり、ハードウェアとして専用のCNC装置を必要としません。代わりに、産業用PC（IPC）上で動作するTwinCAT 3 Runtimeを使用して、CNC機能を実現します。({numref}`figure_beckhoff_cnc_control`) CNCは、NCプログラムに従って補間演算や軸指令の生成を行います。生成された指令が、EtherCATを介してサーボドライブアンプに送信されることで、工作機械の各軸を制御します。また、PLCはEtherCATで接続された入出力デバイスを制御することで周辺機器の制御を、HMIは操作画面の表示と操作の入力処理を担います。さらに、IPC上ではWindowsのアプリケーションを実行できるため、通信機能を介したIoTやクラウドサービスなどの連携も可能です。 ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_003.png :align: center :name: figure_beckhoff_cnc_control Beckhoffの工作機械制御の概要 ``` 上記のCNCによる各軸制御の仕組みを少し掘り下げて解説します。({numref}`figure_cnc_motor_control`) CNCは、通常NCプログラムを実行することで、各軸の動作を制御します。CNCは、NCプログラムのGコードの命令に従い、各軸の目標位置・速度・加速度を決定し、周期的な位置の指令としてサーボドライブアンプへ送信します。 サーボドライブアンプは、受信した位置とエンコーダから取得した位置を比較し、サーボモータに入力する電流を計算・出力することで、サーボモータを制御します。サーボモータは、CNCから受信した位置の指令に高応答で追従することが求められます。サーボモータの応答性は、機械特性に応じたサーボ制御の制御器パラメータ（ゲイン）で決定されるため、適切なサーボパラメータ調整(ゲイン調整)を行うことが重要になります。 軸の動作に問題が発生した際、上記のCNCとサーボ制御の役割の境界を理解していると、問題の原因を特定しやすくなります。また、それぞれの機能を拡張させることにより、より高度な制御を実現することも可能です。 ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_004.png :align: center :name: figure_cnc_motor_control CNCによるモータ制御 ``` *** ::: ## TwinCAT 3 CNCのアーキテクチャ ::: TwinCAT 3 CNCによる工作機械の制御実装において、そのアーキテクチャを理解することは非常に重要です。以降では、工作機械の制御におけるTwinCATの各機能の役割と、CNCとPLCをつなぐHLIの説明をします。 工作機械では、機械を扱う作業者はHMI（画面）を通して機械を操作し段取りを行います。この画面の機能は、TwinCAT 3 HMIや、ライセンス購入時に配布されている「Beckhoff.App.Shell.Core.exe（標準HMIアプリケーション）」が担います。 HMIの操作処理は、ADS通信などを介してPLCの変数を読み書きします。PLCはその変数変化の情報をもとに、HLIを通してCNCに制御命令を渡します。 CNCは命令された制御を実行します。それが軸の制御に関わる命令であれば、前述の通りにEtherCATで接続されたサーボドライブアンプへ位置の指令などを送信し、それを受信したサーボドライブアンプは、必要な電流を出力してサーボモータを回転させます。 ここで重要なのが、PLCとCNCの情報をやり取りしているHLIの存在です。以降では、HLIについて解説します。 ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_005.png :align: center :name: figure_twincat_cnc_architecture TwinCAT 3 CNCのアーキテクチャ ``` PLCとCNCの間には共有メモリ領域としてHLI（High Level Interface）が用意されています。PLCがHLI上の変数を読み書きすることで、CNCの制御命令の受け渡しや状態情報の取得を行います。基本的に、HMIやユーザアプリケーションからTwinCAT 3 CNCへ機能コマンドを直接入力したり、CNC内部情報を直接参照したりすることはありません。それらは全てPLCからHLIを介してアクセスします。({numref}`figure_hli_interface`) 例として、ジョグ動作フローと、座標表示フローにおけるHLIの関わりを以降で解説します。 ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_006.png :align: center :name: figure_hli_interface PLCとCNCをつなぐHLI ``` ジョグ動作では、まず作業者がHMIを通して操作入力を行います。操作を受け付けたHMIは、ADSを介してPLCの所定の変数へ書き込みます。PLCはその変数の状態に応じてHLI上のコマンド領域を更新し、CNCへジョグ命令を渡します。命令を受けたCNCが、対象軸のジョグ動作を行います。 このフローにおいて、HLIはPLCからCNCへコマンドを渡すインタフェースの役割を担っています。({numref}`figure_jog_operation`) ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_007.png :align: center :name: figure_jog_operation ジョグ動作フロー ``` 座標表示フローでは、まずCNCが軸の位置情報をEtherCATで接続されたサーボドライブから取得します。その情報をHLIを通してPLCに提供し、PLCはその情報を所定の変数に書き込みます。HMIはある周期でその変数の情報を読み取り、それを表示します。 このフローにおいて、HLIはCNCが持っている状態情報をPLCへ渡すインタフェースの役割を担っています。({numref}`figure_coordinate_display`) ```{figure} cnc/assets/develop_cnc_008.png :align: center :name: figure_coordinate_display 座標表示フロー ``` 上記の通り、CNC制御における機能の実行と情報の取得において、PLCとCNCの情報を受け渡すHLIの重要性が理解できたと思います。配布されている「TC3_CNCPLCBase.tpzip（標準PLCプロジェクト）」では、CNCの基本的な機能に関して、HLIへ直接アクセスしなくても扱えるように標準PLC側の変数や処理が用意されています。標準PLC側に用意されていない機能については、TwinCAT CNCのPLCライブラリで用意されているファンクションブロックを使用する、もしくはHLIにアクセスして制御実装を行うことになります。 *** ```{toctree} :caption: 目次 :maxdepth: 5 cnc/00_introduction/index.md cnc/01_configuration/index.md cnc/02_parameter/index.md ```