大分工業高等専門学校紀要

第 59 号(令和 4 年 11 月)

5軸マシニングセンタとVBAによる実践的な学習教材

山本 通1・佐藤 色波1・須藤 優樹1・中谷 賢希1・平山 創大1
1機械工学科

文部科学省では，「AI戦略2019」に基づいた数理・データサイエンス・AIに関する教育の強化に注力しているが，統計手法やAI手法の基礎には，数学や情報学があり，初等的な数学，表計算アプリの使い方やプログラミング能力も高めておく必要がある．一方，各専門分野や専門科目でも，Society5.0の実現に向けた対応が必要である．ここで，筆者の所属する機械工学科では，様々な製品や部品の製作時に，要求される形状，強度，精度，性能やコストなどを考慮する必要がある．そのためには，各種加工法や工作機械に関して知識や経験が必要となってくる．そこで，現代のものづくり産業における工作機械の中で，主役の一つであるマシニングセンタを題材にして，初等的な数学，表計算アプリの使い方，プログラミング能力を向上させるための実践的な教材作成に取り組んだ．本稿では，それらの詳細について紹介する．

キーワード : 5軸マシニングセンタ，CAD，VBA，DXF変換，BYOD，微細溝加工試験

１．緒言

意図する精度，加工時間や加工品位を得るには，工具，加工条件，加工パス等の選択も重要で，総合的なものづくり

Society5.0の実現に向け，自ら問題を発見し，目的に応じに関する能力が必要とされる．て解決策を発想し，人工知能・ビッグデータ・IoTなどを適そのため，筆者は，マシニングセンタを題材とすれば，切に活用して解決できる高度情報人材を多く輩出するこ

機械系分野でのSociety5.0の実現に向けた特徴的な教材がとが求められている．また，統合イノベーション戦略推進作成できるではないかと考えた．そこで，マシニングセン会議が策定した「AI戦略2019」では，文理を問わず全てのタを動作させるためのNCプログラムを半自動で出力する

大学生・高専生に対して初級レベルの数理・データサイエための実践的な情報教育，マシニングセンタでの実加工，ンス・AIを習得することが掲げられた1)．そのため，多く加工結果の測定や考察までを行える教材の検討を本年度の高等教育機関で「AI戦略2019」に基づいた教育の強化にから学生とともに開始した．本稿では，それらの具体的な注力するために，様々な研究や教材作成等が行われている

内容や今後，授業を行っていくうえで予想される課題につ2-6)

いて検討した．

．本校も2021年に文部科学省から「数理・データサイエンス・AI教育プログラム(リテラシーレベル)」の認定をいただき，数理・データサイエンス・AIに関する基礎的な能２．5軸MCとVBA力向上や，それらを自らの専門分野に応用できるように教育プログラムを実施している．

(1) 5軸MC

一方，各専門分野や専門科目でも，Society5.0の実現に向5軸MCは，直進3軸と回転2軸を有することから工作物にけた対応が必要である．ここで，筆者は工作機械メーカに勤務していた経験があり，NC工作機械，特にマシニングセ対して任意の方向から工具を接近させることができる．そンタ(以下，MCと言う)に関して実務経験が豊富にある．MC

インペラなどの複雑形状部品の加工にも使われたりする．

は，現代のものづくりにおいて欠かせないツールであり，本校には，図-1に示すテーブル旋回形5軸マシニングセン

機械系の学生が，その特徴や操作方法を修得しておくことタが設置されており，主に実験実習，卒業研究，特別研究のため，リードタイムを短縮する手段として利用されたり，は重要で，これを利用した緻密で洗練されたものづくりは等で利用されている．しかし，5軸MCを使いこなすには，か我が国の得意分野の1つである．また，通常，複雑な部品等なりの知識や経験が必要なため，本校では，この工作機械の製作で，マシニングセンタを扱うにはCAD/CAMやシミを扱える学生は，ほとんどいない状況である．

ュレーションソフトの知識やスキルも必要となる．さらに，―18―

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ZA①②③BX(a)配布用 Excel シート
Y

図-1 本校の 5 軸マシニングセンタzｙx①②③(b)フォーム

図-2 微細溝加工(c)出力結果
図-3 配布用 Excel シートと出力結果(2) ExcelとVBA
Microsoft社のExcel(以下，Excelと言う)が，代表的な表計算ソフトであることは，周知の通りで，本校でも実験データを整理したり，科学計算等に利用したりしている．一方，Excel，WordなどのOfficeアプリケーションにおいて，特定の処理を自動化するために，ユーザーはVBAと呼ばれるプログラミング言語が利用できる7)．VBAは，比較的覚えやすくweb上の記事や入門書もとても多く，初心者向きのプログラミング言語とも言われる8)．
本教材では，初等的な数学，表計算アプリの使い方，プログラミング能力を基礎から学べることや，Microsoft社との包括協定により本校学生が自身のPCにMicrosoft 365のインストールが可能なことから，情報教育強化ツールの1つとしてExcelが適当ではないかと考え，教材開発を行った．

３．先端点制御用NCプログラム出力(1) 先端点制御機能と本校5軸MCの仕様
最新の5軸MCにはNCに先端点制御という機能が付加されているのが一般的である．例えば，先端点制御機能を有するテーブル旋回形5軸MCであれば，ワークをどこにセットしても同じプログラムで加工が可能となり，3軸MCを扱

図-4 配布用 Excel シートのソースコード(抜粋)うのと似た操作手順で加工が行える．また，テーブル旋回
形5軸MCの先端点制御用NCプログラムは，回転軸指令があっても，プログラム上はワークが回転せず工具軸が傾斜する形式(以下，ワーク座標系と言う)で出力されるため，プログラム軌跡を確認することで，どのような加工が行われるかイメージしやすい．しかし，本校に設置されている5軸MCは，導入から十数年経過しており，NCが先端点制御機能に対応していない．したがって，ワークをチャック等にセットした後，ワークや回転中心の位置を確認し，NCプログラムを作成しなければならない．

(2) VBAによる先端点制御用NCプログラム出力
前述したように，本校の5軸MCは，先端点制御に対応していないが，この機械で加工を行う場合，最初にワーク座標系で，先端点制御用NCプログラムを作成する必要がある．加工プログラムは，図-2に示すように，任意の工具姿
勢でボールエンドミルにより，一定の深さで3本の溝加工を行う．なお，図の点線は工具姿勢で，数字と矢印で示す線が溝加工の軌跡である．この加工はプログラムが単純で分かりやすく，加工時間も短い．また，様々な面から考察―19―

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図-7図-5 微細溝加工のための先端点制御用 NC プログラム
Z(a, b, c)YZ(a, b)YεX

AB 軸指令から工具姿勢を算出する自作関数

ε(a 2 + b 2 , c)

φXX

図-6 工具姿勢と AB 軸指令の関係が可能なため，本教材では，この加工を採用した．
プログラム出力の具体的な手順は以下に示す通りで，最初に，図-3(a)に示すように，溝加工を開始する座標(x,yとz座標値)と工具姿勢(a,b指令)等が記述されたExcelシート
図-8 工具姿勢を付加した加工軌跡を学生に配布する．学生は，シート内の「ファイル出力」
ボタンを押し，表示される図-3(b)の「テキスト出力」ボタンを押すことで，図-3(c)に示すようにExcelのセル内の情(2) 回転軸指令から工具姿勢ベクトルの算出報がテキストデータとして出力されることを体験する．そ工具姿勢をCAD上で，1本の線分で表現し，NCプログラの後，図-4に示すようなソースコードの説明を行い，学生ムを視覚的に見せるには，図-6に示すような考え方が必要にはこれをアレンジさせ，微細溝加工用NCプログラムがになる．つまり，本校の5軸MCで，A軸ε，B軸φの回転軸指出力できる半自動CAMのプログラムを作成させる．例えば， 令がNCプログラムで与えられたとすると，加工時の工具姿勢(a, b, c)は，以下の式(1)で算出できる．
R5mmボールエンドミルで，図-3(a)に示す加工開始位置とcos(𝜀𝜀) × 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜑𝜑)𝑎𝑎�𝑏𝑏 � = � sin(𝜀𝜀) × 𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠(𝜑𝜑) �𝑐𝑐co𝑠𝑠(𝜑𝜑)

工具姿勢で，長さ5mmの微細溝を加工するNCプログラム(ボールエンドミルの工具中心位置出力)は，図-5のようになる．これにより，VBAの基礎を復習させるとともに5軸加(1)

これを図-7のように関数化し，点や線をDXF出力するサ

工時のNCプログラム作成手順を理解させる．

ブルーチンも含めて学生に配布する．その後，学生には，配布されたプログラムを活用し，NCプログラムを読取り，４．NCプログラムのDXF変換

図-8に示すように，NCプログラムの軌跡をDXFデータ化するプログラムを作成させる．この作業には，早送り指令，(1) DXFフォーマット
機械系学科に所属する学生にとって，CADの知識や操作切削送り指令や回転軸指令の認識をどのようにさせるかスキルも必須の修得項目である．そこで，前章で作成したNCプログラム軌跡と工具姿勢をCADで表示できる形式のや，配布されたプログラムをどのように活用するか等，学データに変換させる教材も作成し，回転変換等の基本的な数学的知識を復習しながら，VBAによるプログラミングのとして有効ではないかと考える．

更なる理解を深めさせようと考えた．

(3) DXFファイルと各種CADとの相性

生が自ら考えなければならない部分が多く，実践的な教材

なお，NCプログラムをCADで表示するためのフォーマ

本校機械工学科の授業では，主にSOLIDWORKSというットとしては，DXFファイルを選択した．DXFファイルは，名称のCADを使用している．しかし，前節で作成したDXFフォーマットが公開されており，テキスト形式で比較的容ファイルを上記CADで開こうとすると，レイヤや線種の情易に意図するデータを作成しやすく，多くのCADがDXF形報が引き継がれないことが分かった．一方，Rhinocerosと式をサポートしていることが，選択理由である．

いうCADでは，図-8に示したように，意図した通りに加工軌跡や工具姿勢の線種やレイヤが表示される．なお，図の―20―大分工業高等専門学校紀要

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点線はG0：位置決め(早送り)指令，実線はG1：直線補間(切削送り)指令，一点鎖線は工具姿勢を表す．

(2) NCプログラム作成シート
図-9に示すように，ワークをセットしたとすると，基準

また，最近，条件を満たせば，無料で使用できるCADと原点oからワーク原点o’までの相対距離を図-10に示すシ

して注目されているFusion360でも，作成したDXFファイートのC3，D3とE3セルに追記し，NCプログラム出力を行ルを読み込ませたが，線種情報が引き継がれず，NCプログう必要がある．学生には，このようなシートのイメージをラムの軌跡を目視で学生に見せ，教育効果を上げるには，説明するのみにし，作業自体は，学生らに行わせ，各自で適当ではないという結果となった．したがって，全てのCADで確認したわけではないが，今回作成した教材は，非先端点制御用NCプログラムを出力させる．

Rhinocerosと相性が良いことが分かった．以上のように，

６．実加工

CADにも様々な特徴がある点を理解させ，1種類のCADだけではなく，各種CADの操作性を体験させることもエンジ(1) 微細溝加工試験
筆者らは，5軸MCの精度確認手法の1つとして，微細溝ニア育成において有効ではないかと考える．

加工試験を提案している9)．本教材で，前章までに作成し５．非先端点制御用NCプログラム出力

たNCプログラムは，まさに微細溝加工試験用のNCプログラムとなっている．これを使って，相対工具長補正により，(1) 5軸MCの回転中心直方体形状のワークに対し実加工を行う．加工手順は次の先端点制御機能を使用する際は，5軸MCの回転中心に関通りとなる．

しての知識が十分でなくても加工が可能になるが，本校の5軸MCのように，そのような機能を有しない5軸MCの場合，A-axis centerline回転中心について十分な理解が必要になる．
今回使用する5軸MCは前述したように，AB軸を有するテーブル旋回形であり，基準原点oは，図-9に示すように定義する．なお，図-1に示したように，実験に使用した加工機の回転軸のうち，360度以上回転可能な軸はC軸ではなくZYXo’

A軸と定義されているので，加工機の軸名称について注意されたい．一方，これらの測定方法について，本校・機械工学科所属の学生には，3年次前期・機械工作法Ⅱの授業で紹介しており，それ以降の本校機械工学科・学生であれば，比較的スムーズに内容の理解が進むと期待している．

ZYXoB-axis centerline

図-9 原点の定義

図-10 学生に作成させる Excel シート例―21―大分工業高等専門学校紀要

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表-1 加工条件
8000 min-1
800 mm/min

Spindle speed
Feed rate
Depth of cut

0.1mm

Tool

R5mm ball end mill
(OSG 製 WXL-EBD R5×18)

1. 基準面作成のため，フライスでワーク上面を加工(a) A 軸 0 度，B 軸 0 度時の微細溝加工結果

2. 図-9に示す基準原点oからワーク原点o’までの相対距離を基準工具と基準ブロックにより測定
3. 前節までに作成したシートに，2で測定したパラメータを設定し，NCプログラムを作成
4. 1で製作した基準面を使って，加工に使用する工具と基準工具との相対長さを測定
5. 測定した相対長さに50を足した数値をNCの工具長補正値に設定
6. 準備したNCプログラムを起動し，シングルブロックを(b) A 軸 0 度，B 軸 30 度時の微細溝加工結果

ONにし，50mm上がった状態で意図した工具軌跡を描いているか確認
7. 6で問題がある場合は，前工程でミス等がないか確認．6
が意図した通りに動作すれば，工具長補正値を元に戻し，実加工．
(2) 加工結果と考察
表-1に示す加工条件で，学生らとともに微細溝加工試験を行った．輪郭形状測定機による各溝の測定結果を図-11(c) A 軸 90 度，B 軸 0 度時の微細溝加工結果
図-11 実加工結果に示す．図から分かるように，100μmの加工深さで加工しているにもかかわらず，工具姿勢により，その加工深さが異なっている．これが熱変位によるものか，回転中心の設定誤差によるものか，工具の真球度によるものか等，何に起因するのか，学生に考えさせるのもこの教材の特徴の1つである．また，溝幅に関しては，機械工作法Ⅱの授業で教えている式(2)に示す理論粗さ𝑅𝑅𝑡𝑡ℎ の導出式と一致するのかについても考察が可能である．
2

𝑅𝑅𝑡𝑡ℎ = 𝑃𝑃 �(8𝑅𝑅)

ずは，全ての教材を使って，一部の学生に対し，模擬授業を行い，更なる改善等を行ってから，授業に取り入れるのが賢明かと考えている．

８．結言

(2)

本稿では，機械工学科における実践的な専門教育と情報

ただし，𝑝𝑝 はピックフィード，𝑅𝑅 はボールエンドミル半教育を行うための教材を作成し，その利用方法について検径である．以上のように，単純な溝加工であるが，輪郭形状測定機等で測定した深さ方向の誤差や溝幅について様々な考察が可能となる．

討を行った．以下に本研究で得られた成果や今後の課題等を示す．
1）5軸MCで微細溝加工試験を行うための半自動CAMをVBAで作成する過程を学ぶ教材を作成した．

７．今後の予定
前述のように，教材のおおよその準備はでき，既に本研究室所属の学生に一部の教材を試行的に実施し，実践的な教材として使えそうな感触は得ている．しかし，これをどのように，授業に導入していくのか，この教材を実施するのにどの程度の時間が必要か，学生がどのような部分で理解に苦しむのか等，検討が十分でない部分も多々ある．ま2）微細溝加工試験用NCプログラムを視覚化するために，NCプログラムをDXF変換するための教材を作成した．また，本教材で作成したDXFデータを開くには，Rhinocerosと相性が良いことを確認した．
3）本教材では，5軸MCによる実加工，加工領域の測定までをターゲットにしており，機械系学生に最適な教材になる―22―

大分工業高等専門学校紀要

第 59 号(令和 4 年 11 月)と期待できる．しかし，本稿をまとめる中で，実施や検討を当てた地域社会で活躍するためのAI・データサイエンすべき課題も明らかになった．

ス教育プログラム, 日本教育工学会研究報告集, 2022, 2,pp. 40-43, (2022)

4）今回作成した教材は，社会人へのリカレント教育にも使

5) 登本 洋子, 高橋 純, 表計算ソフトウェアの操作スキ用できると考えており，今後，その活用方法についても検ルの習得を目指した授業実践の成果と課題, 教育情報討したい．

研究, 36, 3, pp. 37-48, (2020)6) 平野 旭, 高専における全学的なAIスキル教育にむけた

参考文献
1) 山本 章博, データサイエンス・プロセスから見るデー

基礎分析, 工学教育, 69, 4, pp. 20-25, (2022)
7) 金 城 俊 哉 : は じ め て の 最 新 Excel VBA ［ 決 定 版 ］

タサイエンス・カリキュラム, 情報知識学会誌, 2021, 3
1, 4, pp.452-461, (2022)

Excel2019/Windows10 完 全 対 応 , 秀 和 シ ス テ ム , p.12,

2) 藤澤 修平, 吉田 秀典, 林 敏浩, 香川大学における数

8) リブロワークス: スラスラ読めるExcel VBAふりがなプ(2020)

理・データサイエンス教育の検討, 日本科学教育学会研究会研究報告, 35, 6, pp.1-4, (2021)

ログラミング, インプレス, p.11, (2018)9) 山本 通, 堤正臣: 微細溝切削による5軸制御マシニン3) 髙谷 将宏, 佐藤 克美, 地域企業が学生に期待する AI
リテラシーについての考察, AI時代の教育論文誌, 2021,グセンタの幾何誤差推定方法の開発, 精密工学会誌, 77,8, pp.776-780, (2011)(2022.9.30受付)

4巻, pp. 49-54, (2022)
4) 神部 順子, 玉田 和恵, 松田 稔樹, ICT問題解決に焦点―23―