垂直マシニングセンタの自動化：今こそ全てのショップに最適なタイミング

多くのショップが「運営を自動化したい」と言うが、実際にやったのは何社だろうか？

2017年8月号のManufacturing Engineering誌でリニアパレットシステムを扱った記事では、ある業界専門家が「訪問するあらゆるショップが自動化を望んでいる」と語っていた。しかしオークマアメリカのプロダクトスペシャリスト、エロル・バレル氏は最近、「全工作機械のわずか10%しか自動化されていない」と述べた。また、メソッド・マシン・ツールズのナショナルオートメーションマネージャー、ジョン・ルシアー氏によれば、ロボット工業会の報告では「新規導入機械のわずか3〜4%しかロボットを持っていない」という。

リニアパレットシステム、シンプルなパレットチェンジャー、ロボットのいずれであれ、米国のマシニングオペレーションには自動化の巨大な未開拓ポテンシャルがあることは明らかだ。横形マシンの方が自動化されやすいが、縦形マシニングセンタ（VMC）の方が普及しているため、最大の未開拓ポテンシャルはVMCの自動化にある。ゴシガーの自動化ユニット担当バイスプレジデント兼ジェネラルマネージャー、グレッグ・フェイクス氏が「過去2年間で垂直マシンの自動化が5〜7倍に増加した」と語るのも無理はない。

定番のパレットチェンジャー

縦形でも横形でも、最もシンプルな自動化はロータリーパレットチェンジャーだ。オペレータが外側のパレットに固定された治具へワークをロードしている間、機械は内側の同じ配置で加工を続ける。最初のセットが終わるとパレットが回転し、オペレータが完成品をアンロードする。

ルシアー氏によれば、このレベルの投資は「工作機械価格の10%をバイスやその他治具に充てる」という一般的な慣行に合致するが、縦形では1パレットで通常数個しか加工できないため、オペレータを長時間解放することはできない。だから多くの人が問い合わせるが、実際に購入するのはごく少数だ。

横形では経済性が異なる。最も一般的なのは、パレットに4〜5面の墓石（トンブストーン）を載せ、4、8、16個以上の部品を同時に加工する方法だ。それでも品種が多い場合、それぞれ異なるワークホルディングが必要となり、依然として高コストなアプローチだ。

ドゥサン・マシンツールズ・アメリカのセールスディレクター、アンディ・マクナマラ氏によれば、2ポジションロータリーパレットチェンジャーより少し高機能な、アームで隣のマルチパレットステーションからパレットを持ち上げて機械へ搬入する「ワークチェンジャー」が普及しつつある。パレットステーションは通常、4、6、8以上のロケーションを持つロータリードラムを備え、Erowa Robot Easyが好例だ。

「これは厳密にはロボットではありませんが、ハイエンドシステムにはワークスケジューリングシステムも搭載され、リニアパレットシステムに近い能力を持ちます」とマクナマラ氏。ドゥサンでは5軸機へのこうしたシステムの要望が多く、3・4軸機での金型・電極の無人夜間運転、部品切り替えにも関心が集まっているという。

「高級縦形機では様々なバージョンの自動ワークチェンジャーとロータリーパレットシステムが見られます。ジョブショップでは一体型または後付けパレットチェンジャーが最も一般的です。」

アーティキュレートロボットの統合が、縦形機にとって最もスイートな（最適な）ソリューションのようだ。ルシアー氏は「縦形機の方がこの方式で自動化しやすい」とまで言う。

「メソッドでは、横形より縦形の自動化割合が高いです。ドアの自動化とロボット統合はどちらの機械タイプでも同じです。違いは、関連ツーリングのコスト対メリットで出ます。」

前述の通り、横形の一般的な用途はトンブストーンによる部品加工だ。ロボットでトンブストーン搭載パレットを機械へ搬入し、レール上のロボットで複数台を担当することも可能。しかしこれは大型ロボットが必要で、オペレータが各トンブストーンへ部品を固定する必要がある。

トンブストーン上の部品固定を自動化しようとすると、各バイスに油圧/空圧配管が必要になり、品種ごとに多様な治具が必要で、コストがさらに膨らむ。多くの場合、より良いアプローチは、安価な縦形機の自動バイスへ個別部品を小型ロボットでロードすることだ、とルシアー氏とフェイクス氏は主張する。

「我々なら10万ドル未満からそんな自動化が可能です」とルシアー氏。「インフィード、アウトフィード、エンドオブアームツール付きロボット込みで。パレットシステムならロボットだけで10万ドル、レール、棚、制御などは別です。」

メソッドで最も人気のセルは、機械内に2つのバイス（Op10とOp20）を置き、ロボットが両方を担当するものだ。「多くの場合、この2つのバイスをトレーニオンテーブルに載せ、単軸で上下回転させて各クランプで3面ずつ加工します」とルシアー氏。「ロボットがワークを裏返し、回転させ、2つ目のバイスへセットして残り3面を加工。これで1部品を2工程で完結でき、ロボットが裏返しと再配置を担います。」

「モンキー・イン・ザ・ミドル（真ん中の猿）」

ロボット固有の柔軟性により、複数台の機械を担当することも可能だ。例えばメソッド、ドゥサン、オークマはすべて、3台の機械が正方形の3辺を占め、残り1辺をインフィード/アウトフィードステーションとし、ロボットが中央で「モンキー・イン・ザ・ミドル」を演じるシステムを提供している、とルシアー氏。「3台を超えるとロボットの周りに全て収まらなくなるので、レール上のロボットに移行し、レールを延ばせば任意の台数に対応できます。」

当然、機械がロボットを待つ状態は避けたい。鍵は部品サイクルタイムだ。ルシアー氏の経験則：サイクルタイム30〜40秒なら1ロボットで1台、60秒なら2台、90秒なら3台……。レール上ロボットでも同じルールが適用される。典型的な例として、サイクルタイム6分の5軸医療部品では「レール上ロボットがFANUCロボドリル5〜6台を非常に良く担当できます。」

高速段取り替えとロボット統合

縦形機のツーリングは比較的低コストなだけでなく、交換が容易だ。ルシアー氏の言葉を借りれば、「縦形機での品種切り替えは通常、バイスジョーの交換だけです。インサート交換に次いで、縦形機オペレータはバイスジョー交換を日常的に行うため、よく知っています。」

さらに速く、おそらくよりコスト効率の良いアプローチは、シュンク、3R、エロワが提供するゼロポイントクランピングシステムの活用だ。これらを使えば、オペレータは機械外で新しいバイスをセットアップし、位置決めし直すことなく数秒で交換できる。

「パレットチェンジャーでパレットを交換するのと同じ速さでこれらのバイスを交換できます、ただし手動で行う必要があります」とルシアー氏。

ワークホルディング交換の手動作業を排除することも可能だ。ゴシガーのフェイクス氏によれば、シュンクとATIがエンドオブアームツールの自動クイックチェンジユニットを提供している。ゴシガーでは、ロボットが部品治具を機械へロードし、次にエンドオブアームツールを交換し、その後ワークをロードして加工プロセスへ入るカスタム自動化を導入している。

ドゥサンの自動化プロジェクトマネージャー、ジャック・カルディン氏も同意する。「グリッパーフィンガー交換では対応できないサイズ変更や、ID（内径）からOD（外径）への切り替えの場合、ロボットの手首からハンドごと交換するのがベターです。シュンク製を4種類用意しています。」

ルシアー氏は、この「周辺」テクノロジーこそが近年最大の改善をもたらし、「自動化をより柔軟に、従って選択しやすくした」と語る。

完全に新しいジョブへのロボットセットアップは、熟練オペレータで約30分、リピートジョブでロボットプログラムを保存していれば約15分だ、とルシアー氏。典型的なジョブが1日以上稼働することを考えれば、段取り替え時間は無視できるレベルに近づく。

ロボットが各部品交換で機械の内外を動くシステムの非切削時間は、複数部品を載せた典型的なパレットチェンジャーより長いことは認める。しかし、ロボット自動化の柔軟性により、最小限のツーリングコストで、より高混合・少量生産ジョブを自動化できる。

自動化を検討する際、ロボット自体は最も理解しやすい部分だ。ルシアー氏は「インフィード/アウトフィードシステムのエンジニアリングに大半の時間を費やす」と言う。メソッドはFANUCと独占パートナーシップを結び、あの有名な黄色いロボットを使う。「ロボットは黄色い。仕事に適したサイズを選ぶだけだ」とルシアー氏。より難しい問題は、部品をロボットへどう供給するか——コンベア、ビン、引き出し、または他のオプションか——だ。

オークマのアプローチは、垂直機に6ポート油圧・空圧マニフォールドを標準装備し、自動化治具の統合を容易にしつつ、モリス、ゴシガー、ハートウィグなどのパートナーにエンドユーザーの自動化ソリューションを支援してもらうこと。また、米国ノースカロライナ州シャーロットの本社にラピッドデプロイメントチームを置き、日本から入荷する機械に自動ドア、レーザー、プローブを追加して自動化統合を可能にしている。

「すべての機械はAnybusシステムもキット可能で、FANUC、エロワ、その他あらゆる自動化システムと通信できます」とオークマのバレル氏。Anybus製品は、産業用デバイスがワイヤレス/ケーブル問わずあらゆるフィールドバスや産業用Ethernetと通信できるようにする。AnybusはHMSインダストリアル・ネットワークス（イリノイ州シカゴ）製だ。

「特定ベンダーを強制しません」と同氏。「ワークホルディングとロボティクスで覇権争いをしている企業がたくさんあります。我々が工作機械で多くの企業と覇権争いをしているのと同じです。」

ドゥサンのアプローチは三本立て：ローカルインテグレーターが現地で自動化を設置できるよう、必要なロボットインターフェースをすべて提供；ニュージャージー本社でカスタマイズ自動化ソリューションをエンジニアリング；エンドユーザー向けに「DooCell」と呼ばれる標準的なプレビルドシステムを提供し、「ジョブショップがコスト効率よく自動化へ参入できるようにする」とマクナマラ氏。

各DooCellにはロボット1台と、最大3台のマシニングセンタまたは旋盤を任意の組み合わせで搭載。インフィード/アウトフィードステーションは、部品の高さと直径に応じて3〜5段の引き出しユニットだ。

「引き出しは両方向に開くため、オペレータは片側で素材ロード・完成品アンロード、ロボットは反対側で部品処理を行えます」とカルディン氏。

マクナマラ氏は「多くの顧客が急いでおり、過去に使った低リスクソリューションを求め、ただやりたいだけです」と付け加える。DooCellのようなシンプルな標準ソリューションは、そのアプローチによく合う。

バケツと温水

縦形MCと旋盤のような異機種混在が可能なことに加え、アーティキュレートロボットで個別部品をロードすれば、洗浄とデバリングなどの他タスクも自動化できる。

「2万ドルの洗浄システムは忘れろ」とメソッドのルシアー氏。「バケツと温水をくれ。ロボットが驚くほど綺麗にしてくれる。安価な洗浄方法だ。次のステップ：ブローオフ。ロボットの使い方を学ぶ顧客の多くが、最初にウォッシュアンドドライサイクルをプログラミングします。」

ルシアー氏は、アイドルタイム排除への過度なこだわりには警鐘を鳴らす。「機械を稼働させることを確実にしろ。余裕があれば少しデバリングや洗浄をしても悪くないが、それに固執する理由はない。ロボットがなければ、年々コストがかかるオペレータがそこに立っているだけだ。ロボットは一度買えば、二度とコストはかからない。」

投資対効果（ROI）

オークマのバレル氏によれば、「自動化技術に投資するほとんどの人は、18〜24ヶ月でのROIを求めており、労働力不足が導入のドライバーになっている。しかしその後、ロボットがそのギャップを埋められることに気づく。」

ルシアー氏は、自動化コストが工作機械コストとほぼ同等なら投資を正当化しやすく、ほとんどの場合スモール自動化セルは1年未満で元が取れるという。

「基本から始めろ」とルシアー氏。「昼休み30分。15分休憩×2回。8時間シフトで1日1時間、これが12%の稼働率向上だ。工作機械で出力を10%以上増やす他に何がある？」

さらに同氏によれば、オペレータがいる時間帯でも出力は高くなる。なぜならロボットは一日中一貫して部品を交換するからだ。「朝一番で10秒で部品交換できる人でも、午後3時には10秒では無理だろう。オペレータでの実稼働率は約85%だが、ロボットなら工具交換時以外停止不要で95%まで出せる。これにシフト後数時間の無人運転が加わる。」

インダストリー4.0と関連概念の採用度は議論の余地がある。だが、もし何かあるとすれば、それは自動化の販売を後押ししている。「機械稼働率を追跡するシステムを導入する顧客が大好きです。縦形MCの実際の主軸稼働率が平均約40%しかないことに衝撃を受けるからです」とルシアー氏。「ジョン・ルシアーというロボット屋が『ロボットがいかに必要か』と言うのではない——『あなたのデータ』が語っているのです。」

バレル氏は、従業員10人のような小規模ショップでも自動化導入が見られ、ジョブショップでも「マストハブ（必須）」と見なされるようになると予測する。これらのシステムはコスト低下と知能化が同時に進んでおり、垂直マシン自動化の巨大な成長を期待している。

最後に、ゴシガーのフェイクス氏による契約ジョブショップのケーススタディ。昼間は小ロットジョブで縦形MCを使い、夜間は量産ジョブを自動化したいというニーズだった。

「30×16インチ（762×406mm）ストロークの機械を検討しており、日中は自動ワークホルディングを引き出してバイスに戻したいと。我々はもっと大きな40×20インチ（1016×508mm）機械を買い、テーブル右側に自動化用ワークホルディング、左側に日中用バイスを配置して、段取り替え不要にするよう提案しました。横形では絶対にやらないことです。」

しかし、これは今まさに縦形機で容易に実現できる柔軟な自動化なのだ。