ジョブショップこそ自動化を：多品種少量生産でのロボット活用術

多品種少量生産では自動化が難しい？ それは誤解です

ロボットとジョブショップは、これまであまり一緒に語られてきませんでした。誰もが知っているように、自動化は大量生産にしか適しておらず、典型的な中小規模工場はその正反対—スケジュールは多品種、少量、しばしば高度に複雑な仕事で埋まっています。セットアップが週に何回、あるいは毎日行われるような環境で、誰がロボットを必要とするのでしょうか？

次の記事に飛ぶ前に、いくつか考えてみてください。まず、多くの専門家は、オーナーが自分に何と言い聞かせていようと、ジョブショップは業界で最も低い機械稼働率に苦しんでいると指摘します。OEE（総合設備効率）が50%以下というのも珍しくありません。自動化はこの数値を改善する明確な解決策です。

そして、ジョブショップでは機械の段取り替えがより頻繁に発生するため、セットアップ関連業務を遂行する熟練機械技師とプログラマーがより多く必要になります—彼らはより高い給与を要求し、見つけるのが困難です。これは運営コストを押し上げ、追加受注の機会を減らし、24時間生産を極めて困難にします。熟練労働者不足を考えれば、導入が容易な道でないとしても、自動化こそがあらゆるジョブショップにとっての「聖杯」であるべきです。

プラグアンドプレイに近い可能性

では、どこから始めるべきか？ ザック・スペンサー氏にはいくつかのアイデアがあります。マサチューセッツ州サドベリーのメソッド・マシン・ツールズ社のカスタム提案エンジニアである彼は、自動化がプラグアンドプレイに近い形で実現可能だと指摘します。特に新しい工作機械購入の一環として含める場合です。

「当社は約15年前に『JobShop Cell』を開発し、以来ファナックRoboDrill向けの最も人気ある自動化ソリューションの一つとなっています」と同氏。「毎日何らかの段取り替えがあり、床面積に制約があり、ある部品から別の部品へ容易に切り替えられる柔軟性を必要とするショップ向けに設計されています。」

JobShop Cellは2つの構成で提供されます。一つはオーバー/アンダーコンベア配置で、ロボットに原材料を供給し、完成品を搬出します。もう一つは、ワークピースと材料を格納する一連の引き出しを備えたキャビネットを使用します。いずれもファナックロボットを用いて工作機械（メソッド社のTwin RoboDrill JobShop Cellの場合は2台）のロード/アンロードを行い、ワークピースに応じて数時間から丸一シフト、CNCを無人稼働させる手段を提供します。

より大量生産向けには、メソッド社は「Plus-E」を提供しています。中〜大量生産向けのマルチパレット・エレベーター式自動化システムです。また、「Plus-K」は機械操作だけでなくセットアップも自動化したいショップ向けで、ツールホルダー、プリロードバイス、治具の交換が可能です。「『この5つのバイスは部品A、次の2つは部品B、その次は部品C、続く10個は部品D』とシステムに指示できます」とスペンサー氏。「あとは材料をロードして帰るだけです。Plusシリーズの両機種はRoboDrillに並べて設置する独立したユニットで、自動化への第一歩として最適です。」

トロリー方式を活用

このアプローチを取っているのはメソッド社だけではありません。ウィスコンシン州ハートランドのラング・テクノベーション社で運営・技術・インサイドセールスを担当するエリック・ネキッチ氏によると、同社の「RoboTrex」自動化システムはファナックロボットと最大4台の可動式トロリーを使用し、各トロリーに複数のプリロードバイスを収納します。例えばRoboTrex 52なら、トロリー1台あたり最大42個のバイスを収納可能（部品サイズとトロリー構成による）、潜在的に168ワークピースの無人加工を実現できます。

JobShop Cellと同様、RoboTrexも独立した完全ガード付きユニットですが、様々なブランド・モデルのマシニングセンタと統合可能です。唯一のハードルは、システムで必須となるラング社の「Makro-Grip」5軸バイスへの投資をどう考えるかです（偶然にも、ラング社のドイツ工場では50台のRoboTrex搭載マシニングセンタで製造されています）。「しかし、非常に短期間でROIが見込める投資です。RoboTrex USAシステム導入でスピンドル稼働率が劇的に向上するからです」とネキッチ氏。

ウィスコンシン州ニューベルリンのガマッシュ・システムズ社（メイビル・メタルクラフト社の一事業部）ビジネス開発マネージャー、マイケル・ガマッシュ氏は、米国におけるRoboTrexシステムの独占インテグレーターです。新しいワークホールディングシステムへの投資を躊躇する顧客もいることを理解しつつ、投資すべき優れた理由を提示します。

「経営者として、バイスが安くないことは理解しています。しかし自動化の観点からは、高品質なワークホールディングが半分の戦いです」と同氏。「ロボットに原材料を反復精度高く供給する必要があり、Makro-Gripシステムはそれを達成する最良の方法の一つです。さらに、ロボットが多様な原材料サイズではなくバイスを扱うため、システムのセットアップと操作が非常に簡単です。このため、一つのプログラムで全ての部品に対応できます。」

確実なグリップを実現

ミネアポリスのカート・マニュファクチャリング社・工業製品部門の設計エンジニア、タイラー・マードース氏も高品質ワークホールディングの必要性に同意しますが、そのアプローチはラング社とは大きく異なります。「当社の『カスタムエンジニアード・ワークホールディング（CEW）』チームは、ソレノイド制御の複動油圧システムを多く設計しています」と同氏。「油圧は手動ワークホールディングより高いPSI、したがって大きなクランプ力を提供し、ソレノイドがロボットや機械制御からの電子的なバイス作動をサポートし、真の自動化システムを構築します。」

同氏は、自動化の第一歩として最も生産量の多い仕事をターゲットにすることを推奨します。そして、マシナブルジョーを備えたバイス（または複数のバイス）が使える部品があれば、段取り替え時にそれらを交換することでセットアップ時間を短縮できます。投資面では、油圧ポンプと配管の必要性は避けられませんが、既存の手動バイスを油圧対応のナット・ネジアセンブリに改造できる可能性があります。

「クローズドループ制御システムの構築を目指すべきです」とマードース氏。「これはいずれかの部品着座確認装置の設置から始まりますが、サイクル開始前にバイスが正しい力でクランプされたことを確認し、ロボットがワークピースを取り出そうとする前にバイスがアンクランプされていることを確認する必要もあります。これらすべてのステップが、あらゆる自動加工ソリューションにとって不可欠です。」

ワークホールディング交換の高速化

マードース氏のセットアップ時間短縮に関するコメントは的を射ています。自動化で人件費を削減しても、ジョブチェンジのたびに高価なダウンタイムが何時間も発生しては本末転倒です。前述のクイックチェンジジョーは優れた出発点ですが、予算が許せば、ラング社のMakro-Gripのようなゼロポイントポジショニングシステム（他社製品もあり）により、ワークホールディング交換を1分程度の作業に変えられます。また、ポストプロセスされた工具パス、ツールホルダー、切削工具、ワークピース、ワークホールディング、工作機械自体を評価するシミュレーションソフトウェアを備えた堅牢なCAM機能も必要です。

ミシガン州アナーバーのゾラー社ビジネス開発ディレクター、ディートマー・モル氏は、オフラインプリセッティングシステムと関連ソフトウェアから始まるツール管理を高い優先順位に置くべきだと説明します。「あらゆる自動化戦略の最大のメリットの一つは、機械テンディングやその他の付加価値のない作業がロボットやコボットに引き継がれ、熟練要員がより重要なタスクに取り組めるようになることです」とモル氏。

オフライン工具プリセッティングはそのようなタスクの一つですが、徹底的なジョブプランニング、ツールホルダーのメンテナンスと整理、切削工具検査、ショップフロアデータの分析も含まれます。この目的で、ゾラー社はツールセッティングをはるかに超える多様なソリューションを提供しています。ブロンズ、シルバー、ゴールドレベルのツール管理システム（TMS）により、ショップは必要に応じて能力を拡張でき、生産プロセスとツール関連資産への可視性を大幅に高められます。そしてこれらは、ゾラー社の協働ロボット「cora」と通信できるため、工具洗浄や保管などのツールルーム作業を自動化することで「ループを閉じる」役割を果たします。

同様に、同社の統合ツールストレージソリューションはこれらの資産を整理し、さらなるダウンタイムと非効率を削減します。ジョブ完了時には、同じシステムでツールを工具庫に戻し、性能をレビューし、残寿命を記録できます。「これにより、どの切削工具がうまく機能し、どれがそうでないかをより良く理解でき、プロセスをさらに改善し、ツールコストを削減できます」と同氏。

スケジューリングの提案

堅牢なツール管理は、工作機械とロボットの両方の稼働率にとって重要なジョブスケジューリングの不可欠な要素でもあります。モル氏にとってこれは、次に控えている仕事と、それを実行するために必要なツールを把握することを意味します。ダニエル・カランコ氏にとっては、特に自動化の文脈ではそれ以上の意味を持ちます。テキサス州ザ・ウッドランズのグローバル・ショップ・ソリューションズ社継続的改善ディレクターである同氏は、自動化の有無にかかわらず、すべてのショップが優れたERPとスケジューリングシステムを導入し、ショップフロアを監視し、加工プロセスの情報を収集すべきだと指摘します。

この監視とデータ収集を実現するには、統合に適したERPソフトウェア、工作機械、ロボティクスが必要です。「お客様が自社設備を当社システムと統合しようとしたが、その設備で使用されているソフトウェアプラットフォームが当社ではほぼ扱えないという状況に遭遇しました」と同氏。「統合生産環境を目指すすべての人への最初のアドバイスは、すべてが効果的に通信でき、どの種類と量のデータがやり取りされるかが明確になっていることを確認することです。」

通信は、かつて以上に多くを意味するようになりました。ERPシステムは長年、ショップフロアの人間からデータを収集することに長けてきましたが、今やロボットと機械コントローラーからもデータを収集する必要があります。さらに、このデータには、ユーザーが期待してきたジョブ番号、生産時間、完了（またはスクラップ）数量という定番情報だけでなく、リアルタイムの材料消費、検査と部品品質情報、機械とロボットのステータスなども含まれる可能性があります。

「かつてよりもはるかに多くの情報が利用可能になっており、適切なERPソフトウェア、設備、統合があれば、すべてをシームレスかつ自動的に収集できます」と同氏。「そうすることで、継続的改善のための全く新しい機会が生まれますが、より重要なのは、従業員がより重要なことに集中できるようになることです。手動データ収集に費やされていた時間が無くなります。それは往々にして不完全でもあります。人々はプロセスプランニングと分析に取り組めるようになります。」

ベストプラクティスをさらに強化

カランコ氏が示唆するように、これらのテクノロジーは、ショップの自動化計画の有無にかかわらず追求すべきものです。すべてが運営効率を高め、OEEレベルを大幅に向上させるからです。そして次のステップ—ロボットやマテリアルハンドリングシステムの導入—を踏み出すとき、投資はより速く回収できるでしょう。前述のプリコンフィグ済みシステムが好みでない、または使用できない場合、問題は「どのロボットを買い、どう実装すべきか？」になります。

ディーン・エルキンス氏が一つ推奨できます。オハイオ州マイアミズバーグのヤスカワアメリカ社・モートマンロボティクス部門のセグメントリーダー（マテリアルハンドリング担当）である同氏は、ジョブショップには機械テンディング、部品バリ取り、自動組立、ロボット溶接など、多様な適切なロボットアプリケーションがあると述べます。ただし、これらのアプリケーションに適した機器を見つけるには、相応の評価と知識ある人々との対話が必要です。

「自動化投資の正当性は複数の要因に依存します」とエルキンス氏。「明らかに、生産数量が大きいほど自動化のメリットは大きいです。しかし、セットアップ時間を可能な限り短縮する必要な措置を講じれば、少量のリピートワークでも採算が取れます。加工時間が長い部品も良い候補です。シンプルなハンドリング要件の部品も同様です。」

エルキンス氏によると、ほとんどのジョブショップでは、床置き型の小〜中型ロボット—ペイロード5〜25kg程度—で、部品バッチのバリ取り、ブラケット一箱分の溶接、皆が帰宅した後のCNC旋盤テンディングなどが十分可能です。ただし、一定レベルの安全柵、グリッパー、工作機械とのインターフェース、場合によってはプログラミング・シミュレーションソフトウェアが必要になります。

明日を今日へ

トレーニングも忘れないでください、と同氏は警告します。自動化はかつてよりシンプルになりましたが、賢明なジョブショップオーナーは依然としてトレーニングへの追加投資を行い、ショップのロボティクスを管理する専任担当者を配置します。ただし、協働ロボットと力制限ロボットは、特に床面積が懸念される現場で非常に人気になっています。ロボットには自己交換型やクイックチェンジグリッパーを装備でき、柔軟性が増します。ビジョンシステムは部品搬送システムを不要にしたり、少なくともシンプルにしたりでき、ロボットにタスクを教示する機能はオフラインプログラミングシステムの必要性を減らします。「考慮すべきことはたくさんあります」とエルキンス氏。「だからこそ、自動化に関心のある人は宿題をし、質問し、信頼できるインテグレーターとパートナーを組むことを勧めます。」

ウィスコンシン州ウォーケシャのアシエタ社はそのような会社の一つです。運営担当バイスプレジデント、スティーブ・アレクサンダー氏は、すべてのインテグレーターが同等ではないと警告します。「あなたの仕事のタイプと、ロボット自動化プロジェクトを実装するスキルレベルを持つ経験豊富なインテグレーターと仕事をしてください。推薦を得て、過去の導入事例を見せてもらい、仕事の質を理解してください。産業用ロボットは10年以上持つように設計されていますから、セル内の他のすべても自動化環境向けに設計され、ロボットと同等に信頼性が高いことを確認してください。」

これにより、数ヶ月でのROI達成も可能ですが、1〜2年がより現実的な期待値でしょう。もちろんアプリケーションによりますが、ロボットのタイプも役割を果たします。エルキンス氏が指摘するように、協働ロボット（コボット）はここ数年で大人気になりました。主に使いやすさと、人間の近くでの見かけ上の安全な動作が理由です。しかし、見かけは欺くことがあります。コボットは「産業用ロボット」より遅く、精度が劣る場合があり、ROIを遅らせる可能性があります。最もフレンドリーなコボットでも、確立された安全手順を守らなければ人間を傷つける可能性があります。

だからこそ、エルキンス氏らはいかなるロボット設置でもリスクアセスメントを強く推奨します。また、自動化初心者には「小さく、簡単に始める」のが最良のアプローチだと提案します。「単一のペインポイントを見つけ、まずそれを克服してから、追加プロセスや複雑さを検討してください。オーナー、機械オペレーター、インテグレーション担当者—すべての人が最初から成功を実感し、より大規模または複雑なプロジェクトへ進むことに安心できるようにするのです。時として、最大の課題は従業員の賛同を得ることです。ロボットが人間を置き換えるという恐怖は常にあります。だからこそ、彼らを導入プロセスの一員にすることが重要です。教育し、ロールアウトに巻き込み、ロボットが実際に彼らの仕事をより簡単で面白いものにすることを実感してもらえば、彼らは最大の応援団になってくれるでしょう。」