自動化を身近に：すべての製造業者が効率向上を実現できる時代

かつては大規模工場だけのものだった自動化、今や小規模ジョブショップでもメリットを享受可能

ジョブショップの自動化が加速しています。インダストリー4.0、熟練製造労働者の慢性的不足、コロナ禍の複合的影響が背景にあります。

これまで以上にカスタマイズされたロボットとマテリアル搬送オプションが利用可能になったことで、中小製造業者はより多くの生産を実現し、オペレーターをより付加価値の高いタスクにシフトできます。個人用防護具（PPE）の需要急増と労働者保護の必要性も、ショップの自動化努力を後押ししています。

パンデミックで明確になった自動化のメリットを、オハイオ州ロレインのアブソリュート・マシン・ツールズCMO、コートニー・オートナー氏が簡潔にまとめます：「コボット（協働ロボット）があれば、作業パートナーが得られ、ソーシャルディスタンスを心配する必要がありません。また、多くのショップが隔離で労働者を失っていますが、自動化があればスタッフ減でも稼働継続可能。ライツアウト製造（無人稼働）機能も、自動化のおかげでより一般的になりました。コボットでも、金曜夜にセットアップすれば月曜朝には完了——多くの場合、生産サイクルで先手を打てます」

コボットの進撃

自動化製造の話題で真っ先に挙がるのがロボット。その人間協働型であるコボットは、導入容易性、柔軟性、可搬重量で改善を続けています。

15年前の登場以来、ボストンのユニバーサルロボット（UR）製品は、特に多品種少量生産環境のジョブショップで定番に。2019年に16kg可搬版（UR16）を発表し、ロボットが生産ワークフローに組み込める領域の境界を押し広げ続けています。

2020年は特に多忙だったと、UR北米マーケティング責任者のジョー・キャンベル氏。2つのテーマが浮上：パンデミック駆動の再編と新生産モデルの採用。

特に小規模ショップでは、限られたスペースを効率的に活用するためコボットを導入し、作業者のソーシャルディスタンスを確保。「3台の工作機械が密集しているなら、1〜2台のコボットを入れてオペレーターに余裕を持たせます」

また、コボットが収益改善に寄与することにも気づき始めています。「平日のみのスケジュールを『別の視点で見直し』、『製造チームがより柔軟な働き方を受け入れている』ことを発見」。あるURユーザーは週末シフトを新設し、多くのチームメンバーが新機会を歓迎。別のケースでは、熟練オペレーター1名が段取りとローディングを担当していたショップが、コボットにローディングを任せ、オペレーターが複数台を監視する体制に移行。

URユニットはセットアップ時間を大幅短縮。床置き、壁掛け、天吊りのいずれにもタッチスクリーンで対応可能——他のロボットは特定向き専用に作られることが多い。サイクルタイムも短縮、特にURコボットはデュアルグリッパー構成で、完成品アンロードと新規ブランク投入を同時実行可能。

URの柔軟性の鍵は、サードパーティ機器・ソフトウェアとの連携。これらは「UR+プログラム」——UR版「アプリストア」——でアクセス可能。URロボットの機械・電気・ソフトウェアインターフェースを公開し、サードパーティが仕様に合わせて製品開発。「何より重要なのは、それらを我々に提出してもらいテスト・検証すること。『プラグアンドプレイ』と言えば、テスト済みだから確実です」とキャンベル氏。

UR+エコシステムの288周辺機器には、パーツマガジン、ビジョンシステム、センサー、マウントオプション、ロボットカバー、アプリなど。例えば、Hireboticsの「Beacon」ならコボットをクラウド監視。「生産統計を確認し、その場で調整可能」

2020年3月、UR+プログラムに「アプリケーションキット」が追加。グリッパー等のコンポーネントとソフトウェアを組み合わせ、「特定のアプリケーション問題を解決」。ロボティック社製キットにはオービタルサンダー、マウントハードウェア、真空ホース、ソフトウェアが含まれ、家具やキャビネット等のサンディングプロトコルを数分でプログラミング可能——「数日かかっていた作業が数分に」URのActiNavキットは柔軟なマシンローディングキットで、ビンから部品を取り出し、様々な機械に精密な姿勢でロード。「新しい部品を1時間未満でシステムに導入可能」

ショップの自動化導入を促すもう一つの鍵はバーチャルトレーニングオプション。URアカデミーの無料トレーニングモジュールで、10万人以上のオペレーターをオンライン訓練するマイルストーンを達成。「自社の3人の主力マシニストを1週間近く外部研修に派遣すれば、生産が潰れます。小規模ショップこそ『90%をオンラインで完結できる』ことに強く惹かれます」とキャンベル氏。

未来への高速ローディング

パンデミックによる自動化圧力に加え、生産の米国回帰（リショアリング）もロボット・ローディング機器需要の主要ドライバー。

「歴史的にロボティクス導入に消極的だったメーカーとジョブショップが、これまで以上にロボティクスを受け入れ始めています」と、アシエタLLC（ウィスコンシン州ウォケシャ）のプロダクトマネージャー兼メカニカルエンジニア、ジェイク・コーニング氏。「既知の要素が未知を上回るようになり、パンデミック開始以来、関心と受注が増加。ソーシャルディスタンス、病欠、シャットダウンが生産能力に影響する中でも、ロボティクスが機械稼働と部品生産を維持するメリットを実感しています」

さらに、グローバルサプライチェーンの混乱で、「パンデミックが大量のオンショアリング（国内回帰）を米国にもたらす」と認識。「パンデミック前以上に深刻な労働力不足に直面することになるのは、自動化を受け入れない場合です。究極的には、パンデミックがもたらした悲劇にもかかわらず、米国メーカーはすでにロボティクス技術をより快適に受け入れ、競争力向上、労働者の仕事満足度とロイヤルティ向上、米国消費者へのより競争力ある価格提供というメリットを実感し始めています」

アシエタは特に多品種少量ルーチンに適したソリューションを提供。コーニング氏説明：「FastLOAD CX1000とCR2000システムは、初回ロボットユーザーでも使いやすいよう設計。CR2000のタッチスクリーンインターフェースで、異なる部品サイズでのロボット運用が非常に容易。オペレーターは部品パラメータを入力するだけで、システムが自動的にプログラムを調整し新しい部品を実行。ロボットグリッパーと部品治具は幅広い部品サイズに柔軟対応し、多様な部品を同一システムで実行可能」

CR2000の段取り替えは数分。CX1000、CR2000、DR2000システムは、オペレーターが部品をロード/アンロードしている間もロボットが稼働継続可能な設計。「インバウンド部品が十分あれば、休憩、昼食、シフト外でも機械をノンストップ稼働可能」

キャスター付きで、CX1000は工場内を容易に移動可能。複数のクイックチェンジ治具カートオプションにも対応し、FANUCのCRX-10iA/Lロボットを採用——「ドラッグアンドドロップのプログラミングアイコンを備えた非常に使いやすいタッチスクリーンインターフェース」とコーニング氏。「より複雑・大規模な課題には、ビジョン、エンドオブアームツールチェンジャー、柔軟な治具などを用いたカスタムソリューションも設計可能」

アシエタのマシンテンディングセルも人気。「幅広い部品に対応する標準ロボットシステム。事前設計の標準製品なので、従来のカスタムシステムより大幅に安価、最短1週間で納入可能。すべてのシステムが複数の工作機械を同時にテンディング可能。さらにCX1000とCR2000は協働ロボット採用で安全柵不要、床面積利用を最大化」

初回自動化のジョブショップには、協働型CX1000が最適な出発点とコーニング氏。反復タスクから労働者を解放することで、「ロボットシステムのプログラミングやメンテナンスを学べる。以前1台の機械を担当していたオペレーターが、複数台のロボットシステムを管理可能に」

本質的課題の解決

機械加工とジョブショップの独自ニーズを熟知したメソッズ・マシン・ツールズ（マサチューセッツ州サドバリー）は、より多くの受注獲得とより熟練した労働力創出を視野に自動化を支援。

「より優秀なマシニストが必要です。それがロボットで実現できます。ロボットでショップがより多くの仕事を受注できれば、より多くのマシニストを雇用できる」と、メソッズのFANUC自動化マネージャー、ジョン・ルシア氏。「訓練されたマシニストはローディング/アンロードをするのではなく、段取り、工具選定、プログラミングを行うべきです」

他社同様、メソッズもパンデミック関連自動化の急増を実感、特に呼吸器部品生産で。パンデミック前、ルシア氏は初回自動化を検討する少量ショップを多数訪問。週2〜3回セル変更し、約5,000個生産する中量オペレーションが一般的になり、メソッズはコンベアベースの「ジョブショップセルPro」ラインを提供。調整可能なレーンディバイダーで大小部品の迅速な段取り替えを実現。もう一つの人気オプションは、スチール/アルミプレートに20〜40個の穴を開けた引き出しシリーズ。

ワークホールディングも重要考慮事項。自動バイスは比較的シンプルな解決策。「スイングクランプ等で複雑にする必要はありません。古き良きチャックやバイスに空圧/油圧で開閉機能を持たせ、ジョーズを自作——約50個ロット程度なら多くのショップがやっていることと変わりません」

さらに少量部品、ロットサイズ1個レベルでも、メソッズはPlus-KとPlus-K 60ロボットロータリーストレージカーセルシステムを提供。「ロボットを部品専用にしない。汎用ワークホールディングを機械内外に出し入れするようセットアップ——小型バイスでもパレットでもOK。ロボットはワークホールディング前面の共通フィーチャーを把持するよう事前プログラム。部品を手動バイスに装着し、ロボットをパレットローディングシステムのように動作させるよう事前プログラム済み。エンドユーザーのプログラミング不要。このシステムはロボドリルの標準工具収納を21本からオプションで161本まで拡張」

このようなソリューションで、ジョブショップは通常12〜18ヶ月未満でROI達成。「目標は2〜3シフト稼働させること——ロボットセルにインフィードシステムを満タンにし、午後5時に帰宅、2〜6時間の無人稼働を獲得。計画作業の80%を自動システムが処理できれば、かなり優秀」

ジョブショップとの長年の関係と、その仕事ぶりへの深い理解がメソッズのソリューションに活かされています。ルシア氏自身マシニスト出身。例えば、スチール/アルミグリッパーを自社で加工できることをよくショップに思い出させます。ロボットに事前搭載されたプログラムの調整は、CNCプログラミングより簡単な場合も。同社の自動化統合グループは、クーラント、切粉、工具回転、工具寿命、バリ取り等、工作機械固有の課題を熟知。

「工作機械にロボットを載せるなら、それを専門とするロボットインテグレーターを選ぶべきです。ロボットのメリットを正当化するのは難しくありません」——ルシア氏

ニーズ評価、スピードアップ

ジョブショップの自動化ニーズ理解は、生産性向上に必要な量の徹底的評価から始まります。

アブソリュートのオートナー氏によると、受注時は「システムレイアウト作成、自動化ベストプラクティス決定——コンベアシステム、ロボット、原材料搬送、完成品搬送——CADで設計し、すべてのピースがフロアプランに収まるか、予算内かを検証」

標準自動化機器（コボットから部品搬送、監視まで）の提供に加え、アブソリュートは「ターンキーパッケージ」を提供。「最適だと判断したソリューションを調達し、それらのサプライヤーと協力して成功を確実にします」

アブソリュートの適切な機器調達経験は明確に成果を出しています。「OB7コボット導入クライアントで、1シフトあたり20%効率向上と大幅なスクラップ削減。このランで納期を2週間短縮、機械/セルを追加作業に回せ、より高いROI。反復作業が減ったことで労災申請も減り、病欠も減少——大きなコスト削減」

他ショップでも、他タスクに割けるオペレーター時間が増えることで、「品質管理チェック等、全体プロセスへの貢献時間が増加。単なるボタン操作ではなくプロセス管理に関与し、退屈と疲労が軽減」

これらのメリットは驚くほどコスト効率良く実現可能。「プロダクティブ・ロボティクス製コボットラインは、ベーシックCNCパッケージで34,900ドルから。ベーシックから、複数コボット、コンベア、インプロセスゲージング、部品供給手法を用いた完全統合セルへアップグレード可能」

監視でさらなるアウトプットを

ジョブのスケジュール遵守と無人運転プロジェクト増加を支援するため、三菱電機オートメーション（イリノイ州バーノンヒルズ）がMTConnectベースの「統合マシンアナリティクス（IMA）」を提供。IMAモバイルアプリで機械監視への低コスト・簡易導入が可能。

IMAにより「生産をより深く理解でき、利用可能な機械と工数を最大限活用した正確なジョブスケジューリング、より精度の高い受注入札が可能」と三菱電機オートメーションのIMAモバイルサービスプロダクトマネージャー、ロバート・ブロデッキ氏。

必要ハードウェアはイーサネットケーブルとハブ/スイッチ（複数機械接続時）のみ、1台あたり5〜10分でセットアップ完了。「低コストなので、無人/ライツアウト生産で機械故障に気づくのが遅れて生産ロスが出ていた場合、即日ROIも可能。IMAモバイルの通知で、機械停止を場所を問わず10〜15秒で把握」

機械監視でスループット大幅改善。「実行状態を見るだけで、多くのジョブショップでは機械稼働率が利用可能時間の25〜40%。IMAモバイルで現在ステータスをシンプルに監視するだけで、生産停止機械に即対応できるため、50%以上に向上可能。これは機械から直接取得した実データ——機械が切削、アイドル、停止していた時間の推測ゲームを排除」利用可能機械時間は、少ない労働者でより多くのシフト、または無人稼働で拡大——予期せぬ停止による生産ロスなしで。

IMAモバイルでオペレーターは付加価値タスクへ移行可能——「アプリがジョブ完了や要注意割り込みを通知してくれる安心感」

比較的低い導入コストで、ブロデッキ氏は「IMAで生産を理解し改善し、シンプルな無人加工プロジェクトを開始しながら、機械が継続稼働していることを確信できる。MTConnect標準ベースなので、ユーザーがより高度・カスタマイズ可能な監視システムへ移行する際も、機械を再接続するコスト不要。新ソフトウェアをMTConnectエージェントに向けるだけで機械データに即アクセス可能」

この導入しやすさが、コロナ禍での自動化に特に重要だったと同氏結論。「自動化の必要性を感じつつ、正確な生産データなしではどこをどう自動化すべきか特定できない企業が多数。パンデミック初期、多くの企業が機械監視に消極的だったが、長期化とともに自動化とリモートワークソリューションの回避不能を悟り、これらプロジェクトを最優先にシフト」