製造業に革命を——高度パレットシステムとロボティクスが切り拓くフレキシブル生産の未来

フレキシブルマシニングセルの範囲と要件が拡大し続けている

自動化製造プロセスが「あったらいいな」から「なければならない」へと進化する中——熟練工不足などの課題を背景に——フレキシブル製造システム（FMS）の構成が、新たな魅力的な形で次々と登場しています。

明らかに、COVID-19パンデミックは製造業者にロボットのパレットシステムへの導入を加速させました。しかし、それが最近のFMSの進化の唯一の側面ではありません。

「フレキシブル製造システムは、昔とは全く異なる意味を持つようになりました」と、マサチューセッツ州サドバリーのMethods Machine Toolsのオートメーションマネージャー、ザック・スペンサー氏は説明します。「かつては、パレット交換システムを使って機械の柔軟性を最大化するのが一般的でした。これらのパレットプールにより、顧客は様々なワークホールディングを様々なパレットに取り付け、無人運転が可能でした。

「今日、フレキシブルオートメーションは多様な形を取ります。パレット搭載機械から、私たちのPlus-KやPlus-K60オートメーションシステムのようにロボットがパレットを移動させるもの、さらに複雑だが使いやすいフレキシブルビジョンシステムによるワークセットアップまで、幅広く存在します。」

自動化に初めて取り組む企業には、スペンサー氏はシンプルなスタートを推奨します。

「通常、自動化に慣れるために、より小さく複雑でないシステムから始めることを推奨しています——大きな飛躍をする前に快適になるためです。私たちにとって、この『小さく賢い』システムとは、複数台ではなく1台の機械を担当し、多品種のワークを一度に扱うのではなく、1つのバッチランを行うことを意味します。」

大小さまざまなソリューション

パレットオートメーションビジネスが「心臓部」であるフィンランドのFastemsは、新たな自動化トレンドの最前線にいます。パンデミックにより、FMSセットアップへの部品搬入・搬出用ロボットの追加が加速したと、Fastemsのソリューションセールスディレクター、ミカ・ライティネン氏は語ります。

その他の付帯作業も同一システム内でますます統合されつつあると、Fastemsの米国中部地域マネージャー、クリストファー・レズニー氏は付け加えます。例えば、旋削であれ加工であれ、部品は洗浄されなければなりません。また、部品は検査される必要があります——単体で、あるいは100個程度のロット後で。バリ取りと自動治具装填作業も実行可能で、無人搬送車（AGV）システムとの接続により材料が作業エリアへ供給され続けます。

横形マシニングセンタ向けに設計されたFastemsのFPC（フレキシブルパレットコンテナ）システムは、最大4台の工作機械まで拡張可能です。

「フィンランドでは初めて、少なくともこのタイプの工作機械において、スタッカークレーンなしでAGVを使用してこのエンジンブロックが自動的に搬入・搬出されます」とライティネン氏。AGVが加工パレットを洗浄、検査、バリ取り、仕上げの各ロケーションへ移動させます。「サブアセンブリ作業で特定の最終加工を行うこともあります。ストレージもあります。従来のスタッカークレーンベースのFMSと同じすべての要素を備えていますが、部品重量の関係で『すべてが1階層に』配置されています。」

このようなケースでは、加工時間が数時間と長いため、パレット交換に低速なAGVを使用しても問題ないとライティネン氏は続けます。

ランタイムとロボット

パレットシステムがリニアであれロータリーであれ、単一機械であれ複数機械であれ、FMSの形態は多岐にわたります。

DMG森精機では、LPP（リニアパレットプール）とより基本的なRPS（ロータリーパレットシステム）が複数の構成で採用されています。

LPPについて、「ジョブショップの典型的なスイートスポットは、24〜36パレット、2〜3台の機械、2つのロードステーションです」と、DMG MORIカリフォルニア州デービス工場の開発ジェネラルマネージャー、ジョン・マクドナルド氏は言います。「ロードステーションからの材料フロー、パレットプールシステムにキューイングされたワーク、そして機械が昼夜を問わず稼働します。」

一方、RPSは「単一機械、単一パレットシステム」だとマクドナルド氏は続けます。「通常5パレットで、最大21パレットまで拡張可能です。これらはワークのキューイングに最適です。部品品種がそれほど多くない場合、またはクイックチェンジ治具と組み合わせてワークセットアップを変更できる場合に適しています。」

究極的に、特定のショップに適したFMSは、無人稼働時間を最適化するものです。1日のスピンドル稼働時間を増やし、従業員が他の作業を行える「ウォークアウェイ」時間を増やすことがすべてだと同氏は言います。

FMSのもう一つの役割は、より多くの仕事を獲得することです。「『ここに入札する仕事がある、あそこにもある』と顧客がドアを叩きます。多くの人の心を占めているのは『本当にこれを導入できるのか？』という点です。プライベートテクノロジーツアーと教育ベースのイベントで、これらのツールが実際にどう連携し、無人稼働時間を実現するかを顧客に示しています。」

2021年にリリースされたDMG森精機のLPS 4ソフトウェアは、同社のオートメーションシステム管理ソフトウェアの第4世代です。これにより、製造業者はERPと直接接続することで、一部の材料管理ステップを排除できます。例えば、顧客がウォーターポンプ製造のために6061アルミブロック500個を注文した場合、マクドナルド氏は説明します。「そのウォーターポンプジョブを作成すれば、ERPシステムがパレットプールシステムへ次の生産指示を直接出せます。ERPからLPS 4ソフトウェアへの手動データ入力というリンクを除去し、そのループを閉じました。すべての顧客が今すぐそのレベルを使えるわけではありませんが、より生産性の高いショップでは採用しています。」

自社工場で1メートルLPPと3台の機械を稼働させているDMG森精機は、自社のFMSが何ができるかを実証していますとマクドナルド氏は指摘します。「部品洗浄ステーション、ロボット搬入、油圧治具、マテリアルパレットを備えています。ここで当社のマシン製造用鋳物を加工しています。オペレーターが鋳物をマテリアルパレットに載せます。ほぼすべての鋳物はクレーンで吊り上げる必要があります——手で持ち上げるには重すぎます。フォークリフトパレットのようなパレットにクレーンで載せます。部品を置いたらパレットラックへ。マテリアルパレットはロボット搬入ステーションと治具パレットの両方へ行きます。ロボットが部品を拾って治具に載せ、油圧ワークホールディングで固定。それからマシニングセンタへ入ります。

「加工完了後、部品洗浄へ。チップやタップ穴の切り粉を除去して洗浄します。さらに測定機やレーザーマーキングセルを統合した顧客もいます。また、一部の顧客はLPPをセントラル工具管理システムと組み合わせて使用しています——ワークピースだけでなく、マシンマガジン内の工具も自動交換されます。通常、この種のセルを導入するのはOEMです。」

Methodsも、シンプルなパレット交換システムから、パレット管理制御を備えたロボット搬入ソリューションへの進化に対応していますとスペンサー氏。

「私たちが開発・導入した非常に成功しているシステムの一つが、RoboDrill Plus-Kシステムです」とスペンサー氏。「このシステムは、FANUC RoboDrillとFANUCロボットを組み合わせ、ロボット側で最大60ワークピースをシステム内に保管できます。マシン制御装置に組み込まれたパレット管理機能により、オペレーターは60ステーションそれぞれに特定のプログラム番号を割り当てられます。このフレキシブルシステムは、マシン上の拡張工具も可能で、60の異なるワークステーションで様々なタイプの部品を加工する際に大いに役立ちます。」

高品種少量生産も対象外ではありませんとスペンサー氏は付け加えます。その場合、「より剛性の高いソリューションを推奨します。あらゆる自動化や工作機械の販売において、顧客のショップでのROI計算を示して機器導入の承認を支援します。顧客にとって18〜20ヶ月のROIを上回るよう努めています。」同社のPlus-Kシステムは高品種少量生産向けに特化しています。

「医療業界でフレキシブルシステムで大きな成功を収めています。その主な理由は、医療業界が高品種用途を必要としているからだと思います。つまり、通常10個程度の小ロットを加工してから別の部品タイプに切り替える必要があります。これは、ある部品番号から次の部品番号へ非常に簡単に切り替えられる、よりフレキシブルなソリューションに完璧に適合します。」

トレーサビリティ要件については、「セルコントローラーを提供し、システムを通じた部品のトレーサビリティを支援できます。セルコントローラーは設備の稼働率、アラームステータスと履歴、機械使用率を監視できます。これらのシステムは通常、QRコード、バーコード、RFIDスキャン機能を備え、オペレーターが生産時に部品をセル内外でスキャンできます。この情報は通常、セルローカルのデータベースに保存され、顧客のサーバーにコピーできます。」

レーザーの視点

レーザー切断と溶接が加わると、FMSの定義は少し異なるものになりますと、ミネソタ州ブルックリンパークのPrima Power Laserdyne北米セールスマネージャー、ドミニク・リッカード氏は言います。

「3Dレーザー加工におけるフレキシブル製造システムとは、レーザー溶接、レーザー穴あけ、3Dレーザー切断など、幅広いレーザープロセスをサポートするシステムを提供することを意味します。システムは製造ニーズをサポートし、将来のビジネスニーズに適応可能でなければなりません。」

その適応性には以下のサポートが含まれます：

– 現在は少量、将来は大量

– 軟鋼、ステンレス、アルミニウムから特殊材料まで幅広い材料。アシストガスを電子的・プログラム制御で切り替えられることが重要。

– 溶接から切断、穴あけ、その逆への迅速なプロセス切り替え。例えば、「LASERDYNEシステムは3Dレーザー切断から3D溶接へ1〜2分で切り替え可能です。」

さらに、レーザーベースのFMSは、リアルタイムのパラメータとプロセス情報を製造/運用監視システムに提供し、それらを記録・保存して将来の参照と分析に備える必要があると助言します。

「私たちの視点では、システムやマシンのサイズはフレキシビリティとは独立です」とリッカード氏。「システムサイズは、顧客がレーザー加工する部品によって決まります。LASERDYNEシステムは、小型であれ大型であれ、製造フレキシビリティをサポートするように設計されています。」

Prima Power Laserdyneの最新作LASERDYNE 811システムは、いくつかの点でフレキシブル製造哲学をサポートするとリッカード氏は説明します。

「第一に、同じシステムが高品種少量の製造業者にも、数年間単一部品を製造するためにシステムを導入する製造業者にも対応できます。第二に、顧客はシステム導入時または将来のいつでも自動化を統合できます。システムはモジュラーで調整可能です。第三に、スタンドアロン装置としても、製造セルの不可欠な一部としても機能します。」

このシステムは、自動車、食品加工、家庭用品市場への下請け企業である一顧客に大きな恩恵をもたらしました。同社は加工能力拡大と、多様な3D金属部品と複数の円筒部品の部品間時間短縮、治具切り替え時間短縮を求めていました。

「LASERDYNE 811に2ポジションインデックステーブル（ターンテーブル）を装備し、3D部品をレーザー切断するシステムを提供しました。さらに、共通治具インターフェースを提供し、オペレーターがターンテーブル上の部品治具を容易に交換できるようにしました。円筒部品対応として、同じ部品治具インターフェースを使用するロータリーテーブルを提供し、顧客がロータリーテーブルを容易に着脱できるようにしました。ロータリーテーブルの着脱は、部品治具の着脱と同じです。

「結果として、顧客は高SKUミックスでレーザー加工でき、部品間サイクルタイムが短縮され、全体コスト削減、工場スループット向上、エンドユーザーへの部品リードタイム短縮、品質を落とさずに競争力を維持できるようになりました。」

リッカード氏は、FMSの進化が同社の成功に不可欠だったと語ります。

「必要に迫られ、Prima Power Laserdyneは3Dレーザー加工の早期パイオニアとなりました。成功するにはフレキシブル製造システムを提供する必要がありました。ビジネス初期には、単一用途マシンを売るのは非常に困難でした。顧客はシステムがフレキシブルであることを要求しました。FMSは当社のDNAの核心部分なのです。

「長年にわたり、システムのレーザー光源はCO2レーザーから始まり、Nd:YAGシステムを経て、現在ファイバーレーザーシステムへと移行しました。レーザー光源が変わるたびに、レーザー加工可能な材料の種類が増えました。光学レーザーチェーン末端のノズルを交換することで、溶接、穴あけ、切断をサポートするようシステムを設計・強化してきました。」

もう一つの変化は、システムへのSPCとMTConnectの導入でした。「SPCにより、製造業者はすべてのプロセスとマシンパラメータを分析や記録のために記録できます。MTConnectにより、リアルタイムでパラメータをストリーミングし、リアルタイムプロセス監視が可能になります。最後に、システムはマシンのすべての側面をリアルタイム制御し、レーザーのパルス単位制御も含みます。リアルタイム制御により、コントローラーは7軸以上をサポートし、LASERDYNEシステムへの自動化統合を簡素化します。」

最終的に彼は結論づけます。「一般製造セクターと受託製造業者が、FMSの定義と必要性において最先端を行っています。この顧客グループは、製造プロセスを適応させる能力を必要としています。

通常、このグループは多様な製品と顧客をサポートしています。生計と成功は、市場で利用可能な仕事にどれだけ迅速かつ効率的に適応できるかに依存します。あらゆる市場セクターには浮き沈みがあります。あるセクターが低迷しているとき、成長しているセクターへどれだけ速く適応できるかが、ビジネス成長と倒産の分かれ目になります。」