多品種少量生産の旋削加工におけるスマート自動化: 効率と柔軟性を向上

旋削アプリケーション向けの自動化は数十年前から存在しており、バー・フィーダー、ガントリー・ローダー、ロボット・ローダーは主流の自動化装置です。これらはすべて中〜大量生産アプリケーションで効果的なツールです。しかし、市場圧力への適応がCNCメーカーを常に小ロット化、より幅広い部品形状・サイズの対応へと迫っています。この進展は新たな課題をもたらします。

• 小ロット化は、旋削アプリケーションにおける最適な自動化選択にどう影響するか？
• 多様な部品サイズ・形状を加工するのに最適な自動化タイプは何か？
• 設備投資を最大限に活かすベスト・プラクティスは何か？

自動化の必要性

一歩立ち戻り、ショップフロアにおける自動化の根本的な目的を見てみましょう。設備稼働率の向上？ 生産能力の増強？ 製造コストの削減？ 労務費の削減？

多くの機械加工工場の管理者は、自動化への真の理由、すなわち第1の動機は「信頼できる適格な労働力の不足」だと答えるでしょう。ビジネスを運営する労働力がなければ、ビジネスは縮小するか、廃業するかのどちらかです。特に多品種少量生産において、労働力要件の削減はあらゆる自動化プロジェクトの最優先事項であるべきです。

しかし多くの工場管理者は、労働力を削減する設備投資に消極的です。その理由は、労働コストを過小評価し、設備コストを過大評価する傾向にあるためでしょう。

25万ドルのCNC工作機械は、時給15ドルのオペレーターより明らかに高価に見えます。しかし、福利厚生、税金、教育訓練費を加味すると、オペレーターの実質コストは約21ドル/時間になります。ビジネス成長のための労働力が確保できないなら、その価値はさらに高まります。CNC工作機械のコストを15年で償却し、金利、保守、動力、家賃を加算すると、24時間365日稼働前提で約3ドル/時間の所有コストになります。労働力要件を削減する投資は初期費用が高額でも、通常は優れた投資収益率をもたらします。

多品種少量生産

多品種とは、バー材、シャフト、スラグ、ビレット、鋳造品、鍛造品など、多様な特徴を持つ様々なタイプの部品を意味します。

少量生産とは小ロット数量を指しますが、「小さい」の定義は聞く相手によります。ロット内の個数に注目するのではなく、ロット完了までの時間、またはロット時間に占める段取り時間の割合で考える方が適切なことが多々あります。段取り時間がロット加工時間の10%以上を占めるなら、その仕事は少量生産の領域にあります。

これらの定義が重要なのは、多品種生産には柔軟な製造設備が必要であり、少量生産には短い段取り時間が求められるからです。多品種かつ少量生産の場合、最適な設備選択は困難になります。工場は全体像を見て、労働力のコストと可用性、設備コストを慎重に比較検討する必要があります。それにより、あらゆる施設にとって最適な旋盤と自動化のタイプを選択できるようになります。

多品種少量生産向け旋盤オプション

多品種少量生産向け旋盤選定で工場が犯す最大の過ちは、労働力削減の必要性を過小評価することです。既存のフライス盤に工程を追加する方を好み、ミリング機能を省く傾向があります。サブスピンドル、クイックチェンジ・ツーリング、チャックの追加コストが、不必要な贅沢に見えるからです。

しかし、工場管理者がオペレーター作業を削減する高価なオプションを購入して後悔することは稀です。オペレーター労働を削減する機械オプションは、ほぼ確実に高いROIをもたらします。クイックチェンジ・チャック・ジョー、クイックチェンジ・コレット、クイックチェンジ・ツーリングは、多品種少量生産を行うあらゆる旋盤に導入すべきです。1台の機械で部品を完結加工（ワン・アンド・ダン）できる柔軟性を提供するオプションも、優れたROIをもたらします。

「必須」のサブスピンドル

ほぼすべての旋削部品は2工程を必要とします。旋盤自動化において、サブスピンドルは特に有益なオプションですが、その価値はしばしば見過ごされたり誤解されたりします。バー材加工のみで、サブスピンドルがパーティング・ナブ（切り離し残部）の除去だけを可能にする場合でも、オペレーターが部品を再装填したり、ナブを手作業で研削したりするのに比べ、機械寿命を通じてサブスピンドルは元を取れます。

チャッキング・アプリケーションの自動化では、サブスピンドルが真価を発揮します。サブスピンドルがなければ、典型的なロボットやガントリー・ローダーは一度に1工程しか完了できません。第1工程完了後、オペレーターが第2工程用にチャック・ジョーをセットアップし、部品を裏返して再装填しなければなりません。

サブスピンドル追加を判断する際、以下の質問を検討すべきです。

• 製造するすべての部品が、インフィードで加工面を下にして置けるか？
• 第1工程から第2工程へのクロッキング（角度合わせ）が必要か？ インフィードで確実にクロッキングを維持できるか？

どちらかの答えが「ノー」なら、サブスピンドルなしでは第2工程は手作業装填となり、労務費と製造コストが増大します。

バー・フィード、ガントリー、ロボット・ローダー

一般的に、機械で予定されている作業のタイプが、選択すべき自動化タイプを決めます。多品種とは、様々なサイズ・形状の部品に対応する柔軟性が必要なことを意味します。少量生産とは、小ロットを処理するための短い段取り時間が必要なことを意味します。残念ながら、多品種少量生産アプリケーションに明確な自動化の決め手はありません。最適な選択は通常、自動化がサポートする必要のある部品ミックスの範囲によって決まります。

バー・フィーダーは旋盤自動化で最も人気のある選択肢です。シンプルで信頼性が高く、安価です。バー・フィーダーの主な制約は部品サイズで、最大径約4.75インチ（約120mm）です。多品種少量生産アプリケーションでは、マガジン式、サーボ駆動、ショートロード・バー・フィーダーが、最も幅広いバー・サイズに最短のセットアップ時間で対応できるでしょう。作業が主にバー・フィーダーの制約内に収まるなら、これに勝る選択肢はありません。

ガントリー・ローダーは、実績のあるもう一つの旋盤自動化技術です。旋盤メーカーから統合ソリューションとして直接提供されることが多く、複雑な自動化装置と複雑なCNC旋盤を組み合わせる心配が少なくて済みます。機能面では、ガントリー・ローダーはロボット・ローダーとよく似ています：インフィードから部品をピックし、旋盤チャックに装填し、加工完了時にチャックから部品を取り出し、アウトフィードに配置します。ガントリー・ローダーは通常、効率向上のためにデュアル・グリッパー構成です。デュアル・グリッパーなら、片方で完成品をアンロードしながら、もう片方で次工程の部品を保持できます。

ガントリー・ローダーは一般的に、シャフトやチャッキング・ワークピースの加工に対応できます。類似部品間のセットアップ時間は比較的短くできますが、φ2インチ×15インチ長のシャフトからφ6インチのパックへの切り替えなどでは、かなり長くなることがあります。ガントリー・ローダーのもう一つの制約は、一部の部品サイズ・形状を全く扱えない可能性があることです。ガントリー・ローダーは、原材料と完成品を積み重ねる必要のあるパックには、スタッキング・ローダーを使用することが多々あります。

数年前まで、ロボット・ローダーは完全カスタム・システムとしてのみ提供されていました。これらは高コスト・システムで、大量生産アプリケーションを対象とし、一般的に多品種少量生産の要求には適していませんでした。しかし、最近の複数の技術革新により、ロボット・ローダーは多品種少量生産アプリケーション向けの魅力的な旋盤自動化オプションとなっています。

コボット・ローダー

協働ロボット、すなわちコボットは、特別な安全対策が不要で、可搬性があり、比較的プログラミングが容易なため、人気のオプションとなっています。しかし、新品のコボットを開梱し、生産的な多品種少量生産自動化機に組み込むのは、困難な作業になり得ます。グリッパーの取り付け、インフィード・アウトフィードの設計・製作、ドア・オープナー、CNCとのインターフェースなどは、些細な作業ではありません。理論上、コボット・ローダーは多様な部品形状・サイズを処理できますが、その有効性はインフィード、アウトフィード、グリッパーの設計に依存します。セットアップ時間もこれらの要因に依存しますが、自社開発システムでは、自動化「製品」よりも大幅に長くなる可能性があります。

ロボット・イン・ア・ボックス（RIB）ローダー

ロボット・イン・ア・ボックス（RIB）は、市場で急速に普及しつつある新しい自動化カテゴリーです。RIBは、産業用ロボットと統合安全システム、グリッパー、柔軟なインフィード・アウトフィード、主要CNC機械への標準インターフェースを組み合わせたものです。RIBは通常プリプログラムされており、オペレーターが数時間で習得できるシンプルなユーザー・インターフェースを備えています。RIBは一般的にガントリー・ローダー・システムより柔軟なインフィード/アウトフィード・システムを備えています。RIBは多くの場合可搬式で、工場が自動化をそのジョブに最適な機械に適応させられます。複数のRIBベンダーが、短セットアップ時間と柔軟なインフィード・アウトフィード・システムをエンジニアリングの優先事項としています。このため、RIBは一般的に多品種少量生産環境においてガントリー・ローダーより優位性があります。

MultiGrip搭載RIB

MultiGripは、多品種少量生産自動化市場向けに特別に設計された新しいワークホールディング技術です。このワークホールディングは、VersaBuilt Robotics製のRIBであるVBX-160で利用可能です。当初は立形フライス盤向けに開発されましたが、このワークホールディング製品は旋盤アプリケーションにも応用され、従来のロボット・グリッパーにはない独自の機能をもたらします。従来の3爪グリッパーの問題点の一つは、多様な形状のピックアップに必ずしも適していないことです。丸いパックには適していますが、長いシャフトや、クランプできる丸い面を持たない部品には不向きな場合があります。

MultiGripロボット・グリッパーは、従来のグリッパーのように部品を直接掴みません。代わりに、機械加工可能なMultiGripジョーを掴み、これらのジョーで部品を把持します。ジョーは容易に機械加工して、シャフト、パック、ほぼ無限の幾何学形状に合わせられます。ロボットは従来のロボット・ローダーと同様、既存のコレットやチャック・ジョーに部品を装填できます。このシステムは本質的にロボット用の自動工具交換装置であり、セットアップ時間を短縮します。

オプションで、旋盤をMultiGrip中間チャック・ジョーで構成することもできます。この構成では、VBX-160がジョーと部品を直接旋盤チャックに装填して加工できます。MultiGripはロボット用の自動工具交換装置と、旋盤用の自動チャック・ジョー交換装置の両方として機能します。VBX-160はもう一つのセットアップ工程を省き、単一装填で複数の部品番号を処理できるようにします。多品種少量生産アプリケーションでは、シフト終了時に最大4つの異なる部品番号を装填しておけば、CNCでの適切なプログラム選択を含め自動的に部品を加工し、翌朝オペレーターは完成部品の山を迎えることになります。

MultiGrip搭載VBX-160は、直径6インチ、長さ15インチまでのシャフトと、直径10インチ、高さ6インチまでのパックを加工可能です。

全体として、CNC製造の状況は変化しています。顧客はCNC工場により複雑な部品を、短納期、小ロットで要求しています。同時に、CNC機械のセットアップと運転を行う労働力の確保が難しくなっています。工具、ワークホールディング、自動化への適切な投資により、工場は顧客ニーズにより良く応え、確保困難な労働力への依存を減らし、ビジネスの成長と収益性を高めることができます。