ワークセルが工作機械で機能する場合

Jul 13, 2023

作業範囲、自動化、ROI、その他の注意事項。 または、ウィジェットをいくつ、そしてどれくらいの速度で作成したいですか?

工作機械セルは、ロボットにリンクされた自動化機能を備えており、フレキシブル製造セル (FMS) が提供する最高のスループットには達しません。 多様性が彼らの特徴です。 ロボットオートメーションで可能な工作機械のセル構成には、多品種少量の要件を持つ工場だけでなく、大量のスループット要件を持つセルも含まれます。

しかし、工作機械を備えたワークセルへの投資をどのように選択し、どの構成を選択すればよいのでしょうか? まずは基本を理解することが最善です。

機械を管理およびリンクして、連続生産で同じ部品を生産したり、個々の部品に対して複数の複雑な機械加工プロセスを実行したりすることができます。 オートメーションを初めて導入する企業も、経験豊富なショップも、工作機械メーカー、ロボットとオートメーションのサプライヤー、およびそれらを生産的なソリューションにパッケージ化するインテグレーターから得られる専門知識から恩恵を受けることができます。 この記事では、工作機械オートメーションの大手企業が、工作機械セル技術の導入を開始する際に何に注意すべきかについて検討しています。

工作機械セルが正しいアプローチであるかどうかを工場が検討する出発点は、通常、目標がいかに効率的に最大数の部品を生産するかである場合です。 ニュージャージー州フランクリン・レイクスにある米国三井精機の国内営業マネージャー、マット・ギフォード氏によると、小規模の求人ショップも大規模な制作ショップも、構成を決定する際に同じ質問を自問する必要があるという。 部品番号の年間数量は? 関連するパーツ ファミリはありますか? 部品 (または部品ファミリー) を製造するために必要で利用可能な機械のタイプと数量は何ですか? 標準と特殊のツールと治具の種類はいくつ必要ですか?

ギフォード氏によると、セル内での異なるタイプのマシンの組み合わせは、近年、統合しやすくなっているという。 統合が容易で類似性があるため、セル用に選択されたマシンが同じビルダーから同様に構成されていることが依然として最も一般的です。

他の組み合わせは通常、同じパレットを使用できる機械です。 たとえば、VTL 旋盤とインライン CMM 検査を備えた横型マシニング センターを使用する大型部品 (たとえば 1 メートル以上のパレット) がある場合、パレット レシーバーはすべての機械で同じである必要があります。 小型部品の場合は、「ジャストインタイム」生産システム用に複数の部品品種をロードし、スピンドルの使用率を高く保つことが効果的です。 このシナリオは、多種多様な部品を固定できる小型パレットを使用し、旋削、バリ取り、洗浄、検査などを含むさまざまな工作機械構成で同じレシーバーを使用する場合に最も効果的です。

多品種少量生産は大きな進歩を遂げており、これはジョブショップや無駄のない戦略で機能するあらゆる生産環境で一般的です。 今日の高度なセル コントローラーは、セルのあらゆる側面を見事に管理および監視し、工場の ERP および MES と統合して、需要の変化に応じて作業の優先順位やリソースのニーズをリアルタイムで自動的にスケジュールおよび再スケジュールできます。

ほとんどのマシン制御は PC ベースであるため、マシンの統合と接続が容易になります。 現在の高度なセル コントローラーは、さまざまなマシンと組み合わせるための洗練された機能を備えています。 ただし、課題は、ほとんどの店舗に、最長 20 年以上のさまざまな使用年数のさまざまな工作機械が置いてあることです。 古い機器を交換するために新しいセルを導入することで、交換戦略を計画することをお勧めします。 それでも、レガシー機器はまだ使用されています。 場合によっては、1 台の古い機器を使用して、治具への取り付けなどの認定サービスによる部品の準備を行うことができ、プロセスのバランスを自動化してセルラー生産に組み込むことができます。

共通のPCを使ってデータを管理すれば管理は難しくありません。 通常、各マシンはスタンドアロンのオペレーティング システムとして動作し、スケジューリング、レポート、ワークフローは集中 PC セル コントローラーで管理できます。 このようなシステムを専門に扱う会社もあれば、システムインテグレーターがプロジェクト全体を管理することもできます。

ギフォード氏は、彼の会社がこの役割を担うことが多く、セル構成を主導していると述べた。 「やるべきことはたくさんあり、最適な結果を得るには経験が不可欠です」と彼は言いました。 「さらに、企業は将来を見据えて自動化の将来のマイルストーンを検討し、現在導入されているすべてのものを将来の導入に接続できるようにする必要があります。幸いなことに、現在のシステムのほとんどはモジュール式で、企業のニーズの増大に応じて拡張できるように設計されています。」

今日のロボット プログラミングの「教える」方法により、工作機械のマテリアル ハンドリング要件と関連するハンドリング要件の統合が劇的に容易になりました。 最大の課題は動作環境の安全性です。 多くのシステムは、個人がセルの動作制御エリア内にいる場合、システムのメンテナンスや修理のために安全ロックでゲートを閉める必要があります。

複数のマシンを含むセルの許容可能な ROI の期待値は、企業の評価減 (資産の帳簿価額を公正市場価格まで減額する) 戦略によって異なります。 7 年間の加速評価損により、ROI を 18 ～ 60 か月に維持することが目標となります。 これは通常、資金が 400 万ドル未満のプロジェクトが対象です。 一般的に 12 年間の連続減価償却が行われる大規模プロジェクトの場合、ROI の期待値はさらに長くなる可能性があります。 また、企業の EBITDA 戦略 (利息、税金、減価償却費および償却前利益) によっても異なります。原則として、どのタイプの製造セルの ROI も減価償却期間を超えてはなりません。 適切に構成された製造セルのほとんどは、生産量が増加するため、ROI が 2 ～ 3 年になります。

工作機械セルの自動化の基本は、オハイオ州ロレインにある Absolute Machine Tools の A+ オートメーション チームのサービスおよびアプリケーション エンジニアリング ディレクターである Dave Zunis とマーケティング ディレクターである Courtney Ortner との会話の中で概説されています。 彼らは、双方が明確に理解できる自動化プロジェクトの範囲と目的の定義から始めることをアドバイスしています。 彼らは次のような質問をすることが重要だと考えています: 作成したいウィジェットの数は何ですか? この自動化は彼らにとって何をもたらすのでしょうか、つまり生産量を増やすのでしょうか? どのような人間工学を変更または改善しようとしていますか?

「次に、顧客に、現在所有しているどのような工具が私たちに利用できるかを尋ねます。[たとえば、] 彼らは適切な工作機械を持っていますか? 工作機械を持っていない場合に、それを購入するための十分な設備投資資金を持っていますか? 「適切な工作機械の選択を支援する必要がありますか? 計画を作成する必要があります。そこで、工作機械のディーラーとインテグレーターが協力して、このプロセスで顧客を支援します。」と Dave Zunis 氏は述べています。 Absolute Machine Tool は、CNC マシンの選択、ツールの選択、セルへのそれらの統合という 3 つの機能をすべて実行します。

工作機械のセルを自動化すると、手動で行っていた作業を合理化し、最適化できます。 Zunis 氏は、現時点では ROI に関する疑問がよく出てくると述べました。 「明らかに、常に彼らの ROI がいくらであるかを伝えることはできませんが、統合にかかるコストがいくらになるかを示すことはできます。彼らは、オペレーター 1 人または複数のオペレーターのコスト、利点、企業は、従業員の配置に伴うその他すべての諸経費を考慮する必要があります。また、現在のスループットも考慮する必要があります。最終的には、生産予定の部品の数、現在のサイクル タイム、現在のタクト タイムについて、企業が提供する数値に基づいて、ロボットの積み下ろしの時間も含めて、ROI の見積もりを提供できるはずです。」

Absolute のラインナップで最も人気のある自動化セルは、ロボットによる工場や旋盤への積み降ろしを行うマシンテンディングです。 最近の自動化されたセルには、銃身の入手に問題があったため、銃身を製造する新しい会社を設立した銃器製造業者が関与しています。 このセルには、ガンドリルに装填するロボットが含まれており、バレルをガンドリルからリーマーに運び、リーマーからボタンライフリングマシンに運び、プロセスを完了します。 「工作機械のセルで私たちが目にしていることの多くは、人間工学に基づいた繰り返しの積み下ろしを排除することです。特に労働者が不足しているこの時期には、自動化することがこれまで以上に理にかなっています」とズニス氏は述べています。

「中小企業から自動化に取り組みたいが、どうやって始めればよいのかわからないというメールを毎日受け取ります」とコートニー・オルトナー氏は語った。 「こうした企業は、ゆっくりとスタートすることを本当に検討する必要があります。銃身メーカーの場合、オーナーは銃身の入手を急いでいたので、両足で飛びつく必要がありました。しかし、他の中小企業は、緊急のニーズはないかもしれないが、代わりに労働力となる人材を見つけるのが難しい。私は彼らに、簡単な機械の手入れを行う、学びやすく、教えやすい協働ロボットから始めて、時間をかけて訓練する必要があると伝えます。 「最初の作業が終わったら、ロボットがアイドル状態にならないように、ロボットに適切に教えるのに十分な人員が必要です。彼らがインテグレーターとしての私たちのトレーニングを活用することが重要です。」

IoT プラグ アンド プレイ機能の影響が増大しているため、サードパーティのデバイスやプロセスを工作機械のセルに組み込むことが容易になってきています。 「インテグレーターとして、ロボットを中心に設計されたセルに周辺機器を組み込むことができます。現在、その上で実行できる生産アプリを備えたタブレット PC などの IoT 機器を製造するメーカーが増えています。また、カスタム ソフトウェアや PLC も使用して、周辺機器との統合と通信が可能です。もう 1 つのプラグ アンド プレイ アイテムで進歩しているのは、エンドオブアームまたはエンドエフェクタ ツールです。たとえば、Schunk や大手ロボット ツール会社のいくつかは、[ソフトウェア/データの] USB スティックを提供していますそれがロボットにアップロードされるのです」とズニス氏は語った。

「たとえば、ファナックの協働ロボットでは、ツーリング データをロードすると、ロボットがサーボ エンド オブ アーム ツーリングを自動的に設定します。バリ取りペンシル、サンダー、ポリッシャー、真空モジュールなどの機器用のアプリが、これらのツールを作成します。 「プラグ アンド プレイ対応。CMM 用のプラグ アンド プレイ専用インターフェイスはまだありませんが、モノのインターネット革命により、近い将来それが実現すると予測しています」とオルトナー氏は述べています。

工作機械セルは、今日の製造業者が直面している深刻な労働力不足の解決に役立ちますが、工場が初めてオートメーションを使用し始めるには、CNC マシン、ロボット技術、セル統合の選択に細心の注意を払う必要があります。 ウィスコンシン州メノモニーフォールズにあるUNISIG Deep Hole Drilling Systemsの最高経営責任者（CEO）、アンソニー・フェティグ氏は、経験則として、手動アプリケーションで十分に開発され信頼できるものはすべて、機械加工セルの自動化の候補になると述べた。

「手動で操作する機械と同じように、良好な切りくず処理を実現する送りと速度の基本を正しく理解し、部品を確実に配置する効率的なワーク保持を設計し、必要な操作の順序について適切な計画を立てることで、自動化の実装が容易になります。 」とフェティグはアドバイスした。 「自動化を始めるには、セルに簡単に統合できるように工場でロボット対応として指定できる機械を選択します。これには、追加の I/O、自動ドア、加工プロセスを監視するための追加のセンサーが含まれる場合があります。」

「部品ファミリーをグループ化するのは一般的な戦略であり、ここで初期の自動化計画が重要になります。切り替え時間を最小限に抑え、柔軟性を高めるにはどうすればよいでしょうか。複数のマシンを一緒に配置する理由はいくつかあります。」とフェティグ氏は説明しました。しかし、すべてのマシンでスピンドルを良好に使用するには、サイクル タイムのバランスが取れている必要があります。」

「たとえば、同じプロセスを実行する 2 台の機械による部品の体積要件が存在する可能性があります。2 台の 2 スピンドル機械とロボットを組み合わせれば、事実上 4 スピンドル機械が存在することになります。2 スピンドル機械は非常に一般的であり、容易に導入できます。」スピンドルの使用率を優先してサイクル タイムのバランスをとると、セルの初期コストと長期運用コストが削減されます。別の例: 3 台のマシンのセルでは、2 つのスピンドルを備えた 2 台のマシンで非常に深い穴をあけ、3 台目の 2 台で非常に深い穴を掘削する場合があります。 「スピンドル マシンは、より短い時間で短い穴をあけます。つまり、バランスの取れたセルを得るために、4 つのスピンドルが 2 つのスピンドルに供給することになります。これが、これらの柔軟なセルの良い点です。非常に大きな専用マシンを 1 台用意する必要がありません。」フェティグ氏は説明した。

UNISIG は、さまざまな業界向けに、ディーゼル燃料部品、医療用工具、プラスチック射出成形金型などのシャフトやワークピースを精密加工するための工作機械セルを開発しています。 医療業界の用途には、整形外科用装置のシャフトの製造や外科用器具の穴あけなどが含まれます。 UNISIG のガンドリルやその他の深穴穴あけおよび仕上げ機械は、さまざまなワークピースに最大 100:1 の深さと直径の比率で穴をあけることができます。 「私たちはセルを自動化して、わずか数オンスの重量の部品を穴あけしますが、他の用途では、数千ポンドの重量の部品が依然としてロボットによって積み込まれています。」 フェティグは言った。

ロボットの選択肢は、DIY 協働ロボットから高速産業用ロボットまで多岐にわたります。 「顧客が協働ロボットを自分で統合する場合は、当社からロボット対応の機械を購入するだけで済み、当社はそのプロジェクトをサポートします。当社が提供するセルは、高速産業用ロボットを使用して複数の機械にサービスを提供します。」

「自動セルプロジェクトを開始するとき、私たちは機械の最適な配置を計画し、ロボットまたは一連のロボットとフィーダーシステムを選択し、エンジニアがそのプロジェクト用の特定のプログラムを開発します。私たちはフロアで完全なシステムを実証するか、あるいは、顧客の施設で 2 台または 3 台のマシンを 1 つのセルに統合することもできます」とフェティグ氏は述べました。 これらの産業用ロボットは迅速かつ強力です。 UNISIG はファナックロボットのインテグレーターです。 「これらの独房では、安全のためにフェンスが設置されたり、高速で移動するロボットからオペレーターを保護するためにレーザースキャナーが設置されたりすることがあります。」

自動セルはプロジェクトの特定のニーズに合わせて調整されており、その結果、エンジニアリングがまさにその一連の状況に特化しているため、最初の構築ではコストが高くなる傾向があります。 「おそらく、お客様にとって最も興味深い傾向は、私たちが標準の既製オートメーションセルを作成するときです。私たちはロボット、エフェクター、フェンシングシステム、インフィードおよびアウトフィードのメカニズムと、それらが行うすべてのことを事前に設計しました。 「顧客にとって価値のあるものを購入することです。当社は同じものを複数の顧客向けに何度も複製しているため、バグはすでに解決されており、エンジニアリングがすでに証明されているためコストは低くなります。セルは 0.5 秒で見積もることができます」これにより、顧客は後回しにしがちなオプションを検討できるようになります。」

UNISIG は、セル コントローラーのエンジニアリングとソフトウェアに投資してきました。

「これは、セルの外側にある非常に使いやすいタッチ スクリーンです。オペレータが 3 つの機械、ロボット、供給システムすべてを実行するための単一のインターフェイスを備えています。これにより、初心者レベルの機械オペレータでも、何かが間違って設定されている場合、またはロボットが衝突に巻き込まれた場合にサイクルを効果的に再起動します。プログラマでなくてもロボットを安全な位置に移動し、プログラムを開始できます。基本的にセルを実行してマシンのステータスを確認し、交代がない限り、絶対に独房に入らないでください。」

自動化により、時間や曜日に関係なく生産が継続されるため、リードタイムが短縮され、生産性が向上し、投資収益率が向上します。 実際、イリノイ州リンカンシャーの GF Machineing Solutions (GFMS) の事業開発責任者、エリック・オスティーニ氏は、自動化への多額の初期投資は、生産時間が年間 2,000 時間から 6,000 時間、8,000 時間に増加するため、すぐに正当化されると述べています。 。

GFMS の System 3R Automation は、フライス盤、ワイヤー EDM、レーザー、研削盤を自動化するために、パレットを機械テーブル上のチャックに統合するためのハードウェアとソフトウェアを提供します。 System 3R によって提供される複雑な搬送動作と部品ハンドリングの自動化が可能な Transformer 6 軸ロボットは、搬送重量 70 ～ 700 kg、半径方向リーチ最大 3,400 mm のアプリケーションをカバーします。

オスティーニ氏は、工作機械のセルを有効に活用するには、ロボットを使用してプロセスを最適化する方法を知る必要があると強調します。 「私たちは、工場が機械をパレタイジングし、手動でパレットを出し入れすることから始めることをお勧めします。機械のセットアップに慣れ、ロボットを追加し、機械間の通信を理解すれば、ロボットは非常に簡単です。」 工場が複数の機械を使用したい場合には、自動化と機械の使用率を最適化する方法について利用できるソフトウェアがあります。」

非生産時間を最小限に抑えるために、System 3R は、最適化のためにセル上のすべてのマシンを編成するモジュールを備えた Workshop Manager と呼ばれるソフトウェアを作成しました。 Ostini 氏は、「たとえば、最適化の場合、『最初に利用可能なマシン』というオプションがあります。これが意味するのは、マシンがアイドル状態になった場合、ソフトウェアはジョブを遂行するために何が必要かを調べ、そのジョブに利用可能なマシンを見つけることができるということです。」その結果、マシンがプロセスの完了を待って何時間もアイドル状態に留まることがなくなりました。」

最適化するもう 1 つの方法は、優先順位付けを行うことです。 ワークショップ マネージャー プログラムは、工具の機械データベースを調べて、パレット 1 またはパレット 2 の部品を製造するための工具が機械の生産を継続するために利用できるかどうか、またどこにあるかを判断できます。

自動化により、部品のパレットを検出し、プロセス全体を通じてそれを機械に移動するプロセスを作成することで、生産性の高いセルを作成できます。 たとえば、1 つのパレット上でフライス盤が金型を彫り出すことができ、それがダイシンカーに転送され、金型にリブインサートが挿入され、その後 CMM に送られて測定され、作業の基準内にあるかどうかが確認されます。 1 台のフライス盤が金型作業を行っている間に、別のフライス盤がダイシンカー用のグラファイト電極を作成することができます。

KUKA Robotics Canadaの販売担当副社長であるYarek Niedbala氏によると、WayboなどのKUKAの北米パートナーは、ロボットによる自動化の難しさをゼロから克服するプレエンジニアリングセルを開発したという。 「事前に設計されたセルは、北米の標準に合わせて開発されており、数時間で設置して稼働させることができます」と Niedbala 氏は述べています。 「プログラムがパラメトリックであるため、必要なトレーニングは最小限で済みます。これらのコンパクトな製品は、中小規模の製造業者の小バッチ、多品種製造要件を念頭に置いて開発されました。送り機構と操作は、これらの用途に非常に適しています。」

Niedbala氏は、Wayboの事前設計されたセルは本質的にプラグアンドプレイであると説明した。 このロボットには、部品を再グリップし、OP10/OP20 操作をサポートするための 2 つまたは 3 つのグリッパーが付属しています。 これに加えて、マーキング、バリ取り、測定、クリーニングなどのオプションを組み込むことができます。

KUKA は、可搬重量 4 kg、リーチ 600 mm から、可搬重量 1,000 kg、リーチ 3.9 メートルまでの幅広いロボットを提供しています。 「しかし、より大きなエンベロープが必要な場合は、ロボットを直線レール上に配置して、到達範囲を大幅に拡大することができます」と彼は言いました。 KUKA は、さまざまなペイロードを備えた一連のモバイル プラットフォームを提供しており、その一部には、マシンの位置に制限されないマシンリンク用の KUKA モバイル ロボットと呼ばれるロボットが上部に付属しています。

ただし、事前に設計されたロボットセルを店内で移動させることは、必ずしも望ましいとは限りません。 セルが移動している間、移動元のセルと移動先のセルは通常、部品を生成しません。 Niedbala 氏は、初めてのユーザーはどのマシンが最も頻繁に使用されているかを把握し、まずその 1 台のマシンを自動化することに集中すべきだと述べました。 「Waybo の事前設計されたセルの 1 つを追加するだけで、1 日で機械を完全に自動化できます。」

次のステップは、そのマシンにさらに多くの作業を供給できるプロジェクトを探すことです。 「そのマシンが最大限に稼働したら、次のマシンの自動化に進みます」と Niedbala 氏は説明しました。 「当社のお客様の多くは、1 台のロボットで 1 台のマシンを 1 シフトまたは 2 シフトで自動化することから始めましたが、事前に設計されたセルの長期間の自律性のおかげで、最終的には一晩中稼働し続けるようになりました。そのマシンが限界に達すると、次のマシンに移行しました。」現在、工場では複数のセルが稼働しており、スピンドル時間を最大化しています。これは高価な工作機械にとって非常に望ましいことです。」

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