自動加工装置の生産性、信頼性、柔軟性を支える要素とは？

1. 高い生産性

自動化生産の主な目的は、労働力と機械の生産性を向上させることである。自動化は、先進的なプロセスを基盤として構築されるべきであり、非切削時間や補助時間を継続的に削減すべきである。時代遅れのプロセスを自動化しても、得られる効果は限定的である。.

加工サイクル以外でもロスが発生するため、長期的な生産性は理想的なサイクルレートよりも低くなります。工具の交換、修理、機構の調整、再装填、製品の切り替え、および組織的な停止は、いずれも時間を要します。これらのロスは、以下の6つの分野で削減することができます：

1. 機械加工に伴う損失。. 連続自動生産ライン、高速非切削機構、自動検査、切りくず除去、および定期的な装入を行うロボットや装置を活用する。.
2. 工具に関連する損失。. 工具庫、自動工具交換ロボット、自動工具調整、自動ロック装置、および強制工具交換を活用する。.
3. 設備に関連する損失。. 自動摩耗補正および摩耗低減機構、保護装置、耐久性の高い材料、確実な潤滑、計画的な保守、および自動診断を活用する。.
4. シフト交代に伴う損失および資材不足による損失。. 作業、ライン、セクション、および作業場間の自動保管システムを活用し、自動記録およびコンピュータによる管理と組み合わせる。.
5. スクラップに関連する損失。. 能動的な工程内検査、適応制御、工具摩耗の自動補正、および強制工具交換を活用して、加工プロセスとワークの形状を管理し、不良品を削減する。.
6. 切り替えおよびセットアップによる損失。. 最新のCNC自動装置、再構成可能なフレキシブルライン、コンピュータ制御の可変システム、プログラム制御、自動プログラム切り替え、およびクイック調整可能な治具を採用しています。.

2. 一貫した加工精度

製品の品質によって、その製品と自動化システムに実用的な価値があるかどうかが決まります。ロット単位での不良を防止し、精度を維持することは、基本的な要件です。.

1. 工具の寸法摩耗。. 摩耗は、寸法精度や幾何学的精度に大きな影響を及ぼすことがあります。 ワークの自動測定、切削力、トルク、温度、騒音、表面粗さの間接的なモニタリング、およびオンラインでの直接的な摩耗検出により、工具を自動的に補正する制御システムに情報を提供することができます。検出や補正が不可能な場合、マシニングセンターやFMSでは、工具寿命に基づく強制的な交換が広く採用されており、寿命データや切削時間はコンピュータによって管理されています。.
2. 弾性変形。. 剛性の低いシステムでは、特に仕上げ加工において大きな誤差が生じる可能性があります。仕上げ加工では、剛性が表面粗さにも影響を及ぼします。中～大量生産向けの専用機やモジュール式機械は、1つの製品ファミリーを基に設計することで、その機械的特性が十分な剛性を確保できるようになります。 例えば、ラック型フライスを1歯から複数歯に改良する場合、工作機械の剛性を考慮しなければ、精度を確保できない可能性があります。.
3. 切削条件。. 切削速度、送り量、および切削深さは、表面粗さに影響を与えます。これらは、表面品質を損なうことなく、生産性の要件を満たさなければなりません。.
4. 機械の設定エラー。. 自動生産では、あらかじめ設定された機械と、自動的に達成される寸法に依存しています。したがって、生産開始前に、機械の寸法設定および機械とワークピースの位置関係を調整する必要があります。工具は、マスター部品を基準に、あるいは試切削によって設定することができ、指定された公差を満たす必要があります。.

3. 機器の高い信頼性

品質、コスト、および実際の生産性は、信頼性に左右されます。信頼性が向上するにつれて、実際の生産量は理論上の設計値に近づきます。.

設備の停止は、機械、治具、または部品の故障、工具の破損、計画的な停止、あるいはブランク材や工具、人員の不足、材料の欠陥、電力や空気の供給停止といった組織的な要因によって引き起こされます。これらの故障は、機構の動作を停止させるか、あるいは所定の精度を達成できなくします。.

稼働時間に対する故障率は、大きく分けて以下の3つの段階を経ます：

1. 初期の失敗。. 故障密度は当初高い水準にあるが、その後急速に低下する。その原因としては、材料の欠陥、設計の未熟さ、製造上の不備、および初期の操作ミスが挙げられる。頻繁な点検、設計・製造部門へのフィードバック、欠陥の是正、オペレーターの習熟、および部品の慣らし運転によって、設備は安定化する。.
2. ランダムな不具合。. 通常の稼働中は、故障密度は安定しており、故障は予測不能に発生します。その原因は、過負荷や予期せぬ応力集中にあることがよくあります。清掃、潤滑、調整、点検を行うことで、耐用年数を延ばすことができます。.
3. 摩耗による故障。. 機械的摩耗、疲労、化学的腐食、および経時的な材料の変化により、故障率が急激に上昇します。メンテナンスの改善により、この故障率を低減し、劣化を遅らせることができます。.

信頼性は、部品の信頼性、部品点数、および接続構成によって決まります。直列接続された固定ラインでは、1つの部品が故障するだけでライン全体が停止してしまいますが、ラインをバッファ付きセクションに分割することで、信頼性と生産性を向上させることができます。.

優れた設計、製造、運用手順、保守性、および迅速な故障検出は、いずれもダウンタイムの削減につながります。頻繁に故障する摩耗部品には、交換用アセンブリ一式をそのまま取り替えられるよう、クイックチェンジ接続を採用すべきです。並列冗長構成、予備系統、および手動によるバックアップ制御により、可用性をさらに向上させることができます。.

4. 製造の柔軟性

製品のライフサイクルが短縮され、品揃えが多様化したことで、小ロットと中ロットの混在生産が一般的になっています。柔軟性の高い設備であれば、ソフトウェアの変更と最小限の金型交換を行うだけで、特定の部品ファミリー内での切り替えが可能であり、多くの場合、機械の手動調整を必要としません。これにより、段取り替えや生産準備の時間が大幅に短縮され、混在モデル生産に対応することが可能になります。.

中小規模のロット向けの自動化システムには、以下の要件が必要となる場合があります：

1. プログラムの自動切り替え。. コンピュータやプログラマブルコントローラは、システムを停止させることなく、機器のプログラムを迅速に切り替えるべきである。.
2. 複数の製品または部品ファミリーの自動製造。. 汎用性の高い、高度に自動化された搬送システム、パレット・治具、および加工システムは、グループ化された部品を自動的に処理すべきである。.
3. 可変ルーティングおよびタクト。. 柔軟性の高いシステムでは、製品ごとに異なる工程順序や搬送経路を通し、それぞれ異なる生産速度で処理を行う必要があります。.
4. 効率的な自動加工と工具交換。. マガジンと自動工具交換装置を備えたCNC加工機は、切削時間と工具交換時間を短縮し、生産性を維持します。.
5. 自動監視および故障診断。. 工程内検査、モニタリング、および診断により、信頼性と品質を確保しつつ、ダウンタイムと検査時間を削減します。.

すべての機械にあらゆる機能が必要というわけではありません。柔軟性は、生産要件や実際の稼働状況に合わせて調整されるべきです。.

厳格な大量生産システムであっても、柔軟な要素を取り入れることは可能です。CNCセルや、スピンドルヘッドの交換が可能な機械を導入することで、製品の適応性を高めることができます。また、厳格な搬送システムにバッファを設けることで、各セクションを分離し、1つのユニットの故障によってライン全体が停止することを防ぐことができます。.