金属加工现场无法利用机器人提高生产效率的理由
作为解决制造业人手不足的有效方式，利用产业机器人（以下简称机器人）的自动化需求正在增加。除了少子老龄化之外，将梦想寄托在工厂未来的年轻人越来越少也是原因之一。本篇文章，主要针生产现场，特别是金属加工现场，为了通过引进机器人而实现自动化以及提高生产性，就必须事先考虑的问题，对机器人的有效利用的正确思考和导入要点进行说明。
据说在日本的机器人生产台数已处于世界最高水平，但特别是中小制造业引进机器人，通过自动化大大提高了生产率的事例并不多见。
在牵引着日本制造业的大型企业中，焊接工序和涂漆工序等，以机器人为主角在主体作业中取得效果的例子有很多。
另一方面，在一些金属加工中，机器人的自动化却没有进展。为什么利用机器人提高生产率的措施不在金属加工现场普及呢。
NC车床的工件装卸和下一个工程搬运的自动化，一般会利用到机械臂和悬挂行驶机器人。但是，作为该自动化系统的课题，不难从中发现如配置变更、工序追加、变更困难等问题。
另外，在加工中心（MC）的自动化进程中，虽然也有将机器人配置在机器前面使脱附实现自动化的例子，但操作性和安全性存在问题，不能说已经广泛普及到中小制造。
特别是在金属加工，在机床的加工工序中，主角是产生附加价值的MC和NC车床以及复合加工机的作业和工序。与焊接作业和涂漆作业等主体作业的替代不同，在活用机器人的自动化中，因为主要是进行加工机械工件的装卸，所以只限于处理一些附带工作。
以汽车零件为代表的批量生产工厂，采用的是准时制生产方式（简称JIT），即“一个流”“Load-Load化”的生产方法，并通过设备改善、布局改善等来提高生产线的可动率，以提高生产效率为主要目标。
同时，为了缩短工件的装卸时间而采用无螺栓化和缩短夹具安装时间的一触式安装等，通过各种各样的改善将作业时间缩短到最小，比起增加机械台数，能更进一步提高生产效率。
从过去到现在，基于人工介入自动化的想法，为了最大限度地提高机械和作业者的生产效率，厂家往往只是致力于不断的改善，努力提高工厂的生产性。
像这样，以生产现场的改善为中心，不在自动化上投入额外的金钱是目前的主流，从而错过了导入以机械间装卸及机械间搬运等自动化为目的的机器人的机会。
另外，特别是在MC中，作为母机的作用很强，是追求性能和功能的构造，机器的开口大小和门的开闭等，没有统一性，由于没有与批量生产加工品的自动化相对应的结构，所以机器人的自动化也很难。
另一方面，为了导入机器人，构建自动化系统，维持稳定的品质，可以让机器人自动连续作业的自动化系统变得尤为重要，同时，为了减少浪费，更顺利的进行工作，需要不会频繁停止和不会长时间无法运作的高信赖性机器。
近年来，随着传感器的高功能和高精度化，能够更精准的监视机械运转和产品质量。特别是通过对传感器数据的倾向管理和统计管理，品质状况和机械的状态管理也可以在故障发生之前进行迅速的对应，实现系统化，通过活用机器人，可以构筑以稳定品质持续生产的自动化系统。
虽然机器人不能说是能够解决阻碍生产性的所有问题的万能选手，结合现场作业、适当地导入并活用，可以最大限度地发挥其效果。
以下总结了构建机器人机械加工自动化系统所需的事项。
①通过作业改善及设备改善来实现生产线的流畅
②为应对机器人化的机器
③设备无频繁停止，无故障
④应具有质量管理的监测功能
引进机器人的第一步是学习对机器人的正确知识，在理解了机器人的功能和能力的基础上，事先做好充分的对策以应对机器人所代替的作业。为此，首先要了解需要机器人所代替的工作，仔细分析作业内容，排除问题点，以确保机器人能够稳定地进行作业。
将作为对象的作业工序、准备和收尾工序、设备、配置等存在的问题进行改善，在作业更顺利的基础上再让机器人代替是成功的关键。如果自己能够进行夹具和装置设计的话，制作重复简单动作的自动化装置并不难。在此基础上，如果能在需要各种各样的动作的自动化作业中导入高自由度的机器人就好了。
生产线的自动化水平
在本项中，从笔者提出的自动化生产线的定义中，以自动化水平为基础，对金属加工中机器人的活用事例和自动化系统的概要进行说明。
1.自动化水平的定义
为了活用机器人提高工厂的生产性，首先需要了解本公司工厂的自动化水平。根据工厂的设备、生产线、配置，以及设备设计制作时的想法不同，自动化的内容也各不相同。
目前，笔者并没有找到进行生产线自动化水平定义的企业信息。
表1将加工工序的自动化水平定义为6个阶段。通过将生产线的自动化水平从等级0分为等级5，可以明确表示生产线的自动化。
等级0是指可以进行打孔、去毛刺、打磨等常规手工作业的等级。
等级1是指可以使用铣床和车床等，通过作业人员的操作来进行加工的等级。
等级2是通过NC车床和MC等NC控制，能够基于程序自动运行一个加工循环的等级。
等级3是能够自动装卸工件，并使用自动检测机对加工品进行OK/NG判定以及分类功能的完整型水平。
等级4是将等级3的机械判定为OK品的工件以固定位置自动搬运至下一工序的自动化运转等级。
等级5是根据生产计划开始生产，连续监视加工品质进行趋势管理。
为了以稳定的品质全自动运转并进行生产，需要机器自身可以预见故障并进行防患于未然的应对。正是如此，需要与汽车无人驾驶同等高水平的自动化系统才行。
现在，以中小制造业为首，几乎所有的工厂都摆放着加工机械，从工件的装卸到夹具和工具的交换几乎都是手工进行的。这个阶段在笔者自动化水平的定义中是等级2的阶段。
如果在MC和NC车床上能够自动运行一个加工循环的话，可以由一位作业者操作多台机器，但是在加工加工时间较短的批量产品时，则常常是作业者在机器前等待加工完成的状态。
为了从等级2向等级3升级，是将工件的装卸机器人化的过程，但为了实现这一目标，需要做好充足的准备。
可以从全部加工品中检测出不良品的系统是必不可少的。在自动化系统中，具备在加工后读取品质管理项目的测量数据，与管理值进行比较，瞬间判断良品/不良品的功能是十分重要的。
等级3，需要具有产品检测功能的高完成度设备。在达到等级3后，可以通过等级4的流水线化来实现连续的自动运行。
这样，在设备自动化之前要做到生产线化的自动化，通过将作业以及测量、判断、处理的过程系统化，能够进一步提高水平。同时，以设备间的搬运自动化为目的，活用机器人并加以优化，可以说是提高生产线的自动化水平必不可少的。
2.加工现场的自动化
在金属加工现场常用到的机床主要是NC车床、MC、NC磨床等。这里，我们以MC为例说明构建自动化系统的几个要点。图1所示的是MC中自动化水平的示意图，并且示出了从自动化水平2到自动化水平4的比较。
如图所示，等级2表示每台机器需要配备3名作业人员。
等级3中，因为导入了机器人，节省了人力，作业人员只需要1名。
在等级4中，会自动进行机械间的工作搬运，无需配备作业人员。
这样看来，节省人力和提高自动化水平式息息相关的，但并不是说仅仅通过省人化就能实现自动化。为了节省人力，需要将作业人员所承担的所有工作都机械化并自动化，为了构建自动化系统，必须提高自动化水平，相应的一些需要事先准备的要点也是必不可少的。
3.自动化等级2的要点
使用MC的自动化等级为2级别加工如图2所示。
在生产现场，由于机器循环运转是通过NC程序来实现的，所以虽然机器可以自动循环运作，但是需要作业人员进行工件的装卸和机器的启动。在MC前，工作人员需要先进行工件的装卸，机器旁边放有工作台和夹具检查台，要在加工之后再人工进行检查。
作业人员除了要根据加工零件的不同而更换加工程序，还要更换加工工具，调整加工工具的修正数值，对加工之后的零件进行品质检查。因此，在等级2阶段，除了MC可以自动运作之外，其他工作都需要人工进行。因此，必须保证机床、夹具、模具等都要在最合适的状态下才能完成加工。也就是说，机器要在不会临时停止运转、各项功能都很稳定并且排除一切有可能影响产品品质的前提下，才能实现自动运作。
4.自动化等级3的要点
使用加工中心的自动化等级为3级别加工如图3所示。
自动化等级为3的系统可以称之为半自动化系统，从向MC提供加工部件、安装部件到完成后零件的取出以及零件的精度检查和OK/NG判定、成品输出等一系列工序都可以由机器人来实现，这就是“加工工序完结型系统”的功能。
加工部件的供给一般都是在托盘上整理排列好后统一提供的仓库式供给，机器人需要能够应对多个工件种类，并对MC进行装卸作业，因此需要拥有大范围动作区域和高自由度的垂直多关节型机器人。
如果是加工手掌大小的零部件，则安装搭载BT30主轴的小型加工中心就足够了。
检查装置则采用能够进行常规加工精度管理的台式三维检测机，能够传送检查数据。近年来，还出现了激光型非接触检测机，从检测到数据分析都可以统一进行处理。
5.自动化等级5的要点
自动化等级5是自动化等级4进一步进化的自动化系统，是生产线能够完全自主运转的等级。图4示出了自动化等级5的全自动运转系统。
在自动化等级5中，需要监视生产信息、品质信息、设备信息，从生产状况、品质状况、设备状况中诊断出影响稳定持续生产的主要原因。因为一些特殊情况机器突然停止运转的时候可以自主检测问题，自动进行修正并恢复正常运行，实现真正的完全自主。
为了实现一目的，需要通过4M（材料、人、机械、条件）判断阻碍品质的原因，进而分析各种参数带来影响的真正原因，进行预测和回避的控制。
由此，通过对障碍的发生提前采取对策，可以防止设备故障，稳定品质，保证持续生产。现在，生产管理及设备管理、品质管理的监控系统在很多企业中都能实用化，但在自我诊断及控制方面仍有很多不足。实现完全自动化，需要厂商和用户的共同研究和进一步的技术开发。
连续自动运转系统的要点
1.不发生故障的设备
生产线如果没有能按计划生产的能力，无论实施什么自动化，都不能稳定生产。生产能力是指可以在生产时间内有充裕的周期时间进行生产的能力。为此，对于生产计划数量，为了能够稳定生产，必须改善为没有临时停止和长期停止的可靠性高的设备。生产是一件很重要的事情。因此，对加工机械所要求的能力是“能够确保产量的生产能力”、“高品质的工程能力”、“周期时间”三种。以确保这些能力为目的，采取稳定生产的对策来改善设备和生产线，以及通过引进机器人来实现自动运转。
在自动化生产线转移到量产之前，由于调整不良、电路不良等问题导致的设备停止，以及材料不良、安装不良等引起的设备以外的故障也会频繁导致机器停止运转。如果找出频繁停止的根本原因，采取措施，防止再次发生，就不能真正意义上将频繁停止故障归零。
一般来说，从故障发生的位置、时间和现象描述中，即可判断故障产生的原因，但是对于一些比较复杂的情况，就需要调取故障发生时的详细数据，耐心查明原因并采取相应对策，如果放任不管的话，会影响设备的运转率、成品率和不良率，无法达到工程设定的生产目标。甚至反而因为自动化系统而影响了生产进度。
图5是临时故障暂停的表示图，列举了一些常见的临时故障造成的暂停原因。设备因为故障的临时停止、长时间停止以及产品品质不良等问题，很大程度上都是因为设备管理是的不完善。这样突发的故障，对运转率的影响很大，所以将停止故障归零是很有必要的。由于附带作业而导致的设备停止，通过制定作业规则，有效地按照顺序进行，可以缩短作业时间。附带作业需要以每小时15分钟为目标制定作业标准，制作作业步骤，并且需要作成相应的守则来遵守和落实作业顺序。
通过这样的改善，将机器临时停止的时间控制在基准时间的10%以下。
2.具有稳定的工程能力
工程能力是维持稳定生产最重要的品质能力。需要对品质数据进行监控，以使各工序能够对各自规定的品质管理项目和管理值以稳定的品质进行生产。确认各工序的品质，工程能力低的情况下必须查明原因，立即进行改善。
图6是通过监视品质数据来进行品质管理的示意图，根据品质的变化确定问题并找出原因。品质不良很多都是4M引起的，所以必须要进行改善。
3.外流程化或者是无流程化
内流程是指需要完全停止生产线才能完成的设置，如工件的装卸，夹具和刀具的更换等。而不停止生产线即可进行流程作业叫做外流程。如加工之后的品质检查，夹具和刀具的检查和准备等，如上所述，常规作业包括内流程和外流程，但是有时候需要不得不停止生产线而进行更换工作。
如“去除机床内部的切屑”、“更换折损刀具”、“清扫夹具”、“调整修正值”等都需要停止生产线才能进行。为了提高机器的运转率，提高生产性，需要尽可能地只进行外流程，减少需要内流程情况的发生。
另外，通过详细分析内部更换作业，缩短更换作业时间，可以大幅缩短生产线停止的时间。
图7以5个阶段归纳了缩短夹具更换时间的例子。首先进行外流程化，再重新审视内流程作业。以分秒为单位来缩短更换时间。具体来说，就是在更换夹具的时候要做到单触式安装、使用通用螺丝、无工具安装等。此外，在更换夹具时还要能够同时安装，更换步骤流程化、标准化，提高更换速度，改善作业效率。
4.持续进行改善以提高生产率
将提高生产率作为构建自动化系统时最重要的目标之一。需要制定相应的管理指标，如需要引进机器人的数量，实现自动化之后能节省的人力数量，工厂的生产效率将会提高多少等。表2表示通过在自动化生产线上导入机器人，提高了每位作业人员的工作效率。不仅仅是为了提高生产率而导入机器人，更是对现有生产线进行了一次大的改善。
提高生产率的两个要点如下。
第一个是加工时间，也就是加工周期的缩短。通过对NC程序控制的机器的动作进行详细分析，重新审视工具路径，通过“缩短加工时间”“优化切削加工条件”“门的开闭和夹具的更换”“执行器的移动速度”“工件的装卸时间”“工件的搬运及定位时间”等一系列改善，大幅减少加工周期。
第二个是通过工程间（机器间）搬运的机器人化和主体作业的改善来实现省人化。
在引进机器人之前，在“易拆卸或安装工件的夹具进行结构变更”、“通过输送直线化来简化动作”、“缩短作业时间”等方面进行改善。
通过这两个改善和，将加工周期从33.1秒缩短到22.3秒，缩短时间为10.8秒。投入的机器人有2台，但作业人员从11名减少到7名，平均可以节省4名人力。
由于该生产线是每天的16：00到24：00进行生产的，所以合计每天可以节省8名人力。每名作业人员的生产效率（产量），从每小时从8.4个变成20.8个，大幅提高了2.5倍。
如上，在引进机器人之后，重新统计生产线的生产情况，确认是否出现“需要改进的问题”、“无用的工序”、“可以通过机器人代替日常作业的地方”等内容，及时发现问题解决问题是提高生产线生产能力的重点。
另外，如上所述，在引进机器人后，为了以稳定产品品质，保持持续生产，对自动化生产线的质量管理也是不可或缺的。因此，对生产机器及产品品质的各个状态进行监测，并附加监控整个系统的功能，以在故障发生时能够迅速对应也是很有必要的。
为了在金属加工现场活用机器人，构建自动化生产线并有效运用，需要在自动化系统的设计、导入、维护等方面配备有经验技术以及执行力的专业人才。
对自动化相关技术人员，特别是设备设计人员（机械系统、控制系统）的培养，对于金属加工现场的自动化进程来说是十分重要的。
希望技术人员在解决制造现场的课题的同时，不断向前迈进，积累更多经验，勇于接受挑战，通过机器人的引进来实现具有更高生产性能的自动化系统。
出典：日刊工业新闻社
2020年机械技术5月号