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人の姿が見られない工場
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省力化機械とは?基礎知識と使われ方、開発動向を解説

省力化機械は日々めまぐるしく進化しています。
ここでは、生産ラインにおける人の作業にとって代わる省力化機械について、どんな種類のものがありどう使われるのか、基盤となる技術は何かなど基礎知識をご紹介します。

1.省力化機械とは

省力化機械とは、生産ラインにおいて人の行ってきた単純な作業を置き換える機械のことで、省力化機械の発達により人は知的な高度な作業のみに専念できるようになりました。
すでに下図のように人の姿が見られない工場も現れています。

人の姿が見られない工場

ものづくり日本を支えてきたのは熟練の職人の技術力と省力化機械の発展です。
省力化機械の種類やその基盤となる技術、発展の過程等を実例により紹介します。

2.生産ラインと省力化機械の発達

以前はテレビや冷蔵庫などの電気製品は日本のお家芸で、日本により作り出された大量生産方式で生産され社会に普及しました。
その時代の生産方式は生産ラインに多くの人が並び、人手により組み立て作業を行う方式で、人は単純な作業の繰り返しに行っていました。
やがて、この作業を軽減するための省力化機械の開発が進みました。
現在では、生産ラインのかなりの部分が自動化されて人の作業が、省力化の機械に置き換えられています。

しかし、生産の作業は複雑で種々の作業の組み合わせから成り立っており、すべての作業が省力化の機械に置き換わるわけではなくありません。
機械の発達とともに徐々に置き換えられています。
特に人の知的能力や視覚に頼る作業の省力化機械の開発は難しく、開発にかなりの時間がかかります。
現在でも人工知能や画像認識の技術により、さらに高度な作業を自動化する省力化機械の開発が進められています。

3.生産における作業と省力化機械の種類

生産工程は生産する対象により異なり、いろいろな作業を含んでいます。
生産対象には、自動車や工作機械のような大きなもの、テレビやスマホなどの電子機器、洗濯機や冷蔵庫などの機構を中心とする機器、家庭向けの消費財、食料品や薬などといったものがあり、それぞれで生産工程に対する工夫がされ続けています。

これらの各部分に省力化機械が用いられますが、これにも下記のようないろいろな種類があります。

3.1 加工装置

機械部品を製作するために使うもので、以前は人手の作業が中心でしたが次々と自動化されていきました。
省力化された機械加工装置の例としてはマシニングセンターがあります。

これはコンピュータの指示により複雑な形状の加工が行えるとともに、工具の自動交換装置により工具も材料も取り換えることなく多種類の加工を連続して行うことができます。

マシニングセンタ

部品の各場所の加工目的に合わせて取り換えられた工具が次々と加工を進めていきます。

3.2 機械の組み立ての省力化機械

組み立ては機械より人間の方が得意とするところです。
複雑な形状のものでも、ものが重なり合ったものでも人は自由に組み立てを行うことができます。

この組み立てを省力化する装置は、どんなものにでも自由に対応するのは難しく、繰り返し作業で効果が上がるところから導入されています。
省力化の機械の種類には専用の装置と汎用のロボットによるシステムを使ったものがあります。

・専用の装置の例
機構部品を枠組みの中に配置するパーツフィーダー
これは部品を大量に入れると自動的に整列させ、あてはめたい枠組みの必要な位置に配置するものです。
部品の整列や供給手段、配置位置の決定などに長年の間に種々の技術が開発されました。

ロボットの例としては、車の組み立てを行うロボットの生産ラインが参考になります。
ソフトウエアで制御されたアームが部品を掴んで必要な位置に配置するもので、単純作業を組み合わせて複雑なものの組み立てを行います。

3.3 電機、電子機器の組み立て

スマホなどの電子機器はますますミクロ化が進み、電子基板や電子部品もチップ化が進んでいます。
このため省力化機器も半導体製作技術に近いものが使われています。

大きな電気機器もモジュール化が進み、筐体レベルでも人が組み立てる部分は少なくなってきました。
モジュールの組み立てには専用の装置やロボットが用いられます。筐体の配線や組み立ては自動化が難しく、最後まで人手に残った作業がたくさんあります。

筐体を人の手で組立する

3.4 検査の省力化機器

生産の重要な部分に検査の工程があります。
組み立てた製品の品質を管理するもので、日本の製品が世界に誇れるのはこの工程について優れた技術を有しているからです。
検査は電気的な性能や耐震性などの検査、目視による不良個所の検査等があります。
目視による検査にはテレビカメラの画像を認識して判断するパターン認識の技術が必要で、長い間研究対象となってきました。

ロボットの先端についたテレビカメラで、製品の検査

4.省力化機械を支える技術

省力化のために生産工程を自動化する装置は、下記により構成されています。

  • 人の頭脳にあたり判断して指令を出す制御装置
  • 対象の状態を検出してデータを入力するセンサ部
  • 対象を制御する手にあたるアクチェーターと呼ばれる駆動装置

ここではそれぞれについて簡単にご紹介します。

4.1 制御装置

ひろく用いられているのはシーケンス制御で、これはコンピュータに覚えこませたあらかじめ定められた手順によって機械の各部分の制御行うものです。
入力7されたセンサの情報を判断してアクチュエーターを駆動する情報を出します。
制御装置のプログラムはモジュール化や標準化が進み、簡単な手順により作成されます。

ロボットの制御装置では人の手でロボットを動かし、その動きを覚えこませるようなティーチングという作業によりプログラムを生成していきます。
また機械加工では3次元の図形を設計するCADやCAMと連携して加工のデータを生成する方法も行われています。

下記イメージは制御機器を操作して加工の内容を変更している様子です。

加工のティーチング

4.2 センサ技術

省力化機械には機械的な接触や、磁気を利用したものなど数限りないものが使われています。
近年テレビカメラの小型化が進み、視覚を利用したセンサが多くのところで使われるようになりました。
この場合は入力した画像を処理して対象の状態を判断するための画像認識技術が必要です。

4.3 アクチュエーター

これにも機械的なもの、油圧や空気圧、電磁気を利用するなど多くのものがあります。
最近はカーボン・ナノチューブなどで作られた伸縮性のアクチュエーターである人工筋肉の開発も進み、人の作業に近い動きをするロボットハンドの利用も進んでいます。

5.AI技術によるロボットを中心とする省力化機械の発展

従来のロボットは、教え込んだ作業を繰り返し行いその作業を組み合わせて生産ラインの自動化に利用していくもので、ロボットに動作を覚えさせるティーチングが必要でした。
近年中国をはじめとする低賃金の新興国の発展により大量生産を主とする製造業はその拠点を日本から移しています。
そのため日本では多品種少量生産のものや複雑な検査や調整の必要なものの生産が主となっています。

少子高齢化により、これらに対応するベテランの技術者の数も減ってきて、省力化機械の高度化により自動化することが急務となっています。
AI技術の導入がこれに対する答えです。

AI技術によりロボットがティーチングなしでも、自分で考えて複雑な作業を行うような技術の開発が進んでいます。

AIによる作業の自動化

上記のようなAIロボットは機種が変わり組み立て内容が変わっても手順を考えて組み立てを進めます。
人はその判断結果をチェックしていくことにより生産が進んでいきます。
AIを利用したロボットの開発は日本にとって重要課題であり、政府の主導するロボット革命イニシアティブ協議会では、欧米に負けないようなロボット技術の開発が進められています。

6.まとめ

省力化機械の開発は長い期間にわたって多くの分野で進められ、種々の機械があります。
導入にあたっては、何を導入し、どこまで自動化するのが最も省力化による投資効果が出るのかを十分検討する必要があります。
このためには生産ラインの設計や省力化のための機械について多くの経験を有するSIer (エスアイアー、システムインテグレータ)の協力が不可欠です。

日本サポートシステム株式会社(jss)は省力化のための治具や機械の開発、それを利用したシステムの構築に長い経験を有し、多くの顧客に信頼されています。
生産ラインへの省力化の機械の導入を考えられたら、ぜひご相談ください。

 

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