プロセスの自動化は、大小を問わず多くの製造業者にとって大きな決断である。しかし、この選択は、単に技術的能力や初期資本コスト以上のものである。むしろ、製品の製造方法、生産ラインの柔軟性、市場での競争力を形作る戦略的コミットメントなのだ。
一旦自動化の道を選ぶと、ある程度までは、能力、制約、将来のオプションのセット全体を購入することになります。正しい決断は、品質を向上させ、処理能力を高め、ビジネスを成長させる。
選択を誤ると、ニーズが変わったときにアップグレードが難しい、あるいは高価なシステムに囲い込まれてしまう可能性があります。あるいは、使いもしない機能のために出費がかさんでしまうかもしれません。
レーザーシステムに関して言えば、市販されている製品は一般的に2つの大きなカテゴリーに分類される。これらは実際にはスペクトルの両端に過ぎないが、この区別は主要な意思決定基準を概説するのに便利である。
この記事は、あなたのビジネスにとって適切な決断を下す一助となることを目的としている。
設定済みレーザーシステムとは？
設定済みのレーザーシステムは、通常、低価格のエントリーポイントを提供することを目的としており、定義された限られた範囲のタスクを実行するように設計されている。これらのシステムは、溶接、クリーニング、切断などの一般的なレーザープロセスを、カスタムエンジニアリングの時間とコストをかけずに自動化したい製造業者を対象としています。
構成済みのシステムは、中小規模の製造業者や、標準的で反復可能なプロセスのために迅速に生産能力を追加したいと考えている大規模な事業所にとって、特に魅力的である。魅力はそのシンプルさにある。信頼性が高く、設置が簡単で、迅速に導入できるように構築されている。
構成済みシステムは通常、クラス1レーザー安全エンクロージャに収納された自己完結型ユニットで、オペレータの安全を確保するためのアクセスドア、インターロック、またはライトカーテンが完備されています。一般的に、完全自動化された生産ラインのコンポーネントとしてではなく、スタンドアロンの作業セルまたはワークステーションとして機能するように設計されています。
対象とするアプリケーションや部品のサイズに応じて、構成済みのシステムはガントリー（直交）モーションまたはロボットアームを利用することができます。ガントリーシステムは通常、鋼鉄製または花崗岩製の作業プラットフォーム上に構築され、精密な操作のための安定した基盤を提供します。ロボットシステムは、6軸産業用ロボットを組み込むのが一般的です。
サプライヤーが、構成済みのシステムにオプションを付けて提供することは珍しくない。これには、様々なレーザー光源、ビーム伝送光学系、さらにはビジョンやプロセスモニタリングシステムが含まれる。
トレイや回転マウントのような、さまざまな部品保持・取り付けインターフェースも、特にマーキングシステム用としてよく利用されています。コンベアローディングやターンテーブルのような、半自動ローディングやアンローディング用のインターフェースもあります。
設定済みレーザーシステムの主な特徴は、シンプルで使いやすいことです。ヒューマン・マシン・インターフェース（HMI）は通常、プリセットプログラムまたはレシピパラメータに限定されたアクセスで、クリーンなメニュー駆動の制御環境を提供する。これにより、最小限の専門トレーニングで現場の作業員が使用することができます。プロセスエンジニアにとっても、新しいタスクの作成は同様に簡素化され、プログラミングスキルの低い人でもアクセスできる。
カスタム・レーザー・システムとは？
カスタムレーザーシステムは、あらかじめ構成されたシステムの能力から外れた特定の生産要件を満たすために一から設計されます。各カスタムシステムは、定義上、本質的にユニークです。
しかし、カスタムレーザーシステムは、いくつかの一般的な（場合によっては標準化された）構成要素で構成される傾向がある。これらには以下が含まれる：
- 自動マテリアルハンドリング
- 部品固定と工具
- 部品の動きと位置決め
- レーザー光源とビーム伝送
- ビジョン、センシング、プロセスモニタリング
- コントローラーおよび関連ソフトウェア
- 通信モジュール（MES、PLC、その他のファクトリーオートメーション制御システムとのインターフェース用）
- 安全性と囲い込み
これらの要素はあらゆる方法で組み合わせることができ、複雑で高度なレベルも可能です。モーションシステムには、複数のロボットアーム、ガントリー、リニアステージ、回転テーブルなどが含まれる。これらは、時には独立して働き、並行して部品を加工する。必要なリーチ、精度、スピードを達成するために協調することもあります。
ユーザー・エクスペリエンス(UX)の面では、カスタム・システムは通常、より深い制御とモニタリング機能を提供する、カスタマイズされたHMIを特徴としている。オペレーターやプロセス・エンジニアは、高度な診断ツール、 カスタマイズ可能なプロセス・パラメーター、レシピ管理や多品種生産を サポートするインターフェースにアクセスすることができる。通常、これらのツールを動かすには、かなりのプログラミングとオートメーショ ンの専門知識が必要である。
カスタムレーザーシステムはスタンドアロンのワークセルである場合もありますが、施設全体のオートメーションシステムや生産ラインに統合するように設計されることがよくあります。EtherNet/IP、Profinet、OPC UAなどの標準産業プロトコルを使用して、PLCネットワーク、MESプラットフォーム、およびSCADAシステムに接続することができます。
構成済みレーザーシステムとカスタムレーザーシステムの選択
レーザーオートメーションへの正しいアプローチを選択するには、多くの要素を考慮し、バランスをとる必要がある。資本コストや運用コスト、利用可能な床面積など、明らかなものもある。ベンダーのサポートの質やアップグレード可能性など、あまり明らかでないものもある。
非常に多くの変数があるため、意思決定には圧倒されかねない。このプロセスを合理化するためには、成否を決定する可能性が最も高い核となる問題を特定し、それに集中することが役立つ。システムの機能性という観点からは、一般的に以下の7つの要素が最も重要であることが分かっています。
アプリケーション・フィット
これは意思決定プロセスの基礎であり、出発点である。まずプロセスを定義し、レーザーが最良の結果をもたらすかどうかを判断する必要がある。
この評価を行うには、レーザーが何をもたらすかを理解する必要があります。それがスピードであれ、精度であれ、投入熱量の低減であれ、運用コストの削減であれ、そして成功をどのように測定するかを決定する必要があります。何が課題なのか、何をもって成功とするのか、明確な定義がなければ、それを達成するチャンスはほとんどない。
そこで、レーザーオートメーションパートナーのアプリケーション開発サービスが役に立つ。理想的には、レーザープロセスを特定し、テストし、最適化するための設備と経験を持つことである。
部品サイズ
これは平凡なことに思えるかもしれないが、重要な役割を担っている。レーザーシステムは、その動作範囲によって制約を受けます。
例えば、医療機器では小型で精密な部品、一般産業用では中型のアセンブリなどです。部品がこれらの標準から外れている場合（部品が大きかったり、特殊な形状をしていたりする場合）、多くの場合、特注または大幅に修正されたシステムが必要になります。
スループット要件
スループット能力は、構成済みソリューションとカスタムソリューションが一般的に差別化される分野である。生産性が自動化の主な目標であることを考えると、これはしばしば決め手となる。
構成済みシステムは通常、シングルステーションのワークセルまたはワークステーションとして設計されている。そのため、通常、低～中程度のスループットニーズに最適です。部品のローディングとアンローディングは、特に手作業で行われる場合、多くの場合、構成済みシステムの速度制限要因となります。
例えば、オン・ザ・フライ溶接のような技術は、毎分1,000個以上の溶接速度を達成することができる。これにより、EV-Cubeのようなスタンドアロンのワークステーションでもスループットを向上させることができますが、搬送や生産ラインへの統合により、さらにスループットを向上させることができます。
対照的に、カスタムレーザーシステムが達成できる速度は、多くの場合、コスト投資、スペースの制限、またはレーザー以外のボトルネックによってのみ制限されます。カスタム・システムは、複数のレーザー光源や光学系、数種類のシステム・モーション、あるいは非常に高いスループットを達成するために並行して実行されるレーザー以外のプロセスを組み込むことができる。
要件によっては、大規模な特注ラインに投資するよりも、複数の標準システムを設置した方が費用対効果が高い場合もある。
構成済みのシステムの中には、自動部品ローディングオプションや、ベルトコンベアとの統合機能をサポートしているものもあります。これにより、部品がロードまたはアンロードされている間のシステムのアイドル時間を最小限に抑えることで、スループットを向上させることができます。
工具
部品ローディングをさらに掘り下げると、部品がどのように固定され、レーザーに提示されるかを検討する価値もある。標準システムは通常、限られた範囲の部品保持オプションを備えている。これには、固定クランプ、位置決めピン、手動または空気圧チャック（円形部品用）、Vブロックなどがあります。このため、複雑な溶接経路を実行したり、複数の角度から加工する必要がある3D形状の部品を扱うには、システムの能力が制限される場合があります。
部品に複雑な位置決め、動的な固定、外部システムとの相互作用が必要な場合は、それに応じてツーリングを設計する必要があります。もちろん、これはカスタムロボットシステムで得ることができる。しかし、メーカーにその能力と意欲があれば、設定済みのツールの能力を拡張することもできる。
公差と品質
ツーリングはプロセスの精度と再現性を決定する上で重要な役割を果たしますが、様々なセンサー、特にビジョンシステムで補強することができます。これらは、システムが部品間のばらつきにうまく対応したり、ツーリングの位置一貫性の制限を補正したりするのに役立ちます。
一部の構成済みシステムには、ビジョンシステムとプロセスモニタリングが標準オプションとして含まれている場合がある。例えば、IPG LaserCell プラットフォームの溶接構成は、インライン溶接モニタリング用のLDD リアルタイムレーザー溶接測定システムと共に利用可能です。
しかし、部品の複雑さと公差要件の組み合わせにより、構成済みのシステムで対応できる範囲を超える要件が生じる可能性があります。このような場合は、カスタムまたはセミカスタム設計に移行することになります。
レーザ出力
標準的なレーザーシステムは、特定のレーザー出力範囲に対応するように作られています。これは通常、工具の光学系、安全システム、冷却の必要性、そしておそらく出力要件によって決定されます。
しかし、加工速度が速くなったり、材料が厚くなったりすると、高出力のレーザーが必要になることがある。
これらの制限の中には、アップグレードや拡張が容易でないものもある。そのため、標準システムが提供できるものより高いレーザー出力が絶対に必要な用途の場合、カスタムレーザーソリューションを構築する決断を迫られることがあります。
オペレーター・インタラクション
システムの機能性に加えて、もうひとつ重要な考慮点は、いかに簡単にプログラムして操作できるかということだ。これもまた、設定済みシステムとカスタムシステムが大きく乖離しがちな分野である。
あらかじめ設定されたシステムは、予測可能でわかりやすいインタラクションのために構築され、通常は限られた操作の選択をサポートする。新しいタスクのプログラミングは単純化されていることが多く、レーザー溶接コボットシステムのように、ドラッグ・アンド・ドロップ機能だけに縮小されていることさえある。
これにより、オペレーターとプロセス・エンジニアの両方に必要なトレーニングが緩和される。また、システムは通常、設置後すぐに生産現場で稼働させることができます。
カスタム・ロボット・レーザー・システムには、オペレーター用の簡素化されたユーザー・インターフェースが含まれているかもしれない。しかし、その下には通常、はるかに洗練されたソフトウェア環境があります。
その洗練された利点は、事実上無限の能力を持つことである。これにはしばしば、他のファクトリーオートメーションシステムと統合する能力も含まれる。
しかしこれは、一般的に複雑でプログラミングが難しく、サポートに多くの専門知識を必要とすることを意味する。特に、外部システムとの大規模な相互作用を伴う場合、新しいシステムやプロセスをオンライン化するのに時間がかかることは珍しくない。
その他の考慮事項
前述したように、レーザーシステムの購入は二者択一ではない。一部のサプライヤーでは、構成済みのシステムから始めて、実質的にカスタムシステムになるまでオプションで変更することが可能である。他の業者では、構成済みのシステムは硬直的で、狭い範囲の作業に最適化されている。
構成済みのロボットレーザーシステムは、通常、フルカスタムツールよりも低コストで、通常、製造業者によってより早く納品される。さらに、構成済みのシステムを設置することで、メーカーがすでにさまざまな生産環境での使用についてかなりの経験を積んでいるため、学習曲線が少なくなる可能性が高い。
また、システム機能を拡張するために標準システムを変更する場合、通常、完全なカスタムシステムで同じ機能を得るよりも、コストの増加は少なくて済む。しかし、これは一概には言えない。あらかじめ構成されたシステムには制限があり、大規模な改造を行う場合、ゼロから始めるよりもコストが高くつくことがある。
ロジスティクスや金銭的な問題もある。すでに本番で使用されている設定済みのシステムを変更すると、そのツールがオフラインになる。そのダウンタイムは影響がある。しかし、その修正にかかる費用は営業経費から捻出することができる。一方、新しいシステムの購入は必ず資本経費となる。
最後に、特定のベンダーが限られた製品レンジしか提供していない可能性があることを忘れてはならない。そのため、ベンダーの既存の製品や機能からソリューションを選択するように誘導される可能性がある。残念なことに、この製品はあなたのアプリケーションに最適とは限りません。
レーザーオートメーション入門
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