工場の自動化で製造が変わる!ファクトリーオートメーション(FA)とは

ファクトリーオートメーション(FA)とは、工場内の生産工程を自動化するためのプロセスや、そのためのシステムのことです。

主な目的は、ロボットやセンサー、測定器、制御装置などの機械と情報システムで作業を一体化し、人によって行なっていた作業を省人化・省力化することです。

ここでは、ファクトリーオートメーション(FA)導入におけるメリットや歴史、具体的なシステムや機器について紹介していきます。

ファクトリーオートメーション(FA)を導入する企業が増えている理由 

工場にファクトリーオートメーション(FA)を導入することにより、作業の機械化が進むと、大量生産による生産効率向上や人件費などのコスト削減につながることは明らかです。

しかし、現在の製造業が目指すところは、コストや効率化にとどまらず、より高度な製品に対応するための品質向上や柔軟な製造工程システムの構築へと移っています。

具体的には、ロボットやAI、IoTによる「人を超えた緻密な作業」「24時間体制の工場の稼働」「柔軟に転換可能な製造ライン」などが、企業が目指すファクトリーオートメーション(FA)の役割です。

ファクトリーオートメーション(FA)を導入するメリット

これまでの製造業では、人による手作業が中心だったことから、不良品の発生や異物の混入事故、作業工程でのミスやばらつき、生産速度の不安定などが避けられませんでした。

ファクトリーオートメーションでは、人に替わって機械がワークの状態を判断、情報を伝達、制御、製作、組み立て、計測、判別、充填、印字、搬送など、あらゆる工程を自動化することで、さまざまなメリットをもたらします。

人手不足の解消

大きなメリットの一つが、「人手不足の解消」です。

人の作業を機械が替わって行うことは、省人化・省力化による人件費の削減、また、作業する人への教育にかかるコストの削減にもつながります。
また、人の作業軽減により、その人員をほかの重要な作業に配置することができます。

さらに、将来ますます進む少子高齢化を見据え、人手不足を解消するための投資という見方も広がりつつあります。

不良品の削減

二つ目が、「不良品の削減」です。

生産現場で発生する不良のほとんどは、ヒューマンエラーつまり人的ミスによるによるものと考えられます。
人が同じ作業を繰り返し行うと、必ずミスが発生します。作業者の経験や属人的なノウハウによるものへの依存度が大きいほど、作業品質のばらつきは大きくなります。

ファクトリーオートメーション(FA)により、作業工程マニュアルを徹底し自動化することで、一定した品質を確保し、さらに労働安全管理にもつながります。

生産効率の向上

もう一つが、「生産効率の向上」です。

ロボットは、長時間の作業においてもスピードや作業性に変動がなく、計画どおりの生産が可能です。

また、人間とは異なり長時間連続して稼働できることで、工場の24時間フル活用が可能になり、格段に生産効率が向上するだけでなく、生産サイクルが短縮するという大きなメリットもあります。

作業の環境改善

工場の問題には、製造の特性により高温や低温、騒音、重量物の搬送など、作業において人に負担を強いる環境があります。
ファクトリーオートメーション(FA)の導入は、このような条件下で人と機械の作業を分担し作業環境の改善につながるというメリットもあります。

ファクトリーオートメーション(FA)の歴史

工場のオートメーション化は、1950年代中盤アメリカで、主に製鉄産業が先駆けになったとされています。

この時代の製鉄産業は軍事需要が盛んで、大量生産のための近代化が一気に加速しました。
生産は工作機械による圧延や鋳造などの機械作業の工程を連続化する仕組みで行われ、その後、自動車などの一般的な産業にもオートメーション化が浸透していきました。

1970年以降は、計測器などの装置のデジタル化が進み、工作機械の数値制御やコンピュータ化、さらにセンサ機器も発達し、高精度な技術が組み込まれるようになりました。

1990年頃からは、制御システムがより高度化し適用範囲が大幅に拡大、「FAコンピュータ」から「産業コンピュータ」へと変わり、マルチタスクが可能になりました。

2000年以降は、ITを駆使した自動制御システムで、情報・ネットワーク・制御が一体化したファクトリーオートメーション(FA)システムの確立へと進みました。

ファクトリーオートメーション(FA)の用語解説

ファクトリーオートメーション(FA)では、工場内の生産工程に適応した機械を配置し、さらに作業特性によってさまざまな種類の装置を組み合わせてシステムを構築します。

ここでは、ファクトリーオートメーション(FA)に関わる専門的な用語について解説します。

フィールドネットワーク

フィールドネットワークとは、集約した上位のパソコンやサーバから、PLCなどのコントーラと、作業を監視するセンサや測定器、位置決めなどに使用するサーボモータなどの駆動機器を接続して制御するためのネットワークです。

フィールドネットワークは、マスタと呼ばれる主要の通信コントローラ1台とスレーブと呼ばれる複数のフィールド機器で構成されます。

PLC(プログラマブル・ロジック・コントローラ)

PLCとは、プログラマブル・ロジック・コントローラ(programmable logic controller)の略で、一部ではシーケンサを示す場合もあります。
PLCは、リレー回路の代替装置として開発され、工場内の作業工程に応じ自動機械を制御する装置です。

リレー(外部から電機信号を受けて、電気回路のオンオフを切り替える部品)を使って制御していた回路を、ラダー図という言語をパソコン上で編集することで外部機器を制御できる仕組みです。

NC

NCとは、数値制御(Numerical Control)により、機械を制御する方式です。

工場内の作業工程や工具の順番などを数値情報で制御し、工場内の作業をNCプログラム化することで、製造工程が自動化され、人の作業に比べ高い精度や作業の省力化を可能にします。

このNC装置を備えた工作機械をNC工作機械といいます。

サーボモータ

サーボモータとは、サーボ機構を用いて位置や速度などを制御する装置です。

ファクトリーオートメーション(FA)分野では、ロボットに内蔵され、送られてくる指令に応じて、決められた位置や速度、回転力(トルク)などを制御。
「工作機械」「電子部品の実装装置」「半導体・液晶製造装置」「射出成形機」「ラベル包装機」「医療機器」など、超精密工程において制御を行う構成要素です。

アクチュエータ

アクチュエータは、コンピュータから送られてくる電機信号を、物理的運動に変換し制御する装置です。
電気や空気圧、油圧などのエネルギーを機械的な動きに変換することで、機器を正確に駆動させる仕組みです。

アクチュエータには、「電機モータ」「電磁ソレノイド」「油圧シリンダ」「空気圧シリンダ」のほかに、形状記憶や超音波を用いたものもあります。

CNC工作機械

数値制御で機械や装置を制御する「NC(Numerical Control)工作機械」がさらに進展し、コンピュータプログラムで数値データを入力し制御する機械を「CNC(Computer Numerical Control)工作機械」といいます。

NC工作機械では、機械ごとに設定が必要であった数値制御を、機械に依存した数値制御を内臓コンピュータに自動プログラミングすることで、大幅な構成プロセスの削減が可能になりました。

センサ

センサとは、対象となる物質の情報を、物理的、科学的な現象を用いて収集し、電機信号やデータに変換して出力する装置です。

ファクトリーオートメーション(FA)分野では、「温度」「光」「色」「磁気」「圧力」「距離」「速度」「加速度」など、情報を検出する方式によって、さまざまな種類のセンサがあります。

ファクトリーオートメーション(FA)で使われるセンサの種類

具体的に、工場で使用する一般的なセンサにはどのようなものがあるのか見ていきましょう。

光電センサ

光電センサとは、光の性質を利用して、物体の状態を検出するセンサです。
センサの投稿部から発射した光を受光部で受け、反射する光の量や変化によって、物体の有無や表面の状態を検知します。

光電センサの種類には、物体により透過する光で検出する「透過形」、物体によりさえぎられて反射する光で検出する「回帰反射型」、物体により拡散・反射する光で検出する「拡散反射型」があります。

近接センサ

近接センサとは、ワークに接触することなく検出できる非接触センサです。

近接センサの種類には、「物体に近づくことで、電磁誘導により物質に発生する過電流で検出する方式」「物質の電気的な容量の変化で検出する方式」「リードスイッチや磁石を利用する方式」があります。

ファイバセンサ

ファイバセンサは、光電センサの光源にファイバユニットを装着し伝送するセンサです。
細長いファイバユニットを介すことで、狭い場所での検出が可能になります。

レーザセンサ

レーザセンサには、用途によって多くの種類があります。
その中でも一般的なレーザセンサ受光量判別型は、レーザ(発光素子)の直進性を利用し、受光器で受光した受光素子により検出する方法で、スポットが目視できるため、光軸や検出位置の調整が容易にできることが特徴です。

投光器と受光器の構造により、「反射型」「透過型」「回帰反射型」などの種類があります。

接触式変位センサ

接触式変位センサは、検出対象物に直接触れることで位置を測定するセンサです。
センサはスピンドルと物体に触れる接触子で構成され、物体に接触した時のスピンドルの移動によって、ワークの高さや厚み、反りなどを検出します。

超音波センサ

超音波センサとは、発信した超音波が物体から反射する状態で測定するセンサです。

超音波の発信から受信までに要した時間と音速を演算することで距離を算出します。
また、送波器と受派器を物体が通過することで生じる超音波の量で物体の有無を検出する「透過形」もあります。

画像判別センサ

画像判別センサとは、カメラで撮影した画像を処理することで、対象物の面積や重心、長さ、位置などを判別するセンサです。

画像判別センサの特徴は、1台で多くの点を検出できることで、形の違いだけでなく色の違いなどを同時に判別することが可能なこと。
また、精密性が高く、対象物の動きにばらつきがあっても正確に検出することができます。

ファクトリーオートメーション(FA)に欠かせない産業用ロボットとは

産業用ロボットとは、工場内での作業を人に替わって行う機械装置の総称です。
経済産業省では、「センサ」「知能・制御系」「駆動系」の3つの技術要素(ロボットテクノロジー)を有する機械と定義しています。

一般的には、「3軸以上の自由度があり、プログラムにより自動制御可能なマニピュレーション(多関節構造とサーボモーターによって動作する)機能や移動機能を有する産業機械」をいいます。

「溶接ロボット」「組み立てロボット」「搬送ロボット」「塗装ロボット」「検査ロボット」など、さまざまな用途により分類されています。

産業用ロボット(さんぎょうようロボット、Industrial robot)とは、人間の代わりに、工場での組み立てなどの作業を行う機械装置(ロボット)である。産業ロボットとも言う。
厳密にはティーチングプレイバックという方法で動作する産業用の機械を指す。
しかし、最近では人間の代わりに作業をする機械としての役割が重視されることから、ある程度自律的に動作する人間の腕に似た部分を有する機械として解釈されるのが一般的である。
また、国際標準化機構(ISO)は「3軸以上の自由度を持つ、自動制御、プログラム可能なマニピュレーター」と定義している。
主に自動車や電子部品を生産する工場の現場で使用されている。
例えば自動車の生産工場で使われるロボットの場合、スポット溶接を行うロボット、ボディ塗装を行うロボット、部品取り付けを行うロボットが多く見られる。
人間が作業を行う場合、決められた動作を繰り返したり、重量物の運搬を必要としたり、霧散している塗料を吸い込んだりする危険性など、肉体的・精神的負担の大きい労働環境である場合が多い。
このような環境での作業時、労働者への大きな負荷から作業ミスを誘発する恐れもあり、品質安定の面からもロボットが用いられる。

フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

ロボットアーム

ロボットアームとは、人間の手のような動きで、「つかむ」「放す」「運ぶ」などの動作を、コンピュータ制御で行う機械装置(マニピュレータ)です。
産業用ロボットアームには、いくつかの型があり、それぞれの特徴に合わせて、目的の作業に適したものを選定します。

スカラ(水平多関節)ロボット

スカラ(水平多関節)ロボットは、一般的に水平方向に2つの回転軸と、1つの直角軸で構成されています。そのほかに、3軸に加えて手首部分にも水平の回転軸を持たせた4軸タイプもあります。
水平方向への柔軟な動きや垂直方向への変形が少ないことが特徴で、部品の押し込みや抑えなどの組み立て作業に適しています。

直交ロボット

直交ロボットは、水平方向にスライドする2軸から3軸で構成されています。
直線的な動作なので、ブレによる誤動作がしにくく、高精度な作業に適しています。
また、シンプルな構造なので設計がしやすく、汎用性が高いロボットなので、多関節ロボットと組み合わせてシステムを構築することで応用の幅が広がります。

パラレルリンクロボット

パラレルリンクロボットは、3~4本のアームで先端を支持する構造です。
アームの先端に吸着ユニットを装着することで、高速で流れるベルトコンベア上のワークを吸い上げ、素早い動作でピックアップして搬送します。

工場のFA化にかかせないシステムインテグレータ(SIer)とは

パソコンとソフトウェアをネットワークで一体化することで、利便性や効率性を図る仕組みをシステムインテグレーション(SI)といい、これらの情報システムの企画・構築・運用などをクライアント(顧客)から受託して提供する企業をシステムインテグレータ(SIer)と呼びます。

欧米の企業では、システムインテグレーション(SI)を内部で行うケースが多いことに比べ、日本では急速なIT化を背景に、大手企業の多くが情報システム一連を外部システムインテグレータ(SIer)に委託しています。

システムインテグレータ企業の特徴

システムインテグレータ企業は、大きく「メーカー系」「ユーザー系」「独立系」などに分けられます。

メーカー系では、工場の自動化によるファクトリーオートメーション(FA)の流れから、メーカー企業が立ち上げた関連会社や子会社からなるシステムインテグレータ(SIer)が多くあります。

ユーザー系では、通信や金融、商社などから派生し、大規模な情報システム開発の必要性から、自社の情報システム部門を独立させ、自社だけでなく他社のシステムインテグレーション(SI)も受託するシステムインテグレータ(SIer)に発展したという経緯があります。

独立系とは、ほかの2つが親会社からスピンアウトした企業系であるのとは異なり、初めからシステムインテグレーション(SI)専業の組織として立ち上がった企業です。

SIer協会について

SIer協会とは、ロボット・ファクトリーオートメーション(FA)におけるシステムインテグレータ(SIer)の共通基盤組織です。
SIer事業環境の向上や能力強化など、関係機関の連携を促進することを目的に、2018年3月に設立。
協会を通じて、会員である大手企業との「ネットワークの構築」「事業基盤の強化」「専門性の高度化」などの事業を展開しています。

SIerのためのお役立ち情報サイト

今後ますます進むIT化に伴い、SIer業界は将来的に成長が続く分野として、もっとも注目が高まっている職業の一つです。

日本ロボット工業会〈ロボット活用ナビ〉は、全国のロボット・ファクトリーオートメーション(FA)のシステムインテグレータ(SIer)企業やロボットシステム導入事例などを検索できる専門情報サイトです。システムインテグレータ(SIer)業界への就職を目指す人には必見のお役立ちサイトです。

>日本ロボット工業会〈ロボット活用ナビ〉http://www.robo-navi.com

ファクトリーオートメーション(FA)の未来とスマートファクトリーについて

「インダストリー4.0」は、第4次産業革命と呼ばれ製造業の高度化を目指し、ドイツ政府が提唱する国家プロジェクト。
将来的な製造プロセスとIoT・AIなど先端テクノロジーを一体化させることで、メーカー工場内の製造システムイノベーションを推進するものです。

スマートファクトリーは、FA機器の稼働状況をネットワークで制御および自動化し、作業工程を効率化。さらに、部材や部品の調達から製品完成までのサプライチェーンを構成し、全ての工場をネットワーク化・最適化することで、インダストリー4.0を具現化するシステムです。

スマートファクトリー (Smart Factory) とは、ドイツ政府が提唱するインダストリー4.0を具現化した形の先進的な工場のことを指す。
センサや設備を含めた工場内のあらゆる機器をインターネットに接続 (IoT:Internet of things) し、品質・状態などの様々な情報を「見える化」し、情報間の「因果関係の明確化」を実現し、設備同士 (M2M:Machine to Machine) ないし設備と人が協調して動作する (Cyber-Physical System) ことにより実現する。

フリー百科事典『ウィキペディア(Wikipedia)』

スマートファクトリーのメリット

スマートファクトリーには、業務の効率化や人による業務を低減することによるコスト削減のほかにも多くのメリットがあります。
具体的には、工場全体をひと目で把握できる情報の共有です。

工場内ネットワークによって、FA機器の稼働状況を監視し、生産性の低い作業を見直すことで、工程全体を最適化することが可能になります。
また、工場全体のエネルギー管理システム(FEMS)によって省エネルギー化、つまりエネルギーの最適化にもつながります。

さらに、スマートファクトリーは、1つの工場内の生産性だけでなく、サプライチェーンにより部材や部品の調達から完成品の搬送まで、全ての工場で行われるプロセスの一元管理を可能にすることこそが、最大のメリットといえます。

<主なメリット>
・業務の効率化とコスト削減
・ネットワーク構築による工場稼働状況の把握と最適化
・エネルギー管理システム(FEMS)による工場の省エネルギー化
・サプライチェーンによる部品から製品までの一元管理
など

スマートファクトリーのデメリット

一方、スマートファクトリーの実現には、大規模な工場の設備投資などの負担も多くあります。

工場の自動化を可能にするためには、FA機器の導入やそれらを管理するシステムを構築するための莫大な費用の負担。初期投資のほかにも、それらを扱う社員の教育にかかる費用もあり、これらのコスト面が1番のデメリットといえます。

また、導入後は設備の定期的なメンテナンスや更新なども必要になります。
メンテナンスマニュアルの作成や管理など、メンテンス専門の新たな人員確保が必要です。

<主なデメリット>
・機器やシステム導入のための初期投資の負担
・機械やシステムを操作するための社員教育の期間やコストの発生
・設備の定期的なメンテナンスや更新などにかかる人員確保
など

FAについてまとめ

これまでみてきたように、ファクトリーオートメーション(FA)の実現には、設備投資のほかにも工場に適した設備や機械、それを扱う人の知識や技術など、今までにはない専門性などが大きなハードルです。

しかし、大量生産など高い生産性と製品の精密化に対応するために、ファクトリーオートメーション(FA)化は避けることのできない流れといえます。
また、今後ますます進む少子高齢化の対策も、企業にとって大きな課題です。

このような近い将来を見据えた問題を解決に導くとされる、ファクトリーオートメーション(FA)。
これらが世の中にもたらすものは、生産現場の課題解決だけではなく、人の仕事を見直すことで、本来人にしか成し得ない技術や人への新たな価値を見出すための機会にもつながると考えられます。