生産設備の設計では、「何秒で製品を1個つくる必要があるか」が重要な条件になることがあります。ただ、動作時間を計算して、その合計が目標に収まれば、それだけで設備が成立するわけではありません。
新規設備や改造に関わってきた中でも、計画時には余裕を見ていたつもりでも、実機では能力やタクトが思うように出ないことがありました。機械の動きだけでなく、電気・制御、組付けの状態、作業者の動き、前後設備、客先の仕様など、さまざまな条件が関係します。
最初に分けたい3つの時間
タクトタイム、サイクルタイム、リードタイムは、どれも生産に関係する時間ですが、見ている範囲が異なります。
| 用語 | ここでの捉え方 | 主に何を見るか |
|---|---|---|
| タクトタイム | 利用できる生産時間を必要生産数で割って求める、1個当たりの基準時間 | 必要数に対して1個に使える時間 |
| サイクルタイム | 設備や工程の一連の動作に実際にかかる時間 | 設備や工程が1サイクルする時間 |
| リードタイム | 手配開始から納品、材料投入から製品完成など、決めた範囲の開始から完了までの時間 | 加工だけでなく、工程間の待ちや運搬などを含む時間 |
タクトタイムとサイクルタイム、リードタイムの基本的な違いは、キーエンスの「タクトタイム・サイクルタイム・リードタイムの意味や違い、関係性」でも確認できます。
一方、実際の設備の打合せや仕様では、設備1サイクルの目標時間を「タクト」と呼ぶこともあります。同じ言葉でも、必要生産数から求めた時間なのか、設備単体の動作時間なのか、ラインから製品が出てくる間隔なのかで意味が変わるため、何を指しているのかを確認します。
必要生産数からタクトタイムを求める
タクトタイムの基本式は次のとおりです。
タクトタイム＝利用できる生産時間÷必要生産数
例えば、休憩などを除いた生産時間が1日7時間、必要生産数が1日420個なら、次の計算になります。
- 7時間＝25,200秒
- 25,200秒÷420個＝60秒／個
計算上のタクトタイムは60秒／個です。
計算するときは、時間と数量の対象期間をそろえます。休憩、段取り替え、清掃、材料補給、計画停止などを、生産時間の中でどのように扱うかも確認します。
例えば、ある停止時間を利用できる生産時間から除いているのに、別のところでも同じ時間を見込むと、条件が重複することがあります。何を含め、何を含めていない時間なのかを合わせておかないと、同じ「60秒／個」でも条件が違ってきます。
1サイクルで2個を同時に完成させる設備なら、120秒で2個の場合も、1個当たりに直すと60秒／個です。ただし、実際には120秒ごとに2個まとめて出てくる場合があります。
複数工程が同時に進むラインでは、最初の製品が完成するまでの時間と、その後に製品が出てくる間隔も違います。1回に何個つくるのか、どの工程が同時に動くのか、どの工程が全体の時間を決めているのかまで見ていきます。
設備のサイクル時間は、どこからどこまで測るか確認する
同じ60秒／個の要求でも、設備のサイクル時間としてどこからどこまでを測るのかによって、設計で考える内容は変わります。
| 確認すること | 具体例 |
|---|---|
| 測定の開始と終了 | 搬入開始から排出完了までか。次の製品を受け入れられる状態へ戻るまで含むか |
| 1サイクルの生産数 | 1個か、複数個か。不合格品を生産数の中でどのように扱うか |
| 運転状態 | 自動で1回動かす状態か、連続運転か。前後設備と接続した状態か |
| 対象品種 | 標準的な品種か、動作に時間がかかる品種か |
| 人の作業 | 投入、取り出し、目視確認、ボタン操作などを含むか |
| 定期的な作業 | 部品補給、清掃、工具交換などをどこで見込むか |
仕様書が用意されている案件ばかりではありません。書類があっても、動作や確認範囲まで細かく決まっているとは限らず、客先の考え方や管理方法によっても違いがあります。
「タクト60秒」と数字だけを見て進めず、何を1個と数えるのか、どこからどこまでの時間なのか、人の作業や前後設備とのやり取りを含むのかなどを確認します。まだ決まっていない条件があれば、確定した条件と分けておきます。
設備全体の目的や能力、対象製品などの確認は、「生産設備の仕様確認」でも説明しています。
60秒／個の例をタイムチャートで分けてみる
設備の動作時間を考えるときは、タイムチャートを使って動作の順番や重なりを見ることがあります。設備や会社によって書き方は異なりますが、時間の経過に沿って機械の動作や状態、信号などを確認していきます。
先ほど計算した60秒／個を要求タクトとして、1サイクルで製品を1個処理する設備を考えてみます。次の表は説明のための仮例で、実際の設備の設計値ではありません。
| 仮の時間帯 | 動作 | 次へ進む条件の例 |
|---|---|---|
| 0～2秒 | 前工程と搬送開始に必要な信号をやり取りする | 前工程の搬出準備と自設備の受入準備がそろう |
| 2～12秒 | 製品を所定位置へ運ぶ | 製品の到着を確認する |
| 12～18秒 | 製品の位置を決め、固定する | 製品の位置と固定状態を確認する |
| 18～48秒 | 加工・組付け・検査などを行う | 工程の完了と必要な判定を確認する |
| 48～53秒 | 固定を解除し、次工程との受け渡し条件を確認する | 固定解除と次工程の受入準備を確認する |
| 53～58秒 | 製品を排出し、次の製品を受け入れられる状態へ戻る | 排出完了と必要な機構の戻りを確認する |
この仮例では、すべての動作を順番に行うと1サイクル58秒です。1サイクルで1個を処理するため、要求タクト60秒／個に対して、計算上は2秒短いことになります。
ただし、この2秒をそのまま「実機でも2秒の余裕がある」と考えることはできません。実際の動作時間のばらつき、製品の状態、検出、通信、作業者の動きなどによって時間は変わります。
また、別の機構で次の製品を準備できるなど、条件がそろえば一部の動作を並行して進められることもあります。反対に、図の上では時間を重ねられても、機構同士が干渉する、同じ駆動部を使う、製品が安定していないなどの理由で、実際には同時に動かせない場合もあります。
ミスミ meviyの「タイムチャートを書いてタクトタイムを計算してみよう」では、移動距離や速度、加減速時間などから動作時間を求め、タイムチャートで要求タクトと照合する例を見ることができます。
計画の初期では、すべての時間が確定しているわけではありません。計算した時間、メーカー資料から確認した時間、実測した時間、仮に置いた時間などが分かるようにしておくと、後から見直しやすくなります。
機械が動いている時間以外にも目を向ける
設備には、目に見える移動や加工以外にも、次の動作へ進むために必要な時間があります。
| 時間の種類 | 具体例 | 確認材料の例 |
|---|---|---|
| 機械の動作 | シリンダの前進・後退、モーターの加減速、搬送 | 移動距離、速度、負荷、メーカー資料、実測 |
| 検出・確認 | 製品の到着、圧力の到達、固定完了 | センサーの位置、応答、成立条件 |
| 制御・通信 | 前後設備、検査機、制御機器などとの信号のやり取り | 信号の順番、応答、動作記録 |
| 工程に必要な時間 | 加圧保持、冷却、乾燥、測定、判定 | 品質条件、工程担当やメーカーの資料、試験結果 |
| 作業者の動き | 投入、取り出し、持ち替え、歩行、補給 | 作業手順、姿勢、作業場所、ばらつき |
| 定期的な作業・停止 | 段取り替え、清掃、工具交換など | 頻度、所要時間、生産計画での扱い |
電気・制御で使われるPLCは、センサーなどから信号を受け、設定された条件や順序に従って機器を動かすために使われる制御機器です。機械が目的の位置へ到着していても、必要な確認や次の動作条件がそろうまでは進まないことがあります。
例えば、製品が止まった後に揺れが収まるまで待つ、空気圧や真空が必要な状態になるまで待つ、検査結果が返るまで待つといった時間があります。すべての設備に同じ待ち時間があるわけではないため、その設備に必要な動作や条件を確認していきます。
異常復旧などの不定期な停止は、通常の1サイクルとは分けて考えた方が、どこで時間が増えているのかを確認しやすくなります。一方、生産能力を考えるときには、こうした停止やロスをどこで見込んでいるのかも確認します。
時間に余裕を見込んでも、要求タクトに収まるとは限らない
計画段階では、動作時間のばらつきや、まだ確定していない条件を考えて時間に余裕を持たせることがあります。ただ、余裕を持たせた計画が、そのまま客先の要求する能力やタクトに収まるとは限りません。
反対に、余裕を削って計算上の数字を合わせても、実機が同じように動くとは限りません。機械の加速・停止、製品の扱い、機構の動き、検出、制御などには、簡単には短縮できない部分があります。
時間を見積もるときは、例えば次のように分けておくと、後から見直す場所を探しやすくなります。
- 実測や試験で確認できている時間
- 条件を置いて計算した時間
- メーカー資料や類似設備を参考に見込んだ時間
- まだ確認できていない時間
すべてを一つの「余裕時間」としてまとめると、工程として必要な待ち時間と、まだ見積りが粗いために持たせた時間の違いが分かりにくくなります。何に対する余裕なのか、何を確認すれば見直せるのかを残しておきます。
速く動かすには、力や部品の選定も関係する
設備を設計するときは、荷重、応力、せん断、必要な力、トルク、速度など、対象に応じて必要な項目を確認します。購入品については、自分で計算するだけでなく、メーカーへ確認したり、選定を依頼したりすることもあります。
それでも、計算上の条件と実機で起きることが完全に一致するとは限りません。強度計算を行い、安全率を考慮して許容範囲内と判断していても、実機で部品が壊れたり折れたりした経験があります。
実際の破損原因は、現物や使用条件を確認しなければ判断できません。計画時に想定していなかった力や衝撃、取付状態、繰り返し荷重など、さまざまな条件が関係する可能性があります。
安全率を考慮した計算も、想定した荷重や評価方法に対して余裕を持たせるためのものです。計算に入れていない力や、別の壊れ方まで一律に保証するものではありません。不具合が起きたときは、実際にどのような状態で、どこへどのような力が加わっていたのかを確認します。
例えば、モーターに取り付けて回転速度やトルクを変えるギヤヘッドには、許容負荷慣性モーメントが設定されている製品があります。慣性モーメントは、回転する物の回しにくさや止めにくさに関係する量です。
オリエンタルモーターの「選定のポイント」では、ギヤヘッドを使用して瞬時停止や頻繁な断続運転、瞬時正逆運転などを行う場合、負荷の慣性モーメントが過大になるとギヤヘッドが破損する可能性があることが示されています。
タクトを短くするために動作を速める場合も、単純に最高速度だけを上げればよいわけではありません。加速や減速、停止時の衝撃、負荷、駆動部や周辺部品への影響まで確認します。
一方で、能力を大きくすれば済むとも限りません。これまでにも、余裕を持たせすぎることで予算やレイアウトに合わなくなったり、周辺部品まで大きくなったりすることがありました。反対に、能力不足で思うように動かなかったこともあります。
客先指定、保全性、予備品、過去の実績などから、計算上必要な能力より余裕のある部品を選ぶこともあります。どこにどの程度の余裕を持たせるかは、設備や部品、その時点で変更できる範囲などによって変わります。
部品選定については、「機械部品の能力・寸法を決めるときの考え方」で詳しく説明しています。
試運転では、実際の動きを一つずつ確かめる
機械を組み立て、電気・制御を組み合わせて実際に動かしてから、初めて見えることもあります。計画どおりに動かないところがあれば、実際の状態を見ながら一つずつ確認していきます。
機械の動きや動かし方については、設計段階から電気・制御担当と相談します。使用する機器や必要な動作を伝え、実際に動かし始めてからも、細かな動きやタイミングを確認しながら調整することがあります。
スタート時の打合せだけで決まるわけではありません。電気・制御側から機械の動きについて意見をもらい、機械側へ反映することもあります。機械、電気・制御、製作、組立など、それぞれの担当が一つの設備として動くようにすり合わせていきます。
社内でどこまで確認できるかも案件によって違います。機械の組付けが完了していない、別のトラブルがある、実際に使用する製品や前後設備がそろっていないなど、すべてを同じ条件で試せるとは限りません。
時間を測るときは、計画時と同じ起点と終点で比べます。タイムチャートがあれば、その区切りに合わせることで、どの動作で計画との差が出ているかを追いやすくなります。
- 自動で1回動かした場合と、連続運転した場合
- 設備単体の場合と、前後設備をつないだ場合
- 製品を入れない空運転と、実際の製品を使った場合
- 品種、重さ、形状が異なる場合
- 作業者による投入や取り出しが加わる場合
条件が違えば測定結果も変わります。1回だけの最短時間で判断せず、確認できる範囲で繰り返し動かし、遅い回やばらつきも見ます。
ストップウォッチ、PLCや機器の動作記録、制御画面の時間表示など、確認方法も設備によって変わります。写真や動画を使う場合は、客先や現場で撮影・利用してよいかも確認します。
社内で動いたことと、客先の実際の生産条件で要求能力を満たすことも同じではありません。確認できなかった条件があれば、確認済みの内容と分けて残します。
目標時間に収まらないとき、どこから見直すか
設備のサイクル時間が目標に収まらない場合は、まずどの区間で計画との差が出ているかを確認します。ラインや工程全体の生産量を制約している部分を、ボトルネックと呼ぶことがあります。
例えば、搬送を速くしても、その後の検査が終わるまで待たなければならないのであれば、製品が出てくる間隔が変わらない場合があります。目立つ動作と、実際に全体の時間を決めている動作が同じとは限りません。
見直すときは、次のような内容を確認します。
- 測定した品種、運転状態、起点・終点が、目標を決めた条件と合っているか。
- 機械の移動、検出、通信、加工、作業者の動きなど、どこで時間が増えているか。
- 動作の順番や並行動作を変更できるか。機械の干渉や製品への影響はないか。
- 速度や加減速を変更した場合、力、衝撃、停止、部品や寿命などへどのように影響するか。
- 変更後も、必要な品質、安全、作業性、保全性を確保できるか。
実際には、最初から原因が一つに絞れるとは限りません。動きを確認し、条件を変え、結果を見ながら一つずつ検証することもあります。何を変更し、その後どのように変わったのかを追えるようにしておくことも必要です。
出図、発注、製作、組付けがどこまで進んでいるかによって、変更できる範囲も違います。設計途中なら変更しやすい内容でも、購入品の発注や部品製作が進んでいれば、費用や納期への影響も確認しながら対応を考えます。
仕様や部品、製作・組立などの見落としについては、「機械設計で起こりやすい失敗と防止策」でも説明しています。
安全と使い勝手も、動作時間と切り離せない
安全に関する要求や確認方法も、設備、客先、適用される基準などによって変わります。これまでの案件でも、インターロックについて細かな要求があることがありました。
インターロックという言葉はさまざまな場面で使われますが、ある条件が成立していなければ次の動作を許可しない、といった連動の仕組みを指して使われます。安全に関係するものでは、扉やガードの状態によって危険な機械動作を許可しない仕組みなどがあります。
一方で、設備は通常運転だけで使うものではありません。製品の投入、段取り替え、調整、清掃、点検、異常からの復旧など、人が関わる状態もあります。
機械、電気・制御、製作、組立、客先など、それぞれの担当と話しながら、どの状態で設備を止めるのか、誰がどこへ入るのか、どの条件で動作を許可するのかなどを確認していきます。
タクトに収めるために安全に必要な機能を外したり、品質に必要な保持時間を根拠なく削ったりすることはできません。時間を短くする場合でも、安全や品質に関係する条件を含めて見直します。
関係する立場によって、見ている条件は変わる
新規設備でも改造でも、打合せ、現場確認・測定、設計・製図、電気・制御担当とのすり合わせ、試運転での確認や調整など、いろいろな場面に関わってきました。ただし、誰がどこまで担当するかは、会社や案件によって違います。
同じ設備でも、関わる人によって確認する内容や重視することが変わります。
| 立場の例 | 確認する内容の例 |
|---|---|
| 客先・生産計画・生産技術 | 必要生産数、品種、生産時間、前後工程、受入条件 |
| 機械設計 | 動作順序、移動距離、速度、負荷、干渉、部品能力 |
| 電気・制御 | 信号の順番、検出条件、通信、停止・復旧時の動作 |
| 工程・品質 | 加工、保持、冷却、検査などに必要な条件 |
| 作業者・保全 | 投入、取り出し、補給、点検、清掃、復旧のしやすさ |
これは役割を固定するための表ではありません。一人で複数の役割を担当することもあれば、会社や担当者が細かく分かれていることもあります。
客先の仕様、管理方法、設備の状態、使用環境が違えば、同じ数字だけでは比べられないこともあります。似た設備の実績を参考にするときも、何が同じで、何が違うのかを確認して使います。
タクトタイムは、計算と実機をつなげて考える
タクトタイムを計算すると、必要生産数に対して1個に使える時間が見えてきます。ただし、設備として成立させるには、その時間を機械の動き、制御、作業者、前後工程などへ落とし込み、実際の動きまで確認していく必要があります。
- 要求する時間が何を含むのか、どこからどこまで測るのかを確認する。
- 機械の動作だけでなく、検出、通信、工程に必要な待ち時間も見る。
- 速度を変えるときは、力、加減速、停止、部品選定への影響も確認する。
- 確認できた時間と、まだ仮に置いている時間を分ける。
- 品質、安全、費用、納期、作業性、保全性への影響も確認する。
実務では、最初からすべての条件が分かっているわけではありません。計算やメーカーへの確認を行っても、実際に組み立てて動かしてから分かることがあります。余裕を持たせたい一方で、要求する能力、予算、レイアウト、納期などにも合わせなければなりません。
タクトの数字だけを見るのではなく、その数字がどの条件から決まり、設備のどの動作に時間を使い、何がまだ確認できていないのかまで見ていくことが、生産設備を考えるうえでは欠かせません。
