3次 元組立作業動画の作業時間導出方法の研究
篠 田
心 治*1,小
寺
抄 宜2
A Study on the Time Calculation
Method
of 3 Dimensional
Assembly
Operation
Animations
Shinji Shinoda *' ,
Atsutaka Kodera * 2
ABSTRACT
: In the field of manufacturing,
business
aim to reduce both production
preparation
lead time
and the cost, which can be realized
by avoiding
the traditional
prototype
assessment
step at the designing
and production
preparation
stage, by utilizing
the products'
3DCAD
data. To realize such goals the authors
have been working
on the study that proposes
possible
alternative
plans for an operation
as virtually
animated
operations,
by automatically
generating
as many plans as the possible
assembly
sequences.
This
study proposes
the method for calculating
the time value, which enables to evaluate
the animations
from
time aspect, by applying
MTM and MODAPT
methods employed
in PTS method.
What characterizes
the
proposed
method
is that it can generate
the time values
directly
based
on the necessary
information
extracted from the products'
3DCAD
data.
Keywords
: Virtual Factory,
3DCAD,
PTS,
MTM,
MODAPTS
(Received September 21,
2012)
1.は じ め に迅 速 な 商 品 開 発 が 求 め られ る現 在 の 生 産 業 界 に お い
て,生 産 ライ ンの 立 ち 上 げ を"試 作 品"を 用 い ず に行 う
方 法 が 注 目を集 め て い る。これ は,3DCADデ
ー
一
一
タ を用 い,
組 立 作 業 の3次 元CG(ComputerGraphics,以
後 「
組 立 動
画 」 と呼ぶ)を 作 成 して,試 作 品 を作 る前 段 階 で 生 産 準 備
プ ロセ ス を完 結 す る もの で あ る。 これ に よ り,リ ー ドタ
イ ム 短 縮 と コス トの 削 減 を 目指 して い る。
この よ うな 背 景 に 対 し,組 立 動 画 を 自動 で 作 成 し工 程
や 作 業 の 案 を 検 討 す る方 法 が 提 案 され て い る。 これ らの
方 法 で は,1つ
の 完 成 品 を作 り出 す 全 て の 組 立 順 序 の 数
だ け の 作 業 の 代 替 案 が 導 出 され,要 素 作 業 の 数,両 手 の
移 動 距 離,や
りづ ら さな ど を用 い 評価 され て い た1)∼4)。
しか し,両 手 の移 動 距 離 が 少 な い 作 業 や や りづ らさの
少 な い 作 業 を 評 価 す る こ と も確 か に 必 要 だ が,実 際 の 工
場 で は 時 間 の か か らな い 作 業 が 重 要 視 され る。 ま た,時
間 値 に よ り工 場 の 工 程 編 成 や ライ ンバ ラ ンス も考 慮 す る
こ とが で き る。 この よ うに,工 場 の 生 産 管 理 を行 う上 で,
時 間値 で の 作業 評価 を行 うこ とは極 め て 重 要 な 要 素 で あ
る と言 える。 ま た,現 状 作業 が 与 え られ た 元 で,時 間値
を 求 め る方 法 は提 案 され て い た が,設 計 時 の3DCADの
段 階 で 多 くの代 替案 に対 し 自動 的 に 時 間値 を求 め る 方 法
は 提案 され て い な い。
以 上 よ り,本 研 究 で は3DCADが
与 え られ た段 階 で,
す べ て の組 立順 序 の 数 の組 立 動 画 に対 して,時 間値 を導
出 す る 考 え 方,方 法 に つ い て 提案 す る。
2.PTS法 の 適 用 *1:成 践 大 学 理 工 学 部 教 授(shinoda@st .seikei.acjp) *2:(株)日 立 製 作 所 従 来 研 究 に お い て 組 立 動 画 は,著 者 ら に 提 案 し たVFDL (Vi血lalFactoryDescriptionLanguage)と 呼 ば れ る 言 語 で 表 現 さ れ て い る3)。VFDLと は,組 立 動 画 で 出 力 され る 作 業 者 の 詳 細 な 動 作 を 文 章 構 造 で 表 し た も の で,1つ の VFDLで1つ の 組 立 順 序 を 表 し,組 立 順 序 の 数 だ け 存 在 す る 。VFDLの ス テ ッ プ は,「 伸 ば す 一,「掴 み 取 る 」,「運 ぶ 」, 「組 立 て る 」,「放 す 」,「置 き 放 す 」 と い っ た 動 作 か ら成 り 立 っ て い る。 ま た,部 品 の 位 置1青報 や 「伸 ば す 」,「運 ぶ 」 の ス テ ッ プ に お け る 手 の 移 動 距 離 な ど の 情 報 も 含 ま れ てい る(表1参 照)。 時 間 値 導 出 に あ た り,VFDLの 各 ス テ ッ プ に 対 し時 間 値 を 導 出 す る こ と を 考 え る 。 表1VFDLの 一 部 F 4 1 0 1 3169,856 0 0 0,129 伸 ば す 左 をAか らBへ A 一200 0 1044 B 0 0 0 F 5 1 0 1 3169,856 0 0 0,258 掴 み 取 る5を 部 品 き場5か ら 左 手 で4に より F 6 1 0 1 4201,357 0 0 0,258 運 ぶ 左 でAか らBへ A 0 0 0 B 一70 .6 97 1024.5 F 7 1 0 1 4229,957 0 0 1,548 組 立 移 動 る 左手 でAPPか らOFFSETへ APP 一70 .6 97 1024.5 OFFSET 一42 97 1024.5
表2MTM法
の 基 本 動 作 と変 動 因
基本動作
変動 因 Reach(手 を伸 ば す) 距離 ・到着 位置 ・動 作の タイプ Move(運 ぶ) 距 離 ・目的 地 の 状 態 ・動 作 の タイプ ・重 量 Grasp(つ か む) 目的物 の状 態 ・大きさ Release(は な す) 動 作 のタイプ P。siti。n(定 置 す る) はめ合 いの度 合い ・対 称性 ・取 り扱 い難 易度 Disengage(ひ き は な す) は め合いの 度合 い ・取 り扱 い難 易度 ApPlyPressure(お す) 付 加的な 力 一 方MODAPTS法(ModuarArrangementof PredeteraminedT㎞eStandards)は,動 作 時 の 使 用 身 体 部 位 と所 要 時 間 と の 関 係 に 注 目 し た も の で あ る。 人 間 の 上 肢 の 動 作 を 移 動 動 作 と 終 局 動 作,そ の 他 の 動 作 に 分 け, 21種 類 の 記 号 で 表 し て い る 。 ま た,MODと い う単 位 を 用 い,IMODをO.129秒 と 定 義 し て い る。 さ ら に,動 作 分 類 番 号 と 時 間 値 と を 一 致 させ,簡 単 に 時 間 値 が 計 算 で き る よ うに な っ て い る。表3移
動 動 作
時 間 値 の 導 出 は,従 来 で は ス トッ プ ウ ォ ッ チ に よ り実 測 が 基 本 で あ る が,こ の 方 法 の 適 用 は 難 し い 。 よ っ て, VFDLの 各 ス テ ッ プ に 時 間 値 を 導 出 す る に あ た り,国 際 的 に 認 め ら れ た 「規 定 時 間 」PTS法5)(Predete㎜inedTime Standard)を 用 い る こ と に した 。PTS法 と は,す べ て の 人 間 の 行 う作 業 を 基 本 動 作 に 分 析 し,各 基 本 動 作 に 対 し, そ の 性 質 と 条 件 に 応 じ て 定 め ら れ た 時 間 値 を 当 て は め る 方 法 で あ る 。PTS法 に は,MODAPTS法,MTM法 等 の 手 法 が あ る。 3.MTM法 とMODAPTS法 の 比 較 PTS法 を 適 用 す る に あ た り,PTS法 の 中 で も,簡 易 的 な 方 法 で あ るMTM法 とMODAPTS法 に 注 目 し,比 較 し た 。 ま ず,MTM法 と は メ ソ ッ ドタ イ ム 設 定 法(MethodTime Measurement)と 呼 ば れ,「 手 を 伸 ば す 」,「運 ぶ 一,「定 置 す る 」 な ど の 基 本 動 作 か ら 成 っ て い る 。 そ し て,基 本 動 作 ご と に さ ま ざ ま な 変 動 因 が 存 在 し,そ れ に よ っ て 時 間 値 が 変 化 す る(表2参 照)。TMUと 呼 ば れ る 単 位 を 用 い, lTMUを0,036秒 と定 義 し て い る 。 ま た,そ れ ぞ れ の 時 間 値 は デ ー タ カ ー ド と 呼 ば れ る も の に 記 載 さ れ て い る 。 例 え ば,「 手 を 伸 ば す 」 で あ れ ば,距 離 の 情 報,決 ま っ た 位 置 に 伸 ば す の か,乱 雑 に 置 か れ た 中 の 目的 物 に 手 を 伸 ば す の か な ど の 到 着 位 置 の 情 報,始 め か ら一 定 の 速 度 の 動 作 な の か,徐 々 に 加 速 し て い く 動 作 な の か な ど の 動 作 タ イ プ の 情 報,の3つ の 情 報 が 必 要 に な り,そ れ らに よ り時 間 値 が 決 定 す る 。記号
定義
移 動 距 離(約cm) M1指の動作
2.5 M2手の動作
5 M3前腕の動作
15 M4腕の動作
30 M5 伸 ば しきった腕 の 動 作 45 例 え ば,「 手 を 伸 ば す 一 と い う動 作 の 場 合,ど こ の 身 体 部 位 を 動 か し た か と い う情 報 だ け で 時 間 値 を 求 め る こ と が で き る(表3参 照)。 腕 を 使 っ た 動 作 で あ れ ばM4よ り 4MOD,つ ま り0516秒 と な る 。 こ の よ うに,MODAPTS法 はMTM法 に 比 べ,少 な い 情 報 で,時 間 値 を 求 め る こ と が で き る。 そ の た め,シ ス テ ム 化 す る に あ た り,MODAPTS法 を 中 心 と し た 時 間 値 導 出 方 法 を 提 案 す る。 4.MODAPTS法 に つ い て 前 章 で はMODAPTS法 を 適 用 す る こ と を 提 案 し た が, こ の 章 で は,さ ら に 詳 し くMODAPTS法 に つ い て 説 明 す る 。 ま ず,「 移 動 動 作 」,「終 局 動 作 」,「そ の 他 の 動 作 」 に つ い て 説 明 す る。 「移 動 動 作 」 と は 物 に 手 を 伸 ば し た り,運 ん だ り す る 動 作 で あ る 。MODAPTS法 に お い て は,表3の よ うに そ の 動 作 で 使 わ れ る,"身 体 部 位"に よ り時 間 値 を 区 別 し て い る。 ま た,そ の 移 動 距 離 の 目安 も示 し て あ る 。 「終 局 動 作 」 と は,手 を 伸 ば し て か ら物 を 掴 む 動 作, 物 を 運 ん で か ら 置 く 動 作 で,移 動 動 作 が 行 わ れ た 後 の 目 的 を 達 成 す る た め の 動 作 で あ る。表4の よ う に,GetとPutの2種 類 に 分 け ら れ る。 掴 む 動 作 の 場 合 は,表4の よ う にGO∼G3の3つ に 分 類 さ れ る 。 例 に あ る よ うに,マ ッ チ 箱 を 掴 む よ うな 容 易 な 動 作 の 場 合 はGlと な り,机 の 上 の コ イ ン を 掴 む よ うな 注 意 力 を 必 要 と す る 動 作 はG3と な る。 次 に 置 く 動 作 の 場 合 は,注 意 力 を 要 す る か ど うか で,表4の よ う にPO∼P5の3つ に 分 類 され る 。 例 に あ る よ うに,ボ ー ル ペ ン に キ ャ ッ プ を は め る よ うな,目 で 見 な が ら 簡 単 に 行 え る 動 作 をP2と し,ネ ジ の 溝 に ド ラ イ バ ー一一の 先 端 を あ て は め る よ うな 複 雑 な 動 作 をP5と す る。 表4掴 む 動 作Get(G),置 く動 作Put(P) 記号 定義 例 GO 指または手のひらで物 に触 れる動作 押しボタンに触れる G1 指を閉じるだけの簡単なつかみ動 作 マッチ箱 を つ か む G3 注意 力を要し、単 純に指を閉 じるだけで は行えないような複雑または難しいつか み動作 机 の 上 にピタッとお い てあ る座 金 をつ か む PO 注 意 を しな いで 大 体 の 位 置 に 物 を置 く動作(目 で見 な くて も行 える動 作 〉 部 品を机の 上に普通に置く P2 注 意 力 を要 し、1回 の 修 正 動 作 を行 って 物 を置 く動 作 (目 で見 な が ら少 しの 修 正 を 行 う動 作) ボ ー ル ペ ンに キ ャップ をは め る P5 注 意 力 を要 し、2回 以 上 の 修 正 動 作 を 行 って物 を置 く動 作 (目 で見 な が ら行 う最 も複 雑 な動 作 〉 ネ ジ の 溝 に ドライバ ー の 先 端 をあ て は め る 応 させ る。 ま た,「 掴 み 取 る 」,「組 立 て る 」,「放 す 」,「置 き 放 す 一 は 終 局 動 作 に 対 応 させ る 。 最 後 に 「持 ち 直 す 」 を そ の 他 の 動 作 に 対 応 させ る 。 表6VFDLとMODAPTS法 の 対 応 VFDL MODAPTS
伸ばす
移動動作
M1∼M5
運ぶ
組立移動する
掴み取る
終局動作
G1,G3組 立 て る
P2.P5放す
PO置き放す
P2持ち直す
その他
R2次 に そ れ ぞ れ の 動作 に つ い て 細 か く対 応 させ る。
〈1>伸ばす,運 ぶ,組 立 移 動 す る(移動 動 作)
MODAPTS法
で は,使 用 す る身 体 部 位 に よ り,時 間値
を 区別 して い た が,VFDLに
対 応 す る に あた り,表7の
よ うに 距離 に よ り定 義 し,対 応 させ る。 距 離 の 定義 は表
3で 示 して あ っ た移 動 距 離 の 目安 を使 い,そ れ ぞれ の 目
安 の 中 間値 を と り,そ の 動作 の範 囲 と した。
表7移
動 動 作 の 定 義
「
そ の 他 の 動 作 」 とは ,移 動 終局動作以外の手の動
作 を 補 っ て い る動 作 で あ る。 表5に そ の 一 部 を示 した 。
E2は
目の動 作 で,作 業 者 が何 か を 注意 深 く検 査 した り,
次 の 作 業 を行 う前 に1つ の領 域 を見 渡 した り,何 か に 焦
点 合 わ せ す る場 合 の 動 作 で あ る。R2は 物 を掴 み 直 す 動 作
で,鉛 筆 を掴 ん で か ら字 を書 こ うとす る場 合 な ど に現 れ
る。D3は,動
作 と動 作 の 間 に現 れ る瞬 間 的 判 断 と決 定 の
た め の 時 間 で あ る。A4は,非
常 に きつ い バ ル ブ な ど を開
け よ うとす る動 作 な どに 現 れ る。
表5そ
の 他 の 動 作
記号
定 義
E2
目 の 動 作 。「30度以 内 の 視 線 移 動 」「焦 点 合 わ せ 」R2
つ か み な お し。指 先 で物 をつ か み な お す 動 作D3
瞬 間的判 断とそれ に反 応しての 対応 動作 全体
A4
力をこめ て画 鋲を止 めるような圧 力 を加える動 作
5.MODAPTS法
を 用 い た 時 間 値 導 出 方 法
5.1VFDLとMODAPTS法 の 対 応 VFDLの 各 ス テ ッ プ に 対 し て 時 間 値 を 導 出 す る た め に, VFDLの 各 動 作 をMODAPTS法 の 移 動 動 作 と 終 局 動 作,そ の 他 の 動 作 に 表6の よ う に 対 応 させ た 。VFDLの 「伸 ば す 」,「運 ぶ 」,「組 立 移 動 す る 」 の 動 作 は,移 動 動 作 に 対記号
定義
移動距離
M1指 の 動 作
0∼3.75cm M2手 の 動 作
3.75∼10cm M3前腕の動作
10∼22.5cm M4腕の動作
22.5∼37.5cm M5伸 ば しきった腕 の 動 作
37.5∼60cm〈2>掴み 取 る(終 局 動 作)
この 対応 に は,組 立作 業 の や りづ ら さを 評価 した 先 行
研 究 の 情報 を用 い る4)。 先行 研 究 で は,組 立 作 業 を 「
取
る 一 「
位 置 決 め」 「
組 付 け 一 の プ ロセ ス に分 類 し,そ れ ぞ
れ に細 か な 評価 指標 を設 け る こ とで評 価 を行 っ て い る。
そ の評 価 指 標 は 以 下 の とお りで あ る。
表8や
りづ ら さ要 因
大 き さ(小)
取 る
位 置 決 め 特 殊 組 付 け
方 向注意
位置決め箇所数
組 付け
表8の 「取 る 」 を 参 照 し,大 き さ(小),厚 み,取 り扱い 注 意,の い ず れ か に や りづ ら さ が あ れ ばG3と し,そ れ 以 外 をGlに 対 応 させ る 。 〈3>組 立 て る(終 局 動 作) こ の 対 応 に も や りづ ら さ の 先 行 研 究 の 情 報 を 用 い る 。 表8の 「位 置 決 め 」 を 参 照 し,部 品 対 称 性,接 触 点,特 殊 組 付 け の い ず れ か に や りづ ら さ が あ れ ばP5と し,そ れ 以 外 をP2に 対 応 させ る 。 ま た,方 向 注 意 の や りづ ら さ が あ れ ば,Pの 値 にD3を 付 加 し,位 置 決 め 箇 所 数 の や りづ ら さ が あ れ ば,Ml,E2を 付 加 し,対 応 さ せ る 。 さ ら に, 「組 付 け 」 の や りづ ら さ が あ れ ば,そ の 他 の 動 作 で 圧 入 を 意 味 す るA4を 付 加 し,対 応 させ る 。 〈4>放 す(終 局 動 作) 触 れ て い た 手 を 放 す の で,POに 対 応 さ せ る 。 〈5>置 き 放 す(終 局 動 作) 決 ま っ た 場 所 に 置 く の で,P2に 対 応 さ せ る 。 〈6>持 ち 直 す(そ の 他 の 動 作) 持 っ て い る 物 の 方 向 を 変 え る 動 作 よ り,R2に 対 応 さ せ る 。 5.2時 間 値 導 出 ア ル ゴ リ ズ ム 次 に,時 間 値 導 出 ア ル ゴ リズ ム に つ い て 説 明 す る 。 1.VFDLの1つ の ス テ ッ フ.につ い て,動 作 の 種 類 を 明 ら か に す る 。 2.各 動 作 に つ い て 上 の5.1の ル ー ル に 対 応 させ,時 間 値 を 求 め る 。 3.同 様 に し て,す べ て の ス テ ッ プ に つ い て,1,2を 繰 り 返 す こ と で 時 間 値 を 導 出 す る こ と が で き る 。そ れ に よ り, 1つ のVFDL,つ ま り1つ の 組 立 順 序 に 対 し時 間 値 を 導 出 す る こ と が で き る 。 さ ら に,そ のVFDLか ら時 間 値 の 入 っ た 組 立 動 画 を 得 る こ と が 可 能 と な る 。
6.適
用 結 果
この 方 法 をT社 の製 品Aに 適 用 した 。製 品Aは 部 品 数 が
37個 の製 品 で,組 立 順 序 が71万
通 り存在 す る。 今 回 は
そ の71万 通 りの組 立 順 序 それ ぞれ に対 す るVFDLに
この
ア ル ゴ リズ ム を適 用 し,71万 通 りす べ て の 時 間 値 を導 出
した。
求 め た 時 間値 を ヒス トグ ラム に した(図1参 照)。
漕"" 時間値(秒)図1製
品Aの 総 組 立 順 序 の 組 立 時 間 の 分 布
こ の 結 果 か ら,製 品Aの 最 短 の 組 立 時 間 は,99.517秒 で3通 り存 在 す る こ と が 分 か っ た 。 ま た,実 際 に 現 場 で 行 な わ れ て い る 作 業 順 序 で の 時 間 値 は,101,194秒 で71 万 通 り の 中 で も か な り早 い 作 業 で あ る こ と が 分 か る 。 次 に,時 間 値 とVFDLの ス テ ッ フ.数 と の 相 関 図 を 作 る と 図2の よ う に な る 。 ステップ数 と時間 値の 相関 図 325 320 ス315 テ310 ツ305 プ300 数295 290 285図2ス
テ ッ プ数 と時 間 値 の 相 関 図
ス テ ッ フ.数 と 時 間 値 の 相 関 係 数 を 出 す と,0.9622と な り,正 の 相 関 が あ る と言 え,ス テ ッ プ 数 が 増 加 す る と 時 間 値 も 増 加 し て い る こ と が 分 か る 。 図2の 赤 い 丸 は,時 間 値 が 最 短 の 組 立 作 業 順 序 で あ る 。 こ れ を 見 る と,時 間 値 と ス テ ッ プ 数 も 最 少 に な っ て い る こ と が 分 か る。 さ ら に,時 間 値 の 入 っ たVFDLか ら組 立 動 画 を 導 出 し た(図3参 照)。r`
t,.Ps.{
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図3組
立 動 画
7.結 論
