機械設計は、図面を描いて部品の形や寸法を決めるだけの仕事ではありません。機械が予定どおり動くか、必要な能力が出るか、実際に製作・組立できるか、点検や部品交換ができるか、安全について何を確認し、どのような対策が必要かなど、設備全体を見ながら設計していきます。
生産設備や専用機では、納期、費用、製作方法、搬入方法、設置場所なども設計に関係します。図面上では問題がないように見えても、製作、組立、試運転、現地での立ち上げまで進んで初めて分かることもあります。
また、一人の機械設計者だけで設備が完成するわけではありません。電気・制御、加工、組立、配線・配管、搬入・据付、運転や保全など、それぞれ違う仕事と関係しながら一つの設備ができていきます。
これまで生産設備や専用機などの機械設計に携わる中で、実際に問題になったこともあれば、問題を起こさないために普段から確認していることもあります。ここでは、その中から機械設計で失敗につながりやすい内容を7つに分けて整理します。
機械設計の失敗は図面だけの問題ではない
「機械設計のミス」と聞くと、寸法を書き間違える、穴の位置を間違える、部品の数量を間違える、といった図面上のミスを思い浮かべるかもしれません。
しかし、生産設備や専用機では、それ以外にも確認することがあります。
- 要求された能力や速さで動くか
- モーターやシリンダーなどの選定が使用条件に合っているか
- 機械の動きについて電気・制御担当者と確認できているか
- 実際に加工・組立・調整できるか
- 点検や消耗品・部品の交換ができるか
- 必要な安全対策を検討できているか
- 製作した設備を搬入・据付できるか
個々の部品図が正しくても、設備として必要な動作や能力を満たせなければ見直しが必要になります。
反対に、余裕を見すぎて必要以上に大きな機器を選べば、価格、設備寸法、重量などへ影響することがあります。
能力、費用、寸法、納期、調達性、使用条件、過去の実績などを見ながら、その設備に合う方法を考えていきます。
機械設計で失敗につながりやすい7つの確認点
1．モーターやシリンダーなどの能力・選定条件が合っていない
機械では、モーター、シリンダー、軸受、センサーなど、メーカーから購入する機器や部品を数多く使います。このようなものを購入品と呼ぶことがあります。
購入品の選定では、一つの数値だけを見て決められないことがあります。例えばモーターなら、必要なトルクだけでなく、速度、負荷、慣性、運転方法なども関係します。シリンダーでも、必要な力だけではなく、速度、ストローク、圧力、取付方法、負荷の状態など、使用条件を確認します。
これまでの設計では、自分で能力計算をするほか、メーカーの選定資料や選定ツールを使ったり、条件を伝えてメーカーへ選定を依頼したり、過去に使用した実績と比較したりして確認してきました。
メーカーへ確認するときも、型式だけを聞くのではなく、分かっている使用条件をできるだけ伝えます。必要な条件は機器によって違うため、何を確認する必要があるのかも含めてメーカーへ相談することがあります。
計算では条件を満たしていても、実際の使用状態、摩擦、動かす物のばらつきなどによって、思ったように動かないこともあります。
そのため、計算結果だけでなく、どの条件で選定・計算したのかも分かるようにしておくと、仕様変更や不具合などであとから見直すときに役立ちます。
2．電気・制御など、ほかの担当とのすり合わせが足りない
生産設備では、機械設計、電気設計、制御など、それぞれ担当する仕事が違います。ただ、一つの設備として動かすため、互いに関係する部分を相談しながら進めます。
機械側では、どのような機構にするのか、どの機器や購入品を使うのか、どのような順番や動きにしたいのかを考えます。それを電気・制御担当者へ伝え、実際にどのように動かすかを相談していきます。
最初の打合せは大切です。打合せの中で、電気・制御側から「こうした方がよい」といった意見が出て、機械側を見直すこともあります。
細かな動きやタイミングは、設計段階ですべて決め切れるとは限りません。機械が組み上がったあとの試運転では、制御ソフトで実際に動かしながら動作を確認し、機械側と電気・制御側で相談しながら調整していくこともあります。
製作、組立、配線、配管、搬入、据付などについても、それぞれ担当する仕事は違います。自分の担当だけを見て終わるのではなく、関係するところはその担当者と確認します。
客先、メーカー、協力会社などとの打合せもあります。設備、会社、案件、立場によって関わり方は変わりますが、必要なところをその都度確認し、個別にすり合わせながら進めていきます。
3．設備全体の動作時間を見ていない
生産設備では、製品をどのくらいの時間で生産する必要があるのか、一連の動作を何秒で終える必要があるのかといった時間も設計条件になります。
タクト、タクトタイム、サイクルタイムなどの言葉が使われることもありますが、会社や設備によって使い方や意味の範囲が違うことがあります。まずは、その設備で要求されている時間が何を表しているのかを確認します。
例えば、30秒以内に一連の動作を終える必要があるなら、各機構の動作時間を確認し、順番に動かす部分と同時に動かせる部分を考えます。
移動する、つかむ、加工する、検査する、待つ、次の工程へ渡すといった動作を時間順に整理して確認することもあります。
個々の機器は十分速くても、設備全体として見ると時間が足りないことがあります。
機械が移動している時間だけではなく、センサーの確認、製品が安定するまでの待ち、通信、前後工程とのやり取りなども実際の動作に関係します。
ここも機械設計だけで決められない部分があります。電気・制御担当者と、どの動きをどの順番で行うのか、どこを同時に動かせるのかなどを確認し、実際の試運転でも調整していきます。
4．CADや図面では納まっていても、実際には組み立てにくい
CADや図面上で部品が納まっていても、実際の組立や調整がしやすいとは限りません。
例えば、ボルトを配置できても、スパナや六角レンチを入れる場所や動かすスペースがなければ締め付けにくくなります。
センサーを交換するときに手が入りにくい、カバーを大きく外さないと部品を交換できない、配線や配管を付けると作業しにくくなる、といったこともあります。
設計では、機械が動いているときだけでなく、組立、調整、清掃、点検、部品交換なども考えます。
また、実物には製作や組立によるばらつき、たわみ、振動などがあります。CADや図面へ、配線・配管・コネクタ・工具など実際に関係するものがすべて表現されているとは限りません。
製作・組立担当者へ相談したり、組立中の設備を確認したり、既設設備の改造であれば現物を確認したりすることで、図面だけでは分からなかったことが見つかる場合があります。
5．計算結果だけで判断してしまう
強度計算や機器の選定計算は、機械設計で使う確認方法の一つです。
ただし、計算結果は計算に使った条件によって変わります。計算式そのものが合っていても、実際の機械で起きている状態を条件へ入れられていなければ、その結果だけで判断できないことがあります。
例えば、力の大きさや方向、部品を支える位置、衝撃、振動、繰り返し回数、実際の使われ方などによって考える内容は変わります。
これまでにも、想定した条件で強度計算を行い、安全率を見込んで計算上は許容範囲内と判断していても、実機では部品が壊れたり折れたりしたことがあります。
ただ、その結果だけで破損原因を決めることはできません。計算で想定していなかった力、瞬間的な荷重、実際の支持状態、製作や組立の状態、使われ方などを確認していきます。
通常運転では問題がなくても、製品が詰まる、急停止する、何かが噛み込むなど、通常とは違う状態になることも考えられます。
計算だけでは判断しにくいものは、必要に応じて試作、テスト、試験、実機確認などを行います。何を計算で確認し、何を実際の機械で確認するのかを分けて考えることも必要です。
6．図面・部品リスト・変更内容が合っていない
設備を製作するためには、図面だけでなく、設備で使う部品の型式や数量などをまとめた部品リストも使います。会社によっては、部品表や員数表など別の名称を使うこともあります。
図面と部品リストの型式や数量が合っていなければ、必要な部品が足りない、違う部品を購入する、余分に購入するといった問題につながります。
似た部品や過去の図面を利用したときに、型式や数量の一部を直し忘れることもあります。設計変更で図面を直しても、関連する部品リストや別の図面まで変更が反映されていないこともあります。
確認できる人がいれば、別の人に見てもらうこともあります。一人で設計している場合や、十分に確認できる人がいない場合もあります。
自分で確認するときも、同じ見方を繰り返すだけではなく、違う方向から確認するようにしています。例えば、図面から部品リストを確認したあとに、部品リスト側から図面へ戻って確認する、時間を空けて見直す、変更前後を比べるなど、内容に合わせて見方を変えます。
数量や計算も同じです。数量なら別の方向から部品を追ってみる、計算なら入力した条件や単位、計算結果が実際の機械に対して不自然ではないかを見るなど、同じ確認をそのまま繰り返すだけにならないようにしています。内容によっては、メーカーの選定結果や過去の実績などと比べて確認することもあります。
何回確認すればよいと一律に決められるものではありません。間違えたときの影響や、その時点の状況を見ながら、必要な確認方法を変えていきます。
変更が入ったときは、変更した場所だけではなく、その変更によってほかの部品、図面、購入品、組立、動作などへ影響が出ないかも確認します。
7．製作できても、搬入・据付・現地作業で問題が出る
設備は、製作して組み上がれば終わりではありません。納入先へ運び、建物の中へ搬入し、決められた場所へ据え付け、その後に調整や試運転を行う設備もあります。
設備の大きさや輸送方法によっては、いくつかに分割して製作・輸送し、現地で再び組み立てることもあります。
その場合は、どこで分割するのか、再組立したときに位置を合わせられるか、配線や配管をつなぎ直せるか、吊るための場所や方法をどうするかなども考えます。
設備は完成していても、搬入口や通路を通らない、予定していた方法で吊れない、現地で工具を使う場所がないといったことが、あとから分かる場合もあります。
必要に応じて、設備の外形寸法だけでなく、搬入経路、扉や通路、重量、吊り方、分割方法、現地での作業方法なども設計段階から確認します。
海外向け設備では、電圧や周波数、適用される規格、使用環境、現地で使用・調達する部品など、国内向けとは違う条件を確認することもあります。
国内で試運転した状態と、輸送して現地で再組立したあとの状態が同じとは限りません。設備によっては、搬入、据付、再組立、現地調整までを見ながら設計する必要があります。
安全は設備の使われ方まで考える
機械設計では、安全についても考える必要があります。
その考え方の一つが、機械のリスクアセスメントです。機械をどのように使うのか、誰がどのような作業で関わるのか、どのような危険源があるのかを確認し、リスクを見積もり、必要な対策を検討していきます。
安全というと、ガードや非常停止スイッチなどを最初に思い浮かべるかもしれません。しかし、厚生労働省の資料では、まず設計そのもので危険源をなくしたり、リスクを低減したりする本質的安全設計方策を検討し、その後に安全防護、付加保護方策、使用上の情報を検討する流れが示されています。
安全装置を一つ付ければ設備全体が安全になる、計算結果が許容範囲なら安全になる、というものではありません。
通常運転だけでなく、段取り、調整、清掃、点検、部品交換、保全、異常時など、人が機械と関わる状態も変わります。
必要な安全対策は、機械の用途、作業内容、使用環境、適用される法令や規格、客先の基準などによって変わります。安全に関する詳細は、このサイトでも個別の記事で扱っていきます。
厚生労働省の「機械メーカー等向け 機械災害予防セミナー＜機械設計段階リスクアセスメントの基礎＞」では、機械の制限に関する仕様の指定、危険源の同定、リスクの見積り・評価、保護方策の検討とリスクの再評価という流れが示されています。
機械設計だけで設備は完成しない
生産設備や専用機を作っていると、機械設計だけを見ていても設備全体は完成しません。
機械、電気・制御、加工、組立、配線・配管、搬入・据付、運転・保全などでは、それぞれ役割が違います。
| 関係する分野 | 確認する内容の例 |
|---|---|
| 機械設計 | 構造、機構、強度、精度、部品選定、組立、保全 |
| 電気・制御 | センサー、配線、動作順序、制御、タイミング、安全に関わる制御 |
| 加工・製作 | 加工方法、製作できる形状か、精度、材料 |
| 組立 | 組立順序、工具、調整、実際の納まり |
| 配線・配管 | 配線・配管経路、取付、接続、作業スペース |
| 搬入・据付 | 大きさ、重量、搬入経路、吊り方、現地での作業 |
| 運転・保全 | 操作、清掃、点検、消耗品や部品の交換 |
これは役割を固定するための表ではなく、それぞれ違う視点から設備を見る例です。会社や設備、契約、担当範囲によって実際の仕事は変わります。
機械設計者が、これらすべてを自分で行う必要はありません。分からない分野まで自分だけで決めるのではなく、その仕事を担当する人と相談します。
特に電気・制御とは、機械の動きや使用する機器を伝え、どのように動かすかを相談する場面があります。設計の最初から話をしておくことで、機械側でも事前に見直せることがあります。
実際に機械を動かし始めてからも、細かいタイミングや動作を確認し、機械側と電気・制御側で相談しながら調整していきます。
製作や組立の人から加工や組立について意見をもらったり、設備を使う人や保全する人から作業や部品交換について気付いたことを聞いたりすることもあります。その内容を次の設計へ反映していくことも大切です。
実務では確認しながら設計を行ったり来たりする
機械設計は、最初から最後まで一方向に順番どおり進むとは限りません。
大きく見ると、次のような内容を確認しながら進めます。
- 設備で何をするのか、必要な仕様や能力を確認する
- 機械の構想や動作を考える
- 電気・制御など関係する担当者と動きや条件を確認する
- モーターやシリンダーなどの機器を選定・確認する
- 構造、強度、寸法、組立、保全などを考えながら設計する
- 図面、部品リスト、購入品などの内容を確認する
- 危険源を確認し、必要な安全対策を検討する
- 製作・組立・試運転で分かったことを確認し、必要なら設計を見直す
- 搬入・据付・現地調整がある場合は、その条件も確認する
実際には、途中で仕様が変わったり、メーカーから回答をもらって選定を変えたり、電気・制御との打合せで機械を変更したりすることがあります。
製作が始まったあとに変更が必要になることもあります。その場合は、すでに発注した部品、加工の進み具合、組立、納期、費用などへの影響も見ながら、その時点で取れる方法を考えます。
最初の打合せだけで終わりではなく、設計中、製作中、組立、試運転など、それぞれの段階で必要な人と確認しながら進めます。
機械設計を学ぶときに大切なこと
機械設計には、材料、強度、図面、CAD、モーター、シリンダー、センサー、電気、安全、加工、組立、据付など、多くの分野が関係します。
これから機械設計を学ぶ人が、最初からすべてを知っている必要はありません。
まずは、「これは何のために必要なのか」「実際の機械のどこに関係するのか」「分からないときは誰に確認するのか」を一つずつ知っていくことが大切です。
本、参考書、学校、資格などで学べる基礎知識も必要です。一方、実際の仕事では、図面どおりに作りにくい、工具が入らない、仕様が途中で変わる、現場で確認した状態が手元の資料と違うなど、実物を見なければ分からないこともあります。
最初に考えた設計を最後まで変えないことが目的ではありません。確認した結果、必要であれば見直します。
現場で起きた問題、製作・組立担当者からの意見、電気・制御との調整、実際に設備を使う人から分かったことなどを、次の設計へ反映していくことも機械設計の仕事の一部だと考えています。
まとめ
機械設計の失敗は、寸法や図面の書き間違いだけではありません。
- 機器の能力や選定条件
- 電気・制御など関係する担当者とのすり合わせ
- 設備全体の動作時間
- 組立・調整・保全のしやすさ
- 計算に使った条件と実機の状態
- 図面、部品リスト、設計変更の整合
- 搬入、据付、現地での作業
こうした内容を、個々の部品だけではなく、設備全体を見ながら確認していきます。
機械設計だけで設備が完成するわけではありません。電気・制御、製作、組立、配線・配管、搬入・据付、運転・保全など、それぞれ違う仕事を担当する人と必要なところを相談しながら、一つの設備を作っていきます。
計算やCAD、図面は大切ですが、それだけですべてを判断することもできません。設備の仕様、使用条件、予算、納期、安全、品質、製作状況、現場条件などを確認し、その時点で取れる方法を考えます。
一つの方法が、すべての設備や会社で同じように使えるとは限りません。これまでの経験をもとにしながら、メーカー資料、規格、関係する専門分野の情報も確認し、このサイトでも一つずつ掘り下げていきます。
生産設備・専用機の機械設計、既設設備の改造、組立図・部品図・部品リストの作成など、機械設計業務に関するご相談は、機械設計のご相談・お問い合わせからご連絡ください。
