機械設計と聞くと、「パソコンで図面を描く仕事」「CADを操作する仕事」というイメージを持つかもしれません。
図面やCADは機械設計に必要な道具ですが、それだけで機械や設備が完成するわけではありません。何のために使う機械なのかを確認し、動き方や構造を考え、部品を選び、実際に作って組み立てられる形にする必要があります。
生産設備や専用機では、仕様確認、構想、設計、製作、組立、搬入・据付、試運転、立ち上げまでがつながっています。稼働を始めたあとも、改造や保全で再び設計が必要になることがあります。
機械設計とは、目的を実際の形にする仕事
機械設計は、機械や設備に求められる目的、動き、能力、使用条件などを整理し、それを実現する構造や部品を具体的に決めていく仕事です。
例えば、工場で製品を一定の位置まで運ぶ設備なら、単にコンベヤーの形を描くだけではありません。
- 何を運ぶのか
- 重さや大きさはどれくらいか
- どのくらいの速さで運ぶ必要があるか
- どこからどこまで運ぶのか
- どこに設置するのか
- 前後の設備とどのようにつながるのか
- 人が操作・点検する場所はどこか
こうした条件を確認しながら、機械の大きさ、動かし方、材料、モーター、センサー、カバー、点検方法などを決め、製作や組立に必要な図面や部品リストへまとめていきます。
厚生労働省の職業情報提供サイト「job tag」の「機械設計技術者」でも、顧客の要望確認、関係者との情報共有やすり合わせ、使用する技術・資材・部品の検討、仕様決定、設計図の作成や確認などが仕事として挙げられています。
実際の仕事でも、案件によっては図面を作るところだけを担当するのではなく、客先から要望や条件を聞き、仕様を整理し、設備構成を考え、実現できる方法を検討しながら進めます。
営業、電気・制御、製作、組立、調達などの担当者と一緒に進めることもあり、機械設計者がどこまで担当するかは会社や案件によって変わります。
CADは機械設計で使う道具の一つ
CAD（キャド）は、コンピューターを使って設計や製図を行うためのシステムです。平面の図面を作る2D CADや、立体形状を扱う3D CADなどがあります。
部品の形や寸法を表したり、複数の部品を組み合わせた状態を確認したりするためにCADを使います。使用するCADや機能によっては、寸法、形状、配置、部品同士の干渉、動く範囲など、設計内容を確認するためのさまざまな機能があります。
何ができるか、どこまで確認できるかは、使用するCADや機能、設計の進め方によって異なります。
ただし、CADが設備の目的や条件を自動的に決めてくれるわけではありません。
CAD上では問題が見つからなくても、実際には工具が入らない、組み立てる順番では部品を入れられない、配線や配管を通しにくい、点検する人の手が届かない、部品を交換しにくいといったことがあります。
CADを操作することは機械設計の一部です。何を作るのか、どの条件を確認するのか、どの構造や部品を使うのかを考え、実際に製作・組立・使用できる形にしていきます。
生産設備ができるまでの基本的な流れ
生産設備や専用機が完成するまでの工程は、設備の種類、会社の体制、担当範囲、契約内容などによって異なります。
構想、基本設計、詳細設計などの呼び方や、それぞれをどこで区切るかも会社や案件によって違います。設備全体の流れを大きく分けると、例えば次のようになります。
| 段階 | 主な内容 | 確認する例 |
|---|---|---|
| 1．目的・条件の確認 | 何をする設備かを整理する | 対象物、能力、設置場所、予算、納期 |
| 2．構想・仕様検討 | 設備の動き方や全体構成を考える | 工程、レイアウト、生産に必要な時間、安全条件 |
| 3．基本設計 | 機構や主要部品を具体化する | 駆動方法、荷重、精度、モーター、シリンダー |
| 4．詳細設計・製図 | 製作できる図面と部品情報を作る | 寸法、公差、材質、表面処理、部品リスト |
| 5．製作・購入品手配 | 加工品を作り、必要な部品をそろえる | 加工方法、納期、型式、数量 |
| 6．組立・配線・配管 | 部品を設備として組み上げる | 組立順序、調整方法、配線・配管経路 |
| 7．搬入・据付・試運転 | 使用場所へ設置して動作を確認する | 搬入経路、位置、動作、能力、安全条件 |
| 8．立ち上げ・改造・保全 | 稼働状態を確認し、必要に応じて調整・変更する | 能力、品質、使いやすさ、点検、部品交換 |
1．目的と使用条件を確認する
最初に確認するのは、「この設備で何をしたいのか」です。
対象となる製品、必要な処理、求められる能力、設置場所、周囲の設備、使用する人、納期、予算など、設計に必要な条件を整理します。
ただし、設計を始める時点ですべての条件が決まっているとは限りません。分かっていることから確認し、分からないことは客先や関係者へ質問しながら一つずつ詰めていくこともあります。
決まっている内容、まだ決まっていない内容、こちらから提案する内容、ほかの担当者へ確認する内容を分けておかないと、後になって認識の違いが出ることがあります。
既設設備の改造では、手元にある図面と現物の寸法や取付位置が違っていたり、必要な図面そのものが残っていなかったりすることもあります。
これまでの改造設計でも、現物の寸法や位置、周囲の設備、既設設備との接続位置や受け渡し条件などの「取り合い」を現地で確認しながら、設計条件を整理してきました。
2．構想と仕様を検討する
構想では、設備全体をどのような仕組みにするのかを考えます。
製品をどのように運ぶのか、どこで止めるのか、どうやって位置を決めるのか、何を自動化するのか、人が行う作業をどこに残すのかなど、設備全体の流れを組み立てます。
一つの方法だけで決められないこともあります。能力、構造、スペース、費用、納期、安全、保全性などを見ながら複数の案を比較し、その設備に合う方法を検討します。
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。
現場では「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がありますが、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、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。
機械が動いている時間だけでなく、センサーで確認する時間、製品が安定するまでの待ち時間、前後設備との受け渡しなども設備全体の時間に関係します。
3．基本設計で機構と主要部品を決める
基本設計では、構想した内容を実際の機械構造へ近づけていきます。
機械をどのように動かすか、フレームをどのような構造にするか、どこで案内するか、どこで位置を決めるかなどを検討し、モーターやシリンダーなどの主要部品も選んでいきます。
購入品を選ぶときは、必要な力や速度だけを見ればよいわけではありません。
- 荷重
- 速度
- 動かす距離
- 使用頻度
- 連続運転するのか
- 周囲温度
- 水、油、粉じんなどの使用環境
- 必要な精度
- 保守部品を入手できるか
など、その機器を選ぶために必要な条件を確認します。
必要に応じて自分で能力計算を行い、メーカーの選定資料や選定ツールを確認したり、条件をまとめてメーカーへ選定を依頼したりします。過去に使用した実績も判断材料になります。
客先で使用する機器が指定されていることもあれば、保全時の予備品や既設設備との共通化、能力への余裕などを考えて選ぶこともあります。
余裕を持たせることは必要ですが、大きな機器を選べば常によいわけでもありません。能力を上げることで価格、外形寸法、重量、納期などが変わることもあるため、設備全体を見ながら判断します。
4．詳細設計で製作できる情報へ落とし込む
詳細設計では、機械を実際に製作できるところまで内容を具体化していきます。
部品の形状、寸法、材質、加工方法、表面処理などを決め、必要なところには公差を設定します。
図面では、基準となる寸法に対して許容するずれの範囲を公差で示します。すべての寸法を必要以上に厳しくすればよいわけではなく、機械の機能、必要な精度、加工方法などを考えて設定します。
組立図、部品図、部品リストなども作成し、製作する人や部品を手配する人へ必要な情報を渡します。
このとき、部品同士の位置関係だけでなく、組立順序、工具が入るか、調整できるか、配線や配管のスペースがあるか、あとから部品を交換できるかなども確認します。
図面と部品リストで型式や数量が違っていると、必要な部品がそろわないことがあります。図面だけでなく、購入品の型式や数量まで確認します。
5．製作と購入品手配を進める
設計した図面をもとに加工部品を製作し、モーター、シリンダー、センサー、軸受などの購入品を手配します。
切削、研削、溶接、板金、表面処理など、必要な工程や方法は部品によって異なります。それぞれの工程には、それぞれの専門知識や製作上の条件があります。
設計者一人ですべての工程を判断するのではなく、必要に応じて加工、溶接、製作、組立などの担当者へ確認し、実際に作れるか、作りにくいところはないか、ほかの方法がよいかなどをすり合わせながら進めます。
規格や図面で定められた表し方と、製作現場で使われる呼び方や慣行が同じとは限りません。規格に明確な定義がある内容はそれを確認したうえで、実際に使用する材料、加工機、工具、製作方法、品質条件なども確認します。
図面上では成立していても、実際には加工しにくい形状だったり、使用する工具や設備の都合で作り方を見直した方がよかったりすることもあります。
製作側から指摘を受けたときは、図面を直すだけでなく、なぜ作りにくかったのかも確認します。そこで分かったことが、次の設計に生きることもあります。
購入品では型式だけでなく、納期も設備全体の工程に影響します。仕様を満たしていても必要な時期に入手できなければ、代替品や工程変更を検討しなければならない場合があります。
6．組立・配線・配管で設備の形にする
製作した部品と購入品がそろったら、組立を進めます。設備によっては、機械組立と並行して電気配線やエア・水などの配管作業も進みます。
組立では、図面どおりの位置に部品を付けるだけではありません。取付位置、水平や直角、芯、すきま、動きなどを確認しながら調整することもあります。
ここで、設計時には気づかなかったことが見つかる場合があります。
- ボルトは入るが工具を動かせない
- 決めた順番では部品を組み付けられない
- センサーの調整場所に手が入らない
- 配線や配管を追加すると別の部品に干渉する
- 点検や部品交換をするためのスペースが足りない
設備ができるまでには、加工、溶接、製作、組立、配線、配管など多くの工程があります。それぞれの工程で分かったことや、担当者から出た意見や知識が、設計を見直すための材料になります。
図面やCADだけで考えるのではなく、実際に作る人、組み立てる人、調整する人、使う人、保全する人など、それぞれの立場から設備を見ることも必要です。
7．搬入・据付・試運転で実際の条件を確認する
完成した設備は、使用する工場や現場まで運び、決められた位置へ設置します。
設備が大きければ、そのままではトラックに載せられない、建物の入口を通れない、設置場所まで運べないといったことがあります。そのため、必要に応じて設備をいくつかに分割して製作・輸送し、現地でもう一度組み立てます。
設計段階から、設備の大きさだけでなく、重量、搬入経路、吊り方、分割位置、現地での組立方法などを確認することがあります。
据付後の試運転では、単に機械が動くかだけを見るわけではありません。
- 予定した動作をするか
- 必要な能力が出るか
- 製品の品質を満たせるか
- 前後設備との受け渡しができるか
- センサーや機器が予定どおり動くか
- 安全に関する条件が成立しているか
などを確認します。
設計時の計算やCADでは問題がなくても、実際に動かして初めて分かることがあります。必要に応じて調整し、設計変更が必要なら図面や部品情報にも反映します。
8．立ち上げ後の改造・保全までつながる
設備は、試運転が終わればそれですべて完了するとは限りません。
実際の生産を始めてから、能力、品質、使いやすさ、点検方法などを確認し、必要に応じて調整や変更を行います。
稼働を続ける中では、製品の変更、能力の見直し、使用条件の変更、部品の生産終了などによって改造が必要になることもあります。
設備を長く使うためには、清掃、点検、調整、消耗品や故障した部品の交換などの保全作業も必要になります。
設計するときから、点検できるか、部品を外せるか、交換するためのスペースがあるかを考えておくことは、稼働後の保全にもつながります。
図面だけでは見えないことがある
2001年から、生産設備、産業機械、プラント設備、装置、専用機、FA機器などの機械設計に携わってきました。
案件によって担当範囲は違いますが、仕様や構想の検討、機械設計、組立図・部品図・部品リストの作成、購入品の検討・選定・手配、現場での設備調査や組付、搬入・据付、試運転時の確認や調整、現地SV、工程管理、設備の立ち上げなど、設計の前後にある仕事にも関わってきました。
設計の前後まで関わっていると、図面上で成立していることと、実際に作れて、組み立てられて、動かせて、使えることは同じではないと感じる場面があります。
加工や製作を始めてから見直した方がよい形状が分かることもあれば、組立で工具が入らないことに気づくこともあります。試運転では、計算やCADだけでは分からなかった動きやタイミングを確認して調整することもあります。
設計、製作、加工、溶接、組立、電気・制御、据付、試運転、保全では、それぞれ見るところや持っている知識が違います。自分だけでは分からないこともあり、それぞれの担当者に確認しながら進めます。そこで分かったことを設計へ戻し、次の図面や設備へ生かしていきます。
ただし、これまで経験してきた進め方が、すべての会社や設備にそのまま当てはまるわけではありません。設備の種類、業界、会社、担当範囲、仕様、納期、予算、安全や品質に関する条件などによって判断は変わります。
機械設計で確認する主な内容
機械設計で確認するのは、機械の形や寸法だけではありません。
設備によって必要な項目は変わりますが、代表的な視点には次のようなものがあります。
- 機能・能力：目的の動作や必要な処理能力を満たせるか
- 強度・耐久性：想定する荷重や使い方に対応できるか
- 精度：必要な位置や寸法の精度を確保できるか
- 製作性：実際の加工方法や製作条件で作ることができるか
- 組立性：工具や手が入り、必要な順序で組み立てられるか
- 保全性：清掃、点検、調整、部品交換ができるか
- 安全：作業者、保全担当者、周囲の人などが危険にさらされないようにできるか
- 費用・納期：予算や日程とのバランスが取れているか
- 搬入・据付：運搬、吊り上げ、現地での設置や組立ができるか
- 取り合い：前後設備、電気、配管、建物などとの接続条件が合っているか
すべての項目を同じように優先できるとは限りません。
例えば、余裕を大きく取れば能力面では有利でも、設備が大きくなる、重量が増える、費用が上がるといった別の影響が出る場合があります。
設備の目的、仕様、使用環境、納期、予算、製作状況などを確認しながら判断します。その中でも、人の安全を能力や費用、使いやすさなどのために後回しにするものではありません。
生産設備では各担当とのすり合わせが必要になる
生産設備には、機械だけでなく、電気、制御、配線、配管、製作、加工、溶接、組立、搬入、据付、運転、保全など多くの分野が関係します。
| 関係する担当 | 主に確認する内容 |
|---|---|
| 機械設計 | 構造、強度、精度、動作、部品選定、図面、機器配置や取り合い |
| 電気・制御 | センサー、配線、制御方法、設備の動作条件、安全に関係する制御 |
| 製作・加工・組立 | 加工方法、製作方法、組立順序、工具、取付や調整方法 |
| 搬入・据付 | 設備寸法、重量、搬入経路、吊り方、設置条件 |
| 運転・保全 | 操作、清掃、点検、調整、消耗品や故障部品の交換 |
| 営業・調達・工程管理 | 要求内容、費用、納期、手配、変更による影響 |
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。
設備のスタート時には、電気・制御担当と機械の動きや動かし方、使用する機器や購入品、必要な動作などを確認しながら進めることがあります。
機械側だけで細かい動きやタイミングまで決め切るのではなく、電気・制御側のソフトで実際に設備を動かしながら、動作を確認して一緒に詰めていくこともあります。電気・制御担当から出た意見を、機械側の設計へ反映することもあります。
同じように、製作、加工、溶接、組立などでも、それぞれの担当者から意見をもらい、設計へ反映することがあります。設計だけでは分からないこともあり、実際に作る側の知識が必要になる場面があります。
機械、電気・制御、製作、組立などはそれぞれ役割が違いますが、最終的には一つの設備として成立させる必要があります。最初の打合せだけで終わらず、設計中、製作中、組立中、試運転中にも必要な内容をその都度確認していきます。
客先、メーカー、協力会社などが関係する場合も、どこまでが誰の担当なのか、どこで情報や物を受け渡すのかを確認します。相手や案件によって関係や担当範囲は変わるため、その都度必要な内容をすり合わせます。
設計の流れは一方向とは限らない
設備ができるまでの流れを順番に並べましたが、実際の仕事が1から8まで一直線に進むとは限りません。
詳細設計を進めている途中で構想まで戻ることもあります。製作担当者からの指摘で形状を変更することもあれば、組立中に部品配置を見直すこともあります。試運転をして初めて分かった内容を、設計へ戻すこともあります。
仕様変更があったときも、変更した部品だけを見ればよいとは限りません。
一つの部品を変更したことで、周囲の部品、動作、能力、電気・制御、図面、部品リスト、費用、納期、安全などに影響することがあります。
どこまで戻って確認する必要があるかは、変更内容と設備の進み具合によって判断します。
機械設計で起こりやすい確認漏れや、設計段階で見ておきたい内容は、「機械設計で起こりやすい失敗と防止策｜実務で確認したい7項目」でもまとめています。
人の安全を設計段階から考える
機械設計では、能力、精度、使いやすさ、費用、納期など多くの条件を確認します。その中でも、作業者や保全担当者、周囲の人などの安全を優先して考える必要があります。
安全は、設備が完成してからカバーやセンサーを追加すれば終わるものではありません。
通常運転だけでなく、段取り、清掃、調整、点検、部品交換、保全、搬入・据付、試運転、故障や異常が発生したときなど、人が機械に関わるさまざまな場面を考えて危険になるところを確認します。
危険がある場合は、まず構造や動かし方そのものを見直して、危険源をなくしたりリスクを小さくしたりできないかを検討します。それだけでは十分でない場合に、ガードや保護装置などによる対策を検討し、それでも残るリスクについて必要な情報を伝えるという考え方があります。
厚生労働省の「職場のあんぜんサイト｜機械の包括的な安全基準」でも、機械に人が関わる作業の危険源を確認し、リスクを見積もったうえで、本質的安全設計、安全防護、残るリスクに関する情報という順に対策を検討する考え方が紹介されています。
必要な安全対策が、すべての設備で同じになるわけではありません。
機械の用途、使用する人、作業内容、設置環境、法令、規格、顧客基準などによって、確認する内容や必要な対策は変わります。
計算結果が問題ない、一つの安全装置を付けた、特定の規格を確認したという一つの条件だけで、機械全体の安全性が決まるものではありません。
機械設計を初めて学ぶときの順番
機械設計には多くの知識が関係しますが、最初からすべてを覚える必要はありません。
実際の機械と学んでいる内容がどこにつながるのかを確認しながら、少しずつ範囲を広げていくと理解しやすくなります。
- 身近な機械や生産設備が、何をするために動いているのかを見る
- 図面の線、寸法、尺度、投影法などの基本を学ぶ
- 材料と、切削、溶接、板金などの加工方法を知る
- ボルト、軸、軸受、モーターなどの機械部品を学ぶ
- 力、荷重、応力、トルクなどの基礎を学ぶ
- CADで図面やモデルを作り、実物や加工方法と結びつける
- 電気・制御、安全、製作、組立、現場、保全など周辺分野へ広げる
この順番も一例です。学校、会社、担当する機械などによって学ぶ順番は変わりますし、実際にはそれぞれを行き来しながら覚えていくことになります。
本や学校で学ぶ基礎知識は必要です。その一方で、実際の製作や組立、試運転を見ると、「なぜこの寸法なのか」「なぜこの位置に部品を付けるのか」「なぜここにスペースが必要なのか」が分かることもあります。
知識を覚えるだけでなく、実際の機械ではどこに使われているのかを一つずつ結びつけていくと、設計を理解しやすくなります。
よくある疑問
機械設計はCADが使えればできますか？
CAD操作は機械設計で使う技能の一つですが、CADが使えるだけで機械設計のすべてができるわけではありません。
設備の目的、荷重、材料、加工、組立、部品、能力、安全、費用、納期などを確認し、それぞれの条件に合う構造を考える必要があります。
数学や物理が得意でないと機械設計はできませんか？
機械設計では、長さ、面積、体積、比率、力、速度など、数学や物理の基礎を使います。
最初からすべての公式を覚えている必要はありません。何を求める計算なのか、どの条件を使うのか、その結果をどのように設計へ使うのかを確認しながら身につけていきます。
資格がなければ機械設計の仕事はできませんか？
機械設計という仕事全体に共通して、一つの資格がなければ機械設計の仕事ができないというものではありません。
ただし、実際の採用条件や求められる知識・経験は会社によって異なります。また、担当する設備や実際に行う作業によっては、資格、特別教育、法令・規格の知識などが必要になる場合があります。
資格の勉強を、機械製図、機械要素、安全などの知識を体系的に学ぶ方法の一つとして利用することもできます。
まとめ
機械設計は、CADで図面を描くだけの仕事ではありません。
- 何をする設備なのか、目的と条件を確認する
- 設備の動きや全体構成を考える
- 必要な機器を選び、能力や構造を確認する
- 実際に製作・組立できる図面と部品情報を作る
- 製作、加工、組立、電気・制御、配線・配管などの担当者と情報をつなぐ
- 作業者など、人の安全を設計段階から考える
- 費用、納期、搬入、据付、保全まで確認する
- 製作や現場で分かったことを設計へ戻す
設備の種類や会社によって、工程の分け方や機械設計者の担当範囲は変わります。一つの進め方だけがすべての設備に当てはまるわけではありません。
設備ができるまでの全体の流れを知り、その中で図面、材料、加工、機械部品、計算、CAD、安全などがどこに関係しているのかを一つずつ見ていくと、それぞれの知識を実際の機械と結びつけて考えやすくなります。
これまでに携わってきた工程や主な業務は、運営者情報・対応業務にまとめています。