機械部品の能力・寸法を決めるときの考え方｜モータ・シリンダ・軸径の確認

機械を動かすモータ、空気の力で物を押したり引いたりするシリンダ、回転や力を伝える軸。生産設備には、それぞれ異なる役割を持つ多くの機械部品が使われています。

設計では、必要な力、速さ、重さ、使い方などをもとに、部品の能力や寸法を確認し、型式を選定していきます。ただし、計算で出した数値だけを見て部品を決めればよいとは限りません。

客先指定のメーカーや型式、点検・交換のしやすさ、予備品の共通化、納期、費用、設置できる広さなども選定に関係します。図面を出した後や部品の製作が始まった後に条件が変われば、その時点でできる対応も変わります。

これまでの設計でも、モータ、シリンダ、軸径などは、自分で計算するだけでなく、メーカーへ選定を依頼したり、カタログや技術資料を確認したり、過去に使用した部品の実績を見たりしながら決めてきました。

設備全体の目的や能力を設計前に整理する方法は、「生産設備の仕様確認｜設計前に決めることと未確定事項の進め方」で扱っています。

必要な能力と余裕をどう考えるか

必要な能力に届かなければ、物を動かせない、押す力が足りない、決めた時間で動作できないといった問題につながる場合があります。軸や構造部品では、強度やたわみが問題になることもあります。

そのため、計算結果だけでなく、条件のばらつきや使い方の変化などを考えて、能力や寸法に余裕を持たせることがあります。

一方で、必要以上に能力や寸法を大きくすればよいとも限りません。部品によっては、寸法、質量、費用、納期、電気や空気の使用量、周辺部品などへ影響します。

「ワンランク上」「1サイズ上」といった言い方をすることもありますが、何を変えるのかは部品やメーカー、仕様によって違います。モータの出力、シリンダのチューブ内径、軸径などを変更する場合もありますが、これも一例です。

必要な能力を満たしているかだけでなく、その選定によって周辺へどのような影響が出るのかも確認して決めます。

選定前に条件を確認する

計算式が合っていても、入力する条件が実際の設備と違えば結果も変わります。最初に、何を、どのように、どのくらい動かすのかを確認します。

確認する条件	内容の例
対象物と負荷	何を動かすか。重さ、重心、ばらつきなど
動き	回す、押す、引く、持ち上げる、止めるなど
速さと時間	移動距離、回転速度、加速・減速時間、動作回数など
取付と支持	取付方向、支える位置、力が加わる位置など
使用環境	温度、水、粉じん、洗浄、屋内・屋外など
供給条件	電源、電圧、空気圧、配線、配管など
条件の変化	摩擦、圧力、対象物、使い方などが変わる可能性
客先条件	指定メーカー、型式、予備品、社内標準、購入条件など

すべての条件が最初から決まっているとは限りません。指示や条件がなければ決められない部分は、客先や関係者へ確認しながら進めます。

確定している条件、設計を進めるために置いた仮の条件、まだ確認できていない条件を分けておくと、後から変更があったときにも見直しやすくなります。

一つの方法だけで決めない

部品を選定するときは、自分で行う計算、メーカーへの選定依頼、カタログや選定ツール、過去に使った部品の実績などを組み合わせて確認しています。

確認方法	確認する内容の例	注意すること
計算する	必要な力、トルク、荷重、強度など	計算式、単位、入力条件、荷重の見落としなど
メーカーへ選定を依頼する	製品仕様や使用条件に合う候補型式	どの条件を伝え、どこまで確認してもらったか
カタログ・選定ツールを使う	候補型式、許容値、取付寸法など	対象シリーズ、入力条件、注意事項、資料の版など
過去の実績を見る	似た設備で使用した型式や実際の使用状況	今回と条件が同じとは限らない
関係者と確認する	設備全体、製作、保全、納期などへの影響	担当範囲や判断する人は案件によって異なる

メーカーへ選定を依頼した場合でも、それだけで決めるわけではありません。伝えた条件が実際の設備と合っているか、周辺部品と組み合わせられるかなどを設計側でも確認します。

自分で計算した場合も、製品ごとの使用範囲や制限、注意事項までは計算だけでは分からないことがあります。採用する型式のカタログや取扱説明書、技術資料を確認し、必要であればメーカーへ問い合わせたり、選定を依頼したりします。

モータ選定で確認する内容の例

モータにもいろいろな種類があります。負荷を回転させるモータでは、必要なトルク、回転速度、加速・減速、運転時間、起動・停止の回数、減速機の有無などを確認します。

トルクは軸を回そうとする力の大きさです。回転する物では、重さだけでなく、重さが回転中心からどのように分布しているかも関係します。そのときに確認するものの一つが慣性モーメントです。

同じ重さでも、形状や回転中心からの距離が違えば、加速・減速に必要な条件が変わります。

オリエンタルモーターの「モーター選定のポイント」でも、ACモーター、ブラシレスモーター、ステッピングモーター、サーボモーターなど、種類によって選定時に確認する内容が異なります。

• 負荷を動かすために必要なトルクと回転速度
• 起動・停止、加速・減速を含めた動き
• 負荷の慣性モーメント
• 連続運転、短時間運転、起動・停止の回数など
• 減速比、伝達効率、ブレーキ、制御方法など
• 電源条件、取付寸法、質量、発熱など

これらは確認項目の例です。モータの種類やメーカー、機構、使い方によって必要な確認は変わります。メーカー資料や選定ツールも参考にしながら、実際に採用する製品の仕様を確認します。

シリンダ選定で確認する内容の例

空気圧シリンダにも、ロッド付き、ロッドレス、ガイド付きなどさまざまな形式があります。ここでは、ロッド付きの空気圧シリンダを例にします。

シリンダの理論出力は、基本的に使用圧力と受圧面積から求めます。例えば複動片ロッド形では、ロッド側と反対側で受圧面積が異なるため、押す方向と引く方向の理論出力も同じではありません。

実際の選定では、理論出力だけでなく、使用する圧力、必要な力、速度、ストローク、取付方法、負荷の方向、停止時の衝撃、案内機構なども確認します。

SMCの「エアシリンダ基本特性資料」にも、チューブ内径、最低作動圧力、シリンダ速度などが掲載されています。掲載されている数値は選定時の目安とされており、詳細は各製品のカタログで確認します。

• 設備で使用する空気圧
• 必要な力と作動方向
• チューブ内径、ストロークなど
• 動作速度と停止時の衝撃
• 取付方向、案内機構、横方向から加わる力など
• 空気使用量、配管、バルブなど周辺機器との組合せ

これまでの設備でも、必要な力が足りず、想定していた動作にならないことはありました。ただし、動かなかったからといって、シリンダの能力だけが原因とは限りません。

使用圧力、摩擦、取付状態、案内機構、配管、制御など、ほかの条件が影響していることもあります。実際の状態を確認しながら原因を切り分けます。

反対に、シリンダのサイズを大きくすると、発生する力だけでなく、空気使用量、外形寸法、取付部分、周辺部品なども変わる場合があります。シリンダだけを見て決めるのではなく、周辺も含めて確認します。

軸径を決めるときに確認する内容の例

軸は、歯車、プーリー、ローラーなどを支えたり、回転や力を伝えたりするために使います。軸径を決めるときは、ねじる力だけでなく、曲げ、たわみ、支える位置、材料なども確認します。

強度上は壊れない条件でも、たわみが大きければ、位置がずれたり、歯車やベアリングの状態が変わったり、設備や製品の精度に影響したりすることがあります。

• 回転トルクと、ベルト・歯車・対象物などから受ける荷重
• 軸受で支える位置と、荷重が加わる位置
• 回転速度、繰り返し荷重、起動・停止などの条件
• キー溝、段差、穴、ねじなどの形状
• 材料、熱処理、表面状態、加工方法
• ベアリング、カップリング、歯車、シールなど周辺部品との組合せ

軸径を変更すると、ベアリング、カップリング、歯車、ケース側の穴径、加工方法なども変わる場合があります。

実際に軸径を決めるときは、強度やたわみの計算だけでなく、使える購入品、加工方法、組立方法、周辺のスペースなども合わせて確認します。

客先指定、保全性、予備品も選定条件になる

計算上は使える部品でも、そのまま採用できるとは限りません。客先がメーカーや型式を指定している場合や、工場内で使用する部品を統一している場合があります。

予備品や保全を考えて、同じメーカーやシリーズを使うこともあります。部品を共通化できれば、予備品を持ちやすくなったり、交換や購入の管理がしやすくなったりします。

一方で、指定品では必要な能力を満たせない、納期に間に合わない、生産終了しているといったこともあります。その場合は、指定されている理由や、どこまで変更できるのかを確認して進めます。

条件	確認する内容の例
客先指定	メーカー、型式、シリーズ、代替品を使用できるかなど
保全性	点検場所、交換手順、工具、作業できるスペースなど
予備品	工場内の在庫、他設備との共通化、代替品など
購入	価格、納期、入手先、生産終了など
周辺部品	取付寸法、配線・配管、制御、カバー、フレームなど

何を優先するかは設備や案件、立場によって変わります。変更した場合にどこへ影響するのかを確認し、必要であれば客先や関係者と相談して決めます。

能力やサイズに余裕を持たせるとき

計算条件にばらつきがある、将来負荷が変わる可能性がある、客先指定や予備品の共通化を考えるなど、さまざまな理由から、計算上の候補より能力やサイズに余裕を持たせることがあります。

これまでの設計でも、モータ、シリンダ、軸径などで、候補を見直して能力や寸法を変更することはあります。ただし、何をどの程度変えるかは、その部品や条件によって違います。

確認する項目	影響の例
能力	必要な力、トルク、速度などを満たすか
寸法・質量	設置できるか。取付部やフレームへ影響しないか
周辺部品	軸、ベアリング、カップリング、配管、配線なども変わるか
電気・空気	電源容量、電流、空気使用量などが変わるか
動作	加速・減速、停止時の衝撃、制御条件などが変わるか
保全・予備品	交換方法や予備品の共通化へ影響するか
費用・納期	価格、納期、図面や製作の変更範囲が変わるか

能力不足への不安から余裕を持たせる場合もあれば、客先指定、保全、予備品など別の理由で選定が変わる場合もあります。理由を確認したうえで決めます。

能力不足と過剰な仕様の両方を考える

これまで、能力が足りずにうまくいかなかったこともあれば、反対に余裕を持たせすぎたことで別の問題につながったこともあります。

必要な条件に対して仕様が大きすぎる状態を、オーバースペックや過剰仕様などと表現することもあります。ただし、大きい部品を使っているというだけで過剰とは決められません。

将来の負荷増加、客先指定、標準品、予備品の共通化などを考えて、計算上の最低限より余裕のある部品を使うこともあります。

能力不足で意図した動作ができない場合も、すぐに部品の能力だけが原因と決めることはできません。計算条件、摩擦、圧力、取付状態、周辺構造、制御条件などが影響している可能性もあります。

反対に、能力やサイズを大きくしたことで、寸法、質量、費用、電源、空気使用量、周辺部品などに影響が出ることもあります。

必要な余裕を持たせることと、必要以上に仕様を大きくすることは同じではありません。なぜその仕様にするのかを確認して選定します。

設計時に起こりやすい確認漏れと防止の考え方は、「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」でも整理しています。

出図や製作が進んだ後は対応も変わる

設計中に条件が変わった場合は、関係する内容を見直します。ただし、図面を出す前と、発注や製作が始まった後では、変更に必要な時間や費用、手戻りが違います。

進み具合	確認する内容の例
構想・設計中	候補部品、計算、周辺構造、仕様など
出図・発注後	変更する図面、発注状況、費用、納期など
製作・組立中	作り直す範囲、流用、追加工、組立への影響など
据付・運転開始後	現物、設備停止、保全、変更後の確認方法など

できるだけ設計段階で見直しますが、出図や製作が進んでいると、すべてを最初からやり直すことが現実的ではない場合もあります。

部品を変更する、周辺部品を変更する、補強する、動作条件を見直す、作り直すなど、その時点で考えられる方法を確認します。必要な能力や安全上の条件、品質、費用、納期、保全への影響も合わせて見ます。

時間がないから確認を省くということではありません。どこまで進んでいるのかを確認し、その時点でできる方法を考えます。

設備ができるまでの設計、製作、組立、据付、試運転の流れは、「機械設計とは？図面だけではない仕事と設備ができるまで」で説明しています。

立場によって見る条件も変わる

部品の選定は、設計者だけで決めるとは限りません。客先、設備を使う人、保全担当者、メーカー、購入担当者、製作担当者など、関係する人によって見る内容も変わります。

立場	確認する内容の例
機械設計	能力、強度、寸法、周辺部品との組合せ、図面への反映
客先・設備使用者	生産能力、品質、操作、社内標準など
保全	点検、交換、予備品、復旧、部品の共通化など
メーカー	製品仕様、使用条件、製品ごとの制限など
購入・管理	価格、納期、予算、購入条件など
製作・組立	加工、組立、変更による手戻りなど

設計側から提案することもあれば、客先指定に合わせることもあります。最終的に誰が決めるかも、会社、契約、案件によって違います。

必要な条件を確認し、変更するとどこへ影響するのかを関係者と確認しながら進めます。

選定の根拠や計算書、メーカー回答を残す

部品を選定したときは、採用した型式だけでなく、なぜその型式にしたのか分かるようにしておきます。後から条件が変わったときや、再確認するときに役立ちます。

• 対象物、荷重、速度、使用時間、取付方法、使用環境などの条件
• 能力計算書、強度計算書など
• 使用したカタログ、技術資料、選定ツール
• 確定している条件、仮の条件、未確認の条件
• メーカーへ選定を依頼したときの条件や資料
• メーカーからの選定回答、候補型式、注意事項など
• 過去実績を参考にした場合は、今回との条件の違い
• 能力や寸法を変更した理由、変更しなかった理由
• 周辺部品、費用、納期、保全、安全などについて確認した内容

メーカーから型式を選定してもらった場合も、型式だけではなく、どの条件で選定されたのか分かるようにしておきます。

自分で作成した計算書も、結果だけでなく、荷重、速度、圧力、効率など、どの条件を使ったのか分かるようにしておくと、条件が変わったときに見直しやすくなります。

過去の実績も、そのまま今回へ当てはめるのではなく、対象物、速度、使用時間、取付、環境など、今回と何が同じで何が違うのかを確認する材料として使います。

まとめ

• 部品の選定では、必要な力や寸法だけでなく、動き、取付、環境、客先条件なども確認する
• 計算、メーカーへの選定依頼、カタログ、選定ツール、過去実績などを組み合わせて判断する
• モータ、シリンダ、軸など、部品や使い方によって確認する内容は変わる
• 能力や寸法に余裕を持たせる場合も、周辺部品や費用、納期などへの影響を確認する
• 能力不足だけでなく、必要以上の仕様になっていないかも確認する
• 型式だけでなく、計算書、メーカーへの選定依頼、回答、判断した理由なども残しておく

能力や寸法の判断は、部品一つだけを見て終わる仕事ではありません。設備の目的、使い方、客先条件、周辺部品、保全、納期、工程、製作の進み具合まで関係します。

条件がすべて最初からそろっている案件ばかりでもありません。分からないことは確認し、仮の条件で進めた部分は分かるようにしておき、条件が変われば必要なところを見直します。

計算結果だけ、メーカーの回答だけ、過去の実績だけで決めるのではなく、その設備の条件に合わせて複数の情報を確認しながら選定していきます。