機械を構想していく手順
モノづくりにおいて、ゼロから形をアイデアを練って考えて、具現化する技について述べます。ここでは、どの商品の生産においても必須となってくる専用生産設備について述べます。
機械設計や電気設計方法については、専門的な技術書、大学の講義、ネットの情報により参考にするものは多いと思です。しかし、どれについてもはじめの一歩は何もない状態からアイデアを練って、構想していく仕事がスタートです。このアイデア構築の手順書とかプロセス、方法、コツといったことの参考書は少ないです。体系化されたプロセスのマニュアルというより、アイデアや構想力に長けた人材の資質によることも多いでしょう。しかし、経験が少ない段階で構想担当になってしまった人物は一体どこから着手して進めていっていいかわからないでしょう。機械の構想図を作成するプロセスを事例に開設いたします。
白紙から構想図を書き上げていく作業は実はすごいことです。例えば、ある技術者が一生懸命の構想図を作成しさえすれば、それに対して10人集まると10の意見、変更、要望、ダメだしなど言ってくるのはたやすいことです。ここで問いたいのですが、意見やダメ出しをする人に対して、あなたはゼロからこの絵を描けますか。まず全くできないというのはかなりの割合で多いと思います。今回の解説は何もない状態から形を作っていく作業に焦点を当てています。
- 機械の仕様詰め
- メカ構想
- 編集設計による効率化
- 機械の見積
- メカ詳細設計
- 油気圧回路図
- 電気設計 ・システム構成図、安全規格確認、制御盤の構成、配線系統図 等
1．機械の仕様詰め
機械クリエイトは仕様固めと構想図で運命が決まる
機械の性能、コストの７０～８０％は最初の構想で運命は決まってきます。創造力、構想力、設計力を常に磨くことが大切です。機械をクリエイトするための技術者の心がけ、考え方、育成などについては、このホームページの「第1-1章 機械をクリエイトする」に詳しく掲載しています。下記は目次です。
機械の仕様詰め
１．機械の仕様確認
機械のクリエイトを依頼してきた組織や会社から詳しく話を聞きます。おそらく掲示される 仕様書としては、対象となるワークの図面とか現状のレイアウト、一次側電気やエアーのインフラといったものは指示されてくると思います。しかし、納入する部署や会社の機械製作に関する膨大な規格やルールを読み込んで構想、見積もりするのは大変です。受注が未決定の初めの段階ではそこまで時間もなく踏み込めないのが普通です。機械の造り手側から考えると一番あったらありがたい情報、資料が同じところにある参考設備の機械図面とか電気図面です。参考になる図面を見た方が、使用する機器とか制御関係とかいったものがルールよりわかりやすいもので手っ取り早いです。
２．製品工法を確認
今から考えようとする機械の機能を確認します。機械のやりうとしていることは固体を削る、曲げる、組付るものなのか。機械で扱うワークは、形、重さ、材質、剛体か柔らかいものか、シート状なのかなど把握します。ここで製品の加工する加工点のポイントについては依頼先が詳しいのでしっかりヒアリングします。中には液体や油をともなうもの、気体や粉体を使用するものもあります。熱を伴うもの断熱材が必要か、レーザーのような光も扱うと思います。
３．ワークの種類や見分け方を確認
機械が扱うワークは種類が何種類かあると思います。このワークの種類が増えることが意外と クセモノです。ワークを把持し、固定する治具の設計に対しては、1つのワーク図面だと分かりやすいですけど、 2つ以上のワークがあるとそれを重ねて把持、クランプが成立させるために、 治具のコマとか受けとか クランプを 稼働式に逃がしたりする必要もでてくるからです。またワークの種類はセンサーで仕分ける必要があるのか、生産指示のように上位から信号が来るのかも確認してください。
４．予算感覚
機械を提供する業務で低コストな機械は魅力です。機械を安く造るには構想設計、部品の選定、製作者の腕や効率場度多々ありますが、やはり大部分は機械の構想で決まってきます。機械を構想して形を決めるとほぼ７０～８０％は製作金額の運命は決まってきます。構想力、設計力を常に磨くことが大切です。機械がこの工程で行うとしている工法と対象になるワークなどの扱いを考えると、この機械は1台いくらぐらいで作るべきか という感覚はエンジニアとしては自分なりに 感覚を磨いておいた方がいいでしょう。
機械受注時の注意
「しよう書ときぼう書は紙一重」
機械の発注を行うメンバーは、機械を使うことはよく知っていても機械をクリエイトしていく仕様というものについては意外と慣れていないところがあります。 お客様からは「希望納期」と「投資予算」を明示されます。 機械は コンパクトで、稼働率が良くて、不具合で止まらないもの、保全はしやすくしてください、といった仕様というよりは希望という言葉ばかりが出てきます。 「しよう書ときぼう書は紙一重」です。
予算と日程だけ話が先行して、見積もり提出の大失敗
お客様から、見積もりは「来週末まで」すぐにと要求されます。 それなりに見積もり提出した後に受注が決定しますが、事の重大さをそこまで見抜いてない見積であった場合は大変です。いろいろな条件や内容が後から抽象的な表現で次々登場してきて、いざ設計を始めると全然見込み違いです。見積もりの再提出も十分に認められずに困ってしまった状況はないでしょうか。
予算と日程だけ話が先行して、見積もり提出の大失敗
機械の具体的な仕様や構造を全てをメーカー側に提案型で出させて、あやふやなまま、日程優先で物ができた後のことです。客先で後で参加してきた新しいメンバーの方々から、新たに出てきた内容を「あなたの提案だから無償で修正しろ」といわれるケースがあります。 量産品の生産工場の人たちが機械に期待している視点は、機械が軸足でなく 製品が軸足です。 品質不良を出さない、生産能力を上げて多く生産する、作業者が楽である、がポイントでしょう。 それに対し設備メーカーは仕様を満足すること、機能的不具合を出さない、稼働率や直行率がいい、と言ったとこが視線になるでしょう。
２．メカ構想
機械の姿をイメージするには
機械の全体構想図というのも、ある意味絵を描くときと同じように全体から徐々に細かく、そのサイクルを回していきます。 ワーク と直接接する治具周りから構想し、周りにツールとか振り込みユニットとかを広げて考えていき、全体をラフに仕上げていきます。 これを何サイクルか回していく中で ほどほど 絵を作っていくわけです。
最近の技術者の方は、いきなり CAD を使って 3次元で絵を描く 行動を起こしてしまいがちですが、 CAD は正確な半面、 ラフでアナログ的な絵が書けません。 機械の構想段階では意外と手で設備全体をポンチ絵的に何枚か作っていくというのも スピードがあって効率がいいです。
ワークと治具 ワークの固定、脱着、位置精度
ワークの絵とワークの変化の絵
まず量産する対象物となるワークの絵をCAD で起こします。そのワークが初めの工程から、途中の工程、後工程に移っていくに従って、ワークの姿が加工されて変化していく姿を絵に起こします。
ツールや組付対象部品の絵
次に各工程で、ワークを中心にして加工ツールを配置して、組付けられる部品、ねじなどのアクセス方向を決め、ナットランナーや組付け治具も絵を入れていきます。圧入したり曲げたりするのであれば、それを加工するワークに接触するべき駒の部分、チャックやクランプといったものを CAD 図面に追加していきます。
ワークの治具の絵
ツール、小物部品、駒の動きを把握した後、ワークを固定クランプ、受け駒といった治具の固定方法を考えていきます。
治具の動きや力を確認
ツールとか駒はそれぞれ必要な力、振り込み向き、圧力などを計算します。ワークを固定する受けは正寸で停止するものか、ある一定以上の力で保持する押機構が必要なものかを構想します。
機械要素の知識
機械要素をいかにたくさん把握して、使えこなせるレベルまで達しているかが設計者の実力の一つです。近年ではいろいろ便利なユニットが登場してきています。ネットやカタログだけではなかなかイメージできないでしょう。 展示会がしょっちゅう行われていますので、こういう場に出向いて行って手にしてみたりカタログを集めたりして勉強していって下さい。
ワークの脱着、移動
ワークの搬入搬出、流れを検討していきます。ワークの形状から治具への脱着方向を決め、シフトする寸法を決めて、前工程 と後工程の流れを考慮していきます。
ワークを動かしていく搬送手段のユニットスペースと受けを検討していきます。コンベアー、搬送機器、ロボットのマテハン（先端に付けるワークをクランプするもの）の絵を追加していきます。そのワークの軌跡を同時に絵の中に入れて干渉、成立性も確認します。
基本的な機構を勉強する
ワークのクランプ、受け、ツールが干渉する物はアクチェーターをつけて逃がす機構を考えます。 動作は、直線運動か回転運動、一部特殊な軌跡を描く動作もあります。 シンプル化のため複数個まとめて大きく振込ユニットなどで対応するのも考えて下さい。この動作のパターン、機構を何個か自分の構想の武器として持っておいてください。直線的に動く、回転的に動く、変則的な動きを要する。 直接モーターで駆動させるか、ベルトか、倣いのカム機構かをよく勉強して覚えておくと便利です。
センサー、電気電子機器を勉強
機械要素機器の勉強
ユニットを動かすアクチェーターやガイド、回転軸などの機械要素を絵に落とします。普段から機械要素部品も勉強しておいてください。色々なカタログとかに目を通して、把握しておくことです。
センサー関係
ワークをクランプする治具の動き確認のセンサー、ワーク自体を確認するセンサー、ワークの種類を判別するためのセンサー、検出したり撮影したりする照明とカメラ、こういったものをワークの周りに配置していきます。アクチェーターには動いた時の動作端を確認するセンサーが必要です。また曲げや圧入といった品質に絡むアクチェーターには力を電流値でセンサリングできるような機械要素を選定してください。
付帯機器関係
照明、カメラ、集塵機、ファン、クーラント、スプレーなどの付帯を絵にしてください。
選定したアクチェーターの計算
アクチェーターの計算
各物体が動いていく軌跡に応じてシリンダー、モーターなどで動きを考えていきます。
大体が見えてきたら、各アクチュエーターについて、必要な力、圧力、速度をふまえて成立するか検討します。重さやサイクル時間を入れて確認してください。この段階でモーターなどのサイズや型式、シリンダーのサイズとストロークを決めていきます。
ブラケット、フレーム、ベース
いままでの構想を地面に置くベースから検討します。ベースからブラケットを伸ばしていきます。精度が必要なものや天井からユニット構成が必要なものはメインのフレーム、コラムといった剛性や精度が確保されるかを検討しながら構成してください。
ユニットをたくさん立てていくと、全体のスペースから飛び出しているものとか、姿的にアンバランスなものが目立ってくると思います。それについては動作方向や方法、回転か直動化も見直して、出来るだけ一箇所に固まるようなコンパクトに構造に手直しを繰り返していきます。
以上の手順を何回もやり直していくうちに、だんだん形の良い機械となっていくわけであります。
安全柵、付帯
機械の構想にめどがついたら、それを覆うカバーとか安全柵を考えて機械のサイズとかが見えてきます。また、多関節ロボット使った動作の場合は、そのワークを掴んだりするマテハンを先に設計し、それをロボットでどういった軌跡でアクセスさせるかを同時に考えます。この時にシュミレーションソフトを使って最適な動きとかサイクルなども検討をするようにします。ケーブルトレイ、ダクト、一次側、制御盤、ステップの絵も入れてみてください。
サイクル
機械の動作時間検討
機械の姿が見え始めたときにサイクル線図、油気圧回路図を平行して描きます。
作業者によるワークセット時間も同時に検証します。当然サイクルで大きくオーバーしたりします。その時は同時動作、オーバーラップ動作、電動化による高速化などを検討していきます。
リスクを想定
構想の途中でもデザインレビューを実施します。経験者からアドバイスを貰います。このユニットの剛性は弱いとか、もっとスリムにできるとかのシェイプアップを行っていきます。
いかに過去のトラブルをたくさん経験しているか、いろんな状況の知恵が入っているかが良い設備になっていくわけです。 ベテランの方に見ていただくデザインレビューが効果があります。
サイクル線図の描き方
機械設計者のサイクル線図は、左側に機械を構成する各ユニットの動作名称があり、その横には動作の前進と後退、上昇端と下降端といった動きの動作端ポイントが表示されています。その右にはその動作端のセンサーの記号とか名称が記入されています。
自分の機械の上位に対して、出し入れの信号も表示してください。 例えば 生産指示とか測定や検査のデータを上位システムに信号として出すタイミングも必要です。またロボットとかビジョンといった外部の付帯機器とかセンサー類に対しての起動開始やサイクル完了リセットのタイミングも表示するようにしてください。
機械は連続で動いているために、１サイクルのタイミングは、例えば 作業者がワークをセットして起動 ボタンを押すというところを起点にサイクル線図をかき始めてください。 そして次のワークの同じ作業者が起動ボタンを押すといったワンスパンが製品1個あたりのタクトになってきます。
3．編集設計による効率化
専用機のメカ設計効率化
専用設備のメカ設計は毎回お客様の意向により設備設計するため、なかなか標準化は難しいです。しかし標準化でなく編集設計化を行える設計方法を検討してみてください。生産工場のユーザーは自分達の工場レイアウトに合わせて設備を眺めるために、毎回レイアウト設計をする必要が発生します。 設備単体についても加工や組付をする設備は対象ワークが毎回変わるたびに機械の専用設計になってきます。 設備全体を完全にリピートを求めるのは難しいでしょう。
しかし効率化は可能で、設備を構想する時に各ユニットの組付チャック、スライドやクランプの機構、センサーの取り付けユニット、そういったものを別にユニット化しておいて、製品に合わせて配置のみ考える編集設計を考えてください。各標準化した小さな基本ユニットを並べていくことで、ゼロから設計でなく編集設計が可能です。これを徹底していれば難しい設備でも必ずベテランが実施することなく設計補助的な担当でもある程度設計が進むことが可能です 。
４．機械の見積
設備の原価感覚を身につける
機械の原価感覚を身につけることが必要です。機械の原価は購入品、組織内の設計・組付・電気工数、依頼する業者の費用などの足し算で決まってきます。各詳細項目をそれぞれ足し算していきます。しかし、だいたい機械を見た時に、この機械は原価いくらぐらいだという感覚を身につけておかないとスピードについていけません。
代表的な設備の形と原価を記憶しておくことです。主な機械要素の価格、特に高額な機械要素を把握しておくと便利です。それに加えて、標準的な設計工数、電気設計の工数、プログラムの工数、据付費用、立ち合いで関わる工数もある程度把握しておいてください。電気関係も代表的な制御盤や操作盤、配線工事の金額を把握しておきます。
そして、開発的なモノ作りとか、リスクがある技術物件は、繰り返し工数とかやり直し工数を頭に入れておく必要もあります。大きなコスト的な失敗する物件としては、この辺のリスクの読みが甘くて、とんでもない損害をこうむるといったケースが多いかもしれません。
見積作成
見積書を各段階で注意するべき点としては 「第8章 設備受注・構想・見積」の見積書の失敗事例を見ていただくとよくわかります。 目につく 主なことは 見積もることは確かにやられますけど、どういったリスクがあるかとか 納入後の手が切れる タイミングがどこまでかかるかとか提出資料やマニュアル教育の依頼といった目に見えないものが意外と 落とし穴です。
５．メカ詳細設計
機械設計補助者の仕事をチェック
機械を構想する方はベテランのエンジニアであります。しかし、構想が出来たら設計補助者や外注設計に渡してしまいます。ここで問題になるのが、設計補助者は単にモデラーにとどまるのでなく、あくまで設計者であってほしいものです。
モデラーは与えられた構想図をそのまま正式に真似て完成していきます。下手に自分の知識を設計図面に入れずに、与えられた構想図の絵を変更することを恐れて、あえて構想図のまま完成に向かいます。 しかし、設計者というのは、与えられた構想図をベースにして、もっと安く造れるところ、スリムな構造を積極的に変更をかけて完成してほしいものです。
構想図のDR検討会（デザインレビュー）というのは、おもに機能するかどうか、車種は考慮してあるか、動きのサイクルは間に合うのか、機能面をチェックします。 この段階ではあまりブラケットが大きいとか、加工できない、組み付けできないといった項目までは見ていません。設計者はＤＲ検討会を通過してくる図面には、設計的なセンスでよりやすく、スリムに出来ないかを構想し詳細設計を実施していきましょう。
６．油気圧回路図
エア回路図の場合は工場の1次側のエアー源からバルブを経由して動作する回路を考えます。 工場の元エアー の圧力が0.4 MPaが一般的でしょう。 導入する工場の安全ルールに基づいて 考えてください。そしてエアーマニホールドとか 各種バルブ、チェック弁、サイレンサーなどを構成して、一番先端には エアシリンダーを配置して動きを設計していきます。
油圧回路図については機械の横にオイルタンクと 油圧ポンプを設けた 油圧供給装置をユニットで購入して設置します。 そこから油圧配管を油圧マニホールドを返してエアーと同じように、バルブとかチェック弁とか設計して先端の油圧シリンダーにファイルを構成していきます。エアーと違うのは、必ず油がタンクに戻るように循環系で設計しなければいけません。設計する頻度が少ない割に、かなりの専門知識が必要なためにこの回路の設計については、油圧を扱っている機械要素 メーカーに相談されるのが良いでしょう。
７．電気設計
システム構成図
PLC を中心にして制御設計を考えてきます。 ビジョン、サーボ系、計測機器のドライバーやアンプを選定していきます。制御盤内の入れる部品と端子台やファン、クーラーなどに加えて、一時側の電源など構成します。使用する電気機器や制御の規格はお客様にそれぞれ特有なものがあります。
以上を洗い出すと、システム全体の構成を考えてください。ロボットとかビジョンとか特殊なセンサー類、 隣の設備とのインターロックや乗り継ぎユニット、工場に入れた後の上位から来る生産指示とか完成品の加工条件結果を含むトレーサビリティ情報を出していくことも確認します。
安全規格確認
安全規格は会社や工場の方々が長い年月をかけて作り上げていっています。機械の依頼があった段階でルールを確認します。お客様ごとに違うケースが多いし、 USA とか ヨーロッパ、中国向けもそれぞれ規格があります。
ここに示している図の事例は、異常になって保全の人が機械を停止して中に入って改修する場合について、保全の人を危険から守ることを示した図面です。 大きな機械でロボットが組み込まれている状態では、機械の一部を動かしてロボットと連動させないと ティーチング 作業がうまくできないために、 ロボットの先端についているアクチュエーターとロボットだけを動力オンにしてティーチング作業ができるような考え方にしています。 つまり 1台の設備で本体を動力遮断して停止している時でも、ロボットだけを動かす動力を分けるという考え方の事例です。 また機械に作業者がワークのセット、取り出し作業をするとき、 作業者の手が機械に侵入したということを検出する光電管、エリアセンサーと呼ばれるセンサーが機械の前面に構成されています。
制御盤の構成
制御盤構成は一次側のケーブルが電源関係に入ってきて、２４Vに変換するユニットがあります。アクチェーターのアンプ類、計測ユニットのアンプ関係、デジタルとアナログ信号など確認してください。安全のルールによっては配線経路や電線の種類、色に注意してください。
配線のスペースや熱源の発生を十分考慮して制御盤の筐体を考えてください。特に 信号線と動力線は分けないとノイズが乗ったりして トラブルの要因となるために配線経路もある程度は頭に入れるべきです。
配線系統図、配線経路図
制御盤構成は一次側のケーブルが電源関係に入ってきて、２４Vに変換するユニットがあります。アクチェーターのアンプ類、計測ユニットのアンプ関係、デジタルとアナログ信号など確認してください。安全のルールによっては配線経路や電線の種類、色に注意してください。
配線のスペースや熱源の発生を十分考慮して制御盤の筐体を考えてください。特に 信号線と動力線は分けないとノイズが乗ったりして トラブルの要因となるために配線経路もある程度は頭に入れるべきです。
動作のフローチャート、ロボットのプログラムI/O一覧表
機械の動作は機械設計者がサイクル線図と呼ばれる設計データーをはじめに作成します。これにより機械全体の各アクチェーターの動作順番や、作業者、ロボットとのやり取りがわかります。これを信号のやり取りや、判断処理した結果で同動くかを表してわかりやすく考えるのがフォローチャートです。この判断フローの考え方や図面ひょじ方法は講義や技術書、ネットに多く掲載されていますのでまた参考にしてください。
