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構想設計と詳細設計の境目は?
危険な見切り発車の3D設計

設計担当者にとって、3D計画図というアウトプットは大きな成果のひとつである。ただし、この3D計画図の作成を急ぐあまり、本来重要な構想設計段階でのアウトプットがおろそかになっている場合がある。これが原因で不具合が起こり、大きな手戻りが発生することもある。このような事態を防ぐにはどうすればよいであろう。

詳細設計の見通しを立てながら
構想設計を行う場合に意識すること

製品の要求事項であるインプットに対し、構想設計では要求機能やコストを満足させるための構想書、詳細設計では3D計画図や強度計算または機構シミュレーション結果など、設計者は開発の各段階で適切なアウトプットを出す必要がある。こうした流れの中で「詳細設計の見通しがたった構想設計を行う」ことは当然であるが、実際にはこれができていないことが原因で詳細設計時に失敗に気が付くことが多い。

「構想設計」の出来具合は、品質やコストだけではなく、その後の開発工数にも大きな影響を与える。従って「構想設計」で確実に製品の品質やコストに見極めをつけた後に「詳細設計」に移行する必要がある。しかし、ここまでが構想設計、ここからが詳細設計というラインを明確に意識して設計できるようになるまでは、ある程度の開発経験が必要であるため、若手設計者が迷うポイントでもある。

また、さまざまな設計の参考書にも「構想設計」と「詳細設計」の定義について書かれているが、開発する製品によっても差異があるため、実際に経験を積むまではその定義をつかみ難い。このような場合は、次のようなことを意識して「構想設計と詳細設計のライン」を引けばよいと考える。

  • 構想設計:製品に対する要求事項を満足するために、3歩進んで2歩下がるような検討を続けることで、完成された製品をイメージできるレベルに達すること
  • 詳細設計:製品のイメージを具体化する作業であり、ほとんど手戻りはない、前進あるのみの設計業務であること

つまり、構想設計段階で「設計上の不安事項は解決しておく」または「解決できる見込みをつけておく」必要がある。

近年、製品に対する要求事項(多機能化、低コスト化)が多くなり、かつ開発期間の短縮化が求められている。このような状況下では「構想設計」で見通しを立てたつもりであっても、「詳細設計」で苦しい部分が発生することが多い。余裕のない開発状態では、構想設計段階で解決できない問題を詳細設計に持ち越しても解決できることは少ない。「時間をかけてでも構想設計を怠らないことが開発への近道である」ということを若手設計者は認識し、やみくもに3D CADで詳細設計を始めないことを心がけよう。

構想段階で生まれた設計パターンを
3D CADで具体化してアイデアをふくらませる

「構想設計」では、製品仕様から担当するユニットに必要とされる要求事項を抜き出して整理することから始める。そして、機能性、耐久性、保守性、コストなどを考慮しながら概略構想を進めていくが、主にポンチ絵を描くことによりユニットのイメージを具体化していく場合が多い。複数の機構から最適なものを選定するような場合には、部品構成が具体化されることで各機構のメリット・デメリットが明確になり判断がしやすくなる。

ポンチ絵による構想検討は「構想設計」において非常に優れた手法であるが、ポンチ絵で具体化していく前、あるいはその過程において、部品を配置する「スペース上の問題」をクリアしなければならない場合が多い。たとえユニットを構成するための優れたアイデアが出たとしても、与えられたスペースに収まらなければ採用することができない。

製品の品質を大きく左右するような機構部を設計する場合、設計者としてはその機構を優先的に設計し、それに合わせて周辺部品を設計することが比較的進めやすい方法である。しかし、製品を小型化すること自体が大きな要求事項である場合が多いため、このような設計方法では無理が生じる場合がある。バランスよく各機構を配置できなければ、部品形状の複雑化によりコストアップが生じる場合や、組立性が悪くなることで組立不良や保守性の低下をまねくことがある。この「スペース上の問題」をクリアすることは、ベテランの設計者といえども苦戦する場合が多い。

難しい設計になれば、それだけ詳細設計での手戻りは避けたい。ポンチ絵により構成部品を具体化している段階で「スペース上の問題」が解決され、頭の中では3D計画図の完成する見込みがついているだろうか。このような構想を効率的に進めるために3D CADを活用することもできる。

まずは、3D CADを用いて担当のユニットで使用できるスペースをソリッド化する。そして、ユニット内で機能ブロックごとに必要なスペースをソリッド化して、さらにスペースを割り当てる。この時に、主要部品の概略形状やアクチュエータ、既存機種からの流用機構などがある場合は配置しておく。この目的は、使用できるスペースを確認することにあるので、最終の配置位置である必要はない。ただし、周辺部品構成を考慮した位置には配置しておこう。

ここでは、配置した主要部品の形状を具体化し過ぎない。この時点で詳細形状を作成したとしても、後に周辺部品を配置する際に変更が生じる場合が多い。従って、配置できるかどうかの判断をつけられる程度の形状に止めておく。このように3D CADで各機能ブロックのスペースを見えるようにすることで、構想を具体化する手助けとなり、隣接するユニットとのスペース調整なども行いやすい。

そして、構想設計ではさまざまな部品パターンを考慮しながら、最善の選択を行う必要がある。その方法として「頭の中の構想」で生まれた選択肢の中から非現実的なものを排除し、見込みのありそうなものを「ポンチ絵の構想」で絞り込みを行うことが多いのではないだろうか。

しかし「頭の中の構想」で排除されたようなアイデアも、3DCADで検討することにより、実現できる可能性が見えてくることもある。また、3D CADで見えるようにすることで、さらに多くのアイデアが出る場合も多く、ほかの設計者から意見ももらいやすい。基本的な部品構成が決まったとしても、その配置パターンや組立順序、さらに部品の詳細構成までになれば、そのパターンは無限に存在する。3D CADをモデリングするためだけに使用するのではもったいない。構想設計段階から構想の手助けとなるような使用方法を工夫してみよう。

次のアウトプットをイメージして
3D計画を進められていますか?

設計を効率良く進めるためには、適切なタイミングで適切なアウトプットを出す必要がある。例えば、CAE強度解析などもその1つである。大半の部品を作り込んだ詳細設計の後半に強度解析を行って問題が発覚した場合、その解析対象部品の周辺部品にも影響が及ぶ恐れがある。このような場合は、設計の初期段階に部品の概略モデルを用いて強度解析を行うことで、見込みがあるかどうかを判断しながら周辺部品を設計する。同じ部品に対する強度解析の実施回数が増えることにはなるが、ユニット全体の手戻りは防止できる。

また、設計担当者にとって3D計画図と同じくらいの大きなアウトプットの1つが図面である。3D計画図を作成している時に、各部品の寸法基準、寸法公差、幾何公差、表面処理などを考慮しているだろうか。とりあえず3D計画図を作成して図面は後で考えよう、などという詳細設計を行っていないだろうか。構想設計の後半から詳細設計にかけて、部品図の寸法基準や寸法公差などがイメージできていないまま業務を行っていたとしたら、それは設計ができていないということだ。

図面の線1本にも、必ず設計者の意図があるはずであり、意味のない線や寸法は存在しないはずである。それと同じように、3D計画図のソリッドの面1つひとつにも必ず設計者の意図があるはずである。

多数の寸法公差や幾何公差を図面に入れなければ成り立たないような構造であれば、それは製品コストとなってはねかえってくる。また部品の寸法バラツキの影響を大きく受けるような構造であれば、量産品質に対して影響が大きい。特に開発経験の浅い設計者は、部品の品質は図面で保証され、それらの部品構成により製品品質が決まってしまう、ということを認識して3D詳細設計を進めよう。

同じ要求仕様であっても、担当設計者によりアウトプットが異なるのは、要求仕様を満足するための解決方法が設計には何パターンも存在するからである。その選択肢を増やし、その中から最善のものを選択できるように3D CADの活用を考えよう。

(掲載:2011年4月)

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