３次元ＣＡＤを用いた機械設計教育

国士舘大学　大高敏男
１．まえがき
　モノづくりにおける機械設計には多くの知識と経験を必要とします．一般に，実務ではQCD（Quality, Cost, Delivery）をバランスよく考慮しながら設計を行う必要があり，場合によっては製品の廃却時における材料リサイクルにも配慮します．設計者は，製作工程を考慮し，加工機や材料調達を念頭に製作図面を出図する必要があります．このような実務としての機械設計に関する教育は，多くの場合これまで企業内におけるOJTや企業内研修により行われていました．しかし，最近では製品のリードタイムの短縮やコスト削減の必要性から企業内での十分な教育が困難な状況にあり，いかにして，短期間に有用かつ実践的な機械設計教育を行うかが重要な課題となっています．
　一方，大学などの高等専門教育機関では，少子化社会における入試倍率の維持の方策のひとつに実践的教育カリキュラムを学部あるいは学科の特色として取り込む風潮が多くなってきているようです．しかし，大学の教育スタッフは実務経験が乏しいことが多く，また科目間や教員間の連携が取りにくいといった組織上の弊害もあるため，実践的技術者教育を実際に実施するには課題が多いようです．
　
　ところで，３次元CADはただ単に設計データの電子データ化，あるいは製図作業の省力化が図られるだけではなく，加工や工作機械，工業材料，工程管理，プロジェクト管理，デジタルモックアップなど多岐にわたる作業や業務部門を有機的に結びつけるコア技術として位置づけられるようになってきました．したがって，３次元CADを用いた設計製図教育は，機械設計教育を進める上で総合的かつ効率的な教育手法と言えるでしょう．

　ここでは，３次元CAD/CAEを用いた機械設計教育の事例の一部を紹介します．これは，３次元CADを用いた機械設計教育をモデルデータを用いた加工(CAM)，解析(CAE)へと繋がる重要な技術教育と位置付け，教育機関における低学年の設計製図の授業から３次元CADに触れる機会を設け，フィーチャーベースによるモデリング手法に慣れるとともに，立体図形認識力の育成にも役立てているものです．単に３次元CADのオペレーション習得に教育の重点を置くのではなく，機械設計のツールとして受講者個々のアイデアを活かしながらモデリングやアセンブリを行えるよう，教育内容を工夫しながら設計製図教育を行うものです．さらに，設計製図の教授内容と工学の講義科目の教授内容や実験科目の課題を統一し，同時期に並列して進める教育手法（以下，コンカレント教育という）の実施により，工学的理解度向上を図ることができます．これらの教育手法の成果は，2005年度日本機械学会教育賞受賞により高い評価を得ています．
　そして，教育成果の一例としてスターリングサイクル機器への３次元CAD/CAEの適用事例も紹介します．
　
２．コンカレント教育
　図１に機械設計分野におけるコンカレント教育の模式図を示します．機械設計分野におけるコンカレント教育は，工業デザイン分野のコンカレント教育と生産分野のコンカレント教育と関連しています．このようにコンカレント教育はその教授分野ごとに体系立てることができます．機械設計分野のコンカレント教育の中には，機械工学の基礎科目，CAE実習，CAM実習，工学実験実習，工業材料，設計製図といった科目があり，これらで取り扱う課題は互いに関連した共通課題を取り上げるようにします．例えば，基礎科目の中の振動工学で固有値の講義を進める場合，同じ時期の工学実験実習では固有周波数求める実験を行い，CAE実習では構造解析の固有値に関する課題を取り上げるようにします．これにより，学生は繰り返し同一課題に触れる機会を得るため理解度が向上します．そして，機械設計教育における中核に３次元CADを用いた機械設計教育を位置づけています．
図1　コンカレント教育
３．３次元CADを用いた設計教育事例
（１）機械設計入門者向け課題
　低学年，例えば工学の世界へ初めて足を踏み入れるような段階の受講生は，機械要素に関する基礎知識が全く無いので，課題の内容には十分な配慮が必要です．３次元CADを利用した設計教育を行う場合には，形状が単純な例えばＶブロックやスパナなど鋳造で製作されることが多い課題のモデリングであっても金型，砂型，抜き勾配など鋳造全般に渡って知識を持っていないため，織り込むべき自らの設計の意図も理解し得ないからです．結局，受講生は教科書に描かれている形状を模倣するのみとなり，また教育スタッフも３次元CADのオペレーション教育のみになってしまいがちです．この時期に最初に取り組むべき課題は，設計意図を意識できる課題でありさらにオペレーションを同時に学べる課題でなくてはならないでしょう．例えば，図２に示すようなスペースシャトルをイメージした飛行機の外観のモデリングを題材として取り上げてみます．このモデルは，基本となるデータム平面３枚に２次元断面をスケッチして断面形状を押し出すのみで作成可能です．飛行機であるので，左右を鏡写しの全く同一形状とする必要があり，片翼，片側エンジンのみをモデリングしたのちに対称の反対側にフィーチャーのミラーコピーを行い，もう片翼とエンジンを同じ形状で作成するという設計意図が働くようになります．さらに直感的に空気抵抗を低減するために角部を丸めて流線型とする設計意図を喚起し，全体として空気抵抗が少なくなるような形状として仕上げられます．このような題材は，機械部品や金型モデルとかけ離れており，機械設計と関係ないように思われがちですが，実際には受講生が最終形態を想像しやすい題材であり，モデリングに自らの設計意図を織り込む良好な練習課題といえます．３次元CAD入門期の受講生にはその特長や機能，モデル作成の概念を理解する上で適しており，オペレーティング技術習得の促進にも大きな効果を上げます．また，胴体部のモデリングではカットフィーチャーを用いますが，他の科目である工学実験実習の加工実習に関連づけしながら進めれば理解度が増します．機械要素の基礎知識の習得や機械加工実習の履修が進む２年次には，図３に示すようにＶブロックやスパナ，軸や軸受けなどの機械部品のモデリングをスムーズに実習できるようになるでしょう．この時期は，機械設計に関する設計意図をある程度モデルに織り込めるようになっているのです．

（２）高学年向け課題
　高学年においては，部品単位の基本的なモデリング以外に，図４に示すピストンクランク機構のような３次元CADのアセンブリ機能を利用して，部品ごとに拘束条件をどのように付加してアセンブリすればよいかを理解させる課題を実習します．この課題は，学生各々違った仕様の課題を与えてピストン，ピストンピン，コンロッド，軸，バランサを設計したのちに，モデリングを行います．また，設計工学の講義科目と関連づけながら機械設計課題を与えて，機械設計技術者として３次元CADを活用できる能力の育成にも努めていきます．図の例は，機械力学や材料力学といった講義科目と同時期に関連づけながら進めていた受講生の作品で，機構設計法としては理解度が高いものでした．組立順序等も考慮されたモデリングとなっています．しかし，バランサやクランク軸の形状，設置方法に関しては，製造方法に関連する知識が乏しいために無理のある構造となってしまっています．

（３）創造設計課題
　創造力豊かな技術者の育成を目指して，３次元CADをバーチャルなモックアップ作成ツールとして利用することができます．ここでは，仮想ロボットのモデル作成課題（創造設計課題）を与えた事例を紹介します．この課題において，受講生に自由な視点と発想によりロボットをモデリングさせ，その機能や特長について発表会でプレゼンテーションを行うことで，アイデアを分かりやすく説明できる能力を育成することもできます．
　図５は，高層ビル窓ふきロボットであり，また図６は自動お料理ロボットです．
図２　飛行機のモデル

図３　簡単な機械部品のモデル

図４　ピストンクランク機構のモデル

図５　高層ビル窓ふきロボット

図６　自動お料理ロボット

図７　ペットえさやりロボット
４．CAEを用いた工学教育事例
　３次元CADの習得が進むにつれて，３次元形状モデルデータの活用方法について学びます．ここでは，一通りの構造解析や機構解析を行うための基礎知識の習得のための事例を紹介します．専門科目と関連づけをしながらCAEの実習を行うことは有効で，設計製図の実習の中で，構造解析や機構解析の実習を実施することは効果的です．基本的な有限要素法の解説は実習の中で行いますが，詳細に関しては必要に応じて学習ができるようにしています．ここでも３次元CAD入門時と同じように，プリ／ポストプロセッサのオペレーション習得に時間がかかるといった問題があるため，最初の課題では図８に示すように，先に作成した飛行機モデルを用いて，翼にかかる応力に関する課題を課して効率的に学習を進めるようにしています．
図８　飛行機モデルの構造解析課題

　
５．スターリングサイクル機器への活用例
　スターリング冷凍機の設計際して性能向上，各部品の最適化を図るためにいくつかの解析を実習として行いました．
　また，部品のデータベースを構築しました．

　ここでは，その活用例の一部を紹介します．

図９　スターリング冷凍機原型機
（１）スターリング冷凍機の死容積の見積もり
　スターリング冷凍機は，ガスサイクルなので作動空間内部の死容積を極力小さくして，圧力比の低下による性能低下を抑える必要があります．
　しかし，内部構造が複雑であると，詳細な死容積の見積もりは難しいです．３次元CADによる形状モデルがあれば，それも簡単に見積もることができます．
　具体的には，３次元CADの体積演算（ブーリアン演算）機能を用いて，死容積を見積もるのです．
　この機能は，CADの種類（製品）により多少の誤差があります．しかし，１／１０００ミリ台の寸法精度を持つ部品で構成される外寸400ミリ程度の機械に対しては，体積の概算見積もりを得るのに十分な精度といえるでしょう．

　☆3次元CADを利用した死容積の求め方を以下に示します．

図１０　死容積の求め方（その１）

　図１１　死容積の求め方（その２）
　こうして得られたスターリング冷凍機内部の死容積モデルは，図１２に示すようになります．この死容積のモデルを，３次元CADの解析機能を用いて体積を求めればよいのです．
図１２　死容積モデル
（２）機構部各部の干渉チェック
　３次元CADによる形状モデルがあれば，組立時もしくは運転時の部品の干渉や速度や加速度といった運動解析を行うことができます．ここでは，機構部の干渉の確認と運動解析を行いました．

図１３　機構部の干渉チェック
（３）円筒カム構造解析
　円筒カムの構造解析を行い，カム翼にかかる負荷荷重から，カム翼の厚さを角部のRの最適化を行いました．

図１４　円筒カムの構造解析
（４）部品のデータベース構築
　３次元CADデータと２次元図面，それらのインデックスを作成し，電子データベースを構築しました．これにより，デザインレビューがスムーズに行えるようになりました．
　
図１５　機械部品のデータベース構築
　
６．あとがき
　３次元CAD/CAEを用いた機械設計教育は，機械設計に対する学生の興味を引き出し，多くの工学基礎知識を復習しながら実習を進めることが可能であるので，その教育効果は十分に高いです．また，教育効果の向上のために導入したコンカレント教育手法は機械設計教育に有効な手法です．これらの教育手法を実際に実施するには多くの障害があると思います．しかし，スターリングサイクル機器といった工学教育に良好な題材を用いて，成功体験と達成感を十分に得られるようにすれば，大きな成果が得られることと思います．
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