設計意図を3Dモデルに組み込むとは？ 寸法と形状に理由を持たせる設計：若手エンジニアのための機械設計入門（22）（2/3 ページ）

[土橋美博／DOBASHI DESIGN LAB，MONOist]

3Dモデルに設計意図を組み込む

　ここで、3D CADの「パラメトリックモデリング」について考えてみましょう。パラメトリックモデリングとは、寸法や幾何学的な関係などを利用して形状を定義する方法です。

　例えば、長方形のスケッチでは、水平や垂直といった幾何拘束を与えたり、辺の長さを寸法で指定したりします。また、2つの円に対して、直径が同じになるような関係を設定することもできます。このような寸法や拘束条件を使って、形状や位置関係を定義していくのです。

　先ほどのプレートであれば、2つの穴をプレートの中心に対して対称に配置するという関係を設定できます。こうしておけば、プレートの長さを変更した場合でも、意図した穴の配置を維持しやすくなります。

図7　モデル作成の際に設定した拘束条件の表示［クリックで拡大］

　ただし、ここで注意してほしいことがあります。拘束条件を多く設定すれば、それだけ設計意図を表現できるというわけではありません。例えば、穴の位置を単に固定すれば、スケッチの形状は動かなくなります。しかし、それだけでは、なぜその位置でなければならないのかという理由までは分かりません。

　設計意図を組み込むためには、どの寸法を基準とし、どの寸法を変更可能とするのか、さらに、どの関係を維持する必要があるのかを考えることが大切です。筆者は、3D CADでモデルを作る際に、こうした点を少し意識するだけでも、モデリングに対する考え方が変わってくると思っています。

フィーチャーの作成順序にも意味がある

　3D CADでは、押し出し、カット、面取り、フィレットなどの操作によって形状を作成します。こうした形状を構成する要素を「フィーチャー」と呼び、多くのパラメトリック3D CADでは、作成順序や参照関係を持った状態で管理されています。

　例えば、プレートを作成する場合、基本形状を押し出した後に取り付け穴を作成し、最後に角部へ面取りを追加するという方法があります。一方、最初のスケッチに穴形状まで含め、一度の押し出しで形状を作ることも可能です。どちらの方法でも、同じ形状を作れる場合があります。

図8　スケッチに穴形状と面取りまで含めて、一度の押し出しで形状を作成［クリックで拡大］

図9　基本形状を押し出した後に取り付け穴を作成し、最後に角部へ面取りを追加［クリックで拡大］

　では、どちらがよいのでしょうか。ここでも、設計意図が関係してきます。例えば、取り付け穴の径や位置を頻繁に変更することが想定されるのであれば、穴を独立したフィーチャーとして管理した方が変更しやすい場合があります。

　また、加工上の理由などから設けるフィレットであれば、基本形状とは分けて管理することで、その役割を理解しやすくなるでしょう。もちろん、全てのフィーチャーを細かく分ければよいということではありません。モデルが複雑になりすぎれば、かえって管理しにくくなることもあります。

　大切なのは、形状を作る手順そのものではなく、後から見たときに、そのモデルがどのような考え方で作られているのかを理解できることです。なお筆者は、モデル形状の変更を考慮し、面取りやフィレットは基本形状のスケッチに含めず、独立したフィーチャーとして管理することを推奨しています。その方が、後から形状を変更する際の編集もしやすいためです。

設計変更に強い3Dモデルとは？

　ここまで、部品単体の設計意図について考えてきました。しかし、実際の機械設計では、部品単体だけでなく、部品同士の関係も重要です。前回取り上げた直動機構を思い出してください。モーター、カップリング、ボールねじ、ガイド、プレートなどが組み合わされ、1つの機構を構成しています。

　例えば、上部プレートの移動距離を50mmから70mmに変更する必要が生じたとします。

図10　上部プレートの移動距離を50mm（上）から70mm（下）に変更する場合の概念モデル［クリックで拡大］

　ここで重要なのは、ストロークが変更されるたびに、それぞれの部品の寸法を個別に変更するのではなく、ストロークを設計上の基準となる寸法（パラメーター）として設定し、関連する部品の寸法や位置関係を連動させるという考え方です。

　例えば、ストロークを50mmから70mmに変更した際に、必要な余裕寸法を維持しながら、ガイドレールやボールねじの長さ、支持部品の位置などが連動するようにモデルを構築しておきます。このように、将来の設計変更を想定し、変更すべき寸法と維持すべき寸法や位置関係をあらかじめ整理しておくことが、パラメトリックモデリングにおける設計意図の組み込み方の一つです。

　ただし、全ての寸法を連動させればよいというわけではありません。例えば、ストロークが長くなることで、ボールねじの座屈や危険速度、ガイドの剛性、モーターの負荷など、あらためて確認すべき事項も生じます。

　つまり、3D CADによって形状を変更できることと、その設計が成立することは別の問題なのです。設計変更に対応できる3Dモデルを作ることはもちろん重要ですが、その変更によって生じる影響を設計者自身が理解し、確認することも忘れてはいけません。