同じ機械なのに1号機はOK、2号機はNG 設計者を悩ませる“再現しない不具合”：冴えない機械の救いかた（1）（4/4 ページ）

本連載「冴えない機械の救いかた」では、メカ設計の失敗事例を題材に、CAE解析や計測技術を用いて、不具合の発生メカニズムとその対策を解説していく。第1回は、同じ図面で製作した複数台の直動パーツフィーダーにおいて、ボルトが1週間で折れたり折れなかったりするという、再現性のない厄介な事例を紹介する。

[高橋良一／ＲＴデザインラボ 代表，MONOist]

本シリーズの構成

　連載「冴えない機械の救いかた」は、機械の失敗事例や、設計時に注意すべき点をCAE解析と計測技術を用いて、不具合の発生メカニズムとその対策を解説していくシリーズです。最初からメカニズムが分かっていて、失敗せずに設計した例もありますが、失敗事例の方が「ウケがいい」ため、失敗したという設定で書くものも少し混ざっています。本シリーズでは、以下のような内容を取り上げていきたいと思います。

同じ機械が数台ある。ある機械は性能が出ない。
ある機械のボルトは1週間で破断した件：1例目

• 総理大臣が「1日100万人分を供給する」とテレビで言っていた件
• パーツフィーダーとは
• AMラジオは共振回路だ
• AMラジオの選局ダイヤルが回せない。でもオールナイトニッポンが聞きたい
• ボルトが折れる／折れないの理由は糸魚川
• 本件の理由を説明するために、次の「ばね−マス系」（初心者向けにリライト）を読んでほしい
• 「尺を稼いでいる」なんて言わせない

ばね−マス系（初心者向けにリライト）

• オイラが設計したメカには、ばねもダンパーも付いてない。どうして「ばね−マス系」を読まなきゃならないんだ
• 以降の記事では、ばね−マス系が頻出
• ばね−マス系：本論
• 振幅の決まり方
• 剛性向上は振動対策の万能策

均一に加圧できる金型がほしい　平面度を上げても均一加圧は達成しなかった

• 光の波長より短い微細加工できるナノインプリント
• いろいろやったが均一加圧できない
• 感圧紙で測定した加圧力を数値化しよう
• 本命と穴馬の逆転、ANSYS恐るべし
• ミイラ取りがミイラになっていた

ボルト破断事例：9例のうちの最初の5例

• 「あなたが落したボルトは金のボルトですか？　それとも疲労破断するボルトですか？」
• 断面観察は必須、ディンプルとストライエーション
• ボルト1本の許容繰り返し荷重：
  トルク管理しなかった場合とボルトが緩んだ場合
• ボルト1本の許容繰り返し荷重：
  トルク管理した場合や定期的にメンテナンスしている場合
• ねじの文献はボルト1本の話。ボルト2本構成のときは荷重2倍でいいのだろうか？

弱い部分が1箇所でもあると台無しメカになった例

• 液晶レーザーリペア装置
• CP制御（Continuous Path Control）とは
• レーザー光を走査して照射したいのだが、千鳥足で歩いている
• 2D CAD時代、「オマエ、縦線、縦線、横線、横線、トリム、トリム、トリムで構想図を描いただろ」
• レーザーリペア装置を設計し直そう
• シール塗布装置の振動対策例（初心者向けにリライト）

直動ガイドのレイアウト失敗例

• メカトロ機器を素早く動かしたい。生産性向上と品質向上のせめぎ合い
• メカトロ機器の構成パーツは案外軟らかい
• 直動ガイド：1本使いの弱点
• 直動ガイド：2本使いの弱点
• 直動ガイド：4本使いにするのではなく、レイアウトで問題解決
• XYテーブルは一式外注するのではなく自分で設計しよう。5軸構成を3軸にした例

同じ機械が数台ある。ある機械は性能が出ない。
ある機械のボルトは1週間で破断した件：2例目

• 超音波溶接機：超音波が溶接しているわけではない
• 号機ごとで溶接強度がばらついたり、ボルトが折れたり、全然順調だったり
• これも共振回路だ
• 溶接が付いたか、付かないかだけで装置の調整をしていた
• 二正面作戦で対策
• 機器調整の基本は計測、判断材料は計測データ

疲労破断対策の失敗事例：2件

• 疲労破断対策：溶接構造にしたら……
• 溶接したらどれくらい疲労強度が落ちるのだろう
• 形状を変えずに焼き入れ品に変えてもダメなんだよな
• 破断までの荷重数が10⁷回以上だったら、あと少し

ボルト破断事例　9例のうち残り4例

• ボルトの疲労破断の予測法（初心者向けにリライト）
• ボルト2本構成でも形が変われば強度が変わる
  手計算、ボルト規格の限界
• ボルトの回転緩み止めは簡単な話
• 回転止めをしたけど破断した例
• 回転量の有無ではなく軸力を管理すべきなのでは
• メンテナンス時に冷や汗タラリ。打ち抜き金型のボルトは1本ずつ折れていく
• ボルトが10本だからといって許容荷重は10倍にならない

板金曲げ加工品　曲げRを十分とったのに……

• 応力集中係数αと切欠係数βのおさらい（初心者向けにリライト）
• 板金曲げ加工品の疲労き裂
• ステンレス鋼の板金曲げ部品に続く

SUS304物語

• SUS304は錆びるし磁石に引っ付く事例：3件
• 磁性部品は絶対使えないMRI装置
• 「この部品マグネットに引っ張られている感じがしますよ」
• SUS304は磁石に引っ付く。信じられないのならM4座金を磁石に近づけてみよう
• 「高橋さん、事務所にいらっしゃい」　製鉄メーカーに教えてもらったこと
• ステンレス鍋を買うときのポイント
• 詰まるところ、曲げた箇所、溶接箇所は錆びるし磁石に引っ付く
• SUS304物語残り1件、足し算が合わない「計測器メーカーは助けてくれない」に続く

計測器メーカーは助けてくれない（その1）

• 足し算が合わない。渦電流変位計の測定誤差
• 測定器を疑うときは、メーカーに電話する？　それとも自分でやる？
• 渦電流変位計の原理
• 答えの分かっている測定対象を作ろう
  自分で校正するんだ
• ステンレスパイプの過去の履歴

計測器メーカーは助けてくれない（その2）

• メカトロ機器はセンサーが命
• 理想的な面までの距離をレーザー変位計で測ったのだが凸凹している
• ガラス板とレーザー変位計の相性
• 測定原理を知り、対策を立てよう
• やはりガラス板の表面は理想的な平面であった

床からの振動遮断は難しい　低周波振動絶縁の失敗事例

• ばね−マス系を使った振動絶縁（初心者向けにリライト）
• 振動絶縁失敗事例：ググって買った防振ゴムで解決するのだろうか？
• これまた周波数分析が必要だが、周波数分析の話は後で
• 床からの振動遮断の難しさの理由
• 床振動遮断：設計事例
• もっと簡単、低コスト、リードタイムなしの解決法もある

騒音／振動対策に周波数分析（FFTアナライザー）がなぜ必須なのか
（必要ではなく必須です）

• フーリエ変換と周波数分析（初心者向けにリライト）
• ばね―マス系（説明済みなので割愛）
• 調整用位置決め装置：S字カーブ制御
• S字カーブ制御で簡単に解決してしまったので、少し掘り下げてみよう。対策効果の事前予測だ

騒音対策の必須科目

• 騒音対策を説明。周波数分析はなぜ必要か？
• 騒音計の使い方
• 騒音のいろいろな量
• 振動のいろいろな量
• 振幅と周波数を読み取ろう
• 音圧波形からデシベル値を計算
• 練習問題：振動変位、速度、加速度の計算
• 音圧の和、騒音レベルのデシベル値を足し算してはいけない
• 実効値とオーバーオール値
• デシベル値の足し算
• 音源探し、振動源と音源は違うことがある

騒音対策：遮音材の選び方と失敗例

• 周波数分析（説明済みなので割愛）
• 音源探し、振動源と音源は違うことがある
• 遮音の質量側（再掲なので結果のみ）
• 遮音材の選定法
• 遮音対策効果の予測
  騒音予測計算Excelシートを作ろう

騒音対策：吸音材の選び方と失敗例

• 吸音材とは（初心者向けにリライト）
• 吸音材の選定失敗例
• 吸音材の効果の予測
  騒音予測計算Excelシートを作ろう

MRI装置の騒音対策

• 強烈なローレンツ力
• 電流の周波数成分
• 行き詰まった末の騒音対策
• ここに銅箔を貼ったらダメじゃん

インバーター駆動装置は音がうるさい

• インバーターエアコンが世に出る前のエアコンもうるさかった
• 昔の洗濯機の静音化
• インバーター制御、PWM駆動、デジタルアンプ
• インバーター時代の洗濯機の騒音対策

騒音対策のためにやった振動測定の失敗事例

• 粒子速度の概念
• 波動方程式（シュレディンガーではない方）
• 音源の振動と音圧
• 加速度ピックアップ測定データを加工しよう（再掲）

モーダル解析は2つある

• CAE解析のモーダル解析と実験モーダル解析
• CAE解析のモーダル解析は得るものが少ない。ハンマリングでの実験モーダル解析も得るものが少ない
• 通電時の実験モーダル解析がいいかも、スローモーション表示もいい
• 実験モーダル解析とスローモーション表示を自分でやってみよう

冷却系の失敗事例

• 水漏れ発生
  隣の課長さんの声「オマエら、夏休みなしだ」
• やっぱりシミュレーションが必要だった
• 「夏休みなし」は2回経験しております
• 「タンジェント・デルタ」が大きくなっているんだよ

シミュレーションと実験値とを一致させよう

• 騒音／振動対策は伝達関数で考える
• シミュレーション条件を精緻にしても一致しない例
• やっぱり、設計者と解析専任者と実験担当者は同一人物であるべきだ

---

　以上となります（スゲーいっぱいあるけど、最後まで書けるのかな……）。

「尺を稼いでいる」なんて言わせない

　最後にもう一度だけ言わせてください。「尺を稼いでいる」とは、楽をして字数を増やすことだと思っています。では、バリコンを説明するために、わざわざ3D CADでバリコンをモデリングしたり、マウスをポチポチしながらWordでアナログ回路図を描いたりすることが、「尺を稼いでいる」といえるでしょうか。その判断は、読者の方々にお任せしたいと思います。

　それでは、次回、ばね−マス系に続きます！　（次回へ続く）

⇒「連載バックナンバー」はこちら

Profile

高橋 良一（たかはし りょういち）
ＲＴデザインラボ 代表

1961年生まれ。技術士（機械部門）、計算力学技術者 上級アナリスト、米MIT Francis Bitter Magnet Laboratory 元研究員。

構造・熱流体系のCAE専門家と機械設計者の両面を持つエンジニア。約40年間、大手電機メーカーにて医用画像診断装置（MRI装置）の電磁振動・騒音の解析、測定、低減設計、二次電池製造ラインの静音化、液晶パネル製造装置の設計、CTスキャナー用X線発生管の設計、超音波溶接機の振動解析と疲労寿命予測、超電導磁石の電磁振動に対する疲労強度評価、メカトロニクス機器の数値シミュレーションの実用化などに従事。現在ＲＴデザインラボにて、受託CAE解析、設計者解析の導入コンサルティングを手掛けている。⇒ ＲＴデザインラボ