機械設計演習に利用可能な機構モデルの製作旭川工業高等専門学校１.諸言機械系学科においては，もの作りの知識および技術の基礎から応用までを修得するため，実習，製図および設計の科目が本科１年次から５年次まで継続的に展開されており，旭川高専もその例外ではない．製図および設計の対象となる製品は様々あるが，旭川高専機械システム工学科（以下，本学科）の４年次前期開講の機械設計演習Ⅰでは「手巻ウインチの設計」に取り組んでいる 1)．授業で配布する資料にカラー写真などを入れているものの，注意深く見ることをしない学生がいること，また，平面的な写真ではイメージが苦手な学生もいるようになってきたことから，何らかの対策の必要性を感じていた．そこで本報告では，設計すべき装置の動作や構造のイメージを補うことを目的として，学生机上に置けるサイズの機構モデルを製作したこと，およびこれを利用しながら機械設計演習の授業に取り組んだことについて述べる． ○後藤孝行手書きおよびトレースによる製図，無償版 2D-CAD （JW-CAD，鍋 CAD）による設計で授業が進められていた．その後，3D-CAD（SolidWorks）が学内に導入されたことから，これを機に利用するようになった．3D-CAD の利用方法については，平成 23 年度以降入学生は，２年次後期開講の CAD/CAMⅠ，３年次後期開講の CAD/CAMⅡ，および３年次通年開講の機械総合実習において学習済みである．図 1 は，初回授業のガイダンスで配布する授業の予定表や留意事項をまとめた書類（左）および設計資料（右）（ともに A4 版）である．書類の中には，部品名や動作についてコメントを記載した手巻ウインチのカラー写真および設計資料内の設計計算例に取り上げられている部品図や組立図等も綴じてある．３.機構モデルの製作図２は，旭川高専実習工場に展示してある手巻ウインチの実機モデルである．モデルサイズは，全幅 600 mm×全高 600mm×奥行 450mm，総重量約 100kgf であることから，毎授業時に教室等に移動させるこ２.機械設計演習 I「手巻ウインチの設計」についてとは容易ではない．本学科４年次では，前期開講科目の機械設計演習そのため，各学生において設計する装置が少しで I において「手巻ウインチの設計」，後期開講科目のもイメージしやすいように，また，3D-CAD による機械設計演習 II において「歯車ポンプの設計」に取モデリングにおいて参考にできる機構モデルとなるり組んでいる．両科目において，各学生に異なる設ように製作することが望まれる．計条件を与え，教員が準備した設計資料等を参考に製作する機構モデルは，毎授業時に持ち運べる重設計計算を行う．その後，3D-CAD（SolidWorks）を量および学生机上に置けるサイズとする．また，各使用して 3D-CAD モデルを各自作成し，設計書およ種部品がそれぞれの機能を果たせる動作が可能なもび指定された図面と電子ファイルを提出させている．のとする．その結果，実機モデルとほぼ同仕様であ本学科において，「手巻ウインチの設計」は，筆者る，巻上げ荷重 P=29kN，揚程 H=35m の 1/4 スケーが担当する以前から取り組まれていたが，その頃は，ルモデルとした．図１留意事項書類（左）と設計資料（右）図２手巻ウインチの実機モデル【連絡先】〒071-8142 北海道旭川市春光台２条２丁目 1-61 旭川工業高等専門学校機械システム工学科後藤孝行 TEL:0166-55-8006 FAX:0166-55-8006 e-mail：[email protected] 【キーワード】機械設計演習，機構モデル，手巻ウインチ，3D プリンタ，卓上切削加工機（5 つ以内）図３は，製作した 1/4 スケールの機構モデルである．モデルサイズは，全幅 265mm×全高 340mm×奥行 270mm，総重量約 2.2kgf である．組み立て用ねじは，最低でも M4 となるように一部修正した．設計計算の対象となっている主要部品である歯車装置，つめ・つめ車，差動ブレーキ等は，3D プリンタ(Dimension SST768，ABS 樹脂)2）で製作した．巻胴用の伝達歯車直径の設計値が 1000mm であることから，4 分割して製作した後，接着剤により貼り合せた．これ以外の 3 種類の伝達歯車，つめ車，ブレーキドラムおよびすべり軸受等は一体で製作した．クランクハンドル軸，中間軸および巻胴軸は，強度と軽量化を図るためアルミ丸パイプを使用した．軸の回転を歯車に十分に伝達できるよう，3D プリンタで製作したキーで軸と歯車を固定した．巻胴本体は，薄肉かつ長さが比較的大きくなることから，塩ビ管を利用した．フレームは，手巻ウインチの内部部品構造が容易に観察できるよう，透明の塩ビ板を利用した．塩ビ板の加工には，ATC 搭載の卓上切削加工機(MDX540)3）を利用した．差動ブレーキのオモリ（円形状）は，ケミカルウッドを卓上切削加工機で加工した．組み立てた機構モデルにおいて，クランクハンドルを回転させると歯車装置により減速した回転数で巻胴が回転すること，つめとつめ車により巻胴の逆回転が防止できること，および差動ブレーキハンドルを下げるとブレーキが効くことが確認できた．４.自己評価・授業評価アンケートの結果図４は，自己評価・授業評価アンケート（平成25 年度本学科４年生，37名）の結果である．評価５（大変よくできた）と評価４（よくできた）の合計値は，「設計計算の取り組み」では80%超，「 3D-CADへの取り組み」では75%超となり，授業中の様子とほぼ同じように概ねの学生が積極的に取り組んでいることが分かった．その一方で，「設計演習での自己取り組み」では，若干厳しく自己評価した傾向にあると考えられる．「実機モデルの観察」では，評価３（ふつう）が最も高いが，評価２（あまりできなかった）と評価１（できなかった）の合計値が約46%であり，他の設問項目よりとても高い値となった．「機構モデルの観察」では，実機モデルよりも観察してくれた割合が高くなったが，評価５と評価４の合計値は51%程度に留まっていた．また，「各モデルの観察で動作や構造が理解できた」では，評価５が高くなったが，評価５と評価４の合計値は54%であったため，今後はさらに高めたいと考えている．意見・感想では，次のような記述があった．＜実機モデルについて＞設計する製品について理解できたとの記述があったが，展示の関係上透明ケースで覆われていたため，細部まで見えない，動かせないため少し見づらい，さらには，見に行くのが手間との記述があった．＜機構モデルについて＞設計する装置の動きや機構がわかりやすかった，参考になったとの記述が多かったが，色付けしたらさらに良いという改善点についての記述もあった．５.結言本報告では，機械設計演習で利用可能な機構モデルを製作したことについて示し，自己評価・授業評価アンケートの結果から，比較的良好な評価を得たことおよび今後の改善点について確認できた．なお，機構モデルは，平成 24 年度機械システム工学科５年生の村椿信君および木島拓也君の協力によって製作されたので，ここに感謝の意を表する．参考文献 1）旭川工業高等専門学校シラバス 2014【機械システム工学科】，(2014)． 2） Dimension ユーザーズマニュアル，Stratasys 社， (2008)． 3） MODELA PROII MDX-540 ユーザーズマニュアル，Roland DG 社，(2006)． 100% 90% 0.0 0.0 2.7 2.7 2.7 18.9 18.9 21.6 0.0 0.0 18.9 16.2 18.9 80% 29.7 70% 60% 0.0 8.1 27.0 43.2 27.0 29.7 29.7 27.0 18.9 50% 24.3 40% 35.1 40.5 30% 48.6 20% 48.6 43.2 37.8 29.7 10% 16.2 0% 2.7 図３手巻ウインチの機構モデル(1/4 スケール) 図４設計演習での自己取り組み実機や機構モデルの観察で動作や構造が理解できた評価５機構モデル(授業時展示)を観察した評価４実機モデル(実習工場展示)を観察した評価３課題の3Dアセンブリに取り組んだ評価２課題の3Dモデリングに取り組んだ評価１課題の設計計算に取り組んだ 10.8 自己評価・授業評価アンケートの結果