★機械システム設計
★機械設計では,常に「兼ね合い」が重要!
★機械を「システム」として組み立てる重要性
★機械を作り上げるための作図の技術
●機械システム設計とは
★システム設計はとても広範囲!
★機械全体を適切なバランス(兼ね合い)に保つことが重要!
●システム設計に必要な知識
★材料力学
★熱力学
★流体力学
★機械力学(振
動)
★機構学
★計測・制御工学
★機械材料学
★機械加工学
・・・
【例1】人力水中翼船の設計
人力水中翼船
★船体と水との間の摩擦抵抗が大幅に低減できる!
(1) 人力水中翼船の構造
翼
翼
人力水中翼船の構造
★翼について
★揚力を利用する!
(2) 人力水中翼船の設計と性能
MOVIE
課題①
水中翼船が高性能となる理由を考えなさい。
船体が浮いている状態?
★水中翼の効果?
200 mの直線距離を
水中翼なし
55秒
水中翼あり
1分14秒
水中翼なし
水中翼あり
(3) まとめ
失敗の原因
★船体が重く,大きい翼を必要としたこと
★翼の抗力が人間の脚力と比べて大きかったこと
★適切な加速ができるプロペラが開発できなかったこと
★各要素の個別の設計だけでは総合的な性
能向上は難しい!
【例2】旋回性能実験用魚ロボットの設計
高速遊泳
優れた旋回性能
優れた加速性能
機敏な動き
力強さ
器用さ
★魚ロボットの旋回性能を調べる!
(1) 魚ロボットの旋回方法
★実際の魚は様々なひれを利用して,推進・旋回をしている。
実際の魚のひれ
課題②
魚ロボットの旋回方法を考えなさい。その際,できる
だけシンプルな方法を考えること。
★尾ひれを利用した旋回方法の例
(2) 実験用魚ロボットの設計例
(a) 設計コンセプト
★体高が高い体形(側扁形)→タイをモデルとする。
★魚ロボットの小型化を目指す。
(b) 基本構造
★2つの関節
★サーボモータによる駆動
★簡単な設計計算
トルクの計算結果
★どの程度の周波数で運転できるのか?
(c) 形式の検討
★適切な形式
はどれか?
サーボモータとバッテリの配置
(d) 詳細構造
実験用魚ロボットの構造
★魚ロボットの外観
MOVIE
(3) 実験用魚ロボットの旋回性能
(a) 旋回モードA
旋回モードAの実験結果
MOVIE
★振幅の影響
実験結果
(b) 旋回モードB
旋回モードBの実験結果
MOVIE
(c) 旋回モードC
旋回モードCの実験結果
MOVIE
(4) まとめ
★機械システム設計では,問題に対する解決手段を考えるこ
とが重要である。
本魚ロボットの設計例で言えば,
★魚ロボットの旋回方法を考えたこと
★サーボモータやバッテリの配置を考えたこと
★基本構造を決定する際にも,工学的に説明できるような考
えを持つことが重要である。
【例3】高速化を目指した魚ロボットの設計
高速遊泳
優れた旋回性能
優れた加速性能
機敏な動き
力強さ
器用さ
魚ロボットを高速化するには?
課題③
魚ロボットを高速化する方法を考えなさい。
高速遊泳
優れた旋回性能
優れた加速性能
機敏な動き
力強さ
器用さ
(1) 魚ロボットを高速化する方法の例
周波数up
今までに開発した魚ロボット
★手持ちのデータを有効に利用する!
高速化
★魚ロボットの基本構造
•直流モータによる高周波数運転
•旋回用と推進用の2つの関節
•細長い形状
細長い形状
高速化
(2) 実験用魚ロボットの設計
尾部の最高速度
尾部の最大荷重
関節の最大トルク
モータの最大出力
簡易設計計算モデル
魚ロボットの寸法
関節位置
減速比
★計算結果の一例
(3) 実験用魚ロボットの構造
実験用ロボットの構造
★実験用魚ロボットの外観
MOVIE
★胴体内部の部品
★尾ひれの駆動機構
(4) 実験用魚ロボットの性能
(a) 遊泳速度
周波数と速度の関係
(b) 消費電力
周波数と消費電力,平均出力の関係
(5) まとめ
★機械システム設計では,問題に対する解決手段を考えるこ
とが重要である。
本魚ロボットの設計例で言えば,
★魚ロボットを高速化する方法について検討している。
★簡易的な計算であっても機械設計に役立つ。
★システム設計においては,必要に応じた計算を行いたい。
★ただし,実機における魚ロボット周りの水の流れと計算にお
ける仮定とは大きく異なっているのは明らか!
★魚ロボットの詳細な特性を見積もるためには,水の流れを
考慮した解析が必要!
【例4】風力エネルギー利用船の概念設計
エネルギー問題や環境問題を考える!
(1) 風力エネルギーの利用方法
①船上に風車を利用した発電システムを搭載する。
★風力とエンジンを利用した帆船
②風力エネルギーを直接推進力として利用する。
課題④
風車(発電機)を利用した船と帆を利用した船の利
点・問題点を考えなさい。
(2) 風力エネルギー利用船の性能試算
北太平洋の風向・風速
★北大西洋を航行する!
★想定する帆船
★計算結果
★速度が高いほど「得」をする?
(3) まとめ
★このような大規模な機械を作り上げるためには・・・
より詳細な性能試算
多くの実験的検討
装置のメンテナンス
装置を動かすためのエネルギー試算
船の操作性や安全性など
・・・多くの総合的な設計を進める必要がある。
★自然エネルギーを有効に利用したい!
課題⑤
これからの時代は,地球環境保全とエネルギーの有
効利用が重要となる。そのような観点から,新しい機
械システムを考え,その具体的な構造を図面に表しな
さい。また,使用方法並びに効果について,文章で説
明しなさい。
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設計工学