設計・制御・生産

図面は、設計した人の考えを、作る人に正確に伝える言葉です。日本の機械製図の規格(JIS B 0001)では、品物を正面・上・横から見た図を決まった位置に並べる「第三角法」で描きます。国によっては「第一角法」を使い、図の並べ方が逆になるため、海外の図面を読むときは注意が要ります。

かつては製図板に向かい、手で線を引いていました。1953 年に日本で生まれた製図機械「ドラフター MH-I」は、ベルトとプーリーで定規の平行を正確に保ちます。製図を速く、正確にした機械で、これも機械遺産(第 21 号)です。

いまは 3D CAD で、画面の中に立体の部品を組み立てます。部品どうしがぶつからないか、動かしたときに当たらないかを確かめ、そのデータを強さの計算や加工にも使います。多くの大学では、1 年生で図学や製図の基本を学び、上の学年で CAD を使った設計の演習に進みます。

エアコンは、部屋の温度を測り、設定温度と比べ、差が大きければ強く、小さければ弱く運転します。結果を測り、目標との差をなくすように動かし方を直し続けるしくみをフィードバック制御と呼びます。

その原点の一つが、18 世紀の終わりにジェームズ・ワットが蒸気機関に取り付けた遠心調速機です。回転が速くなると、回る 2 つの球が遠心力で外へ開き、蒸気の弁を絞って回転を落とします。1868 年には物理学者マクスウェルがこの調速機の動きを数式で分析し、制御理論の出発点となる論文を書きました。

いまの制御は、目標との差、差がたまった量、差が変わる速さの 3 つを組み合わせる PID 制御が基本です。ドローンが風の中で同じ場所に浮いていられるのも、傾きを細かく測って、プロペラの回転を直し続けているからです。大学では、微分方程式を使って、揺れずに速く目標に近づける調整のしかたを学びます。

図面の形を実際の部品にするのが加工です。材料を削る切削、型で押して形を作るプレス、溶かした金属を型に流し込む鋳造、金属どうしをつなぐ溶接など、方法はさまざまです。どの方法で作るかによって、設計できる形も変わります。

金属を回しながら刃物を当てて削る旋盤は、機械を作るための機械(マザーマシン)の代表です。1889 年に池貝庄太郎と弟の喜四郎が、自分の工場のために作った旋盤があります。動力で動く国産の旋盤として現存最古のもので、機械遺産(第 53 号)に認定されています。

材料を少しずつ積み重ねて形を作る 3D プリンタの考え方は、日本で生まれました。1980 年、名古屋市工業研究所の小玉秀男さんは、展示会で新聞の版下作りの装置を見ました。紫外線で固まる液体を使う装置で、層を重ねれば立体ができると思いついたのです。最初の実験では、厚さ 2 mm の層を 27 層重ね、高さ 54 mm の家の模型を作っています。

小玉さんは特許の手続きがうまくいかず、権利を得られませんでした。後の講演では、自分の失敗を「反面教師にしていただければ嬉しい」と語っています。3D プリンタはいま、試作品づくりから医療、航空機の部品まで広がっています。