平成１２年度０５月２９日

通商産業省　工業技術院
機械技術研究所
統括研究調査官室

進化型設計技術
−製品の再生を目指して−

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進化型設計技術
−製品の再生を目指して−

物理情報部　数理工学研究室　　今村 　聡

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機械研NEWS,2000,No.5より

１ ．はじめに

　製品や設備の故障，劣化に対しては修理，メンテナンスによる対応で製品寿命を伸ばすことが可能であるが，製品，設備に対する要求の変化や社会環境の変化による不適応に対しては体系的な対策が存在せず，多くの製品が本来の物理的寿命を迎える前に廃棄されているのが現状である．

　物理情報部数理工学研究室では，既存の大型機械，生産設備などを主な対象に，既存製品の部品・機能をできる限り再利用しつつ，環境の変化に応じて製品が進化（機能の追加／削除，性能の変化）させる技術を調査研究している．これは，要求の変化に対して機械構成を柔軟に変更させ，製品の寿命を延ばし，再生させることを目的とした技術である．

　多数の事例調査を行った結果，進化型設計では，コンフィギュレーション設計（モジュール・部品・パラメータを適切に選択することによる設計）が有力なアプローチと判明した．本稿では，進化型設計技術として構造固定型と構造可変型のコンフィギュレーション設計を提案し，エレベータの性能向上，汎用工作機械の専用機化の事例を紹介する．

２ ．進化型設計技術

　（ａ ）構造固定型コンフィギュレーション
　製品の基本構成は変えずに，部品やモジュールを交換することにより性能の向上を実現する．要求を満たす部品交換の方法が多数存在する場合は，図１ に示すようにコストミニマム，環境負荷ミニマムの観点から最適なものを探索することになる．また，将来アップグレードが想定される場合，アップグレードの容易な設計解を求める．このクラスの設計は，コンフィギュレーション設計システムによる設計解探索が可能である．事例としてFDL-�U設計言語^１)によるエレベータ改良設計を３ 節に示す．

　（ｂ ）構造可変型コンフィギュレション
モジュールの追加などにより製品構成自体も変化する場合は，設計解の探索空間が閉じておらず，設計解も多様なものがありうる．要求機能を実現するモジュールの選択，構成に関しては設計アイデアの発想支援のアプローチが有効であろう．また，解探索の自動化には遺伝アルゴリズムなどの生物進化的アプローチがある^１)２)．事例として，工作機械への適用例を４ 節に示す．

３ ．事例１ ：エレベータの進化型設計

　２.(ａ)で述べた，コンフィギュレーション間最適経路探索技術のエレベータ設計へ適用例を紹介する．エレベータは図２ に示すような構成をとる．エレベータ設計は次のような特徴をもつ^３)４)．

　（１ ）コンポーネント数27 個，パラメータ数301 個，制約数336 個からなる大規模設計問題である．
　（２ ）要求仕様として入力された26 個のパラメータ値に対して，設計式の数が300 以上，コンポーネントの数が25 個程度あるので，解を決定的に求めることができない．すなわち,過 小制約問題である．
　（３ ）多くの設計計算式が条件付きで成立する．つまり，計算中に解くべき制約集合が変化する．

　この問題は設計システムのベンチマーク問題として広く知られているが，設計解を求めることができた設計システムは世界でも数えるほどしかなく，また，解けた場合でも数時間以上の時間を費やし一つの解を求めることができた程度である．

　当所で開発した基本設計支援言語FDL-�Uを，このエレベータ設計問題に適用した．すでに存在する仮想製品の要求仕様のうち，最大可搬重量を2000 ポンドから3000 ポンド，最大速度を200 インチ/秒から250 インチ/秒に変更し解探索を行ったところ，最初の解を５ 分程度で求めることができ，８ 時間程度ですべての（458通り）解を求めることができた．図３ に必要な交換部品と設計解の個数の関係を示す．交換部品の数は設計解により異なり，15 通りの解では部品交換なしで（パラメータの変更のみで）アップグレードが可能であった．これらの中から最適解を求めることが可能である．

４ ．事例２ ：汎用工作機械の専用機化

　２(ｂ)で述べた構造可変型コンフィギュレーション設計の事例として，旋盤のタップ加工専用機への改造を取り上げる．直径40 〜80mm ，長さ400 〜800mm程度の丸棒ワーク10 数種類に対して，端面にタップ加工（ねじ穴M8 〜M12 ）を行うための専用機の製作要求がある．設計制作のための時間，コストとも余裕がなく，一方，遊休状態の旋盤が１ 台あり，これを利用することは可能である．

　このような条件の下で，旋盤の丸物芯だし機能と高剛性に着目し，旋盤改造による丸物端面タップ加工専用機の製作例を示す．図４ は汎用旋盤の図である．旋盤から刃物台，送り台，芯押台を取り去り，エプロン上に図５ に示すタレットヘッド付きドリルユニット（市販品）を取り付け，図６ に示すような専用機として旋盤を再生させた．この専用機を通常の方法で設計製作した場合は数百万円程度かかるが，本件のように旋盤を再利用すれば，半額以下のコストで製作可能でまた旋盤が高剛性であることから，高精度かつ耐久性の高い専用機を構成することが可能であった．

　設計アイデアの発想支援には，機能の詳細な内容を検討するための機能推論が必要となる．図７ に本事例における機能推論の様子を示す．遊休の中古旋盤には旋削，ドリル加工の機能があり，旋削機能のためには，回転，芯出し，送り，削りなどの機能が必要である．一方，丸物端面のねじ穴加工のためには，丸物穴加工とタッピング機能，さらに下位機能として，穴あけ，送り，丸物固定，芯出し，回転止めなどの機能が必要である．ここで，タッピング，穴あけ，送りの各機能はモジュールデータベースにあるタレットヘッド付きドリルユニットにより実現されるが，丸物固定の機能は別の機構を導入しなければならない．旋盤には丸物の芯出し機能があり，この点に着目すれば遊休旋盤に丸物固定機能を担わせた形態の専用機を着想することができる．

　＋　　＝　

５ ．おわりに

　進化型設計は，コスト，期間，リソースの再生・有効利用という観点から望ましいものであり，構造固定型コンフィギュレーションのための強力な設計解探索技術，構造可変型コンフュギュレーションのための発想支援システムが有効であることを示した．この検討結果を受けて，進化型設計技術の開発を進める予定である．

参考文献