機械設計の依頼で消費電力とエア使用量を抑える6つの仕様条件

機械設備の新規導入や既存装置の改造を検討するとき、処理能力や加工精度、安全性と並んで重要になるのが、消費電力と圧縮エアの使用量です。設備の導入時には十分な能力を確保できていても、実際の生産現場では待機中の電力消費や空気漏れ、過剰な駆動力などが積み重なり、想定以上のエネルギーを使用することがあります。

こうした問題を防ぐには、機械設計を依頼する段階で、省エネルギーを考慮した仕様条件を具体的に提示することが重要です。単に省電力化やエア使用量の削減を依頼するだけでは、設計担当者がどの部分を優先して改善すべきか判断しにくくなります。設備の稼働条件、必要な駆動力、空圧機器の構成、制御方法などを整理し、性能とエネルギー効率の両方を評価できる仕様にする必要があります。

特に、自動組立装置、搬送装置、検査装置、加工設備などでは、電動アクチュエータと空圧機器の使い分けによって、消費エネルギーが変わります。また、同じ機能を実現する場合でも、動作頻度や停止時間、負荷の変動、設置環境によって適切な設計は異なります。

機械設計の依頼先と仕様を検討するときは、設備全体のエネルギー使用量を把握し、過剰な能力を持たせないことと、必要な性能を確実に維持することの両立を目指しましょう。

本記事では、消費電力とエア使用量を抑えるために、機械設計の依頼時に確認したい6つの仕様条件を解説します。設計段階での確認事項から、実機での評価方法、導入後の管理まで取り上げるため、設備の新規製作や改造を検討している実務担当者は参考にしてください。

稼働条件と必要能力を明確にする

消費電力とエア使用量を抑える機械設計では、最初に設備の稼働条件と必要能力を明確にすることが重要です。どのような作業を、どの程度の頻度で、どのような負荷条件で実行するのかが不明確なままでは、駆動機器や空圧機器の容量を適切に選定できません。

機械設計を依頼する際には、設備に求める生産能力だけでなく、実際の運転パターンまで伝える必要があります。例えば、連続運転を前提とする設備と、一定時間ごとに停止する設備では、必要な駆動能力や待機時のエネルギー対策が異なります。設備が常に最大負荷で稼働するとは限らないため、通常運転、最大負荷、低負荷、段取り替え、待機、停止といった状態を分けて整理すると、設計の精度を高められます。

処理能力と動作サイクルを整理する

最初に確認したいのが、設備に必要な処理能力と動作サイクルです。単位時間当たりの処理数量だけでなく、ワークの供給、位置決め、加工、搬送、排出など、それぞれの動作に必要な時間を整理します。

例えば、搬送装置であれば、ワークを持ち上げる時間、移動する時間、位置決めする時間、元の位置に戻る時間などを分けて考えます。各動作の時間が明確になれば、必要な加減速性能や駆動力を検討しやすくなります。

また、複数の動作を同時に実行するのか、順番に実行するのかによっても、必要な駆動能力は変わります。動作を同時化すればサイクルタイムを短縮できる可能性がありますが、複数のモーターやシリンダーが同時に動くことで、瞬間的な電力需要やエア流量が増える場合があります。

そのため、機械設計の依頼時には、単に最短サイクルを指定するのではなく、通常生産時に必要なサイクルと、許容できる動作時間の範囲を提示することが大切です。無理に動作速度を上げるよりも、必要な処理能力を満たす範囲で動作条件を調整するほうが、エネルギー使用量を抑えやすくなります。

稼働率と停止時間を把握する

設備のエネルギー効率を考えるうえでは、稼働率も重要な条件です。設備が稼働している時間だけでなく、ワーク待ち、材料補充、品質確認、段取り替え、休憩時間など、実際にどの程度の時間が待機状態になるのかを把握します。

例えば、加工装置が一日のうち長時間稼働する場合と、短時間の生産を繰り返す場合では、待機時の電力や圧縮エアの消費が占める割合が異なります。短い動作を繰り返す設備では、加工や搬送そのものよりも、動作間の待機や補助機器の常時稼働がエネルギー使用量に影響することがあります。

機械設計を依頼する際には、設備の運転時間、停止時間、段取り替えの頻度、休止期間などを可能な範囲で共有しましょう。これらの情報があれば、運転中だけでなく、待機中にも電力やエアを消費する機器を特定しやすくなります。

ただし、停止時間があるからといって、すべての機器を停止させればよいわけではありません。安全回路、制御装置、保持機構、冷却機構などは、停止中にも必要な機能を維持しなければならない場合があります。停止可能な機器と、継続稼働が必要な機器を区別することが重要です。

使用条件の変動を設計に反映する

実際の生産現場では、ワークの重量や寸法、材料の種類、加工内容などが一定とは限りません。こうした変動を考慮せずに設計すると、必要以上に大きなモーターやシリンダーを選定したり、余裕を持たせすぎた供給圧力を設定したりする可能性があります。

一方で、最大負荷だけを基準に能力を小さく設定すると、負荷が増えたときに動作不良やサイクルタイムの悪化を招くおそれがあります。省エネルギーを優先する場合でも、必要な処理能力と安全性を損なわないことが前提です。

そのため、通常時と最大時の負荷条件を分け、どの条件を基準に機器を選定するのかを設計担当者と共有します。特に、ワークの重量差や摩擦抵抗の変化、供給材料のばらつきなど、設備の動作に影響する要因は事前に整理しておくとよいでしょう。

機械設計の初期段階で稼働条件を具体化すれば、必要以上の能力を持つ機器の採用を避けやすくなります。結果として、モーターの消費電力や空圧機器のエア使用量を抑えるための基礎を整えられます。

駆動機構とモーターの容量を適正化する

消費電力を抑えるには、機械の駆動機構とモーターの容量を適正化することが重要です。モーターは設備の主要な電力消費源の一つですが、単純に定格出力の小さいものを選べば省エネルギーになるわけではありません。

必要なトルクや回転速度、加速時間、負荷変動などを考慮し、実際の運転条件に適した駆動機器を選定する必要があります。また、モーターに接続される減速機やベルト、軸受、ガイドなどの機械要素も、駆動時の損失に影響します。

必要トルクと回転速度から容量を決める

モーターの選定では、設備を動かすために必要なトルクと回転速度を把握することが基本です。搬送装置であれば、ワークの重量、搬送速度、加速度、摩擦抵抗などを考慮します。回転機構であれば、回転体の慣性モーメントや必要な加速時間、停止条件などを確認します。

必要なトルクを十分に検討せずにモーターを選ぶと、動作時に能力不足が生じる可能性があります。反対に、過大な容量を選定すると、実際の負荷に対して余裕が大きくなり、設備全体の電力効率が悪くなる場合があります。

特に、低負荷での運転時間が長い設備では、通常運転時の負荷とモーターの容量が適切に対応しているかを確認することが大切です。最大負荷への対応だけでなく、日常的な運転条件における効率も考慮しましょう。

機械設計の依頼時には、必要な移動速度、停止位置の精度、加速時間、負荷の範囲などを伝えます。これらの条件を基に、モーターの出力だけでなく、実際の負荷に対する運転特性を含めて検討してもらうことが重要です。

機械的な摩擦と伝達損失を減らす

モーターの消費電力は、駆動対象となる機械側の抵抗にも影響されます。ガイド部の摩擦が大きい場合や、回転軸の芯ずれがある場合、ベルトの張力が適切でない場合などは、駆動に余分な力が必要になることがあります。

こうした損失を減らすには、機械構造そのものを見直すことが有効です。摺動部の材質や表面状態、軸受の選定、回転軸の支持方法、伝達機構の配置などを検討し、必要以上の抵抗が発生しない構造にします。

例えば、搬送装置では、ローラーやガイドの配置が適切でないと、ワークが偏って接触し、搬送抵抗が増加する可能性があります。また、回転機構では、軸の芯出しが不十分だと、振動や摩擦が発生し、駆動効率だけでなく部品寿命にも影響します。

設計担当者には、駆動部の選定だけでなく、機械全体の摩擦や伝達損失についても確認を依頼しましょう。モーターの容量を見直す前に、機械的な抵抗を減らすことで、必要な駆動力そのものを小さくできる場合があります。

ただし、摩擦を減らすことだけを優先して、保持力や位置決め性能を損なわないようにする必要があります。ワークの滑りや位置ずれが発生する場合は、別の機構で補う必要が生じ、結果的に設備構成が複雑になる可能性もあります。

速度制御と負荷に応じた運転を検討する

モーターを一定速度で動かし続ける必要がない設備では、負荷や運転状態に応じた速度制御が有効です。例えば、搬送開始時には必要な加速性能を確保し、通常搬送時には適切な速度で運転し、停止前には減速するといった制御を行うことで、動作条件に応じた駆動が可能になります。

可変速制御を採用する場合は、モーターの特性や負荷の種類、必要な制御精度を考慮することが大切です。負荷が変化する設備では、速度を調整することで不要な駆動力を抑えられる場合がありますが、常に同じ負荷で運転する設備では、制御装置の追加だけで必ず省エネルギーになるとは限りません。

また、頻繁な加減速を行う設備では、加速時の電力需要や減速時のエネルギーの扱いも検討対象になります。回生機能を利用できる構成であっても、設備の動作頻度や負荷条件によって効果は異なります。導入する機器の機能だけで判断せず、実際の運転パターンに照らして評価することが必要です。

機械設計を依頼する際には、速度を変更する必要がある工程と、一定速度で問題ない工程を明確にします。そのうえで、各工程に適した駆動方式を選定してもらうと、過剰な制御機能を追加せずに省エネルギーを検討できます。

空圧回路の供給圧力と配管構成を見直す

エア使用量を抑えるためには、空圧回路の供給圧力と配管構成を適切に設計することが重要です。圧縮エアは、コンプレッサーで空気を圧縮して供給するエネルギー媒体です。そのため、設備側で必要以上の圧力を使用したり、配管抵抗によって圧力損失が生じたりすると、エネルギーの無駄につながります。

空圧機器は、供給圧力が高いほど常に効率よく動作するわけではありません。機器の仕様や必要な推力、流量、動作速度を踏まえ、必要な性能を満たす範囲で供給条件を設定することが大切です。

必要な供給圧力を機器ごとに確認する

空圧回路では、設備全体に一律の高い圧力を供給する構成になっている場合があります。しかし、実際には機器ごとに必要な圧力が異なることがあります。

例えば、ワークを保持するシリンダーと、軽量部品を移動させるシリンダーでは、必要な推力が異なります。また、エアブローや吸着機構なども、それぞれの用途に応じた圧力条件や流量条件を持っています。

すべての機器を同じ高圧条件で動作させると、必要以上の圧力で使用する機器が生じる可能性があります。そのため、設計段階では各機器の必要圧力を確認し、用途に応じた圧力設定が可能かを検討します。

ただし、圧力を下げれば必ずエア使用量や消費電力が同じ割合で減るわけではありません。シリンダーの推力が不足したり、動作速度が低下したりする場合もあります。ワークの重量や摩擦、保持条件などを考慮し、必要な動作性能を維持できる圧力範囲を決めることが重要です。

配管径と配管経路を適正化する

配管の内径や長さ、継手の数、曲がりの多さなどは、圧縮エアの流れやすさに影響します。配管が細すぎる場合や、経路が長すぎる場合には圧力損失が大きくなり、機器の近くで必要な圧力を確保できなくなることがあります。

その結果、設備全体の供給圧力を高く設定して対応することになり、不要なエネルギー消費につながる可能性があります。特に、複数のシリンダーが同時に動作する設備では、瞬間的な流量が増えるため、配管や継手の流量特性を考慮した設計が必要です。

機械設計を依頼する際には、空圧機器の配置と配管経路を一緒に検討してもらいましょう。可能な範囲で配管を短くし、過度な曲がりや不要な継手を減らすことで、圧力損失を抑えやすくなります。

また、配管径は小さいほど省スペースになるという理由だけで決めるべきではありません。必要な流量を供給できるか、動作時に圧力がどの程度低下するかを確認することが重要です。通常時だけでなく、複数機器が同時に動作する条件も含めて検討します。

圧力損失が発生する箇所を把握する

空圧回路では、配管だけでなく、フィルター、レギュレーター、電磁弁、継手などでも圧力損失が発生します。これらの機器は設備の安定稼働に必要ですが、流量に対して適切な容量を持たない場合、供給側と使用側の圧力差が大きくなることがあります。

特に、複数の機器を経由する回路では、個々の機器の圧力損失が積み重なります。設備入口で十分な圧力が確認できていても、末端のシリンダーでは必要な圧力を確保できていない場合があります。

そのため、機械設計の段階で、供給源から使用機器までの圧力変化を考慮することが大切です。必要に応じて、設備入口と主要な使用箇所に圧力測定点を設けることで、実機稼働後の状態を確認しやすくなります。

また、フィルターの目詰まりやレギュレーターの劣化などによって、導入当初と運転後の圧力条件が変化することもあります。設計時には初期状態だけでなく、保守や交換を行いやすい配置についても検討しておきましょう。

シリンダーや空圧機器の使用量を適正化する

空圧機器の選定は、設備のエア使用量を左右する重要な要素です。特に、シリンダーを多数使用する自動機では、各シリンダーの口径、ストローク、動作頻度、供給圧力などが積み重なり、設備全体のエア消費量に影響します。

必要以上に大きなシリンダーを採用すると、動作に必要な力を確保できる一方で、1回の動作で消費する空気量が増える可能性があります。反対に、シリンダーを小さくしすぎると推力不足や動作不良につながるため、必要な能力に基づいた選定が欠かせません。

シリンダーの口径とストロークを適正化する

シリンダーの推力は、ピストンの受圧面積と供給圧力によって決まります。受圧面積が大きいほど大きな推力を得られますが、同じストロークを動かす場合には、一般的に使用する空気量も増えます。

そのため、シリンダーを選定するときは、ワークの重量だけでなく、移動方向、摩擦抵抗、加速度、外部から加わる力などを考慮する必要があります。さらに、必要な安全余裕や動作の安定性も含めて、適切な口径を決めます。

ストロークについても、必要以上に長く設定すると、動作に必要な空気量が増える可能性があります。実際の機構で必要な移動距離を確認し、シリンダーのストロークを過大にしないことが重要です。

例えば、ワークを一定位置まで押し出す動作では、機械的なストッパーやガイドの配置を工夫することで、必要な移動距離を短縮できる場合があります。ただし、機械的なストッパーに衝撃荷重が集中しないようにし、停止時の衝撃や摩耗も考慮する必要があります。

機械設計の依頼時には、各シリンダーの使用目的、必要推力、移動距離、動作頻度を伝え、選定根拠を確認するとよいでしょう。

1サイクル当たりのエア使用量を確認する

設備全体のエア使用量を把握するには、各空圧機器が1回の動作でどの程度の空気を使用するかを確認する必要があります。

複動シリンダーの場合、伸長時と収縮時の両方で空気を使用します。伸長側とロッド側では受圧面積が異なるため、同じストロークであっても消費する空気量は一致しません。

概算する場合は、シリンダーの受圧面積、ストローク、供給圧力、動作回数などを基に計算します。自由空気量に換算するときは、ゲージ圧ではなく絶対圧力を基準にする必要があります。また、実際の消費量には、配管や弁の内部容積、排気条件、漏れなども影響します。

設備全体では、各シリンダーの1サイクル当たりの消費量に動作回数を掛け合わせ、他の空圧機器の使用量も加えて考えます。例えば、同じ口径のシリンダーでも、1時間当たりの動作回数が異なれば、時間当たりのエア使用量は変わります。

設計を依頼する際には、主要な空圧機器ごとのエア使用量を整理し、設備全体の想定使用量を提示してもらうとよいでしょう。計算条件には、供給圧力、動作回数、同時動作の有無などを含めます。

このように、シリンダー単体の仕様だけでなく、設備全体の動作パターンを考慮することが、エア使用量の適正化につながります。

エアブローと吸着機構の消費量を見直す

シリンダー以外にも、エアブローや真空発生機器はエア使用量に影響します。特に、ワークの清掃、切粉の除去、水滴の除去、部品の吸着などに圧縮エアを使用する設備では、補助的な空圧機器の消費量も確認する必要があります。

エアブローでは、必要以上に長い時間吹き続けたり、対象物に対して過剰な流量を使用したりすると、エア使用量が増加します。吹き付ける方向やノズルの配置を見直し、必要な範囲に効率よく空気を供給できる構造にすることが大切です。

また、ワークが存在しない状態でもブローが継続する制御になっていると、不要な消費が発生します。ワークの有無や工程の進行状況に応じてブローを制御できるかを検討しましょう。

吸着機構についても、必要な保持力を確保することと、エア消費量を抑えることの両立が重要です。吸着対象の表面状態や重量、搬送時の加速度などを考慮し、必要以上の吸引能力にならないようにします。真空発生方式の選定では、エア消費量だけでなく、応答性や保持性能、解除動作も含めて比較する必要があります。

さらに、吸着状態を検出するセンサーを適切に配置すれば、ワークがないときに不要な吸引動作を続けることを防ぎやすくなります。こうした制御条件も、機械設計の依頼時に確認しておきたいポイントです。

漏れを防止できる構造にする

空圧設備では、配管や継手、チューブ、電磁弁、シリンダーなどから圧縮エアが漏れることがあります。わずかな漏れであっても、設備が長時間稼働する場合には、積み重なって大きなエア使用量になる可能性があります。

漏れを防ぐためには、接続箇所を必要以上に増やさないことや、保守時に点検しやすい構造にすることが重要です。配管やチューブの取り回しが複雑になると、接続不良や摩耗が発生したときに原因を特定しにくくなる場合があります。

また、振動や可動部との接触によってチューブが損傷することも考えられます。設計時には、可動範囲や曲げ半径、固定方法、周辺部品との干渉を確認し、長期使用を想定した配管経路を設定します。

保守性も重要な条件です。継手や電磁弁などの点検・交換が困難な場所に配置されていると、漏れが発生しても修理が後回しになる可能性があります。機械設計を依頼するときは、エア漏れの発見と修理が容易な構造になっているかも確認しましょう。

待機時と停止時のエネルギー制御を設計する

消費電力とエア使用量を抑えるためには、設備が実際に動作しているときだけでなく、待機中や停止中のエネルギー使用にも注目する必要があります。設備によっては、ワークが供給されていない時間や、前工程の完了を待っている時間にも、モーターや空圧機器が稼働し続けています。

こうした時間のエネルギー消費を減らすには、運転状態に応じて機器を適切に制御する仕組みが必要です。ただし、安全機能や設備の保持機能を損なわないことが前提となります。

待機中のモーターや補助機器を制御する

設備の待機中には、搬送用モーター、冷却装置、排気装置、照明、制御機器などが稼働している場合があります。これらの機器が常に最大能力で運転する必要があるかを確認することが大切です。

例えば、ワークの供給を待つ時間が長い搬送設備では、一定時間動作がないことを検知して、搬送用モーターを停止または省電力状態に移行させる方法が考えられます。次のワークが到着したときには、必要な時間内に通常運転へ復帰できるようにします。

また、冷却や排気などの補助機器についても、設備の運転状態に応じた制御が可能かを検討します。ただし、冷却が停止すると品質に影響する設備や、排気が必要な工程では、単純な停止制御を行うことはできません。

そのため、設計担当者には、待機時に停止できる機器と、連続稼働が必要な機器を区別してもらいましょう。停止条件や再起動条件を明確にすることで、不要な運転を減らしながら設備の安定性を維持しやすくなります。

不要なエア供給を遮断する

空圧設備では、装置が停止している間もエア供給を継続しているケースがあります。停止中に空圧機器を使用しないのであれば、必要な安全条件を満たしたうえで、不要なエア供給を遮断する仕組みを検討できます。

例えば、設備の運転状態に応じて主エア供給を制御する方法や、使用しない空圧回路を区分して遮断する方法があります。こうした構成によって、停止中のエア漏れや不要な消費を抑えられる可能性があります。

ただし、空圧を遮断するとシリンダーの保持状態が変わる場合があります。垂直方向の搬送機構や、ワークを挟み込んで保持する機構では、圧力が失われることで落下や解放などの危険が生じる可能性があります。

このため、エア遮断の設計では、残圧の排出方法、保持機構の構造、再加圧時の動作、非常停止時の挙動などを慎重に検討する必要があります。単に停止中のエア使用量を減らすのではなく、安全な停止状態を維持できることを優先します。

動作順序と同時動作を最適化する

複数の空圧機器やモーターを使用する設備では、動作順序を見直すことも有効です。例えば、複数のシリンダーが必要以上に同時動作する制御になっている場合、空気の瞬間的な使用量が増加し、供給圧力が変動する可能性があります。

動作を適切な順番に分けることで、ピーク流量を抑えられる場合があります。ただし、動作を分割するとサイクルタイムが長くなる可能性があるため、生産能力とのバランスを考慮しなければなりません。

一方で、動作順序の変更によって無駄な移動や待ち時間を減らせる場合もあります。例えば、ワークの位置決めと別の準備動作を適切に組み合わせれば、機械全体の稼働時間を短縮できる可能性があります。

重要なのは、単に同時動作を減らすのではなく、設備全体のエネルギー使用量と処理能力を合わせて評価することです。機械設計の依頼時には、各工程の動作タイミングや同時動作の条件を提示し、必要な能力を維持できる制御シーケンスを検討してもらいましょう。

また、動作間の待機時間が長い場合は、その間にモーターやエアブローなどが不要に稼働していないかを確認します。制御の最適化は、機械構造を大きく変更せずにエネルギー使用量を改善できる可能性があるため、設計初期から検討する価値があります。

安全性と省エネルギーを両立する

待機時や停止時のエネルギー制御では、安全性との両立が欠かせません。例えば、電源を遮断するとブレーキが解除される機構や、エアを排出するとワークの保持力が失われる機構では、停止方法を誤ると事故につながるおそれがあります。

そのため、非常停止、通常停止、段取り替え、保守作業、長時間停止など、状態ごとに必要な動作を定義します。それぞれの状態で、どの駆動機器を停止させるのか、どの圧力を保持するのか、どの安全機能を維持するのかを明確にすることが重要です。

また、再起動時には、いきなりすべての機器を動作させるのではなく、設備の状態を確認してから所定の順序で復帰する構成が求められる場合があります。残圧の状態や可動部の位置を確認し、安全な復帰手順を設計に反映させます。

機械設計の依頼時には、省エネルギーの目標だけを伝えるのではなく、停止時と再起動時に維持すべき安全条件も併せて提示しましょう。安全性を確保したうえで待機電力やエア使用量を抑えることが、実用的な省エネルギー設計につながります。

消費電力とエア使用量の測定・評価条件を決める

機械設計によって消費電力とエア使用量を抑えられたかどうかを判断するには、実際の測定と評価が必要です。設計段階で省エネルギー対策を盛り込んでも、測定方法や評価条件が曖昧であれば、改善効果を正しく比較できません。

特に、設備の稼働率や生産数量、ワークの種類、供給圧力などが異なる状態で測定すると、数値の差が設計変更によるものなのか、運転条件の違いによるものなのか判断しにくくなります。

消費電力の測定範囲を明確にする

電力の評価では、どこからどこまでを測定対象とするのかを決める必要があります。例えば、設備本体だけを対象にするのか、制御盤、冷却装置、集塵装置、補助搬送装置なども含めるのかによって、測定結果は変わります。

また、設備の定格電力と実際の消費電力は異なります。定格電力は機器の仕様を示すものであり、実際の稼働条件における電力使用量をそのまま表すものではありません。

そのため、機械設計の依頼時には、実際の運転状態における消費電力を評価することを前提にします。通常運転時、最大負荷時、待機時、停止時など、状態ごとの電力を測定できるようにしておくと、どの工程でエネルギーを消費しているかを把握しやすくなります。

さらに、瞬間的な電力と一定時間に使用した電力量を区別することも重要です。起動時や加速時には一時的に電力需要が大きくなる場合がありますが、設備全体のエネルギー評価では、一定期間に使用した電力量も確認する必要があります。

測定機器の設置位置や測定対象回路については、設計段階で決めておくと、設備完成後の評価作業を進めやすくなります。

エア使用量を測定できる構成にする

エア使用量についても、設備全体の使用量を把握できるようにすることが重要です。供給配管に流量計を設置する方法や、主要な空圧回路ごとに測定する方法などが考えられます。

設備全体の使用量だけを測定すると、どの機器が多くのエアを消費しているのか判断しにくい場合があります。そのため、エアブロー、シリンダー、吸着機構など、消費量の大きい部分を分けて評価できる構成も検討しましょう。

また、測定値を比較するときは、供給圧力や温度、測定器の換算基準を確認する必要があります。流量の表示には、実際の配管内の体積流量と、基準状態に換算した流量などがあり、基準が異なる数値をそのまま比較することはできません。

機械設計の依頼時には、エア使用量をどの単位で管理するのか、どの基準状態に換算するのかを決めておきます。これによって、設計時の計算値と実機での測定値を比較しやすくなります。

さらに、設備の停止中にもエア使用量を測定できるようにすると、漏れの有無を確認するうえで役立ちます。正常な停止状態でも流量が継続している場合には、遮断されていない回路や漏れが発生している箇所を調査するきっかけになります。

生産数量当たりのエネルギー使用量を評価する

設備の省エネルギー性能を評価する際には、一定時間当たりの消費電力やエア使用量だけでなく、生産数量当たりの使用量も確認すると効果的です。

例えば、設備の処理速度を上げると、時間当たりの消費電力が増える場合があります。しかし、同じ時間内に生産できる数量も増加していれば、製品1個当たりのエネルギー使用量は減少する可能性があります。

反対に、時間当たりの電力使用量が小さくなっていても、サイクルタイムが長くなり、生産数量が減少していれば、製品1個当たりのエネルギー使用量は増加することがあります。

そのため、電力については一定期間の電力量を生産数量で割り、エアについても同じ期間の使用量を生産数量で割るなど、共通の評価条件を設定します。良品数量を基準にする場合は、不良品や再加工品の扱いも事前に決めておきましょう。

また、段取り替えや立ち上げ時の消費を含めるかどうかによっても評価結果が変わります。実際の生産活動に近い条件で評価するには、測定対象となる運転期間と生産数量の集計範囲を一致させることが重要です。

受入検査の基準を事前に決める

省エネルギー性能を確実に確認するには、設備の受入検査における評価条件を設計段階で決めておくことが大切です。設備が完成してから測定方法を検討すると、必要な測定点が設けられていなかったり、比較に必要なデータが不足したりする可能性があります。

例えば、通常運転時の消費電力、待機時の消費電力、1サイクル当たりのエア使用量、停止時のエア漏れの有無などを確認項目として設定できます。

ただし、具体的な合格基準は設備の用途や生産条件によって異なります。根拠のない一律の削減率を設定するのではなく、既存設備の測定結果や設計計算、必要な生産能力を基に、現実的な目標値を決めることが重要です。

また、評価時にはワークの種類、負荷条件、供給圧力、稼働時間などを統一します。条件が異なる状態で比較すると、正確な評価ができないためです。

機械設計を依頼する際には、測定方法、測定対象、評価条件、記録するデータを仕様書に盛り込みましょう。設計会社と発注者の双方が同じ基準で確認できるようにしておけば、完成後の認識違いを防ぎやすくなります。

機械設計を依頼するときに整理したい情報

消費電力とエア使用量を抑える設計を実現するには、発注者側で設備の使用条件や優先事項を整理し、設計担当者に正確に伝えることが欠かせません。省エネルギーの要望だけでは、設計担当者が具体的な機器選定や構造変更に反映しにくいためです。

まず整理したいのが、設備の目的と必要な処理能力です。対象となるワークの寸法や重量、加工内容、搬送距離、必要な位置決め精度、処理数量などを明確にします。既存設備の改造であれば、現在の動作条件や発生している問題も共有すると、改善すべき箇所を把握しやすくなります。

次に、電力とエアの使用状況を確認します。既存設備の電力量や空気使用量が測定できる場合は、通常運転時だけでなく、待機時や停止時のデータも用意します。測定できていない場合でも、使用しているモーターの容量、シリンダーの口径やストローク、供給圧力、動作回数などが分かれば、初期検討に役立ちます。

さらに、設置環境や設備の運用方法も伝える必要があります。設置スペース、周囲温度、粉じんや水分の有無、騒音に関する条件、保守作業の頻度などは、機器の選定や配置に影響します。省エネルギー性能を優先するあまり、清掃や点検が困難な構造になると、長期的な設備管理に支障をきたす可能性があります。

設計担当者との打ち合わせでは、電動駆動と空圧駆動の使い分けについても確認しましょう。位置決め精度や保持力、応答速度、動作頻度などによって、適した駆動方式は異なります。空圧機器をすべて電動機器に置き換えることや、電動機器をすべて空圧機器に置き換えることが、必ずしも合理的とは限りません。

例えば、繰り返し位置決めを行う工程では電動駆動が適する場合があり、単純な押し出しや短いストロークの動作では空圧駆動が適する場合があります。設備の機能ごとに比較し、初期の構造だけでなく、運転中のエネルギー使用量や保守性も考慮して決めることが大切です。

また、機械設計を依頼する前に、どの性能を優先するのかを整理しておきましょう。処理能力、位置決め精度、安全性、消費電力、エア使用量、保守性など、すべての条件を同時に最大化することは難しい場合があります。優先順位を明確にすることで、設計担当者が適切なトレードオフを検討できます。

依頼先を選定するときは、機械構造だけでなく、駆動機器や空圧回路、制御システムまで含めて検討できるかを確認するとよいでしょう。各要素を個別に選定するだけでは、設備全体のエネルギー使用量を最適化できない場合があります。

特に、モーターの容量と機械的な負荷、シリンダーの口径と供給圧力、制御シーケンスと生産能力などは相互に関係します。機械全体を見渡して仕様を決められる設計体制であれば、部分的な改善によって別の箇所に負担が生じることを防ぎやすくなります。

さらに、設計完了後の試運転や受入検査、導入後の保守まで考慮しておくことも重要です。設備の消費電力やエア使用量は、使用環境や機器の劣化、運転条件の変更によって変化します。導入時に性能を確認するだけでなく、継続的に状態を把握できる仕組みを整えておくことが、長期的な省エネルギーにつながります。

機械設計の依頼では、図面や部品仕様だけでなく、動作条件、エネルギー評価方法、保守条件まで含めて相談することが望ましいです。発注者と設計担当者が共通の評価基準を持つことで、完成した設備が現場の要求に適合しているかを判断しやすくなります。

まとめ

機械設計の依頼で消費電力とエア使用量を抑えるには、設備の能力だけでなく、実際の稼働条件やエネルギーの使い方まで考慮した仕様設計が必要です。省エネルギーを実現するためには、個々の機器を小型化するだけでなく、機械全体の構造、駆動方式、空圧回路、制御方法を総合的に検討することが重要です。

今回紹介した6つの仕様条件では、まず設備の稼働条件と必要能力を明確にし、通常運転や待機時間、最大負荷などを整理することが出発点になります。そのうえで、モーターや駆動機構の容量を適正化し、機械的な摩擦や伝達損失を抑えます。

空圧回路については、供給圧力、配管径、配管経路、圧力損失を確認し、各機器に必要な条件でエアを供給できる構成にします。さらに、シリンダーの口径やストローク、エアブロー、吸着機構の使用量を見直し、漏れを防止できる構造にすることが大切です。

待機中や停止中の制御についても、不要なモーターの稼働やエア供給を抑えられるように設計します。ただし、安全機能やワークの保持性能を損なわないことが前提です。最後に、消費電力とエア使用量を測定できる構成を整え、実際の生産条件に基づいて評価することで、省エネルギー性能を確認できます。

これらの条件を機械設計の依頼時に整理しておけば、設計担当者と具体的な改善方針を共有しやすくなります。導入時の性能だけでなく、長期的な運用コストや保守性も考慮し、現場で継続して使いやすい設備を目指しましょう。

また、省エネルギー設備を安定して運用するには、設計図面や仕様書だけでなく、実際の設置状況や施工内容、設備周辺の状態を正確に記録しておくことも役立ちます。現場での機器配置や配管経路、施工後の状態などを写真と位置情報で整理しておけば、導入後の点検や改修時に過去の状況を確認しやすくなります。

こうした現場記録の管理には、LRTK Phoneの活用も検討できます。LRTK Phoneは、現場写真・位置情報・施工記録を管理する自社プロダクトです。設備の設置場所や施工状況を記録し、関係者間で現場情報を共有することで、機械設備の導入や改修に伴う情報管理を支援します。省エネルギーを考慮した機械設計と、導入後の現場情報の適切な管理を組み合わせることで、設備の安定運用と継続的な改善につなげていきましょう。