tsurfの機械設計研究室

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【機械設計の3DCAD】3DCAD導入のための基礎知識 トップダウン設計/ボトムアップ設計

本ブログの御訪問ありがとうございます。
機械設計歴20年以上のT.surfと言います。

 

今回は以下に関する記事です。
【機械設計の3DCAD】
3DCADの導入のための基礎知識
トップダウン設計/ボトムアップ設計

 

⇩本記事は以下の方にオススメです⇩

3DCADの導入を
検討している企業

3DCADを導入したいけど・・

 

⇩本記事を読むと以下が わかります⇩

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管理人T.surf

3DCADの導入を検討
している企業様向けに、
3DCADの基礎知識として
トップダウン設計と
ボトムアップ設計について
解説します。

 

本記事は以下の記事の補足解説記事です。

 

 

①結論

知っておくべき知識

3DCADを導入するにあたり、
知っておかなくてはいけない知識として
3DCADを使った設計手法があります。

3DCADで
設計するにあたり以下の設計手法があります。

  • トップダウン設計
  • ボトムアップ設計

まず、本項では概要のみを解説し、事項より詳細を
解説します。

しかし、結論として言いたいのは
トップダウン設計がやりやすいCADを択ぶべきだ
ということです。

 

トップダウン設計の概要
(詳細は後述)

装置全体の構想設計をしてから部品の形状や位置などの
詳細を詰めます。

大事なことを言いますが
通常は、この手法で設計をします。

 

なぜなら全体がわからないのに

  • 部品の形状なんか設計できない
  • 部品の位置も設定不可

だからです。

 

ボトムアップ設計の概要
(詳細は後述)

部品の3Dモデルを作成してから、
アセンブリファイルで組立をして全体3Dを
作成します。

管理人はこのボトムアップ設計をやったことが
ありませんし、否定をします。

なぜなら、
全体がわからないのに、部品の設計しようが
ないからです。

ただし、すでになんらかの手法で
設計が決まっていて、たんに3D化するなどの
3DCADオペレートには向いています。

 

 

②3D設計手法詳細解説:トップダウン設計

概要

トップダウン設計とは
まず、全体の構想図を検討して
全体の構想図をもとに部品をモデリングします。

上記の性質から、
2Dによるレイアウトが必須です。

従って、
具体的な方法としては以下となります。

手順1 3D上の2D平面で装置全体の
2Dレイアウトを行う。
手順2 2Dレイアウトを元に3D化
通常2Dレイアウトの断面を、
そのまま押し出し/回転で3Dを作成
手順3 3Dで詳細設計を進めていく
手順4 全体を見ながら3Dで各部品の
形状を詰める

 

 

なぜ2Dレイアウトが
必要なのか?

装置設計初期である0からの構想レイアウトを
3Dなんかでやってられません。
逆に莫大な時間が掛かってしまいます。

 

なぜなら、まったくの0の状態で

  • 上面から見た機構の配置
  • 各機構の3次元的な形状

上記を一度に決められないからです。

 

なので あえて次元を1つ落とせば上記を
それぞれ別の面視を使い、
それぞれの
検討できます。

 

―例えば―

  • 平面図で上から見た機構の概略や配置
    を検討
     ⇩   ⇩
  • 側面図で上下方向の位置や側面図から
    見た奥行の位置と機構の詳細を検討

しかも、3DCADの場合
上記の2D検討は3D上の2D平面で可能です。

これだけでも
通常の2DCADより優る点なのです。

しかも、この平面はどこにおいても可で
大概の3DCADでは平面の位置は変更可能です。

 

このように 初期の設計(レイアウト)段階において

  • 上面から見た機構の配置
  • 各機構の3次元的な形状

上記が決まっていないからこそ
別々の面視で検討していったほうが
質の高い検討が短時間で可能です。

 

そして重要なことを言いますが
2Dレイアウトの時点で、

  • 装置全体に対する部品の絶対位置
  • 部品の概要形状

上記が決定します。

 

しかし2Dレイアウトで
詳細設計まで行う必要はありません。

 

なぜなら詳細設計の段階では
3Dによる
立体的に検証しながら設計
のほうがはるかに速いからです。

 

具体的には。2Dレイアウトの要素をそのまま使い
押し出しや回転を使いソリッドを作成していきます。

 

 

③トップダウン設計の流れからわかること

2Dと3Dの使い分け

上記の流れからわかる通り2Dと3Dの使い分けですね。

  • 設計初期の構想レイアウト
      ⇒2Dレイアウト
  • 設計中半からの詳細設計
      ⇒3Dでの設計

と、上記のように
2Dと3Dの持つそれぞれのメリットを
理解して
使い分けて
質の高い検討をするわけですね。

 

従って、
一部のヒストリーCADメーカーが
勘違いをしているようですが

ヒストリー
CADメーカー

3Dがメインになるから
2Dはいらないね

と言う考えは根本から間違っています。

 

今までの設計に問題があったとするのであれば
全て2Dでやってきたことが問題であって
2Dそのものが問題なのではないのです。

 

拘束や履歴は必要ない

そして、トップダウン設計の流れを見て
もう一つ理解できることがあります。

3Dで詳細を詰めることになる各部品の詳細形状や位置は
2Dレイアウトによって決定している

ということです。

 

2Dレイアウトの段階で5~6割は決まっていて
3D化の過程でさらに詳細を詰めていくだけです。

 

従って

  • 寸法拘束で形状が決まるわけではありません。
  • 位置拘束で位置が決まるわけではありません。

ヒストリーCADはただでさえトップダウン設計が
やりづらいところに来て

ヒストリーCADの寸法拘束やら位置拘束が
設計の邪魔でしかありません。

 

 

④特性から考察できるトップダウン設計がやりやすいCAD

繰り返しになりますが、
設計初期のレイアウト段階では、

  • 上面から見た機構の配置
  • 各機構の3次元的な形状

上記が決まっていないことから
なので形状拘束や位置拘束とか必要ありません。

 

むしろCADとしての自由度の高さが必要で
ノンヒストリーCADが
トップダウン設計を得意とします。

 

 

⑤3D設計手法解説:ボトムアップ設計

概要

ボトムアップ設計とは、
まず部品を設計してから組立として
まとめます。

 

先述しましたが、管理人は
トップダウン設計しかしたことがありません。

なぜなら、全体の設計が決まっていないのに
どうやって部品を設計できるかが不明だし、
ボトムアップ設計自体を否定します。

設計できても時間が掛かります。

具体的な手順としては、以下となります。

手順1 装置の構想、レイアウトを
別の手段で行う(例 紙と鉛筆)
手順2 レイアウトに基づき部品を設計して
3Dを作成する。
手順3 アセンブリファイルで
部品の3Dデーターを組み立てる

 

特性から考察できる
やりやすいCAD

ボトムアップ設計の特性上

  • 既存の2D図面の3D化
  • 構想が決まってる部品の3D化
  • 決定されたレイアウトに基づき部品配置

というような、CADでできる操作
いわゆるCADオペレート的なもの
となるでしょう。

設計自体は他の2DCADで行うなどとなります。

CADオペレート的な操作である以上
ヒストリーのCADとは相性が抜群です。

 

 

⑥まとめ

つまり、3DCADを導入するにあたり、
トップダウン設計を想定すべきです。

いや、言い換えます。

トップダウン設計が、できるかできないか
ではなく、

トップダウン設計が、やりやすいかどうか
を基準で3DCADを選定すべきです。

なぜなら、最近のヒストリー系CADも
トップダウン設計を実装しはじめています。

なので、どんなCADメーカー 
例えばヒストリーCADのメーカーに聞いても

ヒストリーCAD
メーカー

トップダウン設計?
できますよ。

 

と言うと思います。
しかし、ここで騙されてはいけません。

ヒストリーCADは、トップダウン設計が非常に
やりづらいのです。

なぜならCADとしての自由度がまったくないからです。
実質的に不可能に近いと思ってもらえばいいです。

 

なので、
トップダウン設計ができる/できない
など問題ではありません。

トップダウン設計がやりやすいかどうかで
でCADを選ぶべきです。

 

自由度のないヒストリーCADでどうやって
2Dレイアウト機能を実装しているかと言うと
別に2Dレイアウト機能を設けています。

ですが、ヒストリーCADメーカーは
トップダウン設計における2Dレイアウトを
よく理解していないためか
設計者が欲しい2Dレイアウト機能ではありません。

 

なので、ヒストリーCADの自由度のなさから
針の穴を搔い潜る努力をして別の方法で
2Dレイアウトの方法を模索しなくてはいけません。

 

しかし、それでもCADの自由度のなさから
トップダウン設計が非常にやりづらいです。

 

以下の記事は管理人が
ヒストリーCADソリッドワークスで以下を解説します。

  • ソリッドワークスが実装する
    2Dレイアウト機能が使えない理由
  • ソリッドワークスで
    自由度のないシステムの穴を掻い潜り
    発見した2Dレイアウトのやり方

 

トップダウン設計を断然やりやすいのは
ノンヒストリーCADです。
間違えのないように

 

本記事は以上です。
最後までお読みいただきありがとうございます。

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