エンジニアリング図面

エンジニアリング図面は、技術図面の一種です。一般的な用途としては、部品の製造に必要な形状を指定することが挙げられ、これは詳細図面と呼ばれます。通常、単純な部品であっても、完全に仕様を定めるには複数の図面が必要となります。これらの図面は「マスター図面」によって連結されます。この「マスター図面」は、一般的に組立図として知られています。組立図には、後続の詳細部品の図面番号、必要数量、構成材料、そして個々の部品の位置を特定するために使用できる3D画像などが記載されています。図面は主に図表で構成されていますが、簡潔にするために略語や記号が使用され、必要な情報を伝えるために追加のテキストによる説明が提供される場合もあります。

エンジニアリング図面を作成するプロセスは、技術図面または製図（ドラフティング）と呼ばれることが多い。^{[ 1 ]}図面には通常、部品の複数のビューが含まれるが、詳細な説明のために追加のスクラッチビューが追加される場合もある。通常、要求される情報のみが指定される。寸法などの重要な情報は、冗長性や矛盾の可能性を避けるために、通常、図面の 1 箇所にのみ指定される。部品が製造され、機能するように、重要な寸法には適切な公差が与えられる。エンジニアリング図面で与えられた情報に基づいて、より詳細な製造図面が作成される場合がある。図面には、図面を作成した人、承認した人、寸法の単位、ビューの意味、図面のタイトル、図面番号を含む情報ボックスまたはタイトルブロックがある。

アイデアを視覚的に伝えるための必要不可欠な手段として、製図は古代から何らかの形で人類の歴史の一部となってきた。これらの初期の図面は、神殿、記念碑、公共インフラなどの大規模な文化建造物の建築および工学の概念を表現するために使用された。エジプト人やメソポタミア人は、非常に詳細な灌漑システム、ピラミッド、その他の高度な構造物を作成するために、基本的な製図形式を使用した。しかし、彼らの方法は比較的簡単であったが、高度な技術と正確さを必要とした。原始的な形式であっても、それらは時の試練に耐えうる構造物の図面を建設に与えた。^{[ 2 ]}

技術製図の分野は、古代ギリシャと古代ローマでさらに発展しました。ウィトルウィウスをはじめとする技術者や建築家は、建築技術の伝達手段として、また建築におけるバランスと比例の基本原理を示すために図面を使用しました。より正式な技術製図の実践につながる初期の例としては、水道橋、橋、要塞の建設に使用された図面や幾何学的計算が挙げられます。技術製図は、12世紀の教会や城の設計にも用いられましたが、そのような図面は、正式な訓練を受けた技術者ではなく、職人や石工によって作成されることが一般的でした。^{[ 3 ]}

ルネサンスは、製図技術にとって大きな成功の時代でした。これらの独創的な芸術家や発明家は、作品の中で洗練された視覚表現方法を使い始め、正確さへの体系的なこだわりも示していました。彼のノートには、機械装置、解剖学的研究、工学プロジェクトの図面が含まれており、ノートによって明らかにされたように、形態、機能、比率に対する彼の高度な理解を示しています。おそらく彼は、芸術と工学の能力を融合させて、想像力豊かで教育的な製図を生み出した最初の先駆者だったのでしょう。それは、将来の製図技術の発展にとって重要な基礎となりました。^{[ 4 ]}

産業革命が本格化するにつれ、正投影図法、分解図法、標準縮尺といった厳密に規定された作図法の出現とともに、近代的な製図が形作られていった。標準化への動きの一因は、フランスにおける工学教育の発展と製図技術の統一化にあった。同時期に、フランスの数学者ガスパール・モンジュは、三次元物体を二次元空間に表現する手法である記述幾何学を開発し、製図に大きく貢献した。彼の研究は、今日でも製図における主要な技術の一つである正投影図法の基礎を築いた。モンジュの手法は当初は軍事機密として、その後広く普及し、工学教育と工学実務の未来を形作った。

技術製図の技術は、マーク・イザムバード・ブルネルのような先駆者によってさらに発展を遂げた。マークが1799年にブロック製造機械の詳細な図面を提供したイザムバード・キングダム・ブルネルの伝記は、英国の工学手法の発展ぶりを物語っている。現在では機械製図技術と呼ばれる手法を用いて三次元の機械を二次元平面上に表現することで、より効率的な製造工程と高い精度が実現した。世界が機械化生産へと移行し始め、橋梁、鉄道、船舶といった複雑な工学プロジェクトを成功させるには、非常に詳細かつ正確な技術図面が必要となったため、こうした革新は不可欠であった。

19世紀における技術図面の精度に対する要求の高まりは、産業革命の直接的な結果であった。この時代には、鉄道、蒸気機関、鉄骨構造物といった大規模な工学プロジェクトが発展し、高度な精度と標準化が求められるようになった。技術者たちは新たな慣習や記号を作り出し、それらが産業界全体で標準化されたことで、技術図面を読める人なら誰でも部品や構造物の仕様を理解できるようになった。この標準化プロセスは、技術者の業務慣行の標準化にも貢献し、技術者、製造業者、建設業者が協力しやすくなった。

20世紀には、T定規、コンパス、分度器などの製図用具の導入により、製図は再び大きな変革を遂げました。これらの用具は、製図者が超高層ビル、飛行機、自動車など、ますます複雑化するプロジェクトに必要な高い精度を達成するのに役立ちました。米国規格協会（ANSI）や国際標準化機構（ISO）などの規格の確立により、製図の慣習がさらに体系化され、世界中のエンジニアリング実務の一貫性が確保されました。^{[ 5 ]}

今日、製図は手書きからコンピュータ支援設計（CAD）へと大きく移行しました。CADソフトウェアは製図方法に革命をもたらし、より速く、より正確で、容易に修正可能な図面作成を可能にしました。エンジニアは、物理的な試作品を作成する前に、設計を3次元で視覚化し、性能をシミュレーションし、調整を行うことができます。このデジタル変革は、効率性を向上させただけでなく、イノベーションの可能性を広げ、エンジニアがこれまで想像もできなかった課題に取り組むことを可能にしました。

しかし、デジタルツールの登場にもかかわらず、製図の基本原理は依然としてその歴史に根ざしています。精度、明瞭さ、そして複雑な情報を視覚的に伝える能力は、今もなお製図の中核を成しています。正投影法から縮尺線や寸法線の使用に至るまで、何世紀にもわたって確立されてきた慣習は、現代の工学や建築の実践において不可欠なものです。製図の進化は人間の創意工夫の証であり、複雑なアイデアを視覚的に伝える能力が文明の発展にいかに重要な役割を果たしてきたかを示しています。

エンジニアリング図面は、複雑な場合もある部品やアセンブリの要件を規定するものです。規格は、それらの仕様と解釈に関する規則を提供します。標準化は国際化にも役立ちます。なぜなら、異なる言語を話す異なる国の人々が同じエンジニアリング図面を読み、同じように解釈できるからです。

主要な製図規格の一つに、ASME Y14.5およびY14.5M（最新版は2018年）があります。これらは米国で広く適用されていますが、ISO 8015（幾何製品仕様（GPS）－基本－概念、原則および規則）も現在では重要視されています。2018年には、航空宇宙産業をはじめとする様々な産業に特有の高度な手法を開発し、Y14.5規格を補完するために、 ASME AED-1が制定されました。

2011年に、 ISO 8015（幾何製品仕様（GPS）－基本－概念、原則及び規則）の新しい改訂版が発行され、呼び出し原則が盛り込まれました。この原則では、「機械工学製品文書でISO幾何製品仕様（GPS）システムの一部が呼び出されると、ISO GPSシステム全体が呼び出される」と規定されています。また、図面に「公差 ISO 8015」とマークすることは任意であるとも規定されています。これは、ISO記号を使用する図面はISO GPS規則にのみ従って解釈されることを意味します。ISO GPSシステムを呼び出さない唯一の方法は、国内規格またはその他の規格を呼び出すことです。英国では、BS 8888（技術製品仕様）が2010年代に重要な更新を受けています。

1970年代まで、何世紀にもわたり、すべての製図は紙やその他の基材（例えば、羊皮紙、マイラー）に鉛筆とペンを使って手作業で行われていました。コンピュータ支援設計（CAD）の登場以来、製図は10年ごとに電子媒体で行われることが増えてきました。今日では、ほとんどの製図はCADで行われていますが、鉛筆と紙が完全に姿を消したわけではありません。

手製図の道具には、鉛筆、ペンとそのインク、定規、T定規、フレンチカーブ、三角定規、定規、分度器、コンパス、スケール、消しゴム、画鋲または押しピンなどがあります。（かつては計算尺も道具の一つでしたが、今日では手製図を行う場合でも、ポケット電卓やその画面上の同等品が役立ちます。）もちろん、製図板（製図ボード）やテーブルも道具に含まれます。英語の慣用句「to go back to the drawing board」（製図板に戻る）は、何かを根本から考え直すという意味の比喩表現ですが、これは製造中に設計上の誤りを発見し、製図板に戻って設計図を修正するという実際の行為から着想を得ています。製図機は、製図板、定規、パンタグラフなどの道具を1つの統合された製図環境に組み合わせることで、手製図を支援する装置です。CADは、それらの仮想的な同等物を提供します。

図面の作成には通常、原図を作成し、それを複製して、製造現場、仕入先、社内アーカイブなどに配布するための複数のコピーを作成するという手順が含まれます。従来の複製方法では、青と白の印刷（青地に白、または白地に青）が用いられていたため、エンジニアリング図面は長い間、そして今日でもしばしば「ブループリント」または「ブルーライン」と呼ばれていました。ただし、これらの用語は文字通りの意味では時代錯誤です。なぜなら、今日のエンジニアリング図面のコピーのほとんどは、白紙に黒または多色の線を印刷するより現代的な方法（多くの場合インクジェットまたはレーザー印刷）で作成されているからです。より一般的な用語である「プリント」は、現在米国ではエンジニアリング図面の紙のコピー全般を指す言葉として一般的に使われています。CAD図面の場合、原図はCADファイルであり、そのファイルの印刷物が「プリント」です。

ほぼすべてのエンジニアリング図面（おそらく参照専用の図や初期スケッチを除く）は、形状（形状と位置）だけでなく、それらの特性の寸法と公差^{[ 1 ]}も伝達します。寸法と公差のシステムはいくつか進化してきました。最も単純な寸法システムは、点間の距離（オブジェクトの長さや幅、穴の中心位置など）を指定するだけです。十分に発達した互換性のある製造の出現以来、これらの距離にはプラスマイナスまたは最小値と最大値の制限タイプの公差が伴うようになりました。座標寸法では、共通の原点を持つデカルト座標ですべての点、線、平面、プロファイルを定義します。座標寸法は、第二次世界大戦後に幾何寸法公差（GD&T）が開発されるまで、唯一最良の選択肢でした。GD&Tは、座標寸法の制約（例えば、長方形のみの公差域、公差の積み重ね）から脱却し、形状と寸法（つまり、形状／位置とサイズの両方）の両方に対して最も論理的な公差設定を可能にします。

図面には、以下の重要な情報が示されています。

• 幾何学– オブジェクトの形状。ビューとして表現され、正面、上面、側面など、さまざまな角度から見たときにオブジェクトがどのように見えるかを示します。
• 寸法– オブジェクトのサイズは、一般的に認められている単位で表されます。
• 許容誤差– 各寸法における許容されるばらつき。
• 素材– アイテムが何でできているかを表します。
• 仕上げとは、製品の表面品質（機能面または外観面）を指定するものです。例えば、大量生産される製品は、産業機械内部に使用される部品などに比べて、はるかに高い表面品質が求められるのが一般的です。

線のスタイルと種類

さまざまな線種を用いて、物理的な物体をグラフィカルに表現します。線種には以下のようなものがあります。

• 可視線とは、特定の角度から直接見えるエッジを表すために使用される連続線です。
• hidden – は、直接見えないエッジを表すために使用される短い破線です。
• 中心線は、円形の要素の軸を表すために使用できる、長短の破線が交互に並んだ線です。
• 切断面は、細い中程度の破線、または太い長破線と二重短破線が交互に並んだ線で、断面図の断面を定義するために使用できます。
• 断面線とは、切断または断面化される材料によって決まるパターン状の細い線で、断面図において切断によって生じる表面を示すために使用されます。断面線は一般的に「クロスハッチング」と呼ばれます。
• ファントム（図示せず）は、指定された部品またはアセンブリの一部ではない特徴またはコンポーネントを表すために使用される、交互に長い破線と短い二重破線の細い線です。たとえば、テストに使用される可能性のあるビレットの端面、またはツーリング図面の焦点となる機械加工製品などです。

行は、各行に文字を割り当てる文字分類によって分類することもできます。

• A線は、物体の特徴の輪郭を示す線です。図面の中で最も太い線であり、HBよりも柔らかい鉛筆で描かれます。
• タイプBの線は寸法線であり、寸法記入、投影、延長、または引出線に使用されます。2H鉛筆のような硬めの鉛筆を使用してください。
• タイプCの線は、対象物全体が表示されていない場合の区切り線として使用されます。これらはフリーハンドで描かれ、短い区切り線としてのみ使用されます。2H鉛筆
• タイプDの線はタイプCに似ていますが、ジグザグになっており、長い間隔でのみ使用されます。2H鉛筆
• タイプEの線は、物体の内部構造の隠れた輪郭線を示します。これらは点線です。2H鉛筆
• タイプF線はタイプE線と同じですが、電気工学の図面に使用されます。2H鉛筆
• 中心線にはG型線を使用します。点線ですが、10～20mmの長い線 、1mmの 間隔、そして2mmの短い線が続きます 。2H鉛筆
• タイプHの線はタイプGと同じですが、2本おきの長い線が太くなっています。これらは物体の切断面を示します。2H鉛筆
• K型線は、物体の交互の位置と、その物体がたどる線を示します。これらは、10～20mmの長い線 、短い間隔、2mmの短い線 、間隔、そしてもう1本の短い線で描かれます。2H鉛筆を使用します。

複数の視点と予測

ほとんどの場合、必要な機能をすべて表示するには単一のビューでは不十分であり、複数のビューが使用されます。ビューの種類には、次のものがあります。

マルチビュー投影

多面投影は、対象物を正面、右、左、上、下、または背面から見た様子（例えば、主投影図）を示す正投影の一種であり、通常は第一角法または第三角法の規則に従って互いの相対的な位置関係が決定されます。投影線（投影線とも呼ばれる）の原点とベクトル方向は、以下で説明するように異なります。

• 第一角法では、平行投影器は、あたかも観察者の背後から放射状に発せられたかのように、3D物体を透過して、その背後にある直交平面に2D画像を投影します。3D物体は、まるでその物体のレントゲン写真を見ているかのように、2Dの「紙」空間に投影されます。上面図は正面図の下に、右側面図は正面図の左側に表示されます。第一角法はISO規格であり、主にヨーロッパで使用されています。
• 第三角法では、平行投影器は物体の反対側から放射状に発せられたかのように始まり、3D 物体を通過して、その前面の直交平面に 2D 画像を投影します。3D 物体のビューは、物体を包み込む箱のパネルのようで、パネルは図面の平面に平らに開くときに回転します。^{[ 6 ]}したがって、左側のビューは左側に、上面のビューは上に配置され、3D 物体の前面に最も近い特徴は、図面では正面図に最も近い位置に表示されます。第三角法は主に米国とカナダで使用されており、ASME規格 ASME Y14.3Mに従って、デフォルトの投影システムとなっています。

19 世紀後半まで、北米とヨーロッパでは第一角法が標準でした。^{[ 7 ] [ 8 ]}しかし、1890 年代頃には、第三角法が北米のエンジニアリングおよび製造業界全体に広まり、広く採用される慣習となりました。^{[ 7 ] [ 8 ]}そして 1950 年代には ASA の標準となりました。^{[ 8 ]}第一次世界大戦の頃、イギリスでは両方の投影法を併用することがよくありました。^{[ 7 ]}

上記のように、前面、背面、上面、底面を構成する面の決定方法は、使用する投影方法によって異なります。

すべてのビューが必ずしも使用されるわけではありません。^{[ 9 ]}一般的には、必要なすべての情報を明確かつ経済的に伝えるために必要な数のビューのみが使用されます。^{[ 10 ]}正面図、上面図、右側面図は、デフォルトで含まれるビューの中核グループと一般的に考えられていますが、^{[ 11 ]}特定の設計のニーズに応じて、任意のビューの組み合わせが使用される場合があります。6 つの主要なビュー (正面、背面、上面、底面、右側面、左側面) に加えて、部品の定義とその伝達の目的に役立つ補助ビューまたは断面を含めることができます。ビュー線または断面線 (「AA」、「BB」などの矢印が付いた線) は、ビューイングまたは断面の方向と位置を定義します。場合によっては、注記によって、ビューまたは断面が図面のどのゾーンにあるかを読者に知らせます。

補助ビュー

補助図は、6 つの主図以外の平面に投影された正投影図です。^{[ 12 ]}これらの図は、通常、対象物に何らかの傾斜面が含まれている場合に使用されます。補助図を使用すると、その傾斜面 (およびその他の重要な特徴) を実際のサイズと形状で投影できます。エンジニアリング図面内の特徴の実際のサイズと形状は、視線 (LOS) が参照される平面に垂直である場合にのみ知ることができます。それは 3 次元オブジェクトのように表示されます。補助図は、軸測投影を使用する傾向があります。補助図が単独で存在する場合、ピクトリアルと呼ばれることもあります。

等角投影図

等角投影は、対象物の各軸に沿った縮尺が等しい角度から対象物を示します。等角投影は、正投影図から始めて、対象物を垂直軸を中心に±45°回転させ、続いて水平軸を中心に約±35.264°[= arcsin(tan(30°))]回転させることに相当します。「等角」はギリシャ語で「同じ尺度」を意味します。等角図が魅力的な理由の1つは、コンパスと定規だけで60°の角度を簡単に作図できることです。

等角投影は軸測投影の一種です。軸測投影の他の2つの種類は次のとおりです。

• 二等分投影
• 三方投影法

斜投影

斜投影は、三次元物体の二次元的な画像を生成するために使用される、単純なタイプの図式投影法です。

• 平行光線（プロジェクター）を交差させることで画像を投影する。
• 描画面（投影図）を持つ三次元のソースオブジェクトから。

斜投影と正投影のいずれにおいても、光源となる物体の平行線は、投影された画像にも平行線として現れる。

透視投影

遠近法とは、目で知覚されるイメージを平面上に近似的に表現したものです。遠近法の最も特徴的な2つの要素は、物体が以下のように描かれることです。

• 観察者からの距離が大きくなるにつれて小さくなる
• 遠近法による短縮：視線に沿った物体の寸法は、視線を横切る方向の寸法よりも相対的に短くなる。

断面図

投影図（補助図または多重図）は、指定された切断面に沿ってソースオブジェクトの断面を示します。これらの図は、通常の投影図や隠線よりも内部の特徴をより明確に示すためによく使用され、隠線の数を減らすのにも役立ちます。組立図では、ハードウェアコンポーネント（ナット、ネジ、ワッシャーなど）は通常、断面化されません。断面図は、オブジェクトの半分の側面図です。

図面のサイズ

図面のサイズは通常、 ISO（世界標準）またはANSI/ASME Y14.1 （米国規格）のいずれかの規格に準拠します。

メートル法の図面サイズは、国際規格の用紙サイズに対応しています。これらは、コピーが安価になった20世紀後半にさらに改良されました。エンジニアリング図面は簡単にサイズを2倍（または半分）にして、スペースを無駄にすることなく、次の大きい（または小さい）サイズの用紙に印刷できます。また、メートル法の製図ペンは、ペンの幅を約√2倍に変えるだけで詳細や製図の変更を追加できるようにサイズが選択されました。ペンの完全なセットには、次のペン先サイズがあります。0.13、0.18、0.25、0.35、0.5、0.7、1.0、1.5、および2.0 mm。ただし、国際標準化機構（ISO）は4つのペン幅を要求し、それぞれにカラーコードを設定しました。0.25（白）、0.35（黄）、0.5（茶）、0.7（青）。これらのペン先は、様々な文字の高さやISO規格の用紙サイズに対応した線を描き出した。 

ISO規格の用紙サイズはすべて同じ縦横比（1の√2）を持つため、特定のサイズ用に作成された文書は、他のどのサイズに拡大縮小してもぴったり収まります。このようにサイズ変更が容易なため、特に一連の文書においては、同じ文書を異なるサイズの用紙にコピーまたは印刷することが一般的です。例えば、A3サイズの図面をA2サイズに拡大したり、A4サイズに縮小したりすることができます。

アメリカの慣習的な「Aサイズ」は「レターサイズ」に相当し、「Bサイズ」は「レジャーサイズ」または「タブロイドサイズ」に相当する。かつてはイギリスにも紙のサイズがあり、それらは英数字ではなく名称で呼ばれていた。

米国機械学会（ASME）のANSI/ASME Y14.1、Y14.2、Y14.3、およびY14.5は、米国で一般的に参照される規格です。

多くの技術分野と同様に、20世紀から21世紀にかけて、製図においてもさまざまな略語や記号が開発されてきました。例えば、冷間圧延鋼はCRSと略されることが多く、直径はDIA、D、または⌀と略されることが多いです。

ほとんどのエンジニアリング図面は言語に依存しない。文字はタイトルブロックに限定され、それ以外の箇所では文字の代わりに記号が使用される。^{[ 18 ]}

製造や機械加工におけるコンピュータ生成図面の登場に伴い、多くの記号が一般的に使用されなくなりました。これは、ASMEやANSI規格などの標準的な教科書や管理文書では容易に参照できない、難解な要素を含む古い手書き文書を解釈しようとする際に問題となります。例えば、ASME Y14.5M 1994では、第二次世界大戦当時の米海軍の図面や航空機製造図面に含まれる重要な情報を伝える要素の一部が除外されています。そのため、一部の記号の意図や意味を調べることは困難を極める可能性があります。

以下に、エンジニアリング図面の例を示します（上図は同じ対象物の等角投影図です）。線種の違いは、分かりやすくするために色分けされています。

• 黒＝対象線とハッチング
• 赤＝隠線
• 青色＝部品または開口部の中心線
• マゼンタ＝幻線または切断面線

断面図は、右側の例を示すように、矢印の方向で示されます。

設計図面は、アイデアを現実のものにするために資源を投入する人々に「何が必要か」に関する必要な情報をすべて伝えるため、法的文書（つまり、法的手段）です。したがって、設計図面は契約の一部であり、発注書と図面、および付随する文書（設計変更指示書（ECO）、仕様書など）が契約を構成します。そのため、完成した製品に誤りがあった場合でも、作業員や製造業者は、図面に示された指示を忠実に実行した限り、責任を問われることはありません。指示が間違っていた場合は、設計者の責任となります。製造や建設は通常、多額の資本と人件費を伴う非常に高額なプロセスであるため、誤りに対する責任の問題は法的意味合いを持ちます。

何世紀にもわたり、設計から製造への情報伝達の唯一の方法は、エンジニアリング図面でした。近年、モデルベース定義（MBD）またはデジタル製品定義（DPD）と呼ばれる別の方法が登場しました。MBDでは、CADソフトウェアアプリで取得された情報は、CAMアプリ（コンピュータ支援製造）に自動的に送られ、CAMアプリは（後処理アプリの有無にかかわらず）Gコードなどの他の言語でコードを作成し、 CNC工作機械（コンピュータ数値制御）、3Dプリンター、または（ますます普及している）両方を使用するハイブリッド工作機械で実行します。そのため、今日では、設計者の頭の中にある情報が、エンジニアリング図面によってコード化されることなく、製造された部品へと伝達されることがしばしばあります。MBDでは、図面ではなくデータセットが法的文書となります。 「技術データパッケージ」（TDP）という用語は、現在では、設計から生産に至るまでの情報伝達に必要な情報（3Dモデルデータセット、エンジニアリング図面、エンジニアリング変更指示書（ECO）、仕様改訂版および補足資料など）の完全なパッケージ（媒体を問わず）を指すのに用いられています。

製造には、CAD/CAMプログラマー、CNCセットアップ作業員、CNCオペレーターに加え、品質保証担当者（検査員）や物流担当者（資材の取り扱い、出荷・受入、およびフロントオフィス業務）などの人材が依然として必要です。これらの作業員は、業務の中でMBDデータセットから作成された図面をよく使用します。適切な手順が守られている場合、明確な優先順位が常に文書化され、図面を見た人が、その図面が正式な文書ではないこと（MBDデータセットが正式な文書であるため）が注記によって示されます。このような場合でも、図面は依然として有用な文書ですが、法的には「参考用」として分類され、何らかの論争や矛盾が生じた場合は、図面ではなくMBDデータセットが優先されます。

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