■テクニカルレポーター：マシュー・マクミリオン（Matthew McMillion）

■概要：

これまで何十年もの間、高精度な測定を必要とする企業は、しばしばCMM（座標測定機）を利用してきました。しかし、最近では、どこにでも持ち運びができ、使い勝手がよく、表面安全性が高く、非接触で、10倍から50倍速く測定できるなど、CMMに対して多くの魅力的な利点を持つ別のソリューションが、この分野に参入してきました。

はじめに

正確な直線計測は、もう何千年も前から社会の基盤となっています。最初の計測器は、指の幅、足、キュビット（肘から中指までの距離）など、人体そのものだったのです。それ以来、私たちは長い道のりを歩んできました。

やがて、定規、ノギス、巻尺などが発明されました。これらの道具は今日でも私たちの手元にあり、計測の道具箱の中で当然のように位置づけられています。しかし、1950 年代後半から 1960 年代前半にかけて、最初の 3 軸 CMM が市場に登場しました。その後、1980 年代前半には、測定アームを備えたポータブル CMM が登場しました。

年を追うごとに技術は向上し、最新の CMM は世界中で何千人ものユーザーに愛用され、品質検査の歴史に名を刻んでいます。

三次元測定機は、制御式、プログラム式に関わらず、リバースエンジニアリングやラピッドプロトタイピングなど、品質管理以外の分野でも使用されています。

三次元測定機のしくみ

焼入れ鋼製ウォームギヤのCMM測定

例えば、起伏のある地形図を指でなぞる。指先を山脈の縁に滑らせ、深い谷を通り抜け、最高峰まで登っていく。このとき、指先の経度（X）、緯度（Y）、高度（Z）の座標は、移動に伴って変化していきます。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　

タッチトリガープローブは、測定対象物の表面上のポイントを記録します。

座標測定機もこれと同じような機能を持っています。ここでは、現在最も普及しているタッチトリガープローブを搭載した三次元測定機を例にとって説明します。この高感度プローブは、測定対象物の表面上の点を記録します。

プローブが触れている 3 軸（XYZ）が CMM に記録され、他の数十から数百の XYZ 計測値と組み合わせて、対象物やパーツを正確に計測します（多くの場合、検査用として使用されます）。これらの測定値を仕様と比較することで、その部品が許容できる規格に適合しているかどうかを検証します。

CMMマシンのカテゴリー

三次元測定機には、ブリッジ、カンチレバー、ガントリー、水平アームの4つの基本的なタイプがあります。このうち、ブリッジ CMM は最も普及しており、マイクロメートル精度の測定が可能です。製造コストが低いため、比較的手頃な価格で入手できます。

機械加工部品のバッチ

カンチレバー CMM は、小さなオブジェクトやパーツを扱うために設計されており、通常、ショップフロアでの使用に適しています。ガントリ CMM は、ブリッジ CMM の精度を維持しながら、大型で重量のあるパーツの測定に適しています。ガントリマシンは床に設置するため、設置に強固な基礎が必要です。

水平アームの CMM は最も精度が低いですが、自動車、船舶、鉄道産業など、特に生産量の多い大型の部品やコンポーネントを検査する際に多くの利点があります。重要な公差仕様が CMM の性能を超えない限り、水平アームは費用対効果の高い検査ソリューションとなります。

CMMプローブの種類

三次元測定機のプローブには、タッチトリガープローブ、変位測定プローブ、近接プローブ、マルチセンサープローブなど、さまざまな種類があります。まず、タッチトリガープローブについて説明します。三次元測定機のプロセッサーに座標を送信するためには、測定対象物の表面に接触させる必要があります。一方、変位計測プローブは、測定対象物をスキャンして、表面計測データを CMM に送信します。

自動車部品をキャプチャするCMM技術者とロボット

近接プローブは、変位測定プローブと同様に、プローブが対象物に物理的に接触する必要がない点で動作します。近接プローブが異なる点は、変位測定プローブが採用している光電センサーではなく、レーザーまたはビデオ技術を使用している点です。

三次元測定機の強み

どの計測専門誌を開いても、CMM が様々な形状で信じられないようなサブミリ単位の精度と正確さを実現できることを思い知らされるでしょう。その上、主要な座標測定機は何年も稼働し続けることができます。このような技術に投資することは、10年以上にわたって機器を使用できることを期待するという観点で見ることができます。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　

CMMは、さまざまな形状において、ミリメートル以下の驚異的な精度を実現することができます。

三次元測定機は、生産前検査、インライン検査、最終検査のいずれにおいても、部品やコンポーネントをチェックするための効果的なソリューションとなります。確立された品質検査のワークフローの中で使用すれば、サブミリメーターレンジまで正確に測定できるCMMは、時間とコストの両方を節約し、訴訟や大惨事の発生を防ぐことさえできます。

デメリット

コスト、インストール、プログラミング

高品質の三次元測定機の価格帯は、機能や性能にもよりますが、5万円前後から25万円以上までと幅広いです。10年に一度の買い物と考えても、かなりの出費となります。設置は、二次的なコストとして考慮する必要があります。CMM は、十分な換気のある部屋、防振台、安定した圧縮空気の供給が可能な手元にある状態で適切に設置する必要があります。

CMMによるエンジンブロックの検査

中級機と呼ばれる三次元測定機は、設備と工事で50万円を超えることもあります。さらに、トレーニングも必要です。計測機器である CMM は、技術的に有能な専門家が操作する必要があります。これには時間とトレーニングの両方が必要です。さらに、このような経験豊富な技術者は、業界全体で高い需要があります。

CMM 機械を設置し、資格のあるオペレーターを配置して準備が整ったら、初期校正に加えて、定期的に測定するパーツやオブジェクトの種類に応じて機械をプログラミングする必要があります。通常、特殊なコンポーネントの単発検査は、事前に特別なプログラミングを行う必要があるため、設定に時間がかかる場合があります。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　

航空宇宙、自動車、考古学などで見られるような大型の対象物では、十分な計測を行うには時間がかかりすぎることがあります。

CMM では、測定前に部品を適切に位置決めし、固定する必要があるため、オペレーターは測定対象物ごとにこの時間を考慮する必要があります。また、航空宇宙、自動車、考古学などで見られるような大型の測定対象物の場合、測定時間が非常に長くなることがあります。これは、オペレーターの疲労につながる可能性があります。

測定が遅い、オペレーターの疲労、破損の危険性

例えば、バイキング時代の船から出土した長さ8mの船材を、海洋考古学者たちがCMM（ファローアーム）を使って正確に計測しようとしたときのことです。当時、1本の材木を測定するのに2時間以上かかりました。228本の材木を前に、4人のチームがこの機械ですべてを処理するには、1年以上かかっていました。

Artec Evaで古代の船の材木を撮影する海洋考古学者

納期が迫っていたため、考古学者たちは3Dスキャンに目をつけました。CMMとは対照的に、彼らが選んだ携帯型3Dスキャナは、わずか1ヶ月で228本の木材を高解像度のカラーでキャプチャし、処理することができました。各木材の撮影時間は、わずか5～10分。また、年輪年代学的な分析により、古代の木材がどこで作られたかを特定するのに十分なレベルのスキャンができました。

測定時間が長いだけでなく、一般的なプローブを使用してCMM機で部品を検査する場合、測定するすべての面にプローブを接触させる必要があります。特に、パーツの一部がブロックされていたり、届きにくい場所にある場合には、これが困難になることがあります。その結果、その面を測定することができず、後からソフトウェアで再現しなければならなくなることがあります。その結果、精度が落ちてしまうのです。

自動車部品の寸法を測定するCMMマシン

そのため、三次元測定機では接触が必要なため、様々なアプリケーションで使用することができません。ゴムや柔らかい部品に接触すると、測定プローブが変形して誤差が生じるだけでなく、CMM のプローブが様々な素材にダメージを与えることが少なくありません。傷や擦れなど、表面上の欠陥が発生しやすいのです。

このため、リバースエンジニアリングや考古学、品質管理や歴史的保存、科学捜査など、さまざまな分野で3Dスキャニングなどの非接触測定法が採用されています。高価な品物や重要な証拠が危険にさらされているとき、取り返しのつかないダメージが発生する可能性を残してはならないことを、世界中の専門家が理解しているのです。

3Dスキャニングという有効な代替手段

前述したように、業務用ハンドヘルド／デスクトップ3Dスキャナは、品質保証、検査、リバースエンジニアリングなど、最も要求の厳しいタスクに対しても効果的なソリューションとなりえます。工場のフロアや搬入口など、生産ワークフローのどの段階でも、このようなスキャナを使えば、その場に固定されたCMMマシンが1時間以上かけて測定したものを、わずか数分でサブミリメートル単位の3Dでキャプチャすることができます。

スピード、使いやすさ、携帯性

大英博物館では、19世紀の古代マヤ遺跡の壊れやすい石膏模型をわずか数週間で400点以上撮影するという2人組のチームを結成し、その様子を生き生きと伝えています。時間的な制約もさることながら、破損のリスクもあるため、物理的な接触測定は問題外でした。サブミリメートル単位の精度が不可欠であり、研究者や博物館は、実物そっくりの仮想モデルや3Dプリントされたモデルを心待ちにしていました。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　

プロフェッショナル向け3Dスキャナは、操作が簡単で、品質保証、検査、リバースエンジニアリングのような最も要求の厳しいタスクに対しても、迅速かつ効果的なソリューションとなりえます。

中型から大型の石膏模型を、1体あたりわずか10分でスキャン。アクセスしにくい深い彫り込みや曲面も含め、すべての面を高精細なカラー3Dで丁寧に取り込みました。仮にCMMを使ったとしても、1つの鋳型にかかる時間は1時間をはるかに超え、この緊急プロジェクトは納期を数カ月も過ぎてしまったことでしょう。

大英博物館のArtec Evaを使ったマヤ遺跡の3Dスキャンキャスト

優れた3Dスキャナは操作が簡単で、1～2時間のトレーニングで、全くの初心者でも3Dを使いこなすことができます。つまり、既存の従業員でも、この技術を習得し、品質検査業務に活用することは十分に可能なのです。

手頃な価格、直感的なソフトウェア、表面にやさしいデータ取り込み

CMMとは異なり、3Dスキャナは設置費用が不要で、通常トレーニングが含まれており、最終的な価格は比較にならないほど安価です。軽量で持ち運びが容易なため、オフィス内やクライアント先で使用することができ、高品質の3Dスキャナは長年にわたって使用できるように設計されています。

選んだデバイスに、解像度と精度を向上させるスキャン・ソフトウェアが付属していれば、数年後でも、箱から取り出したときよりも良い結果が得られるでしょう。

Artec Evaでスキャンした金属部品の3Dモデル：HDモードを搭載したArtec Studioにアップグレードすると、結果が劇的に改善されました。

特に検査用に対象物の明確なデータを取得する場合、プロフェッショナル向け3Dスキャナには、表面距離マッピングなどのわかりやすいビジュアルレポート機能を備えた、使いやすいスキャン処理ソフトウェアが含まれている必要があります。さらに、例えばGeomagic Control Xのようなフル機能の検査パッケージと統合されていることは、大きな利点となります。

100％非接触のスキャンは、作業対象物にダメージを与えるリスクをゼロにします。これは、公差の厳しいシリコン製の航空宇宙部品、数千年前の化石、犯罪現場での重要な科学捜査の証拠、貴重な博物館の展示品などです。保険会社、品質検査官、博物館の職員など、特に過去に接触測定によるダメージの後処理をしなければならなかった人たちは、このことに安堵のため息をつくことでしょう。

Artec Evaでケニアの古代ワニの化石を撮影

市場投入までの時間短縮、無数のアプリケーション、自動化の可能性

近年、ポータブル3Dスキャンソリューションは、あらゆる製造業の足場を固めています。このような技術は、製造サイクルの早い段階で慎重に定義された標準を達成する力を経営者に与えます。そうすることで、設計-製造-テストのサイクル数を必要最低限にまで最適化できるため、時間とコストを大幅に節約できるとともに、顧客の拒否率をなくし、訴訟も回避できます。

携帯型やデスクトップ型の3Dスキャナは機動性が高く、キャプチャ時間も早いため、こうした機器を複数の部署で共有できる可能性が出てきます。3Dスキャナが単に高精度な品質検査だけでなく、リバースエンジニアリング、VR/ARトレーニング、ラピッドプロトタイピングなどにも使用できることに企業が気づけば、その技術のROIは最大に押し上げられるでしょう。

最近のAIと3Dスキャン技術の発展により、自動3Dスキャンソリューションが最前線に押し上げられました。人間の入力はほとんど必要なく、同一の高度に複雑なオブジェクトやパーツのバッチを理想的なスキャン経路でキャプチャし、最高の精度で迅速かつ完全に表面をキャプチャすることができます。検査に関しては、プリプロダクションであれポストプロダクションであれ、プロフェッショナルなデスクトップおよびロボットアーム3Dスキャンソリューションは、あらゆる差異や欠陥を正確に検出しながらターンアラウンドタイムを短縮することができます。その結果、よりスムーズで無駄のないワークフローが実現し、材料費の削減、返品の減少、優れた品質基準がもたらされます。

まとめ

Artec Leo: ワイヤレス自動オンボード処理機能を備えた高速サブミリメートル精度3Dスキャナ

CMM は、今日の計測ワークフローにとって効果的なソリューションであることは間違いありません。しかし、購入を決定する前に、他の測定技術についても慎重に検討する必要があります。上記のように、多くの企業や組織では、最新のハンドヘルドおよびデスクトップ3Dスキャンソリューションは、CMMよりも多くの利点を提供します。

【キーポイント】－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－　

多くの企業や組織にとって、最新のハンドヘルドおよびデスクトップ3Dスキャンソリューションは、CMMと比較してさまざまなメリットをもたらします。

決定するための最良の方法は、実際に見てみることです。まず、CMMマシンのデモを手配し、アプリケーションのニーズに応じて、ハンドヘルドまたはデスクトップのプロフェッショナルな3Dスキャンソリューションに近づけることから始めましょう。事前に必要な要件をリストアップしておきます。そして、それぞれのデモの後、各ソリューションの価格見積もりを手に、オペレーターのコストと社内の他の部署でのデバイス使用の可能性を考慮するようにしてください。

要約すると、プロフェッショナルなハンドヘルドおよびデスクトップ3Dスキャンソリューションは、専門的なトレーニングの有無にかかわらず、誰でもポータブルでサブミリメーターデジタルキャプチャと計測レベルの測定を、CMMマシンのコストと継続的なメンテナンス責任のほんの一部で実現することができます。