精密製造向け高度構造化光ビジョンソリューション

プロバイダーは、業界ユーザーのニーズと予算に合わせた多様なセンサーを提供しています。価格低下と性能向上に伴い、次の最適なアプリケーションは何かという疑問が生じます。

構造化光システムは、縞模様パターンを投影し、カメラと高度なソフトウェアでそれらをメトロロジーデータのポイントクラウドに変換することで表面を測定します。精度は数百万ポイントで一桁ミクロンに達します。新しい機器では取得速度がミリ秒単位で測定されます。これらのセンサーの手頃な価格と選択肢が増えています。ほとんどが2カメラステレオセットアップですが、一部は生産ライン付近でのより柔軟な展開のために単一カメラセットアップを使用しています。更なる展開と更なるアプリケーションが業界の特徴です。

この分野のパイオニアの一つはGOMで、現在はATOSラインの構造化光システムでオプションを拡張しています。「以前は、ATOSセンサーをハイエンドだが高価なスキャナーと見なす人がほとんどでした。しかし現在、GOMは構造化光スキャナーのラインアップ全体を提供しています」と、Capture 3D Inc.のナショナルセールスエンジニアリングマネージャー、Frank Stone氏（カリフォルニア州サンタアナ）。同社はATOSセンサーのバリューアドディストリビューターです。「市場を拡大するには、幅広い顧客に提供しなければならないと認識しました。すべての人が他の人と同じくらい厳しい公差と精度を必要とするわけではないからです」

同社が多様性を提供する良い例は、エントリーレベルシステムのATOS Coreです。オーナーのニーズに合わせて能力を拡張できます。Capture3Dによると、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のエントリーレベル用途には、高度な検査機能なしのスキャンが必要です。完全な「エントリーレベル」キットには、ポイントクラウドデータをSTLフォーマットのポリゴナルメッシュに変換するソフトウェアが含まれます。Coreは、手動操作から半自動操作へのアップグレードパスを提供し、タッチプローブと写真測量の追加で高品質メトロロジー検査が可能になります。同じデバイスを、産業用品質管理検査のフルオートメーションへ最終的にアップグレードすることもできます。

しかし、GOMはハイエンドシステムの改善も止めていません。最新のATOS 5とATOS 5Xは、産業用途向けに設計され、測定を生産ラインに統合しています。過酷な環境で構造化光を使用する鍵の一つは、収集時間を短縮し、振動とノイズへの感度を下げることです。同社によると、ATOS 5は100フレーム/秒で0.2秒（200ミリ秒）でスキャンを取得。ATOS Scanbox自動化システムと組み合わせると、自動車ボディクロージャー、インストルメントパネル、エンジンタービンブレード、鋳造部品の測定に使用可能。ロボットに搭載したカスタム統合では、自動車製造で一般的なボディインホワイトの完全測定が可能です。

投影光源の多様性

ユーティリティをさらに拡張するため、より高度なATOS 5Xはより明るい光源を使用します。「ATOS 5Xは統合レーザー光圧縮器を使用してより明るい光源を提供し、測定体積を拡大します」とStone氏は説明。「以前は700mmまででしたが、この新光源で同じ時間で最大1,000mmまで測定可能になりました。スキャンあたり0.2秒です。技術的には依然として構造化光であり、干渉計を行うためのレーザーのコヒーレンスは使用していません。非常に明るいが標準的な構造化光デバイスです」

Hexagon Manufacturing Intelligence（ロードアイランド州ノースキングスタウン）も近年、幅広い構造化光スキャニングデバイスを開発しています。これらは、シングルスライド投影を使用するものと、マルチフリンジ投影を使用するものの2つの基本技術に分類されます。シングルスライドセンサーは速度と過酷な条件での使用を重視し、HexagonのWLS qFLASH、BLAZE 600、WLS 400が含まれます。

「これらのセンサーは高速画像取得を重視します」とHexagonのテクニカルプログラムマネージャー、Amir Grinboim氏。平均0.015秒（15ミリ秒）でデータを取得。収集速度が重要で、これが工場現場での使用に理想的な理由です。「哲学は『どこでも測定』です」とGrinboim氏。

一方、マルチフリンジ投影技術は遅いですが、より高い解像度を提供します。これにはHexagonのAICON製品が含まれます。「ショットを撮ると、投影のシーケンスから画像が構築されます。それらの投影は部品に投影されるラインであり、それらのラインは画像取得プロセスとともに移動し向きを変えます。これは比較的長いプロセスで」とGrinboim氏は説明し、単一取得で平均2秒かかると述べます。「目標は速度ではなくポイントクラウドの品質です」

Hexagonは最新センサーAICON StereoScan neoでRGB DLPプロジェクターを使用。センサーは75mm〜1,100mmの幅広い測定フィールドを持ち、カメラレンズまたはベース長の変更で対応。取得時間は約2秒で、8メガピクセルまたは16メガピクセルカメラを装備可能。

RGB DLPプロジェクターが理想的なのは、測定値をCAD公称値と比較した偏差のカラーマップに変換し、測定したばかりの部品に投影し直せる用途です。

「設計作業、工具のリワーク、鋳造でのオーバーストック/アンダーストック材料の表示に最適です。これらすべてが、コンピューター画面やPDFを参照せずに、エンジニアの目の前の部品上で可視化できます」とGrinboim氏は説明。

Hexagonはこれを「See What You Measure（SWYM）」と呼んでいます。「鋳造、鍛造、射出成形プラスチックの測定と作業に最適です。大型形状部品の場合、ソフトウェアが部品上の参照ターゲットなしで複数の取得を自動的にステッチングします」

産業化と自動化

「構造化光スキャナーの一般的な用途には、リバースエンジニアリング用のレガシーツーリングと航空宇宙用途があります。両者は一般的に構造化光ハードウェアが対応するより高精度な公差を必要とします」と、Exact Metrologyのディビジョンマネージャー、Greg Groth氏（ウィスコンシン州ブルックフィールド）。Exact Metrologyは、契約測定・スキャンサービス、メトロロジー機器ソリューション、ハードウェア・ソフトウェアレンタルを提供。ポータブルアームCMMからハイエンドCTスキャナーまでのメトロロジーデバイスを提供・使用しています。

同社はGOM ATOS構造化光システムも使用。ATOS II Triple ScanとATOS III Triple Scanを含み、契約業務で使用。また、Hexagon Manufacturing IntelligenceのAICON PrimeScanも販売しています。

自動化が構造化光デバイスの主流用途になりつつあります。「現在、自動化の世界が構造化光技術を採用しています。ロボットセルがより安全かつコスト効率よくなるのと並行してハードウェアが安価になるにつれ、インライン自動化の人気が高まっています」とGroth氏。「取得速度がサブセカンドに向上するにつれ、スループット効率の新たな世界が開けます」

同氏は、AI、IoT、ビッグデータ分析といった今日の産業バズワードが構造化光システムの採用に影響を与えていると考えます。「大きな変化の一つは、ダイナミックフィードバック、つまりループシステムです。例えば、コンポーネントをスキャンし、設計意図のCADデータと比較し、それらの不一致を製造プロセスにフィードバックし、ツーリングに適応的変更を加えて正しい部品を作る、といったものです」

Carl Zeiss Industrial Metrology LLCのポータブル3Dスキャニング製品セールスマネージャー、Ian Scribner氏（ミシガン州ブライトン）も、自動化への注力について同様の観察を述べています。「過去数年間、ハードウェアを自動化するためのソフトウェア強化に焦点の大半が置かれてきました」

Zeissが提供する構造化光システムの歴史も、分野の初期創設者の一つであるSteinbichler社に遡ります。Zeissは数年前に同社とその技術を買収。Zeiss COMETラインの構造化光システムはこの遺産から来ていますが、現在はZeiss独自の改良を見せています。一例は、表面欠陥検出に使用されるZeiss ABIS IIシステム。自動車製造におけるクラスAボディ表面の測定に特に有用で、再び生産ライン上または付近での使用向けに設計されています。

Zeissのより最近の提供の一つはCOMET Pro AE。このデバイスは、同社のパッケージ化された自動化ソリューション、AIBoxとAIBox flexシステムで使用されます。また、すべてのプロバイダーで普及している傾向である、異なるメトロロジー技術の組み合わせによる自動化と精度の向上も例示しています。

「COMET Pro AEは自動化専用です。フォトグラメトリーを含むいくつかの追加機能があります」とScribner氏。「これにより、より大きなコンポーネントをより高速かつ高精度に取得できます。また、ライトリングを備え、板金のスキャンと、穴、ストロップ、板金の切り抜きなどのフィーチャー詳細をより良く提供できます」

COMET Pro AEの取得時間は部品サイズに依存。例えば板金車体なら数分。結果は数千万ポイントで25〜35μm精度だとScribner氏。実際、同氏の最近の最大の成功事例は、板金部品の測定自動化にあります。

COMET Pro AEが「アットライン」デバイスとしてサンプルロット検査に有用である一方、ZeissはAIMax InlineとBestFitでインライン検査向け構造化光ソリューションも提供。これらは品質保証、位置認識、生産管理ジョブ（ロボットガイダンス含む）に適していると宣伝されています。

デバイスはスキャンポイントをSTLフォーマットサーフェスに変換して出力も可能。「多くの場合、COMET AIMaxはインラインゲージングのために特定のフィーチャーを探すようにプログラムされます」と同氏。プログラマブルであるため、ハードゲージの落とし穴を回避し、ますます手頃な価格で実現できます。

「毎年、構造化光システムグループとして価格が下がり、能力が上がり、新しいアプリケーションが開けています」とScribner氏。BestFitのコンパクトサイズは単一カメラ技術によって実現。また、設計対象の過酷な環境を認識し、両センサーともアクティブ補償による高温安定性を示します。

手頃な価格とアプリケーション

ビジョンシステム市場に大きな変化が来ると、3D Systems Inc.のソフトウェアディレクター、Scott Green氏（サウスカロライナ州ロックヒル）は語ります。「高解像度構造化光システムの市場で、大きなシフトが起ころうとしています」

同社は、3Dプリンターから触覚フォースフィードバックデバイスまで幅広い製品を提供し、構造化光メトロロジーシステムラインも含みます。デバイス価格が下落しながら品質とスキャンカバレッジが向上するため、構造化光システムにこのシフトが起こるとGreen氏。

「これらは『クレジットカードで購入できる』システムになりつつあります。今日でも、1万ドル以下で販売される非常に低コスト・高品質な構造化光センサーがあります」と同氏。これは、市場に最初に導入された10万ドル以上のシステムとは大きく異なります。3D Systemsは、産業グレードスキャナーと称するCaptureと、より小型のCapture Miniを提供。もう一つのハンドヘルドデバイスも構造化光を使用し、小物の迅速な測定に対応。

どうしてこれが可能なのか？これらのシステムには高品質・精密な光源と精密な投影パターンが必要。カメラは最大16メガピクセルのシャープな画像を取得する必要があります。それらのコンポーネントからデータを取り出すには、高度なソフトウェアと数学が必要です。数十年の改良によりソフトウェアとアルゴリズムがより洗練されました。しかし、同氏はシステムの本質は「シンプル」だと主張します。「構造化光システムは基本的に2台のカメラとプロジェクター、それにコンピューターとソフトウェアです」

一般消費者市場がそれらのコンポーネントのコストと品質曲線を牽引しています。このレベルのコンピューティングはほぼ無料になりつつあります。大量生産されるスマートフォンとコンシューマーグレードカメラにより、デジタルカメラと光源が急速に進化しています。

「構造化光センサーを構築する機能的コンポーネント、つまり実際のコンポーネントが 훨씬 手頃になっています」とGreen氏。「そのため、内部コンポーネントがより入手しやすく安価になるにつれ、その種の高品質構造化光の所有コストが下方シフトしています」

ハードウェアコストが下がれば、付随するソフトウェアへの価格圧力が高まると同氏。総所有コストの低下により、現在安価になった構造化光システムを専用用途で使用できるようになるとGreen氏。自動車ボディインホワイトのギャップ・フラッシュ測定や、マシニングセルでの個別センサーによる個別フィーチャーの100%検査などを想定。

「適切な用途では、生産現場により近い、よりスマートなセンサーが手に入ります」と同氏。「それらの用途でのデスクトップソフトウェアの役割は、情報アグリゲーターのようなものになるでしょう」