三次元測定機（CMM）の潜在能力を最大限に引き出す

50年以上にわたり、三次元測定機（CMM）は測定生産性と品質を向上させてきました。CMMの力により、多くの複雑な検査タスクがほぼ些細なものに見えるほどです。これほどの測定能力があるのに、オペレーターはCMMを当然視しすぎていませんか？

CMMは高価で、高度なソフトウェアと複雑な精度仕様を備えていますが、多くのCMMが、CMMについて限られた知識しかないオペレーターによって日々成功裡に効率的に使用されています。現代テクノロジーの多くと同様、CMMの日常使用は容易になる一方で、その技術を適切にサポートするために必要な知識レベルはかなり高くなり得ます。オペレーターがCMMをより良く理解し活用するための主要課題をいくつか詳しく見ていきましょう。

1950年代に導入された最初のCMMは、テーパーシリンダープローブを備えた手動検査装置で、2次元で穴間距離を素早く測定できました。これら初期CMMの目標は、レイアウト検査の数時間をわずか数分に短縮することでした。オリジナルCMMとの類似点を残しつつ、今日のモダンCMMは多様なスタイルで存在し、「三次元測定システム」という用語が「マシン」より頻繁に使われるようになっています。従来の3軸CMMは依然として人気ですが、アーティキュレーティングアーム、レーザートラッカー、光学スキャナー、X線、高度プロービングセンサー、高速インライン測定システム、その他3D測定技術が成長し、従来のCMM市場を変え続けています。

CMM校正

CMMの先進技術は、CMM測定精度の理解を複雑にしています。あらゆる測定プロセスの品質を考え、管理する際、我々はしばしば2つの別個の問題に焦点を当てます：一つは測定機器の精度、二つ目は測定プロセスの精度と繰り返し精度。測定機器の精度は、適切な校正と元メーカー仕様に対する検証で頻繁に管理されます。CMMも状況は同じですが、校正はより複雑です。

ゲージブロックのような単純なものの校正は理解しやすいです。長さ標準なので、長さを校正します。ノギスやマイクロメータのように長さを測るものなら、長さ測定用に校正します。CMMは多くの場合複数の動作軸、多様なプロービングセンサーを持ち、ほぼあらゆるものを測定するソフトウェアを備えています。ゲージブロックやノギスとは異なり、CMMが実行する各測定タスクごとに個別に校正することは経済的に実用的ではありません。また、CMMの機械的コンポーネント——個々の測定軸の精度や軸間直角度——を個別に校正することもあまり有用ではありません。すべてのコンポーネントが連携して働き、測定結果への影響が複雑だからです。

代わりにCMMは、CMMの測定体積全体で一連の長さ測定を実行することで校正されます。1980年代半ば以来、よく文書化された標準化テスト手順が利用可能で、最新は国際規格ISO 10360-2:2009、米国ではASME B89.4.10360.2として採用されています。主要テストは単純にEテストと呼ばれ、Eは示値誤差を表します。テストでは測定体積全体で様々な方向に105種類の長さ測定を行い、テスト値をメーカー公表仕様と比較します。CMM校正で最も一般的な基準標準はステップゲージで、これは異なる長さのゲージブロックのシリーズに似ています。レーザー干渉計のような他の基準標準も、最新ISO 10360-2規格で許容されています。

ISOおよびASME規格に従ったCMM校正は、全体的なシステム検証です。テストが不合格なら調整が必要です。調整完了には、二軸間直角度の測定・補正など追加測定が必要になる場合があります。テストが合格なら、CMMオペレーターはCMMの全体的な一般精度に自信を持てます。しかしCMMは多様なタスクに使えるため、CMMの特定用途による追加誤差の理解も考慮しなければなりません。

CMM繰り返し精度

測定プロセス品質を評価する際、何らかの繰り返し精度スタディを実施するのはかなり一般的です。多くの業界でこれはゲージ繰り返し精度・再現性スタディ、すなわちGR&Rと呼ばれます。繰り返し精度スタディの目的は、比較的短期間での測定プロセスのばらつきを見つけ、機器校正の長期評価を補完することです。GR&Rや繰り返し精度スタディは、測定プロセスのエラーなど、ばらつきのありそうな原因を適切に評価するよう設計される必要があります。従来の手動操作測定機器では、オペレータースキルとオペレーター・測定機器の相互作用が重要で、時には最も支配的な誤差源になります。完全自動化CMMでは、これらの誤差源は消える可能性があります。

あらゆる自動測定プロセスでは、繰り返し精度スタディの設計が真のばらつき源に敏感でないため、繰り返し精度がかなり小さく見えることがあります。CMMでは、スタディにプロービングセンサーの校正（プローブチップ資格付けとも呼ばれる）の影響、測定点の分布と数の影響（サンプリング戦略）を含めるべきです。これら両誤差源は特定の測定タスク固有のもので、一般的にCMM校正では十分にカバーされていません。GR&Rスタディを実施する場合、再現性を異なるオペレーターの研究から、異なるプローブチップ校正の研究に変更できます。

温度補正

今日の多くのCMMには内蔵温度補正システムが搭載されています。これらの温度補正システムは、CMMまたは被測定部品が基準温度20℃（68°F）にない場合に伴う大きな熱誤差を補正・訂正する驚異的な仕事をします。しかし、温度補正システムが正しく使われない場合、極めて大きな誤差を導入する可能性があります。

CMMオペレーターがワークピースセンサーを無視するか、ワークピース熱膨張係数をゼロに設定してシステムを使わないと決めた状況を考えてみてください。オペレーターは、従来の温度補正なし測定機器で数十年間機能してきた、被測定部品を測定機上で熱的に「浸漬（ソークアウト）」させ、両者を同じ温度にするという伝統的な良き測定慣行に従えば、熱誤差を補正する必要がないと考えるかもしれません。このアプローチは温度補正なしの従来測定機器では数十年機能してきましたが、オペレーターは温度補正システムが依然としてCMMのみを20℃に補正しようと積極的に働いており、ワークピースは補正されていないことに気づいていないかもしれません。ワークピースセンサーの使用を無視することで温度差が生じ、著しく大きく未知の誤差をもたらす可能性があります。

温度補正付きCMMでは、最良のアプローチはワークピース温度センサーを被測定部品に配置することです。そのアプローチが不便なら、温度センサーを被測定部品の近く、例えば部品を保持する治具に統合して配置することもできます。こうすれば、センサーが部品に接触していなくても、比較的正確な部品温度測定が可能です。ワークピース温度センサーを使う予定がないなら、システム全体をオフにすべきです——これは通常、CMMメーカーのサービスエンジニアのみが実行可能です。

GD&T課題

CMMの測定ソフトウェアは、デジタルおよび計算測定手法の最初の広範な利用をもたらしました。CMMソフトウェアには、幾何公差（GD&T）規格（ASME Y14.5など）のシンボルと意味に基づく機能とボタンがあります。これは専門家間で「正しい」測定方法とは何か（存在するなら）について多くの議論を呼びましたが、CMMオペレーターにとってより実用的な問題は、異なる方法やソフトウェアアプローチが測定結果を大きく変える可能性があることです。

仕様内で動作し十分な繰り返し精度を持つ2台の異なるCMMが、オペレーターやソフトウェアの選択により根本的に異なる結果を出すことがあります。

CMMソフトウェア開発者は、特定のGD&T公差測定への単一ベストアプローチを固定したいと考え、一部の企業は自社測定ソフトウェアが「ASME Y14.5に準拠」すると主張することさえありますが、それは残念ながら不可能かつ不正確です。ASME Y14.5のようなGD&T規格にはワークピース設計を定義するルールがあり、測定方法を定めるものではないため、ASME Y14.5はこれまで一度も、そして今後もいかなる測定も準拠することはない規格です。さらに、すべての測定には目的があり、その目的を最適測定方法決定の際に考慮しなければなりません。CMMソフトウェア開発者は、多様なユーザーニーズを満たすツール群と、顧客を導くアプリケーションエンジニアを提供する必要があります。

あるオペレーターにとっての最良測定方法が、似た部品や公差を測る別のオペレーターにとっては全く異なる場合があります。測定生産性、コスト、法的リスク、その他の問題を適切にバランスさせて最良の解を見つける必要があります。優れた次元測定計画は、CMMのボタンが簡単そうに見えても決して見過ごせません。測定計画はおそらくすべてのCMMオペレーターが管理しなければならない最大の実装課題です。今日のCMMのハードウェアとソフトウェアオプションは広大で強力であり、企業はすべての実装リスクが管理されるようベストオペレーティングプラクティスを開発する必要があります。測定計画の良いガイドは、米国規格ASME B89.7.2-2014次元測定計画です。

将来のCMM運用は今日とは大きく異なるでしょう。高度なCMMソフトウェアは既に、デジタル部品モデルに基づき数秒で測定プログラムを生成できます。将来のCMMプログラマーは、特定部品をどう測るかに多くの思考を費やす必要はなくなりますが、計測学と公差原理を理解し、すべてのCMM測定に展開可能なベストプラクティスと測定ルールを開発する必要があります。CMM技術は、精度向上、機能追加、測定時間短縮のメリットを増やしながら進化し続けています。CMMに限らず、我々が使うあらゆる技術について、ツールがより先進的になるにつれ、サポートのタイプとレベルもより先進的でなければなりません。

以前、Quality Magazineで紹介されました。