大型・高速・高精度：大規模産業向け先進光学計測

執筆：クリフ・ブリス、Hexagon Manufacturing Intelligence 3D光学センサーコマーシャルオペレーションマネージャー

光学計測の世界に足を踏み入れれば、一つのことが明確です。この活気あるビジネスセクターは、大型コンポーネントと治具の検査向けに、ポータブル三次元測定機（PCMM）の新設計を次々と革新し続けています。大規模メーカーは依然、航空宇宙、造船、自動車などの業界で見られる大面積における現場3D測定に対応する、アップデートされた光学手法を求めています。古いタイプのチェックフィクスチャとハードゲージングに代わり、詳細な表面分析のニーズが、より大きなデータセットを提供する優れた光学測定ツールへのトレンドを牽引しています。

新しいカメラベースの光学測量システムは、従来の伝統的な光学ツールセットから大きく脱却した新設計を導入しています。これらのシステムが過酷な産業環境や遠隔地の屋外で使用されるため、エンジニアは振動や衝撃などの機械的ストレスへの堅牢性と耐性に特別な設計焦点を置いています。研究開発フェーズでは、測定ボリューム全体でのシステム精度を検証するために長期テストが実施されます。新型システムは、高性能カメラ2台を堅牢なハウジング内に内蔵し、粉塵と振動のある過酷な生産環境でも検査、トラッキング、位置決めが可能です。

新設計、迅速なROI

測量ベースの現代光学システムは多様な構成で提供されます。新しい設計では、閉じたカメラビーム内に2台の高解像度8メガピクセルデジタルカメラを搭載。これらの統合デジタルカメラは、測定対象コンポーネントやハンドヘルドプロービングデバイスに配置されたあらゆるタイプのターゲットを高速で撮影できます。生成された画像は自動処理され、3D座標データがリアルタイムで計算されます。長年計測者を悩ませてきた振動、ノイズ、位置変化の問題はもはや問題ではありません。市場には「ダイナミックリファレンシング」と呼ばれる新技術を提供する光学システムがあり、光学トラッキングによりこれらの環境擾乱を自動検出・補正します。この機能により、測定セッション中にシステムが移動しても、プロセス安定性が常に保証されます。

更なる進歩

精度の面でも技術の針は前進しています。市場には、最大5メートルの測定体積で40〜80ミクロンの精度範囲を実現する光学測定システムがあります。カメラベースソリューションの新機能として、複数点の同時取得が可能になり、実験室での荷重試験と疲労試験、その他の静的・動的アプリケーションへの用途拡大が図られています。これらの進歩とダイナミックリファレンシングを組み合わせれば、ユーザーは幾何学的状態を精密に検知でき、最小限またはゼロダウンタイムで高活動産業現場でも使用できるツールセットを手にできます。

迅速な作業を実現

コンポーネントを迅速かつ正確に位置決めしようとしたことがある技術者なら、そのタスクの複雑さを理解できるでしょう。良い例は、車のドアをサイドパネルに位置決めすることです。これは簡単な仕事ではありませんが、自動車メーカーがプロトタイピングプロセスで毎日苦労している課題です。片側のネジを調整して反対側でチェックするたびに、歪みが生じます。この作業は通常、CADデータとフィットに基づきドア1枚を合わせるのに最大30分かかる、長く面倒なプロセスです。このシナリオは、手順中に誰も何も触らないことを前提としています。

そこで登場するのが、カメラベース光学トラッキングシステムです。これらの測量ソリューションは、写真家が撮影機材をセットアップするのと同じように、本質的にセットアップが簡単です。単一オペレーターがカメラバーを三脚に取り付ければ準備完了。三脚にローラーを取り付ければ、ショップフロアでの移動も容易です。測量システムをラインオブサイト測定に最適な位置に配置し、センサーを測定対象物体に向けます。セットアッププロセス全体が数分で完了します。新型システムには温度制御センサーが組み込まれ、センサーが自ら熱的安定性を調整します。

では、光学技術でサイドパネルへのドア位置決めタスクに戻りましょう。まず、オペレーターがドアにシンプルなターゲットを貼り付けます。次に、ハンドヘルドプローブでドアの重要特徴を取得し、事前アライメント手順を実行します。同じプロセスをサイドパネルにも適用します。両コンポーネントがそれぞれの座標系に取り込まれました。

カメラベース技術により、それらコンポーネント上の複数点を同時測定し、6DoF剛体を動的にトラッキングできます。測定ソフトウェアは、コンピューター画面上の視覚的偏差フラグを用いて、アライメントプロセスの進捗をリアルタイムで表示します。オペレーターはデータを使ってネジを回し調整し、目標位置に達したら検証します。要するに、偏差フラグがコンポーネントの迅速なアライメントの指標となり、数分で完了します。

過酷な環境でも問題なし

あらゆる計測者の古典的な懸案は、産業環境が測定に十分安定しているかどうかです。オブジェクトまたはアセンブリのサイズに基づき、もう一つの懸念は測定セッション中に計測システムを移動する必要があるかどうかです。これら2つの残る課題は、前述のダイナミックリファレンシングで解決されました。自動車のサイドパネル上のターゲットを基準点として使用し、測量システムがセンサーの移動を補正できます。同じ技術で、振動やその他の不安定要因があるエリアでの物体測定も補正可能です。

ラインオブサイト領域が同時に測定されるため、すべてのショットが直接グローバル座標系に変換されます。作業者が部品に触れたり、治具を揺らしたりしても、測定は信頼性高く実行されます。手動での再アライメントは不要で、日常の職場活動がセッション中に発生しても、測量システムはオンラインのままでデータ取得を継続します。

新たな選択肢

光学計測ソリューションプロバイダーは、業界のメインストリームトレンドを確実に追っています：ハードウェアのより簡単な操作、よりスマートなソフトウェア、より高速なデータ取得。これらの機能と、新型カメラベースPCMMの信頼性高く安定した測定結果が相まって、従来のゲージやタッチプローブ単体ソリューションへの代替案を提供します。精密検査に加え、これらのシステムは組立プロセスの監視と簡素化、オペレーターの位置決め・アライメント作業を即時フィードバックでガイドすることも可能です。測定プロセスの加速に加え、今日のカメラベース光学システムは多くの他の静的・動的アプリケーションでも大幅に高速に動作し、新しいパラダイムを活用する人々に時間短縮とコストメリットをもたらします。

元記事はQuality Magazineに掲載。