三菱重工技報 Vol.49 No.3 (2012) 工作機械特集

技 術 論 文16

非接触計測ソリューション“Visionplus”の衝突予知シミュレータへの適用
Application of Non-contact Work Measurement Solution“Visionplus” to Crash Forecast Simulator

大 石 浩 史 *1

久 良 賢 二 *2

Hiroshi Oishi

Kenji Kura

山 本 英 明 *3

吉 栁 秀 威 *1

Hideaki Yamamoto

Hidetake Kiryu

当社では，工作機械上で非接触センサを用いる形状計測・モデル化技術を構築し，これを基盤技術として様々な用途展開が可能なシステムの総称である“Visionplus（ビジョンプラス）”システムを開発した．また，本システムで生成した三次元形状モデルの STL データ（注１）を活用し，機械上でリアルタイムに行う衝突予知シミュレーション機能もあわせて開発し実用化可能なレベルに達している．本稿では，“Visionplus”システムの三次元モデル生成手法と衝突予知シミュレーションへの適用事例について紹介する．
注 1 STL とは 3Dsystem 社によって開発された三次元 CAD システムの業界標準ファイルフォーマットである
Standard Triangulalated Language の略である．

|1. はじめに工作機械上では様々な要因によって加工条件の想定を超える機械状況になる場合が多く，効率良く安定的に加工精度を確保するためには，その機械状況を常に正しく把握することは必要不可欠である．ワーク素材の不良，加工ミス，機械特性の変動等の影響を最小限に抑制するためには，ワーク／工具といった対象物の形状を具現化し，定量評価／制御処理が可能となる形状認識システムが必要であると考え，非接触センサを用いる機上計測技術を開発してきた．
本稿では，様々な用途展開が可能な三次元形状計測に関する計測システムの仕組みや特徴，三次元ソリッドモデルのデータ生成手法を示し，その具体的な適用事例として，機械上でリアルタイムに行う衝突予知シミュレーションへの適用を紹介する．

|2. “Visionplus”システムの概要
2.1 “Visionplus”の概念
当社が開発した“Visionplus”とは，非接触センサを用いて機械上でのワークや治具，工具等の状態を認識し形状把握する機上計測システムの総称である．そのアプリケーションには，建設機械部品に特化した非接触センサでの穴位置計測システム（穴位置自動補正／ワーク取付判定／素材不良判定等）や撮像方式により工具形状を計測する工具計測システムがある（図１）．
本稿では，レーザスキャンセンサを用いる三次元形状計測システムに関する技術内容を紹介する．本システムの概要としては，非接触センサにレーザスキャンセンサを採用し，機械上に設置されたワークや治具を加工工程の任意のタイミングで形状計測し三次元形状モデルを生成できる機能である．
*1 工作機械事業本部技術部*3 工作機械事業本部技術部主席技師*2 工作機械事業本部技術部主席チーム統括

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図１ Visionplus の概念

図２ 機器構成

2.2 計測システムの仕組み
図２に本システムの機器構成を示す．必要機器は，“計測センサユニット”，“計測システム用PC”，“無線通信機器”のみで，非常にシンプルな構成要素でシステムを構築できる．計測センサ
ユニットに，レーザスキャンセンサを採用し，計測装置の自動着脱に対応するため，センサ制御器／無線機器／バッテリをすべてユニットに内蔵化することでコードレスユニットを実現している．計測システム用 PC 内部には，図３に示すシステム構成の専用ソフトが必要になる．

図３ システム構成図

計測動作の流れは，(1)機械上でワーク段取り作業を行い，(2)計測対象の情報を入力する，(3)自動生成された計測経路（計測パス）に従って機械動作を開始する，(4)対象物を最大５面方向からスキャニングして距離計測を行う，(5)取得した距離データから座標データ（点群データ）を算出し，(6)三次元形状モデルを生成する（図４）2.3 設定操作
GUI（注２）による簡易操作で形状計測できる専用ソフトを開発し，対象ワークの概略寸法，取付位置の入力操作だけで，計測経路（計測パス）を自動生成できる．生成される計測パスはセンサ特性（測定可能範囲，方向）を考慮した最適経路を導出できるため，計測状況に応じて，対象ワークの任意面，任意経路を GUI 上で取捨選択すれば不要な計測動作を省略することもできる（図５）．
注 2 GUI とは Graphical User Interface の略で，ヒューマン・インターフェイスの使いやすさを向上させるために，画面の表示や動きについてグラフィックで表現したインターフェイス仕様のことである．

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図 4 動作フロー

図５ 計測 GUI 画面|3. 三次元モデル生成システムの特徴
3.1 計測センサユニット
一般的にレーザスキャンセンサで計測する場合，対象物の材質や表面性状の影響を受ける．
レーザ光の特性には光沢ある金属面等ではレーザ光が乱反射しやすく，黒色塗装された表面ではレーザ光が吸収される等の性質があるため，様々な表面性状が点在する工作機械の加工ワークでは安定的な精度品位を確保することは困難である．
本システムでは，計測動作中にリアルタイムに最適なレーザ光に調整する自動調光機能を採用することで，対象物の表面性状の影響を軽減している．また，対象物が大形サイズの場合や形状の起伏差（凸凹）が大きい場合を想定して，広いダイナミックレンジの計測性能を保持しており，大形機械での大物ワーク計測が可能である．更に，対象物を５面方向から計測する場合，機械に標準装備されたアタッチメントにセンサユニットを装着することで，スキャン方向を任意に切り替えて計測できるため，特殊な旋回機構部は不要である．

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3.2 モデル生成技術
計測したデータを多彩な用途目的で使用するには，計測により取得した点群データから STL フォーマットのサーフェイスデータやソリッドデータを生成することが多い．一般的に，点群データからソリッドデータを生成すると，機械シミュレーションや幾何演算を行うアプリケーションの入力制約条件を満足するデータを生成することが困難であり，人手によるデータ修正作業が必要となる．
本システムでは，アプリケーションソフトの入力制約条件を満足したモデルデータを自動生成する手法を開発し，人手による修正を不要にすることができる．

|4. 三次元ソリッドモデルの STL データ生成手法
4.1 ソリッドモデル化の目的，課題(1) 開発目的
計測データの活用方法によっては，従来のサーフェイス（注３）形状で十分である場合もある
が，本手法は様々な幾何計算を行うアプリケーションで使用可能な形状モデルを生成することに主眼を置いたロジックである．幾何計算に関する制約条件では，入力形状データが閉じた多面体であることが最も重要な点であり，その実現はアプリケーションへの実装容易性，頑健性の向上に繋がる．ここで，入力形状データの特性を厳密に表現すると，“閉じた多面体であること（注４）”，“manifold（注 5）な多面体であること”，“自己交差（注 6）を含まないこと”である（図６）．
注 3 サーフェイスとは表面要素のみで表現される形状データ群のことである．
注 4 閉じた多面体とは多面体の構成要素である複数の頂点，辺，面が厳密に結合して閉じている状態のことである．
注 5 manifold とは多面体の辺と面の接続関係において１つの辺を３つ以上の面で共有することがない性質のことである.
注 6 自己交差とは多面体を構成する三角形同士がお互いに重なり合う現象を意味する．

図６ 入力形状の制約条件(2) 課題・問題点
一般的なソリッド生成処理では，点群データを結合する際に欠落箇所があると完全に閉じた形状モデルを得られない場合が多い．また，空間定義を離散的なボクセル形状（図７）表現することで，閉じた多面体データを実現する手法があるが，測定形状マップが離散的な形状データとして表現される．さらに，解像度向上によるメモリ使用量，演算処理のアルゴリズムが 3 乗オーダで増加するため，高解像度の形状表現が非常に困難である．

4.2 解決手法の説明
本システムの形状計測手法は，主に以下に示す 3 工程に分類される．
(1) 計測センサによって，計測対象物を複数の計測方向から走査することにより，計測点群データを方向ごとに取得する(2) 点群データを元に対象物の形状を表現することができる陰関数を生成する(3) 上記の陰関数を元に三次元ドロネー図を利用した手法で多面体データを生成する
ここで，三次元ドロネー図とは構成要素である各四面体（セル）の外接球が他セルの頂点を内部に含まない空間分割した集合体のことである（図８）．

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図 7 ボクセル形状

図 8 三次元ドロネー分割

さらに，上記(3)の多面体生成処理が最も肝要な処理であり，その詳細を説明する（図９）．
① 計測領域全体を埋め尽くすセル集合を生成② セルの各頂点の内外判定③ 境界セルの抽出④ 境界セルとサーフェイスから交点座標の算出⑤ 境界セルからスライス断面の生成⑥ 全スライス断面から STL データの生成

図 9 多面体生成処理フロー

4.3 本手法の効果
計測対象物の表面形状を表す面形状（サーフェイス）が存在する計測領域全体を三次元ドロネー図による分割処理により隙間なく，かつ重複なく埋め尽くされた四面体のセルに分割しているので，その境界部についてもセル切断面としてすべて結合すれば，manifold で閉じた多面体データを生成できる．さらに三次元ドロネー図の各セルはその定義により自己交差しないことを保証できる（効果１）．また，manifold でかつ自己交差を含まない閉じた多面体データを簡単かつ確実に生成できる技術を実現できたため，従来は他のアプリケーション適用時に行う人手による形状修正作業は不要となった（効果 2）．さらに，ボクセル等の離散的な形状表現手法と比較して，境界面で連続的な交点座標値を採用できることで，形状近似精度が高く，形状崩れを抑制できる（効果 3）．

4.4 計測結果
図 10～図 11 に，本システムで計測したワーク計測結果を紹介する．図 10（ワーク寸法 L850×W950×H650 (mm)）では，治具まで忠実にモデル化できることを示している．図 11（ワーク寸法L1300×W950×H350 (mm)）では，金属の光沢面や鋳肌面に掘り込まれた文字の細部まで計測

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できることが分かる．なお，１立方メートル程度の計測対象物では，演算時間を含めた計測時間は約 15 (min)程度である，計測精度は±１ (mm)で計測可能である．

図 10 計測結果（治具）

図 11 計測結果（金型）|5. 衝突予知シミュレーションの適用事例
5.1 衝突予知シミュレーションの概要・特徴(1) 背景大形機械では，単品加工はデバックしながら加工する場合が多く，工具とワークの衝突事例が多い．従来からリアルタイムでの干渉シミュレータは多数存在するが，現実的にはワーク素材／治具の CAD データが必要になるため実用性がない．そこで，機械上でワーク計測／モデル化し，その STL データを活用することで実用的な衝突予知シミュレーション技術を実現すべく，“Visionplus”システムとの融合化を図った．
(2) 特徴本シミュレーション機能は，自動／手動の運転モードに依存なく衝突予知することができ，工具の刃部以外での接触も厳密に判定できる．また，時事刻々と変化する切削状況までも把握できるため，最終加工工程まで継続して監視することができる．生成した形状モデルデータは，衝突予知シミュレーションに適合したデータ特性であるため，無駄な形状修正作業が不要になる．また，簡単な操作だけで，モデル計測動作～加工デバッグ作業間に，オペレータ介入が不要であるため，自動化が可能となる．

5.2 効果・利点
通常，ワーク素材形状の CAD モデルはないため，ワーク素材の形状不良の影響によって，無駄加工が生じる場合があるが，事前にワーク素材形状計測することで，最適な加工条件の導出に役立てることができる．また，段取り後の治具形状や取付位置を忠実に形状モデル化するため，ワーク以外に治具との衝突も検知することができる．本システムを使用することで，結果として衝突に よ る 機 械 の 修 理 費 の 発 生 や 稼 動停 止 ， 不 良 ワ ー ク の 破棄 等 の リ ス ク 低 減 が 見 込 め る ．
“Visionplus”の三次元ソリッドモデルを市販の機械動作シミュレータに取込むことで，加工プログラムのデバック作業の効率化を図れる．

|6. まとめ
工作機械上で計測を行う，三次元モデル生成システムの基幹技術を確立することができ，多方面への適用可能な“Visionplus”システムの計測性能とその衝突予知シミュレーション機能の実用性を紹介した．さらなるアプリケーション機能を開発することで，総合的な計測システムを提供していく所存である．