令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

三次元デジタイザによる寸法測定条件の最適化（第２報）
Optimization of dimensional measurement condition by 3D digitizer (2nd report)
技術開発部 生産・加工科 清野若菜 近野裕太
技術開発部 工業材料科 矢内誠人
南相馬技術支援センター 機械加工ロボット科 夏井憲司
いわき技術支援センター 機械・材料科 緑川祐二
三次元デジタイザによる形状測定から得られる寸法値の精度を明確化し、向上させることを目的として、品質工学的手法により測定精度に影響を与える条件の最適化を行った。測定物表面の塗布物を酸化チタン粉末に変更してＬ１８直交表による実験を行った結果、カメラ角度及び参照点の有無が測定精度に大きく影響することが分かった。設定した最適条件を用いた金属製凸型ブロックの測定では、従来の条件に比べて寸法測定誤差を大幅に改善することができた。
Key words: 三次元デジタイザ、品質工学

表１ センサ設定

カメラ間距離[mm]
レンズ名称
測定範囲
(横幅×縦幅×奥行) [mm]
点間ピッチ
[mm]
参照点の径
[mmφ]
測定距離[mm]
カメラ間角度[°]１．緒言
図面のない金型等の現物からＣＡＤデータを作成するリバースエンジニアリングの用途として、非接触三次元デジタイザによる形状測定が行われている。三次元デジタイザは、複雑な形状を短時間で三次元的に測定できるメリットがある一方、カメラの撮影画像から３Ｄデータを作成するため、寸法の測定精度は高くない。三次元デジタイザを用いて、精度よく寸法を測定したいという産業界のニーズはあるものの、測定値に影響する要素が多数あるため、精密な寸法測定の用途には利用されていない。
三次元デジタイザによる形状測定から得られる寸法値の精度を明確化し、向上させることを目的として本研究を実施した。
今年度は、測定物表面への塗布物を従来の浸透探傷用現像液から、より粒径の小さい酸化チタン粉末に変更し、品質工学的手法を用いた実験により、測定精度に影響を与える条件の最適化を行った。

２．１．測定原理
測定機は非接触三次元デジタイザ（ATOS CompactScan 5M：GOM 製）を使用した。測定原理は、パターン投影方式とステレオ方式を組み合わせたエリア計測方式である１）。本測定機には、中央にプロジェクタレンズとその左右にカメラレンズが設置されており、プロジェクタから青色光による格子パターンを投影し、測定物の表面形状によって変形した状態を左右のカメラで撮影する。１回の撮影で取得できる座標点数は約500 万点であり、左右の画像の視差から三角測量により奥行方向の距離を測定し、測定物表面の点群データを取得する。ターンテーブルを回転させて複数の角度

300×230×230
0.124
1.559025

ハードウェア上の操作

ソフトウェア上の操作① 起動⑥ 不要な部分を削除② 暖機(３０分間)⑦ ポリゴン化して更新③ キャリブレーション⑧ フィッティング平面(校正有の場合)

２．実験と考察300
MV300の作成④ 測定物設置⑨ 基点ポイントの描画⑤ 回転テーブルで測定⑩ 投影距離の測定

図１ 寸法測定の流れから撮影し、参照点の座標値又は特徴形状を基準としたベストフィットにより合成することで、測定物全体の３Ｄデータを作成している。
表１にセンサの設定を示す。測定に用いるレンズは、測定範囲の異なる大中小の３種類が存在するが、本研究では最も使用頻度の高い MV300(中)を使用した。
図１に本研究での形状及び寸法測定の流れを示す。
測定した点群データはソフトウェア上でポリゴン化し、測定面に沿ったフィッティング平面の作成と基点ポイントの描画を行った後、基点から平面までの投影距離

事業課題名「三次元デジタイザを用いた非接触測定手法」[平成３０～令和元年度][基盤技術開発支援事業]-1-

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告を測定した。

表２ パラメータ条件の割振り

２．２．酸化チタン粉末を用いた際の最適条件の導出
２．２．１．実験に使用した測定物
セラミック 45[mm]ブロックゲージ（(株)ミツトヨ製）を使用し、測定面は精度保証された両端面とした。測定時は、無水エタノール中に分散させた酸化チタン粉末を、エアブラシを用いて測定物表面に塗布した。
２．２．２．Ｌ１８直交表の作成
測定精度に影響を与えるパラメータを明らかにするため、品質工学のＬ１８直交表を作成し、実験を行った。直交表に割り付けるパラメータ及び水準を表２に、パラメータの概念図を図２に示す。これらは昨年度の設定項目と同じにした。ショット数はターンテーブル１回転当たりの撮影数、測定物位置はターンテーブル回転中心からの距離を示す。カメラ角度及び露光量は、測定物がターンテーブル中心に設置され、かつ測定面中央に焦点が合った状態で設定した。なお露光量は、ソフトウェア上で自動調整される値を通常とし、露光過多・過少になる限界点をそれぞれ多・少とした。寸法測定箇所は、測定物平面上で投影距離を測定する位置を示す。参照点の有無は、測定物の土台及び左右腕部に参照点を貼付した場合を有、貼付しない場合を無とした。特徴形状は、測定物左右に非対称形状のパーツを取り付けた。

パラメータ
校正有無
ショット数水準１
有8

測定物位置

中心

カメラ角度[°]
露光量
寸法測定箇所
参照点有無

45
通常中央有水準２
無12中心から5[cm]
55
少上側
無

水準３24
中心から10[cm]35
多下側無(特徴形状)

図２ パラメータ概念図
表３ Ｌ１８直交表への割付け

試験 No.
123456789101112131415161718

校正
有有有有有有有有有無無無無無無無無無ショット数
1212128882424
24121212888242424

パラメータ（制御因子）
測定物位置
カメラ角度[°]
露光量
中心
45
通常
中心から 5[cm]55
少中心から 10[cm]
35
多中心
45
少中心から[5cm]55
多中心から 10[cm]
35
通常
中心
55
通常
中心から 5[cm]35
少中心から 10[cm]
45
多中心
35
多中心から 5[cm]45
通常
中心から 10[cm]55
少中心55
多中心から 5[cm]35
通常
中心から 10[cm]
45
少中心
35
少中心から 5[cm]45
多中心から 10[cm]
55
通常-2-

寸法測定位置
上側
下側
中央
下側
中央
上側
中央
上側
下側
下側
中央
上側
上側
下側
中央
中央
上側
下側

参照点
無無(特徴形状)
有有無
無(特徴形状)無(特徴形状)有無
無(特徴形状)有無
有
無
無(特徴形状)無
無(特徴形状)有誤差
e1e2e3e3e1e2e3e1e2e1e2e3e2e3e1e2e3e1

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告90

作成したＬ１８直交表を表３に示す。実験は、各試験 No.当たり３回ずつ測定した。直交表第８列の誤差は、各試験 No.間の繰り返し測定誤差を示す。

85

SN比[dB]

757065校正

ショット数

測定物位置

(2)

露光量

e3e1

寸法測定箇所 参照点有無

e2無(特徴形状)

有無

中央

上側下側

少多

通常455535

カメラ角度誤差

信号因子

図３ ＳＮ比の要因効果図
表４ ＳＮ比検証結果

計算値ＳＮ比[dB]
実験値ＳＮ比[dB]
誤差[%]

(1)

中心から10cm

中心

中心から5cm

82412

有60

無２．２．３．ＳＮ比の算出及び結果
ＳＮ比の要因効果図を図３に示す。各パラメータの水準別ＳＮ比は、関係する試験 No.のＳＮ比を平均した値である。誤差のＳＮ比の上下幅とほぼ同一のパラメータは、測定精度への影響が小さい。
このことから、測定精度に影響を与えるパラメータは、カメラ角度及び参照点有無であることが分かった。なおこのＳＮ比は、信号量Ｓと誤差Ｎの比であり、ＳＮ比が大きいほどばらつきが少なく、寸法値に対する誤差が小さいことを表している。ＳＮ比の算出式を以下に示す２）,３）。
1 𝑆𝑚 − 𝑉𝑒𝜂 = 10 log ( ∙)𝑛𝑉𝑒(∑ 𝑦)2
𝑆𝑚 =𝑛(∑ 𝑦 − 𝑦̅)2𝑉𝑒 =𝑛−1𝑦: 出力(測定値）
𝑆𝑚 : 一般平均
𝜂: ＳＮ比 [dB]

誤差80

最適条件
103.9280.48-29

最悪条件
51.2367.71+24(3)
𝑛𝑉𝑒::

データ数
誤差分散

図４ 左 金属製凸型ブロック 右 寸法測定箇所

２．３．実験の妥当性の確認導出したＳＮ比の妥当性を確認するため、各パラメータのＳＮ比が高い水準の組み合わせを最適条件、低い水準の組み合わせを最悪条件とし、セラミック製45[mm]ブロックゲージの測定実験を行った。
実験結果から導出したＳＮ比を表４に示す。計算値のＳＮ比は、Ｌ１８直交表による実験結果から導出したＳＮ比の全平均と各水準のＳＮ比の差分を求め、それらの差分の合計に全平均を加えたものである。最適条件及び最悪条件ともに、計算値と実験値の差が±30[%]以内であったため、導出した最適条件は妥当であるといえる。

表５ 最適条件のパラメータ設定

パラメータ
校正有無
ショット数
測定物位置
カメラ角度 [°]
露光量
寸法測定箇所
参照点有無

最適条件
有12
中心45多（9.50[ms]）中央
有２．４．２．最適条件のパラメータ設定
最適条件として設定したパラメータを表５に示す。
露光量は、ソフトウェア上で露出過多とならない最大値として、9.50[ms]に設定した。参照点は、ターンテーブル及び測定物下部に取り付けたパーツに貼付した。
測定物位置は、繰り返し誤差と比較してＳＮ比が小さく測定精度への影響が少ないことから、配置が容易な中心とした。

２．４．最適条件を用いた測定実験
２．４．１．実験に使用した測定物
測定物は金属製凸型ブロックを使用した。寸法測定箇所を図４に示す。測定物の寸法の真値は、ＣＮＣ三次元座標測定機（UPMC550CARAT：カールツァイス製）で測定した値を用いた。
測定物表面には、低圧スプレーガンを用いて酸化チタン粉末を一様に塗布した。塗布液は、酸化チタン粉末 1[g]及び無水エタノール 50[mL]をプラスチック製のボトルに入れ、超音波洗浄装置にて５分間攪拌したものを使用した。

２．４．３．測定結果
最適条件を用いた測定実験の結果を表６に示す。通常使用している浸透探傷用現像液を塗布した状態での最適条件及び通常条件の結果は、昨年度の値である。

-3-

令和元年度福島県ハイテクプラザ試験研究報告

酸化チタン粉末を塗布した状態での最適条件の誤差は、Ａ部で 0.010[mm]、Ｂ部で 0.012[mm]となった。通常条件での誤差との比は、当初の目標である３分の１を下回った。
２．５．塗布物の観察
浸透探傷用現像液を塗布した状態よりも、酸化チタンを塗布した状態での測定誤差が小さくなった理由を調べるため、走査型電子顕微鏡（S-3700N：(株)日立ハイテク製）を用いて塗布物の表面観察を行った。サンプルは、浸透探傷用現像液及び酸化チタン粉末をそれぞれブロックゲージの表面に塗布し、電子顕微鏡用カーボンテープに転写させた後、スパッタリング装置（JUC5000：日本電子(株)製）を用いて白金をコーティングした。電子顕微鏡での観察条件は、焦点距離 6[mm]、加速電圧 10[kV]とした。観察結果を図５、図６に示す。
図５は倍率 2000 倍、図６は 7000 倍で撮影した画像であり、１目盛の値は前者が 2.0[μm]、後者が 0.5[μm]である。図５から、浸透探傷用現像液は粒の大きなものと小さなものが混在していることが分かる。粒子の大きさは最大で約 10～20[μm]であることが確認された。一方、図６から酸化チタン粉末の粒子の大きさはほぼ一様で、0.5[μm]以下であることが分かった。
測定物表面に塗布物を塗布した場合、測定物自体の寸法は真値よりも膜厚の分大きくなる。そのため、浸透探傷用現像液を塗布した状態での最適条件の結果には、粉末の粒径以上の誤差が含まれていたと考えられる。一方、今年度使用した酸化チタン粉末の粒径は、浸透探傷用現像液よりも十分に小さいことから、測定物寸法の真値からのずれが最小限に抑えられ、測定誤差が小さくなったと考えられる。

表６ 測定結果

三次元測定機(真値)123
最適条件
4(酸化チタン)
5平均誤差
最適条件
誤差
(浸透探傷用現像液)
通常条件
誤差(浸透探傷用現像液)

A [mm]
50.01150.02350.02050.01350.01550.03250.020+0.010B [mm]
25.02025.03425.03325.02425.02625.04425.032+0.012+0.036+0.037+0.093+0.094

図５ 浸透探傷用現像液の観察結果

３．結言
品質工学的手法を用いて、三次元デジタイザの測定精度に影響を与える測定条件の最適化を行った。測定物表面への塗布物を従来の浸透探傷用現像液から酸化チタン粉末に変更し、Ｌ１８直交表による実験から導出した最適条件を用いて金属製凸型ブロックを測定した結果、従来の条件と比較して寸法測定誤差を大幅に改善することができた。
参考文献
１）吉澤徹.“エリア計測方式による三次元計測”.最新光三次元計測.朝倉書店,2006, p.31-58
２）広瀬健一, 上田太一郎.Excel でできるタグチメソ
ッド解析法入門. 同友館. 2003, 246p.
３）田口玄一, 横山巽子. ベーシック品質工学へのとびら. 日本規格協会. 2007, 195p.

図６ 酸化チタン粉末の観察結果-4-