3Dスキャンの主な種類にはどのようなものがありますか？

3Dスキャン技術

3Dスキャン技術は、接触式、非接触式、および破壊式の3つの方法に分類される。この技術は、計測、リバースエンジニアリング、品質管理、および関連する用途で広く利用されている。.

接触式測定法

接触式スキャン：座標測定機

座標測定機（CMMs）は、1960年代に開発された高効率かつ高精度な測定機器である。その登場は、自動工作機械やCNC工作機械において、ますます複雑化する部品の効率的な加工を支えるための、信頼性の高い測定装置へのニーズによって促された。 また、電子工学、コンピュータ技術、数値制御、および精密加工の進歩も、CMMの技術的基盤を築きました。.

1960年、英国のフェランティ社が世界初のCMMの開発に成功した。1960年代の終わり頃には、10カ国近くで30社以上の企業がCMMを製造していたが、製品はまだ初期段階にあった。 1980年代以降、ZEISS、Leitz、DEA、LK、ミツトヨ、フェランティ、ムーアなどの企業が新製品を次々と投入し、CMMは急速な発展を遂げました。 現代のCMMは、コンピュータ制御下で複雑な測定を実行し、CNC工作機械と情報を交換して加工を制御し、測定データに基づくリバースエンジニアリングをサポートすることができます。.

現在、CMMは機械製造、自動車、エレクトロニクス、航空宇宙、防衛産業などで広く使用されています。これらは、現代の産業における検査や品質管理に欠かせない装置となっています。.

CMMの構成要素と動作原理

CMMは、主に機械系および電子系で構成される典型的なメカトロニクスシステムである。.

1. 機械系： このシステムは、一般的に3つの直交する直線運動軸で構成されています。典型的な構造では、X軸のガイドウェイシステムは作業台に取り付けられ、可動式のブリッジビームがY軸のガイドウェイシステムを構成し、Z軸のガイドウェイシステムは中央スライドに設置されています。各軸には、変位を測定するためのスケールが装備されています。 手動ハンドホイールや、動力駆動式またはCNC制御式のモーター駆動装置は、通常、各軸の近くに配置されています。検査対象部品の表面に接触させるために使用されるプローブは、Z軸の先端に取り付けられています。.
2. 電子システム： このシステムは、一般的に、スケール計数装置、プローブ信号インターフェース、およびコンピュータで構成されています。このシステムは、測定対象部品から座標点データを取得し、そのデータを処理します。.

CMMの動作原理は、幾何学的特徴の測定値を、その特徴上の一連の点の座標測定値に変換することにあります。点の座標が取得された後、数学的な計算によって寸法や幾何公差が決定されます。例えば、円筒穴を測定する場合、穴の軸に垂直な平面上で複数の点をプローブで測定することができます。 これらの点の空間座標を用いて、穴の直径、中心座標、真円度誤差、円筒度誤差、および穴軸の位置関係を算出することができます。これは、CMMの高い汎用性と柔軟性を示しています。原則として、あらゆるワークピースのあらゆる幾何学的形状やパラメータを測定することが可能です。.

関節式アーム測定機の補完的な役割

関節式アーム測定機も、接触式測定装置の一種です。CMMとは異なり、精密ワークテーブル、コラム、ガイドウェイは使用していません。その代わりに、複数の自由度を持つ関節式アームを採用しており、柔軟性の高い座標測定機として機能します。.

アームの先端にセンサーを取り付けることができます。ロータリーエンコーダが各関節の回転角度を記録し、運動学の原理を用いて空間内のセンサー座標が算出されます。 使用時には、オペレーターが測定アームを保持し、プローブを検査対象の表面に接触させます。ボタンを押すと座標とプローブハンドルの方向が記録され、シリアルケーブルを介して測定ソフトウェアに送信されます。このタイプの装置は方向による制限がほとんどなく、作業範囲内であればどのような向きでも測定が可能です。 一般的に、CIM-CORE社やFARO社製の手動式アームを含め、大型の板金金型のリバースエンジニアリング測定に使用されます。.

CMMと比較すると、関節アーム式測定機は精度はやや劣るものの、測定範囲が広く、ワークのサイズや形状に関する制約も少ない。コンパクトで使い勝手が良く、工程内測定に適している。その他の点では、CMMと類似している。.

非接触法

非接触測定では、主に光学の原理を用いてデータを取得します。一般的な手法としては、レーザー測距、レーザー三角測量、構造化光、画像解析、干渉測定などがあります。 光学式測定装置は、高速な測定と高度な自動化を実現します。接触圧力や摩擦が生じないため、外力による被測定物の変形に起因する測定誤差を回避でき、複雑な形状のモデルからの迅速かつ大規模なデータ取得に最適です。.

光学測定の基本原理は、物理的なアナログ量を、適切なアルゴリズムを用いて部品表面の座標データに変換することにある。.

レーザー測距

レーザー測距では、レーザービームの飛行時間、光速、および大気の屈折率を用いて、測定点と基準面との間の距離を算出します。飛行時間を直接測定することは困難であるため、位相式測距装置では通常、連続波位相測定法が用いられます。 この方法では、数百メートルの距離を、通常ミリメートルレベルの精度で測定することができます。.

レーザー三角測量

レーザー三角測量では、光源とカメラなどの撮像センサーとの間の位置および角度を用いて、点の空間座標を算出します。この手法は、点、線、または面の測定に利用できます。.

1. 作動距離が長く、ワークピースが部品表面から比較的離れていても測定が可能です。.
2. 測定範囲が広い。広い測定範囲に起因する非線形誤差は、ソフトウェアを用いて校正・補正することができる。.
3. プローブは測定対象物に接触しないため、柔らかい素材の表面からデータを取得したり、鋭いエッジや窪み、その他の複雑な輪郭を効果的に測定したりすることができます。.
4. データ取得は高速です。広い表面の場合、CMMまたはCNCの工作機械を使用すれば、プローブ補正を行わなくてもデータを迅速に取得できます。.
5. 比較的コストが高く、迷光や垂直な壁面などの表面形状が計測精度に影響を与える可能性があります。.
6. これは、測定対象の材料、表面粗さ、および反射率の影響を受けやすく、その精度は一般的にCMMよりもわずかに低くなります。.

構造化光とグレイコード技術

構造化光法では、縞模様や格子模様などの特定の光パターンを物体の表面に投影します。曲面によって反射されたパターンがどのように変形するかを捉えることで、表面の3次元座標を算出します。代表的な手法として、投影格子法があり、これは表面の高低差によって生じる格子縞の変形から高さ情報を取得するものです。.

受動的な画像解析とは異なり、構造化光法では人工光源による能動的な投影が必要となります。受動的なステレオビジョンでは、1台または複数のカメラを用いて対象物を異なる角度から撮影し、画像の視差から奥行きを算出します。両眼式構造化光システムは、これら2つの手法の長所を組み合わせることで、測定効率をさらに向上させることができます。.

双眼式構造光測定は、1回の操作で大量のデータを取得できるため、複雑な表面の効率的な測定に適しています。しかし、測定結果は被測定物の表面の光学特性に影響を受けるため、透明な表面や黒い表面の測定はより困難になります。また、精度は一般的に接触測定よりもわずかに低くなります。.

ドイツのGOM社が開発した光学式スキャナー「ATOS」は、典型的な構造化光測定システムです。このシステムは、対象物の表面に格子状のストライプを投影し、2台の高解像度カメラを用いて変形したストライプの画像を撮影し、3次元の表面座標を算出します。これにより、複雑な構造物についても、極めて短時間で完全な点群データを取得することができます。 ATOS IIの1回の測定範囲は約280 mm × 350 mmで、最大130万点のスキャンポイントを取得でき、1回の測定における精度は±0.03 mmを達成します。 より大きな対象物については、複数の角度からの測定データを組み合わせることで完全なモデルを作成でき、組み立て精度は約0.1 mm/mとなります。.

グレイコードと正弦波位相シフトを組み合わせた方式は、構造化光において一般的に用いられる符号化手法である。まず、グレイコードを用いて測定空間を領域に分割し、各点のおおよその位置を特定する。その後、各領域内での正確な位置決めのために位相シフトが用いられる。.

グレイコードの最大の特徴は、隣接するコードが1ビットのみ異なるという点です。これにより、複数のビットが同時に変化した際に発生しうる誤りを回避でき、広範囲の測定において高い信頼性と低い復号誤り率を実現します。その主な特徴は以下の通りです：

1. エラー率が低く、信頼性の高いエンコーディング。.
2. これは重み付きコードです。異なるグレイコードは直接比較することができず、処理を行うにはまず2進コードに変換する必要があります。.
3. コードワードに含まれる「1」の個数から、それに対応する値が奇数か偶数かを判断することができます。.

多周波数ヘテロダイン位相格子技術では、DLPプロジェクターを用いて、コンピュータで生成されたデジタル格子を対象物の表面に投影します。2台のカメラが変形した縞模様を同期して撮影し、位相計算を行うことで、対象物の表面に関する3次元点群データが生成されます。この手法により、高い投影精度を維持しつつ、格子の周波数を柔軟に調整することが可能になります。.

画像解析

画像解析では、複数の画像における同一点の相対的な位置関係を用いて、視差から距離を算出し、それによってその点の空間座標を求めます。また、測定効率や適用範囲を向上させるため、他の光学的手法と組み合わせて用いられることも一般的です。.

破壊的な手法

破壊スキャン法の適用範囲

自動連続断面スキャナーは、層ごとの材料除去と層ごとのスキャンを組み合わせることで、モデルの内部および外部の輪郭データを取得します。 まず、測定対象の部品を、グラファイト粉末や顔料を配合した専用の樹脂材料で完全に封入します。樹脂が硬化した後、それをフライス盤に固定し、極めて浅い切削深さで加工を行い、部品と樹脂の両方を含む断面を作成します。その後、その断面をCCDデジタルカメラの下に移動させ、デジタルサンプリングを行います。 封入材と部品の間に明確な境界があるため、フィルタリング、エッジ抽出、テクスチャ解析、二値化などのデジタル画像処理技術を用いて、境界輪郭を抽出し、輪郭座標値を取得することができます。すべてのモデル断面の座標データが得られるまで、切削と解析を繰り返します。.

産業用コンピュータ断層撮影（CT）と比較して、自動連続切片スキャナーは装置コストや運用コストが低く抑えられます。また、ピクセル抽出方式を採用しているため、各断面で大量のデータを取得することも可能です。その明らかな欠点は、測定対象物を破壊してしまうことです。 市場に出回っている比較的成熟した自動連続切片スキャナーとしては、米国のCGI社が製造する「RE1000」が挙げられる。.

産業用コンピュータ断層撮影

産業用コンピュータ断層撮影（ICT）は、複雑な内部・外部構造や材料の形状を再現するための、非破壊的なデジタル断層撮影法です。実物試料を断層撮影すると、ICTは一連の断面画像スライスとデータを生成します。これらのスライスとデータには、ワークピースの断面輪郭や内部構造に関する完全な情報が含まれています。.

ICTは、医療用CTの成功事例を産業分野へと拡大しています。これは、複雑な構造を持つ小・中・大サイズの成形部品の逆モデリングや品質管理に加え、技術解析、製品故障の非破壊診断や信頼性評価、さらには組立構造解析にも活用できます。.