分析 | ツァイス COMET 400 レーザースキャナに基づく小型部品測定方法

現代の製造業の発展に伴い、リバースエンジニアリングは、市場の急速かつ多様化するニーズに適応し、製品開発サイクルを短縮し、企業の市場競争力を向上させるために、ますます重要な役割を果たしています。リバースエンジニアリング (RE) は主に 3 つの部分で構成されます。
（１）迅速プロファイリング測定技術
（２）モデル表面再構成技術
（３）ラピッドプロトタイピング技術

その中で、高速プロファイリング測定技術はリバースエンジニアリングの基礎であり、プロファイリング測定データの精度は、モデル再構築の精度、つまりモデル表面再現の品質を決定します。測定速度は、その後のリバースエンジニアリング作業の発展にも大きく影響します。

Zeiss COMET 400 レーザースキャナーは、非接触、高速、高精度という利点があるため、迅速なプロファイリング測定にますます多くの企業で使用されています。標準的なスキャン測定手順は、まず、測定対象物の表面に特殊なマッチング参照点を貼り付け、次に写真撮影を使用して、部品の形状に応じて合理的に分布するマッチング参照点の空間位置を確立し、最後にレーザースキャナーを使用してスキャンと測定を実行し、各スキャン測定結果、つまり対応するマッチング参照点に従ってポイントクラウド（Points CIoud）を全体のマッチング参照点システムにマッチングさせることで、部品の外表面のスキャン測定タスクを完了します。

COMET 400 レーザースキャナーの有効スキャン測定範囲は 420mm x 380mm であるため、大型部品のスキャン測定でその利点を十分に発揮できます。従来のマッチング参照点の有効直径は 10mm で、最大外径は 15mm であり、大型で自由曲面の部品のスキャンに適しています。サイズが小さく形状が複雑な部品を測定する場合、より良いスキャン効果を得るためには、比較的多くの一致する参照ポイントを使用し、さまざまな角度からサブスキャンを実行し、その後対応する後続処理を実行して部品の詳細を完全に記述し、後続のリバースモデリングを容易にするより完全なポイントクラウドを取得する必要があります。しかし、部品のサイズが小さく、局所的な特徴が微妙なため、マッチング参照点を多く使用すると、部品の形状の微細な特徴が隠れてしまうことがあります。同時に、スキャン測定時のスキャン格子の入射角には一定の要件があるため、曲率変化が大きい部品（折り曲げ角度が90度を超え、折り曲げサイズが小さいなど）をスキャンして測定する場合、十分なマッチング参照点または合理的に分散されたマッチング参照点が見つからない可能性があり、スキャン測定結果の正確なマッチングに影響を与え、局所的なスキャン結果を正しくマッチングすることができなくなったり、スキャン点群全体をマッチングできなくなったりして、スキャン測定点群の完全性に影響を与えます。

COMET レーザースキャナーに付属するスキャンポイントクラウド処理ソフトウェア COMET PLUS 5.0 には、自由表面マッチング機能があります。小さなローカル詳細を処理する場合、スキャンポイントクラウドをマッチングするためにマッチング参照ポイントを使用する必要はありません。代わりに、部品上のスキャン測定領域のいくつかの明らかな位置構造的特徴をマッチングに使用できます。この方法では、完全なスキャンポイントクラウドの取得を保証できますが、フリーマッチングの精度が低いため、最終的なグローバルマッチング標準偏差と参照ポイントを使用したグローバルマッチング標準偏差が大きくなり、スキャンポイントクラウドの全体的な精度に影響します。

COMET 400 レーザースキャナーを使用して小型部品をスキャンおよび測定する場合、特に局所的な詳細機能に対する要件が高い小型部品を測定する場合は、適切な方法を使用することで、比較的満足のいくスキャン測定結果を得ることもできます。

2 小片測定方法の改善と実装 この方法は共感の原理に基づいています。基本的なスキャン測定方法は、写真撮影によって確立されたマッチング参照点システムをマッチング座標系として使用し、スキャンおよび測定する部品に座標系を確立することです。部品によって、マッチング参照点システムが異なります。小部品のスキャンと測定のプロセスでは、参照点が局所的な特徴を覆うことを回避し、部品の詳細が完全に記述されることを保証するために、マッチング参照点を空間的に合理的に分布させ、非スキャン測定部品の表面にマッチング座標系を確立します。補助スキャン測定参照点マッチング座標系を確立します。つまり、スキャン測定部品とマッチング参照点座標系を分離します。分離されたマッチング参照点の合理的な空間分布を使用して、スキャンされた小部品の各スキャン点群が、処理ソフトウェアで最高のマッチング精度を持つ参照点マッチング方法（参照点に変換）を使用してマッチングされることを保証します。これにより、スキャン測定点群全体の品質が向上し、再構成された表面の滑らかさの要件が保証されます。

2.1 補助走査測定マッチング基準点の座標系の確立
(l) 座標系を確立するオブジェクトを選択します 異なる角度からのスキャン測定のニーズを満たすために、確立された補助マッチング参照点座標系が 3 次元構造であることを確認するために、空間構造が良好なオブジェクト (大きな曲面など) を選択します。同時に、測定対象物が配置された後に変形してマッチング基準点の位置がずれ、補助スキャン測定マッチング基準点座標系が歪み、最終的なスキャン測定点群のマッチング品質に影響を与えるのを防ぐために、対象物は良好な剛性を備えている必要があります。

（２）一致する参照ポイントを貼り付ける 小部品スキャン測定の成功率を確保するには、補助マッチング基準点座標系を確立するために、より多くのマッチング基準点を物体の表面に貼り付け、隣接する 2 つのマッチング基準点間の距離を 10 cm に保つ必要があります。空間内の隣接する 3 つのマッチング基準点は、正三角形に配置して、マッチング基準点の合理的な空間構造を確立する必要があります。

基本的な基礎は、レーザースキャナーのプローブと測定対象物が互いに相対的に移動し、さまざまな方向からスキャンおよび測定し、各点群を一致させる必要があるということです。点群のマッチングでは、実際には、測定座標系の測定結果を、マッチング参照点に基づいて確立された測定対象物自体の座標系に変換します (図 1 を参照)。参照点に応じた相関行列の変換は次のようになります。

座標変換は非線形問題なので、複数回の反復を通じて解決する必要があります。変換行列が解けなくなったり条件が悪くなったりすることを回避するために、基本的な 3 つのマッチング参照ポイントは、空間内の鈍角でない三角形に分散されるのが好ましく、これにより、変換行列に解があることが保証され、スキャン測定の効率が向上します。
図1 さまざまな座標変換の概略図
（３）補助走査測定マッチング基準点の設定 座標系は、高精度デジタルカメラを使用して、規格で要求されているさまざまな角度から写真を撮影します。撮影結果は、専用の処理ソフトウェア（AICON3D Stucio）に入力されて処理され、撮影を通じて補助スキャン測定マッチング基準点座標系が確立されます。同時に、繰り返し使用するためにファイルをバックアップします。

2.1 スキャン測定手順
（l）小さな部品を配置する適切な位置（境界が小さい場所など、周囲に正三角形構造のマッチング参照点が少なくとも 3 つあることを保証する場所）を選択して、測定対象の小さな部品を補助スキャン測定マッチング参照点座標系（つまり、空間構造が良好なオブジェクト）に配置します。一度配置すると、スキャン測定プロセス中に 2 つの相対位置を変更することはできません。

（２）スキャン計測取得された補助スキャン測定マッチング基準点座標系は、COMET 400 レーザースキャナーアプリケーション COMET Plus にインポートされ、標準の動作要件に従ってスキャン測定が実行されます。スキャンされた測定点群全体をマッチングさせる場合、最も正確な参照点マッチング方法が使用されます。この方法により、より高精度の測定点群が得られ、時間を大幅に節約し、測定スキャンの効率を向上させることができます。表1は、この方法と写真法の時間配分の違いを示しています。
表1 スキャン測定プログラムの時間割り当て

補助スキャン測定マッチング基準点座標系は再利用できるため、さまざまな小さな部品をスキャンして測定するときに、ポイントを貼り付けて写真を撮り、マッチング基準点システムを確立する必要はありません。バックアップの補助スキャン測定マッチング基準点座標系は、標準の操作要件に従ってスキャンと測定を直接実行するために使用できるため、スキャンと測定の準備時間が短縮され、スキャンと測定の速度と精度が向上します。

具体的な操作プロセスでは、補助スキャン測定のマッチング基準点座標系が歪んで点群のマッチング品質に影響を与えないように、マッチング基準点を貼り付けて補助スキャン測定のマッチング基準点座標系を確立するために使用する参照オブジェクトを配置する際に、ストレスを避けるように注意する必要があります。後続処理の作業負荷を軽減するために、参照オブジェクトの表面を黒く塗装することもできます。スキャンおよび測定プロセス中は、一致する参照ポイントのみがスキャンされ、ポイントクラウドにノイズポイントが多すぎることが回避されます。

3 ケース検証 図2に示す部品（車体のエンジンルーム内のパレット）を例に挙げます。部品の基本サイズは、390mm×290mm×30mmです。基本的なスキャン測定法を使用してスキャン測定を行う場合、小さな折り畳みエッジを処理するときに、領域の実際のサイズが小さく、マッチング参照点を三角形のルールに従って貼り付けることができないため、マッチング参照点がほぼ直線状に配置されます（図3）。これにより、ローカルポイントクラウドを全体の参照点システムに一致させるときの変換マトリックスが不適切になり、スキャンポイントクラウドを正しく一致させることができなくなったり、全体として一致させることができなかったりして、スキャン測定の精度と完全性に影響を与えます。

この方法をスキャン測定に使用すると、上記の問題を回避し、より優れたスキャン測定結果を得ることができます。図4に示すように、小さな折り畳みエッジにマッチング参照点を貼り付ける必要はありません。代わりに、補助オブジェクトによって確立されたマッチング参照点システムでは、マッチング要件に従ってマッチング参照点を完全に実現でき、少なくとも3つのマッチング参照点が大きな三角形に分散されます。ローカルスキャンポイントクラウドをグローバルマッチングに使用すると、病的なマッチング変換マトリックスが回避されます。すべては、参照ポイントに変換コマンドを使用して実現され、より高いマッチング精度を実現します（最終的なスキャン測定結果については、図5を参照してください）。スキャンと測定中に、Merge コマンドを適切に使用して、主要部品のローカル詳細のスキャンと測定を強化できます。これにより、不要なスキャンと測定の繰り返し時間を回避し、スキャンと測定のポイントクラウドのデータ量を削減し、その後のポイントクラウドの処理とモデリングを容易にすることができます。

この方法と従来の方法で得られたマッチング精度の標準偏差を表2に示します。この方法を適用することでマッチング精度が大幅に向上することがわかります。

結論本論文で提案した小物部品測定のための補助走査測定マッチング基準点座標系を使用する方法は、以下の特徴を持つ。
（１）小型部品の点群の全体的なスキャン精度を向上させるだけでなく、スキャン測定の速度も向上します（小型部品に従来のマッチング基準点を貼り付ける必要はありません）。
（２）異なる小部品を測定する場合、より合理的なマッチング基準点参照システムを再利用することができるため、写真撮影によるマッチング座標系の構築回数が減り、スキャン測定の事前準備時間が短縮される。
（３）単一スキャン測定の成功率が向上し、起動時間が短縮され、COMET 400レーザースキャナの耐用年数が延長されます。多数の小型部品の測定の実践により、この方法が実行可能であり、モデル再構築のための高品質で効率的なポイントクラウドを提供するという要件を満たすことができることが証明されています。
著者: Peng Qili、Li Zhongxue、Chen Jie (上海交通大学)
世界トップの3Dスキャナメーカーが公開したホワイトペーパー。Antarctic Bearの読者は申請書に記入してダウンロードできます。
https://www.wenjuan.in/s/36Rbueh/

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