キーエンスは、自動制御機器や計測機器、光学顕微鏡、電子顕微鏡などの製造・販売を行う、日本を代表する企業です。ファクトリーオートメーション（Factory Automation：FA）の総合メーカーでもあるキーエンスは、測定機器や画像処理機器の企画・設計・開発・生産も行っています。主力製品の一つである三次元測定機は、三次元座標を取得することで、対象物の寸法や立体形状を測る測定機です。従来のハンドツールでは難しい複雑な形状の物も正確に測れるため、自動車部品や航空宇宙部品などの超精密加工に欠かせません。当記事では、キーエンス製三次元測定機の使い方や、導入のメリットなどを詳しく解説します。

三次元測定機とキーエンス

キーエンスの主力製品でもある三次元測定機は、従来のハンドツールでは難しい複雑な対象物も正確に測れるため、万能は測定機と言われています。さまざまな用途に活用されている三次元測定機は、特に製造業や品質管理の分野には欠かすことのできないツールです。ここでは、日本を代表する測定機器メーカーであるキーエンスと、三次元測定機の概要について解説します。

キーエンスは日本を代表する三次元測定機をメーカー

大阪府大阪市東淀川区に本社を置く株式会社キーエンスは、自動制御機器や計測機器、光学顕微鏡、電子顕微鏡などの製造・販売を行う、日本を代表する企業です。付加価値の創造こそがキーエンスの存在意義と考え、今までになかった「世界初」「業界初」の製品を多数生み出しています。製造現場のデジタルトランスフォーメーション（Digital Transformation：DX）やファクトリーオートメーション（Factory Automation：FA）にも力を入れており、測定機器や画像処理機器も主力製品の一つです。近年は、従来の測定機では難しかった大型の対象物も一人で測れるワイドエリア三次元測定機なども製造・販売しています。

そもそも三次元測定機は座標値を取得し対象物の寸法などを測る機器

三次元測定機とは、縦・横・高さの三次元の座標値を取得し、対象物の寸法や立体形状を正確に測る機器です。ノギスやハンドツールといった従来のハンドツールでは難しい複雑な対象物も正確に測れるため、自動車部品や航空宇宙部品、各種機械部品などの超精密加工には欠かせません。従来は専用の測定室に設置して据え置きで使うタイプが主流でしたが、現在では多様な用途やニーズに対応するため、さまざまな形状・サイズのものが登場しています。飛行機のエンジン部品を測定できるような大型の物や、持ち運んで現場で使えるハンディタイプのものなど、用途に合わせて選択することが可能です。なお、三次元測定機の概要や歴史については、こちらで詳しく解説しています。

三次元測定器の種類と特徴

三次元測定機は、測定方法によって「接触型」と「非接触型」の2つに分けられます。接触型は対象物に直接触れることで、非接触型は光やレーザーを対象物に照射することで、三次元座標を取得する測定機です。フォームファクターで分類すると、測定室に設置して使用する「据置型」と、持ち運んで屋外などでも使用できる「ポータブル型」に分けられます。もっとも主流な「門型・ブリッジ型」や、大型の対象物も測定できる「ガントリー型」は代表的な据置型です。ポータブル型には、多数の関節で複雑な対象物も効率よく測れる「アーム型」や、手で持って手軽に使用できる「ハンディ型」などがあります。なお、三次元測定機の種類と特徴については、こちらも合わせてご参照ください。

キーエンス製三次元測定機のラインナップ

前章でもご紹介したとおり、三次元測定機には専用の測定室に設置して使用する門型・ブリッジ型のものや、手で持って手軽に使用できるハンディ型のものなどがあります。キーエンスもさまざまな三次元測定機を製造・販売していますが、特にハンディ型に強みがあるのも特徴です。ここでは、キーエンス製三次元測定機の現行ラインナップについて解説します。

ハンディプローブ三次元測定機 XMシリーズ

• 引用元：https://www.keyence.co.jp/products/3d-measure/cmm/xm/pr/163544002.jsp

「ハンディプローブ三次元測定機 XMシリーズ」は、手持ちのハンディプローブを対象物に押し当てるだけで、三次元座標が取得できる測定機です。従来の門型・ブリッジ型とは異なり、ハンドツールのように直感的な操作感覚で、手軽に正確な三次元測定が行えます。カメラの映像と測定結果を重ね合わせて見ることもできるため、測定している箇所を直感的に把握することも可能です。簡単なインターフェースによって、測定者の知識やスキルを問わない「誰でも・どこでも・簡単に」使える測定機となっています。小さな筐体に必要な機能をすべて搭載しており、卓上・三脚・加工機上など、あらゆる場所で高精度な測定が可能です。

ワイドエリア三次元測定機 WMシリーズ

• 引用元：https://www.keyence.co.jp/products/3d-measure/cmm/wm/pr/154183003.jsp

「ワイドエリア三次元測定機 WMシリーズ」は、手持ちのワイヤレスプローブを使って、大型対象物の三次元的な寸法や形状を簡単に取得できる測定機です。ワイヤレスプローブによる直感的な操作と自由なアプローチによって、最大25mの対象物も一人で測定できます。専用のケースに収納して持ち運べるポータブル設計のため、対象物を移動することなく現場でそのまま測定することも可能です。従来の測定機は測定範囲が限られたり、複数人での測定が必須だったりなど、さまざまな問題を抱えていました。しかし、ワイドエリア三次元測定機はそれらの問題をすべて解消した新世代の三次元測定機です。

キーエンス製三次元測定機の一般的な使い方

キーエンスの測定機は、誰でも・どこでも・簡単に使用できるような設計になっています。しかし、三次元測定機を正しく使用するには、ある程度のスキルやノウハウが必要です。特に、高精度に測定するには、測定機の使い方に習熟しなければなりません。ここでは、キーエンス製三次元測定機の一般的な使い方を解説します。なお、三次元測定機の使い方については、こちらも合わせてご参照ください。

ステップ1：環境を整える

高精度に測定するには、まずは測定環境を整えましょう。対象物は測定前に専用の測定室に安置し、温度や湿度を一定に保ちます。なぜなら、精度よく測定するには、熱膨張の影響を極力取り除く必要があるからです。安置する時間は最低でも5時間程度、最適な温度は20度前後と言われています。また、振動の影響を抑えるため、対象物は地盤のしっかりとした場所に設置してください。測定機は精密機器でもあるため、破損を防ぐためにも対象物に付着した汚れや油分は事前に取り除いておきましょう。その他には、対象物に適した測定機を使用すること、オイルミストや粉塵が発生していないこと、可動部がスムーズに動作することなどを確認するのも大切です。

ステップ2：キャリブレーションを行う

測定環境が整ったら、キャリブレーションを行いましょう。キャリブレーションとは、測定機の正常性を確認し、誤差が生じていたら修正して正しく測定できるよう調整する作業です。プルーブの経年劣化や変形によって誤差が生じる恐れもあるため、基本的には測定の度に毎回調整を行います。特に、プルーブを用いる接触型の場合は、接触子の初期設定が必須です。接触子の初期設定では球の直径を設定し、対象物に触れる点から球の中心座標までの半径を考慮して測定できるように調整します。接触子にはさまざまなサイズがあり、たとえ同じ種類でも個体差があったり、摩耗によって誤差が生じたりすることもあるため、接触子の初期設定は欠かせません。

ステップ3：位置合わせを行う

接触子の初期設定が済んだら、アライメントと呼ばれる位置合わせを行いましょう。三次元測定機には、機器に固有の機械座標系と、対象物に設定するワーク座標系があります。位置合わせは、対象物のワーク座標系を基準となる機械座標系に合わせる工程です。そもそも、対象物が大きかったり、形状が複雑だったりする場合、対象物を基準となる座標系に正確に配置するのが難しいケースもあります。基準となる機械座標系とのズレを修正し、対象物の位置や姿勢を正確に把握するのが位置合わせです。

ステップ4：座標軸を設定する

位置合わせの次は、座標軸の設定です。この工程では、基準面・基準線・原点を設定します。ワーク座標系を設定するには、基準面・基準線・原点の3つの情報が必要です。座標系は通常、X軸・Y軸・Z軸の3つの値で表現します。基準面は測定の基準となる平面で、基準線はX軸、基準線に垂直なのがY軸、基準面に垂直なのがZ軸です。原点については、X軸・Y軸・Z軸のすべての値が0になる点を原点にする場合と、2つの直線が交わる仮想の交点を原点とする場合があります。基準面・基準線・原点の3つを設定することで、座標軸の設定は完了です。

ステップ5：寸法を測定する

すべての準備が整ったら、いよいよ寸法の測定です。対象物の座標値を取得する三次元測定機は、測定対象を構成する要素に対し最小測定点を測定することで、3Dデータを取得します。各要素の最小測定点は、直線は2点、平面や円は3点、球は4点です。最小測定点を満たすよう、対象物に触れたり光やレーザーを照射したりすることで、各要素の三次元座標値を取得できます。要素を組み合わせることで、寸法や角度だけでなく、立体物の複雑な三次元形状などを測定することも可能です。なお、誤差を伴う測定の場合は、誤差の二乗の和を最小にする最小二乗法によって、最も確からしい関係式を求めます。なお、三次元測定機で精度よく測定するのに重要な「基準」の取り方については、こちらをご参照ください。

キーエンス製三次元測定機を導入する3つのメリット

• 引用元：https://www.keyence.co.jp/products/3d-measure/roughness-measure/vr-6000/index_pr.jsp

キーエンス製三次元測定機の一般的な使い方をご紹介しました。三次元測定機は専門性が高いため、精度よく測定するにはコツを掴む必要があるのも事実です。しかし、従来は難しかった複雑な物も高精度に測れるため、製造業や品質管理の分野には欠かせません。ここでは、キーエンス製三次元測定機を導入する3つのメリットを解説します。なお、三次元測定機のメリット・デメリットについては、こちらも合わせてご参照ください。

メリット1：複雑な形状の物も評価・測定できる

ノギスやマイクロメーターといった、従来のハンドツールでは難しかった複雑な形状の物や、大型の対象物も正確に評価・測定できるのは大きなメリットです。例えば、光やレーザーを照射して対象物の三次元座標を取得する非接触型の測定機であれば、複雑な対象物も効率よく測定できます。接触型の大型測定機を導入すれば、飛行機のエンジン部品のような大きな対象物も正確に評価・測定することが可能です。キーエンス製の三次元測定機のなかでは、ワイドエリア三次元測定機を活用することで、最大25mの大きな対象物も、たった一人で正確に測定できます。

メリット2：高精度な測定が可能

高精度な測定ができるのも、三次元測定機のメリットです。従来のハンドツールは使いこなしが難しく、測定者によって測定誤差が生じるのも日常茶飯事でした。しかし、キーエンスの三次元測定機であれば、誰でも・どこでも・簡単に高精度な測定が可能です。特に、ハンディプローブ三次元測定機であれば、手持ちのハンディプローブを対象物に押し当てるだけで、簡単に正確な三次元座標を取得できます。一般的な門型・ブリッジ型の測定機とは異なり、ハンドツールのような直感的な操作で測定が可能です。

メリット3：3Dデータの作成や設計値との比較が容易

キーエンスの三次元測定機は、立体形状の3Dデータを出力できます。例えば、ワイドエリア三次元測定機を活用すれば、ワイヤレスプルーブが発する近赤外線を測定対象に照射することで、複雑で大型の対象物も効率よくデータ化することが可能です。ハンディプローブを直接対象物に押し当てて測定するハンディプローブ三次元測定機であれば、ハンドツールのような操作感覚でより高精度にデータ化できます。また、3D CADを読み込むこともできるため、設計時に作成したCADデータと測定機で取得した3Dデータを比較し、製造誤差などを測ることも容易です。

三次元測定機を使う際の注意点

ポータブル型・ハンディ型に強いキーエンス製三次元測定機を活用すれば、誰でも・どこでも・簡単に精度よく測定できます。しかし、測定機は精密機器であることを忘れてはいけません。取り扱いを誤ると破損の恐れもあるため、測定機を使う場合は注意が必要です。ここでは、三次元測定機を使う際の注意点を解説します。なお、三次元測定機を導入する際の注意点については、こちらをご参照ください。

取り扱いに細心の注意が必要

冒頭でも述べた通り、三次元測定機は精密機器でもあります。取り扱いを誤ると破損の恐れもあるため、取り扱いには細心の注意が必要です。特に、ハンディ型に強いキーエンスの測定機はポータブル設計のものもありますが、持ち運ぶ場合は乱雑に扱わないよう十分気をつけましょう。また、プルーブの変形や摩耗も測定誤差の原因です。ハンディプルーブを対象物に強く押し当て過ぎてしまうと、わずかにプルーブが変形して測定誤差が生じる恐れもあります。また、ワイドエリア三次元測定機には多数のセンサーが搭載されているため、非常に繊細です。屋外に持ち出す際は、必ず専用のケースに収納して持ち運んでください。

定期的なメンテナンスが必須

精密機器でもある三次元測定機は、定期的なメンテナンスが欠かせません。特に、可動部分のある測定機の場合は、動作の確認に加え、摩耗した部品の交換や、可動部への注油・清掃などが必要です。加えて、正確に測定するには、基本的に毎回キャリブレーションを行わなければなりません。なぜなら、接触子の個体差や経年劣化、摩耗などによって、測定誤差が生じる恐れもあるからです。また、正確な測定には、測定環境の維持・管理も求められます。温度や湿度は一定か、振動の影響はないか、プルーブは変形していないか、オイルミストや粉塵が発生していないかなどを確認しましょう。

使用者のトレーニングが必要

三次元測定機を正しく使用するには注意を要するため、一般的には高度なスキルやノウハウが必要です。使い方を誤って万が一破損してしまうと、高額な修理費用が発生する恐れもあります。また、測定機で精度を出すためには、ある種のコツが必要です。例えば、精度よく測定するには基準面の設定が重要で、適切な基準面を設定できないと測定誤差が生じるだけでなく、正しく測定できない可能性もあります。しかし、基準面の設定は測定対象によって異なるため、初心者や経験の少ない方には難しいのも事実です。このように、測定機の扱いにはスキルやノウハウが求められるため、正しく使いこなすには使用者の十分なトレーニングが欠かせません。

一般的な三次元測定機が抱える課題

三次元測定機は、従来のハンドツールでは難しい複雑な物も正確に測れるなど、さまざまなメリットがあります。しかし、精密機械でもある測定機を正しく使うには、細心の注意や定期的なメンテナンスが必要など、いくつかの注意点があるのも事実です。ここでは、一般的な三次元測定機が抱える課題を解説します。

測定の安定性が低い

従来のハンドツールに比べ、複雑な物もはるかに正確に測定できる三次元測定機ですが、正しく測定するには専門的な知識やスキルが必要です。測定にはある種のコツが求められるため、再現性や安定性が低いという課題もあります。また、測定環境の影響を受けやすいのも、注意が必要な問題です。精度よく測定するには、専用の測定室を設けて、温度や湿度を一定に保たなければなりません。なぜなら、熱膨張の影響で、測定誤差が生じる恐れもあるからです。再現性や安定性を一定に保つには、測定室やオフラインティーチングシステムを活用し、測定の手順を記述した自動測定プログラムを作成するという方法があります。なお、三次元測定機のプログラム作成については、こちらをご参照ください。

多品種少量生産に対応しにくい

三次元測定機は、多品種少量生産に対応しにくいのも深刻な課題です。測定機の使い方でも述べたとおり、測定する場合は基本的に毎回キャリブレーションしなければなりません。同一品種の物を連続して測定する場合は、自動測定プログラムを作成することで、一連の工程を自動化できます。しかし、異なる品種の物を測定する場合や、測定する面や角度を変更する場合は、毎回キャリブレーションが必要です。自動測定プログラムによって、同一品種大量生産には対応できます。しかし、多数の品種を少量ずつ生産する多品種少量生産には対応しにくいのは大きな問題です。

膨大なコストや工数がかかる

三次元測定機の導入や維持・管理には、膨大なコストがかかるのも頭の痛い課題です。精密機械でもある三次元測定機は高額で、ハンディ型で小型のものでも数百万円程度、大型で高精度な据置型のものだと数千万円以上する機種も珍しくありません。さらに、導入時には測定機の購入費用だけでなく、設置スペースを確保する費用や、測定室を維持・管理するコストも必要です。導入後には、定期的に必要なメンテナンスコストや、使用者の教育コスト・学習コストなどもかかります。また、精度よく測定するには膨大な工数がかかるケースもあり、スキルやノウハウを持った測定者の人件費も必要です。

測定できない物もある

万能な測定機とも言われる三次元測定機には、測定できない物もあります。例えば、対象物にプルーブを押し当てて三次元座標を取得する接触型は、ゴムのように柔らかい物や変形しやすい物の測定には向いていません。また、直接触れて測定するため、複雑過ぎる形状の対象物を測る場合は、膨大な測定時間がかかる可能性もあります。対象物に光やレーザーを照射して三次元座標を取得する非接触型であれば、複雑な対象物も効率よく測定することが可能です。しかし、黒い物や透明な物、鏡面状の物、光沢のある物など、光やレーザーを吸収したり反射したりする物は正確に測定できません。

まとめ

今回はキーエンス製の三次元測定機をご紹介しました。三次元測定機は、もっとも一般的な「門型・ブリッジ型」や、大きな対象物も測れる「ガントリー型」、複数の関節で効率よく測れる「アーム型」、手に持って手軽に測定できる「ハンディ型」など、さまざまな種類があります。キーエンスは特にハンディ型に強みを持ち、手持ちのワイヤレスプルーブで大型の対象物も一人で測れるワイドエリア三次元測定機は、新世代の測定機です。当記事を参考に、キーエンス製三次元測定機の一般的な使い方を習得しましょう。

• • ・https://www.keyence.co.jp/ss/products/measure-sys/measurement-selection/type/3d.jsp
  • ・https://www.keyence.co.jp/company/
  • ・https://www.keyence.co.jp/products/3d-measure/cmm/
  • ・https://www.tbts.co.jp/useful/column/laser-tracker/how-3d-measuring/
  • ・https://www.marubeni-idigio.com/insight-hub/about-coordinate-measuring-machine/