図 3 生産設備の同期検証図 1 スケッチによるモデリング図 2 スケッチモデリング結果形状に関しては, より素早くより直感的にモデリングできる機能が要求され, 実用システム 3)4) が開発された. しかし, 意匠デザイナの多様な要求に応えることができるモデリング機能の開発が課題である. 筆者ら

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しらんいまいだ
5 years ago
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ITC( 情報通信技術 ) を活用したものづくりの現状とこれから * 3D-CAD/CAM の現状と方向性 State of the Art and Future Trend of 3D-CAD/CAM ** 青山英樹 Hideki AOYAMA Key words CAD/CAM, Shape Modeling, PLM, Multi-Axes CAM, Digital

CAM の開発は,1955 1958 年, 米国マサチューセッツ工科大学で NC 工作機械の NC プログラムを自動生成するための言語として Automatically Programmed Tools (APT) と呼ばれる NC プログラム言語の開発が起源となった.

1 ITC( 情報通信技術 ) を活用したものづくりの現状とこれから * 3D-CAD/CAM の現状と方向性 State of the Art and Future Trend of 3D-CAD/CAM ** 青山英樹 Hideki AOYAMA Key words CAD/CAM, Shape Modeling, PLM, Multi-Axes CAM, Digital Manufacturing, Know-how, Production Knowledge, Industry はじめに CAD の開発は, 米国マサチューセッツ工科大学における 1963 年のアイバンサザランド氏の Sketchpad に始まった.CAM の開発は, 年, 米国マサチューセッツ工科大学で NC 工作機械の NC プログラムを自動生成するための言語として Automatically Programmed Tools (APT) と呼ばれる NC プログラム言語の開発が起源となった. 当時の CAD,CAM は 2 次元情報を基本とし, 設計生産現場に広く導入されていったが,3 次元情報を取り扱う CAD,CAM が要求され,3 次元形状をワイヤーフレームやサーフェスで表現する 3 次元 CAD,CAM が実用化されてきた. 現在の 3 次元 CAD,CAM は, プリミティブ形状の集合演算により形状を構築する手法を基礎としており,1970 年代において, 北海道大学の TIPS-1, Cambridge 大学の BUILD を中心に開発が行われてきた年代後半には, フィーチャモデリングとパラメトリックモデリングを基礎とした 3 次元モデリング手法を組み込んだ実用システムが開発された. 初期の 3 次元 CAD は高価 ( ハイエンド ) であったが,1990 年代には安価 ( ミドルレンジ ) な CAD が実用化され, その普及が加速していった.CAD の 3 次元化に伴い,CAM および CAE も 3 次元情報の処理が可能となった.3 次元 CAD データを基礎とするプロダクトモデルデータを活用する IT ツールは, 設計生産工程のみならず, 製品のライフサイクル全行程で活用されてきている. 3 次元 CAD を中心とするプロダクトモデルの活用はグローバル生産の基盤技術となってきている. 本稿では,3 次元 CAD/CAM の現状として代表的トピックスを紹介するとともに, 今後の方向性について述べる. * 原稿受付平成 27 年 1 月 7 日 ** 正会員慶應義塾大学理工学部システムデザイン工学科 ( 横浜市港北区日吉 ) 2.3 次元 CAD の現状トピックス 2.1 形状モデリングと形状修正上述のとおり,3 次元 CAD のモデリング機能と形状修正機能は,1980 年代後半に開発されたフィーチャモデリングとパラメトリックモデリングにより飛躍的に向上し, その普及に大きく寄与した. フィーチャモデリングとは, CAD にあらかじめ用意されているフォームフィーチャと呼ばれる基本形状 ( 角柱, 円柱, 球, 円錐, 穴, 溝, フォレット, 面取り, ボス, ) の集合演算により要求する形状を構築する手法である. パラメトリックモデリングとは, 形状を代表寸法であるパラメータ ( 変数 ) により定義し, そのパラメータ値を変更することにより形状修正を容易に行う手法である. フィーチャモデリングは形状のモデリングを容易にし, パラメトリックモデリングは形状の修正を簡便かつ確実にした. しかし, フィーチャモデリングにより構築できる形状は, フォームフィーチャの集合演算で構築できる形状に限られるとともに, そのプロセス ( 使いやすさ ) はインターフェース機能に依存する. また, パラメトリックモデリングは, 位相 ( トポロジーといい, 構造を意味する ) が変更されるような形状修正はできない. また, 形状修正においては, その形状を構築した履歴を認識することが必要であり, 形状の複雑さによっては, この作業が繁雑になる. 位相や履歴の認識を必要とするパラメトリックモデリングの問題に対して, 設計要件が大幅に変更される可能性がある製品開発や設計変更を行う必要がない製品開発に対し 1)2) ては, ダイレクトモデリング機能を提供する CAD も開発されてきた. パラメトリックモデリングとダイレクトモデリングは, 製品開発プロセスを考慮して, 適当な機能を採用することが必要である. 2.2 感性に基づく簡易モデリング ( スケッチモデリング ) フィーチャモデリングとパラメトリックモデリング / ダイレクトモデリングにより機械設計における形状モデリング作業が容易になったことは上述のとおりであるが, 意匠 206 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3, 2015

図 3 生産設備の同期検証図 1 スケッチによるモデリング図 2 スケッチモデリング結果形状に関しては, より素早くより直感的にモデリングできる機能が要求され, 実用システム 3)4) が開発された. しかし, 意匠デザイナの多様な要求に応えることができるモデリング機能の開発が課題である. 筆者らも, 意匠形状の簡易な感覚的モデリング機能の開発を試みてきた.

このため, 自動車のような高度な意匠形状のモデリングは, 次の (1) (4) のプロセスで行われている. (1) スケッチによるアイディアの具現化 (2) クレイモデルによるアイディアの確認検証 (3) クレイモデルの高密度測定データの獲得 (4) 高密度測定データから CAD データの構築スケッチはアイディアの発想と具現化をサポートする強力なツールである.

測定技術は高度化しており, 測定範囲が 80(X) 80(Y) 60(Z) mm の場合, 測定精度 8 μm で,11000000 点を 4 sec で測定可能である. リバースエンジニアリングは高度な意匠形状のモデリングに活用されてきたが, 測定精度の向上に伴い, 機械加工品や成形品の検証にも利用されてきている. 2.

コンピュータの処理能力が向上してきているが, 工場に設置されている全ての設備の大量データをストレスなく処理することは困難である. 上記の問題に対して, 自由曲面を取り扱いしないことを前提にした CAD 6) が開発された.

2 図 3 生産設備の同期検証図 1 スケッチによるモデリング図 2 スケッチモデリング結果形状に関しては, より素早くより直感的にモデリングできる機能が要求され, 実用システム 3)4) が開発された. しかし, 意匠デザイナの多様な要求に応えることができるモデリング機能の開発が課題である. 筆者らも, 意匠形状の簡易な感覚的モデリング機能の開発を試みてきた. 筆者らの開発したシステム 5) は, 図 1に示すように, 側面, 上面, 正面, 背面の各スケッチを入力することにより, 図 2に示すように 3 次元意匠形状を構築することができる. 2.3 リバースエンジニアリング前節 2.1,2.2 で述べたとおり, 現状の CAD は, 意匠形状モデリング機能が十分とはいえない. このため, 自動車のような高度な意匠形状のモデリングは, 次の (1) (4) のプロセスで行われている. (1) スケッチによるアイディアの具現化 (2) クレイモデルによるアイディアの確認検証 (3) クレイモデルの高密度測定データの獲得 (4) 高密度測定データから CAD データの構築スケッチはアイディアの発想と具現化をサポートする強力なツールである. また, クレイモデルすなわち実モデルは, アイディアを実感覚で確認できるため, 高度な意匠形状の評価検証のために有効である. クレイモデル ( 実モデル ) 構築後は上記 (3),(4) のプロセスとなるが, このプロセスはリバースエンジニアリングとよばれ, 測定技術とデータ処理技術を基礎としている. 測定技術は高度化しており, 測定範囲が 80(X) 80(Y) 60(Z) mm の場合, 測定精度 8 μm で, 点を 4 sec で測定可能である. リバースエンジニアリングは高度な意匠形状のモデリングに活用されてきたが, 測定精度の向上に伴い, 機械加工品や成形品の検証にも利用されてきている. 2.4 データ軽量化 3 次元 CAD 3 次元 CADは, 意匠形状の構築のために自由曲面を処理できることが当然と考えられている. 自由曲面をソリッドデータとして処理を可能にすることにともない CAD データが複雑になり, その処理においてコンピュータに大きな負荷を与えている. コンピュータの処理能力が向上してきているが, 工場に設置されている全ての設備の大量データをストレスなく処理することは困難である. 上記の問題に対して, 自由曲面を取り扱いしないことを前提にした CAD 6) が開発された. このことにより,CAD データ構造を単純化でき, その処理負荷が極めて小さくなり, 工場に設置されている 100 万部品以上の生産設備や工作機械をリアルタイムで同期モーションを行い, その検証が可能となった. 図 3 7) は, 同 CAD により生産設備の同期モーションの検証をデジタル空間で行っている例を示している. 2.5 データ管理機能の重要性 (PLM 機能 ) 製造業, 特に自動車産業では, 生産のグローバル化が進められ, 部品は世界中から調達されている. 最近では, 現地での販売を促進するため, 現地顧客の文化習慣を考慮した製品を提供するため, 現地での再設計も行われている. グローバル生産では, 同じ型式の製品が世界中で生産されるとともに, さまざまな拠点で生産された部品が搭載された同一型式の製品がさまざまな拠点で生産されている. グローバル生産では, 同一型式の製品数が多くなり, 販売精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3,

図 4 Teamcenter(Siemens PLM Software) 8) 後, 部品に不具合が明らかになったとき, リコールとしてその部品のトレーサビリティが必要となる.

部品の組み合わせや構成を示す部品表 (BOM : bill of materials) や組み立てに関する指示書など, さまざまなデータを一元管理する PLM(Product Lifecycle Management) が重要となっている.

ボールエンドミルの切削速度がゼロの切刃部分での加工を避けることができ, 加工精度加工面性状を向上できる, などの特徴がある. 複合加工機も同様に, 段取り変えなく 5 面あるいは 6 面加工を可能としており, 素材を設置することにより最終製品を得ることができ, 高能率高精度加工を可能とする.

3 図 4 Teamcenter(Siemens PLM Software) 8) 後, 部品に不具合が明らかになったとき, リコールとしてその部品のトレーサビリティが必要となる. グローバル生産において, 概念設計から生産, 出荷そして廃棄に至るまで, 世界中の設計製造拠点において, 製品のライフサイクルすべてにわたって一貫して製品データをデジタル管理することが必須になる. 部品の組み合わせや構成を示す部品表 (BOM : bill of materials) や組み立てに関する指示書など, さまざまなデータを一元管理する PLM(Product Lifecycle Management) が重要となっている. グローバル生産海外生産にむけた IT ツールとして, 強力な BOM 管理機能が組み込まれた CAD を基礎とする PLM が重要である.PLM の概念として, 図 4に Siemens PLM Software の Teamcenter 8) を示す. 図 5 9) 5 軸加工機による切削工具割出による拘束高精度加工 3.3 次元 CAM の現状トピックス 3.1 多軸制御工作機械用 CAM 5 軸制御加工機は,(1) 被削材の段取り変え回数を減少でき, 段取り時間を削減するとともに加工精度を向上できる,(2) インペラーに代表されるオーバーハング形状の加工が可能である,(3) 図 5に示すように切削工具の割出により切削工具長を短くして加工でき, 加工精度を向上できる 9),(4) ボールエンドミルの切削速度がゼロの切刃部分での加工を避けることができ, 加工精度加工面性状を向上できる, などの特徴がある. 複合加工機も同様に, 段取り変えなく 5 面あるいは 6 面加工を可能としており, 素材を設置することにより最終製品を得ることができ, 高能率高精度加工を可能とする. 図 6に示すように,5 軸制御加工機や複合加工機の専用 CAM 10) が開発されてきており, 切削工具や素材, 工作機械などのデジタル形状データが入力されていれば, オーバーカットや切削工具と工作機械治具などとの干渉の回避図 6 10) 5 軸加工 CAM の例は可能になってきた. しかしながら,5 軸制御加工機や複合加工機の機能を十分に発揮させることができる NC プログラムの生成は依然として困難な状況であり, 熟練加工技術者の経験やノウハウに大きく依存している. 3.2 マルチタレット複合加工機用工程設計 CAM 図 7は 3 つのタレット (3 つの切削工具 ) と2つの主軸からなる複合加工機を示している. 同機は, これ以外にもさまざまな形式があり, 多岐にわたっている. このように切削工具が複数あり, 切削工具および被削材の運動が無限に選択できる状況において, 最適な切削工程 ( 加工プロセス ) を決定することは熟練加工技術者にとっても難しい. この問題に対して,IT 技術で解決することが試みられている. 図 8(a) は要求形状を, 図 8(b) は素材形状 CAD デ 208 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3, 2015

図 9 図 7 図 8 マルチタレット複合加工機素材形状から要求形状より除去形状導出除去形状のマシニングフィーチャへの分解ータから要求形状 CAD データの減算により導出された除去形状を示している. 図 9は, 除去形状を加工形状の最小単位形状であるマシニングフィーチャに分解した例を示している. マシニングフィーチャの加工順を決定することが, その除去形状を加工するための工程設計を意味する.

1 機械電気制御の統合 IT ツール高級自動車の場合,1000 万行のコンピュータプログラムが搭載されているといわれている. そのプログラムにより, 自動車運転に関するあらゆる操作がセンサ情報を基にアクチュエータでメカニズム制御されている. 自動車に限らず, 現在の工業製品は, 機械電気制御の融合品である.

統合システムの検証 IT ツールとして,MATLAB や SIMULINK が使われているが, 検証モデルの構築に多大な時間と労力を要している.CAD データ, 電気回路データ, 制御データを自動的に統合し, 統合システムの確実な検証を実施できる IT ツールが望まれる. 4.

4 図 9 図 7 図 8 マルチタレット複合加工機素材形状から要求形状より除去形状導出除去形状のマシニングフィーチャへの分解ータから要求形状 CAD データの減算により導出された除去形状を示している. 図 9は, 除去形状を加工形状の最小単位形状であるマシニングフィーチャに分解した例を示している. マシニングフィーチャの加工順を決定することが, その除去形状を加工するための工程設計を意味する. マシニングフィーチャへの分解パターンは複数となり, それぞれの分解パターンにおいてマシニングフィーチャの加工順も複数となる. 非常に多くの候補を導出し, その中からルールと評価基準に基づき, 最適な工程設計を導出する 11)12). 4.3 次元 CAD/CAM の方向性 4.1 機械電気制御の統合 IT ツール高級自動車の場合,1000 万行のコンピュータプログラムが搭載されているといわれている. そのプログラムにより, 自動車運転に関するあらゆる操作がセンサ情報を基にアクチュエータでメカニズム制御されている. 自動車に限らず, 現在の工業製品は, 機械電気制御の融合品である. そのような機械電気制御の融合製品の設計開発において, 機械系, 電気系, 制御系の各設計はそれぞれの支援 IT ツールで行うが, それらの統合システムの検証においては試作が必要になっている. しかし, リードタイムの短縮, コスト低減のために, 試作レス生産が求められている. 統合システムの検証 IT ツールとして,MATLAB や SIMULINK が使われているが, 検証モデルの構築に多大な時間と労力を要している.CAD データ, 電気回路データ, 制御データを自動的に統合し, 統合システムの確実な検証を実施できる IT ツールが望まれる. 4.2 デジタルすり合わせの CAD/CAM/CAE 技術世界中を生産拠点とするグローバル生産においては, すり合わせ力をもった高度な熟練者を確保することは難しく, すり合わせを基礎とする生産方式では対応できない. 安定した品質の製品を製造するために, すり合わせレスモノづくり技術が必要である. 自動車用プレス金型は大型であるため, 金型をプレス機械に設置したとき, 自重によりプレス機械および金型が変形する. その変形を修正するために, 調整 ( すり合わせ ) が必要になる. この種の調整は, 加工環境が変わると, その都度, 必要になるが, 日本はこれまで, 熟練技術者による高度なすり合わせ力により解決してきた. このようなすり合わせ調整を IT ツールである CAD,CAM,CAE などを有効に活用することにより実施するデジタルすり合わせ技術を開発することが必要である. 4.3 設計加工に関するノウハウ知識の自動構築システムとそのクラウド管理生産拠点のグローバル化にともない, 設計開発拠点は製造拠点に近い方がリードタイムを短縮できるとの観点から, 設計開発拠点のグローバル化 ( 海外展開 ) が始まっている. すなわち, 設計加工技術者が世界中に分散することになる. 各企業において設計加工のノウハウや知識が分散することになり, 各企業において設計生産技術の高度化が難しくなる. このため, 熟練者の日常の設計加工作業の中から熟練者のもつ設計加工のノウハウ知識を自動的にデータベースとして構築し, クラウド管理により世界中の技術者が活用するシステムが必要になる. 筆者 13) らは, 設計に関するノウハウ知識の自動構築法と加工 14) に関するノウハウ知識の自動構築法を提案している. 4.4 インダストリー 4.0 対応 CAD/CAM インダストリー ) 17) は, ドイツ政府が推進している産官学共同の製造業高度化プロジェクトである.2020 年に向けて, 現実世界とバーチャル空間 (IT 空間 ) を密接に連携させ Cyber-Physical Systems によりモノづくりの高効率化を実現しようとしている. 自動車メーカをはじめ多くのドイツ企業や大学が参画しており,Siemens AG の技術者もメンバーとして参加している.Siemens AG は,CAD/CAM/CAE や制御装置など設計生産設備に関する多種多様な製品を取り扱っている. それらに関連す精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3,

る技術やシステムが, インダストリー 4.0 の推進の中で標準化国際規格化されることが予想される. したがって, 今後の設計生産 IT ツールとしては, インダストリー 4.0 の先に現れると思われる規格に対して早めに対応する必要がある. 5. まとめ本稿では,3 次元 CAD/CAM の現状について, 紙面の都合上, その一部をトピックスとして紹介した.

5 る技術やシステムが, インダストリー 4.0 の推進の中で標準化国際規格化されることが予想される. したがって, 今後の設計生産 IT ツールとしては, インダストリー 4.0 の先に現れると思われる規格に対して早めに対応する必要がある. 5. まとめ本稿では,3 次元 CAD/CAM の現状について, 紙面の都合上, その一部をトピックスとして紹介した. また, 設計生産支援 IT ツール開発の方向性について, 筆者の私見の観点から, いくつかを紹介した. 参考文献 1) ebook3_ja.pdf( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 2) rect.html ( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 3) ral-sk/( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 4) アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 5) J. Kamiya and H. Aoyama : Free Form Modeling Method Based on Silhouette and Boundary Lines, Proceedings of Sixth International Conference on Information Visualization, (2002) ) アクセス : 2015 年 1 月 2 日 ) 7) 07.html( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 8) html( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 9) teacher/m-yamada-s.htm( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 10) 例えば hypermill.html( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 11) K. Dwijayanti and H. Aoyama : Basic Study of Process Planning System on Turning-Milling Center Based on Machining Feature Recognition, JSME Journal of Advance Mechanical Design, Systems, and Manufacturing, 8, 4(2014) 1. 12) K. Dwijayanti and H. Aoyama : Development of Process Planning System for Turning-Milling Center, International Conference on Precisions Engineering, Kanazawa, Japan, July ) S. Ando, H. Aoyama and N. Sano : CAD System for Utilizing Design Information and Know-how Based on Function Features, Proceedings of the 2012 International Symposium on Flexible Automation(ISFA2012, June 18-20, 2012, St. Louis, USA), CD- ROM. 14) Y. Uchida and H. Aoyama : Development of Basic System to Construct Database of Machining Know-how, Proceedings of the 4th International Conference on Leading Edge Manufacturing in 21st Century (LEM21) ) Industrie%204.0_engl_1.pdf( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 16) man-acatech-presentation( アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 17) アクセス :2015 年 1 月 2 日 ) 青山英樹年カリフォルニア大学 ( デービス校 ) 研究員.1994 年慶應義塾大学理工学部専任講師.1996 年慶應義塾大学理工学部助教授年慶應義塾大学理工学部教授. 専門は, CAD/CAM, 金型, スタイル CAD. 210 精密工学会誌 /Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.81, No.3, 2015

会社紹介日本ユニシスエクセリューションズ株式会社事業内容機械設計用 CAD/CAM/CAE の開発販売住宅用 3 次元 CAD の開発販売他設立 1984( 昭和 59 年 ) 年 11 月 1 日社長石原邦夫資本金 1 億円 ( 日本ユニシス 100%) 社員数 216 名事業所本社

会社紹介日本ユニシスエクセリューションズ株式会社事業内容機械設計用 CAD/CAM/CAE の開発販売住宅用 3 次元 CAD の開発販売他設立 1984( 昭和 59 年 ) 年 11 月 1 日社長石原邦夫資本金 1 億円 ( 日本ユニシス 100%) 社員数 216 名事業所本社平成 24 年度理研シンポジウムポリゴンエンジニアリングで実現する / 設計 / シミュレーション / 加工の融合日付 :2012 年 10 月 3 日日本ユニシスエクセリューションズ株式会社代表取締役社長石原邦夫会社紹介日本ユニシスエクセリューションズ株式会社事業内容機械設計用 CAD/CAM/CAE の開発販売住宅用 3 次元 CAD の開発販売他設立 1984( 昭和 59