3D-CAD/CAM の現状と方向性
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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, Industry4.0
1．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，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．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． 1980 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． 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 ては，ダイレクトモデリング機能1)2)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 *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 3-14-1）
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，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． 2.4 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 CAD6)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 37)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 （a）側面スケッチ （b）上面スケッチ （c）正面スケッチ （d）背面スケッチ 図 1 スケッチによるモデリング 図 3 生産設備の同期検証 図 2 スケッチモデリング結果
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 Teamcenter8)を示す．
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 CAM10)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 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 図 4 Teamcenter（Siemens PLM Software）8) 図 6 5 軸加工 CAM の例10) 図 5 5 軸加工機による切削工具割出による拘束・高精度加工9)
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 らは，設計に関するノウハウ・知識の自動構築法13)と加工 に関するノウハウ・知識の自動構築法14)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 4.0」15)∼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 図 9 除去形状のマシニングフィーチャへの分解 主軸 A 主軸 B タレット A （工具 A） タレット B （工具 B） タレット C （工具 C） 図 7 マルチタレット複合加工機 （a）要求形状 （b）除去形状 図 8 素材形状から要求形状より除去形状導出
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) http://support.ptc.com/WCMS/files/124006/ja/6240_DirectModel_ eBook3_ja.pdf（アクセス：2015 年1 月 2 日） 2) http://www.cadjapan.com/topics/3dcad/121130_swdi rect.html （アクセス：2015 年1 月 2 日） 3) http://www.3ds.com/ja/press-releases/single/3d-catia-natu ral-sk/（アクセス：2015 年1 月 2 日） 4) https://www.youtube.com/watch?v=66FoxykeT0w（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) 130. 6) http://jp.fujitsu.com/solutions/plm/cadcam/icadsx/（アクセス： 2015 年1 月 2 日） 7) http://jp.fujitsu.com/solutions/plm/cadcam/icadsx/product-07.html（アクセス：2015 年1 月 2 日） 8) http://www.dipro.co.jp/products/pdm/team_enterprise/index. html（アクセス：2015 年1 月 2 日） 9) http://www.hakodate-ct.ac.jp/~kobayasi/seeds-P/each%20 teacher/m-yamada-s.htm（アクセス：2015 年1 月 2 日） 10) 例えば http://www.matsuura.co.jp/japan/contents/products/ 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, 22-25 July 2014. 13) 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) 251. 15) http://www.plattform-i40.de/sites/default/files/Report_ Industrie%204.0_engl_1.pdf（アクセス：2015 年1 月 2 日） 16) http://www.raeng.org.uk/publications/other/henning-kager man-acatech-presentation（アクセス：2015 年1 月 2 日） 17) http://www.jst.go.jp/crds/pdf/2014/FU/DE20140917.pdf（アク セス：2015 年1 月 2 日） 青山英樹 1992∼1993 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． 2004 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．
