コンピュータ・ビジョンにおけるCAD製造

すべての製造製品はデジタルプランから始まり、通常は製造ソフトウェアで作成されたコンピュータ支援設計（CAD）モデルです。この3D設計図または3Dモデルは、製品のあらゆる表面、穴、寸法を定義します。 

エンジニアはCADを使用して、設計、テスト、生産準備のための部品を作ります。しかし、CADモデルと完成品の間に問題が生じることもあります。

‍

例えば、パーツの位置がずれたり、フィーチャーが見落とされたり、生産中に不整合が生じたりする可能性がある。こうした問題はコスト増につながり、時間もかかる。そのため、メーカーはCAD製造とコンピューター・ビジョン（人工知能（AI）の一分野であり、機械が視覚データを解釈・分析することを可能にする）を組み合わせている。 

CADが各パーツの正確な構造を捉えることで正確な設計図を提供するのに対して、コンピューター・ビジョンはその上に視覚的なインテリジェンス層を追加します。カメラやセンサーからのデータを使用して、製品開発中の部品を検査、検証、追跡します。 

CADとコンピュータビジョンシステムを組み合わせることで、重要なワークフローを合理化し、インダストリー4.0へのシフトの一環としてスマートな製造をサポートすることができます。インダストリー4.0は、AIやオートメーションなどの高度なデジタル技術を製造業に統合し、より信頼性が高く効率的なシステムを構築します。 

この記事では、CADとコンピュータ・ビジョンが設計と実行のギャップをどのように埋めることができるかを探ります。さっそく始めましょう！

現代の製造業におけるCADの役割

スマート・マニュファクチャリング・プロセスで製品が作られるとき、それはCADで作られたデジタルプランから始まります。エンジニアはCADを使用して細部まで定義し、効率的な製造のために設計が最適化されていることを確認します。積層造形から最終組立まで、すべての工程はCADデータの精度に依存しています。 

CADモデルが作成されると、コンピュータ支援製造（CAM）ソフトウェアに渡される。CAMソリューションは、切削工具の正確な動きを定義するツールパスと、それらの動きを実行するために機械が使用するプログラミング言語であるGコードを生成することによって、デジタルデザインを製造のための指示に変換します。これらの指示は、コンピュータ数値制御（CNC）機械やその他の自動工具に送られ、原材料を切断、穴あけ、成形し、元のCAD設計と一致する部品を作成する。

CADモデルはまた、シミュレーションの実行、さまざまな加工操作のテスト、現場の機械工の品質保証のサポートにも使用できます。興味深いことに、CAD設計データは、ラピッドプロトタイピングや小ロット生産のための3Dプリントセットアップに直接送ることもできます。 

‍

CADワークフローへのコンピュータ・ビジョンの導入

CADは設計の基礎を提供する。しかし、その設計を正確で物理的な製品にするには、製造業者は工場現場からのリアルタイムのフィードバックを必要とします。そこで重要な役割を果たすのがコンピューター・ビジョンです。

Ultralytics YOLO11のようなコンピュータビジョンモデルは、画像内のアイテムを識別して位置を特定するオブジェクト検出や、各ピクセルにラベルを付けることで個々のオブジェクトを分離するインスタンス分割など、必要不可欠なビジョンタスクをサポートします。これらの機能は、製造業者が生産を監視し、欠陥を検出し、プロセス全体を通して品質を確保するのに役立ちます。

次に、これが製造のさまざまな段階でどのように機能するかを詳しく見てみよう。 

フィジカルからデジタルへ：スキャンtoCADとリバースエンジニアリング

ゼロからCADモデルを作成するには時間がかかります。レガシーシステムや、既存のデジタル設計がないカスタムコンポーネントを扱う場合は、特に時間がかかります。Scan-to-CADのような技術は、物理的なオブジェクトをデジタルCADモデルに変換するプロセスをスピードアップすることができます。 

3Dスキャン装置をコンピュータ・ビジョンと併用することで、部品の形状、特徴、寸法をキャプチャすることができます。Scan-to-CADシステムは、その後、サーフェス、穴、エッジを識別し、自動的にCAD形状に変換します。 

これにより、設計の繰り返しが加速され、3Dプリント可能なモデルの作成が可能になり、機械加工者にはプロトタイプ作成のための柔軟なCAMオプションが提供されます。Scan-to-CADは、既存の物理的な部品を再設計または再作成するためにデジタル化する必要があるリバースエンジニアリングに関して、特に大きな効果を発揮します。

‍

デジタルとフィジカルの融合：組み立てにおけるARとビジョン

製造現場では、特に自動車のような産業では、小さな組み立てミスでも大きな品質問題に発展する可能性がある。このような問題を解決するため、メーカーは拡張現実（AR）とコンピューター・ビジョンを使って組み立てを指導している。ARは現実の視界にデジタル情報を重ね合わせることで、作業員が別の画面やマニュアルに切り替えることなく、正確な指示に従えるようにする。

コンピュータビジョンシステムは、各部品の位置と向きをリアルタイムで追跡できる。部品が欠けていたり、位置がずれていたりすると、システムはその問題にフラグを立て、技術者のARヘッドセットに修正ガイダンスをオーバーレイ表示します。これにより、チームはエラーを即座にキャッチし、製造現場で一貫した品質を維持することができます。

例えば、自動車の組み立てでは、ARはCADベースの車のドアのレイアウトを物理的なフレームに投影し、各ネジ、ハンドル、部品がどこに配置されるべきかを正確に示すことができる。これにより、すべての部品が正しい位置と順序で取り付けられていることが確認できる。

ループを閉じるCAD主導の品質保証

製品が製造されると、次のステップは元のCAD設計と一致しているかどうかを確認することです。コンピュータ・ビジョン・ソリューションは、製造された製品をCAD設計と比較することで、この検査プロセスを自動化することができます。

ビジョンシステムは、物体検出、セグメンテーション、ポーズ推定などの技術を使用して、形状、サイズ、配置、表面品質を評価します。これらのチェックは、品質管理の一環として生産中に実行することができ、チームはラインを止めることなく問題を発見することができます。

‍

特に、YOLO11のようなコンピュータ・ビジョン・モデルは、欠落した特徴や表面の欠陥をリアルタイムで検出することで、これを可能にします。CADと統合すれば、ビジョンベースの品質チェックで完成品を設計仕様と比較し、梱包や出荷前にエラーを発見することができる。

CAD駆動製造におけるコンピュータ・ビジョンの応用

CADワークフローとコンピュータ・ビジョンを使ったCADベースの製造について理解を深めたところで、実際のアプリケーションを詳しく見てみましょう。

自動車と航空宇宙における自動品質検査

自動車や飛行機を製造する場合、ナット、ボルト、リベットなどあらゆる部品の配置は正確でなければならない。手作業では、人為的なミスや遅れなど多くの制約がある。 

例えば、航空機の機体では、リベットの位置が1つずれただけで、構造的な完全性が損なわれる可能性があり、自動車製造では、センサーやブラケットが正しく取り付けられていないと、システムの故障やリコールにつながる可能性がある。

その優れたソリューションが、Vision AIを使った品質検査の自動化だ。これらのシステムは、カメラ、センサー、AIを使用して、欠陥を発見し、部品を測定し、部品の正しい配置をダブルチェックし、生産をより速く、より正確に、より安全にします。

精密仕上げのためのビジョンガイデッドロボット

同様に、研削、研磨、トリミングなどの作業には高い精度が要求されます。これらの作業を手作業で行うと、時には欠陥が発生し、後で修正するのに高額な費用がかかることがあります。 

ビジョン・ガイド・ロボットを使用することで、このような欠陥が発生する可能性を減らすことができる。これらのロボットは3Dビジョンを使って部品をスキャンし、CADモデルと比較する。そして、比較の結果に基づいて精密に仕上げ作業を行う。 

例えば、鋳造部品に余分な材料がある場合、ロボットは部品のCAD設計に基づいて、余分な材料がどこにあり、どのくらい削ればよいかを正確に把握します。このようなセットアップは、熟練したプログラマーがCADデータに基づいて加工プロセスやロボットの動きを最適化する、正確なCAMプログラミングに依存することが多い。

CAD CAMワークフローとVision AIを組み合わせることで、製造業者は最も複雑な部品であっても一貫して高い品質を維持することができます。これらのワークフローは品質を向上させるだけでなく、大量生産の信頼性も高めます。

航空宇宙におけるARベースの組み立て検証

航空宇宙分野での組み立てミスを修正するのは、コストと時間がかかる。それを防ぐために、多くの航空宇宙企業は、コンピューター・ビジョンとCADモデルを統合した拡張現実システムを採用している。 

例えば、航空宇宙・防衛技術の世界的リーダーであるノースロップ・グラマンは、人工衛星のような複雑なシステムの組み立てを支援するためにARヘッドセットを使用している。CAD/CAMソフトウェアを活用して実物大のデジタルモデルを作成し、それを建設中の物理的な宇宙船に投影する。部品や指示は必要な場所に正確に表示され、技術者が動き回ってもオーバーレイは整列したままだ。このリアルタイムのガイダンスにより、組み立てがスピードアップし、コストのかかる手戻りが大幅に削減される。

コンピュータ・ビジョンとCADを統合するメリット

ビジョンAIをCADワークフローに統合する利点は以下の通りです： 

• より速く 製品デザイン:コンピュータ・ビジョンにより、メーカーは部品を迅速にデジタル化することができます。これらのシステムは、自動認識と3Dスキャンを使用して、手作業によるモデリングに取って代わり、CADモデル作成を最適化し、高速化します。

• 製造における精度の向上：コンピュータビジョンシステムは、ミスアライメント、表面の欠陥、フィーチャの欠落などの問題をリアルタイムで検出し、欠陥検出と全体的な精度を向上させます。

• 生産性とトレーニングの向上ディープラーニングを搭載したビジョンAIシステムは、CADオーバーレイとARツールを使用してリアルタイムガイダンスを提供します。これにより、新人オペレーターのトレーニング時間が短縮されます。

課題と考察

CAD-CAM製造におけるコンピュータビジョンの利点にもかかわらず、考慮すべき実装上の課題がいくつかあります。以下に、留意すべき重要な要素をいくつか挙げます： 

• データとモデルの複雑さ：コンピュータビジョンシステムは大量の高品質データに依存している。クリーンなデータがなければ、パフォーマンスが低下する可能性があります。

• 拡張性とコスト：高度なコンピューター・ビジョン・ツール、3Dスキャナー、エッジ・デバイスは高価な場合が多い。それらを複数のラインやサイトに拡大するには、先行投資が必要になる場合がある。

• レガシーシステムとの統合：コンピュータ・ビジョンとCADを旧来の製造システムに統合することは困難であり、多くの場合コストがかかる。

要点 

コンピュータ・ビジョンは、製造におけるCADの役割を再定義し、よりスマートな検査とシームレスな設計から製造までのサイクルを可能にします。かつては手作業で何時間もかかっていた検査が、今ではリアルタイムで行われるようになり、ミスが減り、チームがよりコントロールしやすくなります。製造業はデータ主導、設計主導のオペレーションへとシフトしており、ビジョンAIは最新のCAD/CAMシステムのコア・コンポーネントとなりつつあります。 

成長中のコミュニティに参加しよう！GitHubリポジトリでAIについてもっと学びましょう。製造業におけるコンピュータビジョンと 自動車産業におけるAIについては、ソリューションページをご覧ください。ワークフローにコンピュータビジョンを組み込むには、ライセンスオプションをご覧ください。