１ なぜ、今三次元ＣＡＤが必要なのか
ここ数年、米国製造業の復権が顕著である。日本の産業界では、米国産業の巻き返しをみて、リストラやリエンジニアリングを推進しつつある。米国で成功したリエンジニアリングは、仕事のプロセスそのものを根本から見直し、再設計することであり、これを可能にするのがコンピュータを利用した情報システム基盤の整備である。
日本の製造業においても、設計と生産の効率化を実現するコンカレント・エンジニアリング、設計プロセスそのものを交換するためのＳＴＥＰ、製造データと設計データを統合的に管理するためのＰＤＭ、グローバルな製造工程の支援を実現するためのＣＡＬＳ等、海外から発進された技術導入の必要性が声高に叫ばれている。これらを実現していく基盤要素が三次元ＣＡＤ、それもソリッドをベースとしたシステムである。完全に形状を表現できる三次元であるからこそ、設計から製造にいたるプロセス間でデータを共有し、コンカレント・エンジニアリングを実現することができる。ＳＴＥＰ、ＰＤＭもその真価を発揮するのは三次元データをベースにするときなのである。
１９９５年初に進んだ円高により、日本の製造業の空洞化は一段と進んでいる。製造業の空洞化とはグローバルな製造体制構築の必要性を意味している。製品設計は日本で、金型作成は台湾で、量産はタイで行うといった分業が急速に求められていく。ところが、この国際分業にも言語や文化の違いという大きな障害がある。この問題を解決するキーになるのが三次元ＣＡＤである。
不完全な図面データや言語で表現してきたデータのあいまいな部分を三次元データが表現してくれるからである。
ウィリアム・ファイナンとジェフリー・フライの著書「日本の技術が危ない」の中に、日本において設計は図面を作成することを意味し、本当のエンジニアリングは製造現場で行われてきたという指摘がある。日本的な経営風土の中で設計と製造現場が密にコミュニケーションを行いながら製品設計を進めてきたという意味では、かつての規格品の大量生産には適した方法であった。一方、三次元ＣＡＤの普及著しい米国では、上流工程の設計部門で工学的な問題や構造上の問題をクリアしたエンジニアリングを行うことで、競争力を強化しつつある。産業界の競争にすでに国境はない。今まさにに本の製造業も真剣に三次元ＣＡＤを導入し、設計と製造のプロセスをリエンジニアリングすることで復権を果たさなければならない。
２ 三次元ＣＡＤシステム導入に際し、考慮すべきこと
2.1 ソリッドモデラーの台頭
三次元ＣＡＤには曲面を設計加工するためのサーフェスモデラーと立体を設計するためのソリッドモデラーとがある。形状を完全に表現することで後工程の自動化に大きく貢献するソリッドモデラーはすでにＣＡＤシステムには必須のものになっている。1973年に学会で初めて提案されたソリッドモデラーは1980年代後半のＷＳの急速なコストパフォーマンスの向上もあり、しだいに実用に利用されるようになってきた。
特にソリッドモデラーの実用性を高く認識させたのがフィーチャベースなモデリング機能とパラメトリックな変形機能を得意とするパラメトリックテクノロジー社のPro/Engineerであった。フィーチャベースのモデリング機能は現場の設計者が言葉で形状入力を行えるので、設計現場にも受け入れやすいものである。また、フィーチャによる入力に際して形状入力の手段を限定することで、安定したパラメトリック変形を可能にした。さらに、パラメトリック変形は単純な部品形状の修正には非常に有益である。このような背景でフィーチャ機能とパラメトリック機能はソリッドベースの三次元ＣＡＤには必須のものになっている。
一方、フィーチャベースなシステムにも以下のような問題点があるという指摘もある。
(1) 複雑な部品形状を設計するには、並行設計していくのが効率的である。しかしフィーチャベースなシステムでは、基本となるフィーチャを設計者間で共有できないために部品を分割して設計を進めていくのが困難である。
(2) データを受け渡す際、他人の作成した設計プロセスが理解できないとそのデータに修正をかけることが困難である。したがって、形状データが複数の設計者が携わる設計には利用しづらい。
(3) 実際の設計ではベースとなるフィーチャが変更されることも多く、この場合、パラメトリック機能が有効に活用できず、設計のやり直しになる。
(4) 入力手法が限定されているために、複雑な曲面形状の入力や設計後の微妙形状修正が困難である。
特に曲面形状の入力と修正は、加工を行う上で、必須な条件であり、実際、ＣＡＭシステムはこのような形状変形を得意とするサーフェスモデラーを基盤とするものが多い。三次元ＣＡＤをシステム導入する際には、業務プロセスそのものをよく見直して、どのような作業を三次元化したいのか、そのねらいは何であるかを明確にしておく必要がある。
2.2 プラットフォーム
三次元ＣＡＤ導入に関して、サポートされるプラットフォームにも注目する必要がある。三次元ＣＡＤの運用には強力なＣＰＵパワーと高速なグラフィックス処理が必要とされるので、かつては、運用プラットフォームにはUNIX-WSがりようされてきた。しかし、昨今のＰＣの性能向上とマイクロソフト社のWindowsNTの登場により、ＰＣ上で動作する三次元ＣＡＤが現実のものとなりつつある。WindowsNTには三次元グラフィックスを実現するOpenGLも搭載されており、また、グラフィックス処理を高速化する専用ボードも販売されているので、安価にＷＳと同様の環境をＰＣ上で実現できるようになった。
これまでＣＡＤ市場は高機能のＵＮＩＸベースのシステムと低価格を武器にしたＰＣベースのシステムに二分されていた。しかし、WindowsNTがこの垣根を壊し、高機能の三次元ＣＡＤシステムも続々とＰＣ上で稼動しつつある。爆発的な普及が予想されるWindows95も有力なプラットフォームとなろう。システム選定時にはソフトメーカーのプラットフォーム戦略も十分見極めておく必要がある。
2.3 データ交換
優れたソフトウェアはごく少数の天才肌のエンジニアによってアイデアが生み出され、多数のエンジニアによって商品へと形づくられていく。これはＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥシステムにもあてはまる。極論すれば、現在市場で著名な汎用システムでも、元々の開発者がどの分野の専門家であったかにより、ＣＡＤに強いシステム、ＣＡＭに強いシステム、ＣＡＥに強いシステムに大別される。それぞれのシステムに長所があるため、大企業では各部門にニーズに応じて種々のＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥシステムを導入してきた。
これは個別ニーズの解決には有益であったが、全体を統合するとなるとデータ交換という大きな壁にぶつかることが多い。特に多くのシステムが導入されるとデータ交換の組み合せが飛躍的に多くなり、スムーズなデータ交換が困難になる。専用インタフェースの開発にはコストがかかるので、結果的にIGESのような標準的なデータ交換フォーマットを利用してデータ交換を行うことになる。
しかし、現状で流通しているIGESファイルはサーフェスデータのみを出力するものがほとんどで、ソリッドを出力できるものは少ない。サーフェスデータをソリッド化できれば、計り知れないメリットがあるが、サーフェスデータは面の間にソリッドモデラーの許容範囲を超えた大きな隙間をもっていることが多く、一般には自動的にソリッド化することは困難である。このような許容誤差の問題は次世代のデータ交換の標準であるSTEPでも解決されていない。
この問題を解決する試みとして許容誤差を複数もたせることが可能なトレラントモデリングの手法がある。しかし、現状では、トレラントモデリングが可能なシステムが少ないので、トレラントモデリングにより構築されたモデルは他のシステムには渡せない。これはトレラントモデリングに依存したシステムを構築した場合、そのシステム内で、CAD、CAM、CAEすべてのニーズにこたえなくてはならないことを意味し、企業にとっては危険な賭けともなる。
データ交換のための別のアプローチとしてカーネル・モデラーを利用する手法がある。CAD、CAM、CAEそれぞれのソリッド処理部分に共通のカーネル・モデラーを利用することによって、データ交換の問題を解決することができる。形状データのフォーマットはカーネル（核）が規定するので、同一のカーネルがベースであれば、何の変換もすることなくデータを交換できるからである。
３ カーネルの重要性
1990年代初期は個別のベンダーがすべてのソリューションを提供しようとした汎用システムとPC上で動作する手軽な専用システムが幅を利かせた時代であった。1990年代後半はハードウェアのコストパフォーマンスの急激な向上に影響され、ソフトウェアの低価格化・高機能化も急速に進むと予想される。こうした環境の変化に対応する手法として、コンポーネントタイプのカーネル・モデラーを軸にオープンなシステムが統合し、最適なソリューションを提供するという手法が注目されている。コンポーネントテクノロジーをベースにソリッドモデラーをソフトウェア・コンポーネント（部品）として利用して、三次元CAD/CAM/CAEシステムを構築する手法である。
カーネル・モデラーはシステムの基盤となるモジュールなので、高度な技術と高い信頼性を要求される。投ぜん、その開発と拡張には莫大なコストが必要である。カーネル・モデラーをコンポーネントとして利用すれば、CAD/CAM/CAEメーカーは、このコストを自社の得意とする分野の開発に投資することができる。メーカーは設計、解析、加工、レンダリング、ロボットといったそれぞれの独自システムをカーネルを利用して効率よく開発することができる。揺籃期をすぎたソフトウェア産業において、システム構築を分業するという開発形態が静かに、しかし、確実に普及しているのである。
カーネル・モデラーとして代表的なものに株式会社リコーのDESIGNBASEやスペイシャルテクノロジ社のACIS、エレクトロニック・データ・システムズ社のParasolidなどがある。ACISはC++で記述されていることによる拡張性を特長として主に海外のCAD/CAMメーカーに採用されてきた。一方DESIGNBASEは高度な曲面処理機能を持ったサーフェス・ソリッド統合モデラーとして国内外の主なCAD/CAMメーカーで利用されており、米国からDESIGNBASEをカーネルとするCAD/CAMソフトウェアが日本にも輸入されはじめている。
カーネル・モデラーを利用する意義を３点列挙する。まず、第１はデータ交換の問題である。共通のモデラーを利用したCAD/CAM/CAEシステムは形状データを誤差なく渡すことができる。DESIGNBASEをベースとしたシステムでは、この仕組みをジオメトリハイウェイと呼んでいる。
第２はそれぞれの分野で最高のシステムが提供できるという点である。カーネル・モデラーを利用すると、見かけ上個別データの上に各システムが構築されるようになる。カーネルがCAD/CAMシステム開発に必要な機能を提供し、この上に統合システムが構築される。これはOSの上にアプリケーションが開発されるのと同じである。アプリケーションはこのソリッドモデリング・ツールキット（カーネル・モデラー）が提供する関数インタフェースの上に作成する。２次元CAD、CAM、CAE等のそれぞれの得意とする分野の技術やノウハウをカーネルの上で実現することにより、それぞれの分野で最高のシステムを提供することができる。もちろん、カーネルは常に最高の技術を提供していかなくてはならない。
最後に指摘したい点はカーネルを利用することで日本特有の製造プロセスを反映したシステムが構築できるということである。三次元ＣＡＤが普及するにつれ、その限界も明らかになりつつある。多くの三次元CAD/CAMは海外製であり、日本の設計や製造ノウハウを反映したものになっていない。海外で航空機や自動車などの大きな形状を設計するために開発されたシステムを日本では小さな家電製品の設計に利用するといったギャップがある。ゼロから三次元CAD/CAMシステムを構築するのは危険であるが、カーネルを利用すれば、自社特有の問題を解決する最適なシステムを構築することができる。実際、社内用のシステムの基盤にカーネルを利用する企業も増えつつある。開発に手が回らないところは他社のアプリケーションを購入してもよい。
４ どのようなカーネルが求められるか
カーネル・モデラーをベースにした商品は１９９５年になって、続々と市場に登場しはじめた。市場で実用システムとして利用されるにしたがって、カーネルへの要望もますます厳しくなっている。要望の第一にあげられるのがカーネルそのものの機能である。三次元CAD/CAMシステムの機能はカーネルの機能に依存する。また、カーネルの機能が乏しければ、システム構築に要する時間も多大なものになる。カーネルのモデリング機能は特に重要である。モデリングができなければCAMもCAEも始まらない。カーネルレベルで複雑なフィレット形状が生成できなければ、それをベースとする三次元CADではその入力は不可能である。DESIGNBASE等は世界最高水準のフィレット機能を提供している。
第二は品質である。カーネルを採用すると三次元CAD/CAMシステムは、これをベースに開発される。ベースとなるカーネルが安定していなければ、システム開発のボトルネックとなる。また、最終製品の品質もカーネルに依存してくる。三次元CAD/CAM、CAEの中では干渉計算等のきわめて複雑な数学的処理が頻繁に行われる。実数の演算は誤差を含むので、本質的にエラーを取り除くことはなかなか容易なことではない。これらの複雑な幾何処理はカーネルの仕事である。カーネルには厳しいテストとエラー回避のためのノウハウの蓄積が求められる。
第三は拡張性である。CAD、CAM、CAEをはじめ、さまざまな分野で利用されるためにはカーネルの拡張性がひじょうに重要である。注意しなければならないのは、三次元アプリケーションでは拡張性はプログラミング言語が決めるものではなく、カーネルのアーキテクチャと機能によって決まるという事実である。システムとしてのモジュール設計がなされていなければ、その上に拡張していくのは困難である。
カーネルの拡張性がその機能に依存するという意味は次のとおりである。カーネルを利用してパラメトリックな三次元CADシステムを開発するには、カーネルにこれを実現するために基盤機能が必要である。基本的なサーフェスモデリング機能がなければ、複雑なモデリング機能は実現できない。カーネルに実用レベルの機能が存在しなければ、実用レベルのシステムに拡張していくのは困難である。たとえばDESIGNBASEは、フィーチャベースなソリッドモデリング機能と複雑なサーフェスモデリング機能の双方の基盤モデラーとなるように設計されている。
５ おわりに
本稿では三次元CAD/CAMの動向とその中で注目されるカーネル・モデラーの重要性についてのべた。日本コンピュータグラフィックス協会（NICOGRAPH）でもカーネル・モデラーのような部品としてのソフトウェアの重要性を認識し、CAD/CAM/CAEコンポーネント研究会を設立した。また、11月20日〜22日に幕張メッセで開催される展示会NICOGRAPH '95ではカーネルのひとつであるDESIGNBASEをベースにしたアプリケーションを一堂に集めた展示やソフトウェア・コンポーネントの重要性を論じるセミナーが企画されている。最近の三次元CAD/CAM/CAE動向を把握するためにも見学されることをすすめたい。