今でも通用する高精度ティルティングレベル”名機N3”はこんな器械だ

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N3

N3です。名機です。
現在のライカジオシステムズ(ライカ)の測量機のブランドがまだ「ウィルド(WILD)」だった頃、民生用世界最高レベルの精度を誇ったティルティングレベルです。

※レベル:Level
ティルティング:tilting(以前はチルチン(グ)とも読まれていた)

以前紹介したセオドライトのT3000と並び称される名機ですが、こちらの方はずっと汎用性の高い、エクセントリックではない名機と言えます。
一番大きな違いは、N3が測量機として国土地理院に登録されていて(一級レベル登録)公共測量(一級水準測量)に使用できるというところでしょう。
(一級レベル:登録番号1 登録年月日1975/1/10)

 

精度を表す1km往復標準偏差が±0.2mm

どういうことかというと、ある点の高さを0として、1km離れた点の高さを求める為に水準測量を行います。(水準測量がわからない人は調べてね)
で、1km離れた点と最初の点の高さの差が求められます。
続いて今度は逆に水準測量をしながら戻ります。最終的に元の点まで戻ったときに高さが0に なっていれば誤差無しなんですが、N3ではそれが±0.2mmに収まるという話です。
一級水準測量ではレベルと標尺の間隔が30m以内という規定があるので、1km先まで行こうとするとレベルの据付が最低で17回、データを読み取る回数が34回、往復なので倍にして34回と68 回。
これだけの作業を行って0.2mm以内に収まるって・・・化けもんですね~

ちなみにこのN3の望遠鏡もT3000と同じくパンフォーカル式になっているので、近いところも遠いところも楽に視準出来ます。
パンフォーカルではない望遠鏡のレベルではどうしてるかって?
通常は倍率の大きいものを屋外用、大きくないものを屋内または近距離用として使い分けているそうです。

もうひとつ。
今現場で使用されているレベルはほぼ”オートレベル”ですが、N3は水平を手動で合わせるティルティングレベルです。専用ののぞき窓から1/4だけ見えてる2つの気泡管の高さを合わせれば望遠鏡が水平になっているわけなんですが、感度がいいので結構難しいです。
セオドライトの棒状気泡管の両端を”厳密に”合わせるわけですね。
ここをちゃんと調整しておかないと、前記の「1km往復標準偏差が±0.2mm」は絶対出ません。

 

具体的な計測方法

①高さの基準または計測の出発点に標尺を立てます。
(厳密な測量では標尺はインバー鋼などで出来た3m一本ものの”一級水準標尺”を用います)
②標尺から到達点の方向で30m以内の場所に三脚を立ててレベルを据え付けます。
(厳密な測量では木製の直脚(水準測量用の伸縮しない木脚)を用います)
③レベルの望遠鏡を覗き、(望遠鏡内の)水平視準線と重なる位置の標尺の数値を読みます。
(標尺の目盛とずれている場合は、マイクロメーターを使用して厳密に合わせます)
④読み取った数値を記録し、標尺を反対側の等距離の辺りに据え付けます。
(厳密な測量では標尺台を用いて、標尺の向きを変えるときに高さが変わらないようにします)
⑤前々項③と同じように、移動した標尺の数値を読み取ります。
(前の点と後の点で1セットです。先に測る方の点を後視点、新点の方を前視点といいます)
⑥前々項④の注釈にある標尺台を利用して標尺の向きを変え、②から繰り返します。
(厳密な測量では直射日光による影響を避けるために、N3に日傘を掛けます)
⑦参考:暗くて標尺の数値が読みにくい時は照明を付けます。

 

N3は測量以外の精密計測でも活躍

T3000と同じような精密計測です。といっても角度や距離が測れるわけではないので、もっぱら高低差を計測することになります。
え?
測量と変わらん?
いや、測量で必要とされる精度とはまた違うので・・・

では実際に用いられた状況を紹介いたしましょう。

その①:精密機械工場の床

某コンピュータメーカーの工場の建設の際の話です。組み立て室(だったかな)の床が傾いているとまずいということで、N3の出番がありました。室内での計測なので、一級水準測量用の3mのインバー標尺は使用出来ません。
で、こういう時のために用意してある1m以下のインバー標尺(長さは数種類あります)とセットでの出荷となりました。
このような短いインバー標尺も”工業計測用”のツールとしてちゃんとメーカーの商品ラインアップに載っています。さすがに短すぎて国土地理院への測量用機材としての登録/認定はありませんが。
なお、先ほど挙げた「インバー製3mの一級水準標尺」はちゃんと検定を取っております。

その②:長大橋の主塔

本四連絡橋を造っていた時代のことです。橋の根元にある背の高い構造物、主塔。
大型の橋なので、主塔の高さは200~300m。これ一本ものでは作れないし運べないので、高さ10m位のブロックを作り、現場で20~30個固定しながら積み上げて作ります。
この積み上げ作業の許容範囲(傾きや位置)は1mm!
ブロックを20個として2cm。200m上で2cmは1/10000になります。
主塔(というか橋梁)の施工目標精度は1/5000なので、各部の施工精度は1/10000~1/15000でやっていると聞いていました。
ここまでの話ではN3の活躍する気配は全くありませんね。話はここからです。
1mmの精度で10m角のブロックを積み上げていくってのはとんでもないことですが、そのブロックが組み立て時点で1mm狂っていたら?
話になりませんね。
じゃいったいあのブロックはどれくらいの誤差範囲で作成されているのでしょうか。

答:1/100mm

びっくりです。T3000を用いた三次元計測での精度が20~30μmなのに、こっちは1/100mm=10μmだと!
どうしましょう。
橋梁用のブロックで一番精度を要求されるのは高さです。現場で修正のしようがないからですが、ブロックのこっちの端とあっちの端(または任意の場所)で高さの差1/100mm以内になる様に加工するためにその検査機械が要ります。
そこでN3です。N3は高さ方向に関してはマイクロメーターを使って1/100mmまで読めます。
工場でブロックを作ります。N3を使って1/100mm以下で水平であることがわかっている床にブロックを置きます。ブロックの上端の各点をN3で計測して製作精度内であることを確認します。そうでなかったら再度加工。

凄いですよね。
主に作成してたのは神戸にある重厚長大な会社だったのですが、もっと凄いのはそれ使って計測してた技術者。
「俺はN3で1/1000mm読んでた」
って豪語する人が居ました。アナログの計測機なので、”メモリの間”を読む(推読といいます) ことで1/1000mmまで読んだ(つまり精度はちょっと怪しい)ということなんだそうですが、これやってみたけどガッチャガッチャマンには見えるけど読めませんでした。
余談ですが、後継(?)となるデジタルレベルNA3003は最小表示がデジタル0.01mmなので推読が出来ないため、先ほどの技術者によると「ありゃあダメだ、使えん」だそうです。

オプション

N3にはT3000ほどのオプションはありません。周辺機材でインバー標尺(測量用と工業用)、標尺台、直脚、日傘(!)。
本体直付けのオプションは接眼レンズ周辺のものです。

交換用接眼レンズFOKシリーズ

望遠鏡の倍率を変えるための接眼レンズ。パンフォーカルでも合わせにくい近距離や長距 離の視準の場合に標準のものと付け替えて使用します。

ダイアゴナルアイピース

望遠鏡を覗いて視準する際に、障害物があったり足場がなかったりという特殊な状況下で 使用されます。本体のアイピース(接眼レンズ)と付け替えて横や上から視準することが出来ます。
ダイアゴナル(斜め)ではなく視準方向と直角の方向から覗き込むのにダイアゴナルアイピースとは?
→横や上だけではなく斜め方向からも視準出来るという意味だそうです。

レーザーアイピースDL2

本体アイピースとの交換で取り付ける事が出来ます。これを付けると視準先に赤いマーキングが出来るので、どこを視準しているかがすぐにわかります。

このN3、触り心地も最高です。

といっても変態的な意味で言っているのではなく、T3000等と同じく”可動部分を動かしたときの動きが非常にスムーズ”なんですね。
通常、可動部分のガタを無くそうとすると動きがシブくなります。軽く動かそうとするとガタが増えます。いい機械は工作精度がよい(例えば回転部分が真円に非常に近かったり、軸が円の中心にぴったり合っているなど)ので、その間のどこかに”スムーズに回ってガタがないところ”があるはずです。
電気的な補正などが無い時代の計測機は、どんなものでもそれ自体の製作精度がそのまま計測精度みたいなもんですから、どんどん精度を上げていったわけです。
限界も当然あるんですが、その結果がN3T3000などに表れていると思います。
これ以降の計測機は電気的な補正や計算によって精度を確保しているものが多く、このアナログ最後の時代の計測機(他にもありますが)を評価する人はたくさん居ます。
何でもちょっと古い目がいいんじゃないかと思う、ちょっと古い目のガッチャガッチャマンでした。

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ライカのセオドライトを実際使ってみた!

電子式精密セオドライト T3000

ライカの最高峰セオドライトT3000

T3000です。
名機です。
現在のライカジオシステムズ(ライカ)の測量機のブランドがまだ「ウィルド(WILD)」だった頃、 民生用世界最高レベルの精度を誇った電子式セオドライト(経緯儀)です。

※WILDはワイルドではありません、ドイツ語なので”ウィルド”って読みます。
でもガッチャガッチャマンの怪しいドイツ語ではヴィルトって読んでしまいそうに・・・
ちなみにライカでは”セオドライト”ではなく、”セオマット”って言ってました。
また、日本などの一部では”トランシット”って言ってる人も居ました。
(ガッチャガッチャマンの同級生の某超有名大学の教授も言うてました、おっさん間違うてんで。)

 

測角精度

どのくらい精度がいいかというと、測角精度が0.5秒(σ1)。
角度0.5秒って想像出来ますか?
角度1度(一周の360分の1)の60分の1(1分)のそのまた60分の1(1秒)の更に半分!
約100m先の0.25mm(シャープペンシルの芯の半分!)をこっちから見たときの幅が0.5秒です。
この精度ということは、200m離れてピストルで撃ったらそのうちの概ね2/3の弾丸の先っぽが0.5mmの芯に命中って、漫画でもない命中率です。
10m先まで来たら0.025mm=25μm

実はライカではこの精度は珍しくなく、T3000とその派生機種(T3000A、T3000D、TM3000など)以外にも、T2000、T2002、TC2002TCA2003、TM5100、TM5100A、など数多くの機種がこの精度を備えていました。
現在でも、数機種がラインアップにあります。
日本のメーカー?
最近は頑張って同等の数字をたたき出す機種があります。

現在でも凄いこの精度を1989年に実現していた訳で、当時としては羨望のマシン。
先ほどの変教授や某大手電機メーカーの担当社員、某橋梁建設の職人、などから
「これ欲しかったんやけど」
とか
「いっぺん使うてみたかった」
「やっと手に入った」
などの声を聞いております。

ちなみに最小表示単位は0.1秒なので10m先で5μm。
昔の言い方だと、5ミクロン!
これ、一万円札(≒0.1mm)を20枚にスライスできる厚さです。
1万円札を平らなところに置いて、T3000で覗いて。
0.1秒動かす毎にパン切り器でスライスしていったら20枚に増えます。
すぐばれますが。

 

使用方法

ガッチャガッチャマンは、このT3000を実は使ったことがあります。
何が凄いって、0.1秒表示の場合、最後の一桁が静止してくれないのです。
常にふらふら動いていて、実は機械のせいではなく、環境のせいだったのです。
つまり、室内に於いても外を通る車等による振動、人の動き、わずかな空気の流れ、室温の変化、などの影響で微妙にT3000が動き、これを検出するとんでもない感度の良さを持っていたということです。
ということで、残念ながら1万円札を20倍にする方法は無理だと言うことがわかりました。

実用上でも人が目で見て認識するという方法は困難なので、ライカ製のシステム(TMSやAxyzなど)に組み込んで、計測値をPCで平均計算するという使用方法がほとんどです。
そのTMS(Theodolite Measuring System セオドライトメジャリングシステム)は2~8台のT3000を使用して、三角測量(角度のみを計測する)の方法(非接触)で、概ね30μm以内の精度でxyzの三次元座標を計測することが出来る、という化けもんシステムでした。

※TMSという名称はアメリカ向けだそうで、本来はManCATというソフトウェア名がシステム名になったものだと聞いたことがあります。
現在のライカにはTMS(Tunnel Measurement System)という同名の別物が存在するので、混同しないように(時代が違うので混同しようがないという話も)

さてこの名機T3000、高性能が故にいろいろな無理難題を背負わされる事になりました。

 

オートコリメーション測定

※オートコリメーション測定とは
鏡の方を向いたとき、正確に正対していれば自分の目が見えます。
セオドライトでも望遠鏡内に専用のターゲットが組み込まれていれば、それが見えます。
もし正対していないなら、セオドライトの角度を変えることで正対するように持って行けます。
このときの角度の変化量によって鏡がどちらにどのくらい傾いているかが正確に求められます。
これをオートコリメーション測定といいます。

オートコリメーション測定をするために、望遠鏡内にオートコリメーション用のターゲットを組み込みました。
この機種はT3000Aです。

 

PCコントロール

繋いであるPCからのコントロールを行うために、望遠鏡を回転させるためのモーターを内蔵しました。
望遠鏡の口径が大きいのでどの向きでも自由というわけではありませんが、ほぼ任意の方向に向けることができます。
PCから水平角と鉛直角を指定してやればそちらを向きます。
本機には専用のジョイスティック(!)が付属していて、それでの操作も可能です。
この機種はTM3000です。

 

測距(距離測定)

ターゲットまでの距離を測ることが出来れば、1台だけでxyzを求めることが可能になります。
(距離測定が出来ない場合は三角測量になるので最低2台必要)
TM3000の上に光波距離計(英語ではDistancemeter、ドイツ語ではDistomat)を載せてると距離と角度の同時計測が可能になります。
TM3000の上にDI1600やDI3000という距離計を載せたものがTM3000Dになります。

※TM3000には自動視準(ターゲットの真ん中に望遠鏡を向ける機能)も付いているので、PCと繋いで自動計測をすることも出来ます。

 

計測位置確認

TM3000にレーザーマーカーを取り付けることで、視準位置に赤いレーザーのマークが映り、どこを視準して計測しているかがわかるようになります。
もう1台のT3000と組み合わせることで三角測量も楽になります。
この機種がTM3000Lです。

 

計測位置視認

TM3000の望遠鏡内にビデオカメラを組み込んで、計測時にどこを視準しているかをPCなどで確認出来るようになります。
この機種はTM3000Vです。

 

測距+視認

TM3000Vに距離計DI2002を載せると、測距時にもどこを視準しているかを見ることが出来ます。
このTM3000に距離計とビデオが付いた機種がTM3000D/Vです。

 

拡張機能一覧

元々の素材が大変良かったT3000の特徴と、追加機能を付加するに際して欠かせない性能アップもここでまとめてみましょう。

基本機能

測角 アブソリュート・エンコーダー使用
標準偏差(水平角・鉛直角ともに)0.5秒(DIN18723)
最小表示0.1秒
望遠鏡 口径52mm、パンフォーカル式(合焦距離によって視野角が変化する)
最短合焦距離0.6m(補助レンズ使用で0.5m)
自動補正 二軸液体式、作動範囲(縦横とも)3分、設定精度0.1秒

 

追加機能

モーター 50度/秒(縦横とも)
自動視準 視準精度1km先で15mm以内
視準時間30秒以内
測距
(DI2002の場合)
標準偏差1mm±1ppm
測定時間3秒以内
測定範囲1素子プリズムで最大3.5km

ビデオ部分は詳細不明ですが、オートフォーカスだそうです。

 

用いられるシステムと目的

TMS(=ManCAT) セオドライト(測角機能のみ)を用いた精密三次元計測。室内がメイン。
車、航空機、電車等の製造管理に多く使用され、ほとんどのメーカーに納入されていたと言われる
ATMS AutomaticのTMSという意味で、TM3000LとTM3000Vを用いて、屋外でもセオドライト三次元計測システムが使用できるようにしたもの。
APS Automatic Polar Systemの略。TM3000Dを用いてターゲットプリズムの位置変化を捉える変位計測システム。特にダムや橋梁などの屋外の大規模構造物の管理に使用された。
Axyz アクシーズと読む。前記3システムを統合したシステム。3システムがMS-DOSベースなのに対してWindowsベースとなる。

計測対象

さて、いったい誰がこのとんでもない機械を使って、何を計測するのでしょうか?

ちょっと前にヒントがあります。
「車、航空機、電車等の製造管理に多く使用され」
ガッチャガッチャマンが実際に訪問したことがあるユーザーの用途では、あまり細かく書けませんが航空機、人工衛星、大型エンジン、大型発電機、といったところです。
実際に人工衛星関連は複数の会社で納品に行ったので、そのような用途には良い計測器&システムだったのでしょう。
後継機種を購入された所もあります。
ちなみに海外にも行ってます(機材だけですが)。
いずれも工作精度が数10μmのオーダーで必要なものばかりです。

 

計測

では例としてTMS(ManCAT)での計測の要領を挙げてみましょう。

 

 計測は室内で

室内で空調を効かせておくと
“温度変化が少なく”
“直射日光による歪みが発生せず”
“風による影響がない”
という精密計測に必要な最低条件を満たすことになります。
ただし、空調による風や振動は避けなければなりません。

 

 計測は明け方前

計測時刻は概ね午前3時~5時くらいの日の出前で、
“外部からの振動(車や鉄道、人などによるもの)がほぼ無い”
“日照による温度変化や建物の歪みも少ない”
という条件です。

 

 計測機は事前設置

計測する1時間以上前に機材の設置を行うことで、環境の温度と計測機の内部温度を同一
にすることで、温度変化による誤差を排除します。
設置直後は自重で位置が変わる可能性が高いので、それを避ける意味もあります。

 

 実測時間は短く

一式の計測は概ね10~15分以内で終わらせます。
如何に良い環境を整えても、時間の経過とともに外乱の影響を受ける確率は増えていきま
す。
実測時間を短くすることでそのような影響を最小限に出来るので、計測時間を短くする手
早い計測が必要です。
また、前記のような空調の影響を排除するために、計測中は空調を停止することもあるの
で、その場合も温度変化の起こる前に計測を終える必要があります。

 

 データはその場で検証

日を改めると同条件での計測は出来ないので、一式全部の計測を再度行う必要があります。
データをすぐ確認すれば、再計測が必要になった場合でもその部分だけを続けて計測する
ことが可能です。

 

 計測時重要事項

その他注意すべき点も多々あります。

計測機の精度が尋常ではないので、基準長(スケールバーなど)やターゲット(罫書きやシー
トなど)位置などの精度が重要になります。
計測(視準等)は一人で行います。
複数人員で計測すると視準の癖などで、ほぼ間違いなく誤差が発生します。
せっかく計測機の精度が生かされません。
計算結果は1/1000mmの桁まで出力されますが、精度としては1/100~3/100mm程度になる
ので有効桁数に注意してください。

 

欠点

T3000にもいくつか問題点というか使いにくいところもありました。

 

 表示言語

日本だけの問題ですが、操作パネルの表示が7セグメント表示なので、日本語表示が出来
ません。
英語等の表示は可能なので、英語わかれば問題ないんですが。
なお、アルファベットでも7セグメントだと癖があるので慣れないと読みにくいのは一緒
です。

 

 巨大対物レンズ

望遠鏡のパンフォーカルの対物レンズの口径が大きいので、縦に一回転出来ません。
このせいで大きなパラボラアンテナの計測に使う事が出来なかったという話を聞いたこと
があります。
方法はまあ内緒ですが。

 

 測量機ではない

測量機としての認定がないので、公共測量業務には使用できません。前の方にも書きま
したが最終桁(0.1″)が静止しないので読みにくく、かなり重いことと合わせて実用的に
はいろいろ問題があります。
※公共測量に使用される測量機は国土地理院の認定と1年以内の検定が必要ですが、T3000
は測量機の認定を取っていないので公共測量には使用できません。
実は使用した人が多くない理由の一つがこれです。測量に使用できないセオドライトを
何百万も出して買う人は普通は居ないですから。

T3000は名機ですが、現在ではほとんど使用されていません。
理由は機材が古くなってメーカーサポートも難しくなったことや、後継機種が出たこと、古い
プログラムは古いPCでなければ動かない、などです。
ガッチャガッチャマンはManCATとAPSしか見たことありません。残念です。

実はライカ(WILD)にはこのT3000よりも50年前に同精度のセオドライト(アナログ式です)があっ
たという、とんでもない話もあります。その辺はまたそのうちに。