JP2015520424A - レーザー切断機のカッターヘッドの経路を修正する方法 - Google Patents

Abstract

レーザー切断機のカッターヘッドの経路は、パターンに従って材料から特徴部を切断するように修正される。カッターヘッドが切断部間で横方向の動きを実行しながら回避する非進行ゾーンが指定される。非進行ゾーンに交差する経路のロケーションも指定される。次に、非進行ゾーンに違反する全てのロケーションが除去され、それによって、横方向の動きを実行するときに、カッターヘッドが非進行ゾーンを迂回するように、経路が修正される。

Description

本発明は、包括的には、シート材料から特徴部を切断するためのパターンに従ってレーザーカッターを動かすことに関し、より詳細には、カッターヘッドと、材料から以前に切断された特徴部との衝突を回避するように、迂回路に沿ってレーザーカッターを動かすことに関する。

シート材料のレーザー切断
パターンに従ってシート材料から特徴部を切断することは、一般的な製造プロセスである。通常、レーザーカッターヘッドは、直交軸に沿って有限平面内を平行移動される。このタイプのレーザーカッターは、多くの場合に、様々な厚さのプラスティックシート及び金属シートから、明確に分離される別個の特徴部を切断するのに用いられる。レーザーカッターの制御は通常、「ＮＣコード（nc-code）」又は「Ｇコード（g-code）」として知られる所定の命令リストに従ってコンピューター数値制御装置（ＣＮＣ：computer numerical controller）によって実行される。

通常、２つのタイプのレーザーカッターヘッドの動きが用いられる。純粋な平行移動又は横方向の動きは、材料の平面における非常に高速な横方向の運動によって実行することができ、その間、レーザーは継続的にオンである。このタイプの動きが好ましい。

ヘッドを上／下にする動きは比較的低速である。このタイプの動きは通常、ヘッドを上／下にする動きを実行する間、カッターヘッドを停止し、レーザーをオフ／オンにすることを必要とする。したがって、このタイプの動きは、製造時間を最小限にするように可能な限り回避するべきである。このため、２つのタイプの基本的な動き、すなわち高速の横方向の動き、及び低速の上／下の動きが定義される。

閉じたネスト化された特徴部
直線又は曲線の線のパターンによってパーツが定義され、コードの命令によって指定されるように、レーザーカッターヘッドがこれを辿ることができる。１つ又は複数の連結した線によって特徴部が定義され、１つ又は複数の特徴部からなる集合によってパーツが定義される。多くの場合に特徴部はネスト化されている。いくつかの特徴部の線は閉じており、特徴部を材料から切断することができるようになっている。パターンのエッジに沿った、閉じていない特徴部、例えばスリットも切断することができる。

ＣＡＤ／ＣＡＭ及びＧコード
特徴部のパーツ及び集合は、通常、コンピューター支援設計（ＣＡＤ：computer aided design）ファイルとして指定される。例えば、一般的なＣＡＤファイルフォーマットは、図面交換ファイル（ＤＸＦ：drawing interchange file）フォーマットである。そのようなファイルは多くの場合に、関連付けられたスケーリング、回転及び平行移動を用いて繰り返すことができる、個々のパーツについての詳細指定を含む。材料利用を最大にするために、多くの場合にコンピューター支援ネスト化（ＣＡＮ：computer aided nesting）が実行され、最小限の量の材料内にパーツの集合が自動的に位置決めされる。全てのパーツの幾何学的配置が指定された後（これは「ジョブ」と呼ばれる）、コンピューター支援製造（ＣＡＭ：computer aided manufacturing）プログラムを用いて実際のＧコード命令を生成し、ジョブの実行を有効にすることができる。ＣＡＭ出力は、ほとんどの場合、Ｇコード命令を実行するレーザーカッターに固有である。

衝突
シート材料は、支持構造体上に水平に配置することができる。支持構造体は通常、離間された垂直のバー又はピンを有し、材料から切断された特徴部がそこを通って落下し、作業エリアから除去されることを可能にする。大きいか又は不規則な形状の特徴部は、支持構造体を通って落下しない場合があり、場合によってはカッターヘッドと衝突する可能性がある。これは問題である。そのような衝突は、カッターヘッドの繊細な特性及び修理時間に起因して非常にコストがかかることであるので、作業プロセスが中断されないように、先に切断された特徴部を回避することが非常に重要となる。

ヘッドを上／下にする
１つの解決策は、各切断後にカッターヘッドを持ち上げて、次に切断されるべき特徴部まで横方向にトラバースし、その後ヘッドを下位置に戻すことによって、先に切断された特徴部との起こり得る衝突を回避する。しかし、ヘッドを上にする動き及びヘッドを下にする動きは、横方向の動きと比較して低速であることが既知であり、ジョブに対しかなりの時間及び複雑度を加え、これによってコストが増大し、効率性が低減する。このため、その衝突回避方法は準最適である。

特許文献１は、切断されるべき各特徴部の回りに境界ボックスを画定し、カッターヘッドがこの境界ボックスに交差しないことを確保する。その方法は、ヘッドを上／下にする低速の動きを用いることなく衝突を回避する際に効果的であるが、境界ボックスの使用は、多くの一般的なパターンの場合に非常に非効率的である。

特許文献２は、例えば切断機の運動制御のための詳細指定図面（drawing specification）を用いる。図面内の要素は、例えば詳細指定図面の中心からのネスト化又は距離に従って順序付けされる。特定された要素及び順序に基づいて運動制御を実施するためのコードが生成される。生成されるコードは、上昇操作、下降操作及び移動操作等の挿入された操作を含むことができる。

レンダリング
２つの基本的なレンダリング技法、すなわちラスター化及びレイキャスティングが存在する。双方の技法が通常、フレームバッファーを用いる。フレームバッファーはメモリに記憶されるアレイである。アレイのアドレスは、生成される画像内のピクセルの座標に対応する。輝度、色、透明度、不透明度等の値をピクセルに割り当てることができる。従来のレンダリングにおいて、これらの値は、レンダリングされている物の視覚的外観に関係する。

ラスター化は、シーン内の特徴部の２Ｄ画像空間表現をラスターフォーマットに変換し、結果として得られるピクセル値が求められる。グラフィックス・パイプラインが用いられるとき、頂点、辺及び面を有する多角形、例えば三角形のストリームが、アレイ内のピクセル値に変換される。

レイキャスティングにおいて、シーンは、或る視点からレイを投射すること（casting rays）によってピクセルごとにパース（parse）される。シーン特徴部が交差する場所でピクセル値が評価され、例えば交点における特徴部の色値がアレイにおけるそのピクセルの値となる。ここでもまた、輝度、色、透明度、不透明度等の外観値をピクセルに割り当てることができる。

米国特許第６，６０９，０４４号明細書 米国特許第７，７０２，４１６号明細書

レーザー切断中、大きいか又は不規則な形状の特徴部は、パーツが切断されるとき、支持構造体を通って落下しない場合がある。これは、場合によってはカッターヘッドが切断された特徴部と衝突する可能性があるので問題である。

本発明の実施形態は、そのような既に切断された特徴部が回避されるように迂回路に沿ってカッターヘッドを動かすことによって上記の問題に対する解決策を提供する。

パーツのパターン内のロケーションは、それらのロケーションが、パターンから切断されるべき特徴部の内側にあるか又は外側にあるかを判断するように評価される。パターンは、レーザー切断機によって材料から特徴部を切断するのに用いられる。ロケーションが全て内側にある場合、これらのロケーションは切断される特徴部のパーツであり、そうでない場合、切断される特徴部のパーツでなく、これらのロケーションを用いて、パーツが切断された後にそのパーツを迂回することができる。

特徴部内のロケーションは、メモリに記憶されたアレイ内にレンダリングされ、それによってロケーションの座標に対応するアレイにおけるアドレスに記憶される値が、レンダリングのカウントプロセスによって求められて奇数又は偶数となる。

そうして、ロケーションは、当該値が奇数の場合に内側として、当該値が偶数である場合に外側として識別される。レンダリングは、ラスター化又はレイキャスティングのいずれかの変更された形態を用いることができる。

利点として、レンダリングをグラフィックスプロセッサユニット又はレンダリングパイプラインにおいて実行して、処理を従来の方法よりもはるかに加速することができる。

レーザーカッターは、求められたロケーションを用いて、パターンに従ってレーザー切断機によって材料から先に切断された特徴部を迂回することができる。全ての特徴部のネスト化順序に対応する階層ネスト化ツリーが検査に従って構築され、ツリー内の各ノードは１つの特徴部を表し、ツリーのルートは特徴部の組合せに対応する。次に、特徴部は、材料から先に切断された特徴部を迂回しながら、ネスト化順序に従って切断される。

本発明の実施形態による、シート材料から切断するパーツを例示するパターンの概略図である。 本発明の実施形態による、支持構造体上でサポートされる材料を切断するためのレーザー切断システムの概略図である。 本発明の実施形態による、パターン内の交差線の前処理の概略図である。 本発明の実施形態による、ラスター化レンダリングプロセスを用いてロケーションが特徴部の内側にあるか又は外側にあるかを判断する方法の流れ図である。 本発明の実施形態による、サンプルロケーションについてのラスター化のためのカウントプロセスの結果の概略図である。 本発明の実施形態による、サンプルロケーションについてのラスター化のためのカウントプロセスの結果の概略図である。 本発明の実施形態による、レイキャスティングレンダリングプロセスを用いてロケーションが特徴部の内側にあるか又は外側にあるかを判断する方法の流れ図である。 本発明の実施形態による、サンプルロケーションについてのレイキャスティングのためのカウントプロセスの結果の概略図である。 本発明の実施形態による、ネスト化された特徴部を有する例示的なパーツと、その例示的なパーツのネスト化順序を定義する対応する階層ツリー構造との概略図である。 本発明の実施形態による、先に切断された特徴部を回避するためのカッターヘッドの迂回の概略図である。 本発明の実施形態による、先に切断された特徴部を回避するための、特徴部と材料との接合部の生成及び削除の概略図である。

パーツ、パターン及び特徴部
図１は、レーザーカッター９０を用いてシート材料２０から切断されるパーツ１０のパターンを示している。パターンは通常、個々の構成要素、例えば、数ある可能性の中でも、弧、線又は円を指定したＣＡＤ／ＣＡＮ／ＣＡＭファイルから読み出される。通常、シートは支持構造体上に置かれる。いくつかの用途において、構造体は複数のシートを支持することができ、これらのシートは全て同時に切断される。支持構造体は通常、離間された垂直部材を含み、それによって廃棄材料を、カッターヘッドとの衝突を回避するように除去することができる。

パーツは、外側の輪郭３０と、材料から切断され除去される特徴部の内側の輪郭４０とによって定義される。輪郭は直線又は曲線によって形成される。いくつかのの特徴部５０は、支持構造体における間隔よりも大きいか、又は不規則な形状を有し、当該形状が支持構造体の縁に引っ掛る可能性があり、支持構造体を通って落下することができない場合がある。いずれの場合であっても、これらの特徴部はカッターヘッドと衝突する可能性がある。

レーザー切断システムの概観
図２は、支持構造体６０上のシート２０の面に対し実質的に直交する突出した特徴部５０を示している。支持構造体における間隔２０１は過度に小さいので、この特徴部は除去することができず、カッターヘッド９０と衝突する可能性がある。これは、パーツ又は支持構造体と係合する不規則な形状の特徴部の場合にも生じる可能性がある。

図２は、以下で詳細に説明するように、パターン４０１、特徴部（複数の場合も可）４１１及びロケーション（複数の場合も可）４０２を、どのようにプロセッサ２１０において実行される方法２００に入力し、ロケーションが特徴部の内側にあるか又は外側にあるかを判断することができるかについても示している。プロセッサは、当該技術分野において既知のメモリ及び入／出力インターフェースを含む。メモリは、本明細書において説明されるような関連付けられた値を有するロケーションのアレイを記憶することができる。

内側／外側を示したものを用いて、先に切断された特徴部が回避されるようにカッターヘッド９０の動きを制御することができる。この動きは、コントローラー９５によって実行することができる。コントローラーは、ヘッドを横方向及び上／下に動かし、レーザーをオン及びオフにすることができる。切断されている材料の上方のセンサーの正確なロケーションをフィードバックする容量センサー９２を取り付けることもできる。

動きは、ネスト化された特徴部、又は部分的に切断された特徴部と材料との接合部も考慮することができ、それによって特徴部は、部分的に切断された特徴部から接合部を除去することが安全になるまで、他の特徴部が切断されている間、接合部によって適所に保持することができる。

１つ又は複数の特徴部について複数のロケーションを検査することができる。加えて、特徴部に対するロケーションを用いて、いくつかの特徴部が他の特徴部内にネスト化されているか否かを判断することもできる。これについても以下で説明する。これによって、カッターヘッドの迂回を支援することができる。

衝突に関連付けられる潜在的なコストに起因して、結果として衝突が生じる可能性があるヘッドの動きを回避することが非常に望ましい。まず、切断されるべき閉じた特徴部に関して内側ロケーション及び外側ロケーションを精密に識別する２つの方法を説明する。続いて、レーザーカッターヘッドに、潜在的に衝突が発生する可能性があるエリアを迂回させるための方法及び解決策についても説明する。

内側外側ロケーション識別
パーツ内のロケーションが何らかの任意の閉じた特徴部によって包囲されているかについて検査される評価を可能にする方法の２つの実施形態を説明する。これらの実施形態により、ここで、
（ａ）シートから切断される特徴部の精密な形状及び位置を求めること、
（ｂ）パーツのネスト化パターン、すなわち、いずれの特徴部が他の特徴部内にネスト化されているかを判断すること、
（ｃ）特徴部の切断順序を求めること、及び
（ｄ）材料から部分的に切断された特徴部間の接合部を残しておくこと、
のうちの任意のものを実行することが可能になる。

（ａ）を用いることによって、カッターヘッドを動かすときに回避すべきロケーションを特定することが可能である。（ｂ）を用いることによって、ネスト化された特徴部を順番に並べ、結果として衝突を生じる可能性がある、先に切断された特徴部の内部での切断の実行を回避するように切断するとともに、部分的に切断された特徴部を、それらの特徴部を切断することが安全になるまで、適所に保持するように接合部を残しておくことができる。

レンダリング
双方の方法が、特徴部に適用されるレンダリングプロセスを用いる。一方のレンダリングプロセスはラスター化を用い、他方はレイキャスティングを用いる。レンダリングは、上記で説明したようなグラフィックス・レンダリング技法から適応される。しかしながら、フレームバッファーにおいてアレイについてのピクセル外観値を生成する代わりに、「ピクセル」は、特定のアレイ座標に対応するロケーションが特徴部の内側にあるか又は外側にあるかを示す（正：indicate）値を格納する。これは、従来技術によるレンダリングにおいて知られているような外観と無関係である。

ラスター化
レンダリングの第１の実施形態はラスター化を用いる。ラスター化は、画像平面、すなわち（ピクセル）値のアレイ上に多角形をレンダリングする。通常、多角形は三角形の集合として表される。三角形は３つの頂点によって表される。非常に基本的なレベルにおいて、レンダリングパイプライン等のラスタライザーは、単に頂点のストリームを取得し、三角形内のピクセルを適切に充填する。

第２の実施形態は、レンダリングのためにレイキャスティングを用いる。レイキャスティングは、ロケーションから材料平面におけるレイの（視認）方向に沿って経路をトレースし、交差境界（輪郭）等の特徴部との交差を求める。

アレイにおけるアドレスは、シート材料内のロケーションの座標に対応する。本明細書において説明されるように、双方のレンダリング方法は、アレイにおける値を、カウントプロセスによって奇数又は偶数のいずれかにセットする。奇数値及び偶数値は、それぞれ内側ロケーション及び外側ロケーションと関連付けられる。内側及び外側を奇数／偶数によって示したものを用いて、レーザーカッターの動きを制御することができる。用いられる初期値に応じて奇数／偶数値の意味を逆転させることができることを理解すべきである。

交差線の前処理
図３に示すように、レンダリングの前に、パーツのためのパターンが以下のように前処理される。２つの線３０１が交差するとき、交差線は２つの線の交差部３０３において二分され、４つの新たな短い線３０２が形成される。重なり合う線、又は線分は除去される。その前処理によって、接合されていない特徴部の精密な構築が可能になる。

特徴部の識別
パターン内の特徴部は、いくつもの方法で識別することができる。１つの方法は、パターン内の全てのエンティティ、例えば線の結合体の最も右側のロケーションから開始し、後続の線の端点に一貫した方式で進むことによってパターンを横断（traverse）する。

前のロケーション以外に新たなロケーションに進むことができないとき、特徴部は開いた特徴部として識別され、関連付けられた線が特徴部から除去される。以前に進んだロケーションに遭遇するとき、特徴部は閉じているものとしてマーキングされる。このように、一対の特徴部は、ネスト化されているか又は接合されていないかのいずれかであるが、特徴部は場合によっては輪郭の一部を共有する可能性がある。

さらに、このプロセスの後、閉じた特徴部はここで、最小限に輪郭のみを有する。その用途に応じて、他の前処理方法が可能である。

ラスター化
図４Ａは、ロケーション（複数の場合も可）４０２が、レーザー切断機９０によって用いられるパターン４０１の特徴部（複数の場合も可）４１１の内側にあるか又は外側にあるかを判断する方法の第１の実施形態を示している。特に対象となるのは、閉じた輪郭（閉じた特徴部）内の特徴部である。閉じた特徴部は切断後、回避されることになる。処理されるべき特徴部４１１及びロケーション４０２が選択される（４１０）。

ラスター化ベースのレンダリング４００において、特徴部の輪郭は輪郭頂点２２１のリストによって表される（４２０）。本明細書において用いられるとき、通常、リストとは任意の順序付けされた項目の集合である。頂点は輪郭に沿って等間隔で離間することができるが、これは必須ではない。

多角形、例えば三角形４３１のリストが、輪郭頂点を用いて構築される（４３０）。多角形は、メモリに記憶されたアレイ４４１としてラスター化される（４４０）。ラスター化中、ロケーションがラスター化される回数が以下に説明されるようにカウントされる。これは、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）を用いて行うことができ、実行は極めて高速に行うことができる。アレイは、ロケーションの座標に対応するアドレスを有する。各ロケーションは１ピクセル４５０に対応する。次に、ロケーション４０２が特徴部４１１の内側にあるか又は外側にあるかを、対応するロケーション４０２におけるアレイ４４１の値をチェックすることによって判断することができる（４５０）。

レンダリング実施形態において、特徴部に関連付けられたパターン内の線は頂点によって表され、２つの隣接する頂点間の区分的に直線状の線分が線を近似するようになっている。

頂点を用いて、特徴部内の全てのロケーションを正確にカバーする多角形（三角形）のリストを構築する。三角形が構築される方法は幾分任意である。

図４Ｂ及び図４Ｃは、（誇張された）モザイク式の三角形のリストを構築するのに用いられる例示的な構成要素を示している。構成要素はラスター化方法を用いてレンダリングされ、有効な内側ロケーション及び外側ロケーションが求められた。モザイクのレベルは、デジタル表現限界までの任意の精度で区分的に線形の近似を生成するように制御することができる。

三角形のリストはアレイ内にレンダリングされる。効果的には、アレイ内の各アドレスはピクセル４５０と呼ぶことができる。ピクセルは以下のように操作される。

最初に、各アレイアドレスにおける値はゼロであるか又は何らかの他の既知の値である。１つの可能なレンダリング技法は、レンダリングされた三角形内に特定のピクセル（ロケーション）４５０が含まれる回数をカウントする。これについては例えば図４Ｂ及び図４Ｃを参照されたい。カウントはピクセル、すなわちロケーションに対応するアレイにおけるアドレス内に示される。

これは、ピクセルに記憶される値をインクリメントすることによって行うことができる。別のレンダリング技法は、各アドレスにおいて単一のビットを用い、三角形の一部としてピクセルがレンダリングされる度に値（０又は１）を反転する。インクリメント及び反転はともに、カウントプロセスとみなすことができ、１ビットの反転は基数２の算術においてカウントを行う。

いずれの場合であっても、特徴部がレンダリングされた後、本発明によるカウントプロセスに起因して、アドレスは奇数値又は偶数値を有する。奇数値及び偶数値は、それぞれ内側ロケーション及び外側ロケーションに対応する。それらの値を用いて、カッターヘッドの動きを計画及び制御することができる。

図４Ｂ及び図４Ｃは、カウントプロセスによってレンダリングに用いられる例示的なロケーション及び三角形の場合の結果として得られる奇数／偶数カウント値を示している。

レイキャスティング
図５Ａに示すように、第２の実施形態は、レンダリング中にアレイの値を求めるカウントプロセスを用いるところまでは第１の実施形態と類似している、しかしながら、第２の実施形態は、多角形をラスター化する代わりに、レンダリング４００中にレイキャスティングを用いる。

上記と同様に、特徴部４１１及び２Ｄロケーション４０２が選択される。そのロケーションから、何らかの任意の（視認）方向において少なくとも１つのレイ(ray）５２１が投射される（５２０）。レイと特徴部の任意の輪郭との任意の交差が検出され（５３０）、カウントされる。これについては例えば図５Ｂを参照されたい。次に、検出された交差の数に基づいて、２Ｄロケーションが特徴部の内側にあるか否かが判断される（５４０）。

上記と同様に、検出はメモリに記憶されたアレイの値を用いる。値はゼロに初期化される。レイは任意の方向に向けることができる。便宜上、レイの大きさは、レイを、パターンにスモールマージンを加えた値（パターン＋スモールマージン）内に制限する。レイが奇数個の交差を有する場合、ロケーションは内側にあり、そうでない場合、ロケーションは外側にある。

特定のロケーションが特徴部内に含まれるか否かを判断するために、単一のレイのみを投射することができる。レイが特徴部の輪郭に１回（奇数回）のみ交差する場合、ロケーションは内側になくてはならず、２回の場合、カウントは偶数であり、ロケーションは内側にある。多くの場合に、解析的技法を用いて、レイと特徴部の線、例えば弧及び線との交差を求めることができる。閉じた特徴部が高次の曲線からなる場合、反復的な方法を用いて交差数をカウントすることができる。

図５Ｂは、レイキャスティングのためのカウントプロセスによって用いられる例示的な構成要素及びレイにおけるロケーションについての、結果として得られるピクセルの奇数値／偶数値を示している。図５Ｂは図４Ｃと同じ構成要素に関するものであるが、今回はラスター化を用いてレンダリングされている。

容量センサーを用いるカッターヘッド
場合によっては、単一のロケーションを所与の特徴部の内側又は外側にあるとみなすことは十分でない。なぜなら、いくつかのレーザーカッターヘッドは、切断されている材料における間隙にわたってヘッドが延在することができる許容差を有するためである。これは、ヘッドと材料との間の幾何学的関係、例えば距離及びロケーションを求めるために容量センサー９２を取り付けたレーザーカッターヘッドにもあてはまる。ここで、多くの場合に、容量センサーの所定の部分は材料の上方にあり、例えばその部分は約５０％以上とすることができる。

ヘッド位置の周囲及びレーザーカッター容量センサーの直下にあるロケーションの近傍を考慮することによってそのような状況を扱うように、現行の方法を拡張することができる。近傍における、特徴部（複数の場合も可）の外側にあるとみなされるロケーションのパーセンテージが或る最小閾値を超えた場合、そのヘッド位置を、レーザーカッターヘッドをセンタリングするのに安全であるとみなすことができる。

迂回路による問題エリアの処理
結果として衝突が生じる可能性がある特徴部を識別した後、「迂回戦略」を採用することによって、カッターヘッドの迂回経路を求めてそのようなエリアを回避することができる。最適には、迂回戦略は、ヘッドを上にする低速の動き及びヘッドを下にする低速の動きを用いることを回避する。衝突及びヘッドを上／下にする動きの双方を回避する以下の方法を説明する。

本発明を、結果としてレーザーカッターヘッドとの衝突が生じる可能性がある廃棄材料の存在に起因して回避されるべき材料エリアに関して説明しているが、レーザーカッターヘッドによって回避されるべき更なる材料エリアが存在する場合がある。

通常「非進行ゾーン」と呼ぶそのようなエリアは、以下の発明において説明される方法を用いて迂回することもできる。非進行ゾーンは、上記で求められたようなロケーションによって指定することができる。非進行ゾーンに交差し違反する経路のロケーションは、特徴部の切断中に横方向の動きを行うときに、レーザーカッターが非進行ゾーンを迂回するように回避及び除去される。

ネスト化順序切断
閉じた特徴部内の全てのロケーションが求められた場合、特徴部が別の特徴部内にネスト化されているか否かを判断することが可能である。

上記で説明したレンダリング方法を用いて、特徴部の境界上のロケーションのうちの１つ又はいくつか又は全てが、包含に関して検査される。特定の特徴部は、任意の他の特徴部内に含まれる場合、当該他の特徴部の完全に内側にある。各特徴部が、全ての他の特徴部において含まれるか否か検査される場合、パターン内の全ての特徴部間のネスト化関係に対応する階層ネスト化ツリーを構築することができる。ツリーにおいて、各ノードは特徴部を表し、ツリーのルートはパーツ又は特徴部の何らかの他の集合に対応する。

図６は、特徴部_ｎ６０１〜６０３がそれぞれ特徴部６００内にネスト化され、特徴部_４６０４が特徴部_２６０２内にネスト化されているという例示的なネスト化関係を示している。複数の特徴部のネスト化順序によって、カッターヘッドがどのように迂回するかが決まる。

パーツ内の特徴部間のネスト化関係がわかった後、衝突を回避するための切断順序を求めることができる。切断順序は、ツリーの逆階層に従い、すなわち、特徴部はツリーの「ボトムアップ」順に切断され、ツリーの同じレベルの特徴部は任意の順序、又は以下で説明するような所定の順序で切断することができる。

この方法は、全ての衝突を回避するには不十分であるが、特徴部を切断する適切な順序を確保するのに必要である。ネスト化順序に従う切断順序を生成する１つの方法は、順序付けされたスタック（stack）の深さ優先検索（depth first search）を行い、各特徴部が後入れ先出しスタック（last-in-first out stack）からポップされたときに切断リストに加えられるようにすることである。

境界迂回路
他の特徴部に対し特定のネスト化関係を有しない特徴部も、特徴部間でカッターヘッドの横方向の動きを実行するときに、潜在的な衝突源となる。そのような場合、潜在的な衝突は、横方向の動きの経路に沿ったロケーションが、先に切断された特徴部内に位置することがあるか否かを考慮することによって判断することができる。

そのような事例が生じる場合、迂回戦略が採用される。上記で説明したように、１つの迂回戦略は、レーザーをオフにし、その後、安全な高さまでレーザーのヘッドを上に動かし、高速な横方向の動きを行い、次にヘッドを下に動かし、レーザーをオンにして切断を続けることを含む。この手法は有効であるが、余分な時間を消費するので準最適である。

図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すように、より良好な迂回戦略は、横方向の動きの間に交差されている以前に切断された特徴部の輪郭を、その輪郭から所定の距離で辿る経路に沿ったものであり、この所定の距離は、カッターヘッドと特徴部とが衝突しないことを確保する。

図７（ａ）に示すように、以前に切断された特徴部７００は、ロケーション７０１から、切断されるべき別の特徴部７１１のロケーション７０９までの単一の直線状の横方向の動き７１０によって潜在的に交差される。

図７（ｂ）に示されるように、横方向の動きの経路は、単一の直線セグメント７１０から、特徴部の輪郭を辿る一連の線分７０１〜７０９に変換される。この横方向の動きは、
（１）元の高速な横方向の動き７１０について、特定の特徴部の入口ロケーション７０２と出口ロケーション７０８とをマーキングすることと、
（２）入口ロケーションと出口ロケーションとの間で特徴部の回りを進む最短方向を求めることと、
（３）元の高速な横方向の動き７１０を、特徴部の辿られた輪郭を含む切断の動きを模倣する一連の短い線分と置き換えることと、
（４）カッターヘッドと、以前に切断された特徴部との間で衝突が生じ得ないことを確保するように、これらの線分を特徴部境界から離して拡張することと、
によって構築することができる。

上記戦略によって生成される横方向の動きは、複数の停止する動き、戻る動き、及び開始する動きを伴う可能性があるので、以前に切断された特徴部に交差することを回避する最適な動きではない場合がある。

図７（ｃ）に示すように、別の戦略は、ロケーション７０１、７０４、７０６及び７０９のみを用いるように一連の短い線分（セグメント）を剪定する。特徴部を回避するのに絶対に必要なロケーションのみが残される。

これは、横方向の動きに沿った第１のロケーションから開始して、全ての後続の線分開始ロケーションに対し、横方向の動きを含む各線分の開始ロケーションを検査して、以前に切断された特徴部に交差するか否かを判断することによって達成することができる。元の特徴部のみでなく、全ての特徴部が交差に関して検査されるべきであることに留意されたい。

いずれの特徴部にも交差しない線分が見つかった場合、その線分は、その線分がまたがる複数の線分に置き換わる候補となる。次に、開始ロケーションと、特徴部に交差することなく到達することができる最終ロケーションとに接合する新たな線分を生成することができる。次に、検査は新たな線分の終了ロケーションから進行する。

例えば、第２の図におけるラベルに従って、ロケーション７０１が７０３、７０４（可（ok））、及び７０５、７０６、７０７、７０８、７０９（不可（not ok））に対して検査され、結果として、ロケーション７０１と７０４との間に新たな線分が作成され、次に、ロケーション７０４が７０６（可）、及び７０７、７０８、７０９（不可）に対して検査され、それによってロケーション７０４からロケーション７０６までの線分が生成され、次に、ロケーション７０６がロケーション７０８（不可）及び７０９（可）に対して検査され、結果として、ロケーション７０６をロケーション７０９に連結する線分が得られる。このようにして、レーザーカッター及び以前に切断された特徴部との間の一切の潜在的な衝突を回避することに成功する最小数の線分を用いた新たな横方向の動き７１２が生成される。

代替的に、スプライン（spline）を残りのロケーションにあてはめて、滑らかな弧状の経路７１２を生成することができる。弧状の経路は破線で示され、最小限の短い直線セグメント経路が連続した線で示されている。しかしながら、この戦略が有効となるには、Ｇコードが実行されるコントローラーがそのような運動を実行することができなくてはならない。

交差上切断（Cut-On-Cross）方法
図８に示すように、以前に切断された特徴部との衝突を回避する別の方法は、結果として特徴部が材料から切り離されることになる切断を、更なる交差が起こり得なくなるまで遅延させることを含む。そのような戦略は、複数の方法で実施することができる。

複数の特徴部とそれらの特徴部が部分的に切断される材料との間の小さな「接合部」を残す好ましい方法を説明する。

図８は、パーツ６００の場合のこの方法の例を示している。破線は、特徴部のネスト化順序に従う、以前のＣＡＭ段の出力を示し、左下の角から開始する。したがって、レーザーは、２つの中央の特徴部６０２及び６０４を切断することによって開始し、次に「プラス（＋）」型の特徴部６０３を切断するが、プラス型の特徴部と三角形の特徴部６０１との間を動く際、２つの先に部分的に切断された特徴部を交差する。そのような横方向の動きによって、カッターヘッドと材料との衝突が生じる可能性がある。

特徴部の切断からとり残された材料における間隙を迂回する代わりに、特徴部とその特徴部に交差する最後の動きとの交差において、複数の特徴部の最初の切断中に、レーザーを一時的にオフにすることができる。この結果、いくつかの（少なくとも２つの）小さな接合部、すなわち、その特徴部を材料に対し保持する太い線８００が生じ、これによって、そうでない場合に問題を引き起こす可能性がある間隙の生成を回避する。

次に、最終的な動きにおいて、レーザーは、残された接合部を交差する間は一時的にオンにされる。したがって、この方法を用いると、特徴部は全ての特徴部が部分的に切断された後の最終的な交差する横方向の動きまで材料から完全に切断されないので、先に切り離された特徴部との交差が防止される。

上記で説明された全ての方法のステップは、図２に示すプロセッサ２１０において実行することができる。これら方法は、ＯｐｅｎＧＬ、ステンシルバッファー、及びフレームバッファーを用いて実施することもできる。

発明の効果
利点として、本発明は、レーザー切断機の低速な上／下のカッターヘッドの動きを用いることなく、依然として衝突を回避しながら、シート材料から特徴部を切断することを可能にする。

別の利点として、レンダリング技法は、ＧＰＵ、レンダリングパイプライン、及び並列にされたマルチコアＣＰＵ等の極端に高速な従来のプロセッサを用いることができる。

本発明は、先に切断された特徴部を迂回するのに必要とされる時間も最小限にすることができる。

多角形、例えば三角形４３１のリストが、輪郭頂点を用いて構築される（４３０）。多角形は、メモリに記憶されたアレイ４４１としてラスター化される（４４０）。ラスター化中、ロケーションがラスター化される回数が以下に説明されるようにカウントされる。これは、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）を用いて行うことができ、実行は極めて高速に行うことができる。アレイは、ロケーションの座標に対応するアドレスを有する。各ロケーションは１ピクセル４５０に対応する。次に、ロケーション４０２が特徴部４１１の内側にあるか又は外側にあるかを、対応するロケーション４０２におけるアレイ４４１の値をチェックすることによって判断することができる（４６０）。

特定のロケーションが特徴内に含まれるか否かを判断するために、単一のレイのみを投射することができる。レイが特徴輪郭に１回（奇数回）のみ交差する場合、ロケーションは内側になくてはならず、２回の場合、カウントは偶数であり、ロケーションは外側にある。多くの場合に、解析的技法を用いて、レイと特徴の線、例えば弧及び線との交差を求めることができる。閉じた特徴が高次の曲線からなる場合、反復的な方法を用いて交差数をカウントすることができる。

Claims (10)

1. パターンに従って材料から特徴部を切断するように、レーザー切断機のカッターヘッドの経路を修正する方法であって、該方法は、
   前記カッターヘッドが切断部間で横方向の動きを実行しながら回避する非進行ゾーンを指定するステップと、
   前記カッターヘッドが前記特徴部を切断する前記経路を指定するステップと、
   前記非進行ゾーンに交差する前記経路のロケーションを求めるステップと、
   前記非進行ゾーンに違反する全てのロケーションが除去され、それによって、前記横方向の動きを実行するときに、前記カッターヘッドが前記非進行ゾーンを迂回するように、前記経路を修正するステップと、
   を含み、
   前記ステップはプロセッサが実行する、
   レーザー切断機のカッターヘッドの経路を修正する方法。
2. 前記非進行ゾーンに交差する前記横方向の動きは、前記非進行ゾーンの輪郭を該輪郭から所定の距離で辿る代替的な横方向の動きと置き換えられる、請求項１に記載の方法。
3. 前記非進行ゾーンの入口ロケーション及び出口ロケーションと、前記非進行ゾーンに交差する前記横方向の動きとをマーキングすることと、
   前記カッターヘッドの前記横方向の動きを、前記非進行ゾーンの輪郭を模倣する一連の代替的な動きと置き換えることと、
   前記代替的な動きを前記非進行ゾーンの前記輪郭から離れるように拡張することと、
   を更に含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記入口ロケーションと前記出口ロケーションとの間で、前記非進行ゾーンを迂回する最短移動方向を求めることと、
   前記非進行ゾーンに交差する前記横方向の動きを、最短移動方向において前記非進行ゾーンの前記輪郭を辿る動きと置き換えることと、
   を更に含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記非進行ゾーンを回避するのに絶対に必要なロケーションのみを用いるように、前記代替的な動きを剪定することを更に含む、請求項３に記載の方法。
6. 前記非進行ゾーンは、前記特徴部が前記カッターヘッドの以前の動きによって切断された材料における間隙である、請求項１に記載の方法。
7. 前記特徴部の切断後に、続いて交差される任意の特徴部に関する前記経路を、前記カッターヘッドの前記横方向の動きが該特徴部を回避するように修正することを更に含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記特徴部と、該特徴部が部分的に切断された前記材料との間の接合部を残しておくことを更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記特徴部のうちの任意のものの、全ての既知の安全ではない交差を実行した後に、前記接合部を切断することを更に含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記ロケーションを求めることは、
    各ロケーションにおいて、前記特徴部を、メモリに記憶されたアレイ内にレンダリングすることであって、それによって前記ロケーションの座標に対応する前記アレイにおけるアドレスに記憶される値が、該レンダリングのカウントプロセスによって求められて奇数又は偶数となることと、
    各ロケーションを、前記値が奇数である場合に内側として、前記値が偶数である場合に外側として識別することと、
    を含む、請求項１に記載の方法。

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