JP6854317B2 - 加工プログラム作成装置及び溶融金属の飛散方向決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工プログラム作成装置及び溶融金属の飛散方向決定方法に関する。

レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機がレーザビームによって板金を切断して所定の形状を有する製品を作製する際には、レーザ加工機は板金の製品の外部となる位置にレーザビームによってピアスと称される穴を開ける。レーザ加工機はレーザビームによって板金にピアスを開けるピアシング加工に続けて製品外周の所定の位置まで切断するアプローチ加工を施した後に、製品外周に沿って板金を切断する。

特許第３７６１６８７号公報

レーザ加工機は、板金の材料に応じたアシストガスを板金に吹き付けながら、板金にレーザビームを照射することによってピアシング加工を施したり、板金を切断したりする。アプローチ加工または製品外周に沿った切断の際には、レーザビームによる溶融金属は、アシストガスによって、既に切断された溝より板金の裏面側へと吹き飛ばされる。しかしながら、ピアシング加工時には、溝または孔が形成されていないことから、溶融金属はアシストガスによって板金の表面へと吹き飛ばされてピアスの周囲に付着する（特許文献１参照）。

レーザビームはノズルの円形の開口の中心を通り、アシストガスはレーザビームの周囲を通って板金に吹き付けられる。板金の板厚が薄ければ、溶融金属に対して周方向でほぼ均等にアシストガスが作用して溶融金属はほぼ均等に飛散する。しかしながら、板金の板厚が厚いと、ピアスが形成されるまでの時間が長くなり、溶融箇所が面方向に微小に移動する現象が発生することがある。すると、溶融金属の量が周方向で均等でなくなって所定の方向に偏り、量が偏った方向により多くの溶融金属が飛散する。溶融金属の量が偏る方向はランダムであるから、溶融金属が多く飛散する方向はランダムとなる。

従って、飛散した溶融金属が製品に付着しないように、ピアスを製品から十分に離れた位置に形成する必要がある。板金から複数の製品を切断するときには隣接する製品間にピアスを形成するための十分な間隔を設けなければならない。従って、切断可能な製品の最大数を多くできず、歩留まりを向上させることができない。また、溶融金属がピアスの周囲に付着して固化した堆積金属（スパッタ）がアプローチ加工の安定性を損ねて加工不良を発生させることがある。

そこで、ピアシング加工時に溶融金属が飛散する方向を制御し、溶融金属を飛散させる最も好ましい方向を自動的に決定することができれば、歩留まりを向上させたり、加工不良を発生しにくくしたりすることができる。レーザ加工機が、溶融金属を最も好ましい方向に飛散させてピアシング加工を施すことができれば、歩留まりを向上させたり、加工不良を発生しにくくしたりすることができる。

本発明は、ピアシング加工時に溶融金属が飛散する方向を制御可能な加工プログラムを作成することができる加工プログラム作成装置、及び、ピアシング加工時に溶融金属を飛散させる最も好ましい方向を自動的に決定することができる溶融金属の飛散方向決定方法を提供することを目的とする。

本発明は、板金を切断して第１の製品を作製するために前記板金にピアスを開けるピアシング加工を施すときに、前記板金が溶融した溶融金属が、前記ピアスと繋がるアプローチに付着することなく、かつ、前記ピアスの中心を中心とした所定の半径の円よりなる探索領域内に位置する第２の製品の加工経路に付着することなく、前記溶融金属を飛散させるのに最適な前記探索領域内の角度である最適飛散角度を算出する最適飛散角度算出部と、前記板金を切断して前記第１の製品を作製するためのコードに、前記第１の製品にピアシング加工を施すときに、加工ヘッドの先端に取り付けられたノズルの開口より射出されるレーザビームの前記開口内の位置を、前記開口の中心から前記最適飛散角度の角度方向に変位させることを示す補助コードを付加して加工プログラムを作成するプログラム作成部とを備える加工プログラム作成装置を提供する。

本発明は、コンピュータ機器が、板金を切断して第１の製品を作製するために開けるピアスの中心を中心とした所定の半径の円よりなる探索領域を設定し、加工ヘッドの先端に取り付けられたノズルの開口より前記板金にアシストガスを吹き付けながら、前記開口から射出されるレーザビームの前記開口内の位置を前記開口の中心から変位させたときに、前記板金が溶融した溶融金属が飛散して前記板金に扇状に広がって付着する、予め求められているスパッタの広がり角度に基づいて、前記広がり角度に基づく中心角を有する飛散角度領域を設定し、前記探索領域より、前記ピアスと繋がるアプローチと前記探索領域内に位置する第２の製品の加工経路とのいずれにも干渉しない、少なくとも前記飛散角度領域の角度範囲を有する１または複数の角度領域を抽出し、前記１または複数の角度領域の各角度領域の二等分線が位置する角度である二等分角度を求め、前記１または複数の角度領域の二等分角度のうち、前記アプローチを前記第１の製品から離れる方向に延長した延長線に最も近い角度を、前記溶融金属を飛散させる角度方向を示す最適飛散角度と決定する溶融金属の飛散方向決定方法を提供する。

本発明の加工プログラム作成装置によれば、ピアシング加工時に溶融金属が飛散する方向を制御することができる加工プログラムを作成することができる。本発明の溶融金属の飛散方向決定方法によれば、ピアシング加工時に溶融金属を飛散させる最も好ましい方向を自動的に決定することができる。

一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。 一実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。 板金の板厚が薄い場合のピアシング加工動作を概念的に示す側面図である。 板金の板厚が厚い場合のピアシング加工動作を概念的に示す側面図である。 板金に複数の矩形状の製品を板取りした状態を示す部分平面図である。 通常のピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係を示す部分平面図である。 一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によるピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係の第１の例を示す部分平面図である。 一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によるピアシング加工におけるピアシングの位置とノズルの位置との関係の第２の例を示す部分平面図である。 ビーム変位機構によるレーザビームの板金への照射位置の変位を説明するための図である。 ビーム変位機構によってレーザビームの板金への照射位置を変位させたときの溶融金属の飛散の仕方を示す側面図及び平面図である。 一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法によってピアシング加工を施したときのスパッタの付着状態の一例を示す部分平面図である。 ピアスの周囲に付着したスパッタの広がり角度と方向角度差の定義を説明するための図である。 広がり角度に応じて規定する広がり判定度を示す図である。 方向角度差に応じて規定する方向判定度を示す図である。 ノズル径２ｍｍのノズルを用いたときの、板金へのレーザビームの照射位置の変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示す図である。 ノズル径３ｍｍのノズルを用いたときの、板金へのレーザビームの照射位置の変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示す図である。 一実施形態の加工プログラム作成装置を構成するコンピュータ機器の具体的な構成例を示すブロック図である。 製品（パーツ）に対する加工経路の割り付けを示す図である。 板金（シート）に対するパーツの板取りを示す図である。 ピアスの中心を中心とする所定の半径の円よりなる探索領域を示す図である。 探索領域内に設定した候補角度領域を示す図である。 候補角度領域に存在する他の製品の加工経路の例を示す図である。 ピアスの中心を中心として溶融金属を飛散させる扇形の飛散角度領域を回転させたとき、探索領域より、飛散角度領域がアプローチと他の製品の加工経路とのいずれにも干渉しない複数の角度領域を抽出した状態を示す図である。 複数の角度領域における二等分線が位置する角度を求める過程を示す図である。 複数の角度領域における二等分線が位置する角度が求められた状態を示す図である。 最終的に１つの二等分線が位置する角度を選択して、選択した角度を最適飛散角度と決定した状態を示す図である。 最適飛散角度を示す補助コードが付加された加工プログラムの部分的な概略図である。 最適飛散角度を示す補助コードが付加された加工プログラムを作成する処理を示すフローチャートである。 内部に小さな開口が形成される製品の一例を示す図である。 図２４Ａに示す製品の開口を形成するためのピアス及びアプローチの位置を変更した状態を示す図である。 板金に大きさの異なる複数の矩形状の製品を板取りした状態を示す平面図である。 最適飛散角度の他の算出方法を説明するための図２５の部分拡大図である。

以下、一実施形態の加工プログラム作成装置、溶融金属の飛散方向決定方法、レーザ加工機、及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０、レーザ加工ユニット２０、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２を備える。また、レーザ加工機１００は、操作部１、ＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）プログラムを実行するコンピュータ機器２、操作部４０、ＮＣ装置５０と、加工プログラムデータベース６０、加工条件データベース７０、アシストガス供給装置８０を備える。

操作部１、コンピュータ機器２、加工プログラムデータベース６０、加工条件データベース７０が、レーザ加工機１００の外部に設けられていてもよい。加工プログラムデータベース６０及び加工条件データベース７０は、ネットワークを介してＮＣ装置５０と接続されていてもよい。後述するように、コンピュータ機器２は、加工プログラムを作成する加工プログラム作成装置である。ＮＣ装置５０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御装置の一例である。

レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。

レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザビームを射出する。

レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０と、加工ヘッド３５とを有する。Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、または、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。

加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って移動させる代わりに、加工ヘッド３５は位置が固定されていて、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対して加工ヘッド３５を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。

加工ヘッド３５には、先端部に円形の開口３６ａを有し、開口３６ａよりレーザビームを射出するノズル３６が取り付けられている。ノズル３６の開口３６ａより射出されたレーザビームは板金Ｗに照射される。

図２に示すように、コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）に変換するコリメーションレンズ３１を備える。また、コリメータユニット３０は、ガルバノスキャナユニット３２と、ガルバノスキャナユニット３２より射出されたレーザビームをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３を備える。加工ヘッド３５は、ベンドミラー３３で反射したレーザビームを集束して、板金Ｗに照射する集束レンズ３４を備える。

レーザ加工機１００は、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビームが開口３６ａの中心に位置するように芯出しされている。基準の状態では、レーザビームは、開口３６ａの中心より射出する。ガルバノスキャナユニット３２は、加工ヘッド３５内を進行して開口３６ａより射出されるレーザビームの開口３６ａ内での位置を変位させるビーム変位機構として機能する。結果として、ガルバノスキャナユニット３２は、レーザビームを板金Ｗに照射する位置を、開口３６ａの中心直下の位置から所定距離だけ離隔した位置へと変位させる。

ガルバノスキャナユニット３２はビーム変位機構の一例であり、ビーム変位機構はガルバノスキャナユニット３２に限定されない。

ガルバノスキャナユニット３２は、コリメーションレンズ３１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２１と、スキャンミラー３２１を所定の角度となるように回転させる駆動部３２２とを有する。また、ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２３と、スキャンミラー３２３を所定の角度となるように回転させる駆動部３２４とを有する。

以上のように構成されるレーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームによって板金Ｗを切断して所定の形状を有する製品を作製する。このとき、レーザ加工機１００は、板金Ｗの製品の外部となる位置にレーザビームによってピアシング加工を施し、ピアスから製品外周の所定の位置までの直線状のアプローチを切断する。レーザ加工機１００は、レーザビームがアプローチの製品側の端部である製品外周の所定の位置に到達したら、製品外周に沿って板金を切断することによって製品を作製する。

次に、アシストガスを板金Ｗに吹き付けながら板金Ｗにピアシング加工を施す際に、ピアス周囲の溶融金属が付着する方向を制御するための具体的な方法を説明する。レーザ加工機１００は、ピアス周囲の溶融金属が付着する方向を制御することにより、製品側に付着する溶融金属の量を低減させることができる。レーザ加工機１００は、ピアス周囲の製品側に溶融金属が付着しないようにすることもできる。

図３Ａ及び図３Ｂは、一般的なレーザ加工方法を用いて板金Ｗへのピアシング加工動作を概念的に示している。即ち、開口３６ａの中心はピアシング加工を施す位置の直上に位置していて、レーザビームを板金Ｗにおける開口３６ａの中心直下に照射するピアシング加工動作を示している。図３Ａは板金Ｗの板厚が薄い場合、図３Ｂは板金Ｗの板厚が厚い場合を示している。

図３Ａにおいて、板金Ｗにピアシング加工を施す際には、ＮＣ装置５０は、ノズル３６を板金Ｗから離すように加工ヘッド３５を上昇させる。従って、一点鎖線で示すレーザビームのビームウエストは板金Ｗから離れた上方に位置している。なお、レンズの調整によっては、ビームウエストを板金Ｗの表面または内部に設定することも可能であり、ビームウエストの位置の選択は自由である。

レーザビームは開口３６ａの中心を通って板金Ｗに照射され、照射位置の金属がレーザビームの熱によって溶融して溶融金属Ｗmeltとなる。アシストガス供給装置８０によって加工ヘッド３５へと供給されたアシストガスＡＧは、開口３６ａを通って板金Ｗに吹き付けられる。アシストガスＡＧは溶融金属Ｗmeltに対して周方向にほぼ均等に作用して、溶融金属Ｗmeltはピアスとなる位置の周囲にほぼ均等に飛散する。なお、飛散する溶融金属Ｗmeltと、板金Ｗに付着して固化した堆積金属塊との双方をスパッタと称することがあるが、本実施形態においては堆積金属塊をスパッタと称することとする。

板金Ｗの板厚が厚い図３Ｂにおいては、ピアスが形成されるまでの時間が長くなり、開口３６ａの中心直下の溶融箇所が面方向に微小に移動する現象が発生することがある。すると、溶融金属Ｗmeltの量が周方向に均等でなくなって所定の方向に偏り、量が偏った方向により多くの溶融金属Ｗmeltが飛散する。

図３Ｂは、図の左方向に多くの溶融金属Ｗmeltが飛散して、ピアスとなる位置の左方向にスパッタＳｐが多く付着している状態を示している。溶融金属Ｗmeltの量が偏る方向はランダムであるので、溶融金属Ｗmeltが多く飛散してスパッタＳｐが多く付着する方向はランダムとなる。

図４に示すように、板金Ｗに複数の矩形状の製品２００が板取りされていて、レーザ加工機１００が各製品２００を切断する場合を考える。コンピュータ機器２は、図４に示す位置にピアシング加工を施してピアス２０１を開け、ピアス２０１を開けたらアプローチ２０２を切断し、製品２００の端部までアプローチ２０２を切断したら製品２００の外周に沿って板金Ｗを切断する加工プログラムを作成する。加工プログラムは、加工プログラムデータベース６０に記憶されている。

ＮＣ装置５０は、加工プログラムデータベース６０より加工プログラムを読み出し、加工条件データベース７０に記憶されている複数の加工条件のいずれかを選択する。ＮＣ装置５０は、読み出した加工プログラム及び選択した加工条件に基づいて板金Ｗを加工するよう、レーザ加工機１００を制御する。

図５Ａに示すように、加工プログラムによって、ピアシング加工を施してピアス２０１を開ける位置は板金Ｗ上の座標（Ｘ１，Ｙ１）に設定されている。レーザビームが開口３６ａの中心より射出されるとすれば、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）に位置するように加工ヘッド３５を位置させればよい。開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）に位置すれば、開口３６ａの中心はピアス２０１を開ける位置の直上に位置する。

本実施形態においては、溶融金属Ｗmeltが飛散してスパッタＳｐが付着する方向を制御するために、図５Ｂに示すように、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）に位置するように加工ヘッド３５を位置させる。これに加えて、ＮＣ装置５０は、レーザビームが板金Ｗに照射される位置が、アプローチ２０２の延長線上で座標（Ｘ１，Ｙ１）よりも製品２００から離れた側に位置するように、ガルバノスキャナユニット３２におけるスキャンミラー３２１または３２３の角度を変更する。結果として、レーザビームが板金Ｗに照射される位置は開口３６ａの中心直下ではなく、製品２００から離れた側に変位する。

ＮＣ装置５０は、図５Ｂの代わりに、図５Ｃに示すように加工ヘッド３５及びガルバノスキャナユニット３２を制御してもよい。図５Ｃに示すように、ＮＣ装置５０は、開口３６ａの中心が座標（Ｘ１，Ｙ１）よりもアプローチ２０２上の製品２００側に変位させた位置の直上に位置するように、加工ヘッド３５をアプローチ２０２に沿って製品２００側に変位させる。これに加えて、ＮＣ装置５０は、レーザビームが板金Ｗに照射される位置が座標（Ｘ１，Ｙ１）となるように、ガルバノスキャナユニット３２におけるスキャンミラー３２１または３２３の角度を変更する。結果として、レーザビームが板金Ｗに照射される位置は開口３６ａの中心直下ではなく、製品２００から離れた側に変位する。

図６において、ベンドミラー３３で折り曲げられて集束レンズ３４を通過する細実線は、レーザ加工機１００が基準の状態であるときのレーザビームの光軸を示している。ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、レーザビームの光軸が細実線で示す位置から太実線で示す位置へと変位したとする。ベンドミラー３３で反射するレーザビームが角度θで傾斜したとすると、板金Ｗへのレーザビームの照射位置は距離Δｓだけ変位する。

なお、詳細には、ベンドミラー３３の手前に位置しているガルバノスキャナユニット３２の作動により、ベンドミラー３３に入射するレーザビームの光軸の角度が変化し、光軸がベンドミラー３３の中心から外れる。図６では、簡略化のため、ガルバノスキャナユニット３２の作動前後でベンドミラー３３へのレーザビームの入射位置を同じ位置としている。

集束レンズ３４の焦点距離をＥＦＬ（Effective Focal Length）とすると、距離Δｓは、ＥＦＬ×ｓｉｎθで計算される。ＮＣ装置５０は、レーザビームを予め設定した距離Δｓだけ変位させるように、ガルバノスキャナユニット３２によってレーザビームの光軸を角度θだけ傾斜させればよい。距離Δｓは開口３６ａの半径未満の距離であり、好ましくは、開口３６ａの半径から所定の余裕量だけ引いた距離を最大距離とした最大距離以下の距離である。なお、集束レンズ３４の焦点距離ＥＦＬは距離Δｓよりもはるかに長く、例えば１２０ｍｍ、１９０ｍｍ等であるのに対し、距離Δｓは数十〜数百マイクロメートルの距離である。よって、ベンドミラー３３からの光路距離を用いず、集束レンズ３４の屈折率を考慮することなく、ＥＦＬを用いて距離Δｓを計算しても実質的に差し支えない。

また、ガルバノスキャナユニット３２によって板金Ｗへのレーザビームの照射位置を距離Δｓだけ変位させると、厳密には、レーザビームの照射位置を変位させない状態で設定した板金Ｗの厚さ方向に対するビームウエストの位置がずれる。距離Δｓは数十から数百マイクロメートルの距離であるので、ビームウエストの位置がずれることによって問題が発生することはほとんどない。ビームウエストの位置を調整する必要がある場合には、例えば、集束レンズ３４をＺ軸方向に変位させればよい。

図７において、（ａ）は、加工ヘッド３５の側面方向から見て、開口３６ａの中心から外側へと変位させたレーザビームによって板金Ｗにピアスを開ける動作を概念的に示し、（ｂ）は、板金Ｗの上方から板金Ｗを見た状態を概念的に示している。図７に示すように、アシストガスＡＧは板金Ｗへと周方向に均等に吹き付けられるものの、板金Ｗに照射されるレーザビームが変位しているため、溶融金属Ｗmeltはレーザビームが変位した方向に飛散する。

図７の（ａ）においては、図３Ａと同様に板金Ｗの板厚が薄い場合を示しているが、板金Ｗの板厚が厚い場合も同様である。板金Ｗの板厚が厚く、溶融金属Ｗmeltの量が仮に製品２００側に偏ったとしても、板金Ｗ上でレーザビームを変位させる距離Δｓは溶融金属Ｗmeltの量が偏る距離よりも格段に大きいため、溶融金属Ｗmeltはレーザビームが変位した方向に飛散する。

本実施形態によれば、図８に示すように、板金Ｗに、ピアス２０１の周囲の製品２００とは反対側にスパッタＳｐを付着させ、製品２００側にはスパッタＳｐをほとんど付着させないように制御することができる。よって、製品２００の近くにピアス２０１を開けることができるので、図４に示す隣接する製品２００の間隔Ｄを狭くすることができる。その結果、本実施形態によれば、歩留まりを向上させることが可能となる。

本実施形態によれば、スパッタＳｐがアプローチ２０２にほとんど付着しないので、アプローチ加工が安定し、加工不良を発生させるおそれを低減させることができる。

図９に示すように、ピアス２０１の周囲にスパッタＳｐが付着しているとき、スパッタＳｐが扇状に広がる角度を広がり角度φ、レーザビームを変位させた方向と扇状に広がったスパッタＳｐの中央の角度方向との差を方向角度差Δφとする。広がり角度φ及び方向角度差Δφが小さいほど、溶融金属Ｗmeltが付着する方向を制御できているということになる。

そこで、広がり角度φと広がり判定度との対応を図１０Ａに示すよう規定する。一例として、広がり角度φが２７０度以上、１８０度以上２７０度未満、１３５度以上１８０度未満、９０度以上１３５度未満、４５度以上９０度未満、４５度未満をそれぞれ広がり判定度０、１、２、３、４、５とする。広がり判定度は大きいほどよい。

方向角度差Δφと方向判定度との対応を図１０Ｂに示すよう規定する。一例として、方向角度差Δφが１３５度以上、９０度以上１３５度未満、７７．５度以上９０度未満、４５度以上７７．５度未満、２２．５度以上４５度未満、２２．５度未満をそれぞれ方向判定度０、１、２、３、４、５とする。方向判定度も大きいほどよい。

図１１Ａ及び図１１Ｂにおいて、レーザビームを板金Ｗに照射する位置を、開口３６ａの中心直下の位置から変位させる距離を変位量とする。図６で説明した距離Δｓが変位量である。図１１Ａ及び図１１Ｂの広がり判定度及び方向判定度は、３回のピアシング加工を行ったときの平均値を示している。

図１１Ａは、ノズル径２ｍｍのノズル３６を用い、レーザパワーを４ｋｗとして、板金Ｗとして板厚６ｍｍのステンレス鋼にピアシング加工を施したときの、変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示している。

図１１Ａに示すように、ノズル径２ｍｍの場合には、変位量２５μｍまでは広がり判定度及び方向判定度が小さく、評価は「不可」である。変位量５０μｍ〜１００μｍでは広がり判定度及び方向判定度がいずれも大きくなり、評価は「可」である。変位量１５０μｍ以上では、広がり判定度及び方向判定度がいずれも５または５に近い値であり、評価は「良好」である。ノズル径２ｍｍのノズル３６を用いる場合、変位量は５０μｍ以上とすることが好ましく、１５０μｍ以上とすることがさらに好ましい。

図１１Ｂは、ノズル径３ｍｍのノズル３６を用い、図１１Ａと同じ条件で板金Ｗにピアシング加工を施したときの、変位量と、広がり判定度、方向判定度、及び評価との関係を示している。

図１１Ｂに示すように、ノズル径３ｍｍの場合には、変位量５０μｍまでは広がり判定度及び方向判定度がいずれも０であり、評価は「不可」である。変位量２５０μｍでは広がり判定度及び方向判定度がいずれも大きくなり、評価は「可」である。変位量４５０μｍ及び６５０μｍでは、広がり判定度が４前後の値、方向判定度が５であり、評価は「良好」である。ノズル径３ｍｍのノズル３６を用いる場合、変位量は２５０μｍ以上とすることが好ましく、４５０μｍ以上とすることがさらに好ましい。

ＮＣ装置５０は、レーザビームを板金Ｗに照射する位置を、開口３６ａの中心直下の位置から、ノズル径、ノズル３６の形状、ピアシング加工時のノズルギャップ、アシストガスのガス圧等の条件に応じて最適に設定した変位量で変位させればよい。

ところで、以上説明した例では、ピアス２０１を開ける際に、板金Ｗに照射するレーザビームをアプローチ２０２に沿って製品２００から離れる方向に変位させている。ピアス２０１の近くに存在する他の製品の加工経路（切断経路）の位置によっては、アプローチ２０２に沿った方向とは異なる方向にレーザビームを変位させた方がよい場合がある。

そこで、ピアシング加工時に溶融金属を飛散させる最も好ましい方向を示す最適飛散角度を自動的に決定して、その決定した最適飛散角度の方向にレーザビームを変位させることが好ましい。

加工プログラム作成装置であるコンピュータ機器２は、最適飛散角度を自動的に決定し、決定した最適飛散角度の方向にレーザビームを変位させることができる加工プログラムを作成する。図１２を用いてコンピュータ機器２の具体的な構成を説明し、図１３及び図１４を用いて、製品（パーツ）に対する加工経路の割り付け、及び板金Ｗ（シート）に対するパーツの板取りを説明する。

図１２に示すように、コンピュータ機器２は、自動割り付け部２１１、自動板取り部２１２、最適飛散角度算出部２１３、プログラム作成部２１４を備える。自動割り付け部２１１〜プログラム作成部２１４は、ＣＡＭプログラムによって構成することができる。自動割り付け部２１１には、図示していないＣＡＤ（Computer Aided Design）プログラムを実行するコンピュータ機器によって作成されたＣＡＤデータよりなるパーツデータが入力される。パーツデータは、製品２００のような１つの製品の形状データである。コンピュータ機器２がＣＡＤプログラムを実行するコンピュータ機器であってもよい。即ち、コンピュータ機器２は、ＣＡＤ及びＣＡＭプログラムを実行するＣＡＤ／ＣＡＭ機器であってもよい。

図４に示す製品２００を例とすると、自動割り付け部２１１は、図１３に示すように、ピアス２０１を開けるピアシング加工に続けてアプローチ２０２を切断し、製品２００の外周２００Ｌに沿って板金Ｗを切断する加工経路を割り付けて割り付けデータを生成する。

自動板取り部２１２には、板金Ｗを示すシートデータと、板金Ｗより製品２００を切断する個数を指示する指示データが入力される。製品２００を切断する個数は操作部１によって指示される。一例として個数を９個とすると、自動板取り部２１２には、図１４に示すように、板金Ｗに対して図１３に示す割り付けデータに基づき、板金Ｗより９個の製品２００を切断する板取りデータを生成する。

最適飛散角度算出部２１３は、自動板取り部２１２が作成した板取りデータに基づき、各ピアス２０１を開ける際の溶融金属の最適飛散角度を算出する。プログラム作成部２１４は、最適飛散角度算出部２１３が算出した最適飛散角度を示す補助コードを含むように、加工プログラムを作成する。加工プログラムは加工プログラムデータベース６０に送信されて記憶される。

図１５〜図２１を用いて、最適飛散角度を算出して溶融金属を飛散させる方向を決定する一実施形態の溶融金属の飛散方向決定方法を説明する。最適飛散角度算出部２１３は、ピアス２０１の中心を中心とする所定の半径ｒの円よりなる探索領域３００を設定する。半径ｒは例えば１０ｍｍである。最適飛散角度算出部２１３は、アプローチの位置を０度として探索領域３００の周方向の角度を規定する。図１５に示す例では、ピアス２０１からアプローチ２０２を見たときの反時計方向に０度〜３６０度を設定している。

図１６に示すように、最適飛散角度算出部２１３は、探索領域３００の例えば９０度から２７０度の角度領域３０１を、溶融金属を飛散させる飛散角度の候補とすべき角度領域と設定する。以下、角度領域３０１を候補角度領域３０１と称する。上記のようにスパッタＳｐをアプローチ２０２にほとんど付着させないようにするには、候補角度領域３０１を９０度から２７０度の角度領域とするのがよい。但し、オペレータが操作部１を操作して候補角度領域３０１の角度を９０度から２７０度以外の角度領域に設定してもよい。候補角度領域３０１はアプローチ２０２を含まない角度領域とすることが必要である。

図９、図１０Ａ、図１１Ａ及び図１１Ｂで説明したように、スパッタＳｐが扇状に広がる広がり角度φは所定の角度に設定することができる。例えば、ノズル径が２ｍｍであって変位量を２５０ｍｍ以上とすれば、広がり角度φを４５度未満とすることができる。広がり角度φが具体的にどのような角度となるかは予め実験によって求めることができる。

図１６に示すように、広がり角度φの角度領域を、溶融金属を飛散させる飛散角度領域３０２とする。飛散角度領域３０２の円弧の両端を結ぶ弦の長さ３０２ｗを飛散角度領域３０２の幅とする。ここでは飛散角度領域３０２の中心角を広がり角度φとしているが、方向角度差Δφを考慮して、広がり角度φよりも広い角度を飛散角度領域３０２の中心角としてもよい。飛散角度領域３０２の中心角は、広がり角度φに基づいて設定されていればよい。

候補角度領域３０１内に他の製品の加工経路が存在する場合には、他の製品の加工経路を避けた角度に飛散角度領域３０２を設定する必要がある。最適飛散角度算出部２１３には、予め設定されている広がり角度φが入力されるか、オペレータが操作部１によって入力した広がり角度φが入力される。なお、広がり角度φを入力する代わりに、弦の長さ３０２ｗを入力してもよい。

図１７に示すように、候補角度領域３０１内に、他の製品の加工経路４０１及び４０２が存在しているとする。製品２００を第１の製品とすれば、他の製品は第２の製品である。加工経路４０１及び４０２は１つの第２の製品の加工経路であってもよいし、別々の第２の製品の加工経路であってもよい。

図１４に示す板取りデータでは探索領域３００（候補角度領域３０１）内に加工経路４０１及び４０２は存在しない。候補角度領域３０１内に他の製品の加工経路が存在する場合にどのように最適飛散角度が算出されるのかを説明するため、候補角度領域３０１内に他の製品の加工経路４０１及び４０２が存在する場合を例とする。候補角度領域３０１内に存在する他の製品の加工経路は１つまたは複数である。

最適飛散角度算出部２１３は、ピアス２０１の中心を中心として扇形の飛散角度領域３０２（図１６参照）を回転させ、アプローチ２０２、加工経路４０１及び４０２のいずれにも干渉しない角度領域を抽出する。

図１８に示すように、最適飛散角度算出部２１３は、探索領域３００のうち、扇形の角度領域ＡｒＡ、ＡｒＢ、及びＡｒＣを抽出する。角度領域ＡｒＡ、ＡｒＢ、及びＡｒＣは、少なくとも飛散角度領域３０２の角度範囲を有する角度領域である。ここでは３つの角度領域が抽出されているが、抽出される角度領域は１つまたは複数である。

角度領域ＡｒＡは、飛散角度領域３０２を反時計回りに回転させたときに、飛散角度領域３０２がアプローチ２０２に接触しない０度を越える角度から、加工経路４０１の点Ｐ０１ａに接触する直前の角度までの角度領域である。角度領域ＡｒＢは、飛散角度領域３０２が加工経路４０１の点Ｐ０１ｂに接触しない角度から、加工経路４０２の点Ｐ０２ａに接触する直前の角度までの角度領域である。角度領域ＡｒＣは、飛散角度領域３０２が加工経路４０２の点Ｐ０２ｂに接触しない角度から、アプローチ２０２に接触しない３６０度未満の角度までの角度領域である。

図１９に示すように、最適飛散角度算出部２１３は、角度領域ＡｒＡ、ＡｒＢ、及びＡｒＣ内の角度方向の両端部に飛散角度領域３０２を配置する。最適飛散角度算出部２１３は、角度領域ＡｒＡに配置した２つの飛散角度領域３０２の各二等分線が位置する角度ＡｇＡ１及びＡｇＡ２を求める。最適飛散角度算出部２１３は、角度領域ＡｒＢに配置した２つの飛散角度領域３０２の各二等分線が位置する角度ＡｇＢ１及びＡｇＢ２を求める。最適飛散角度算出部２１３は、角度領域ＡｒＣに配置した２つの飛散角度領域３０２の各二等分線が位置する角度ＡｇＣ１及びＡｇＣ２を求める。

図２０に示すように、最適飛散角度算出部２１３は、角度ＡｇＡ１〜ＡｇＡ２の扇形領域の二等分線が位置する角度ＡｇＡを求め、角度ＡｇＢ１〜ＡｇＢ２の扇形領域の二等分線が位置する角度ＡｇＢを求める。図１９に示す角度ＡｇＣ１及びＡｇＣ２はいずれも候補角度領域３０１内に位置していないので、最適飛散角度算出部２１３は、角度ＡｇＣ１〜ＡｇＣ２の扇形領域の二等分線が位置する角度を求めず、角度領域ＡｒＣは二等分線が位置する角度を求める対象から除外される。角度ＡｇＡ及びＡｇＢは、扇形の角度領域ＡｒＡ及びＡｒＢそれぞれの二等分線が位置する角度である。以下、角度ＡｇＡ及びＡｇＢを二等分角度ＡｇＡ及びＡｇＢと称する。

最適飛散角度算出部２１３は、二等分角度ＡｇＡまたはＡｇＢが９０度未満であれば９０度と補正し、候補角度領域３０１内である９０度以上２７０度であれば補正せず、２７０度を越えていれば、２７０度と補正する。図２１において、ＡｇＡ’は、図２０に示す二等分角度ＡｇＡを９０度と補正した補正二等分角度である。二等分角度ＡｇＢは補正されていない。

最終的に、最適飛散角度算出部２１３は、補正二等分補正角度ＡｇＡ’及び二等分角度ＡｇＢのうち、アプローチ２０２を製品２００から離れる方向に延長した延長線に最も近い角度（即ち、１８０度に最も近い角度）を最適飛散角度と決定する。図２１において、二等分角度ＡｇＢが最適飛散角度と決定される。ここでは、最適飛散角度は１９０度であるとする。最適飛散角度は、ノズル３６の開口３６ａの中心に位置しているレーザビームを変位させる角度方向を示す。

なお、探索領域３００内の各角度領域に設定した２つの飛散角度領域３０２の各二等分線が位置する角度がいずれも候補角度領域３０１内に位置していない場合には、最適飛散角度を算出する処理は中止される。探索領域３００に設定した２つの角度領域の二等分角度または補正二等分角度として、９０度と２７０度とが得られた場合には、最適飛散角度算出部２１３は、９０度と２７０度のいずれを最適飛散角度としてもよい。９０度と２７０度のうちの一方が補正していない二等分角度、他方が補正二等分角度である場合には、補正していない二等分角度を最適飛散角度としてもよい。

探索領域３００より角度領域ＡｒＡ、ＡｒＢ、及びＡｒＣを抽出する方法、角度領域ＡｒＡ及びＡｒＢそれぞれの二等分角度ＡｇＡ及びＡｇＢを求める方法は、以上説明した方法に限定されない。最適飛散角度算出部２１３は、飛散角度領域３０２の代わりに、ピアス２０１の中心を中心として半径ｒの直線を回転させ、アプローチ２０２、加工経路４０１及び４０２のいずれにも干渉しない角度領域を抽出してもよい。最適飛散角度算出部２１３は、抽出した角度領域の二等分線が位置する角度を二等分角度とすればよい。

但し、この場合、抽出したいずれかの角度領域の角度が飛散角度領域３０２の角度である広がり角度φより小さい場合には、二等分角度を求める対象の角度領域から除外することが必要である。

ところで、候補角度領域３０１内に加工経路４０１または４０２のような他の製品の加工経路が存在しない場合には、最適飛散角度は１８０度と算出される。よって、開口３６ａの中心に位置しているレーザビームは、アプローチ２０２を製品２００から離れる方向に延長した延長線上に変位される。

図２２は、プログラム作成部２１４によって作成された、Ｇコードで構成された加工プログラムの一例を簡略化して示している。Ｍ１０３は切断開始を示すコードであり、コードＭ１０３の直前のＧで始まるコードはピアスの位置を示す。一例として、プログラム作成部２１４は、コードＭ１０３に続けて、最適飛散角度を示す補助コードを付加する。上記の例では最適飛散角度は１９０度であるから、コードＭ１０３に“Ｋ１９０”なる補助コードが付加されている。

図２２に示す例では、Ｅ００４で示されるＥ番号Ｅ４なる加工条件が設定されている。加工条件は板金Ｗの材料に応じて自動的に選択されてもよいし、オペレータが操作部１によって選択してもよい。

図２３に示すフローチャートを用いて、コンピュータ機器２による最適飛散角度の算出及び加工プログラムの作成の処理を改めて説明する。コンピュータ機器２は、処理を開始すると、ステップＳ１にてパーツデータを投入し、ステップＳ２にてパーツに対して加工経路を割り付ける。コンピュータ機器２は、ステップＳ３にて、パーツの板取りを実行する。コンピュータ機器２は、ステップＳ４にて、パーツの外形（外周）を切断するためのピアスの位置、及びパーツの内部に穴を形成するためのピアスの位置を探索する。

コンピュータ機器２は、ステップＳ５にて、探索の結果、ピアスの位置を抽出したか否かを判定する。ピアスの位置を抽出しなければ（NO）、コンピュータ機器２は、ステップＳ４及びＳ５、またはステップＳ４〜Ｓ６の処理を繰り返す。ステップＳ５にてピアスの位置を抽出すれば（YES）、コンピュータ機器２は、ステップＳ７にて、ピアスと繋がるアプローチの方向を取得する。

コンピュータ機器２は、ステップＳ８にて、最適飛散角度を算出できたか否かを判定する。最適飛散角度を算出できなければ（NO）、コンピュータ機器２は、処理をステップＳ６に移行させる。最適飛散角度を算出できれば（YES）、コンピュータ機器２は、ステップＳ１０にて、切断開始を示すコード（Ｍ１０３）にレーザビームを変位させる角度方向を示す補助コードを付加して、処理をステップＳ６に移行させる。ステップＳ７〜Ｓ１０の処理は、全てのピアスに対して実行される。

コンピュータ機器２は、ステップＳ６にて、全てのピアスの位置の探索を完了したか否かを判定する。コンピュータ機器２は、全てのピアスの位置の探索を完了していなければ（NO）、処理をステップＳ４に戻し、全てのピアスの位置の探索を完了していれば（YES）、処理を終了させる。

図２３においては、加工プログラムを新規に作成する際に補助コードを付加する例を示している。コンピュータ機器２は、予め作成されて加工プログラムデータベース６０に記憶されている加工プログラムを読み出して加工プログラムを解析し、切断開始を示すコードに補助コードを付加して加工プログラムデータベース６０に記憶させてもよい。この場合、加工プログラムデータベース６０に予め記憶されている加工プログラムは、補助コードが付加された加工プログラムによって上書きされてもよい。

図１に戻り、ＮＣ装置５０は、加工プログラムデータベース６０より補助コードが記述された加工プログラムを読み出し、加工プログラムで設定されている加工条件を加工条件データベース７０より読み出す。ＮＣ装置５０は、読み出した加工プログラム及び加工条件に基づいて板金Ｗを加工するよう、レーザ加工機１００を制御する。

ＮＣ装置５０は、板金Ｗにピアス２０１を開ける際に、補助コードが記述されていれば補助コードを読み取って、レーザビームをノズル３６の開口３６ａ内で補助コードが示す角度方向に変位させるようガルバノスキャナユニット３２を制御する。

ガルバノスキャナユニット３２によってレーザビームを補助コードが示す角度方向に変位さる距離はＥ番号で示される加工条件に設定されている。即ち、加工条件データベース７０に記憶されている各種の加工条件には、ピアス２０１を開ける際にレーザビームを変位させる距離が設定されている。ＮＣ装置５０は、板金Ｗにピアス２０１を開ける際に補助コードが付加されていれば、加工条件に設定されている距離だけ、レーザビームを変位させる。

図２４Ａに示す製品２２０は、内部に開口２３０が形成される製品の一例である。レーザ加工機１００が板金Ｗを切断して製品２２０を作製するには、まず、ピアス２３１を開けてアプローチ２３２を切断し、開口２３０を形成するように板金Ｗを切断する。次に、レーザ加工機１００は、ピアス２２１を開けてアプローチ２２２を切断し、製品２２０の外周を切断する。図２４Ａに示す例では、開口２３０が小さいため、ピアス２３１の中心を中心とする半径ｒの円よりなる探索領域３００を設定し、図１６と同様に飛散角度領域３０２を配置すると、いずれの角度方向であっても開口２３０の加工経路と干渉する。よって、コンピュータ機器２は、最適飛散角度を算出することができない。

このような場合、コンピュータ機器２は、図２４Ｂに示すように、ピアス２３１及びアプローチ２３２の位置を変更した上で、最適飛散角度を算出してもよい。図２４Ｂにおいては、コンピュータ機器２は、矢印で示す方向の角度を最適飛散角度と算出することができる。

レーザ加工機１００は、ピアス及びアプローチの位置を変更するだけでなく、ピアス及びアプローチの位置を変更せず、アプローチの長さを長くしたり短くしたりすることがあってもよいし、アプローチの角度を変更してもよい。

図１５〜図２１を用いて説明した、飛散角度領域３０２を探索領域３００内で回転させて最適飛散角度を算出する代わりに、次のようにして最適飛散角度を算出してもよい。図２５に示す例では、板金Ｗに大きさの異なる矩形状の製品２４１〜２４４が板取りされている。製品２４１には、ピアス２５１及びアプローチ２５２が設けられている。ピアス２５１を開ける際の最適飛散角度を算出する場合を例として説明する。

図２６は、図２５におけるピアス２５１の周辺の拡大図である。コンピュータ機器２は、飛散角度領域３０２の幅３０２ｗを有する長方形を形成し、長方形の端部をピアス２５１の中心に位置させて、長方形をピアス２５１の中心を中心とする周方向の所定角度ごとに回転させる。このとき、コンピュータ機器２は、それぞれの角度で、ピアス２５１、製品２４１以外の製品２４２〜２４４の加工軌跡（ピアス及びアプローチを含む）のいずれかに干渉するまで長方形を延長する。

図２６に３つの方向に延長した長方形を示している。アプローチ２５２と直交し、製品２４３と離れる方向に延長した長方形の長さはＤ１である。アプローチ２５２の延長方向に延長した長方形の長さはＤ２である。アプローチ２５２と直交し、製品２４３の方向に延長した長方形の長さはＤ３である。長さＤ１〜Ｄ３を比較すると長さＤ１が最も長く、ピアス２５１の中心を中心とする周方向の全ての角度において、長さＤ１が最長となる。そこで、コンピュータ機器２は、アプローチ２５２と直交し、製品２４３と離れる方向の角度（２７０度）を最適飛散角度と算出する。

本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

１，４０ 操作部
２ コンピュータ機器（加工プログラム作成装置）
１０ レーザ発振器
１２ プロセスファイバ
２０ レーザ加工ユニット
３０ コリメータユニット
３１ コリメーションレンズ
３２ ガルバノスキャナユニット
３３ ベンドミラー
３４ 集束レンズ
３５ 加工ヘッド
３６ ノズル
３６ａ 開口
５０ ＮＣ装置（制御装置）
６０ 加工プログラムデータベース
７０ 加工条件データベース
８０ アシストガス供給装置
１００ レーザ加工機
２００，２２０，２４１〜２４４ 製品
２０１，２２１，２３１，２５１ ピアス
２０２，２２２，２３２，２５２ アプローチ
２１１ 自動割り付け部
２１２ 自動板取り部
２１３ 最適飛散角度算出部
２１４ プログラム作成部
３００ 探索領域
３０１ 候補角度領域
３０２ 飛散角度領域
３２１，３２３ スキャンミラー
３２２，３２４ 駆動部
４０１，４０２ 加工経路
Ｓｐ スパッタ
Ｗ 板金
Ｗmelt 溶融金属

Claims (4)

1. 板金を切断して第１の製品を作製するために前記板金にピアスを開けるピアシング加工を施すときに、前記板金が溶融した溶融金属が、前記ピアスと繋がるアプローチに付着することなく、かつ、前記ピアスの中心を中心とした所定の半径の円よりなる探索領域内に位置する第２の製品の加工経路に付着することなく、前記溶融金属を飛散させるのに最適な前記探索領域内の角度である最適飛散角度を算出する最適飛散角度算出部と、
   前記板金を切断して前記第１の製品を作製するためのコードに、前記第１の製品にピアシング加工を施すときに、加工ヘッドの先端に取り付けられたノズルの開口より射出されるレーザビームの前記開口内の位置を、前記開口の中心から前記最適飛散角度の角度方向に変位させることを示す補助コードを付加して加工プログラムを作成するプログラム作成部と、
   を備える加工プログラム作成装置。
2. 前記プログラム作成部は、前記板金にピアスを開けることを示す前記板金の切断開始を示すコードに前記補助コードを付加する請求項１に記載の加工プログラム作成装置。
3. コンピュータ機器が、
   板金を切断して第１の製品を作製するために開けるピアスの中心を中心とした所定の半径の円よりなる探索領域を設定し、
   加工ヘッドの先端に取り付けられたノズルの開口より前記板金にアシストガスを吹き付けながら、前記開口から射出されるレーザビームの前記開口内の位置を前記開口の中心から変位させたときに、前記板金が溶融した溶融金属が飛散して前記板金に扇状に広がって付着する、予め求められているスパッタの広がり角度に基づく中心角を有する飛散角度領域を設定し、
   前記探索領域より、前記ピアスと繋がるアプローチと前記探索領域内に位置する第２の製品の加工経路とのいずれにも干渉しない、少なくとも前記飛散角度領域の角度範囲を有する１または複数の角度領域を抽出し、
   前記１または複数の角度領域の各角度領域の二等分線が位置する角度である二等分角度を求め、
   前記１または複数の角度領域の二等分角度のうち、前記アプローチを前記第１の製品から離れる方向に延長した延長線に最も近い角度を、前記溶融金属を飛散させる角度方向を示す最適飛散角度と決定する
   溶融金属の飛散方向決定方法。
4. 前記コンピュータ機器が、
   前記探索領域内に、前記アプローチを含まない所定の角度範囲を有する候補角度領域を設定し、
   前記候補角度領域外に位置する前記飛散角度領域の角度範囲を有する角度領域を、前記二等分角度を求める対象の角度領域から除外する
   請求項３に記載の溶融金属の飛散方向決定方法。

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