(57)【要約】【課題】加工ヘッドの移動条件と、ワーク表面上の加工点の移動速度の変化と、加工点の熱特性条件の変化に伴い変化する良好な加工結果を得る加工条件の変化とを考慮した最適なレーザ加工条件を設定可能な三次元レーザ加工システムの提供。【解決手段】熱物性が定義された材質情報を含むワークの三次元ＣＡＤデータと加工ヘッドの三次元ＣＡＤデータを用い、加工ヘッドが仮想空間内を加工線に沿い所定角度及び所定距離に保った状態でワークに対して相対的に移動する条件において、加工ヘッドの移動状態をシミュレーションする移動状態シミュレーション部と、レーザ光を出射する加工ヘッドの移動で変化するワークを含む領域の温度分布を求める非定常熱流体シミュレーションを実施する熱流体シミュレーション部と、それらの結果に基づいて、レーザ加工前に加工ヘッドの相対的移動条件とレーザ光出力条件を含むレーザ加工条件を設定する加工条件設定部とを備える。【選択図】図１
2020069492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも熱伝導率と比熱と密度とを含む熱物性が定義された材質情報を含むワークの三次元ＣＡＤデータと、少なくとも加工ヘッドの外形形状と前記加工ヘッドから出射されるレーザ光の光軸の前記加工ヘッドの前記外形形状に対する相対位置の情報を含む前記加工ヘッドの三次元ＣＡＤデータと、を使用して、仮想空間内において、前記ワークの前記三次元ＣＡＤデータによって定義される前記ワークの加工表面と前記加工ヘッドの前記光軸との交点を加工点として、前記加工ヘッドが、前記仮想空間内を、前記ワークに対して相対的に移動した時の前記加工点の軌跡として設定された加工線に沿って、前記加工ヘッドの前記光軸が前記加工点を通る前記加工表面に垂直な法線と前記加工線とに対して所定の角度を保ち、かつ、前記加工ヘッドのレーザ光出射側端面と前記加工点との間の距離を所定の距離に保った状態で、前記ワークに対して相対的に移動する条件において、少なくとも前記加工ヘッドの前記ワークに対する相対的位置や相対的移動速度の時間変化の状態を含む前記加工ヘッドの移動状態をシミュレーションする移動状態シミュレーション部と、
レーザ光を出射している前記加工ヘッドの移動によって変化する少なくとも前記ワークの一部を含む領域の温度分布を求めるための非定常熱流体シミュレーションを実施する熱流体シミュレーション部と、
前記移動状態シミュレーション部と前記熱流体シミュレーション部とによるシミュレーション結果に基づいて、実際のレーザ加工前に、少なくとも前記加工ヘッドの相対的移動条件とレーザ光出力条件を含むレーザ加工条件とを予め設定する加工条件設定部と、
を備える、加工条件設定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の加工条件設定装置と、
少なくとも一つのレーザ発振器と、前記レーザ発振器にレーザ発振のための電力を供給する電源部と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を前記加工ヘッドに伝播するためのレーザ光学系と、前記レーザ光学系を伝搬する前記レーザ発振器からのレーザ出力光と前記レーザ光学系を前記レーザ出力光と反対方向に伝播する戻り光との少なくとも一方の光を検出可能な少なくとも一つの光検出手段と、少なくとも前記加工条件設定部と前記光検出手段とからの出力信号を受け取り、少なくとも前記電源部への電力出力指令を含む制御信号を出力する制御部と、を有するレーザ装置と、
前記制御部からの制御信号を受け取り、前記ワークに対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる駆動装置と、
を備える、三次元レーザ加工システム。
【請求項３】
前記戻り光を検出可能な前記光検出手段を少なくとも一つ備えており、
前記光検出手段によって検出された前記戻り光の検出結果から、前記制御部が前記戻り光の光量を抑制する必要があると判定した場合に、前記加工条件設定部によって予め設定されたレーザ加工条件を少なくとも一時的に変更して、前記レーザ光出力条件と前記加工ヘッドの前記ワークに対する前記相対的移動速度との両方のレーザ加工条件を変更して、前記加工点の温度あるいは前記加工点の近傍の前記ワークの温度が、目標温度に近い温度に維持できる条件を満たすように、前記制御部から前記電源部と前記駆動装置とに前記制御信号を出力する、請求項２に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項４】
更に、前記加工ヘッドの前記レーザ光出射側端面と前記加工点との間の距離を測定可能な測距手段を備え、
前記制御部は、実際にレーザ加工を行っている時に、前記測距手段による測定結果に基づいて、前記加工ヘッド移動シミュレーションの結果に基づいて予め設定した前記レーザ加工条件のうちの少なくとも前記加工ヘッドの前記相対的移動条件を補正する機能を有する、請求項２又は３に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項５】
更に、レーザ加工時に前記加工線に沿って移動する前記加工点の温度と前記加工点の近傍の前記ワークの表面温度との少なくとも一方の温度を検出可能な温度検出手段を備え、
前記制御部は、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件で前記ワークをレーザ加工中のある時点で、前記温度検出手段によって検出された検出温度と、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記ある時点に対応した時点の対応する位置に対して予測された予測温度と、の間に温度差が生じた場合には、前記温度差に応じて、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、
前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項６】
前記熱流体シミュレーション部は、前記ワークに対する前記加工ヘッドからのレーザ光の照射効果を、前記ワークへの入熱による前記ワークの温度上昇だけとして、前記ワークが相遷移しないという仮定に基づいて、前記非定常熱流体シミュレーションを実施する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項７】
前記加工条件設定装置は、前記加工線のうちの少なくとも一部の加工区間については、前記加工ヘッドが前記ワークに対して相対的に移動している前記相対的移動速度に関わらず、前記加工点の温度と前記加工点の近傍の温度との少なくとも一方の温度が所定温度になるというシミュレーション結果が得られるレーザ加工条件を設定する、請求項６に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項８】
前記熱流体シミュレーション部には、前記加工条件設定部によって設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記加工点あるいは前記加工点の近傍の温度と、前記レーザ加工条件で実際にレーザ加工を行った時に測定された対応する位置の温度と、の相関関係を表す相関データが記録されており、
前記熱流体シミュレーション部は、前記相関データを参照して、実際のレーザ加工において目標とする前記所定温度に対して、前記非定常熱流体シミュレーションにおいて目標とする置換所定温度を決定して、前記非定常熱流体シミュレーションを実施する、請求項７に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項９】
前記加工条件設定装置は、更に、加工条件記録部を備え、
前記加工条件記録部には、レーザ加工の種類毎に、少なくとも板状ワークの材質と厚さとを含むワーク条件に対して、少なくともレーザ光出力と、加工点の前記板状ワークに対する前記相対的移動速度と、前記加工ヘッドの前記レーザ光出射側端面と前記加工点との間の距離と、をレーザ加工条件として含む実質的に最適な既得最適レーザ加工条件が記録されており、
前記加工条件設定部は、前記ワークに設定された前記加工線のうち、前記加工線が直線状であり、前記加工線に沿った前記ワークの肉厚が一定である区間のうちの少なくとも一部の特定区間については、前記加工条件記録部に記録されている前記既得最適レーザ加工条件からワーク条件が一致するか略一致する略最適レーザ加工条件に設定し、前記特定区間以外の前記加工線の区間のうち、少なくとも前記特定区間に隣接した加工線の区間の少なくとも一部分の区間については、前記特定区間について設定した前記略最適レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果として得られた前記加工点あるいは前記加工点の近傍の温度を前記所定温度として、前記非定常熱流体シミュレーションによって求まる前記加工点あるいは前記加工点の近傍の温度が前記特定区間と同じ前記所定温度になるレーザ加工条件に設定する、請求項７に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項１０】
更に、レーザ加工時に前記加工線に沿って移動する前記加工点の温度と前記加工点の近傍の前記ワークの表面温度との少なくとも一方の温度を検出可能な温度検出手段を備え、
前記制御部は、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件で前記ワークをレーザ加工中のある時点で、前記温度検出手段によって検出された検出温度と、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記ある時点に対応した時点の対応する位置に対して予測された予測温度と、の間に温度差が生じた場合には、前記温度差に応じて、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、
前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続する、請求項６〜９のいずれか１項に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項１１】
更に、温度検出手段と、第１機械学習装置と、を備え、
前記温度検出手段は、レーザ加工時に前記加工線に沿って移動する前記加工点の温度と前記加工点の近傍の前記ワークの表面温度との少なくとも一方の温度を検出可能であり、
前記第１機械学習装置は、
少なくとも、前記加工条件設定部によって設定された前記レーザ加工条件と、設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果を含む前記三次元レーザ加工システムの状態データと、が入力データとして入力される第１状態観測部と、
前記温度検出手段によって検出された前記温度の時間変化データを正解データであるラベルとして取得するラベル取得部と、
前記入力データと前記ラベルとのペアが多数入力されることによって、前記入力データと前記ラベルとの関係を学習する第１学習部と、を有し、
前記第１学習部は、学習結果を用いて、新たに入力された入力データに対して、前記温度検出手段によって検出される前記温度の時間変化データを予測し、
前記加工条件設定装置は、前記第１学習部が予測した前記温度の時間変化データを参照して、前記レーザ加工条件を修正する、請求項６に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項１２】
前記制御部は、前記第１学習部が予測した前記温度の前記時間変化データを参照して、前記加工条件設定装置によって修正された前記レーザ加工条件で前記ワークをレーザ加工中のある時点で、前記温度検出手段によって検出された検出温度と、修正された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記ある時点に対応した時点の対応する位置に対して予測された予測温度と、の温度差が所定温度差より大きくなると、前記温度差に応じて、前記加工条件設定装置によって修正された前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、
前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続する、請求項１１に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項１３】
更に、上位コンピュータと、上位ネットワークと、下位ネットワークと、を備え、
前記第１機械学習装置と複数の前記レーザ装置とが前記下位ネットワークを介して接続されることにより製造セルを構成しており、
複数の前記製造セルと前記上位コンピュータとが前記上位ネットワークを介して接続され、
前記上位コンピュータは、前記加工条件設定装置のうちの少なくとも前記熱流体シミュレーション部として機能し、
少なくとも前記熱流体シミュレーション部による前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション条件である前記レーザ加工条件と、少なくとも前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション結果の一部である前記温度検出手段で検出されると予測される温度の時間変化データとが、前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを経由して、前記第１機械学習装置の前記第１状態観測部に入力され、
前記温度検出手段によって検出された前記温度の時間変化データが、前記下位ネットワークを経由して前記第１機械学習装置の前記ラベル取得部に入力され、
前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを介して複数の前記第１学習部間で前記学習モデルが共有される、請求項１１又は１２に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項１４】
更に、少なくとも一つ以上のインライン画像モニタリング装置と、第２機械学習装置と、を備え、
前記インライン画像モニタリング装置は、前記ワークのレーザ加工中の部分とレーザ加工直後の部分との少なくともいずれかの部分の前記ワークの表面あるいは前記ワークの内部の二次元的形状あるいは三次元的形状を表す画像データを取得可能であり、
前記第２機械学習装置は、
少なくとも、前記加工条件設定部によって設定された前記レーザ加工条件と、設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果として前記画像データに対応する前記ワークの形状データを含む、前記三次元レーザ加工システムの内外の状態を観測して状態データとして出力する第２状態観測部と、
前記インライン画像モニタリング装置によって得られた時系列的な画像データを取得して、予め記録しておいた評価点が付いたサンプル画像データとの比較結果を判定データとして出力する判定データ取得部と、
前記第２状態観測部と前記判定データ取得部からの出力を受け取る第２学習部と、
前記第２学習部の学習結果である価値関数をもとに、前記第２学習部から出力されるレーザ加工条件を決定する意志決定部と、を有し、
更に、前記第２学習部は、
前記判定データから報酬を計算する報酬計算部と、
前記報酬をもとに前記価値関数を逐次更新する価値関数更新部と、を有し、
前記第２学習部は、前記意志決定部から出力されたレーザ加工条件を、前記第２状態観測部から入力された前記状態データと前記判定データ取得部から入力された前記判定データとに関連付けて、前記判定データをもとに各状態における最適なレーザ加工条件を試行錯誤的に学習する、請求項２〜４のいずれか１項に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項１５】
前記制御部は、前記第２機械学習装置から出力された前記レーザ加工条件で、前記ワークをレーザ加工中に、前記判定データ取得部が、前記インライン画像モニタリング装置で撮像された前記画像データと評価点が付いた前記サンプル画像データとを比較して、前記インライン画像モニタリング装置で撮像された前記画像データの評価点が所定点より低いという判定データを出力すると、前記第２機械学習装置から出力された元の前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、
前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続する、請求項１４に記載の三次元レーザ加工システム。
【請求項１６】
更に、上位コンピュータと、上位ネットワークと、下位ネットワークと、を備え、
前記第２機械学習装置と複数の前記レーザ装置とが前記下位ネットワークを介して接続されることにより製造セルを構成しており、
複数の前記製造セルと前記上位コンピュータとが前記上位ネットワークを介して接続され、
前記上位コンピュータは、前記加工条件設定装置のうちの少なくとも前記熱流体シミュレーション部として機能し、
少なくとも前記熱流体シミュレーション部による前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション条件である前記レーザ加工条件と、少なくとも前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション結果の一部である前記画像データに対応する前記ワークの前記形状データとが、前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを経由して、前記第２機械学習装置の前記第２状態観測部に入力され、
前記インライン画像モニタリング装置によって撮像された前記画像データが、前記下位ネットワークを経由して前記第２機械学習装置の前記判定データ取得部に入力され、
前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを介して複数の前記第２学習部間で前記価値関数が共有される、請求項１４又は１５に記載の三次元レーザ加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工条件設定装置及び三次元レーザ加工システムに関する。詳しくは、三次元形状を備えた被加工対象物（ワーク）に対して、熔接や切断等の加工を行うためのレーザ加工システムにおいて、ワークに対する加工ヘッドの相対的移動条件と、ワークに対する加工ヘッドの相対的移動と連動した少なくともレーザ光出力条件と、を含むレーザ加工条件をレーザ加工前に設定する加工条件設定装置、及び、設定したレーザ加工条件に基づいてレーザ加工を行う三次元レーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
三次元形状を備えたワークにレーザ加工を行う場合は、ワークの加工表面に対して、例えばロボットハンドに把持された加工ヘッドの先端を所定の距離（ギャップ）に保つと共に、加工ヘッドの姿勢を変えて、加工ヘッドの軸を所定の角度に保つ必要がある。このようなレーザ加工を行う場合、当初は加工ヘッドを実際に移動しながらティーチングを行う等の方法が採られてきたが、条件設定に非常に多くの工数を要する。そのため、ワークやレーザ加工機のＣＡＤデータを利用して動作シミュレーションを行うことにより、動作プログラムを設定することも行われるようになった。
【０００３】
しかし、三次元形状を備えたワークにレーザ加工を行う場合は、加工ヘッドの姿勢変化も含めて、ワークに対する加工ヘッドの相対的移動速度は様々に変化し、ワークの加工表面上の加工点の移動速度も様々に変化する。ワークの加工表面上の加工点の移動速度が変化すれば、レーザ光出力等も連動して変化させないと適切な加工結果が得られなくなることは明らかである。更に、三次元形状を備えたワークにおいては、加工点によってワークの肉厚等も変化する。即ち、ワークの肉厚の厚い部分では、ワーク自身の熱伝導によりレーザ光照射によって入熱した熱が拡散して放熱されるので加工点の温度が低下し易い等という熱特性条件もレーザ加工結果に影響を与える。そのため、ワークに対する加工ヘッドの相対的移動条件とワークの肉厚やワークの熱伝導率等の熱特性条件とを考慮して、レーザ光出力を含む適切なレーザ加工条件を求めることは容易ではない。この場合は、何度か試加工を行って加工データを蓄積してから本加工を行うといったことが必要になり、特に少量多品種のワークに対して効率的にレーザ加工が行えないという問題があった。
【０００４】
従来、三次元形状を備えたワークに対してレーザ加工を行う三次元レーザ加工システムに関連した技術については、既に種々の技術が報告されている。
例えば、特許文献１には、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直角座標系とα、β軸の姿勢軸とで制御される加工ヘッドの先端に、ノズルを光軸方向に移動自在に設け、このノズル先端とワークとの間のギャップ量を検出するギャップセンサにより、上記ギャップ量を一定に保持するようにノズルの移動量を制御するギャップコントロール手段を設けた三次元レーザ加工機において、加工ヘッドのノズル先端をワーク表面の教示点に対しほぼ法線方向に向けるように位置決めし、この時のＸ、Ｙ、Ｚの座標データおよびα、βの姿勢データを基に、上記教示点を囲む教示点付近の３点を算出して、加工ヘッドをその３点に順次移動させ、このときのノズルとワークとの間の距離を一定に保つ位置で、教示点付近のワーク表面における３点の座標を検出し、この３点で形成される平面に対する法線ベクトルを求め、この法線ベクトルにノズル姿勢を一致させるように加工ヘッドの姿勢データを演算し、この姿勢データに基づいて加工ヘッドを上記教示点において姿勢制御することを特徴とする三次元レーザ加工機における法線検出方法が開示されている。
【０００５】
特許文献２には、三次元方向に相対的に移動自在且つ所望の熔接姿勢が可能なレーザ加工ヘッドによりワークに三次元レーザ加工を行うに先立って行われるＹＡＧレーザ加工機のティーチング方法（教示方法）において、前記レーザ加工ヘッドに設けられた撮像手段により前記ワークを少なくともＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向から撮影し、前記ワークの三次元図形を作成し、この三次元図形に大まかなティーチングポイントおよび熔接姿勢を入力し、前記三次元図形および前記熔接姿勢からマスタＪＯＢを作成し、前記各ティーチングポイントにおける詳細データにより前記マスタＪＯＢを補正する補正ＪＯＢを作成すること、を特徴とするＹＡＧレーザ加工機のティーチング方法が開示されている。
【０００６】
特許文献３には、互に直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動可能なＺ軸コラムに設けた検出ヘッドを、Ｚ軸と平行なＡ軸回りに回転自在かつ当該Ａ軸に対して直交するＢ軸回りに回転自在に設け、上記検出ヘッドは、当該検出ヘッドの軸心を通過してワークへ照射されたレーザ光の反射光を受光する複数の光位置検出器を、受光平面に対称配置関係に備えた構成である３次元レーザ加工機のティーチング方法において、ＣＡＤデータからのＸ軸、Ｙ軸データによってＸ軸、Ｙ軸のティーチングポイントを指定して、そのティーチングポイントに前記検出ヘッドを移動せしめると共に、このティーチングポイントにおいて前記検出ヘッドの軸心を通過してワークへ照射されたレーザ光の反射光を前記複数の光位置検出器によって検出し、この複数の光位置検出器の検出値に基いてワークと検出ヘッドとの間の距離、ワークの表面に対する検出ヘッドの傾きを演算し、上記距離及び傾きがそれぞれ予め設定されている最適設定値となるように前記検出ヘッドの姿勢を制御してＺ、Ａ、Ｂ軸の各座標データを演算し、ティーチングポイントのＸ軸、Ｙ軸データ及び演算されたＺ、Ａ、Ｂ軸データに基いて加工軌跡の加工プログラムを生成することを特徴とする３次元レーザ加工機用ティーチング方法が開示されている。
【０００７】
特許文献４には、三次元レーザ加工機と、作業対象物体に対応するデータを蓄積し、グラフッィクディスプレイ上に表示し、更に作成された動作プログラムにより上記三次元レーザ加工機及び作業対象物体の動作のシミュレーションを行なうＣＡＤシステムと、上記ＣＡＤシステムで作成された動作プログラムを所望のＮＣ言語の文法に従ったプログラムに変換する手段と、上記ＣＡＤシステム上の作業対象物体の位置・姿勢データと、実際の作業対象物体の位置、姿勢との間のずれを補正する手段と、を備えたシステムに用いられ、上記ＣＡＤシステム上の作業対象物体情報に基づいてレーザの焦点が滑らかに移動していく円弧動作データを作成することを特徴とする三次元レーザ加工機のオフライン教示方法が開示されている。
【０００８】
特許文献５には、三次元レーザ加工システムではなく、板金加工統合支援システムであるが、工作機に対する制御用データである加工情報および該加工情報に関連する加工支援情報を含む板金加工情報の管理を行う板金加工統合支援システムであって、加工側における実加工の際の実加工情報および／または該実加工情報の基礎とされた固有属性情報を収集し、収集された前記実加工情報および前記固有属性情報を前記板金加工情報に帰還することを特徴とする板金加工統合支援システムが開示されている。
【０００９】
特許文献６には、ロボットの動きに沿ってレーザ光を照射し、３次元形状のワークの加工を施すレーザ加工方法において、前記ワークの加工個所での前記ロボットの軌跡速度を事前に、或いはリアルタイムに計測し、前記軌跡速度に合わせてレーザ光の出力を制御することを特徴とするレーザ加工方法が開示されている。また、ここには、具体的なレーザ光の出力を制御する方法として、樹脂製構造体の表面に設定された照射軌跡に沿ってレーザ光を照射し、樹脂製構造体を部分的に溶融させ、その後再度硬化させる樹脂製構造体の製造方法において、照射軌跡に沿った前記レーザ光の軌跡速度に応じて前記レーザ光の出力を比例的に制御することを特徴とする樹脂製構造体の製造方法も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−３００１７１号公報
【特許文献２】特開２０００−１１７４６６号公報
【特許文献３】特開平２−１０４４９０号公報
【特許文献４】特開平５−８０８３１号公報
【特許文献５】特開２００１−２１９３４１号公報
【特許文献６】特開２００５−３２９４３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１〜６に記載の技術では以下の問題がある。
即ち、特許文献１に記載の技術では、加工ヘッドのノズル先端をワーク表面の教示点に対し略法線方向に向けるように位置決めする等、実際に加工ヘッドを移動させて教示を行っている。そのため、教示に非常に工数を要するという問題がある。
【００１２】
特許文献２に記載の技術では、撮像手段により撮影したワークの三次元図形を利用してマスタＪＯＢを作成している。しかし、各ティーチングポイントにおける詳細データによりマスタＪＯＢを補正しているため、教示にかなりの工数を要するという問題がやはり存在する。
【００１３】
特許文献３に記載の技術では、ＣＡＤデータを使用しているが、ティーチングポイントの指定に使用しているだけである。この技術では、そのティーチングポイントに検出ヘッドを移動して、検出ヘッドの軸心を通過してワークへ照射されたレーザ光の反射光を複数の光位置検出器によって検出して、ワークと検出ヘッドとの距離やワーク表面に対する検出ヘッドの傾きを演算して加工軌跡の加工プログラムを生成している。そのため、やはり教示にかなりの工数を要するという問題が残っている。
【００１４】
特許文献４に記載の技術では、ＣＡＤシステムで三次元レーザ加工機及び作業対象物体の動作のシミュレーションを行なっており、ＣＡＤシステム上の作業対象物体の位置・姿勢データと、実際の作業対象物体の位置、姿勢との間のずれの補正も行っている。この技術によれば、教示に要する時間の短縮は可能と思われるが、熱流体シミュレーション等を行っておらず、レーザ光出力等を適切に設定するには試行錯誤が必要である。そのため、レーザ加工条件全体の設定に工数を要するという問題は依然残っている。
【００１５】
特許文献５に記載の技術は、加工シミュレーションに言及している。しかし、この技術は、曲げ加工を主とする板金加工が対象であり、前加工として記述されているレーザ加工において、加工点によってワークの厚さ等が変化して放熱特性が変化するという問題がないこともあり、加工シミュレーションにおいて熱流体シミュレーションに言及していない。そのため、特許文献５は、三次元レーザ加工システムで問題になる、ワークに対する加工ヘッドの相対的移動条件とワークの肉厚等の熱特性条件とを考慮してレーザ光出力を含む適切なレーザ加工条件を求めることは容易ではないという前述の課題に対する解決策を開示していない。
【００１６】
特許文献６に記載の技術では、前述のように、ワークの肉厚等の熱特性条件を考慮してレーザ光出力を設定する必要があり、レーザ光の軌跡速度に応じて前記レーザ光の出力を比例的に制御するだけでは適切な加工結果を得るためには不十分である。
【００１７】
以上のように、三次元形状のワークに対する熔接や切断などの三次元レーザ加工においては、適切なレーザ加工を行うことが可能な条件範囲内で、加工時間短縮のために、ワークの加工面におけるレーザ光の照射スポットである加工点をできるだけ高速で移動する加工条件を選択することが望ましい一方、ワークの加工面に対する加工ヘッドの移動姿勢や移動方向を変える必要がある。加工ヘッドの移動姿勢や移動方向を急に変える場合は、加工ヘッドの移動速度を減速することが不可欠であるため、ワークの加工面における加工点の移動速度も一定でなく、変化させざるを得ない。ワークの加工面における加工点の移動速度が変化すると、良好な加工結果が得られるレーザ光出力等も変わってくる。更に、ワークの肉厚が変わると、ワーク自身の熱伝導等によって、同じレーザ光パワーで加工点を照射しても、加工点の温度は変化するので、やはり良好な加工結果が得られるレーザ光出力等も変わってくる。
【００１８】
ギャップセンサでワーク表面と加工ヘッドの相対的位置関係を検出して、検出結果をフィードバックし、ワーク表面と加工ヘッドとの距離やワーク表面に対する加工ヘッドの姿勢を制御したり、赤外センサ等で加工点の温度を検出して、検出結果をフィードバックし、レーザ光出力を制御したりすることも考えられる。しかし、ワークの加工面上の加工点の移動速度が速く、かつ移動速度が変化する場合は、通常のフィードバック制御では、制御の遅れが発生して良好な加工結果が得られないという問題が発生する。
【００１９】
そこで、本発明の課題は、以上のような状況を鑑み、三次元形状を備えたワークの加工面に対して、所定の角度と所定のギャップを保った状態で、ワークに対して相対的に移動する加工ヘッドの移動条件と、加工ヘッドの移動における速度変化に伴うワーク表面上の加工点の移動速度の変化と、ワークの肉厚等の加工点の移動に伴う加工点の熱特性条件の変化に伴って変化する良好な加工結果を得るための加工条件の変化と、を考慮したレーザ光出力条件を含む最適なレーザ加工条件を設定可能な加工条件設定装置及び三次元レーザ加工システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、熱伝導率と比熱と密度等の熱物性が定義されたワークの三次元ＣＡＤデータと加工ヘッドの外形の三次元ＣＡＤデータとを使用して、加工ヘッドが、ワークの三次元ＣＡＤデータで設定された加工線に沿って、ワークの加工面に対して所定の角度と所定のギャップを保った状態でワークに対して相対的に移動する加工ヘッド移動シミュレーションと、加工ヘッドの移動に連動したワークを含む領域の温度分布の変化を算出する非定常熱流体シミュレーションとを実施して、両シミュレーションの結果に基づいて、実際のレーザ加工前に時系列的な一連のレーザ加工条件を予め設定するものである。
【００２１】
即ち、本発明は、上記課題を解決するために以下の手段を有する。
（１）  本発明に係る加工条件設定装置（例えば、後述の加工条件設定装置４）は、少なくとも熱伝導率と比熱と密度とを含む熱物性が定義された材質情報を含むワーク（例えば、後述のワーク８）の三次元ＣＡＤデータと、少なくとも加工ヘッド（例えば、後述の加工ヘッド９）の外形形状と前記加工ヘッドから出射されるレーザ光の光軸の前記加工ヘッドの前記外形形状に対する相対位置の情報を含む前記加工ヘッドの三次元ＣＡＤデータと、を使用して、仮想空間内において、前記ワークの前記三次元ＣＡＤデータによって定義される前記ワークの加工表面と前記加工ヘッドの前記光軸との交点を加工点として、前記加工ヘッドが、前記仮想空間内を、前記ワークに対して相対的に移動した時の前記加工点の軌跡として設定された加工線に沿って、前記加工ヘッドの前記光軸が前記加工点を通る前記加工表面に垂直な法線と前記加工線とに対して所定の角度を保ち、かつ、前記加工ヘッドのレーザ光出射側端面と前記加工点との間の距離を所定の距離に保った状態で、前記ワークに対して相対的に移動する条件において、少なくとも前記加工ヘッドの前記ワークに対する相対的位置や相対的移動速度の時間変化の状態を含む前記加工ヘッドの移動状態をシミュレーションする移動状態シミュレーション部（例えば、後述の移動状態シミュレーション部１６）と、レーザ光を出射している前記加工ヘッドの移動によって変化する少なくとも前記ワークの一部を含む領域の温度分布を求めるための非定常熱流体シミュレーションを実施する熱流体シミュレーション部（例えば、後述の熱流体シミュレーション部１７）と、前記移動状態シミュレーション部と前記熱流体シミュレーション部とによるシミュレーション結果に基づいて、実際のレーザ加工前に、少なくとも前記加工ヘッドの相対的移動条件とレーザ光出力条件を含むレーザ加工条件とを予め設定する加工条件設定部（例えば、後述の加工条件設定部１８）と、を備える。
【００２２】
上記（１）に記載の構成によれば、三次元形状を備えたワークの加工面に対して、所定の角度と所定のギャップを保った状態で、ワークに対して相対的に移動する加工ヘッドの移動条件と、加工ヘッドの移動における速度変化に伴うワーク表面上の加工点の移動速度の変化と、ワークの肉厚等の加工点の移動に伴う加工点の熱特性条件の変化に伴って変化する良好な加工結果を得るための加工条件の変化と、を考慮したレーザ光出力条件を含む最適なレーザ加工条件を設定可能な加工条件設定装置を提供できる。即ち、物性が定義された材質情報を含むＣＡＤデータに基づいて、自動的に、加工ヘッドの位置や姿勢の速度変化を含む加工ヘッド移動条件と、レーザ出力条件を含むレーザ加工条件との両方を予め設定でき、フィードバック制御のような制御遅れによる加工不良の発生を防止することができる。目標とする非定常熱流体シミュレーション結果になるように、レーザ出力条件等を変えて繰り返し非定常熱流体シミュレーションを行うことが必要であり、非定常熱流体シミュレーションは通常時間を要するが、人間が介在せずに自動的に予め行うことができるので工数は発生しない。
【００２３】
（２）  本発明に係る三次元レーザ加工システム（例えば、後述の三次元レーザ加工システム１、１００、２００、３００、４００、５００）は、（１）に記載の加工条件設定装置（例えば、後述の加工条件設定装置４）と、少なくとも一つのレーザ発振器（例えば、後述のレーザ発振器５）と、前記レーザ発振器にレーザ発振のための電力を供給する電源部（例えば、後述の電源部６）と、前記レーザ発振器から出射されたレーザ光を前記加工ヘッドに伝播するためのレーザ光学系（例えば、後述のレーザ光学系１０）と、前記レーザ光学系を伝搬する前記レーザ発振器からのレーザ出力光と前記レーザ光学系を前記レーザ出力光と反対方向に伝播する戻り光との少なくとも一方の光を検出可能な少なくとも一つの光検出手段（例えば、後述の光検出手段１１）と、少なくとも前記加工条件設定部と前記光検出手段とからの出力信号を受け取り、少なくとも前記電源部への電力出力指令を含む制御信号を出力する制御部（例えば、後述の制御部１２）と、を有するレーザ装置（例えば、後述のレーザ装置２）と、前記制御部からの制御信号を受け取り、前記ワークに対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる駆動装置（例えば、後述の駆動装置３）と、を備える。
【００２４】
上記（２）に記載の構成によれば、三次元形状を備えたワークの加工面に対して、所定の角度と所定のギャップを保った状態で、ワークに対して相対的に移動する加工ヘッドの移動条件と、加工ヘッドの移動における速度変化に伴うワーク表面上の加工点の移動速度の変化と、ワークの肉厚等の加工点の移動に伴う加工点の熱特性条件の変化に伴って変化する良好な加工結果を得るための加工条件の変化と、を考慮したレーザ光出力条件を含む最適なレーザ加工条件を設定可能な三次元レーザ加工システムを提供できる。即ち、物性が定義された材質情報を含むＣＡＤデータに基づいて、自動的に、加工ヘッドの位置や姿勢の速度変化を含む加工ヘッド移動条件と、レーザ出力条件を含むレーザ加工条件との両方を予め設定でき、フィードバック制御のような制御遅れによる加工不良の発生を防止することができる。目標とする非定常熱流体シミュレーション結果になるように、レーザ出力条件等を変えて繰り返し非定常熱流体シミュレーションを行うことが必要であり、非定常熱流体シミュレーションは通常時間を要するが、人間が介在せずに自動的に予め行うことができるので工数は発生しない。
【００２５】
（３）  （２）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、前記戻り光を検出可能な前記光検出手段を少なくとも一つ備えており、前記光検出手段によって検出された前記戻り光の検出結果から、前記制御部が前記戻り光の光量を抑制する必要があると判定した場合に、前記加工条件設定部によって予め設定されたレーザ加工条件を少なくとも一時的に変更して、前記レーザ光出力条件と前記加工ヘッドの前記ワークに対する前記相対的移動速度との両方のレーザ加工条件を変更して、前記加工点の温度あるいは前記加工点の近傍の前記ワークの温度が、目標温度に近い温度に維持できる条件を満たすように、前記制御部から前記電源部と前記駆動装置とに前記制御信号を出力するものでもよい。
【００２６】
上記（３）に記載の構成によれば、例えば、レーザ光出力を下げると同時に加工ヘッドの相対的移動速度も下げる等の方法で、加工点の温度や加工点の近傍のワークの温度を目標温度に近い温度に維持することによって、戻り光によるレーザ光学系やレーザ発振器の損傷を防止しながら、加工不良の発生確率を低減できる。
【００２７】
（４）  （２）又は（３）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、更に、前記加工ヘッドの前記レーザ光出射側端面と前記加工点との間の距離を測定可能な測距手段（例えば、後述の測距手段２５）を備え、前記制御部は、実際にレーザ加工を行っている時に、前記測距手段による測定結果に基づいて、前記加工ヘッド移動シミュレーションの結果に基づいて予め設定した前記レーザ加工条件のうちの少なくとも前記加工ヘッドの前記相対的移動条件を補正する機能を有するものでもよい。
【００２８】
上記（４）に記載の構成によれば、予め設定した加工ヘッドの移動条件で実際にレーザ加工を行った場合、ワークの形状精度、ワークの保持精度、ワークの熱変形等によるワークの三次元ＣＡＤデータと実際のワークとの形状や位置の僅かな差異によって生じる加工ヘッドのレーザ光出射側端面と加工点の間との距離の所定の距離からのずれを補正できる。僅かな差異の補正なので補正遅れによる加工不良は発生しにくい。
【００２９】
（５）  （２）〜（４）のいずれかに記載の三次元レーザ加工システムにおいて、更に、レーザ加工時に前記加工線に沿って移動する前記加工点の温度と前記加工点の近傍の前記ワークの表面温度との少なくとも一方の温度を検出可能な温度検出手段（例えば、後述の温度検出手段２６）を備え、前記制御部は、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件で前記ワークをレーザ加工中のある時点で、前記温度検出手段によって検出された検出温度と、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記ある時点に対応した時点の対応する位置に対して予測された予測温度と、の間に温度差が生じた場合には、前記温度差に応じて、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続するようにしてもよい。
【００３０】
上記（５）に記載の構成によれば、非定常熱流体シミュレーションの誤差等によって、予め設定したレーザ加工条件では、加工点や加工点の近傍の温度が目標温度からずれている場合に、温度のずれを低減でき、レーザ加工品質を安定させることができる。
【００３１】
（６）  （２）〜（４）のいずれかに記載の三次元レーザ加工システムにおいて、前記熱流体シミュレーション部は、前記ワークに対する前記加工ヘッドからのレーザ光の照射効果を、前記ワークへの入熱による前記ワークの温度上昇だけとして、前記ワークが相遷移しないという仮定に基づいて、前記非定常熱流体シミュレーションを実施するようにしてもよい。
【００３２】
上記（６）に記載の構成によれば、レーザ加工時においては、ワークの加工点では、ワークの温度が上昇して、ワークが固体から液体や気体、あるいは更に電離した気体に相当するプラズマに相遷移するが、熔融部における液相の流れやプラズマの発生等を考慮した厳密な非定常熱流体シミュレーションは非常に計算負荷が大きいので、ワークが相遷移しないと仮定した非定常熱流体シミュレーションに置換えることで比較的容易にシミュレーション結果が得られるようになる。
【００３３】
（７）  （６）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、前記加工条件設定装置は、前記加工線のうちの少なくとも一部の加工区間については、前記加工ヘッドが前記ワークに対して相対的に移動している前記相対的移動速度に関わらず、前記加工点の温度と前記加工点の近傍の温度との少なくとも一方の温度が所定温度になるというシミュレーション結果が得られるレーザ加工条件を設定するようにしてもよい。
【００３４】
上記（７）に記載の構成によれば、ワークの表面が直角に曲がっており、その外側の面をレーザ加工する場合等、加工ヘッドの姿勢を変える間は加工点が移動しないよう場合でも、加工点やその近傍の温度が上昇し過ぎないようにレーザ光出力を制御するレーザ加工条件が設定できる。また、厚み等が変化しているワークに対しても加工点やその近傍の温度が一定になるように制御することができる。なお、レーザ加工中は実際には相遷移する加工点ではなく、固体の状態が維持される加工点の近傍の温度をレーザ加工条件設定の指標にすることによって、相遷移を無視することによる非定常熱流体シミュレーションの誤差を低減できる。
【００３５】
（８）  （７）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、前記熱流体シミュレーション部には、前記加工条件設定部によって設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記加工点あるいは前記加工点の近傍の温度と、前記レーザ加工条件で実際にレーザ加工を行った時に測定された対応する位置の温度と、の相関関係を表す相関データが記録されており、前記熱流体シミュレーション部は、前記相関データを参照して、実際のレーザ加工において目標とする前記所定温度に対して、前記非定常熱流体シミュレーションにおいて目標とする置換所定温度を決定して、前記非定常熱流体シミュレーションを実施するようにしてもよい。
【００３６】
上記（８）に記載の構成によれば、ワークが相遷移しないと近似した非定常熱流体シミュレーションでは、シミュレーションで算出された加工点あるいは加工点の近傍の温度と、実際のレーザ加工において対応する温度とは、ある程度の乖離は避けられない。しかし、収集した相関データを利用して、目標とする加工点あるいは加工点の近傍の温度を補正して非定常熱流体シミュレーションを行うことによって、実際のレーザ加工において、加工点あるいは加工点の近傍の温度を目標とする温度に近付けることができる。
【００３７】
（９）  （７）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、前記加工条件設定装置は、更に、加工条件記録部（例えば、後述の加工条件記録部２４）を備え、前記加工条件記録部には、レーザ加工の種類毎に、少なくとも板状ワークの材質と厚さとを含むワーク条件に対して、少なくともレーザ光出力と、加工点の前記板状ワークに対する前記相対的移動速度と、前記加工ヘッドの前記レーザ光出射側端面と前記加工点との間の距離と、をレーザ加工条件として含む実質的に最適な既得最適レーザ加工条件が記録されており、前記加工条件設定部は、前記ワークに設定された前記加工線のうち、前記加工線が直線状であり、前記加工線に沿った前記ワークの肉厚が一定である区間のうちの少なくとも一部の特定区間については、前記加工条件記録部に記録されている前記既得最適レーザ加工条件からワーク条件が一致するか略一致する略最適レーザ加工条件に設定し、前記特定区間以外の前記加工線の区間のうち、少なくとも前記特定区間に隣接した加工線の区間の少なくとも一部分の区間については、前記特定区間について設定した前記略最適レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果として得られた前記加工点あるいは前記加工点の近傍の温度を前記所定温度として、前記非定常熱流体シミュレーションによって求まる前記加工点あるいは前記加工点の近傍の温度が前記特定区間と同じ前記所定温度になるレーザ加工条件に設定するようにしてもよい。
【００３８】
上記（９）に記載の構成によれば、良好な加工結果を得るために設定する必要があるレーザ加工条件は、レーザ光出力、加工ヘッドのレーザ光出射側端面と加工点の間との距離（レーザ光の焦点とワークの加工面との位置関係）、加工ヘッドのワークに対する相対的移動速度等以外に、シールドガスやアシストガスの条件等もあり、多岐に亘るため、最適なレーザ加工条件の決定は容易ではないが、切断や熔接等のレーザ加工の種類毎に、またワークの材質毎に、ワークの肉厚が一定で、ワーク表面が平坦であるという限られたワーク条件と、かつ加工線が直線であるという限られた加工線形状条件を満たす加工線の区間については、記録しておいた略最適なレーザ加工条件を適用することで、確実に良好な加工結果を得ることができると共に、ワーク条件が近い隣接区間についても、良好な加工結果を得られる可能性の高いレーザ加工条件を容易に設定できるようになる。
【００３９】
（１０）  （６）〜（９）のいずれかに記載の三次元レーザ加工システムにおいて、更に、レーザ加工時に前記加工線に沿って移動する前記加工点の温度と前記加工点の近傍の前記ワークの表面温度との少なくとも一方の温度を検出可能な温度検出手段（例えば、後述の温度検出手段２６）を備え、前記制御部は、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件で前記ワークをレーザ加工中のある時点で、前記温度検出手段によって検出された検出温度と、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記ある時点に対応した時点の対応する位置に対して予測された予測温度と、の間に温度差が生じた場合には、前記温度差に応じて、前記加工条件設定装置によって設定された前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続するようにしてもよい。
【００４０】
上記（１０）に記載の構成によれば、非定常熱流体シミュレーションの誤差によって、予め設定したレーザ加工条件では、実際の加工点や加工点の近傍の温度が、非定常熱流体シミュレーションの結果に含まれる予測温度、言い換えれば、目標温度からずれている場合に、温度のずれを低減でき、レーザ加工品質の低下を低減できる。
【００４１】
（１１）  （６）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、更に、温度検出手段（例えば、後述の温度検出手段２６）と、第１機械学習装置（例えば、後述の第１機械学習装置２８）と、を備え、前記温度検出手段は、レーザ加工時に前記加工線に沿って移動する前記加工点の温度と前記加工点の近傍の前記ワークの表面温度との少なくとも一方の温度を検出可能であり、前記第１機械学習装置は、少なくとも、前記加工条件設定部によって設定された前記レーザ加工条件と、設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果を含む前記三次元レーザ加工システムの状態データと、が入力データとして入力される第１状態観測部（例えば、後述の第１状態観測部２９）と、前記温度検出手段によって検出された前記温度の時間変化データを正解データであるラベルとして取得するラベル取得部（例えば、後述のラベル取得部３０）と、前記入力データと前記ラベルとのペアが多数入力されることによって、前記入力データと前記ラベルとの関係を学習する第１学習部（例えば、後述の第１学習部３１）と、を有し、前記第１学習部は、学習結果を用いて、新たに入力された入力データに対して、前記温度検出手段によって検出される前記温度の時間変化データを予測し、前記加工条件設定装置は、前記第１学習部が予測した前記温度の時間変化データを参照して、前記レーザ加工条件を修正するようにしてもよい。
【００４２】
上記（１１）に記載の構成によれば、第１学習部が機械学習によって学習を進めることによって、加工条件設定装置が設定したレーザ加工条件に対して、温度検出手段によって検出される温度の時間変化データを正確に予測できるようになるので、加工条件設定装置は、温度の時間変化データが目標通りになるようにレーザ加工条件を修正でき、複雑な形状を持つようなワークに対しても、加工点や加工点の近傍の温度を目標温度に維持しながらレーザ加工を行うことが可能になる。また、レーザ加工条件とそのレーザ加工条件に対するシミュレーション結果の両方を状態データとして観測することによって、シミュレーション結果がヒントになるので、新たなレーザ加工条件に対して温度検出手段によって検出される温度の時間変化データを予測できるようになるための学習を比較的容易に進めることができる。
【００４３】
（１２）  （１１）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、前記制御部は、前記第１学習部が予測した前記温度の前記時間変化データを参照して、前記加工条件設定装置によって修正された前記レーザ加工条件で前記ワークをレーザ加工中のある時点で、前記温度検出手段によって検出された検出温度と、修正された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果に含まれている前記ある時点に対応した時点の対応する位置に対して予測された予測温度と、の温度差が所定温度差より大きくなると、前記温度差に応じて、前記加工条件設定装置によって修正された前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続するようにしてもよい。
【００４４】
上記（１２）に記載の構成によれば、第１学習部の学習が不充分であったり、第１学習部の学習が充分であっても、レーザ加工中に、レーザ装置や駆動装置の周辺状態が変化したり、ワークの表面状態がばらついていたりすると、第１学習部から入力された予測された温度の時間変化データを参照して修正した後に決定したレーザ加工条件で加工していても、温度検出手段で検出される温度が予測した温度と異なってくる可能性があるが、レーザ加工条件を補正することによって、加工不良の発生を抑制できる。
【００４５】
（１３）  （１１）又は（１２）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、更に、上位コンピュータ（例えば、後述の上位コンピュータ３４）と、上位ネットワーク（例えば、後述の上位ネットワーク３５）と、下位ネットワーク（例えば、後述の下位ネットワーク３６）と、を備え、前記第１機械学習装置と複数の前記レーザ装置とが前記下位ネットワークを介して接続されることにより製造セル（例えば、後述の製造セル３７、３７０）を構成しており、複数の前記製造セルと前記上位コンピュータとが前記上位ネットワークを介して接続され、前記上位コンピュータは、前記加工条件設定装置のうちの少なくとも前記熱流体シミュレーション部として機能し、少なくとも前記熱流体シミュレーション部による前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション条件である前記レーザ加工条件と、少なくとも前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション結果の一部である前記温度検出手段で検出されると予測される温度の時間変化データとが、前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを経由して、前記第１機械学習装置の前記第１状態観測部に入力され、前記温度検出手段によって検出された前記温度の時間変化データが、前記下位ネットワークを経由して前記第１機械学習装置の前記ラベル取得部に入力され、前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを介して複数の前記第１学習部間で前記学習モデルが共有されるようにしてもよい。
【００４６】
上記（１３）に記載の構成によれば、温度検出手段によって検出された温度の時間変化データであるラベルをリアルタイムで処理して学習を進める必要がある第１機械学習装置は、数台から数十台のレーザ装置が接続されたフォグネットワークとも言われている下位ネットワークに接続し、リアルタイム性がそれほど要求されないが計算負荷の非常に大きい非定常熱流体シミュレーションは、上位ネットワークに接続されたクラウドサーバなどの上位コンピュータで行うことによって、要求される処理のリアルタイム性と大規模処理能力を両立させることができる。
【００４７】
（１４）  （２）〜（４）のいずれかに記載の三次元レーザ加工システムにおいて、更に、少なくとも一つ以上のインライン画像モニタリング装置（例えば、後述のインライン画像モニタリング装置３８）と、第２機械学習装置（例えば、後述の第２機械学習装置３９）と、を備え、前記インライン画像モニタリング装置は、前記ワークのレーザ加工中の部分とレーザ加工直後の部分との少なくともいずれかの部分の前記ワークの表面あるいは前記ワークの内部の二次元的形状あるいは三次元的形状を表す画像データを取得可能であり、前記第２機械学習装置は、少なくとも、前記加工条件設定部によって設定された前記レーザ加工条件と、設定された前記レーザ加工条件に対する前記シミュレーション結果として前記画像データに対応する前記ワークの形状データを含む、前記三次元レーザ加工システムの内外の状態を観測して状態データとして出力する第２状態観測部（例えば、後述の第２状態観測部４０）と、前記インライン画像モニタリング装置によって得られた時系列的な画像データを取得して、予め記録しておいた評価点が付いたサンプル画像データとの比較結果を判定データとして出力する判定データ取得部（例えば、後述の判定データ取得部４１）と、前記第２状態観測部と前記判定データ取得部からの出力を受け取る第２学習部（例えば、後述の第２学習部４２）と、前記第２学習部の学習結果である価値関数をもとに、前記第２学習部から出力されるレーザ加工条件を決定する意志決定部（例えば、後述の意志決定部４３）と、を有し、更に、前記第２学習部は、前記判定データから報酬を計算する報酬計算部（例えば、後述の報酬計算部４４）と、前記報酬をもとに前記価値関数を逐次更新する価値関数更新部（例えば、後述の価値関数更新部４５）と、を有し、前記第２学習部は、前記意志決定部から出力されたレーザ加工条件を、前記第２状態観測部から入力された前記状態データと前記判定データ取得部から入力された前記判定データとに関連付けて、前記判定データをもとに各状態における最適なレーザ加工条件を試行錯誤的に学習するようにしてもよい。
【００４８】
上記（１４）に記載の構成によれば、第２学習部が機械学習によって学習を進めることによって、インライン画像モニタリング装置で撮像した時系列的な画像データが、良好なレーザ加工結果に直結する高い評価点が付いたサンプル画像データに一致するようなレーザ加工条件を出力できるようになる。また、レーザ加工条件と、そのレーザ加工条件に対するシミュレーション結果として前記画像データに対応する前記ワークの形状データと、を含む状態データを観測することによって、レーザ加工条件のどの条件を変えると、どのようにレーザ加工時あるいはレーザ加工直後のワーク形状が変化するかというシミュレーション結果がヒントになるので、各状態における最適なレーザ加工条件の学習を効率的に進めることができる。
【００４９】
（１５）  （１４）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、前記制御部は、前記第２機械学習装置から出力された前記レーザ加工条件で、前記ワークをレーザ加工中に、前記判定データ取得部が、前記インライン画像モニタリング装置で撮像された前記画像データと評価点が付いた前記サンプル画像データとを比較して、前記インライン画像モニタリング装置で撮像された前記画像データの評価点が所定点より低いという判定データを出力すると、前記第２機械学習装置から出力された元の前記レーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有し、前記レーザ装置は、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続するようにしてもよい。
【００５０】
上記（１５）に記載の構成によれば、第２学習部の学習が不充分であったり、第２学習部の学習が充分であっても、レーザ加工中に、レーザ装置や駆動装置の周辺状態が変化したり、ワークの表面状態がばらついていたりすると、第２機械学習装置から出力されたレーザ加工条件で加工中に、画像データが評価点の高いサンプル画像データから僅かに乖離してくる可能性があるが、レーザ加工条件を補正することによって、加工不良の発生を抑制できる。
【００５１】
（１６）  （１４）又は（１５）に記載の三次元レーザ加工システムにおいて、更に、上位コンピュータ（例えば、後述の上位コンピュータ３４）と、上位ネットワーク（例えば、後述の上位ネットワーク３５）と、下位ネットワーク（例えば、後述の下位ネットワーク３６）と、を備え、前記第２機械学習装置と複数の前記レーザ装置とが前記下位ネットワークを介して接続されることにより製造セル（例えば、後述の製造セル３７、３７０）を構成しており、複数の前記製造セルと前記上位コンピュータとが前記上位ネットワークを介して接続され、前記上位コンピュータは、前記加工条件設定装置のうちの少なくとも前記熱流体シミュレーション部として機能し、少なくとも前記熱流体シミュレーション部による前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション条件である前記レーザ加工条件と、少なくとも前記非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション結果の一部である前記画像データに対応する前記ワークの前記形状データとが、前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを経由して、前記第２機械学習装置の前記第２状態観測部に入力され、前記インライン画像モニタリング装置によって撮像された前記画像データが、前記下位ネットワークを経由して前記第２機械学習装置の前記判定データ取得部に入力され、前記上位ネットワークと前記下位ネットワークとを介して複数の前記第２学習部間で前記価値関数が共有されるようにしてもよい。
【００５２】
上記（１６）に記載の構成によれば、インライン画像モニタリング装置によって得られた時系列的な画像データと評価点が付いたサンプル画像データとの比較をリアルタイムに行い、その判定結果を判定データとして第２学習部に出力し、第２学習部はリアルタイムで判定データから報酬を計算して価値関数を更新して学習を進める必要がある第２機械学習装置は、数台から数十台のレーザ装置が接続されたフォグネットワークとも言われている下位ネットワークに接続し、リアルタイム性がそれほど要求されないが計算負荷の非常に大きい非定常熱流体シミュレーションは、上位ネットワークに接続されたクラウドサーバなどの上位コンピュータで行うことによって、要求される処理のリアルタイム性と大規模処理能力を両立させることができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、三次元形状を備えたワークの加工面に対して所定の角度と所定のギャップを保った状態でワークに対して相対的に移動する加工ヘッドの移動条件と、加工ヘッドの移動における速度変化に伴うワーク表面上の加工点の移動速度の変化と、ワークの肉厚等の加工点の移動に伴う加工点の熱特性条件の変化に伴って変化する良好な加工結果を得るための加工条件の変化と、を考慮したレーザ光出力条件を含む最適なレーザ加工条件を設定可能な加工条件設定装置及び三次元レーザ加工システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおける移動状態シミュレーション結果を加工ヘッドの動きで模擬的に表した例を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおける移動状態シミュレーション結果を加工点の移動速度の時間変化で表した例を示すグラフである。
【図４】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおける非定常熱流体シミュレーション結果をレーザ光出力の時間変化で表した例を示すグラフである。
【図５】ワークに照射されるレーザ光の入射エネルギー密度の空間的な分布例を示すグラフである。
【図６】ワークに照射されるレーザ光の入射エネルギー密度の空間的な他の分布例を示すグラフである。
【図７】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおける移動状態シミュレーション結果を加工ヘッドの動きで模擬的に表した他の例を示す図である。
【図８】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおける移動状態シミュレーション結果を加工ヘッドの動きで模擬的に表した更に他の例を示す図である。
【図９】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおける非定常熱流体シミュレーション結果をレーザ光出力の時間変化で表した他の例を示すグラフである。
【図１０】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおける非定常熱流体シミュレーション結果をレーザ光出力の時間変化で表した更に他の例を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムにおいて使用する加工点の近傍のシミュレーション結果温度と加工点の近傍の測定温度との相関データの例を示すグラフである。
【図１２Ａ】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第一のフローチャートである。
【図１２Ｂ】本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第二のフローチャートである。
【図１３】本発明の第２実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
【図１４Ａ】本発明の第２実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第一のフローチャートである。
【図１４Ｂ】本発明の第２実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第二のフローチャートである。
【図１５】本発明の第３実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
【図１６Ａ】本発明の第３実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第一のフローチャートである。
【図１６Ｂ】本発明の第３実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第二のフローチャートである。
【図１６Ｃ】本発明の第３実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第三のフローチャートである。
【図１６Ｄ】本発明の第３実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第四のフローチャートである。
【図１７】本発明の第４実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
【図１８】本発明の第５実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
【図１９Ａ】本発明の第５実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第一のフローチャートである。
【図１９Ｂ】本発明の第５実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第二のフローチャートである。
【図１９Ｃ】本発明の第５実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第三のフローチャートである。
【図１９Ｄ】本発明の第５実施形態の三次元レーザ加工システムの動作の一例を示す第四のフローチャートである。
【図２０】本発明の第６実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
以下、本発明に係る三次元レーザ加工システムの実施形態を、図面を参照して説明する。各図面において、同じ部材には同じ参照符号を付している。また、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは、同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。なお、これらの図面は見易くするために、縮尺を適宜変更している。
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。本実施形態の三次元レーザ加工システム１は、大きく分けると、レーザ装置２、駆動装置３、加工条件設定装置４の３つの装置から構成されている。
【００５６】
レーザ装置２は、単体でも使用可能な通常のレーザ装置と同様の構成を備えている。レーザ装置２は、少なくとも一つのレーザ光を出射するレーザ発振器５と、レーザ発振器５にレーザ発振のための電力を供給する電源部６と、レーザ発振器５から出射したレーザ光を、光ファイバ７を経由して、レーザ加工対象物であるワーク８に照射するための加工ヘッド９を含むレーザ光学系１０と、レーザ光学系１０を伝播する光を検出する光検出手段１１と、少なくとも、電源部６に光出力指令に対応した電力出力指令を出力し、光検出手段１１による検出結果が入力される制御部１２と、を備えている。
【００５７】
なお、単体で使用する場合に必要となるレーザ出力条件等を入力する入力部は図示していない。また、図１では、レーザ光学系１０と共に、加工ヘッド９や光ファイバ７も図示しているが、本明細書では、特に断らない限り、「レーザ光学系」という用語は、加工ヘッド９や光ファイバ７等を含んだ意味で使用している。従って、本実施形態のように複数のレーザ発振器５からのレーザ光を合波する合波器や、図１には図示していないが、１本の光ファイバの端面から出射したレーザ光を他の光ファイバの端面に入射させるファイバカプラや、レーザダイオードモジュールを励起光源とするレーザ発振器の場合は、増幅用光ファイバ等の光増幅媒体やレーザ光を光増幅媒体に入射させるための光学系や、レーザダイオードモジュールをレーザ光源とするレーザ発振器の場合は、レーザダイオードモジュールからのレーザ光を合波する合波器等もレーザ光学系に含まれるものとして記述している。
【００５８】
レーザ光学系１０は、制御部１２からの指令で焦点距離等の光学特性が制御できるようになっていてもよい。また、光検出手段１１は、レーザ発振器５から出射されたレーザ光を検出する光検出手段に加えて、加工ヘッド９から出射されたレーザ光がワーク８の表面で反射した反射光等、レーザ光学系１０内をレーザ発振器５から出射されたレーザ光と逆方向に伝播する戻り光を検出する光検出手段を備えていることが望ましい。なお、図１において、白抜きの矢印はレーザ光を模擬的に示し、実線の矢印は信号線等とその信号の方向を模擬的に示している。図１以降の概念的な構成を示すブロック図においても同様である。
【００５９】
駆動装置３は、ワーク８の加工面に対して、加工ヘッド９の姿勢を含む加工ヘッド９の位置を移動させるための装置という意味で使用している。本実施形態では、駆動装置３は、ロボット１３とロボット制御部１４とから構成されており、加工ヘッド９は、ロボット１３のハンドに取付けられている。
【００６０】
ロボット１３は、制御部１２からの加工ヘッド駆動指令を受けたロボット制御部１４からの制御信号によって、加工ヘッド９からのレーザ光出力に同期して、加工ヘッド９を加工ヘッド駆動指令に従った姿勢や位置に移動させる。なお、ワーク８は、保持機構部１５によって保持されている。この保持機構部１５にもリニアモータ等を備えて、駆動装置３の役割を分担させてもよい。保持機構部１５に駆動装置３の役割を分担させる場合は、保持機構部１５からワーク８の保持状態を示す信号をロボット制御部１４あるいは制御部１２に出力するだけでなく、ロボット制御部１４あるいは制御部１２から保持機構部１５に保持機構部駆動指令が出力される。
【００６１】
加工条件設定装置４は、移動状態シミュレーション部１６と、熱流体シミュレーション部１７と、加工条件設定部１８と、加工条件設定制御部１９と、指令入力部２０と、データ取得部２１と、ＣＡＤデータ記録部２２と、表示部２３と、から構成されている。
【００６２】
指令入力部２０にレーザ加工条件を設定するように指令が入力されると、指令入力部２０からの指令を受けて、加工条件設定制御部１９は、データ取得部２１に三次元ＣＡＤデータを読み込み、ＣＡＤデータ記録部２２に記録するように指令する。上記三次元ＣＡＤデータは、少なくとも熱伝導率と比熱と密度とを含む熱物性が定義されたワーク８の三次元ＣＡＤデータと、加工ヘッド９の三次元ＣＡＤデータとを含む。これらの三次元ＣＡＤデータは、加工条件設定装置４の外部からデータ取得部２１に読み込まれる。
【００６３】
次に、移動状態シミュレーション部１６は、加工条件設定制御部１９からの指令を受けて、ＣＡＤデータ記録部２２に記録されているワーク８の三次元ＣＡＤデータと加工ヘッド９の三次元ＣＡＤデータを使用して、加工ヘッド９の移動状態をシミュレーションする。加工ヘッド９の移動状態とは、加工ヘッド９が、ワーク８の上記三次元ＣＡＤデータに設定されている加工線に沿って、ワーク８の加工面に対して所定の角度と所定のギャップを保った状態でワーク８に対して相対的に移動することである。なお、加工線とは、加工ヘッド９がワーク８に対して相対的に移動した時の加工点の軌跡である。加工点とは、ワーク８の加工表面と加工ヘッド９の光軸との交点である。
【００６４】
加工ヘッド９の移動状態をシミュレーションするに当たっては、加工ヘッド９の位置を移動させる駆動装置３の性能や仕様等から、加工ヘッド９の取り得る姿勢や加工ヘッド９の姿勢の変化を含む加工ヘッド９の移動速度の設定可能範囲を考慮しながら、仮想三次元空間において、加工ヘッド９をワーク８の加工線に沿って、ワーク８の加工面に対して所定の角度と所定のギャップを保った状態でワーク８に対して相対的に移動させることによって行うことが望ましい。
【００６５】
図２と図３は、移動状態シミュレーションの一部の具体例を示している。図２と図３において、ｔ１，ｔ２，ｔ３，・・・ｔ１９は、加工ヘッド９がワーク８の加工面に対してレーザ加工を行う等間隔の時間を表している。図２に示すように、ワーク８の加工面は直角に変化している。このようにワーク８の加工面が急に変化している場合、加工ヘッド９がワーク８に対して姿勢を変える間は、加工ヘッド９から出射したレーザ光がワーク８の加工面を照射している点、すなわち加工点は、図２中のＡ点に静止した状態になる。そのため、加工点がＡ点に近付くと、図３に示すように、ある位置から加工ヘッド９の移動速度は減速する必要がある。
【００６６】
できるだけ加工時間を短縮するためには、加工ヘッド９の位置制御が安定にできる範囲で、加工点ができるだけＡ点に近付いてから減速することが望ましい。そのため、駆動装置３の性能等を考慮して、加工ヘッド９の移動速度の減速を開始する位置を決定することになる。
【００６７】
加工ヘッド９がワーク８に対して姿勢を変える速度も、加工ヘッド９の姿勢制御が安定にできる範囲でできるだけ速いことが望ましい。従って、加工ヘッド９がワーク８に対して姿勢を変え終わると、加工ヘッド９のワーク８に対する移動速度は、加工ヘッド９の位置制御が安定にできる範囲で、できるだけ大きく加速することが望ましい。
【００６８】
これらの加工ヘッド９の姿勢変更加速度や移動加速度も、駆動装置３の性能等を考慮して決定することになる。しかし、レーザ装置２が出力可能なレーザ光出力範囲等を考慮すると、加工点の移動速度が大き過ぎると、良好な加工結果が得られない場合もあり得る。そのため、移動状態シミュレーション結果は、可能な速度や加速度の上限を示すものと考えて、最終的な加工ヘッド９のワーク８に対する移動条件を決定することになる。
【００６９】
図２及び図３に示す移動状態シミュレーションの例では、加工点がｔ６の時点から加工ヘッド９の水平方向の移動速度の減速が始まり、加工点がＡ点に達したｔ８の時点から加工ヘッド９の姿勢が９０°傾き終わるｔ１２の時点まで加工点の移動速度は０である。また、加工点がｔ１２の時点から加工ヘッド９の垂直方向の移動速度の加速が始まり、ｔ１４の時点で元の速度に復帰している。
【００７０】
このような移動状態シミュレーションの結果は、ワーク８と加工ヘッド９を含む三次元画像の動画として、表示部２３に表示させて、シミュレーション結果を確認できるようにしてもよい。その場合、シミュレーション結果を確認し易いように、動画の再生速度や視点は自由に変えられるようにすることが望ましい。なお、移動状態シミュレーションの結果、加工ヘッド９がワーク８等と干渉して、目的とするレーザ加工が実施できない場合は、加工ヘッド９が干渉するのでレーザ加工が実施できないことを表示部２３に表示するようにしてもよい。
【００７１】
熱流体シミュレーション部１７は、移動状態シミュレーション部１６による移動状態シミュレーション結果に従って、加工ヘッド９がワーク８に対して相対的に移動した時に、加工ヘッド９の移動によって変化する少なくともワーク８の一部を含む領域の温度分布を算出する非定常熱流体シミュレーションを実施する。
【００７２】
例えば、加工ヘッド９が図２及び図３に示したように移動する場合、加工ヘッド９が姿勢を変えるために、加工ヘッド９の移動速度が減速して、ワーク８の加工面上の加工線に沿って移動する加工点の移動速度が遅くなると、加工ヘッド９から出射されるレーザ光出力が同じであれば、単位時間当たり加工点に照射されるレーザエネルギーは増加するため、加工点及び加工点の近傍のワーク８の温度が過剰に上昇して、最適なレーザ加工条件からずれてしまう。そのため、例えば、レーザ加工の種類が切断であれば、ワーク溶融幅が広がり過ぎて切断面が平滑にならない等の加工不良が発生し、レーザ加工の種類が熔接であれば、ポロシティの増加等の加工不良が発生する。
【００７３】
加工不良が発生しないようにするには、加工点の加工線に沿った移動速度が低下するタイミングに合わせて、例えば図４に示すように、レーザ光出力を絞る必要がある。どれだけレーザ光出力を絞れば良いか等、加工点の加工線に沿った移動状態に合わせて、どのようにレーザ光出力等のレーザ加工条件を制御すればよいかを求めるために、非定常熱流体シミュレーションが行われる。基本的には、良好なレーザ加工結果が得られるというシミュレーション結果が得られるまで、シミュレーション結果をフィードバックしてレーザ加工条件を変えながら、非定常熱流体シミュレーションが繰り返されることになる。レーザ光出力を加工点の加工線に沿った移動速度に比例させるというような従来報告されているような制御方法では、例えば図２や図３に示したように、加工ヘッド９が移動する場合、加工ヘッド９が姿勢を変える間は、加工点の加工線に沿った移動速度は０（ｍ／ｓ）なので、レーザ光出力が停止して加工点の温度が低下し、加工不良が発生することは明らかである。
【００７４】
なお、本実施形態の三次元レーザ加工システム１は、移動状態シミュレーション部１６と熱流体シミュレーション部１７とによるシミュレーション結果に基づいて、加工条件設定部１８によって、実際のレーザ加工前に、少なくとも加工ヘッド９の相対的移動条件とレーザ光出力条件とを含むレーザ加工条件を予め設定してレーザ加工を開始することになるが、光検出手段１１によって検出された戻り光の検出結果から、制御部１２が戻り光の光量を抑制する必要があると判定した場合には、加工条件設定部１８によって予め設定されたレーザ加工条件を少なくとも一時的に変更することが望ましい。すなわち、レーザ光出力条件と加工ヘッド９のワーク８に対する相対的移動速度との両方のレーザ加工条件を、例えば、レーザ光出力を下げると同時に加工ヘッド９の相対的移動速度も下げる等、加工点の温度あるいは加工点の近傍のワーク８の温度を目標温度に近い温度に維持できるレーザ加工条件に変更することにより、戻り光によるレーザ光学系１０やレーザ発振器５の損傷を防止しながら、加工不良の発生確率を低減できる。
【００７５】
また、図１には示していないが、加工ヘッド９のレーザ光出射側端面と加工点との間の距離を、例えばワーク８に対して非接触で測定することができるレーザ距離センサ等の測距手段を加工ヘッド９等に取り付け、実際にレーザ加工を行っている時に、制御部１２が、測距手段による測定結果に基づいて、加工ヘッド移動シミュレーションの結果に基づいて予め設定したレーザ加工条件のうちの少なくとも加工ヘッド９の移動条件を補正するようにすることが望ましい。これにより、ワーク８の形状精度、ワーク８の保持精度、ワーク８の熱変形等によるワーク８の三次元ＣＡＤデータと実際のワーク８との形状や位置の僅かな差異によって生じる加工ヘッド９のレーザ光出射側端面と加工点との間の距離の所定の距離からの僅かなずれを補正して、加工ヘッド９のレーザ光出射側端面と加工点との間の距離の所定の距離からのずれに起因する加工不良が発生しないようにすることができる。僅かな差異の補正なので、補正遅れによる加工不良が発生することはない。
【００７６】
図１には同じく示していないが、レーザ加工時に加工線に沿って移動する加工点の温度と加工点の近傍のワーク８の表面温度との少なくとも一方の温度を、ワーク８に非接触で検出可能なサーモグラフィーのような温度検出手段を、加工ヘッド９等に取り付けてもよい。このとき、制御部１２は、加工条件設定装置４によって設定されたレーザ加工条件でワーク８をレーザ加工中のある時点で、温度検出手段によって検出された検出温度と、加工条件設定装置４によって設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果に含まれている上記ある時点に対応した時点の対応する位置に対して予測された予測温度と、の間に温度差が生じた場合に、その温度差に応じて、加工条件設定装置４によって設定されたレーザ加工条件の少なくとも一部を補正する機能を有することが望ましい。これにより、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続するようにして、非定常熱流体シミュレーションの誤差等によって、予め設定したレーザ加工条件では、加工点や加工点の近傍の温度が目標温度からずれてきた場合に、温度のずれを低減して、レーザ加工品質を安定させてもよい。例えば、制御部１２は、温度検出手段によって検出された検出温度が、予測温度や目標温度より下がってくれば、レーザ光出力を増加させ、予測温度や目標温度を上回ってくれば、レーザ光出力を低減する等の補正を行えばよい。
【００７７】
なお、加工ヘッド９の移動によって変化する少なくともワーク８の一部を含む領域の温度分布を算出する非定常熱流体シミュレーションについては、ワーク８へのレーザ照射によって、レーザ光が電子に吸収されて電子の温度が上がり、その後、クーロン衝突によって原子の格子振動やイオン温度上昇を経て、ワーク８の溶融、蒸発、プラズマ化、再凝固等の相遷移や、溶融液の対流や蒸発してガス化した物質の流れ等の複雑な物理現象が引き起こされるので、全ての現象を忠実にシミュレーションして、レーザ加工の結果を含むシミュレーション結果を求めることも考えられる。しかし、全ての現象を忠実にシミュレーションしようとすると、計算負荷が膨大になり、シミュレーション結果の精度も充分とは言えないという問題がある。そのため、比較的容易にシミュレーション結果が得られるように、近似的なシミュレーション方法として、ワーク８に対する加工ヘッド９からのレーザ光の照射効果を、ワーク８への入熱によるワーク８の温度上昇だけとして、ワーク８が相遷移しないというという仮定に基づいて、非定常熱流体シミュレーションを実施してもよい。
【００７８】
レーザ光の照射効果を、ワーク８への入熱によるワーク８の温度上昇だけとして、ワーク８が相遷移しないというという仮定に基づいて、非定常熱流体シミュレーションを実施する場合、ワーク８に対するレーザ光照射の効果を、次の数式１のように、レーザ光のワーク８への入射エネルギーと、ワーク表面におけるスポット径と、レーザ照射位置のワーク８の反射率と、ワーク８によるレーザ光の吸収率とだけで近似して、非定常熱流体シミュレーションを行ってもよい。
【数１】
2020069492.tif 000003
【００７９】
ここで、Ｑ（ｘ，ｙ，ｚ，ｔ）は、レーザ照射によるワーク８への入熱量を表し、ｘとｙは、ワーク８の加工点における加工面を含む平面の座標を表し、ｚは、加工点を通りワーク８の加工点における加工面を含む平面に垂直な方向の座標を示している。加工点の座標は、ｘ＝ｙ＝ｚ＝０に設定してもよい。また、ｔは時間を表し、Ｒは反射率、αは吸収率、ＩＯ（ｘ，ｙ，ｔ）は入射光強度を表している。
【００８０】
また、入射光強度は、次の数式２のように、ワーク８の加工面上の入熱プロファイルを表す空間関数ｆ（ｘ，ｙ）と、ワーク８への入射レーザ光のピーク入射エネルギー密度ＩＰ（ｔ）［Ｗ／ｍ２］との積で表すことができる。
【数２】
2020069492.tif 000004
【００８１】
ここで、ピーク入射エネルギー密度ＩＰ（ｔ）［Ｗ／ｍ２］は時間の関数であり、空間関数ｆ（ｘ，ｙ）は、図５に示すように、入射エネルギー密度分布がガウス分布であれば、次の数式３で表すことができる。
【数３】
2020069492.tif 000005
【００８２】
ここで、ｒは、入射レーザ光のワーク表面における照射半径であり、スポット径の１／２である。また、図６に示したように、入射エネルギー密度分布が、トップハット型であれば、空間関数ｆ（ｘ，ｙ）は、次の数式４で近似的に表すことができる。
【数４】
2020069492.tif 000006
【００８３】
入射エネルギー密度分布がガウス分布であっても、トップハット型であっても、次の数式５に示したように、数式をｘとｙで重積分すれば、レーザ光のワーク８への入射エネルギーπｒ２ＩＰ（ｔ）［Ｗ］になる。空間関数ｆ（ｘ，ｙ）は、上記のガウス分布やトップハット型に限定されず、実際の強度分布を測定して求めた空間関数等を使用してもよい。
【数５】
2020069492.tif 000007
【００８４】
上記のように、ワーク８に対するレーザ光照射の効果を、レーザ光のワーク８への入射エネルギーとワーク表面におけるスポット径と、レーザ照射位置のワーク８の反射率と、ワーク８によるレーザ光の吸収率とだけで近似して、相遷移を考慮しないと、非定常熱流体シミュレーションを行うことは比較的容易である。
【００８５】
但し、ワーク８によるレーザ光の吸収率やワーク８の反射率は、ワーク８の熱伝導率や比熱や密度等の物性値と同様に、入熱によるワーク８の温度上昇や相変化により変化するので、正確な物性値を得ることは困難である。そのため、非定常熱流体シミュレーションにおいては、固相に対して利用可能な最も高温における物性値を使用する、固相に対して温度依存性が分かっている場合はより高温まで外挿した温度依存性を考慮した物性値を使用する、形状がシンプルな実験用ワークで実際にレーザ加工を試行して実験結果に合うような物性値を使用する、等の方法を採ってもよい。
【００８６】
なお、反射率については、できれば入射角度依存性を考慮することが望ましい。一方、ワーク８が金属の場合、固体におけるレーザ光の吸収率は大きいので、全てワーク８の表面でレーザ光が吸収されると近似してもよい。
【００８７】
また、レーザ加工条件に含まれるシールドガスあるいはアシストガスは、本来の役割に加えて、ワーク表面を冷却する効果も大きい。シールドガスあるいはアシストガスは、高速でワーク８に吹き付けられてかなり圧縮されている領域があることから、そのガスによる影響をできるだけ正確に反映させるために、圧縮性気体として非定常熱流体シミュレーションを行うことが望ましい。
【００８８】
ワーク８が相遷移しないというという仮定に基づいて、移動状態シミュレーション部１６による移動状態シミュレーションの結果に従って、非定常熱流体シミュレーションを実施する場合、加工線のうちの少なくとも一部の加工区間については、加工ヘッド９がワーク８に対して相対的に移動している相対的移動速度に関わらず、加工点の温度と加工点の近傍の温度の少なくとも一方の温度が一定の所定温度になるというシミュレーション結果が得られるレーザ加工条件に設定することを目標とすることができる。なお、レーザ加工中は、実際には相遷移する加工点ではなく、固体の状態が維持される加工点の近傍の温度をレーザ加工条件設定の指標にした方が、相遷移を無視することによる非定常熱流体シミュレーションの誤差が低減できると考えられる。なお、本明細書において、加工点の近傍という言葉は、いずれにおいても、加工点から所定の方向に所定の距離だけ離れたある特定の点あるいは位置という意味で使用している。
【００８９】
加工点の温度と加工点の近傍の温度の少なくとも一方の温度が一定の所定温度になるレーザ加工条件に設定することを目標とする場合、移動状態シミュレーション部１６による移動状態シミュレーションの結果を踏まえて、熱流体シミュレーション部１７が、非定常熱流体シミュレーションを繰り返して、加工点や加工点の近傍の温度が上記所定温度になると推定されるレーザ加工条件を導出する。言い換えれば、加工区間全体について、シミュレーション結果による温度と上記所定温度との差が所定値以下になるまで、非定常熱流体シミュレーションを繰り返すことになる。
【００９０】
このようにして、実際のレーザ加工前に、加工条件設定部１８が、移動状態シミュレーション部１６と熱流体シミュレーション部１７のシミュレーション結果に基づいて、加工ヘッド９の移動条件を含むレーザ加工条件を予め設定して、レーザ加工条件を制御部１２に出力し、制御部１２は、レーザ加工条件に沿った光出力指令や加工ヘッド駆動指令等をレーザ装置２や駆動装置３の各部に出力して、レーザ加工を実行する。
【００９１】
上記のように、加工点や加工点の近傍の温度が所定温度になると推定されるレーザ加工条件でレーザ加工を行うことによって、例えば図２に示したように、ワーク８の表面が直角に曲がっており、その外側の面をレーザ加工する場合等、加工ヘッド９の姿勢を変える間は加工点が移動しないよう場合でも、加工点や加工点の近傍の温度が上昇し過ぎないようにレーザ光出力を制御するレーザ加工条件が設定できる。
【００９２】
また、非定常熱流体シミュレーションによって導出された加工点の温度が所定温度になると推定されるレーザ加工条件で加工することによって、厚み等が変化しているワーク８に対しても加工点や加工点の近傍の温度が一定になるように制御することができる。例えば、ワーク８が、図２に示したワーク８から、図７や図８に示したように厚みが変化しているワーク８に変わった場合、図３に示した移動状態シミュレーションの結果は変わらない。しかし、非定常熱流体シミュレーション結果として導出されるレーザ光出力の時間変化は、図４から、それぞれ図９と図１０に示すように変わる。
【００９３】
すなわち、図７に示すワーク８の場合では、図９に示すように、加工点がＡ点に近付くと、図２に示したワーク８の場合に比較して、ワーク８の熱伝導による加工点からの放熱量が増加する。そのため、レーザ加工条件は、加工点の温度を所定温度に保つために、レーザ光出力が増加する条件になっている。一方、図８に示すワーク８の場合では、図１０に示すように、図２に示したワーク８の場合に比較して、加工点がＡ点に近付いた時点からワーク８の厚い部分の熱伝導によって放熱量が増加し、ワーク８の厚い部分に対応した位置に加工点が移動すると、放熱量が増加した状態が続く。そのため、レーザ加工条件は、加工点の温度を所定温度に保つために、ｔ４時点あたりからレーザ光出力が増加し始め、その時点以降もレーザ光出力が増加した状態が継続する条件になっている。
【００９４】
以上のように、移動状態シミュレーション部１６による移動状態シミュレーションの結果に従って、熱流体シミュレーション部１７によって非定常熱流体シミュレーションを行うことによって、表面が直角に曲がったワーク８の外面をレーザ加工する場合等、加工ヘッド９の姿勢を変える間は加工点が移動しない場合等でも、加工点の温度が上昇し過ぎないようにレーザ光出力を制御するレーザ加工条件が設定できるだけでなく、厚み等が変化しているワーク８に対しても、加工点の温度が一定になるようにレーザ光出力を制御できる。
【００９５】
なお、レーザ光出力を変えるに当たっては、レーザ光出力のピーク値を変える代わりに、パルス出力のデューティを変えて平均レーザ光出力を変えてもよいし、レーザ光出力のピーク値とパルス出力のデューティとの両方を変えてもよいことは言うまでもない。また、レーザ装置２の性能等からレーザ光出力を増加させることができない場合等は、レーザ光出力を増加させる代わりに、加工点の移動速度を低下させてもよい。但し、時系列的な一連のレーザ加工条件が複数設定可能な場合は、加工時間が最短のレーザ加工条件を選択して設定することが望ましい。
【００９６】
また、図２、図７及び図８では、ワーク８の一部しか示しておらず、非定常熱流体シミュレーションは少なくともワーク８の一部を含む領域について行うと説明したが、その領域にはワーク８の全体を含んでもよいし、計算負荷が増えるが、ワーク８から保持機構部１５に流れる熱エネルギー等も考慮するために、上記領域に保持機構部１５の少なくとも一部が含まれるようにしてもよい。その場合は、少なくとも領域内については、保持機構部１５についても熱物性が定義された三次元ＣＡＤデータをデータ取得部２１から取得して、非定常熱流体シミュレーションに使用することが望ましい。
【００９７】
上記のように、非定常熱流体シミュレーションを行うことは有効ではあるが、非定常熱流体シミュレーションに使用するワーク８の物性値に、高温まで外挿した温度依存性を考慮した物性値を使用していることや、ワーク８の相遷移を考慮しないことから、非定常熱流体シミュレーションで算出された加工点や加工点の近傍の温度と実際のレーザ加工中の加工点や加工点の近傍の温度とは、ある程度の乖離が避けられない。そこで、実際のレーザ加工において、加工点あるいは加工点の近傍の温度を目標温度に近づけるために、図１１に示すように、ワーク８の材質毎に、加工条件設定部１８によって設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果に含まれている加工点あるいは加工点の近傍の温度と、レーザ加工条件で実際にレーザ加工を行った時に測定された対応する位置の温度との相関関係を示すデータを収集した相関データを熱流体シミュレーション部１７に記録しておき、熱流体シミュレーション部１７が、記録している相関データを参照して、実際のレーザ加工において目標とする所定温度に対して、非定常熱流体シミュレーションにおいて目標とする置換所定温度を決定して、非定常熱流体シミュレーションを実施するようにしてもよい。
【００９８】
相関データを収集するためにレーザ加工中の加工点や加工点の近傍の温度を測定する温度センサは、図示していないが、前述のような加工ヘッド９に取付けたサーモグラフィーのような温度検出手段でもよいが、固定されたサーモグラフィーのような温度検出手段でもよいし、ワーク８に熱的に接触しているサーミスタのような温度センサでもよい。
【００９９】
また、上記のような非定常熱流体シミュレーションの結果や加工条件設定部１８で設定した結果の三次元画像や動画も表示部２３に表示させて、シミュレーション結果や設定したレーザ加工条件を確認できるようにしてもよい。この場合は、ワーク８や加工線の温度分布をカラーバーと共にカラーの差で表示してもよい。
【０１００】
次に、図１２Ａ及び図１２Ｂを用いて、第１実施形態の三次元レーザ加工システム１の具体的な動作の一例について説明する。図１２Ａ及び図１２Ｂは、本発明の第１実施形態の三次元レーザ加工システム１の動作の一例を示すフローチャートである。
先ず、図１に示した三次元レーザ加工システム１が起動され、動作が開始されると、三次元レーザ加工システム１は、加工条件設定装置４の指令入力部２０にレーザ加工条件設定指令があるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。
【０１０１】
ここで、レーザ加工条件設定指令がある場合は、加工条件設定制御部１９に、主にレーザ装置２の制御部１２からレーザ加工条件を設定する対象のレーザ装置２や駆動装置３の性能や仕様等の装置情報を読み込むと共に、指令入力部２０から指令のあったレーザ加工内容を読み込み（ステップＳ１０２）、次いで、加工条件設定制御部１９の指令により、データ取得部２１に材質の熱物性が定義されたワーク８の三次元ＣＡＤデータと、加工ヘッド９の三次元ＣＡＤデータとをＣＡＤデータ記録部２２に読み込む（ステップＳ１０３）。
【０１０２】
加工条件設定制御部１９は、読み込んだ装置情報やレーザ加工内容とＣＡＤデータ記録部２２に記録された三次元ＣＡＤデータとから、装置やワークやレーザ加工内容が全く同じ条件のレーザ加工条件を以前に既に設定して記録しているか否かを判定する（ステップＳ１０４）。その結果、未設定の場合は、加工条件設定制御部１９からの指令により、先ず、移動状態シミュレーション部１６が、加工条件設定制御部１９が読み込んだ装置情報やレーザ加工内容とＣＡＤデータ記録部２２に記録されている三次元ＣＡＤデータとを使用して、ワーク８に対する加工ヘッド９の相対的な移動状態のシミュレーションを実施して、最も短時間でレーザ加工を終了できる加工ヘッド９の相対的移動条件を求める（ステップＳ１０５）。
【０１０３】
次いで、加工条件設定制御部１９は、移動状態シミュレーションの結果、加工ヘッド９がワーク８に干渉すること無く移動できるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。ここで、干渉する場合は、表示部２３に加工ヘッド９がワーク８に干渉するので、加工条件設定制御部１９は、指令されたレーザ加工は実行できないことを警告表示する（ステップＳ１０７）。その後、ステップＳ１０１に戻り、新しいレーザ加工条件設定指令が入力されるまで待機する。
【０１０４】
ステップＳ１０６で、加工ヘッド９がワーク８に干渉せずに移動できると判定された場合は、加工条件設定制御部１９は、熱流体シミュレーション部１７に、該当するワーク８の材質について、あるレーザ加工条件で、実際にレーザ加工を行った時に測定された加工点あるいは加工点の近傍の温度と、同じレーザ加工条件で非定常熱流体シミュレーションの結果として得られた対応する位置の温度との相関関係を示す相関データが記録されている否かを判定する（ステップＳ１０８）。
【０１０５】
ステップＳ１０８で相関データが記録されていると判定された場合は、熱流体シミュレーション部１７は、その相関データを参照して、実際のレーザ加工において目標とする所定温度を、非定常熱流体シミュレーションにおいて目標とする所定温度（置換所定温度）に置換え（ステップＳ１０９）、移動状態シミュレーション部１６によって求めた相対的移動条件を考慮して、レーザ加工条件を仮設定し（ステップＳ１１０）、非定常熱流体シミュレーションを行う（ステップＳ１１１）。一方、ステップＳ１０８で相関データが記録されていないと判定された場合は、直接ステップＳ１１０に進む。
【０１０６】
ステップＳ１１１における非定常熱流体シミュレーションの結果、加工条件設定制御部１９は、加工区間全体について、シミュレーション結果温度と所定温度との差が所定差以下であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。その結果、所定差以下でなければ、加工条件設定制御部１９は、シミュレーション結果温度が所定温度に比べて低い加工区間については、レーザ光出力を高くする、加工ヘッド９のワーク８に対する相対的移動速度を低減する等、レーザ加工条件を修正し（ステップＳ１１３）、ステップＳ１１１に戻る。
【０１０７】
ステップＳ１１２で、加工区間全体について、シミュレーション結果温度と所定温度との差が所定差以下であると判定されると、加工条件設定部１８が、移動状態シミュレーション部１６と熱流体シミュレーション部１７のシミュレーション結果に基づいて、加工ヘッド９の移動条件を含むレーザ加工条件を予め設定し（ステップＳ１１４）、制御部１２は、レーザ加工の開始を指示する指令があるか否かを判定する（ステップＳ１１５）。なお、先のステップＳ１０４で、装置やワークやレーザ加工内容が全く同じ条件のレーザ加工条件を以前に既に設定して記録していると判定された場合は、直接、ステップＳ１１５に進む。
【０１０８】
ステップＳ１１５において、レーザ加工の開始を指示する指令があると判定されると、制御部１２は、加工条件設定部１８から予め設定されたレーザ加工条件を読み込み、読み込んだレーザ加工条件に基づいて、レーザ装置２と駆動装置３の各部に指令を出力し、レーザ装置２は、レーザ加工を開始する（ステップＳ１１６）。レーザ加工が開始されると、制御部１２は、光検出手段１１による戻り光の検出結果から、戻り光の光量を抑制する必要があるか否かを監視する（ステップＳ１１７）。
【０１０９】
ステップＳ１１７で、戻り光の光量が許容レベルを超えたと判定された場合は、例えば、制御部１２は、戻り光の光量を下げるためにレーザ光出力を下げると共に、加工ヘッド９のワーク８に対する相対移動速度も下げて、加工点あるいは加工点の近傍の温度をできるだけ所定温度に維持する等のレーザ加工条件の補正を行い（ステップＳ１１８）、その後、ステップＳ１１７に戻る。
【０１１０】
一方、ステップＳ１１７で、戻り光の光量が許容レベルを超えていない判定された場合は、制御部１２は、測距手段によって測定された加工ヘッド９のレーザ光出射側端面から加工点までの距離が、予め設定したレーザ加工条件から見て正常か否かを判定する（ステップＳ１１９）。ステップＳ１１９で、正常でないと判定されると、制御部１２は、所定の距離になるように、測距手段による測定結果に基づいて、加工ヘッド９の相対的移動条件を補正し（ステップＳ１２０）、ステップＳ１１７に戻る。また、ステップＳ１１９で、正常であると判定されると、制御部１２は、温度検出手段で検出された加工点の温度あるいは加工点の近傍の表面温度が、予め設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果に含まれている対応する位置に対して予測されている温度、すなわち、所定温度からずれておらず正常か否かを判定する（ステップＳ１２１）。
【０１１１】
ステップＳ１２１で、検出された温度が正常でないと判定された場合は、制御部１２は、例えば検出された温度が所定温度より低い場合は、レーザ光出力を上げるか、加工ヘッド９のワーク８に対する相対移動速度を下げる等、予め設定されたレーザ加工条件の少なくとも一部を補正し（ステップＳ１２２）、ステップＳ１１７に戻る。
【０１１２】
一方、ステップＳ１２１で、検出された温度が正常であると判定された場合は、制御部１２は、指令されたレーザ加工が終了したか否かを判定する（ステップＳ１２３）。その結果、終了していないと判定された場合は、制御部１２は、ステップＳ１１７に戻って、レーザ加工を継続する。一方、終了したと判定された場合は、制御部１２は、三次元レーザ加工システム１に対して動作を停止する指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ１２４）。ここで、停止指令が出ていない場合は、制御部１２は、ステップＳ１０１に戻って、次のレーザ加工条件設定指令が入力されるのを待ち、停止指令が出ている場合は、三次元レーザ加工システム１の動作を終了させる。
【０１１３】
以上のように、第１実施形態の三次元レーザ加工システム１が、ステップＳ１０１からステップＳ１２４のステップに従って動作することによって、例えば複雑な三次元構造を持つようなワーク８に対しても、人間が介在することなく、良好な加工結果が期待できるレーザ加工条件を設定すると共にレーザ加工を実行する三次元レーザ加工システム１が実現できる。
【０１１４】
＜第２実施形態＞
図１３は、本発明の第２実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
図１３に示す第２実施形態の三次元レーザ加工システム１００が、図１に示す第１実施形態の三次元レーザ加工システム１と異なるのは、加工条件記録部２４を新たに備えている点と、図１では図示していなかった測距手段２５と温度検出手段２６とが、加工ヘッド９に取付けられている点である。
【０１１５】
加工条件記録部２４は、レーザ加工の種類毎に、少なくとも板状ワークの材質と厚さとを含むワーク条件に対して、少なくともレーザ光出力、加工点の板状ワークに対する相対的移動速度、加工ヘッド９のレーザ光出射側端面と加工点との間の距離をレーザ加工条件として含む、実質的に最適な既得最適レーザ加工条件を記録している。
【０１１６】
測距手段２５は、前述したように、加工ヘッド９のレーザ光出射側端面と加工点との間の距離を、例えばワーク８に対して非接触で測定可能なレーザ距離センサ等からなる。また、温度検出手段２６は、前述したように、レーザ加工時に加工線に沿って移動する加工点の温度と加工点の近傍のワーク８の表面温度との少なくとも一方の温度を、例えばワーク８に対して非接触で検出可能なサーモグラフィー等からなる。
【０１１７】
ところで、レーザ加工は極めて多くのパラメータが関係している。パラメータとしては、波長、出力、モード、ビーム品質、パルス発振の場合の出力波形や周波数やデューティ等のレーザの発振条件のパラメータ、集光光学系のＦ値、レーザ光焦点と加工面の位置関係、レーザ光の加工面への照射角度、パワー密度、パワー密度分布、アシストガスやシールドガスの噴出条件等の照射条件のパラメータ、加工速度、加工雰囲気、ワーク材質等の加工条件のパラメータ、ワーク、切断、熔接、焼入れ、クラッディング、ブレージング、ピアッシング、マーキング等のレーザ加工の種類や方法等のパラメータが存在する。そのため、第１実施形態の三次元レーザ加工システム１のように、相関データ等だけから、全てのパラメータが最適化されたレーザ加工条件に設定することが困難な場合がある。
【０１１８】
そこで、本実施形態においては、レーザ加工の種類毎に、また、板状ワークの材質毎に、異なる板状ワークの厚さについて、実質的に全てのパラメータが最適化されたレーザ加工条件を加工条件記録部２４に記録しておく。加工条件設定部１８は、ワーク８に設定された加工線のうち、加工線が直線状であり、加工線に沿ったワーク８の肉厚が一定である区間のうちの少なくとも一部の特定区間については、加工条件記録部２４に記録されている最適レーザ加工条件から、レーザ加工の種類とワーク条件が一致する最適レーザ加工条件を設定する。これによって、加工条件設定部１８は、少なくとも該当する特定区間については、それまで知られている最適のレーザ加工条件を設定することができる。
【０１１９】
なお、加工条件記録部２４に記録されているレーザ加工条件とワーク８の厚さが異なる等、条件が完全に一致する最適レーザ加工条件が記録されていない場合は、記録されている最適レーザ加工条件のうち、最も条件が近い２つの最適レーザ加工条件から、内挿法あるいは外挿法で、略最適レーザ加工条件を求めて、その略最適レーザ加工条件で特定区間をレーザ加工してもよい。
【０１２０】
特定区間以外の加工線の区間については、特定区間について設定した最適レーザ加工条件あるいは略最適レーザ加工条件でレーザ加工を行った条件での非定常熱流体シミュレーションの結果として求められた加工点あるいは加工点の近傍の温度を所定温度として、非定常熱流体シミュレーションを繰り返すことによって、加工点あるいは加工点の近傍の温度が所定温度になるというシミュレーション結果が得られるレーザ加工条件を求めて、そのレーザ加工条件を設定することによって、特定区間以外の区間についても良好なレーザ加工結果が得られることを期待することができる。なお、最適加工条件の異なる複数の特定区間がある場合には、２つの特定区間に挟まれている区間のレーザ加工条件は、一方の特定区間の最適レーザ加工条件から他方の特定区間の最適レーザ加工条件へ、加工点の移動と共に連続的に変化する条件を設定してもよい。
【０１２１】
また、本実施形態においても、レーザ加工時に加工線に沿って移動する加工点の温度と加工点の近傍のワーク８の表面温度の少なくとも一方の温度を、例えばワーク８に対して非接触で検出可能な温度検出手段２６を備え、加工条件設定装置４によって設定されたレーザ加工条件で、ワーク８をレーザ加工中のある時点で、温度検出手段２６によって検出された検出温度と、設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果に含まれている対応する位置に対して予測された予測温度と、すなわち本実施形態では所定温度と、の間に所定差以上の温度差が生じた場合には、その温度差に応じて、制御部１２からの指令により、加工条件設定装置４によって設定されたレーザ加工条件の少なくとも一部を補正したレーザ加工条件でレーザ加工を継続してもよい。
【０１２２】
次に、図１４Ａ及び図１４Ｂを用いて、第２実施形態の三次元レーザ加工システム１００の具体的な動作の一例について説明する。
図１４Ａ及び図１４Ｂは、第２実施形態の三次元レーザ加工システム１００の動作の一例を示すフローチャートである。図１４Ａ及び図１４Ｂに示すフローチャートが、図１２Ａ及び図１２Ｂに示すフローチャートと異なっている点は、図１２ＡのフローチャートのステップＳ１０８からステップＳ１１０が、図１４Ａでは、ステップＳ２０８からステップＳ２１１に置き換わっている点である。従って、図１４Ａ及び図１４ＢにおけるステップＳ２０１からステップＳ２０７と、ステップＳ２１２からステップＳ２２５とは、図１２Ａ及び図１２ＢにおけるステップＳ１０１からステップＳ１０７と、ステップＳ１１１からステップＳ１２４と同じである。
【０１２３】
すなわち、図１２ＡのフローチャートにおけるステップＳ１０８からステップＳ１１０の動作は、次の通りである。加工条件設定制御部１９は、熱流体シミュレーション部１７に相関データが記録されているか否かを判定する（ステップＳ１０８）。相関データが記録されている場合は、加工条件設定制御部１９は、相関データを参照して、実際のレーザ加工において目標とする所定温度を非定常熱流体シミュレーションにおいて目標とする所定温度（置換所定温度）に置き換え（ステップＳ１０９）、移動状態シミュレーション部１６によって求めた相対的移動条件を考慮して、レーザ加工条件を仮設定する（ステップＳ１１０）。ステップＳ１０８で相関データが記録されていないと判定された場合は、直接ステップＳ１１０に進む。
【０１２４】
これに対し、図１４ＡのフローチャートにおけるステップＳ２０８からステップＳ２１１の動作は、次の通りである。先ず、加工条件設定制御部１９は、加工条件記録部２４に、レーザ加工の種類とワーク条件の両条件が一致する最適レーザ加工条件が記録されているか否かを判定する（ステップＳ２０８）。その結果、両条件が一致する最適レーザ加工条件が記録されている場合は、加工条件設定制御部１９は、特定区間にレーザ加工の種類とワーク条件が一致する最適レーザ加工条件を設定し（ステップＳ２０９）、レーザ加工条件が設定されていない非特定区間にレーザ加工条件を仮設定する（ステップＳ２１１）。一方、ステップＳ２０８で両条件が一致する最適レーザ加工条件が記録されていないと判定された場合は、加工条件設定制御部１９は、上記のように、記録されている最適レーザ加工条件のうち、最も条件が近い２つの最適レーザ加工条件から、内挿法あるいは外挿法で求めた略最適レーザ加工条件を特定区間に設定する（ステップＳ２１０）。その後、ステップＳ２１１に進む。
【０１２５】
第２実施形態の三次元レーザ加工システム１００が、ステップＳ２０１からステップＳ２２５のステップに従って動作することによって、第１実施形態の三次元レーザ加工システム１の効果に加えて、加工条件記録部２４に記録されている最適レーザ加工条件と条件が一致する部分については、より確実に良好な加工結果を得ることができると共に、ワーク条件が近い隣接区間についても、良好な加工結果を得られる可能性の高いレーザ加工条件を容易に設定できるようになる効果が得られる。
【０１２６】
＜第３実施形態＞
図１５は、本発明の第３実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
第３実施形態の三次元レーザ加工システム２００は、図１に示す第１実施形態の三次元レーザ加工システム１に対して、更に、測距手段２５と、温度検出手段２６と、第１機械学習装置２８とを備えている。
【０１２７】
測距手段２５は、前述したように、加工ヘッド９のレーザ光出射側端面と加工点との間の距離を、例えばワーク８に対して非接触で測定可能なレーザ距離センサ等からなる。また、温度検出手段２６は、前述したように、レーザ加工時に加工線に沿って移動する加工点の温度と加工点の近傍のワーク８の表面温度との少なくとも一方の温度を、例えばワーク８に対して非接触で検出可能なサーモグラフィー等からなる。
【０１２８】
第１機械学習装置２８は、少なくとも、第１状態観測部２９と、ラベル取得部３０と、第１学習部３１と、を備える。第１状態観測部２９は、加工条件設定部１８によって設定されたレーザ加工条件と、設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果を含む、三次元レーザ加工システム２００の状態データが入力データとして入力される。ラベル取得部３０は、温度検出手段２６によって検出された温度の時間変化データを、正解データであるラベルとして取得する。第１学習部３１は、上記入力データと上記ラベルのペアが多数入力されることによって、入力データとラベルとの関係を学習する。
【０１２９】
第１学習部３１は、例えば、誤差計算部３２と、学習モデル更新部３３と、を備える。誤差計算部３２は、上記入力データに対する学習モデルからの出力と上記ラベルとの誤差を計算する。学習モデル更新部３３は、誤差計算部３２が計算した誤差に応じて、学習モデルを更新する。これにより、第１学習部３１は学習を進めることができる。第１学習部３１は、学習が進むと、学習結果を用いて、新たに入力された入力データに対して、温度検出手段２６によって検出される温度の時間変化データを予測することが可能になる。第１学習部３１が予測した温度の時間変化データは、加工条件設定装置４の加工条件設定制御部１９に入力される。これにより、加工条件設定装置４は、第１学習部３１が予測した温度の時間変化データを参照して、レーザ加工条件を修正する。
【０１３０】
次に、図１６Ａ〜図１６Ｄを用いて、第３実施形態の三次元レーザ加工システム２００の具体的な動作の一例について説明する。
図１６Ａ〜図１６Ｄは、図１５に示した三次元レーザ加工システム２００の動作の一例を示すフローチャートである。
三次元レーザ加工システム２００が起動されると、加工条件設定制御部１９は、レーザ加工を実施する指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ３０１）。レーザ加工実施指令が出ると、加工条件設定制御部１９は、主にレーザ装置２の制御部１２からレーザ加工条件を設定する対象のレーザ装置２や駆動装置３の性能や仕様等の装置情報を読み込むと共に、指令入力部２０から指令のあったレーザ加工内容を読み込む（ステップＳ３０２）。
【０１３１】
加工条件設定制御部１９の指令により、材質の熱物性が定義されたワーク８の三次元ＣＡＤデータと加工ヘッド９の三次元ＣＡＤデータとが、データ取得部２１からＣＡＤデータ記録部２２に読み込まれる（ステップＳ３０３）。次いで、加工条件設定制御部１９からの指令により、先ず、移動状態シミュレーション部１６が、加工条件設定制御部１９に読み込まれた装置情報やレーザ加工内容と、ＣＡＤデータ記録部２２に記録されているワーク８と加工ヘッド９の三次元ＣＡＤデータとを使用して、ワーク８に対する加工ヘッド９の相対的な移動状態のシミュレーションを実施して、最も短時間でレーザ加工を終了できる加工ヘッド９の相対的移動条件を求める（ステップＳ３０４）。
【０１３２】
移動状態シミュレーションの結果、加工条件設定制御部１９は、加工ヘッド９がワーク８に干渉することなく移動できるか否かを判定する（ステップＳ３０５）。ステップＳ３０５で、加工ヘッド９がワーク８に干渉すると判定された場合は、加工条件設定制御部１９は、表示部２３に加工ヘッド９がワーク８に干渉するので指令されたレーザ加工は実行できないことを表示して（ステップＳ３０６）、その後、ステップＳ３０１に戻り、新しいレーザ加工実施指令が入力されるまで待機する。
【０１３３】
一方、ステップＳ３０５で、加工ヘッド９がワーク８に干渉せずに移動できると判定された場合は、熱流体シミュレーション部１７は、非定常熱流体シミュレーションを実施する（ステップＳ３０７）。熱流体シミュレーション部１７は、レーザ加工の実行中に、温度検出手段２６によって検出される温度の時間変化が目標温度変化になるレーザ加工条件、すなわち、本実施形態では、レーザ加工の実行中に、温度検出手段２６によって検出される温度が各加工区間において所定温度に近い温度になるというシミュレーション結果が出るまで、非定常熱流体シミュレーションを繰り返して、レーザ加工条件を仮決定する（ステップＳ３０８）。
【０１３４】
次に、加工条件設定制御部１９は、加工条件設定制御部１９に記録されている学習済みフラグがＯＦＦの状態か否かを判断することによって、第１学習部３１の学習が充分進んだ状態か否かを判定する（ステップＳ３０９）。学習済みフラグがＯＦＦの状態であれば、第１学習部３１の学習が未だ不充分ということであり、制御部１２からの指令によりレーザ装置２は、シミュレーション結果から加工条件設定部１８によって仮決定されたレーザ加工条件で、レーザ加工を開始する（ステップＳ３１０）。
【０１３５】
レーザ加工を実行中は、光検出手段１１等によって異常な信号が検出されていないかが常に監視されて判定される（ステップＳ３１１）。ここで、異常信号が検出された場合は、制御部１２は、レーザ加工条件を補正して（ステップＳ３１２）、レーザ加工を継続する。このステップＳ３１１とステップＳ３１２は、詳細に記載すれば、図１２ＢのフローチャートにおけるステップＳ１１７からステップＳ１２２、あるいは、図１４ＢのフローチャートにおけるステップＳ２１８からステップＳ２２３のようになるが、図１６Ａ〜図１６Ｄのフローチャートでは、同様の動作が３箇所（ステップＳ３１１とステップＳ３１２、ステップＳ３３３とステップＳ３３４、ステップＳ３４３とステップＳ３４４）に出て来るので、ここでは２ステップに簡略化して記載している。
【０１３６】
レーザ加工を実行中、第１状態観測部２９は、加工条件設定部１８によって設定されたレーザ加工条件と、設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果を含む、三次元レーザ加工システム２００の状態データを観測する（ステップＳ３１３）。次いで、第１状態観測部２９は、観測した状態データを入力データとして第１学習部３１に出力する（ステップＳ３１４）。ラベル取得部３０は、温度検出手段２６によって検出された温度の時間変化データを正解データとして取得し（ステップＳ３１５）、更に、ラベル取得部３０は、正解データを第１学習部３１にラベルとして出力する（ステップＳ３１６）。
【０１３７】
次に、第１学習部３１は、入力データからラベルを表現するための関数である学習モデルを既に構築済みか否かを判定する（ステップＳ３１７）。ここで、学習モデルが構築済みであると判定された場合、誤差計算部３２は、例えば、加工区間毎に、入力データに対する学習モデルからの出力とラベルとの誤差を計算し（ステップＳ３１８）、学習モデル更新部３３が、誤差計算部３２が計算した誤差に応じて、学習モデルを更新する（ステップＳ３２０）。
【０１３８】
次に、加工条件設定制御部１９は、誤差計算部３２で計算された誤差の移動平均値が目標値より小さいか否かを判定する（ステップＳ３２１）。ここで、誤差の移動平均値が目標値より小さいと判定された場合は、第１学習部３１による学習は充分進んだと判断され、加工条件設定制御部１９は、記録されている学習済みフラグをＯＮに切り換える（ステップＳ３２２）。続いて、制御部１２は、指令されたレーザ加工が終了したか否かを判定する（ステップＳ３２３）。レーザ加工が終了していない場合は、ステップＳ３１１に戻ってレーザ加工を継続し、レーザ加工が終了している場合は、制御部１２は、三次元レーザ加工システム２００に対して動作停止指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ３４６）。動作停止指令が出ている場合は、制御部１２は、三次元レーザ加工システム２００の動作を終了し、動作停止指令が出ていない場合は、ステップＳ３０１に戻り、指令入力部２０に新しいレーザ加工実施指令が入力されるまで待機する。
【０１３９】
ステップＳ３１７で学習モデルが未構築と判定された場合は、第１学習部３１は、入力データとラベルの関係を観察して学習モデルの初期モデルを構築し（ステップＳ３１９）、ステップＳ３２３に進む。また、ステップＳ３２１で、誤差計算部３２で計算された誤差の移動平均値が目標値より大きいと判定された場合も、直接ステップＳ３２３に進む。
【０１４０】
以上のように、学習済みフラグがＯＮの状態になるまでは、ステップＳ３０１からステップＳ３２１までの動作を繰り返す。この動作の繰り返しによって、第１学習部３１は学習を進める。
【０１４１】
ステップＳ３０９で、学習済みフラグがＯＮの状態になっていると判定されると、学習結果を用いて、新たに入力された入力データに対して正解データを予測する過程に進み、第１状態観測部２９が、加工条件設定部１８が設定したレーザ加工条件と、設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果を含む、三次元レーザ加工システムの状態データを観測する（ステップＳ３２４）。次いで、第１状態観測部２９が、観測した状態データを入力データとして第１学習部３１に出力する（ステップＳ３２５）。
【０１４２】
第１学習部３１は、学習結果である学習モデルを用いて、レーザ加工条件でレーザ加工を実行した場合に、温度検出手段２６によって検出される温度の時間変化データを予測する（ステップＳ３２６）。加工条件設定制御部１９は、第１学習部３１によって予測された温度の時間変化データと、良好なレーザ加工結果を得るための目標温度の時間変化データとを、加工区間毎に比較して、予測温度と目標温度との差が所定差より小さいか否かを判定する（ステップＳ３２７）。
【０１４３】
全ての加工区間について、予測温度と目標温度の差が所定差より小さいと判定された場合は、加工条件設定制御部１９は、加工条件設定部１８が設定したレーザ加工条件を実際にレーザ加工に適用するレーザ加工条件に決定する（ステップＳ３２８）。一方、予測温度と目標温度との差が所定差より大きい加工区間があると判定された場合は、加工条件設定制御部１９は、第１学習部３１によって予測された温度の時間変化データを参照して、レーザ加工条件を修正する（ステップＳ３２９）。熱流体シミュレーション部１７は、修正されたレーザ加工条件で非定常熱流体シミュレーションを行い（ステップＳ３３０）、その後、ステップＳ３２４に戻る。そのため、全ての加工区間について、予測温度と目標温度との差が所定差より小さいレーザ加工条件が設定できるようになる。
【０１４４】
ステップＳ３２８で、レーザ加工条件が決定されると、次に、第１学習部３１において予測精度向上のために学習を継続する指令の有無が判定される（ステップＳ３３１）。
ここで、学習継続の指令が出ていると判定された場合は、制御部１２によるステップＳ３３２からステップＳ３３４までの動作と、第１機械学習装置２８によるステップＳ３３５からステップＳ３４０の動作を実行することによって、第１学習部３１の学習結果を用いてレーザ加工条件を決定し、レーザ加工を行いながら、第１学習部３１は学習を継続することができる。なお、ステップＳ３３２からステップＳ３４０は、先のステップＳ３１０からステップＳ３２０のうちから、学習モデルの構築に関するステップＳ３１７とステップＳ３１９だけを抜いた動作に相当する
【０１４５】
ステップＳ３４０で、学習モデル更新部３３が、誤差計算部３２が計算した誤差に応じて学習モデルを更新した後、続いて、制御部１２は、指令されたレーザ加工が終了したか否かを判定する（ステップＳ３４１）。レーザ加工が終了していないと判定された場合は、ステップＳ３３３に戻ってレーザ加工を継続し、レーザ加工が終了していると判定された場合は、制御部１２は、三次元レーザ加工システム２００に対して動作停止指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ３４６）。動作停止指令が出ていると判定された場合は動作を終了し、動作停止指令が出ていないと判定された場合は、ステップＳ３０１に戻り、指令入力部２０に新しいレーザ加工実施指令が入力されるまで待機する。
【０１４６】
ステップＳ３３１で、学習継続の指令が出ていないと判定された場合は、制御部１２からの指令によって、レーザ装置２は、レーザ加工を開始する（ステップＳ３４２）。レーザ加工の開始後、光検出手段１１等によって異常な信号が検出されていないかが常に監視される（ステップＳ３４３）。異常信号が検出されると、レーザ加工条件が補正され（ステップＳ３４４）、ステップＳ３４５で、指令されたレーザ加工が終了したと判定されるまで、ステップＳ３４３に戻って、レーザ加工を継続する。ステップＳ３４３で異常信号が検出されない場合は、次のステップＳ３４５で指令されたレーザ加工が終了したと判定された後、制御部１２は、三次元レーザ加工システム２００に対して動作停止指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ３４６）。動作停止指令が出ている場合は動作を終了し、動作停止指令が出ていない場合は、ステップＳ３０１に戻り、指令入力部２０に新しいレーザ加工実施指令が入力されるまで待機する。
【０１４７】
以上のように、ステップＳ３２７で、全ての加工区間について、予測温度と目標温度との差が所定差より小さくなるまで非定常熱流体シミュレーションを繰り返すことによって、加工条件設定装置４は、温度の時間変化データが目標通りになるようにレーザ加工条件を修正できる。そのため、本実施形態の三次元レーザ加工システム２００は、複雑な形状を持つようなワーク８に対しても、加工点や加工点の近傍の温度を目標温度に維持しながらレーザ加工を行うことが可能になる。本実施形態の第１機械学習装置２８は、レーザ加工条件と、そのレーザ加工条件に対するシミュレーション結果との両方を状態データとして観測することによって、シミュレーション結果がヒントになるので、シミュレーション結果を状態データとして観測しない場合に比べて、新たなレーザ加工条件に対して温度検出手段２６によって検出される温度の時間変化データを予測できるようになるための学習を比較的容易に進めることができる。
【０１４８】
なお、本実施形態において、異常信号を検出した時にレーザ加工条件を補正する動作（ステップＳ３１１とステップＳ３１２、ステップＳ３３３とステップＳ３３４、ステップＳ３４３とステップＳ３４４）は、前述のように簡略化して記載しているが、本実施形態においても、図１２ＢのフローチャートにおけるステップＳ１１７からステップＳ１２２の動作、あるいは、図１４ＢのフローチャートにおけるステップＳ２１８からステップＳ２２３の動作と同様に、レーザ加工中に、光検出手段１１によって検出された戻り光の光量が許容レベルを超えたと判定された場合や、測距手段２５によって測定された加工ヘッド９と加工点との間の距離が所定の距離からずれた場合や、温度検出手段２６で検出された加工点の温度あるいは加工点の近傍の表面温度がシミュレーション結果から予測されている温度からずれた場合は、予め設定されたレーザ加工条件の少なくとも一部を補正して、補正されたレーザ加工条件でレーザ加工を継続することが望ましい。
【０１４９】
温度検出手段２６で検出される加工点の温度あるいは加工点の近傍の表面温度については、第１学習部３１が予測した温度の時間変化データを参照して修正した後に決定したレーザ加工条件で加工していても、予測した温度と異なってくる可能性がある。これは、第１学習部３１の学習が不充分である場合や、第１学習部３１の学習が充分進んでいても、レーザ加工中にレーザ装置２や駆動装置３の周辺状態が変化した場合や、ワーク８の表面状態がばらついていたりする場合に発生する。しかし、加工点の温度あるいは加工点の近傍の表面温度が予測した温度と異なっても、本実施形態の三次元レーザ加工システム２００によれば、レーザ加工条件を補正することによって、加工不良の発生が抑制できる。但し、第１学習部３１が学習中にレーザ加工条件を補正した場合は、補正したレーザ加工条件も状態データとして観察して学習を進めることが望ましい。
【０１５０】
なお、図１６Ａ〜図１６Ｄのフローチャートを見れば明らかなように、ステップＳ３１９で学習済みフラグがＯＮになり、学習を継続する必要がなくなると、ラベル取得部３０からラベルを取得する必要がなくなるので、ラベル取得部３０を取り外すことも可能である。
【０１５１】
＜第４実施形態＞
図１７は、本発明の第４実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
第４実施形態の三次元レーザ加工システム３００は、第３実施形態の三次元レーザ加工システム２００に対して、更に、上位コンピュータ３４と、上位ネットワーク３５と、下位ネットワーク３６とを備えている。レーザ装置２、駆動装置３及び第１機械学習装置２８は、それぞれ複数台含まれている。一つの第１機械学習装置２８と複数のレーザ装置２とが下位ネットワーク３６を介して接続されることにより、一つの製造セル３７が構成される。レーザ装置２は、それぞれに少なくとも一つのレーザ発振器５と、制御部１２と、レーザ発振器５からのレーザ出力を出射する少なくとも一つの加工ヘッドと、を備えている。
【０１５２】
また、複数の製造セル３７と上位コンピュータ３４とが上位ネットワーク３５を介して接続される。上位コンピュータ３４が、加工条件設定装置４のうちの少なくとも熱流体シミュレーション部１７として機能し、少なくとも熱流体シミュレーション部１７による非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション条件であるレーザ加工条件と、少なくとも非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション結果の一部である温度検出手段で検出されると予測される温度の時間変化データとが、上位ネットワーク３５と下位ネットワーク３６とを経由して、第１機械学習装置２８の第１状態観測部２９に入力される。本実施形態では、上位コンピュータ３４は、熱流体シミュレーション部１７と移動状態シミュレーション部１６との機能を果たす構成を有している。
【０１５３】
温度検出手段によって検出された温度の時間変化データは、下位ネットワーク３６を経由して第１機械学習装置２８のラベル取得部３０に入力される。これにより、上位ネットワーク３５と下位ネットワーク３６を介して複数の第１学習部３１間で、学習モデルが共有されるようになっている。
【０１５４】
なお、図の複雑化を避けるために、図１７においては、レーザ装置２について、制御部１２とレーザ発振器５以外の機能ブロックは省略されている。加工条件設定装置４についても、加工条件設定制御部１９、移動状態シミュレーション部１６、熱流体シミュレーション部１７、加工条件設定部１８以外の機能ブロックは省略されている。
【０１５５】
温度検出手段によって検出された温度の時間変化データであるラベルをリアルタイムで処理して学習を進める必要がある第１機械学習装置２８は、数台から数十台のレーザ装置２が接続されたフォグネットワークとも言われている下位ネットワーク３６に接続され、リアルタイム性がそれほど要求されないが計算負荷の非常に大きい非定常熱流体シミュレーションは、上位ネットワーク３５に接続されたクラウドサーバなどの上位コンピュータ３４で行うことによって、要求される処理のリアルタイム性と大規模処理能力を両立させることができる。
【０１５６】
＜第５実施形態＞
図１８は、本発明の第５実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
第５実施形態の三次元レーザ加工システム４００は、図１に示した第１実施形態の三次元レーザ加工システム１に対して、更に、インライン画像モニタリング装置３８と、第２機械学習装置３９と、を備えている。三次元レーザ加工システム４００は、加工ヘッド９に、図１には示されていない測距手段２５も有している。
【０１５７】
インライン画像モニタリング装置３８は、ワーク８の画像データを取得可能な装置である。ワーク８の画像データとは、ワーク８のレーザ加工中の部分とレーザ加工直後の部分との少なくともいずれかの部分のワーク８の表面あるいはワーク８の内部の二次元的形状あるいは三次元的形状を表す画像データである。
【０１５８】
具体的には、インライン画像モニタリング装置３８は、デジタル二次元撮像装置、ＣＣＤ測定顕微鏡、白色干渉計、レーザ顕微鏡（形状測定マイクロスコープ）、非接触三次元測定装置、光源と赤外線カメラから構成される光励起非破壊検査装置、超音波探傷試験装置、誘導加熱式非破壊検査装置、Ｘ線透過撮像装置、放射線透過撮像装置、アコースティックエミッション試験装置等であり、レーザ加工中に、レーザ照射による溶融池（溶融部と固体部分の固液界面）、溶融池内の気泡、キーホール、レーザ誘起プルーム、レーザ誘起プラズマ等の形状をリアルタイムでモニタリングする。
【０１５９】
レーザ加工の種類が切断の場合には、インライン画像モニタリング装置３８は、レーザによる切断面の平滑度あるいは面粗度、切断部近傍表裏面の数珠状付着物（ドロス）の単位切断長さ当たりの体積、裏面の単位面積当たりのスパッタ付着量、切断面のスケール（酸化物）色濃度、切断寸法・形状精度、切断面の垂直度等、レーザ加工の結果を示す形状をモニタリングするためにも使用される。また、レーザ加工の種類が熔接の場合には、インライン画像モニタリング装置３８は、レーザによる熔接部のクラック、ポロシティ、ブローホール、ピンホール、溶け込み不良、融合不良、アンダーカット・オーバーラップ、ハンピング等のレーザ加工の結果を示す形状をモニタリングするためにも使用される。
【０１６０】
第２機械学習装置３９は、第２状態観測部４０と、判定データ取得部４１と、第２学習部４２と、意志決定部４３と、を備える。第２状態観測部４０は、少なくとも、加工条件設定部１８によって設定されたレーザ加工条件と、設定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果として画像データに対応するワーク８の形状データを含む、三次元レーザ加工システム４００の内外の状態を観測し、状態データとして出力する。判定データ取得部４１は、インライン画像モニタリング装置３８によって得られた時系列的な画像データを取得して、取得した画像データと、予め記録しておいた評価点が付いたサンプル画像データとの比較結果を判定データとして出力する。第２学習部４２は、第２状態観測部４０と判定データ取得部４１からの出力を受け取る。意志決定部４３は、第２学習部４２の学習結果である価値関数をもとに、第２学習部４２から出力するレーザ加工条件を決定する。
【０１６１】
また、第２学習部４２は、判定データから報酬を計算する報酬計算部４４と、計算された報酬をもとに、価値関数を逐次更新する価値関数更新部４５とを備える。第２学習部４２は、意志決定部４３から出力されたレーザ加工条件を、第２状態観測部４０から入力された状態データと判定データ取得部４１から入力された判定データとに関連付けて、判定データをもとに各状態における最適なレーザ加工条件を試行錯誤的に学習する。
【０１６２】
次に、図１９Ａ〜図１９Ｄを用いて、第５実施形態の三次元レーザ加工システム４００の具体的な動作の一例について説明する。図１９Ａ〜図１９ＢＤ、第５実施形態の三次元レーザ加工システム４００の動作の一例を示すフローチャートである。
三次元レーザ加工システム４００が起動されると、加工条件設定制御部１９は、レーザ加工を実施する指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ４０１）。レーザ加工実施指令が出ると、加工条件設定制御部１９は、主にレーザ装置２の制御部１２から、レーザ加工条件を設定する対象のレーザ装置２や駆動装置３の性能や仕様等の装置情報を読み込むと共に、指令入力部２０から指令のあったレーザ加工内容を読み込む（ステップＳ４０２）。
【０１６３】
次に、加工条件設定制御部１９の指令により、データ取得部２１に材質の熱物性が定義されたワーク８の三次元ＣＡＤデータと加工ヘッド９の三次元ＣＡＤデータとが、ＣＡＤデータ記録部２２に読み込まれる（ステップＳ４０３）。その後、加工条件設定制御部１９からの指令により、先ず、移動状態シミュレーション部１６が、加工条件設定制御部１９が読み込んだ装置情報やレーザ加工内容と、ＣＡＤデータ記録部２２に記録されているワーク８と加工ヘッド９との三次元ＣＡＤデータを使用して、ワーク８に対する加工ヘッド９の相対的な移動状態のシミュレーションを実施し、最も短時間でレーザ加工を終了できる加工ヘッド９の相対的移動条件を求める（ステップＳ４０４）。
【０１６４】
移動状態シミュレーションの結果、加工条件設定制御部１９は、加工ヘッド９がワーク８に干渉することなく移動できるか否かを判定する（ステップＳ４０５）。その結果、干渉すると判定された場合は、加工条件設定制御部１９は、表示部２３に、加工ヘッド９がワーク８に干渉するので指令されたレーザ加工は実施できないことを表示し（ステップＳ４０６）、その後、ステップＳ４０１に戻り、新しいレーザ加工実施指令が入力されるまで待機する。一方、ステップＳ４０５で、加工ヘッド９がワーク８に干渉せずに移動できると判定された場合、熱流体シミュレーション部１７は、加工条件設定制御部１９によって仮設定されたレーザ加工条件で非定常熱流体シミュレーションを実施し（ステップＳ４０７）、非定常熱流体シミュレーションを行ったレーザ加工条件をレーザ加工条件として仮決定する（ステップＳ４０８）。
【０１６５】
なお、本実施形態の三次元レーザ加工システム４００は、加工条件設定制御部１９によるレーザ加工条件の仮設定のために、第２実施形態の三次元レーザ加工システム１００のように、レーザ加工の種類毎に、板状ワークの材質と厚さとを含むワーク条件に対して実質的に最適な既得最適レーザ加工条件を記録した加工条件記録部を備え、加工条件記録部に記録されている既得最適レーザ加工条件を参照するようにしてもよい。
【０１６６】
続いて、第２状態観測部４０は、加工条件設定部１８によって仮決定されたレーザ加工条件と、仮決定されたレーザ加工条件に対するシミュレーション結果として画像データに対応するワーク８の形状データを含む、三次元レーザ加工システム４００の内外の状態を観測する（ステップＳ４０９）。第２状態観測部４０が観測した状態データは、第２学習部４２に出力される（ステップＳ４１０）。第２学習部４２は、第２状態観測部４０から入力された状態データに対して、第２学習部４２の学習結果である価値関数をもとに、予め記録しておいた評価点が付いたサンプル画像データを参照して、インライン画像モニタリング装置３８によって得られる時系列的な画像データが評価点の高い画像データになると推定されるレーザ加工条件を予測する（ステップＳ４１１）。その後、意志決定部４３は、出力するレーザ加工条件を決定し、その決定されたレーザ加工条件を、加工条件設定制御部１９を経由して制御部１２に出力し、レーザ加工が開始される（ステップＳ４１２）。
【０１６７】
レーザ加工が開始されると、レーザ加工中は、制御部１２が光検出手段１１による戻り光の検出結果から戻り光の光量を抑制する必要があるか否かを監視している。ステップＳ４１４で、戻り光の光量が許容レベルを超えたと判定された場合は、例えば、制御部１２からの指令により、戻り光の光量を下げるためにレーザ光出力を下げると共に、加工ヘッド９のワーク８に対する相対移動速度も下げて、加工点あるいは加工点の近傍の温度をできるだけ所定温度に維持する等のレーザ加工条件の補正を行い（ステップＳ４１５）、その後、ステップＳ４１６に進む。
【０１６８】
ステップＳ４１４で、戻り光の光量が許容レベルを超えていない判定された場合は、直接ステップＳ４１６に進む。ステップＳ４１６では、制御部１２は、測距手段２５によって測定された加工ヘッド９のレーザ光出射側端面から加工点までの距離が、予め設定したレーザ加工条件から見て正常か否かを判定する。その結果、正常でないと判定された場合は、制御部１２は、加工ヘッド９のレーザ光出射側端面から加工点までの距離が所定の距離になるように、測距手段２５による測定結果に基づいて、加工ヘッド９の相対的移動条件を補正し（ステップＳ４１７）、その後、ステップＳ４１８に進む。ステップＳ４１６で、正常であると判定された場合は、直接ステップＳ４１８に進む。
【０１６９】
ステップＳ４１８では、加工条件設定制御部１９は、加工条件設定制御部１９に記録されている学習済みフラグがＯＦＦの状態か否かを判定する。学習済みフラグがＯＦＦの状態であれば、未だ第２機械学習装置３９は学習中であり、判定データ取得部４１が、レーザ加工中にインライン画像モニタリング装置３８によって得られた時系列的な画像データを取得し、予め記録しておいた評価点が付いたサンプル画像データと比較して評価する（ステップＳ４１９）。その後、判定データ取得部４１は、ステップＳ４１９で得られた時系列的な画像データの評価点を、第２学習部４２に判定データとして出力する（ステップＳ４２０）。
【０１７０】
続いて、第２学習部４２は、判定データとして第２学習部４２に入力された画像データの評価点が、予め設定された合格点より高いか否かを判定する（ステップＳ４２１）。その結果、評価点が合格点より高い場合は、報酬計算部４４は、評価点と合格点との差に応じて、差が大きい程、大きなプラスの報酬を計算する。一方、評価点が合格点より低い場合は、制御部１２がリアルタイムでレーザ加工条件を補正する（ステップＳ４２３）。その後、報酬計算部４４は、評価点と合格点との差に応じて、差が大きい程、大きなマイナスの報酬を計算する。
【０１７１】
報酬が計算されると、価値関数更新部４５は、計算された報酬をもとに、逐次価値関数を更新する（ステップＳ４２５）。なお、制御部１２によってレーザ加工条件が一時的に補正された場合は、制御部１２によって補正されたレーザ加工条件でレーザ加工が行われた加工区間に対応した画像データについては、報酬を計算する対象から除くことが望ましい。
【０１７２】
続いて、報酬計算部４４が算出した最新の所定個数の報酬の平均値である報酬の移動平均値が、予め設定された目標値より大きいか否か判定される（ステップＳ４２６）。その結果、報酬の移動平均値が目標値より大きいと判定された場合は、第２学習部４２による学習は充分進んだと判断され、加工条件設定制御部１９は、加工条件設定制御部１９に記録されている学習済みフラグをＯＮに切り換える（ステップＳ４２７）。続いて、制御部１２は、指令されたレーザ加工が終了したか否かを判定する（ステップＳ４２８）。ここで、レーザ加工が終了していないと判定された場合は、ステップＳ４１４に戻ってレーザ加工を継続する。一方、レーザ加工が終了していると判定された場合は、制御部１２は、三次元レーザ加工システム４００に対して動作停止指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ４２９）。動作停止指令が出ていると判定された場合は動作を終了し、動作停止指令が出ていないと判定された場合は、ステップＳ４０１に戻り、指令入力部２０に新しいレーザ加工実施指令が入力されるまで待機する。
【０１７３】
以上のように、学習済みフラグがＯＮの状態になるまで、ステップＳ４０１からステップＳ４２９までの動作を繰り返すことによって、第２学習部４２は、意志決定部４３から出力したレーザ加工条件を、第２状態観測部４０から入力された状態データと判定データ取得部４１から入力された判定データとに関連付けて、判定データをもとに各状態における最適なレーザ加工条件を試行錯誤的に学習する。
【０１７４】
第２学習部４２が機械学習によって学習を進めることによって、インライン画像モニタリング装置３８で撮像した時系列的な画像データが、良好なレーザ加工結果に直結する高い評価点が付いたサンプル画像データに一致するようなレーザ加工条件が出力できるようになる。また、レーザ加工条件とそのレーザ加工条件に対するシミュレーション結果として画像データに対応するワーク８の形状データを含む状態データを観測することによって、レーザ加工条件のどの条件を変えると、どのようにレーザ加工時あるいはレーザ加工直後のワーク形状が変化するかというシミュレーション結果がヒントになるので、各状態における最適なレーザ加工条件の学習を効率的に進めることができる。
【０１７５】
なお、ステップＳ４１８で、学習済みフラグがＯＮであると判定された場合は、直接、ステップＳ４２８に進むようにして、判定データ取得部４１による判定データの取得や、報酬計算部４４による報酬の計算を行わないようにしても良いが、学習済みであっても、インライン画像モニタリング装置３８によって得られた時系列的な画像データに基づいて、レーザ加工条件を補正する機能を継続させてもよい。
【０１７６】
その場合、ステップＳ４１８で、加工条件設定制御部１９は、学習済みフラグがＯＮであると判定すると、画像データに基づくレーザ加工条件の補正機能を継続するかどうかの指令が出ているか否かを判定する（ステップＳ４３０）。その結果、補正機能を継続するかどうかの指令が出ている場合は、継続して、判定データ取得部４１が、レーザ加工中にインライン画像モニタリング装置３８によって得られた時系列的な画像データを取得し、予め記録しておいた評価点が付いたサンプル画像データと比較して評価し（ステップＳ４３１）、時系列的な画像データの評価点を、最終的には制御部１２に入力されるように出力する（ステップＳ４３２）。次いで、制御部１２は、画像データの評価点が合格点より低いか否かを判定する（ステップＳ４３３）。評価点が合格点より低いと判定された場合は、リアルタイムでレーザ加工条件を補正し（ステップＳ４３４）、その後、ステップＳ４２８に進むようにしてもよい。ステップＳ４３３で、画像データの前記評価点が合格点より高いと判定された場合は、直接ステップＳ４２８に進む。
【０１７７】
なお、画像データの評価点によってレーザ加工条件を補正するか否かの判断基準として、本実施形態では、評価点を合格点と比較して、その大小関係で判定している。しかし、レーザ加工条件を補正するか否かの判断をするために評価点と大小を比較する点数は、学習済みか否かを判定する際の合格点と一致させる必要はなく、例えば、学習済みか否かを判定する際の合格点より低い点数に設定してもよい。
【０１７８】
画像データに基づいてレーザ加工条件を補正する機能を継続させることによって、第２学習部４２の学習が不充分であったり、第２学習部４２の学習が充分であっても、レーザ加工中にレーザ装置２や駆動装置３の周辺状態が変化したり、ワーク８の表面状態がばらついていたりすると、第２機械学習装置３９から出力されたレーザ加工条件で加工中に、画像データが評価点の高いサンプル画像データから僅かに乖離してくる可能性があるが、レーザ加工条件を補正することによって、加工不良の発生は抑制できる。
【０１７９】
また、レーザ加工条件を補正する場合、例えば、レーザ光出力を上げるべきなのか、下げるべきなのかを判定できるように、第２学習部４２の学習結果を参照してもよいし、温度検出手段を備えて、その検出結果を参考にするようにしてもよい。また、例えば、プラズマ光検出手段を新たに備えて、検出されたプラズマの強度を参考にして、レーザ加工条件を補正するようにしてもよい。
【０１８０】
なお、本実施形態においては、最適なレーザ加工条件を決定する過程で、第３実施形態の三次元レーザ加工システム２００に比べて、非定常熱流体シミュレーションを実施する回数が少なくなるようにしている理由は、ワーク８の温度が上昇して、ワーク８が固体から液体や気体、あるいは更に電離した気体に相当するプラズマに相遷移するが、熔融部における液相の流れやプラズマの発生等を考慮した厳密な非定常熱流体シミュレーションでは、非常に計算負荷が大きいためである。
【０１８１】
＜第６実施形態＞
図２０は、本発明の第６実施形態の三次元レーザ加工システムの概念的な構成を示すブロック図である。
第６実施形態の三次元レーザ加工システム５００は、第５実施形態の三次元レーザ加工システム４００に対して、更に、上位コンピュータ３４と、上位ネットワーク３５と、下位ネットワーク３６とを備えている。レーザ装置２、駆動装置３及び第２機械学習装置３９は、それぞれ複数台含まれている。一つの第２機械学習装置３９と複数のレーザ装置２とが下位ネットワーク３６を介して接続されることにより、一つの製造セル３７０が構成される。レーザ装置２は、それぞれに少なくとも一つのレーザ発振器５と、制御部１２と、レーザ発振器５からのレーザ出力を出射する少なくとも一つの加工ヘッドと、を備えている。
【０１８２】
また、複数の製造セル３７０と上位コンピュータ３４とが、上位ネットワーク３５を介して接続される。上位コンピュータ３４は、加工条件設定装置４のうちの少なくとも熱流体シミュレーション部１７として機能する。少なくとも熱流体シミュレーション部１７による非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション条件であるレーザ加工条件と、少なくとも非定常熱流体シミュレーションのシミュレーション結果の一部である画像データに対応するワーク８の形状データとが、上位ネットワーク３５と下位ネットワーク３６とを経由して、第２機械学習装置３９の第２状態観測部４０に入力される。本実施形態では、上位コンピュータ３４は、熱流体シミュレーション部１７と移動状態シミュレーション部１６の機能を果たす構成を有している。
【０１８３】
インライン画像モニタリング装置によって撮像された画像データは、下位ネットワーク３６を経由して第２機械学習装置３９の判定データ取得部４１に入力され、上位ネットワーク３５と下位ネットワーク３６を介して複数の第２学習部４２間で価値関数が共有されている。
【０１８４】
なお、図の複雑化を避けるために、図２０においては、レーザ装置２については、制御部１２とレーザ発振器５以外の機能ブロックを省略している。また、加工条件設定装置４についても、加工条件設定制御部１９、移動状態シミュレーション部１６、熱流体シミュレーション部１７、加工条件設定部１８以外の機能ブロックを省略している。
【０１８５】
インライン画像モニタリング装置によって撮像された時系列の画像データを、リアルタイムで判定データに加工して、必要があればレーザ加工条件を補正し、報酬計算部で報酬を計算して、報酬に応じて価値関数を更新する必要がある第２機械学習装置３９は、数台から数十台のレーザ装置２が接続されたフォグネットワークとも言われている下位ネットワーク３６に接続し、リアルタイム性がそれほど要求されないが計算負荷の非常に大きい非定常熱流体シミュレーションは、上位ネットワーク３５に接続されたクラウドサーバなどの上位コンピュータ３４で行うことによって、要求される処理のリアルタイム性と大規模処理能力を両立させることができる。
【符号の説明】
【０１８６】
１，１００，２００，３００，４００，５００  三次元レーザ加工システム
２  レーザ装置
３  駆動装置
４  加工条件設定装置
５  レーザ発振器
６  電源部
７  光ファイバ
８  ワーク
９  加工ヘッド
１０  レーザ光学系
１１  光検出手段
１２  制御部
１３  ロボット
１４  ロボット制御部
１５  保持機構部
１６  移動状態シミュレーション部
１７  熱流体シミュレーション部
１８  加工条件設定部
１９  加工条件設定制御部
２０  指令入力部
２１  データ取得部
２２  ＣＡＤデータ記録部
２３  表示部
２４  加工条件記録部
２５  測距手段
２６  温度検出手段
２８  第１機械学習装置
２９  第１状態観測部
３０  ラベル取得部
３１  第１学習部
３２  誤差計算部
３３  学習モデル更新部
３４  上位コンピュータ
３５  上位ネットワーク
３６  下位ネットワーク
３７，３７０  製造セル
３８  インライン画像モニタリング装置
３９  第２機械学習装置
４０  第２状態観測部
４１  判定データ取得部
４２  第２学習部
４３  意志決定部
４４  報酬計算部
４５  価値関数更新部
【図１】
2020069492.tif 000008
【図２】
2020069492.tif 000009
【図３】
2020069492.tif 000010
【図４】
2020069492.tif 000011
【図５】
2020069492.tif 000012
【図６】
2020069492.tif 000013
【図７】
2020069492.tif 000014
【図８】
2020069492.tif 000015
【図９】
2020069492.tif 000016
【図１０】
2020069492.tif 000017
【図１１】
2020069492.tif 000018
【図１２Ａ】
2020069492.tif 000019
【図１２Ｂ】
2020069492.tif 000020
【図１３】
2020069492.tif 000021
【図１４Ａ】
2020069492.tif 000022
【図１４Ｂ】
2020069492.tif 000023
【図１５】
2020069492.tif 000024
【図１６Ａ】
2020069492.tif 000025
【図１６Ｂ】
2020069492.tif 000026
【図１６Ｃ】
2020069492.tif 000027
【図１６Ｄ】
2020069492.tif 000028
【図１７】
2020069492.tif 000029
【図１８】
2020069492.tif 000030
【図１９Ａ】
2020069492.tif 000031
【図１９Ｂ】
2020069492.tif 000032
【図１９Ｃ】
2020069492.tif 000033
【図１９Ｄ】
2020069492.tif 000034
【図２０】
2020069492.tif 000035