三次元レーザ加工機の新素材加工に対応した
CAD／CAM ソフト CamMagicTL- Ⅱのデジタルツイン技術開発
名古屋事業所

製造ソリューションシステム統括部

CAM・ソリューション部

設計課

・藤城伸司



要旨

三菱電機
（株）が開発した CFRP 切断用三次元レーザ

ル（ワークモデル）と三次元レーザ加工機情報をデジタ

加工機 CV シリーズ（以下 CV）は，特殊な機構によル化した加工機モデルを持ち，加工経路の生成，治具のり従来は困難とされていた CFRP の切断を可能にし作成，衝突検知シミュレータ等の機能を備えている。そた三次元レーザ加工機である。CFRP（Carbon Fiber

れらの機能に CV の特徴である W 軸を制御するためのReinforced Plastic）は炭素繊維強化プラスティックと以下の対応を行った。

いう素材で，硬くて軽いという特性を持ち，航空機器や（１）W 軸制御処理自動車部品などへの需要が高まってきている。しかし，製品に煤汚れが付着しないための噴射方向やサイドガ

金属素材とは異なる繊維素材であるため高品質に切断すス噴射装置と加工対象物との自動衝突回避による Wることができず，切断する時に発生する煤（すす）が製軸の値を算出。

品に付着する問題があった。CV は高出力パルス発振器（２）シミュレーションによるデジタルツインの促進による CFRP の高品質な切断を可能にし，レーザ照射

機械モデルに W 軸で駆動するサイドガス噴射装置を先端にサイドガス噴射装置を装着し，煤を端材側に噴射加えた衝突検知機能やサイドガス噴射による汚れ範囲することで製品の煤汚れを防ぐ機構を備えている。サイをデジタル化することによる製品の汚れ予測，さらにドガス噴射方向を制御するための駆動軸（W 軸）も装は CV 設計時に用いた CAD データを基にした正確な備している。

ヘッド形状を持つ加工機モデルを備え，それらをアニ

CamMagicTL- Ⅱ（以下 TL）は三次元レーザ加工機メーションで表現し，仮想空間での正確なシミュレーを駆動するための NC プログラムを CAD モデルから効ションによるデジタルツインを実現。

率よく生成できるため，多くの三次元レーザ加工機ユー

本稿では，この CV シリーズに対応した TL の CAMザに利用されている。新開発の CV も立体形状の CFRP新技術を紹介する。

材を切断するために TL が必要となる。TL はパソコン上にワーク（加工対象物）をデジタル化した三次元モデ46

１．まえがき（レーザ加工の概要）

で，煤を吹き飛ばし製品への汚れ付着を防止する。

レーザ加工機は平板状の材料に対応した二次元レーザ加工機と，立体形状の切断にも対応可能な三次元レーザ加工がある。二次元レーザ加工機，三次元レーザ加工機ともに一般的には数十 mm 程度までの主に金属素材の切断に利用される。しかし軽量・高強度な材料として注目されている CFRP（Carbon Fiber Reinforced Plastic）の切断に対して従来のレーザ加工機では次のような課題があった。
・ CFRP 材に含まれる炭素繊維と樹脂では熱物性が異なり，熱で加工するレーザ切断に不向き
・ 切断時の高温な材料蒸気や粉塵の発生，材料への熱図１．２

影響による加工品質の低下

サイドガス噴射による煤の除去

三菱電機
（株）
は，これらの課題を解決した CFRP 切断

そのためには，切断する形状に応じて，ガスの噴射用三次元レーザ加工機 CV シリーズ（以下 CV，図１. １）方向を変更する必要があり，CV では従来の５軸にサを発売した。この CV の開発において，CFRP 切断を可イドガス噴射方向の制御軸（W 軸）を追加した６軸能にするために搭載した新制御に対応するために，加工（XYZCAW）による制御機構を保有したレーザ加工機機開発と同時に CAM 機能も連携して開発を行った。本となっている（図１．３）。

稿では，CV の機能と，それに連携して開発した CAM技術について紹介する。

図１．１

図１．３

CV シリーズ（CV リーフレットより引用）
１．２

１．１

CFRP 切断用レーザ加工機の特徴

CV シリーズの軸説明

オフラインティーチングの役割り

オフラインティーチングソフトである CamMagicTL- ⅡCFRP とは炭素繊維強化プラスティックという素材（以下 TL）は，パソコン上に，ワーク（加工対象物）とで，鉄やアルミ等の金属素材と比較すると硬くて軽いと三次元レーザ加工機をデジタル化した三次元のワークモデいう特長がある。自動車の電動化や航空業界への適用にルと加工機モデルを持ち，これらを元に加工機を動作させより CFRP の使用量は 2025 年には 2.5 倍，2035 年にる NC データを生成するソフトウェアである（図１．
４）。

は 10 倍と大きく増加する見込みである（出展：富士経済炭素繊維複合材料関連技術・用途市場の展望 2020）。
しかし，繊維素材のため従来のレーザ加工機では高品質な切断ができなかった。また加工時に煤が発生するため製品に汚れが付着するという問題があった。CV は独自の高出力パルス発振により CFRP の高品質な切断を可能にした。また，図１．２のようなレーザ照射先端位置に横方向（レーザ照射方向に対し垂直な方向）にガスを噴射する装置（サイドガス噴射装置）を装着している。

図１．４

この装置を用いて発生した煤を端材側に噴射すること

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CamMagicTL- Ⅱそれぞれについて次節で説明する。

TL は主に以下の機能を保有している。
１）自動衝突回避が可能な経路生成機能
２）経路編集機能

２．１

高さ調節センサの向き制御

３）衝突検知シミュレータ機能（図１．５）（１）CV 機能CV には，高さ調節センサにより加工時のレーザ焦点４）NC データ生成機能

距離を適切に保持するハイト制御機構が備わっている。

５）治具作成機能（図１．６）

CFRP から発生する煤の汚れがセンサに付着しないよう
本製品を CV に対応するため TL への機能追加開発をに，CV は高さ調節センサがサイドガス噴射装置の真下行った。主な開発内容は煤の付着を防止するサイドガスに設置されている。サイドガス噴射装置は W 軸によりの噴射方向を W 軸で制御する処理を，上記１）〜４）のレーザ光の周りを回転しセンサ位置の方向を変更するこ

既存機能に組み入れることである。とができる。
（２）TL 機能高さ調節センサをレーザ照射部の進行方向側に位置する様に，照射位置と照射姿勢に加え W 軸姿勢を計算し，NC データを生成する（図２．１）。

図１．
５

衝突検知シミュレータ

図２．１

２．２

CV のハイトセンサ

サイドガス噴射方向の制御

CFRP を加工した時に生ずる煤が製品に付着しないよう，サイドガスにより端材側に煤を吹き飛ばす必要がある。そのために TL は加工線に対しどちらが製品でどちらが端材かを判断する必要がある。図２．２のように閉曲線の加工線同士の包含関係の演算から，製品側／端材
図１．
６側を適切に判定することができる。

治具作成機能にて作成された治具

２．サイドガス噴射方向（W 軸）の制御処理
CV にて CFRP 素材を加工するための NC データを生成する際，TL では以下の計算を行いサイドガス噴射方向（以下 W 軸）の値を決定している。
１）高さ調節センサの向き制御
２）サイドガス噴射方向の制御
３）サイドガス噴射による汚れ許容長さの計算

図２．２４）ワークとの衝突を自動回避
５）逆マトリクスを用いた W 軸計算

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製品と端材の認識

通 常 は 端 材 側 に サ イ ド ガ ス を 噴 射 す る が， 形 状 によっては噴射した先にある製品を汚してしまうことがある。このようなケースでは，W 軸を制御し噴射方向を回転させることで製品を汚さない噴射姿勢を算出する（図２．３）。

図２．５
図２．３

製品を汚さない噴射角度の算出
２．５

２．３

W 軸を回転した衝突回避

逆マトリクスを用いた W 軸計算

サイドガス噴射による汚れ許容長さの計算

任意の姿勢において指定した方向にサイドガスを噴加工形状によっては，噴射方向をどのように変更して射させるための W 軸角度の計算方法について紹介すも製品を汚してしまう事がある。そのような時はサイドる。ワークを加工するための最適なヘッド姿勢はレーガス噴射の勢いを弱める制御を行う。具体的には TL にザ光が加工面に垂直に照射される状態である。その方て，サイドガスの噴射で製品を汚さない最大噴射長を計

向にヘッドが傾く様に C 軸と A 軸を演算する。演算さ算し NC データに付加情報として出力する。CV はそのれた C 軸と A 軸から指定した方向にサイドガス噴射を長さを受けとりサイドガス噴射の勢いを調節する。この行うための W 軸角度を計算することが必要となる。図ように TL と CV との連携により高品質な経路生成を実形工学の分野において任意の点を射影する方法として現している（図２．４）。

一般的に４×４の射影マトリクスを用いる。C 軸と A軸，および照射位置の XYZ 軸（XYZ 位置）が決まると，５軸ヘッドをその姿勢に射影するマトリクスが一意に決まる。

図２．
４
２．４

製品を汚さない最大噴射長の計算ワークとの衝突を自動回避

前述の通り W 軸の位置を決定するが，その状態ではサイドガス噴射装置とワークが衝突して加工ができない場合がある。そのような場合は，W 軸を回転しサイ

図２．６

ドガス噴射装置の向きを変える事で衝突を回避する。

ヘッドの姿勢を決定する射影マトリクス

図２．６のように射影マトリクスは，A 回転軸を中心

TL は衝突の発生を検知し自動で回避することができるに回転するマトリクス，C 回転軸を中心に回転するマト（図２．５）。

リクス及び XYZ の位置を移動するマトリクスを乗じたマトリクスとなる。基準姿勢のヘッドに対しこの射影マトリクスを乗じる事で，加工姿勢のヘッドを求めることができる。また，射影マトリクスから逆マトリクスを算出することで，加工姿勢ヘッドから基準姿勢ヘッドに戻49

すことも可能となる。この逆マトリクスを，加工姿勢におけるサイドガス噴射方向に乗じて求まった方向と，基準姿勢における W= ０のサイドガス噴射方向とのずれ角が W 軸の値となる（図２．７）。

図３．１

図２．７

３．１

逆マトリクスによる W 軸算出

シミュレーションでのデジタルツインの実現

加工機モデルとワークモデルとの衝突検知

加工機モデルとワークモデルはいずれも三角形の集合
逆マトリクスの公式は以下の通りである。

で構成されているポリゴンモデルである。衝突検知はこ1

れらの三角形同士の交差計算を行い，交差があれば衝突-１=det( )-１

: マトリクス: マトリクスdet( ) : マトリクス

×と判断する。機械モデルは CAD データを元に生成した正確なポリゴンモデルであるため約４万個の三角形からの逆マトリクスの余因マトリクスの行列式構成されてる（図３．２）。シミュレーションは機械をアニメーション表示させながら衝突を検知するため４万個の三角形の交差計算を瞬時に行う必要がある。その計算を実現するために，あらかじめ三角形を格子状に分割し３．シミュレーションによるデジタルツイン促進た空間に配分することで演算回数を削減し高速な演算を実現している。

TL は作成した経路に対し，加工機モデルとワークモデルとの衝突検知を行うシミュレータ機能を搭載している。従来の機械モデルに W 軸にて駆動するサイドガス噴射装置を加えた衝突検知やサイドガスの噴射で汚れる範囲をデジタル化することによる製品の汚れ予測，さらには CV の設計時に用いた CAD 情報を取込んだ正確なヘッド形状を持つ加工機モデルを備える事で，仮想空間での正確なシミュレーションによるデジタルツインを実現している。実際に機械を駆動した時の衝突や加工し終わった後に発見される汚れなどを TL 上で事前に予測し，回避ができるため，お客様に安全・安心な加工経路

図３．２を提供できる（図３．１）。
３．２

ポリゴンモデル

汚れ範囲のデジタル化による汚れ予測

加工時に発生する煤を除去するためサイドガスを噴射するが，ガス噴射方向に煤汚れが付着する。汚れが製品に付着しないよう端材側に向けて噴射するよう経路を生成する。ワーク形状によっては煤が製品に付着してしまうことがある。この状況を予測する技術について紹介する。

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４．むすびサイドガスにて噴射された煤汚れは放射上に広がるためその範囲は円錐形状で近似でき，近似したサイドガス

三菱電機（株）が開発した CV シリーズは，CFRP 素材モデルをデジタル化して保持する（図３．３）。のプレス成型品を切断できるレーザ加工機であり，TLはその加工機に対応した唯一のオフラインティーチングソフトである。CFRP の需要が高まりつつある状況の中，
CV や TL の必要性も大きく期待できる分野である。その反面，新規市場のため，多くのご要望をいただく可能性もある。今後は，それらの市場ニーズに的確に対応し，レーザ加工機との連携を強化したシステム作りに尽力したい。
最後に，執筆にあたりご協力いただいた三菱電機レー
図３．
３

ザ製造部関係者の皆様に感謝申し上げる。

汚れ範囲を示すサイドガスモデル

執筆者紹介 サイドガスモデルと加工線との衝突検知を行う事で汚藤城

れ予測を行う。図のようにサイドガスモデルと加工線と1989年入社

が干渉している個所にて製品への汚れが生じていること

現在，CAM・ソリューション部 設計課 グループが予測できる（図３．４）。

リーダー


図３．
４

伸司

CAD／CAMシステムの開発に従事。

サイドガスモデルによる汚れ予測シミュレーションに用いている衝突検知や汚れ予測の技術は，２章で説明した W 軸の決定処理（製品を汚さない噴射方向の算出や衝突回避制御）にも用いられている。

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