JP2015160217A - Three-dimensional molding device, three-dimensional molding article, and control program for three-dimensional molding device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、三次元造形装置、三次元造形物の造形方法、および三次元製造装置の制御プログラムに関する。 The present invention relates to a three-dimensional modeling apparatus, a three-dimensional modeled modeling method, and a control program for a three-dimensional manufacturing apparatus.
金属の溶接ワイヤを溶融して形成される溶接ビードを積層して、三次元造形物を造形する三次元造形装置が知られている。
[先行技術文献]
[特許文献]
[特許文献1]特開2000―15363号公報
A three-dimensional modeling apparatus that forms a three-dimensional model by laminating weld beads formed by melting a metal welding wire is known.
[Prior art documents]
[Patent Literature]
[Patent Document 1] Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-15363
下層のビードに対して積層する上層のビードを斜め方向に積み上げる場合に、主に重力方向への垂れが要因となって上層のビードが目標高さに到達せず、そのまま積層工程を繰り返すと、造形物全体として高さ方向に大きな誤差を生じるばかりか、三次元形状そのものが崩れてしまうことがあった。 When stacking the upper layer beads to the lower layer bead in an oblique direction, the upper layer bead does not reach the target height mainly due to the drooping in the gravity direction, and the stacking process is repeated as it is, In addition to causing a large error in the height direction of the entire model, the three-dimensional shape itself sometimes collapsed.
本発明の第1の態様における三次元造形装置は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構と、溶滴により形成された第1溶接ビードに、第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量に基づいて演算する演算部と、演算部により演算されたパラメータ値に基づいて溶接トーチおよび移動機構を制御する制御部とを備える。 The three-dimensional modeling apparatus according to the first aspect of the present invention includes a welding torch for sending a molten metal melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate, and a moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch. And the amount of droplets to be delivered when the second weld bead is formed by being displaced from the center line in the extending direction of the first weld bead on the first weld bead formed by the droplets. A calculation unit that calculates a parameter value for controlling the value based on the amount of deviation from the center line, and a control unit that controls the welding torch and the moving mechanism based on the parameter value calculated by the calculation unit.
本発明の第2の態様における三次元造形装置は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出する溶接トーチと、基板とトーチとを相対的に移動させる移動機構と、溶滴により形成された第1溶接ビードの形状を計測する計測部と、第1溶接ビードに、第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量と計測部の計測結果に基づいて演算する演算部と、演算部により演算されたパラメータ値に基づいて溶接トーチおよび移動機構を制御する制御部とを備える。 The three-dimensional modeling apparatus according to the second aspect of the present invention includes a welding torch for sending a droplet in which a metal wire is melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate, and a moving mechanism for relatively moving the substrate and the torch. A measurement unit for measuring the shape of the first weld bead formed by the droplets and a first weld bead formed by laminating the second weld bead by deviating from the center line in the extending direction of the first weld bead A calculation unit that calculates a parameter value for controlling the droplet amount of the droplet to be sent based on the deviation from the center line and the measurement result of the measurement unit, and based on the parameter value calculated by the calculation unit And a control unit for controlling the welding torch and the moving mechanism.
本発明の第3の態様における三次元造形物の造形方法は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第1溶接ビードに、第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量に基づいて演算する演算工程と、演算工程により演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程とを有する。 In the method for modeling a three-dimensional structure according to the third aspect of the present invention, a first weld bead is formed on a first weld bead formed by feeding a droplet obtained by melting a metal wire by arc discharge in the direction of an opposing substrate. When the second weld bead is formed by being deviated from the center line in the extending direction, a parameter value for controlling the amount of droplet to be delivered is calculated based on the amount of deviation from the center line. And a control step for controlling a welding torch for sending droplets and a moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch based on the parameter values calculated by the calculation step.
本発明の第4の態様における三次元造形物の造形方法は、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第1溶接ビードの形状を計測する計測工程と、第1溶接ビードに、第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量と計測工程の計測結果に基づいて演算する演算工程と、演算工程により演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程とを有する。 In the method for modeling a three-dimensional structure according to the fourth aspect of the present invention, measurement is performed to measure the shape of the first weld bead formed by sending a molten metal melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate. And a parameter value for controlling the amount of droplets to be delivered when the second weld bead is formed by laminating the first weld bead from the center line in the extending direction of the first weld bead. A calculation process based on the amount of deviation from the center line and the measurement result of the measurement process, a welding torch for sending droplets based on the parameter value calculated by the calculation process, and a substrate and a welding torch And a control step of controlling a moving mechanism that moves relatively.
本発明の第5の態様における三次元製造装置の制御プログラムは、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第1溶接ビードに、第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量に基づいて演算する演算ステップと、演算ステップにより演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させる。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a control program for a three-dimensional manufacturing apparatus, wherein a first weld bead is formed on a first weld bead formed by sending a molten metal wire melted by arc discharge in the direction of an opposing substrate. When the second weld bead is formed by being deviated from the center line in the extending direction, a parameter value for controlling the amount of droplet to be delivered is calculated based on the amount of deviation from the center line. Based on the calculation step and the parameter value calculated in the calculation step, the computer is caused to execute a welding torch for sending a droplet and a control step for controlling a moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch.
本発明の第6の態様における三次元製造装置の制御プログラムは、金属ワイヤをアーク放電により溶融した溶滴を対向する基板の方向へ送出して形成された第1溶接ビードの形状を計測する計測ステップと、第1溶接ビードに、第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を中心線からの偏位量と計測ステップの計測結果に基づいて演算する演算ステップと、演算ステップにより演算されたパラメータ値に基づいて、溶滴を送出する溶接トーチ、および基板と溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップとをコンピュータに実行させる。 The control program for the three-dimensional manufacturing apparatus according to the sixth aspect of the present invention measures the shape of the first weld bead formed by sending a molten metal melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate. Step and parameter values for controlling the amount of droplets to be delivered when the second weld bead is stacked on the first weld bead by deviating from the center line in the extending direction of the first weld bead A calculation step for calculating the deviation from the center line and the measurement result of the measurement step, a welding torch for sending droplets based on the parameter value calculated by the calculation step, and the substrate and the welding torch. And causing the computer to execute a control step of controlling the moving mechanism that moves relatively.
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not enumerate all the necessary features of the present invention. In addition, a sub-combination of these feature groups can also be an invention.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. In addition, not all the combinations of features described in the embodiments are essential for the solving means of the invention.
図1は、本実施形態に係る三次元造形装置100の構成を示す模式図である。三次元造形装置100は、基台110と、基台110に支えられ、重力方向であるz軸に直交するy軸方向に移動するステージ120と、ステージ120の移動を妨げない位置に配置され、基台110からz軸方向へ伸びる支柱130を備える。支柱130は、z軸方向へ伸びるガイドラックを有し、当該方向へ移動できるように可動アーム140を支持する。可動アーム140は、x軸方向へ伸びるガイドラックを有し、当該方向へ移動できるようにホルダー150を支持する。ステージ120のy軸方向への移動、可動アーム140のz軸方向への移動およびホルダー150のx軸方向への移動は、それぞれに設けられたアクチュエータによって行われる。これらアクチュエータを含む移動機構の駆動は、制御部400によって、駆動ユニット440を介して実行される。
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating a configuration of a three-
ホルダー150は、装着された溶接トーチ200をz軸方向に沿うように固定する。溶接トーチ200の一端側にはガイドチューブ160が接続されている。ガイドチューブ160は、そのチューブ内空間を介して金属の溶接ワイヤ210と後述のシールドガスを溶接トーチ200へ供給する。
The
溶接トーチ200の他端側は、ステージ120に載置された基板510に対向している。基板510は、ステージ120に設けられたチャック310によって固定されている。溶接トーチ200の他端側から引き出される溶接ワイヤ210は、アーク放電によって溶融され、対向する基板510側へ溶滴として送出される。溶滴は基板510上に積層され、目標とする三次元の造形物520が形成される。具体的には後述するが、これら一連の動作は、制御部400によって、放電ユニット420を介して実行される。
The other end side of the
溶接トーチ200の外周部には、例えばCCD撮像センサから成る画像センサ220が装着されている。画像センサ220は、形成される造形物520を撮影して画像データを画像ユニット430へ送る。画像ユニット430は、造形物520の三次元形状を計測して計測結果を制御部400へ引き渡す。
An
図においては各構造の説明のために点線で示すが、ステージ120上には、冷却槽300が載置されている。冷却槽300は、冷却水で満たされており、基板510、造形物520などは冷却水に浸されている。
In the drawing, a
制御部400は、三次元造形装置100の全体を統括的に制御する。制御部400は、取得部450を介して外部のCADシステム700からCADデータを取得する。記憶部460は、例えばフラッシュメモリであり、三次元造形装置100を動作させる制御プログラム、各種パラメータ値、後述するルックアップテーブル等を記憶している。制御部400は、記憶部460からこれらを適宜読み出して利用、参照する。制御部400は、演算部410を包含する。換言すれば、制御部400は、演算部410としても機能する。演算部410は、例えばCADデータに沿って造形物520を形成するときに、適用するパラメータ値を補正するための補正演算を行う。
The
次に、目標物である三次元形状の造形物520が形成される様子について説明する。図2は、溶接トーチ200の先端部近傍の拡大断面図である。溶接トーチ200は円筒形状を成し、内部の円筒空間には同軸上に給電部201が配置されている。溶接トーチ200内に引き込まれた溶接ワイヤ210は、給電部201と接触摺動することにより電力が供給される。
Next, how the three-dimensional
また、ガイドチューブ160を介して送り込まれてくるシールドガス202は、溶接トーチ200の円筒空間を通過して、端部開口から基板510へ向けて噴射される。シールドガス202は、例えば二酸化炭素であり、溶滴211など溶融した溶接ワイヤ210が空気と触れることを防ぐと共に、溶滴211の飛散を防ぐ役割を担う。
Further, the
溶接ワイヤ210と基板510あるいは既に形成されたビード521との間で、給電部201による電力供給によりアーク放電が発生し、溶融した溶滴211が滴下してビード521の一部を形成する。
An arc discharge is generated between the
溶接ワイヤ210がz軸マイナス方向(重力方向)に送られ、その先端が滴下目標位置との間で適切な高さとなるように、溶接トーチ200の全体がz方向に移動される。基板510は、ステージ120のy軸方向への移動に追従する。図は、y軸方向を伸延方向とするビード521の断面を表しており、ステージ120を溶滴211の滴下に同期してy軸方向へ移動させると、ビード521はy軸方向へ徐々に伸延する。一方、溶接トーチ200が装着されているホルダー150を溶滴211の滴下に同期してx軸方向へ移動させると、ビード521はx軸方向へ徐々に伸延する。ステージ120のy軸方向への移動と、ホルダー150のx軸方向への移動を連動させれば、ビード521を斜め方向へ伸延させることもできる。
The
ビード521を積層する場合、1層ずつ積み上げる方法と、一筆書き形式で連続的に積み上げる方法とが考えられる。1層ずつ積み上げる場合は、各層のビードは始点と終点で連結される。この場合は、下層のビードが終点に到達したら溶滴211の滴下を一旦停止し、溶接トーチ200を持ち上げて、上層ビードの始点を定めて再び溶滴211の滴下を開始する。一筆書き形式で連続的に積み上げる場合は、下層のビードが終点まで到達しても溶滴211の滴下を継続したまま、溶接トーチ200を持ち上げて連続的にビードを伸延させる。すなわち、下層のビードから上層のビードへの境界部を連続的に形成する。本出願人の実験結果によれば、1層ずつ積み上げる方法によると、始点と終点の境界部で重力方向の段差が生じやすく、一方で連続的に積み上げる方法によると、当該段差が生じにくく滑らかな表面を実現できることがわかった。そこで、本実施形態においては、ビードの積層を一筆書き形式で連続的に積み上げる方法を採用する。ただし、内部に複数の空洞があるなど、形成する三次元形状によっては全てを一筆書き形式で連続的に積み上げられない場合もある。その場合は一旦溶滴211の滴下を停止して下層のビードを完成させた上で、溶接トーチ200を移動させ、別の始点から新たにビードを形成しても良い。つまり、連続的に積み上げられる場合は積み上げ、そうでない場合には不連続な接続箇所を最小限に抑えつつ積層すると良い。このとき、形成する三次元形状の対称性を考慮して不連続な接続箇所を設定すると良い。
When the
図3は、造形物520の例を示す模式図である。図3(a)は斜視図であり、図3(b)は側面図である。図の例によれば、造形物520は、一本のビード521を螺旋状に積み重ねて形成された、側面の一部が傾斜した長円柱である。長側面の一端側近傍では第1補助線901で示すように、側面は基板510の表面に対して直立している。そして、一端側から他端側へ向かって徐々に傾斜し、他端側近傍では第2補助線902で示すように、基板510の表面の法線に対してθだけ傾斜している。
FIG. 3 is a schematic diagram illustrating an example of the modeled
このようなオーバーハングを有する三次元形状の造形物520を、ビード521の積層により形成する場合、下層のビード521の伸延方向の中心線から偏位させて上層のビード521を積層することにより傾斜を実現する。このとき、何ら補正制御を行うことなく積層工程を実行すると、積み重ねる上層のビード521が固化前に重力方向に垂れて、目標とする積み重ね高さを実現できなかった。すると、造形物520全体として高さ方向に大きな誤差を生じるばかりか、傾斜角θまでもが大きくなってしまい、場合によっては三次元形状そのものが崩れてしまうことがあった。そこで、本実施形態においては、下層のビード521の伸延方向の中心線から偏位させて上層のビード521を積層する場合に、補正制御を行う。以下に補正制御を具体的に説明する。
When the three-dimensional
図4は、下層ビード5211の伸延方向に直交する断面における、下層ビード5211と、上層ビードとして積層する積層ビード5212の相対的な位置関係を示す図である。下層ビード5211はy軸方向が伸延方向であり、積層ビード5212も伸延方向はy軸方向であるが、下層ビード5211に対して少し偏位した位置に積層する。より具体的には、下層ビード5211の伸延方向の中心線に対して、積層ビード5212の伸延方向の中心線を、x軸方向にdだけ偏位させる。つまり、積層ビード5212は、下層ビード5211の中心線からx軸方向にdだけ偏位した位置を狙って、図示する滴下ラインに沿って溶滴211を滴下することにより形成する。
FIG. 4 is a diagram illustrating a relative positional relationship between the
このように偏位量dを定めると、下層ビード5211に対する積層ビード5212のxz平面における傾斜角は、図のようにθとなる。より正確には、xz平面での断面において、下層ビード5211の中心線を通過する重力方向の垂直線と、当該中心線と積層ビード5212の目標高さの頂点とを結ぶ傾斜線とが成す傾斜角がθである。積層ビード5212を積層することにより積み重ねられる高さの目標値をHとすると、
tanθ=d/H …(1)
が成り立つ。また、図示するように、滴下ラインと下層ビード5211の交点から下層ビード5211の頂点までの高さをeとする。すると、滴下ライン上において積み重ねるべき高さはθの関数として、
H(θ)=H+e …(2)
と表される。ここで、下層ビード5211の上面を、図示するxz平面の断面において、伸延方向の中心線を頂点とする二次関数C:
y=ax2 (ただしaは係数) …(3)
で近似すると、
e=|aH2tan2θ| …(4)
が成り立つ。したがって、(4)式を(2)式に代入して、
H(θ)=H+|aH2tan2θ| …(5)
を得る。
When the deviation amount d is determined in this way, the inclination angle of the
tan θ = d / H (1)
Holds. Further, as shown in the figure, the height from the intersection of the dropping line and the
H (θ) = H + e (2)
It is expressed. Here, the upper surface of the
y = ax 2 (where a is a coefficient) (3)
When approximated by
e = | aH 2 tan 2 θ | (4)
Holds. Therefore, substituting equation (4) into equation (2),
H (θ) = H + | aH 2 tan 2 θ | (5)
Get.
以上において、係数aは、画像センサ220が下層ビード5211を撮影して得られた画像データを画像ユニット430が解析して断面形状を同定し、演算部410がその結果に二次関数をフィッティングさせて算出される。あるいは、画像ユニット430が下層ビード5211の幅を同定し、制御部400は、予め記憶部460に用意されているビード幅と係数aの相関関数またはルックアップテーブルを参照して係数aを決定する。画像センサ220および画像ユニット430を備えない場合には、下層ビード5211の形状を解析することなく、下層ビード5211を形成したときのパラメータから係数aを決定しても良い。例えば、ビードの伸延方向(図ではy方向)の単位長さ当たりに滴下した溶滴211の溶滴量と係数aの関係を予め実験的に取得してルックアップテーブルを作成し、これを記憶部460に記憶しておく。制御部400は、下層ビード5211を形成したときの当該溶滴量を、記憶部460に記憶させておいたルックアップテーブルに当てはめて係数aを決定する。なお、着目するパラメータは単位長さ当たりに滴下した溶滴211の溶滴量に限らず、変更し得るさまざまなパラメータ値を入力値としても良い。例えば、溶接トーチ200のxy方向への送り速度と、給電部201の印加電圧等の2つ以上のパラメータに係数aを相関させたルックアップテーブルを作成しても良い。この場合、下層ビード5211を形成したときの溶接トーチ200のxy方向への送り速度と、給電部201の印加電圧等を当該ルックアップテーブルに当てはめれば係数aを決定することができる。
In the above, the coefficient a is determined by the
単位時間当たりに送出される溶滴211の滴下量を一定とした場合に、平板基板上に形成されるビードの高さH0は、当該平板基板に対する溶接トーチ200の送り速度Fと以下の関係があることが実験的に確認された。
H0=kFm (ただしk、mは定数) …(6)
例えば、H(mm)に対するF(mm/min)とする実験結果として、k=35.568、m=−0.57が得られた。
When the dropping amount of the
H 0 = kF m (where k and m are constants) (6)
For example, k = 35.568 and m = −0.57 were obtained as experimental results for F (mm / min) with respect to H (mm).
また、
H0≒H(θ) …(7)
の近似式を用いた場合の実験結果が良好であることがわかった。そこで、(7)式に(5)式と(6)式を代入するて展開すると、
F=[{H+|aH2tan2θ|}/k](1/m) …(8)
の補正式を導くことができる。
Also,
H 0 ≈H (θ) (7)
It was found that the experimental results were good when using the approximate expression. Therefore, when expanding by substituting the equations (5) and (6) into the equation (7),
F = [{H + | aH 2 tan 2 θ |} / k] (1 / m) (8)
The correction formula can be derived.
本実施形態においては、この補正式(8)を用いて溶接トーチ200の送り速度を補正する。具体的には、(6)式に関して、さまざまなH0の値に対してk、F、mを予め実験的に同定しておき、これらの組み合わせの値をルックアップテーブルとして記憶部460に記憶させておく。造形物520の造形時において、積層ビード5212の偏位量dから傾斜角θが定まると(CADデータから先に傾斜角θが定まっても良い)、H(θ)が決定されるので、(7)式の関係を用いて記憶部460のルックアップテーブルを参照する。ルックアップテーブルから対応するk、F、mが決定されると、(8)式により実際に駆動する送り速度Fが決定される。
In the present embodiment, the feed rate of the
なお、以上の説明においては、単位時間当たりに送出される溶滴211の滴下量を一定としたが、送出される溶滴量を可変パラメータとしても良い。溶滴量を可変パラメータとする場合には、これに関連する溶接ワイヤ210の供給速度、供給電力の電圧値および電流値等の少なくともいずれかを変更すれば良い。この場合、これらの可変パラメータを変化させたときのそれぞれに対するk、F、mを予め実験的に同定しておけば良い。このようなルックアップテーブルが予め用意されていれば、造形物520の造形時においても、送出する溶滴量を変更した場合の送り速度Fを導出できるなど、柔軟な補正制御を行うことができる。
In the above description, the drop amount of the
以上の補正制御を適用した造形物520の形成工程について説明する。図5は、第1実施例における形成工程を示すフロー図である。一連のフローは、基板510がステージ120に固定され、冷却槽300に冷却水が満たされるなどのセットアップが完了した時点から開始される。
The formation process of the molded
制御部400は、ステップS101で、取得部450を介してCADシステム700からCADデータを取得する。制御部400は、取得したCADデータから、一筆書き形式でビードを積み上げるパスデータを生成する。生成されるパスデータは、下層ビードに対する積層ビードの偏位量の情報、各層の目標高さの情報等を含む。
In step S101, the
制御部400は、ステップS102へ進み、これから溶滴211を送出して形成する積層ビードの目標位置が、下層ビードの直上であるか否かを、生成したパスデータから判断する。なお、基板510に直接形成される最下層のビードを形成する場合は、下層ビードの直上であると判断する。直上であるとは、基板510に対して積層ビードを鉛直方向に積み上げる場合である。したがって、制御部400は、鉛直方向に積み上げる場合にYESと判断し、傾斜させて積み上げる場合にNOと判断する。
The
ステップS102でNOと判断すると、制御部400は、ステップS103へ進み、偏位量を生成したパスデータから同定する。そして、ステップS104へ進み、制御部400は、画像ユニット430が計測した下層ビードの断面形状を受け取る。そして、ステップS105で、取得した断面形状に二次関数を当てはめ、上述の係数aを決定する。
If NO is determined in step S102, the
制御部400は、ステップS106で、パスデータに含まれる目標高さの情報等から上述のH(θ)を算出し、このH(θ)に対応する上述のk、F、mを記憶部460に記憶されているルックアップテーブルを参照して決定する。演算部410は、ステップS107で、これら決定した制御値を用いて制御パラメータとして溶接トーチ200の送り速度Fの値を決定する。もちろん、上述のように、溶接トーチ200の送り速度F以外の制御パラメータの制御値を変更しても良い。
In step S106, the
このように制御パラメータの制御値が決定されたら、制御部400は、ステップS108へ進み、決定された制御値が実現されるように制御を実行する。具体的には、放電ユニット420を介して溶接トーチ200からの溶滴211の送出を制御し、駆動ユニット440を介して基板510と溶接トーチ200の相対移動を制御する。このような制御により、積層ビードの伸延方向に対する断面において、積層ビードは目標値に極めて近い高さと傾斜角を実現する。
When the control value of the control parameter is determined in this way, the
制御部400は、ステップS109で、積層ビードの伸延方向に、距離D0分進んだか否かを判断する。具体的には、駆動ユニット440が駆動した駆動量あるいはフィードバックされた基板510と溶接トーチ200の相対的な移動量により判断する。ここで、距離D0は、予め定められた一定値としても良いし、パスデータから算出される偏位量dの変化量が予め定められた範囲から外れるまでの可変値としても良い。距離D0に到達するまではステップS107で決定された制御パラメータ値を適用して制御を継続すべく、ステップS108へ戻る。距離D0に到達したらステップS110へ進む。
In step S109, the
制御部400は、ステップS110で、終了点に到達したか否かを判断する。終了点に到達していないと判断した場合は、ステップS102へ戻って積層ビードの形成を継続する。終了点に到達したと判断した場合には、造形物520が完成したと判断して一連の処理を終了する。
In step S110,
ステップS102で積層ビードの目標位置が下層ビードの直上であると判断した場合には、制御部400は、ステップS111へ進む。制御部400は、ステップS111で、パスデータから目標高さの情報をH0として同定し、上述のk、F、mを記憶部460に記憶されているルックアップテーブルを参照して決定する。そして、上述の(6)式から溶接トーチ200の送り速度Fの値を決定する。もちろん、溶接トーチ200の送り速度F以外の制御パラメータの制御値を変更しても良い。このように制御パラメータの制御値が決定されたら、制御部400は、ステップS108へ進み、上述通りの動作を実行する。
If it is determined in step S102 that the target position of the laminated beads is directly above the lower layer bead, the
以上の第1実施例においては、積層ビードが下層ビードに対して直上に積層されるか偏位して積層されるかにより制御を分岐した。しかし、制御を分岐させることなく処理することもできる。以下に第2実施例を説明する。 In the first embodiment described above, the control is branched depending on whether the laminated bead is laminated immediately above or displaced from the lower layer bead. However, it is also possible to process without branching the control. The second embodiment will be described below.
図6は、第2実施例における形成工程を示すフロー図である。第2実施例においては、下層ビードが必ずしもパスデータ通りに形成されず、誤差を含みうる場合に有効である。第1実施例と同様に、一連のフローは、基板510がステージ120に固定され、冷却槽300に冷却水が満たされるなどのセットアップが完了した時点から開始される。
FIG. 6 is a flowchart showing a forming process in the second embodiment. The second embodiment is effective when the lower layer bead is not necessarily formed according to the path data and may contain an error. Similar to the first embodiment, a series of flows is started when the setup is completed such that the
制御部400は、ステップS201で、取得部450を介してCADシステム700からCADデータを取得する。制御部400は、取得したCADデータから、一筆書き形式でビードを積み上げるパスデータを生成する。生成されるパスデータは、下層ビードに対する積層ビードの偏位量の情報、各層の目標高さの情報等を含む。
In step S201, the
制御部400は、ステップS202で、画像ユニット430が計測した下層ビードの形状を受け取る。ここでは、画像ユニット430は、断面形状に限らず、伸延方向の中心線の位置、伸延方向のベクトル、下層ビードを含むすでに積層したビードの面の傾き角も計測し、制御部400に引き渡す。制御部400は、ステップS203で、受け取った下層ビードの形状情報とパスデータとから、下層ビードが設計位置に対してどれだけ誤差を持っているのかを算出する。そして、ステップS204で、パスデータから得られる溶滴211の滴下目標位置を修正する。これにより、ステップS205で、修正された偏位量dが決定される。このとき、すでに積層したビードの面の傾き角を考慮して偏位量dを修正しても良い。例えば、設計値に対して計測した傾き角が大きい場合には、積層ビードの傾斜角が小さくなるように偏位量dを修正しても良いし、逆に計測した傾き角が小さい場合には、積層ビードの傾斜角が大きくなるように偏位量dを修正しても良い。
In step S202, the
制御部400は、ステップS206で、取得した下層ビードの断面形状に二次関数を当てはめ、上述の係数aを決定する。そして、制御部400は、ステップS207で、パスデータに含まれる目標高さの情報、修正された偏位量d等から上述のH(θ)を算出し、このH(θ)に対応する上述のk、F、mを記憶部460に記憶されているルックアップテーブルを参照して決定する。演算部410は、ステップS208で、これら決定した制御値を用いて制御パラメータとして溶接トーチ200の送り速度Fの値を決定する。もちろん、上述のように、溶接トーチ200の送り速度F以外の制御パラメータの制御値を変更しても良い。
In step S206, the
このように制御パラメータの制御値が決定されたら、制御部400は、ステップS209へ進み、決定された制御値が実現されるように制御を実行する。具体的には、放電ユニット420を介して溶接トーチ200からの溶滴211の送出を制御し、駆動ユニット440を介して基板510と溶接トーチ200の相対移動を制御する。このような制御により、積層ビードの伸延方向に対する断面において、積層ビードは目標値に極めて近い高さと傾斜角を実現する。
When the control value of the control parameter is determined in this way, the
制御部400は、ステップS210で、積層ビードの伸延方向に、距離D0分進んだか否かを判断する。具体的には、駆動ユニット440が駆動した駆動量あるいはフィードバックされた基板510と溶接トーチ200の相対的な移動量により判断する。ここで、距離D0は、予め定められた一定値としても良いし、パスデータから算出される偏位量dの変化量が予め定められた範囲から外れるまでの可変値としても良い。また、ステップS202で取得した伸延方向のベクトルに応じて変更しても良い。例えば、下層ビードの計測されたベクトルが、パスデータによる伸延方向のベクトルに対して、大きくずれているほど、距離D0を短くすると良い。
In step S210,
距離D0に到達するまではステップS208で決定された制御パラメータ値を適用して制御を継続すべく、ステップS209へ戻る。距離D0に到達したらステップS211へ進む。 Until the distance D 0 is reached, the control parameter value determined in step S208 is applied and control is continued to return to step S209. The distance D 0 processing proceeds to step S211 upon reaching.
制御部400は、ステップS211で、終了点に到達したか否かを判断する。終了点に到達していないと判断した場合は、ステップS202へ戻って積層ビードの形成を継続する。終了点に到達したと判断した場合には、造形物520が完成したと判断して一連の処理を終了する。
In step S211, the
以上説明した第1実施例または第2実施例により、造形物520が完成する。この後、マシニングセンタ等の加工機により仕上げ加工が施され、基板510から分離されて、三次元形状の造形物を製造する一連の工程が完了する。もちろん、三次元造形装置100による加工精度で十分であれば、仕上げ加工を省略することもできる。
The shaped
ここでいくつかの実験データを紹介する。図7は、実験に係る諸元値である。ここでは設定する制御パラメータとして溶接ワイヤ素材、溶接ワイヤ直径、印加電流、印加電圧、溶接トーチ送り速度、シールドガスの種類と混合比、シールドガス量を選択している。この条件のもと、図3で示した三次元形状を目標として造形物520を形成する実験を行った。
Here are some experimental data. FIG. 7 shows specification values related to the experiment. Here, the welding wire material, the welding wire diameter, the applied current, the applied voltage, the welding torch feed speed, the type and mixing ratio of the shielding gas, and the shielding gas amount are selected as the control parameters to be set. Under these conditions, an experiment was performed to form a modeled
図8は、図3の形状を目標として造形した実験結果である。横軸は、設計値として設定した傾斜角度であり、縦軸は、実際に形成された面の誤差角度である。黒丸のプロットは補正制御を行わなかった結果で有り、白丸のプロットは補正制御を行った結果である。グラフが示すように、誤差角度は、いずれも補正制御有りの方が小さい。特に設定角度が30°近傍で顕著である。 FIG. 8 shows the experimental results of modeling with the shape of FIG. 3 as a target. The horizontal axis is the tilt angle set as the design value, and the vertical axis is the error angle of the actually formed surface. The black circle plot is the result of no correction control, and the white circle plot is the result of correction control. As shown in the graph, the error angle is smaller when there is correction control. This is particularly noticeable when the set angle is around 30 °.
以上、本実施形態および実験結果を説明したが、補正制御はさまざまなバリエーションを適用して行うことができる。本実施形態における補正制御は、下層ビードに、その伸延方向の中心線から偏位させて積層ビードを積層して形成する場合に、送出する溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を当該中心線からの偏位量に基づいて演算するが、上述のように演算されるパラメータ値は溶接トーチ200の送り速度Fに限らない。例えば直接的に溶滴量を演算し、この溶滴量が送出されるように関連するパラメータ値を決定しても良い。この場合、溶接トーチ200が引き込む溶接ワイヤ210の引込速度、および基板510と溶接トーチ200の相対速度のいずれかを変更するように制御しても良い。
Although the present embodiment and the experimental results have been described above, the correction control can be performed by applying various variations. In this embodiment, the correction control is performed by setting the parameter value for controlling the droplet amount of the droplet to be delivered when the laminated bead is formed by deviating from the center line in the extending direction on the lower layer bead. Although the calculation is performed based on the deviation amount from the line, the parameter value calculated as described above is not limited to the feed speed F of the
溶滴211の送出についても、さまざまな態様を採用し得る。給電部201の印加電圧、電流を調整することにより、一度に送出される溶滴量を変更することができるので、同一の目標位置に一滴の滴下に限らず、複数回の滴下を行っても良い。
Various modes can be adopted for delivery of the
また、移動機構が基板510に対して溶接トーチ200を傾ける機構を含む構成とすれば、制御部400は、下層ビードに対する積層ビードの傾斜角に応じて溶接トーチ200を傾けるように制御しても良い。例えば、傾斜角方向に沿って溶滴211を滴下できれば、傾斜面であっても滑らかな表面にすることができる。
Further, if the moving mechanism includes a mechanism for tilting the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。 As mentioned above, although this invention was demonstrated using embodiment, the technical scope of this invention is not limited to the range as described in the said embodiment. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications or improvements can be added to the above-described embodiment. It is apparent from the scope of the claims that the embodiments added with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The order of execution of each process such as operations, procedures, steps, and stages in the apparatus, system, program, and method shown in the claims, the description, and the drawings is particularly “before” or “prior to”. It should be noted that the output can be realized in any order unless the output of the previous process is used in the subsequent process. Regarding the operation flow in the claims, the description, and the drawings, even if it is described using “first”, “next”, etc. for convenience, it means that it is essential to carry out in this order. It is not a thing.
100 三次元造形装置、110 基台、120 ステージ、130 支柱、140 可動アーム、150 ホルダー、160 ガイドチューブ、200 溶接トーチ、201 給電部、202 シールドガス、210 溶接ワイヤ、211 溶滴、220 画像センサ、300 冷却槽、310 チャック、400 制御部、410 演算部、420 放電ユニット、430 画像ユニット、440 駆動ユニット、450 取得部、460 記憶部、510 基板、520 造形物、521 ビード、5211 下層ビード、5212 積層ビード、700 CADシステム、901 第1補助線、902 第2補助線
DESCRIPTION OF
Claims (20)
前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構と、
前記溶滴により形成された第1溶接ビードに、前記第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量に基づいて演算する演算部と、
前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて前記溶接トーチおよび前記移動機構を制御する制御部と
を備える三次元造形装置。 A welding torch for sending droplets of metal wire melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate;
A moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch;
When the second weld bead is formed by laminating the first weld bead formed by the droplet from the center line in the extending direction of the first weld bead, the droplet of the droplet to be sent out is formed. A calculation unit for calculating a parameter value for controlling the amount based on a deviation amount from the center line;
A three-dimensional modeling apparatus comprising: a control unit that controls the welding torch and the moving mechanism based on the parameter value calculated by the calculation unit.
前記演算部は、前記ルックアップテーブルを参照して前記二次関数を定める請求項3に記載の三次元造形装置。 A storage unit for storing a lookup table in which parameter values forming the first weld bead and coefficients of the quadratic function are associated;
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 3, wherein the calculation unit determines the quadratic function with reference to the lookup table.
前記演算部は、前記断面計測部によって計測された断面形状に基づいて前記二次関数を定める請求項3に記載の三次元造形装置。 Prior to the delivery of the droplets for forming the second weld bead, a cross-section measurement unit that measures the shape of the cross section of the first weld bead,
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 3, wherein the calculation unit determines the quadratic function based on a cross-sectional shape measured by the cross-section measurement unit.
前記演算部は、傾斜計測部によって計測された傾きに基づいて前記傾斜角を修正する請求項6または7に記載の三次元造形装置。 Prior to the delivery of the droplets to form the second weld bead, an inclination measuring unit that measures the inclination of the already stacked weld beads including the first weld bead,
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 6 or 7, wherein the calculation unit corrects the tilt angle based on the tilt measured by the tilt measuring unit.
前記制御部は、前記傾斜角に基づいて前記トーチを傾ける請求項6から8のいずれか1項に記載の三次元造形装置。 The moving mechanism includes a mechanism for tilting the torch with respect to the substrate;
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 6, wherein the control unit tilts the torch based on the tilt angle.
前記基板と前記トーチとを相対的に移動させる移動機構と、
前記溶滴により形成された第1溶接ビードの形状を計測する計測部と、
前記第1溶接ビードに、前記第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測部の計測結果に基づいて演算する演算部と、
前記演算部により演算された前記パラメータ値に基づいて前記溶接トーチおよび前記移動機構を制御する制御部と
を備える三次元造形装置。 A welding torch for sending droplets of metal wire melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate;
A moving mechanism for relatively moving the substrate and the torch;
A measuring unit for measuring the shape of the first weld bead formed by the droplets;
A parameter value for controlling the amount of droplets to be delivered when the first weld bead is formed by laminating the second weld bead by deviating from the center line in the extending direction of the first weld bead. Calculating unit based on the amount of deviation from the center line and the measurement result of the measurement unit,
A three-dimensional modeling apparatus comprising: a control unit that controls the welding torch and the moving mechanism based on the parameter value calculated by the calculation unit.
前記制御部は、前記偏位量に基づいて前記トーチを傾ける請求項11から14のいずれか1項に記載の三次元造形装置。 The moving mechanism includes a mechanism for tilting the torch with respect to the substrate;
The three-dimensional modeling apparatus according to claim 11, wherein the control unit tilts the torch based on the deviation amount.
前記演算工程により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程と
を有する三次元造形物の造形方法。 The second weld bead is displaced from the center line in the extending direction of the first weld bead on the first weld bead formed by sending a molten metal melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate. When forming by laminating, a calculation step of calculating a parameter value for controlling the droplet amount of the droplet to be sent out based on the deviation amount from the center line,
Three-dimensional modeling having a welding torch for delivering the droplets and a control step for controlling a moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch based on the parameter value calculated by the calculation step Method for modeling objects.
前記第1溶接ビードに、前記第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測工程の計測結果に基づいて演算する演算工程と、
前記演算工程により演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御工程と
を有する三次元造形物の造形方法。 A measuring step of measuring the shape of the first weld bead formed by sending a molten metal melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate;
A parameter value for controlling the amount of droplets to be delivered when the first weld bead is formed by laminating the second weld bead by deviating from the center line in the extending direction of the first weld bead. Calculating step based on the amount of deviation from the center line and the measurement result of the measuring step,
Three-dimensional modeling having a welding torch for delivering the droplets and a control step for controlling a moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch based on the parameter value calculated by the calculation step Method for modeling objects.
前記演算ステップにより演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップと
をコンピュータに実行させる三次元製造装置の制御プログラム。 The second weld bead is displaced from the center line in the extending direction of the first weld bead on the first weld bead formed by sending a molten metal melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate. A calculation step of calculating a parameter value for controlling the droplet amount of the droplet to be sent out based on the deviation amount from the center line when forming by laminating,
Based on the parameter value calculated in the calculation step, the computer executes a welding torch for sending the droplet and a control step for controlling a moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch. Control program for 3D manufacturing equipment.
前記第1溶接ビードに、前記第1溶接ビードの伸延方向の中心線から偏位させて第2溶接ビードを積層して形成する場合に、送出する前記溶滴の溶滴量を制御するパラメータ値を前記中心線からの偏位量と前記計測ステップの計測結果に基づいて演算する演算ステップと、
前記演算ステップにより演算された前記パラメータ値に基づいて、前記溶滴を送出する溶接トーチ、および前記基板と前記溶接トーチとを相対的に移動させる移動機構を制御する制御ステップと
をコンピュータに実行させる三次元製造装置の制御プログラム。 A measurement step of measuring the shape of the first weld bead formed by sending a molten metal melted by arc discharge in the direction of the opposing substrate;
A parameter value for controlling the amount of droplets to be delivered when the first weld bead is formed by laminating the second weld bead by deviating from the center line in the extending direction of the first weld bead. A calculation step for calculating a deviation amount from the center line and a measurement result of the measurement step;
Based on the parameter value calculated in the calculation step, the computer executes a welding torch for sending the droplet and a control step for controlling a moving mechanism for relatively moving the substrate and the welding torch. Control program for 3D manufacturing equipment.
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