DE112018007986T5

DE112018007986T5 - Numerische Steuervorrichtung, Vorrichtung zur additiven Fertigung und Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung

Info

Publication number: DE112018007986T5
Application number: DE112018007986.4T
Authority: DE
Inventors: Shun KAYASHIMA; Nobuyuki Sumi; Kenji Iriguchi; Seiji Uozumi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2021-05-27
Also published as: US20210245252A1; CN112912200A; JPWO2020084673A1; JP6625275B1; CN112912200B; WO2020084673A1; US11229956B2

Abstract

Eine numerische Steuervorrichtung (1) steuert eine Vorrichtung zur additiven Fertigung (100), die ein modelliertes Objekt herstellt, indem sie einen Draht (5), der ein Material ist, das durch eine Antriebskraft eines Rotationsmotors (4), bei dem es sich um eine Antriebseinheit handelt, zugeführt wird, mit einem Strahl bestrahlt und das geschmolzene Material auf ein Werkstück aufbringt. Die numerische Steuervorrichtung (1) umfasst eine Fehlererfassungseinheit (31), die einen Fehler bezüglich der Höhe des Werkstücks in der Höhenrichtung, in der das Material abgeschieden wird, erfasst. Die numerische Steuervorrichtung (1) umfasst eine Bedingungsanpassungseinheit (25), die eine Anpassungseinheit ist, die die Zufuhrmenge des Materials auf Basis des Fehlers anpasst.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine numerische Steuervorrichtung zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung für die Herstellung eines modellierten Objekts durch Aufbringen eines Materials auf ein Werkstück und ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung.
Hintergrund
Vorrichtungen zur additiven Fertigungen für die Herstellung von dreidimensionalen modellierten Objekte durch Direct Energy Deposition (DED) sind bekannt. Einige Vorrichtungen zur additiven Fertigung erzeugen modellierte Objekte, indem sie ein Material durch einen von einem Bearbeitungskopf emittierten Strahl lokal schmelzen und das geschmolzene Material auf ein Werkstück aufbringen. Eine Vorrichtung zur additiven Fertigung, bei der ein Draht, bei dem es sich um ein Metallmaterial handelt, als Material verwendet wird, bildet lineare Wulste, die das Ergebnis der Verfestigung eines geschmolzenen Metallmaterials sind, wenn die Bestrahlungsposition des Strahls verändert wird, während der Draht zu der Bestrahlungsposition geführt wird. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung stellt modellierte Objekte durch das Aufbringen von Wulsten her.
Unregelmäßigkeiten, bei denen es sich um Höhenfehler handelt, können an einer Abscheidung von Wulsten aufgrund von in der Abscheidung akkumulierter Wärme oder anderen Faktoren auftreten. Eine Wulst, die unter konstanten Bearbeitungsbedingungen geformt und auf eine Abscheidung aufgebracht wird, auf der Unregelmäßigkeiten vorhanden sind, wird Unregelmäßigkeiten vergleichbar mit den oben genannten Unregelmäßigkeiten oder Unregelmäßigkeiten mit größeren Höhenunterschieden als die der oben genannten Unregelmäßigkeiten aufweisen. Aufgrund der Bildung solcher Unregelmäßigkeiten lässt sich mit der Vorrichtung zur additiven Fertigung eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit nur schwer erreichen.
Patentdokument 1 offenbart ein Verfahren zum Schweißen eines Metallmaterials durch Bestrahlen des Metallmaterials mit Laserlicht, während dem Metallmaterial ein Draht zugeführt wird, wobei eine Bearbeitungsbedingung auf Basis eines Laststroms eines Motors eingestellt wird, bei dem es sich um eine Antriebsquelle zum Zuführen des Drahtes handelt. Gemäß dem Verfahren des Patentdokuments 1 wird der Zustand des Kontakts zwischen dem Draht und dem Werkstück auf Basis des Laststroms bestimmt und es wird eine Anpassung vorgenommen, um den Wert des Laststroms näher an einen vorgegebenen Referenzwert zu bringen, um den Kontaktzustand zu stabilisieren.
Liste der Zitate
Patentliteratur
Patentdokument 1: Japanische Offenlegungsschrift Nr. H08-309535 .
Kurzbeschreibung
Technische Problemstellung
Die Technologie des Standes der Technik gemäß dem oben genannten Patentdokument 1 weist Probleme auf, da die Höhe nicht vereinheitlicht werden kann, indem Unregelmäßigkeiten und die Zunahme der Unregelmäßigkeiten verhindert werden, selbst wenn eine Anpassung zur Stabilisierung des Kontaktzustandes durchgeführt wird, und wie oben beschrieben kann eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit möglicherweise nicht erreicht werden.
Die vorliegende Erfindung entstand angesichts der obigen Ausführungen, wobei eine Aufgabe darin besteht, eine numerische Steuervorrichtung, die eine Vorrichtung zur additiven Fertigung veranlassen kann, eine Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchzuführen, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung und ein Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung zur additiven Fertigung anzugeben.
Lösung der Problemstellung
Zur Lösung der vorgenannten Probleme und zur Erfüllung der Aufgabe steuert eine numerische Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur additiven Fertigung für die Herstellung eines modellierten Objekts durch Bestrahlen eines von einer Antriebskraft einer Antriebseinheit zugeführten Materials mit einem Strahl und Aufbringen des geschmolzenen Materials auf ein Werkstück. Die numerische Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Fehlererfassungseinheit, die einen Fehler bezüglich der Höhe des Werkstücks in einer Höhenrichtung erfasst, in der das Material aufgebracht wird, und eine Anpassungseinheit, die die Zufuhrmenge des Materials auf Basis des Fehlers anpasst.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Eine numerische Steuervorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt in vorteilhafter Weise, dass eine Vorrichtung zur additiven Fertigung eine Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchführen kann.
Figurenliste

1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer durch eine NC-Vorrichtung gesteuerten Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer funktionalen Konfiguration der NC-Vorrichtung, die die in 1 dargestellte Vorrichtung zur additiven Fertigung steuert.
3 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Hardwarekonfiguration der NC-Vorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform.
4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Bestimmung, die von einer Zustandsbestimmungseinheit durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung enthalten ist.
5 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Anpassung auf Basis eines Ergebnisses einer Bestimmung, die von der Zustandsbestimmungseinheit durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung enthalten ist.
6 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Anpassung auf Basis eines Ergebnisses einer Erfassung, die von einer Fehlererfassungseinheit durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung enthalten ist.
7 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsabläufe der in 1 dargestellten Vorrichtung zur additiven Fertigung.
8 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung von Schwellwerten, die für die in der Zustandsbestimmungseinheit vorgenommene Bestimmung verwendet werden, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung enthalten ist.
9 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Position, an der ein Draht in der in 1 dargestellten Vorrichtung zur additiven Fertigung schmilzt.
10 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Schätzung der Höhe eines Werkstücks, die von der Fehlererfassungseinheit durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung enthalten ist.
11 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Festlegung von mehreren Segmenten bei der Bearbeitung in der in 2 dargestellten NC-V orrich tung.
12 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Erfassung eines Fehlers in jedem Segment und der Anpassung der Zufuhrmenge in jedem Segment, die von der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung vorgenommen wird.
13 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der segmentweisen Anpassung der Zufuhrrate, die von der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung vorgenommen wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Im Folgenden werden eine numerische Steuervorrichtung, eine Vorrichtung zur additiven Fertigung und ein Verfahren zur Steuerung einer Vorrichtung zur additiven Fertigung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren detailliert beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist. In der folgenden Beschreibung kann die numerische Steuervorrichtung als numerische Steuerung (NC-Vorrichtung) bezeichnet werden.
Erste Ausführungsform
1 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer durch eine NC-Vorrichtung 1 gesteuerten Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 ist eine Werkzeugmaschine zur Herstellung eines modellierten Objekts durch Bestrahlen eines durch eine Antriebskraft einer Antriebseinheit zugeführten Materials mit einem Strahl und Aufbringen des geschmolzenen Materials auf ein Werkstück. Bei der ersten Ausführungsform handelt es sich bei dem Strahl um einen Laserstrahl und das Material ist ein Draht 5, der ein Metallmaterial ist.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 bildet eine Abscheidung 18 des Metallmaterials auf der Oberfläche eines Basismaterials 17, indem Wulste auf dem Basismaterial 17 abgeschieden werden. Wulste sind lineare Objekte, die durch Verfestigung des geschmolzenen Drahtes 5 gebildet werden. Das Basismaterial 17 wird auf einen Tisch 15 gelegt. In der folgenden Beschreibung bezieht sich Werkstück auf das Basismaterial 17 und die Abscheidung 18. Das modellierte Objekt bezieht sich auf das Basismaterial 17 und die Abscheidung 18, nachdem das Aufbringen von Materialien gemäß einem Bearbeitungsprogramm abgeschlossen ist. Das in 1 dargestellte Basismaterial 17 ist eine Platte. Das Basismaterial 17 kann auch ein anderes Material als eine Platte sein.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 weist einen Bearbeitungskopf 10 auf, der eine Strahldüse 11, eine Drahtdüse 12 und eine Gasdüse 13 umfasst. Die Strahldüse 11 emittiert einen Laserstrahl zum Schmelzen eines Materials in Richtung des Werkstücks. Die Drahtdüse 12 befördert den Draht 5 in Richtung der Bestrahlungsposition des Laserstrahls auf dem Werkstück. Die Gasdüse 13 erzeugt einen Gasstrahl in Richtung des Werkstücks, um die Oxidation der Abscheidung 18 zu verhindern und die Wulste zu kühlen.
Ein Laseroszillator 2, bei dem es sich um eine Strahlquelle handelt, oszilliert einen Laserstrahl. Der Laserstrahl aus dem Laseroszillator 2 wird über ein Faserkabel 3, bei dem es sich um eine optische Übertragungsstrecke handelt, zur Strahldüse 11 geführt. Eine Gaszufuhrvorrichtung 7 versorgt die Gasdüse 13 über eine Rohrleitung 8 mit Gas.
Eine Drahtspule 6, um die der Draht 5 gewickelt ist, stellt eine Materialzufuhrquelle dar. Ein Rotationsmotor 4, bei dem es sich um einen Servomotor handelt, ist eine Antriebseinheit, die die Drahtspule 6 antreibt. Der Rotationsmotor 4 erzeugt eine Antriebskraft zum Transportieren des Drahtes 5 von der Drahtspule 6. Die Drahtspule 6 dreht sich durch den Antrieb des Rotationsmotors 4. Der Draht 5 wird von der Drahtspule 6 durch die Drehung der Drahtspule 6 zugeführt.
Der von der Drahtspule 6 zugeführte Draht 5 wird durch die Drahtdüse 12 geführt und zu der Bestrahlungsposition des Laserstrahls gebracht. Es wird darauf hingewiesen, dass die Drahtdüse 12 mit einem Betätigungsmechanismus zum Abziehen des Drahtes 5 von der Drahtspule 6 versehen sein kann. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 ist zum Zuführen des Drahtes 5 zur Bestrahlungsposition des Laserstrahls mit dem mit der Drahtspule 6 gekoppelten Rotationsmotor 4 und/oder dem Betätigungsmechanismus für die Drahtdüse 12 ausgestattet. Bei einem solchen Betätigungsmechanismus handelt es sich um eine Antriebseinheit für die Zuführung des Materials. In 1 ist der Betätigungsmechanismus für die Drahtdüse 12 nicht dargestellt.
Eine Kopfantriebseinheit 14 bewegt den Bearbeitungskopf 10 jeweils in Richtung der X-Achse, der Y-Achse und der Z-Achse. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse sind drei Achsen, die senkrecht aufeinander stehen. Die X-Achse und die Y-Achse befinden sich parallel zur horizontalen Richtung. Die Z-Achsenrichtung ist die Höhenrichtung, in der das Material aufgetragen wird, also die vertikale Richtung. Es wird darauf hingewiesen, dass die in 1 durch einen Pfeil angezeigte Richtung entlang der X-Achsenrichtung auch als positive X-Richtung bezeichnet werden kann und die der positiven X-Richtung entgegengesetzte Richtung als negative X-Richtung. Es wird darauf hingewiesen, dass die durch einen Pfeil in 1 entlang der Y-Achsenrichtung angezeigte Richtung als positive Y-Richtung und die der positiven Y-Richtung entgegengesetzte Richtung als negative Y-Richtung bezeichnet werden kann. Die durch einen Pfeil in 1 entlang der Z-Achsenrichtung angezeigte Richtung kann als positive Z-Richtung bezeichnet werden und die der positiven Z-Richtung entgegengesetzte Richtung kann als negative Z-Richtung bezeichnet werden. Die positive Z-Richtung ist eine vertikal nach oben gerichtete Richtung. Die negative Z-Richtung ist eine vertikal nach unten gerichtete Richtung.
Die Kopfantriebseinheit 14 umfasst einen Servomotor, der einen Antriebsmechanismus zum Bewegen des Bearbeitungskopfes 10 in X-Achsenrichtung bildet, einen Servomotor, der einen Antriebsmechanismus zum Bewegen des Bearbeitungskopfes 10 in Y-Achsenrichtung bildet, und einen Servomotor, der einen Antriebsmechanismus zum Bewegen des Bearbeitungskopfes 10 in Z-Achsenrichtung bildet. Die Kopfantriebseinheit 14 ist ein Antriebsmechanismus, der eine translatorische Bewegung in jeder der Richtungen der drei Achsen ermöglicht. In 1 sind die Servomotoren nicht dargestellt. Bei der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 wird die Bestrahlungsposition des Laserstrahls auf dem Werkstück bewegt, indem der Bearbeitungskopf 10 durch die Kopfantriebseinheit 14 verfahren wird.
Der in 1 dargestellte Bearbeitungskopf 10 lässt den Laserstrahl in der negativen Z-Richtung aus der Strahldüse 11 austreten. Die Drahtdüse 12 ist an einer von der Strahldüse 11 in der XY-Ebene entfernten Position angeordnet und bewegt den Draht 5 in einer Richtung in einem Winkel zur Z-Achse vorwärts. Ferner kann der Bearbeitungskopf 10 den Draht 5 entlang der Zentralachse eines von der Strahldüse 11 emittierten Laserstrahls vorschieben. Somit können die Strahldüse 11 und die Drahtdüse 12 koaxial angeordnet sein. Die Strahldüse 11 kann einen Laserstrahl mit einer auf eine Ringform um den Draht 5 eingestellten Form des Strahlquerschnitts oder mehrere um den Draht 5 verteilte Strahlen emittieren. Solche Laserstrahlen sind so eingestellt, dass sie an der Bestrahlungsposition auf dem Werkstück konvergieren.
Die Gasdüse 13 des in 1 dargestellten Bearbeitungskopfes 10 ist an einer von der Strahldüse 11 in der XY-Ebene entfernten Position angeordnet und erzeugt einen Gasstrahl in einer Richtung in einem Winkel zur Z-Achse. Darüber hinaus kann der Bearbeitungskopf 10 einen Gasstrahl entlang der Mittelachse des von der Strahldüse 11 ausgehenden Laserstrahls erzeugen. Demnach können die Strahldüse 11 und die Gasdüse 13 koaxial angeordnet sein.
Eine Rotationsantriebseinheit 16 ist ein Antriebsmechanismus, der eine Drehbewegung um zwei Achsen ermöglicht. Die Rotationsantriebseinheit 16 umfasst einen Servomotor, bei dem es sich um einen Antriebsmechanismus zum Drehen des Tisches 15 um die Z-Achse handelt, und einen Servomotor, der einen Antriebsmechanismus zum Drehen des Tisches 15 um die X-Achse bildet. In 1 sind die Servomotoren nicht dargestellt. Die Rotationsantriebseinheit 16 dreht das Werkstück zusammen mit dem Tisch 15. Bei der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann die Lage des Werkstücks für die Bearbeitung durch Drehen des Tisches 15 mit Hilfe der Rotationsantriebseinheit 16 geeignet eingestellt werden.
Die NC-Vorrichtung 1 steuert die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 in Übereinstimmung mit einem Bearbeitungsprogramm. Die NC-Vorrichtung 1 gibt zur Steuerung der Kopfantriebseinheit 14 einen Achsenbefehl an die Kopfantriebseinheit 14 aus. Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Ausgangsleistungsbefehl, der ein Befehl entsprechend dem Status der Strahlausgangsleistung ist, an den Laseroszillator 2 aus, um die Laseroszillation des Laseroszillators 2 zu steuern.
Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Zuführungsbefehl, bei dem es sich um einen Befehl entsprechend dem Status der Materialzuführungsmenge ist, an den Rotationsmotor 4 aus, um den Rotationsmotor 4 zu steuern. Die NC-Vorrichtung 1 steuert den Rotationsmotor 4 so, dass die Geschwindigkeit des Drahtes 5, der sich von der Drahtspule 6 in Richtung der Bestrahlungsposition bewegt, eingestellt wird. In der folgenden Beschreibung kann diese Geschwindigkeit auch als Zufuhrrate bezeichnet werden. Die Zufuhrrate bezieht sich auf die zugeführte Menge eines Materials pro Stunde.
Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Befehl entsprechend dem Status der Gaszufuhrmenge an die Gaszufuhrvorrichtung 7 aus, um die Menge der Gaszufuhr von der Gaszufuhrvorrichtung 7 zur Gasdüse 13 zu steuern. Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Drehbefehl an die Rotationsantriebseinheit 16 aus, um die Rotationsantriebseinheit 16 zu steuern. Es wird darauf hingewiesen, dass die NC-Vorrichtung 1 eine der Komponenten der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 oder eine Vorrichtung außerhalb der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 sein kann.
2 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung einer funktionalen Konfiguration der NC-Vorrichtung 1, die die in 1 dargestellte Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 steuert. Ein Bearbeitungsprogramm 20, das ein von einer Vorrichtung zur computergestützten Fertigung (CAM) erstelltes NC-Programm ist, wird in die NC-Vorrichtung 1 eingegeben. Das Bearbeitungsprogramm 20 spezifiziert anhand eines Befehls für eine Bewegungsbahn, entlang derer der Bearbeitungskopf 10 relativ zu dem auf dem Tisch 15 platzierten Werkstück bewegt wird, einen Bearbeitungspfad, bei dem es sich um eine Bahn handelt, entlang der die Bestrahlungsposition des Laserstrahls bewegt wird.
Die NC-Vorrichtung 1 umfasst eine Bearbeitungsbedingungstabelle 21, in der Daten verschiedener Bearbeitungsbedingungen gespeichert sind. Das Bearbeitungsprogramm 20 enthält einen Befehl zur Auswahl einer Bearbeitungsbedingung aus den Bearbeitungsbedingungen, deren Daten in der Bearbeitungsbedingungstabelle 21 gespeichert sind.
Die NC-Vorrichtung 1 umfasst eine Programmanalyseeinheit 22, die das Bearbeitungsprogramm 20 analysiert, und eine Achsenbefehl-Erzeugungseinheit 23, die einen Achsenbefehl auf Basis eines Analyseergebnisses der Programmanalyseeinheit 22 erzeugt. Die Programmanalyseeinheit 22 analysiert eine Bewegungsbahn, entlang der der Bearbeitungskopf 10 bewegt werden soll, auf Basis der im Bearbeitungsprogramm 20 beschriebenen Details der Prozesse. Die Programmanalyseeinheit 22 gibt Daten, die die analysierte Bewegungsbahn repräsentieren, an die Achsenbefehl-Erzeugungseinheit 23 aus. Die Achsenbefehl-Erzeugungseinheit 23 erzeugt einen Achsenbefehl, bei dem es sich um eine Gruppe von Interpolationspunkten pro Zeiteinheit auf der Bewegungsbahn handelt.
Die NC-Vorrichtung 1 umfasst eine Bedingungseinstellungseinheit 24, die eine Bearbeitungsbedingung festlegt, eine Bedingungsanpassungseinheit 25, die die Bearbeitungsbedingung anpasst, und eine Bedingungsbefehl-Erzeugungseinheit 26, die einen Befehl in Übereinstimmung mit der Bearbeitungsbedingung erzeugt. Die Programmanalyseeinheit 22 erhält Informationen zum Spezifizieren einer Bearbeitungsbedingung von dem Bearbeitungsprogramm 20 und gibt die erhaltenen Informationen an die Bedingungseinstellungseinheit 24 aus. Die Bedingungseinstellungseinheit 24 liest die Daten der im Bearbeitungsprogramm 20 spezifizierten Bearbeitungsbedingung aus der Bearbeitungsbedingungstabelle 21 auf Basis der von der Programmanalyseeinheit 22 erhaltenen Informationen aus. Auf diese Weise stellt die Bedingungseinstellungseinheit 24 eine Bearbeitungsbedingung für die additive Bearbeitung ein.
Es wird darauf hingewiesen, dass die NC-Vorrichtung 1 die Daten einer Bearbeitungsbedingung auch auf Basis des Bearbeitungsprogramms 20, in dem Daten der Bearbeitungsbedingung enthalten sind, erhalten kann, anstatt die Daten einer speziellen Bearbeitungsbedingung aus den Daten verschiedener Bearbeitungsbedingungen zu beziehen, die in der Bearbeitungsbedingungstabelle 21 vorab gespeichert wurden. Auch in diesem Fall kann die Programmanalyseeinheit 22 die Daten der Bearbeitungsbedingung durch Analyse des Bearbeitungsprogramms 20 erhalten. Die Programmanalyseeinheit 22 gibt die erhaltenen Daten der Bearbeitungsbedingung an die Bedingungsanpassungseinheit 25 aus.
Die Bedingungsanpassungseinheit 25 erhält die Daten der festgelegten Bearbeitungsbedingung von der Bedingungseinstellungseinheit 24 und passt die Bearbeitungsbedingung an. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 gibt die Daten der angepassten Bearbeitungsbedingung an die Bedingungsbefehl-Erzeugungseinheit 26 aus. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 ist eine Anpassungseinheit zum Anpassen der Zufuhrmenge des Drahtes 5 auf Basis eines Fehlers bezüglich der Höhe des Werkstücks.
Die Bedingungsbefehl-Erzeugungseinheit 26 erhält die Daten der Bearbeitungsbedingung von der Bedingungsanpassungseinheit 25 und erzeugt verschiedene Befehle in Übereinstimmung mit der Bearbeitungsbedingung. Die Bedingungsbefehl-Erzeugungseinheit 26 umfasst eine Ausgabebefehl-Erzeugungseinheit 27, die einen Ausgabebefehl zur Steuerung der Laserstrahlausgangsleistung erzeugt, und eine Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit 28, die einen Zuführungsbefehl zur Steuerung der Zuführung des Drahtes 5 erzeugt. Die NC-Vorrichtung 1 gibt den von der Achsenbefehl-Erzeugungseinheit 23 erzeugten Achsenbefehl, den von der Ausgabebefehl-Erzeugungseinheit 27 erzeugten Ausgangsleistungsbefehl und den von der Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit 28 erzeugten Zuführungsbefehl aus.
Die in 1 dargestellte Kopfantriebseinheit 14 weist einen Servoverstärker 32 zur Steuerung des Antriebs eines jeden der in der Kopfantriebseinheit 14 enthaltenen Servomotoren auf. Der Servoverstärker 32 steuert den Antrieb eines jeden der Servomotoren in Übereinstimmung mit dem von der NC-Vorrichtung 1 ausgegebenen Achsenbefehl.
Der in 1 dargestellte Laseroszillator 2 weist eine Oszillationssteuereinheit 33 auf, die die Laseroszillation steuert. Die Oszillationssteuereinheit 33 steuert die Laseroszillation in Übereinstimmung mit dem von der NC-Vorrichtung 1 ausgegebenen Ausgangsleistungsbefehl. Der in 1 dargestellte Rotationsmotor 4 weist einen Servoverstärker 34 auf, der den Drehvorgang steuert. Der Servoverstärker 34 steuert den Antrieb des Rotationsmotors 4 in Übereinstimmung mit dem von der NC-Vorrichtung 1 ausgegebenen Zuführungsbefehl. Der Servoverstärker 34 gibt auch eine Schätzung für das Stördrehmoment aus, das auf den Rotationsmotor 4 wirkt.
Darüber hinaus gibt die Bedingungsbefehl-Erzeugungseinheit 26 einen Befehl entsprechend der Bedingung der Gaszufuhrmenge an die Gaszufuhrvorrichtung 7 aus. Die Achsenbefehl-Erzeugungseinheit 23 gibt einen Rotationsbefehl an die Rotationsantriebseinheit 16 aus. In 2 sind die Ausgabe eines Befehls an die Gaszufuhrvorrichtung 7 und die Ausgabe eines Rotationsbefehls an die Rotationsantriebseinheit 16 nicht dargestellt. Die NC-Vorrichtung 1 steuert die gesamte Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 durch Ausgabe verschiedener Befehle.
Die NC-Vorrichtung 1 umfasst eine Bezugseinheit 29, die die Schätzung des Stördrehmoments, das auf den Rotationsmotor 4 wirkt, von dem Servoverstärker 34 bezieht, eine Zustandsbestimmungseinheit 30, die den Zustand des Kontaktes zwischen dem Draht 5 und dem Werkstück bestimmt, und eine Fehlererfassungseinheit 31, die einen auf die Höhe des Werkstücks bezogenen Fehler erfasst. Die Bezugseinheit 29 gibt die vom Servoverstärker 34 erhaltene Schätzung an die Zustandsbestimmungseinheit 30 und die Fehlererfassungseinheit 31 aus.
Die Zustandsbestimmungseinheit 30 bestimmt den Kontaktzustand zwischen dem Draht 5 und dem Werkstück auf Basis der von der Bezugseinheit 29 erhaltenen Schätzung. Die Zustandsbestimmungseinheit 30 gibt das Bestimmungsergebnis der Bestimmung des Kontaktzustandes an die Bedingungsanpassungseinheit 25 aus. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 passt die Bearbeitungsbedingung auf Basis des Bestimmungsergebnisses der Zustandsbestimmungseinheit 30 an.
Die Fehlererfassungseinheit 31 erfasst den Fehler in der Höhe des Werkstücks in Richtung der Z-Achse auf Basis der von der Bezugseinheit 29 erhaltenen Schätzung. Die Fehlererfassungseinheit 31 führt eine Fehlererfassung durch, wenn durch die Zustandsbestimmungseinheit 30 festgestellt wird, dass der Kontaktzustand ein Zustand ist, in dem eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden kann. Die Fehlererfassungseinheit 31 gibt das Erfassungsergebnis der Fehlererfassung an die Bedingungsanpassungseinheit 25 aus. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 passt die Bearbeitungsbedingung auf Basis des Erfassungsergebnisses der Fehlererfassungseinheit 31 an. Wenn von der Zustandsbestimmungseinheit 30 festgestellt wird, dass der Kontaktzustand ein Zustand ist, in dem eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden kann, passt die Bedingungsanpassungseinheit 25 die Zufuhrmenge des Drahtes 5 auf Basis des von der Fehlererfassungseinheit 31 erfassten Fehlers an.
Als Nächstes wird die Hardwarekonfiguration der NC-Vorrichtung 1 beschrieben. Die jeweiligen Funktionseinheiten der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 werden durch Steuerprogramme implementiert, bei denen es sich um Programme zur Durchführung eines Verfahrens zur Steuerung der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 gemäß der ersten Ausführungsform handelt, die unter Verwendung von Hardware ausgeführt werden.
3 zeigt ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung einer Hardwarekonfiguration einer NC-Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die NC-Vorrichtung 1 umfasst eine Zentraleinheit (CPU) 41, die verschiedene Prozesse ausführt, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 42 mit einem Datenspeicherbereich, einen Festwertspeicher (ROM) 43, der ein nichtflüchtiger Speicher ist, eine externe Speichervorrichtung 44 und eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 45 zur Eingabe von Informationen in die NC-Vorrichtung 1 und zur Ausgabe von Informationen aus der NC-Vorrichtung 1. Die in 3 dargestellten Komponenten sind jeweils über einen Bus 46 miteinander verbunden.
Die CPU 41 führt Programme aus, die im ROM 43 und in der externen Speichervorrichtung 44 gespeichert sind. Die Programmanalyseeinheit 22, die Achsenbefehl-Erzeugungseinheit 23, die Bedingungseinstellungseinheit 24, die Bedingungsanpassungseinheit 25, die Bedingungsbefehl-Erzeugungseinheit 26, die Ausgabebefehl-Erzeugungseinheit 27, die Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit 28, die Zustandsbestimmungseinheit 30 und die Fehlererfassungseinheit 31, die in 2 dargestellt sind, werden unter Verwendung der CPU 41 implementiert.
Die externe Speichervorrichtung 44 ist ein Festplattenlaufwerk (HDD) oder ein Solid-State-Drive (SSD). Die externe Speichervorrichtung 44 speichert die Steuerprogramme und verschiedene Daten. Die externe Speichervorrichtung 44 speichert das Bearbeitungsprogramm 20 und die Bearbeitungsbedingungstabelle 21, die in 2 dargestellt sind. Im ROM 43 sind Software oder ein Programm zur Hardware-Steuerung gespeichert, bei dem es sich um einen Bootloader, wie beispielsweise ein Basic Input/Output System (BIOS) oder ein Unified Extensible Firmware Interface (UEFI) handelt, wobei es sich um ein Basisprogramm zur Steuerung eines Computers oder eines Controllers, d. h. der NC-Vorrichtung 1, handelt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuerprogramme im ROM 43 gespeichert sein können.
Die in dem ROM 43 und in der externen Speichervorrichtung 44 gespeicherten Programme werden in den RAM 42 geladen. Die CPU 41 lädt die Steuerprogramme in den RAM 42, um verschiedene Prozesse auszuführen. Die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 45 ist eine Schnittstelle zum Verbinden mit Geräten außerhalb der NC-Vorrichtung 1. An der Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 45 werden das Bearbeitungsprogramm 20 und die in der Bearbeitungsbedingungstabelle 21 gespeicherten Daten eingegeben. Darüber hinaus gibt die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 45 verschiedene Befehle aus. Die in 2 dargestellte Bezugseinheit 29 wird unter Verwendung der Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 45 realisiert. Die NC- Vorrichtung 1 kann eine Eingabevorrichtung, wie beispielsweise eine Tastatur und ein Zeigegerät, und eine Ausgabevorrichtung, wie beispielsweise ein Display, umfassen.
Die Steuerprogramme können in einem Speichermedium gespeichert sein, das von einem Computer gelesen werden kann. Die NC-Vorrichtung 1 kann die in einem Speichermedium gespeicherten Steuerprogramme in der externen Speichervorrichtung 44 abspeichern. Bei dem Speichermedium kann es sich um ein tragbares Speichermedium, wie eine Diskette, oder um einen Flash-Speicher, wie einen Halbleiterspeicher, handeln. Die Steuerprogramme können von einem anderen Computer oder einem Server über ein Kommunikationsnetzwerk in einem Computer oder einer Steuerung, d. h. der NC-Vorrichtung 1, installiert werden.
Die Funktionen der NC-Vorrichtung 1 können durch eine Verarbeitungsschaltung implementiert werden, bei der es sich um eine dedizierte Hardware zur Steuerung der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 handelt. Die Verarbeitungsschaltung ist eine einzelne Schaltung, eine zusammengesetzte Schaltung, ein programmierter Prozessor, ein parallel programmierter Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein Field Programmable Gate Array (FPGA) oder eine Kombination daraus. Einige der Funktionen der NC-Vorrichtung 1 können durch dedizierte Hardware und die anderen durch Software oder Firmware implementiert werden.
Als Nächstes wird die von der Zustandsbestimmungseinheit 30 durchgeführte Bestimmung erläutert. 4 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Bestimmung, die von der Zustandsbestimmungseinheit 30 durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 enthalten ist. 4 zeigt den Bearbeitungskopf 10 sowie die Strahldüse 11 und die Drahtdüse 12, die unter den in 1 dargestellten Komponenten der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 in dem Bearbeitungskopf 10 vorhanden sind, in vereinfachter Weise.
Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 formt die Wulste, indem der Bearbeitungskopf 10 bewegt wird, während der Draht 5 zu der Bestrahlungsposition des Laserstrahls zugeführt wird. In dem in 4 dargestellten Beispiel bewegt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 den Bearbeitungskopf 10 in der positiven X-Richtung, um einen Wulst zu bilden, dessen Längsrichtung in der X-Achsenrichtung liegt. Ein Wulst einer ersten Schicht wird direkt auf dem Basismaterial 17 gebildet. Ein Wulst einer zweiten Schicht wird auf dem Wulst der ersten Schicht gebildet. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 scheidet mehrere Wulste ab, um die Abscheidung 18 zu bilden. 4 zeigt einen Wulst 50, der in der Abscheidung 18 gebildet wird. Der in 4 dargestellte Bearbeitungskopf 10 entspricht einem Bearbeitungskopf 10 bei der Bildung einer Wulst auf der Wulst 50.
Es wird davon ausgegangen, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 den Wulst 50 unter einer konstanten Bearbeitungsbedingung geformt hat, sodass die Dicke des Wulstes 50 in Z-Achsenrichtung gleichmäßig ist. Es wird darauf hingewiesen, dass der Abstand zwischen dem Wulst 50 und dem Bearbeitungskopf 10 als Abstand P bezeichnet wird. Der Abstand P wird als Referenzabstand bezeichnet, wenn der Wulst 50 mit einer gleichmäßigen Dicke geformt wird.
Auch wenn die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 so gesteuert wird, dass ein Wulst 50 mit gleichmäßiger Dicke geformt wird, können Unregelmäßigkeiten an dem zu formenden Wulst 50 aufgrund von Wärmestau in der Abscheidung 18 oder anderen Faktoren auftreten. Die Unregelmäßigkeit, die an der Wulst 50 auftritt, verursacht einen Fehler in der Höhe des Werkstücks, das die Abscheidung 18 umfasst.
Die Höhe H0 gibt die Höhe des Werkstücks bei der Bildung des Wulstes 50 an, wenn der Wulst 50 mit einer gleichmäßigen Dicke geformt wird. Die Höhe des Werkstücks stellt die Höhe ausgehend von einer Referenzfläche dar. Die Referenzfläche ist beispielsweise eine Fläche des Tisches 15, auf dem das Basismaterial 17 angeordnet ist. Ein konvexer Abschnitt 51 ist ein Abschnitt der Wulst 50, der in der positiven Z-Richtung relativ zur Höhe H0 konvex ist. Ein konkaver Abschnitt 52 ist ein Abschnitt der Wulst 50, der in der negativen Z-Richtung relativ zur Höhe H0 konkav ist.
In 4 sind die Positionen x1, x2 und x3 Positionen in Richtung der X-Achse. Die Höhe des oberen Endes der Wulst 50 an der Position x1 ist die Höhe H0. Wenn sich das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls an der Position x1 befindet, ist der Abstand P der Referenzabstand. In diesem Fall bewegt sich das vordere Ende des Drahtes 5, der mit einer einem Zuführungsbefehl entsprechenden Zufuhrrate zugeführt wird, in Richtung des Zentrums des Strahlquerschnitts, um zu der Wulst 50 zu gelangen. Der Draht 5 kommt mit einer geeigneten Kraft mit der Wulst 50 in Kontakt und schmilzt. Ein stabiler Zustand bezieht sich auf einen Kontaktzustand, in dem der Draht 5 mit dem Wulst 50 in Kontakt ist, wobei eine zur Durchführung einer stabilen Bearbeitung geeignete Kraft und Last auf den Draht 5 ausgeübt wird.
Die Position x2 ist eine Position, an der der konvexe Abschnitt 51 ausgebildet ist. Wenn sich das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls an der Position x2 befindet, ist der Abstand P kürzer als der Referenzabstand. Wenn sich die Mitte des Strahlquerschnitts an der Position x2 befindet, bewegt sich das vordere Ende des Drahts 5, der mit einer einem Zuführungsbefehl entsprechenden Zufuhrrate zugeführt wird, in Richtung des Zentrums des Strahlquerschnitts und erreicht die Oberfläche des Wulstes 50, ohne zu dem Zentrum des Strahlquerschnitts zu gelangen. Obwohl der Abstand zwischen der Position der Wulst 50, die der Draht 5 erreicht, und der Drahtdüse 12 kürzer ist als in dem Fall, in dem der Abstand P der Referenzabstand ist, versucht der Rotationsmotor 4, den Draht 5 weiterhin mit der dem Zuführungsbefehl entsprechenden Zufuhrrate zuzuführen, was dazu führt, dass der Draht 5 mit einer übermäßigen Kraft in Kontakt mit der Wulst 50 kommt. Der Kontaktzustand zwischen dem Draht 5 und dem Wulst 50 an diesem Punkt wird als überlasteter Zustand bezeichnet. Im überlasteten Zustand kann ein Phänomen wie beispielsweise eine Vibration des Drahtes 5 oder eine Beschädigung des Drahtes 5 auftreten. 4 zeigt einen Zustand, in dem der Draht 5 vibriert, wenn sich das Zentrum des Strahlquerschnitts an der Position x2 befindet. Der überlastete Zustand ist ein Kontaktzustand, bei dem eine übermäßige Last, mit der keine stabile Bearbeitung durchgeführt werden kann, auf den Draht 5 einwirkt.
Die Position x3 ist eine Position, an der der konkave Abschnitt 52 ausgebildet ist. Wenn sich das Zentrum des Strahlquerschnitts des Laserstrahls an der Position x3 befindet, ist der Abstand P länger als der Referenzabstand. Wenn sich das Zentrum des Strahlquerschnitts an der Position x3 befindet, bewegt sich das vordere Ende des Drahts 5, der mit einer dem Zuführungsbefehl entsprechenden Zufuhrrate zugeführt wird, zur Mitte des Strahlquerschnitts und schmilzt in einem Zustand, in dem der Draht 5 nicht in Kontakt mit der Wulst 50 ist. Zu diesem Zeitpunkt berühren sich der Draht 5 und die Wulst 50 nicht. Im berührungslosen Zustand wird keine Last auf den Draht 5 ausgeübt. Im berührungslosen Zustand schmilzt der Draht 5 an einer Position, die höher liegt als der Wulst 50, und es kann dazu kommen, dass ein Tröpfchen 53 des geschmolzenen Materials auf den Wulst 50 fällt. An einem Abschnitt des Wulstes 50, auf den der Tropfen 53 gefallen ist, ist die Zufuhrmenge des Materials im Vergleich zu dem Fall, in dem die Bearbeitung im oben beschriebenen stabilen Zustand durchgeführt wird, größer, wodurch die Formgenauigkeit verschlechtert wird.
Die Zustandsbestimmungseinheit 30 bestimmt anhand der Schätzung des Stördrehmoments, ob der Kontaktzustand dem stabilen Zustand, dem überlasteten Zustand oder dem berührungslosen Zustand entspricht. In der folgenden Beschreibung kann die Schätzung des Stördrehmoments auch als geschätztes Stördrehmoment bezeichnet werden. Das geschätzte Stördrehmoment im überlasteten Zustand ist größer als das geschätzte Stördrehmoment im stabilen Zustand. Die Zustandsbestimmungseinheit 30 bestimmt, dass der Kontaktzustand der überlastete Zustand ist, wenn das geschätzte Stördrehmoment größer als ein vorgegebener Schwellwert ist. Der Schwellwert ist das Stördrehmoment, bei dem die auf den Draht 5 aufgebrachte Last die Obergrenze der Last ist, mit der eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden kann. Wenn sich der Draht 5 dagegen im berührungslosen Zustand befindet, gibt es keinen durch den Draht 5 verursachten Störfaktor für den Rotationsmotor 4, und das geschätzte Stördrehmoment ist daher Null. Wenn das geschätzte Stördrehmoment Null ist, bestimmt die Zustandsbestimmungseinheit 30, dass der Kontaktzustand der berührungslose Zustand ist. Wenn festgestellt wird, dass der Kontaktzustand weder der überlastete Zustand noch der berührungslose Zustand ist, bestimmt die Zustandsbestimmungseinheit 30, dass der Kontaktzustand der stabile Zustand ist. Auf diese Weise schätzt die Zustandsbestimmungseinheit 30 den Zustand des Drahtes 5 auf Basis des geschätzten Stördrehmoments, um zu bestimmen, ob der Kontaktzustand dem stabilen Zustand, dem überlasteten Zustand oder dem berührungslosen Zustand entspricht.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Zustandsbestimmungseinheit 30 in den kontaktlosen Zustand einen Zustand einbeziehen kann, in dem die auf den Draht 5 ausgeübte Last sehr gering ist und ein leichter Kontakt vorhanden ist, der Kontaktzustand jedoch leicht in einen kontaktlosen Zustand übergehen kann. In diesem Fall wird für die Zustandsbestimmungseinheit 30 vorab ein zweiter Schwellwert festgelegt, der sich von dem ersten Schwellwert zur Bestimmung des überlasteten Zustands unterscheidet. Die Zustandsbestimmungseinheit 30 bestimmt, dass der Kontaktzustand der berührungslose Zustand ist, wenn das geschätzte Stördrehmoment kleiner als der zweite Schwellwert ist.
Es soll nun das Stördrehmoment erläutert werden. Der Servoverstärker 34 berechnet das geschätzte Stördrehmoment, das auf den Rotationsmotor 4 wirkt. Das tatsächliche Drehmoment, d. h. das Drehmoment zum Antrieb des Rotationsmotors ist die Summe aus dem Rotationsdrehmoment, d. h. dem Drehmoment, das für die Drehung einer Welle benötigt wird, und dem Stördrehmoment, das über den Draht 5 auf die Welle wirkt. Das Rotationsdrehmoment wird in Form der Summe eines Trägheitsterms, der das Drehmoment eines Rotationsmoments der Welle darstellt, und eines Viskositätsterms, der das Reibungsmoment darstellt, geschätzt. Das geschätzte Drehmoment, bei dem es sich um die Summe des Trägheitsterms und des Viskositätsterms handelt, wird auf Basis der physikalischen Eigenschaften der Welle, die ein Rotationskörper ist, berechnet. Das geschätzte Stördrehmoment wird also durch Subtraktion des geschätzten Drehmoments vom tatsächlichen Drehmoment berechnet.
Als Nächstes wird die Anpassung der Bearbeitungsbedingung erläutert, die von der Bedingungsanpassungseinheit 25 basierend auf dem Ergebnis der Bestimmung durch die Zustandsbestimmungseinheit 30 durchgeführt wird. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 passt die Zufuhrrate an, wenn der Kontaktzustand als überlasteter Zustand bestimmt wird und wenn der Kontaktzustand als berührungsloser Zustand bestimmt wird. Die NC-Vorrichtung 1 optimiert den Kontaktzustand des Drahtes 5 aus dem überlasteten Zustand oder dem kontaktlosen Zustand in den stabilen Zustand durch die von der Bedingungsanpassungseinheit 25 durchgeführte Anpassung der Zufuhrrate.
5 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Anpassung auf Basis des Ergebnisses einer Bestimmung, die von der Zustandsbestimmungseinheit 30 durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 enthalten ist. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt die Anpassung zur Optimierung aus dem überlasteten Zustand in den stabilen Zustand an der Position x2 durch. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt an der Position x2 die Anpassung durch Absenken des Geschwindigkeitswerts auf einen Wert durch, der niedriger als die auf der Einstellung an der Zustandseinstelleinheit 24 basierenden Zufuhrrate ist. Der Vorschub des Drahts 5 wird so eingestellt, dass er im Vergleich zu dem der Einstellung unter Bearbeitungsbedingung gemäßen Vorschub langsamer erfolgt, so dass der Draht 5 im Vergleich mit dem Fall, bei dem der Draht 5 mit der auf der Einstellung basierenden Zufuhrrate vorgeschoben wird, an einer Position in der positiven Z-Richtung schmilzt. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann die Optimierung vom überlasteten Zustand zum stabilen Zustand vornehmen, indem der Draht 5 an der Position des Wulstes 50, mit dem der Draht 5 in Kontakt kommt, geschmolzen wird.
Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt die Anpassung zur Optimierung aus dem berührungslosen Zustand in den stabilen Zustand an der Position x3 durch. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt an der Position x3 die Anpassung durch Erhöhen des Geschwindigkeitswerts auf einen Wert durch, der größer als die auf der Einstellung an der Zustandseinstelleinheit 24 basierenden Zufuhrrate ist. Der Vorschub des Drahts 5 wird so eingestellt, dass er im Vergleich zu dem der Einstellung unter Bearbeitungsbedingung gemäßen Vorschub schneller erfolgt, so dass der Draht 5 im Vergleich mit dem Fall, in dem der Draht 5 mit der auf der Einstellung basierenden Zufuhrrate vorgeschoben wird, an einer Position in der negativen Z-Richtung schmilzt. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann die Optimierung vom berührungslosen Zustand zum stabilen Zustand vornehmen, indem der Draht 5 an der Position des Wulstes 50, mit dem der Draht 5 in Kontakt kommt, geschmolzen wird.
Die NC-Vorrichtung 1 ist in der Lage, die Bearbeitung durch die Anpassung der Vorschubgeschwindigkeit auf Basis des Ergebnisses der Bestimmung durch die Zustandsbestimmungseinheit 30 zu stabilisieren. Nach der Stabilisierung führt die NC-Vorrichtung 1 eine Fehlererkennung durch die Fehlererfassungseinheit 31 durch. Die NC-Vorrichtung 1 führt ferner eine Anpassung zur Vereinheitlichung der Höhe des Werkstücks auf Basis des Ergebnisses der Fehlererkennung durch.
Als Nächstes wird die von der Fehlererfassungseinheit 31 durchgeführte Fehlererkennung erläutert. Die NC-Vorrichtung 1 führt die Fehlererkennung durch die Fehlererfassungseinheit 31 durch, nachdem die Unregelmäßigkeiten der Abscheidung 18 so weit beseitigt wurden, dass eine stabile Bearbeitung durchgeführt werden kann. Die Fehlererfassungseinheit 31 führt die Fehlererkennung durch, wenn das erhaltene geschätzte Stördrehmoment einen Wert innerhalb eines Bereichs hat, in dem der Kontaktzustand von der Zustandsbestimmungseinheit 30 als stabiler Zustand bestimmt wird. Genauer erfasst die Fehlererfassungseinheit 31 Fehler, wenn das erhaltene geschätzte Stördrehmoment kleiner als der erste Schwellwert und größer als der zweite Schwellwert ist.
Die Fehlererfassungseinheit 31 führt die Fehlererfassung nicht durch, wenn das erhaltene geschätzte Stördrehmoment einen Wert innerhalb eines Bereichs hat, in dem der Kontaktzustand von der Zustandsbestimmungseinheit 30 als stabiler Zustand bestimmt wird. Genauer erfasst die Fehlererfassungseinheit 31 keine Fehler, wenn das erhaltene geschätzte Stördrehmoment größer als der erste Schwellwert ist oder wenn das erhaltene geschätzte Stördrehmoment kleiner als der zweite Schwellwert ist. Es wird darauf hingewiesen, dass die Fehlererfassungseinheit 31 so konfiguriert sein kann, dass sie Fehler erfasst, oder so konfiguriert sein kann, dass sie keine Fehler erfasst, wenn das erhaltene geschätzte Stördrehmoment gleich dem ersten Schwellwert ist oder wenn das erhaltene geschätzte Stördrehmoment gleich dem zweiten Schwellwert ist. Ferner kann die Fehlererfassungseinheit 31 ein von der Zustandsbestimmungseinheit 30 bestimmtes Ergebnis von der Zustandsbestimmungseinheit 30 erhalten und auf Basis des erhaltenen Bestimmungsergebnisses bestimmen, ob Fehler erfasst werden sollen oder nicht.
Wenn der Abstand P kürzer als der Referenzabstand ist, ist die auf den Draht 5 ausgeübte Last größer, und somit ist das geschätzte Stördrehmoment größer. Wenn der Abstand P länger als der Referenzabstand ist, ist die auf den Draht 5 ausgeübte Last kleiner, und somit ist das geschätzte Stördrehmoment kleiner. Die Fehlererfassungseinheit 31 erhält eine Schätzung der Höhe des Werkstücks auf Basis des geschätzten Stördrehmoments. Die Fehlererfassungseinheit 31 erfasst einen Fehler, der die Differenz zwischen der Schätzung und einer Referenzhöhe ist, bei der es sich um die Höhe des Werkstücks handelt, wenn der Abstand P der Referenzabstand ist.
Auf diese Weise erfasst die Fehlererfassungseinheit 31 einen Fehler, indem sie die Höhe des Werkstücks auf Basis des geschätzten Stördrehmoments schätzt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Fehlererfassungseinheit 31 die Höhenschätzung auf Basis des geschätzten Stördrehmoments nicht durchführen kann, wenn der Draht 5 vom Werkstück beabstandet ist, d. h., wenn das geschätzte Stördrehmoment Null ist. Daher erfasst die Fehlererfassungseinheit 31 Fehler nach der Stabilisierung durch Anpassung auf Basis des Ergebnisses der Bestimmung durch die Zustandsbestimmungseinheit 30.
Die NC-Vorrichtung 1 kann die Höhe des Werkstücks auf Basis des geschätzten Stördrehmoments des Rotationsmotors 4 schätzen, so dass die Höhe des Werkstücks unter Verwendung des Rotationsmotors 4 erhalten wird, der eine in der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 vorhandene Komponente ist. Mit der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann im Vergleich zu einem Fall, in dem zusätzlich ein Sensor zur Erfassung der Höhe des Werkstücks benötigt wird, die Anzahl der Komponenten reduziert werden. Im Vergleich zu einem Fall, in dem ein berührungsloser Sensor, wie beispielsweise ein Lasersensor, verwendet wird, können zudem die Herstellungskosten der Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 reduziert werden.
Als Nächstes wird die Anpassung der Bearbeitungsbedingung, die von der Bedingungsanpassungseinheit 25 auf Basis des Ergebnisses der Erfassung durch die Fehlererfassungseinheit 31 durchgeführt wird, erläutert. 6 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Anpassung auf Basis eines Ergebnisses einer Erfassung, die von der Fehlererfassungseinheit 31 durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 enthalten ist.
In Bezug auf 6 wird angenommen, dass nach der oben beschriebenen Stabilisierung und nach der oben beschriebenen Bildung des Wulstes 50 ein Wulst 60 ausgebildet ist. Der Wulst 60 weist einen konvexen Abschnitt 62, der niedriger ist als der konvexe Abschnitt 51 des Wulstes 50, und einen konkaven Abschnitt 63 auf, der flacher ist als der konkave Abschnitt 52 des Wulstes 50. Die Unregelmäßigkeiten, die an dem Wulst 60 auftreten, verursachen einen Fehler bezüglich der Höhe des Werkstücks, das den Wulst 60 aufweist.
Die Höhe H1 gibt die Höhe des Werkstücks bei der Bildung des Wulstes 60 an, wenn der Wulst 60 mit einer gleichmäßigen Dicke geformt wird. Die Höhe H1 ist eine Referenzhöhe, wobei der Abstand P der Referenzabstand ist. Bei dem in 6 dargestellten Bearbeitungskopf 10 handelt es sich um einen Bearbeitungskopf 10 bei der Bildung des Wulstes 61 auf dem Wulst 60.
Die Höhe des oberen Endes des Wulstes 60 an der Position x1 ist die Höhe H1. Der Fehler an der Position x1 wird von der Fehlererfassungseinheit 31 als Null erkannt. Hinsichtlich der Zufuhrrate nimmt die Bedingungsanpassungseinheit 25 an der Position x1 auf Basis der Einstellung der Bedingungseinstellungseinheit 24 keine Anpassung der Zufuhrrate vor. Der Rotationsmotor 4 transportiert den Draht 5 mit der auf der Einstellung basierenden Zufuhrrate zur Position x1.
Die Position x2 ist eine Position, an der der konvexe Abschnitt 62 ausgebildet ist. Der Fehler an der Position x2 wird von der Fehlererfassungseinheit 31 als positiver Fehler erkannt. Ein positive Fehler bezieht sich auf einen Fehler, bei dem die Höhe des Werkstücks größer als die Höhe H1 ist. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt an der Position x2 eine Anpassung aus und senkt den Geschwindigkeitswert auf einen Wert, der kleiner als die auf der Einstellung an der Bedingungseinstellungseinheit 24 basierende Zufuhrrate ist. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 passt den Geschwindigkeitswert um einen vom Fehler abhängigen Anpassungswert an. Der Rotationsmotor 4 transportiert den Draht 5 mit einer Geschwindigkeit, die niedriger ist als die auf der Einstellung basierende Zufuhrrate zur Position x2.
Die Position x3 ist eine Position, an der der konkave Abschnitt 63 ausgebildet ist. Der Fehler an der Position x3 wird von der Fehlererfassungseinheit 31 als negativer Fehler erkannt. Ein negative Fehler bezieht sich auf einen Fehler, bei dem die Höhe des Werkstücks kleiner als die Höhe H1 ist. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt an der Position x3 eine Anpassung aus und erhöht den Geschwindigkeitswert auf einen Wert, der größer als die auf der Einstellung an der Bedingungseinstellungseinheit 24 basierende Zufuhrrate ist. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 passt den Geschwindigkeitswert um einen vom Fehler abhängigen Anpassungswert an. Der Rotationsmotor 4 transportiert den Draht 5 mit einer Geschwindigkeit, die höher ist als die auf der Einstellung basierende Zufuhrrate zur Position x3.
An der Position x2 führt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 den Draht 5 mit einer Geschwindigkeit zu, die niedriger ist als die auf der Einstellung basierende Zufuhrrate, um die zugeführte Menge des Drahtes 5 an der Position x2 im Vergleich mit der an der Position x1 zugeführten Menge zu senken. An der Position x2 kompensiert die Verringerung der Zufuhrmenge des Drahtes 5 den oben beschriebenen positiven Fehler. An der Position x3 führt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 den Draht 5 mit einer Geschwindigkeit zu, die höher ist als die auf der Einstellung basierende Zufuhrrate, um die zugeführte Menge des Drahtes 5 an der Position x3 im Vergleich mit der an der Position x1 zugeführten Menge zu erhöhen. An der Position x3 kompensiert die Erhöhung der Zufuhrmenge des Drahtes 5 den oben beschriebenen negativen Fehler. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 reduziert bei der Bildung des Wulstes 61 Fehler bezüglich der Höhe des Werkstücks. Infolgedessen kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Höhe des Werkstücks zu vereinheitlichen.
7 zeigt ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der Betriebsabläufe der in 1 dargestellten Vorrichtung zur additiven Fertigung 100. Die NC-Vorrichtung 1 führt die Bestimmung des Kontaktzustands und die Erfassung eines Höhenfehlers für jeden von mehreren Segmenten durch, in die das Werkstück in der Richtung unterteilt ist, in der die Bearbeitung durchgeführt wird. 7 veranschaulicht die Betriebsabläufe, bis die Anpassung zur Vereinheitlichung der Höhe für die Segmente ausgeführt ist.
In Schritt S1 beginnt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 mit der Bearbeitung eines Werkstücks. In Schritt S2 liest die Zustandsbestimmungseinheit 30 den Wert Td, bei dem es sich um das geschätzte Stördrehmoment in einem Segment handelt, aus der Bezugseinheit 29 aus. In Schritt S3 bestimmt die Zustandsbestimmungseinheit 30, ob Td in diesem Segment Thb≤Td≤Tha erfüllt. Tha stellt den ersten Schwellwert für die Bestimmung des überlasteten Zustands dar. Thb stellt den zweiten Schwellwert für die Bestimmung des berührungslosen Zustands dar.
8 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung von Schwellwerten, die für die in der Zustandsbestimmungseinheit 30 vorgenommene Bestimmung verwendet werden, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 enthalten ist. Wenn der Abstand P größer ist, ist Td kleiner. Wenn der Draht 5 von dem Werkstück getrennt wird, wird Td Null. Wenn festgestellt wird, dass Thb≤Td≤Tha nicht erfüllt ist (Schritt S3, Nein), bestimmt die Zustandsbestimmungseinheit 30, dass der Kontaktzustand der überlastete Zustand oder der berührungslose Zustand ist. Wenn Tha<Td ist, bestimmt die Zustandsbestimmungseinheit 30, dass der Kontaktzustand der überlastete Zustand ist. Wenn Td<Thb ist, bestimmt die Zustandsbestimmungseinheit 30, dass der Kontaktzustand der berührungslose Zustand ist. Wenn der Kontaktzustand als der überlastete Zustand oder der berührungslose Zustand bestimmt wird, passt die Bedingungsanpassungseinheit 25 in Schritt S4 die Zufuhrrate für dieses Segment an.
In der Bedingungsanpassungseinheit 25 wird vorab ein Referenzwert für das geschätzte Stördrehmoment festgelegt. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt eine Anpassung durch Erhöhung oder Verringerung des Geschwindigkeitswerts so aus, dass Td bei einem Antrieb gemäß dem Zuführungsbefehl näher an den Referenzwert herankommt. Die NC-Vorrichtung 1 führt die Anpassung zur Optimierung aus dem überlasteten Zustand in den stabilen Zustand und die Anpassung zur Optimierung aus dem berührungslosen Zustand in den stabilen Zustand durch Regelung des Zuführungsbefehls in einer Weise durch, dass der Unterschied zwischen dem Wert Td und dem Referenzwert kompensiert wird.
Die Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit 28 erzeugt einen Zuführungsbefehl auf Basis der angepassten Zufuhrrate. In Schritt S8 führt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Bearbeitung dieses Segments gemäß dem erzeugten Zuführungsbefehl durch. Wenn die Bearbeitung des Werkstücks noch nicht abgeschlossen ist (Schritt S9, Nein), wiederholt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 den Ablauf der Prozeduren ab Schritt S2. Die NC-Vorrichtung 1 wiederholt den Vorgang von Schritt S4, bis die Bearbeitung stabilisiert ist.
Wenn in Schritt S3 festgestellt wird, dass Thb≤Td≤Tha erfüllt ist (Schritt S3, Ja), erfasst die Fehlererfassungseinheit 31 in Schritt S5 ΔH, bei dem es sich um einen Fehler in der Höhe des Werkstücks in diesem Segment handelt.
Die NC-Vorrichtung 1 benutzt das vordere Ende des Drahtes 5 als Kontaktsensor für die Schätzung der Höhe des Werkstücks. Die Fehlererfassungseinheit 31 schätzt die Höhe des Werkstücks auf Basis von Td, das die auf den Draht 5 ausgeübte Last darstellt, wenn der Draht 5 in Kontakt mit dem Werkstück kommt. Damit das vordere Ende des Drahts 5 als Kontaktsensor fungiert, muss das vordere Ende des Drahts 5 bei der Schätzung der Höhe ständig an der gleichen Position innerhalb des Laserstrahls schmelzen.
9 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung einer Position, an der ein Draht 5 in der in 1 dargestellten Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 schmilzt. Ein Punkt A, bei dem es sich um eine Position handelt, an der das vordere Ende des Drahtes 5 schmilzt, wird durch das Verhältnis zwischen der Leistung des Laserstrahls und der Zufuhrrate des Drahtes 5 bestimmt. Die Temperatur des Drahtes 5 steigt proportional zu der Zeit, während der der Draht 5 mit dem Laserstrahl bestrahlt wird. Wenn die Temperatur des Drahtes 5 den Schmelzpunkt des Metallmaterials erreicht, schmilzt der Draht 5.
Das vordere Ende des Drahtes 5 bewegt sich innerhalb des Strahlquerschnitts während einer Zeit Tw vom Eintritt des vorderen Endes in den Strahlquerschnitt des Laserstrahls bis zum Erreichen des Schmelzpunkts des Drahtes 5. Die Strecke D zwischen dem äußeren Rand des Strahlquerschnitts und dem Punkt A in Richtung der X-Achse erfüllt die folgende Formel (1). Die Einheit der Strecke D ist mm. V steht für die Zufuhrrate des Drahtes 5. Die Einheit der Zufuhrrate V ist m²/Sekunde. θ stellt den Winkel der Bewegungsrichtung des Drahtes 5 in Bezug auf die oben beschriebene Referenzfläche dar. Die Einheit des Winkels θ ist rad. Die Einheit der Zeit Tw ist Sekunde. Gemäß Formel (1) stehen die Strecke D, die die Position des Punktes A im Strahlquerschnitt darstellt, und die Zufuhrrate V in einer proportionalen Beziehung. $D = Vcos θ \times Tw$
10 zeigt eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Schätzung der Höhe des Werkstücks, die von der Fehlererfassungseinheit 31 durchgeführt wird, die in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 enthalten ist. 10 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Höhe des Werkstücks und dem geschätzten Stördrehmoment zeigt. Wenn der in 9 dargestellte Punkt A als die einem Befehl gemäße Position des vorderen Endes des Drahts 5 angenommen wird und die Höhe des Werkstücks höher als die Referenzhöhe ist, ist die Position des vorderen Endes des Drahts 5 eine vom Punkt A abweichende Position. Da eine Proportionalsteuerung in Abhängigkeit von der Abweichung der Position des vorderen Endes des Drahts 5 vom Punkt A gemäß einem Befehl durch den Servoverstärker 34 am Rotationsmotor 4 durchgeführt wird, wird ein zur Abweichung proportionales Stördrehmoment erzeugt. Somit stehen die Größe des geschätzten Stördrehmoments und die Höhe des Werkstücks in einer proportionalen Beziehung.
Wie in 10 dargestellt ist, wird Td größer, wenn die Höhe H des Werkstücks größer wird als die Höhe H1, die die Höhe am Punkt A ist. Wenn die Höhe H des Werkstücks geringer ist als die Höhe H1, ist Td gleich Null. Wenn die Höhe H des Werkstücks größer als die Höhe H1 ist, schätzt die Fehlererfassungseinheit 31 die Höhe H des Werkstücks auf Basis der in 10 dargestellten Beziehung. Die Fehlererfassungseinheit 31 erfasst ΔH, bei dem es sich um den Unterschied zwischen der geschätzten Höhe H und der Höhe H1 handelt.
In Schritt S6 vergleicht die Bedingungsanpassungseinheit 25 den Absolutwert |ΔH| von ΔH mit Thc, bei dem es sich um einen dritten Schwellwert handelt, und bestimmt, ob |ΔH| größer als Thc ist oder nicht. Es wird angenommen, dass Thc so lang ist, dass die Höhe des Werkstücks als gleich der Höhe H1 angesehen werden kann, auch wenn es eine solche Längendifferenz zwischen diesen gibt. Wenn |ΔH|>Thc erfüllt ist (Schritt S6, Ja), passt die Bedingungsanpassungseinheit 25 die Zufuhrrate für dieses Segment in Schritt S7 an. Die Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit 28 erzeugt einen Zuführungsbefehl auf Basis der angepassten Zufuhrrate. In Schritt S8 führt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Bearbeitung dieses Segments in Übereinstimmung mit dem erzeugten Zuführungsbefehl durch. Wie oben beschrieben wurde, bestimmt die Bedingungsanpassungseinheit 25, dass die Höhe des Werkstücks nicht gleichmäßig ist, wenn |ΔH| >Thc erfüllt ist, und passt die Zufuhrrate an.
Wenn dagegen |ΔH| >Thc nicht erfüllt ist, d. h. wenn |ΔH| kleiner oder gleich Thc ist (Schritt S6, Nein), überspringt die Bedingungsanpassungseinheit 25 die Prozedur von Schritt S7. Die Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit 28 erzeugt einen Zuführungsbefehl auf Basis der von der Bedingungseinstellungseinheit 24 festgelegten Zufuhrrate. In Schritt S8 führt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Bearbeitung dieses Segments in Übereinstimmung mit dem erzeugten Zuführungsbefehl durch. Wie oben beschrieben wurde, bestimmt die Bedingungsanpassungseinheit 25, dass die Höhe des Werkstücks gleichmäßig ist, wenn |ΔH| >Thc nicht erfüllt ist, und unterlässt die Anpassung der Zufuhrrate.
Nach Schritt S8 bestimmt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 in Schritt S9, ob die Bearbeitung des Werkstücks abgeschlossen ist oder nicht. Wenn die Bearbeitung des Werkstücks noch nicht abgeschlossen ist (Schritt S9, Nein), wiederholt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 den Ablauf der Prozeduren ab Schritt S2. Wenn die Bearbeitung des Werkstücks abgeschlossen ist (Schritt S9, Ja), beendet die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 die Durchführung der in 7 dargestellten Prozeduren.
Als Nächstes wird die Festlegung von mehreren Segmenten bei der Bearbeitung in der NC-Vorrichtung 1 erläutert. 11 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Festlegung von mehreren Segmenten bei der Bearbeitung in der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1. Die Höhenunterschiede des Werkstücks verändern sich in der Bearbeitungsrichtung des Werkstücks kontinuierlich. Für die Bedingungsanpassungseinheit 25 ist es jedoch aufgrund des Einflusses der Beschleunigung und Verzögerung des Rotationsmotors 4, der Ansprechgeschwindigkeit des Rotationsmotors 4 oder ähnlichem schwierig, die Zufuhrrate des Drahtes 5 kontinuierlich zu ändern. Daher passt die Bedingungsanpassungseinheit 25 die Zufuhrrate des Drahtes 5 in jedem von mehreren Segmenten an, in die das Werkstück in der Richtung, in der die Bearbeitung durchgeführt wird, unterteilt ist.
11 zeigt eine auf dem Werkstück gebildete Wulst 70. In dem in 11 dargestellten Beispiel ist die Richtung, in der die Bearbeitung bei der Bildung der Wulst 70 durchgeführt wird, die X-Achsenrichtung. Die Zustandsbestimmungseinheit 30 unterteilt das Werkstück in X-Achsenrichtung in mehrere Abschnitte und liest in jedem Segment das geschätzte Stördrehmoment aus der Bezugseinheit 29 aus. Jedes Segment weist in X-Achsenrichtung eine Länge von Δx auf. Die Zustandsbestimmungseinheit 30 bestimmt den Kontaktzustand für jedes Segment auf Basis des jeweils für ein Segment ausgelesenen geschätzten Stördrehmoments. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt eine Anpassung durch, um die Zufuhrrate für ein Segment zu verringern, in dem der Kontaktzustand durch die Zustandsbestimmungseinheit 30 als überlasteter Zustand bestimmt wurde. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt eine Anpassung durch, um die Zufuhrrate für ein Segment zu erhöhen, in dem der Kontaktzustand von der Zustandsbestimmungseinheit 30 als der berührungslose Zustand bestimmt wurde.
In ähnlicher Weise wie die Zustandsbestimmungseinheit 30 liest die Fehlererfassungseinheit 31 das geschätzte Stördrehmoment in jedem Segment aus der Bezugseinheit 29 aus. Die Fehlererfassungseinheit 31 erfasst einen Fehler in der Höhe in jedem Segment auf Basis des für jedes Segment gelesenen geschätzten Stördrehmoments.
12 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der Erfassung eines Fehlers in jedem Segment und der Anpassung der Zufuhrmenge in jedem Abschnitt, die von der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 durchgeführt wird Die Wulst 71 ist eine Wulst, die auf der Wulst 70 gebildet wird. Bei der Bildung der Wulst 71 erfolgt die Fehlererfassung durch die Fehlererfassungseinheit 31 in jedem Segment der Wulst 70.
Wenn ein Zeitraum von dem Zeitpunkt, an dem das Zentrum des Strahlquerschnitts die Position 73 erreicht, an der die Bearbeitung in Segment 72 begonnen werden soll, das von den Segmenten der Wulst 71 in der negativen X-Richtung ein Segment am Ende ist, bis zur Festlegung des geschätzten Stördrehmoments verstrichen ist, liest die Fehlererfassungseinheit 31 das geschätzte Stördrehmoment des Segments 72 aus. Die Fehlererfassungseinheit 31 erhält eine Schätzung der Höhe in Segment 72 auf Basis des gelesenen geschätzten Stördrehmoments und der in 10 dargestellten Beziehung. Die Schätzung wird als H1 berechnet. Die Fehlererfassungseinheit 31 berechnet ΔH, d. h. die Differenz zwischen der berechneten Schätzung H1 und der Höhe H1, die die Referenzhöhe ist, als Null. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 transportiert auf Basis des Erfassungsergebnisses, das anzeigt, dass ΔH Null ist, den Draht 5 zu Segment 72, ohne die von der Bedingungseinstellungseinheit 24 eingestellte Zufuhrrate anzupassen. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 bildet daher den Wulst 71, der eine Höhe H2 erreicht, indem sie die Bearbeitung mit der einer Bearbeitungsbedingung gemäßen Zufuhrmenge in Segment 72 durchführt.
Die Fehlererfassungseinheit 31 erfasst einen Fehler in jedem von Segment 72 verschiedenen Segment auf die gleiche Weise wie in Segment 72. Das in 12 dargestellte Segment 74 ist eines der Segmente, die einen konvexen Abschnitt des Wulstes 70 umfassen. Wenn für Segment 74 ein Zeitraum von dem Zeitpunkt, an dem das Zentrum des Strahlquerschnitts die Position 75 erreicht, an der die Bearbeitung in Segment 74 begonnen werden soll, bis zur Festlegung des geschätzten Stördrehmoments verstrichen ist, liest die Fehlererfassungseinheit 31 das geschätzte Stördrehmoment des Segments 74 aus. Es wird angenommen, dass eine Schätzung der Höhe in Segment 74 als H3 berechnet wird. ΔH wird von der Fehlererfassungseinheit 31 als (H3-H1) berechnet. Wenn |H3-H1|, bei dem es sich um den Absolutwert von ΔH handelt, größer als der oben beschriebene Wert Thc ist, führt die Bedingungsanpassungseinheit 25 eine Anpassung durch, um den Geschwindigkeitswert in Segment 74 auf einen Wert zu senken, der niedriger ist als die auf der Einstellung an der Bedingungseinstellungseinheit 24 basierende Zufuhrrate. Infolgedessen führt die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 eine Bearbeitung mit einer Zufuhrmenge durch, die kleiner ist als die einer Bearbeitungsbedingung in Segment 74 gemäße Zufuhrmenge. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 formt den Wulst 71, der in Segment 74 ebenfalls die Höhe H2 erreicht, indem die Zufuhrmenge so eingestellt wird, dass der Fehler bezüglich der Höhe in Segment 74 kompensiert wird. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann somit die Höhe des Werkstücks vereinheitlichen.
Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt eine Anpassung durch, um die Zufuhrrate in jedem Segment zu ändern, während das Zentrum des Strahlquerschnitts das Segment passiert. 13 zeigt eine Darstellung zur Erläuterung der segmentweisen Anpassung der Zufuhrrate, die von der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 durchgeführt wird. Die Darstellung von 13 zeigt Änderungen der Zufuhrgeschwindigkeit in zwei Segmenten. Die vertikale Achse der Darstellung zeigt die Zufuhrrate V des Drahtes 5 und die horizontale Achse die Zeit t. Der Geschwindigkeitswert V1 ist ein Geschwindigkeitswert gemäß einer Bearbei tungs bedingung.
Die NC-Vorrichtung 1 wiederholt die Fehlererfassung und die Anpassung der Zufuhrrate in jedem Segment, um die Höhe des Werkstücks zu vereinheitlichen. Die NC-Vorrichtung 1 führt bei der Steuerung zur Vereinheitlichung der Höhe die erste bis fünfte Prozedur wie folgt durch.
Bei der ersten Prozedur stellt die Bedingungsanpassungseinheit 25 die Zufuhrrate V auf den Geschwindigkeitswert V1 ein. Bei der zweiten Prozedur schätzt die Fehlererfassungseinheit 31 die Höhe des Werkstücks auf Basis des geschätzten Stördrehmoments während der Zufuhr des Drahtes 5 mit dem Geschwindigkeitswert V1 und erfasst einen Fehler. Bei der dritten Prozedur berechnet die Bedingungsanpassungseinheit 25 eine Zufuhrmenge des Drahtes 5, die den erfassten Fehler kompensieren kann. Bei der vierten Prozedur wandelt die Bedingungsanpassungseinheit 25 die berechnete Zufuhrmenge in Zeitreihendaten der Zufuhrrate V um. Bei der fünften Prozedur erzeugt die Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit 28 einen Zuführungsbefehl auf Basis der Zeitreihendaten und gibt den erzeugten Zuführungsbefehl aus.
In 13 stellt die Zeit Ta die Zeitspanne dar, während der das Zentrum des Strahlquerschnitts das in 12 dargestellte Segment 74 passiert. Die Zeit Ta ist die Zeit, die erforderlich ist, um den Bearbeitungskopf 10 mit einer einer Bearbeitungsbedingung gemäßen Vorschubgeschwindigkeit F1 um Δx zu bewegen. Vor dem Beginn der Zeit Ta wird die Zufuhrrate V durch die erste Prozedur zur Abschätzung der Höhe in Segment 74 zu Beginn der Zeit Ta auf den Geschwindigkeitswert V1 eingestellt. Die Zeit t1 ist die Zeit, die benötigt wird, um das geschätzte Stördrehmoment nach der Beschleunigung auf die Zufuhrrate auf den Geschwindigkeitswert V1 zu stabilisieren. Während der Zeit t1 führt die NC-Vorrichtung 1 die zweite bis vierte Prozedur durch.
Die Fehlererfassungseinheit 31 erfasst einen Fehler bezüglich der Höhe auf Basis des stabilisierten geschätzten Stördrehmoments und wenn die Zufuhrrate V, mit der der Draht 5 zugeführt wird, dem Geschwindigkeitswert V1 entspricht. Auf diese Weise kann die Fehlererfassungseinheit 31 einen Fehler in einem Zustand erfassen, in dem die Position des vorderen Endes des Drahtes 5 stabil ist.
Innerhalb der Zeit Ta wird nach der Zeit t1 während der Zeiten t2 und t3 die Zufuhrrate V in Abhängigkeit von der Differenz zwischen der der Bearbeitungsbedingung gemäßen Zufuhrmenge und der berechneten Zufuhrmenge geändert. Da es sich in Segment 74 um einen oben beschriebenen positiven Fehler handelt, wird eine Zufuhrmenge berechnet, die kleiner ist als die der Bearbeitungsbedingung gemäße Zufuhrmenge. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 verlangsamt die Zufuhr des Drahtes 5 von dem Geschwindigkeitswert V1 während der Zeit t2, die auf die Zeit t1 folgt, und beschleunigt die Zufuhr des Drahtes 5 während der Zeit t3, die auf die Zeit t2 folgt. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 führt eine Anpassung durch, um die Zufuhrmenge während der Zeit t2 und der Zeit t3 im Vergleich mit der der Bearbeitungsbedingung gemäßen Zufuhrmenge zu verkleinern.
Während der Zeit t2 wird die Zufuhrrate V von dem Geschwindigkeitswert V1 auf einen Geschwindigkeitswert Va abgesenkt. Während der Zeit t3 wird die Zufuhrrate V von dem Geschwindigkeitswert Va auf den Geschwindigkeitswert V1 erhöht. Während der Zeit t3 wird die erste Prozedur zur Schätzung der Höhe in einem Segment, das in positiver X-Richtung an das Segment 74 angrenzt, durchgeführt. Die Länge der Zeit t2 und der Zeit t3 kann gleich sein. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 ermittelt den Geschwindigkeitswert Va in Abhängigkeit von der berechneten Zufuhrmenge.
Wenn die Zufuhrmenge während der Bewegung des Zentrums des Strahlquerschnitts um eine Strecke x durch W dargestellt wird, ist die folgende Formel (2) erfüllt. Die Einheit der Zufuhrmenge W ist mm. Die Einheit der Zeit t1, der Zeit t2 und der Zeit t3 ist Sekunde. Die Einheit des Geschwindigkeitswertes V1 und des Geschwindigkeitswertes Va ist mm/Sekunde. Die rechte Seite der Formel (2) drückt die Fläche eines Bereichs zwischen der Kurve der Zufuhrmenge V während der Zeit Ta und der horizontalen Achse von 13 aus. $W = V 1 \times t 1 + {(V 1 + Va) \times t 2} / 2 + {(V 1 + Va) \times t 3} / 2$
Da t2=t3 erfüllt ist, wird t3 in der Formel (2) durch t2 ersetzt, dann wird die Formel (2) umgeformt, und man erhält so die folgende Formel (3). Die Bedingungsanpassungseinheit 25 berechnet den Geschwindigkeitswert Va auf Basis der berechneten Zufuhrmenge W und Formel (3). $Va = {W - V 1 (t1 + t2)} /t 2$
Die Zeit Tb ist die Zeitspanne, während der das Zentrum des Strahlquerschnitts ein Segment passiert, das an das in 12 dargestellte Segment 74 angrenzt, und die eine Länge aufweist, die gleich der Zeit Ta ist. Auch während der Zeit Tb ändert die NC-Vorrichtung 1 die Zufuhrrate V auf die gleiche Weise wie während der Zeit Ta. Die Bedingungsanpassungseinheit 25 ermittelt während der Zeit Tb einen Geschwindigkeitswert Vb in Abhängigkeit von der für das Segment berechneten Zufuhrmenge.
Gemäß der ersten Ausführungsform erfasst die NC-Vorrichtung 1 einen Fehler bezüglich der Höhe des Werkstücks auf Basis einer Schätzung des Stördrehmoments und passt die Zufuhrmenge des Drahtes 5 auf Basis des Fehlers an. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann die Höhe des Werkstücks vereinheitlichen, indem die Zufuhrmenge durch die NC-Vorrichtung 1 angepasst wird. Infolgedessen erzeugt die NC-Vorrichtung 1 den vorteilhaften Effekt, dass die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 eine Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchführen kann.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der ersten Ausführungsform der Strahl ein anderer Strahl als ein Laserstrahl sein kann, beispielsweise ein Elektronenstrahl. Die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 kann eine Elektronenstrahlerzeugungsquelle umfassen, die eine Strahlquelle ist. In einem Fall, in dem der Strahl ein anderer als ein Laserstrahl ist, kann die Vorrichtung zur additiven Fertigung 100 mit Hilfe der NC-Vorrichtung 1 ebenfalls eine Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchführen.
Die in den obigen Ausführungsbeispielen dargestellten Konfigurationen sind Beispiele für Details der vorliegenden Erfindung und können mit anderen bekannten Technologien kombiniert oder teilweise weggelassen oder modifiziert werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: NC-Vorrichtung;
2: Laseroszillator;
3: Faserkabel;
4: Rotationsmotor;
5: Draht;
6: Drahtspule;
7: Gaszufuhrvorrichtung;
8: Rohrleitung;
10: Bearbeitungskopf;
11: Strahldüse;
12: Drahtdüse;
13: Gasdüse;
14: Kopfantriebseinheit;
15: Tisch;
16: Rotationsantriebseinheit;
17: Basismaterial;
18: Abscheidung;
20: Bearbeitungsprogramm;
21: Bearbeitungsbedingungstabelle;
22: Programmanalyseeinheit;
23: Achsenbefehl-Erzeugungseinheit;
24: Bedingungseinstellungseinheit;
25: Bedingungsanpassungseinheit;
26: Bedingungsbefehl-Erzeugungseinheit;
27: Ausgabebefehl-Erzeugungseinheit;
28: Zuführungsbefehl-Erzeugungseinheit;
29: Bezugseinheit;
30: Zustandsbestimmungseinheit;
31: Fehlererfassungseinheit;
32, 34: Servoverstärker;
33: Oszillationssteuereinheit;
41: CPU;
42: RAM;
43: ROM;
44: externe Speichervorrichtung;
45: Eingabe-/Ausgabeschnittstelle;
46: Bus;
50, 60, 61, 70, 71: Wulst;
51, 62: konvexer Abschnitt;
52, 63: konkaver Abschnitt;
53: Tröpfchen;
72, 74: Segment;
73, 75: Position;
100: Vorrichtung zur additiven Fertigung.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP H08309535 [0005]

Claims

Numerische Steuervorrichtung zum Steuern einer Vorrichtung zur additiven Fertigung für die Herstellung eines modellierten Objekts durch Bestrahlen eines von einer Antriebskraft einer Antriebseinheit zugeführten Materials mit einem Strahl und Aufbringen des geschmolzenen Materials auf ein Werkstück, wobei die numerische Steuervorrichtung aufweist: eine Fehlererfassungseinheit zum Erfassen eines Fehlers bezüglich der Höhe des Werkstücks in einer Höhenrichtung, in der das Material abgeschieden wird; und eine Anpassungseinheit zum Anpassen der Zufuhrmenge des Materials auf Basis des Fehlers.
Numerische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Fehlererfassungseinheit den Fehler in jedem von mehreren Segmenten erfasst, in die das Werkstück in einer Bearbeitungsrichtung unterteilt ist, und die Anpassungseinheit die Zufuhrmenge in jedem der Segmente anpasst.
Numerische Steuervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anpassungseinheit einen Absolutwert des Fehlers mit einem Schwellwert vergleicht und die Zufuhrmenge anpasst, wenn der Absolutwert des Fehlers größer als der Schwellwert ist.
Numerische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner aufweist: eine Zustandsbestimmungseinheit zur Bestimmung eines Kontaktzustandes zwischen dem Material und dem Werkstück, wobei die Fehlererfassungseinheit den Fehler erfasst, wenn die Zustandsbestimmungseinheit bestimmt, dass der Kontaktzustand eine stabile Bearbeitung ermöglicht.
Numerische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Fehlererfassungseinheit den Fehler auf Basis einer Schätzung des auf die Antriebseinheit wirkenden Stördrehmoments erfasst.
Numerische Steuervorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Fehlererfassungseinheit den Fehler auf Basis der Schätzung erfasst, wenn eine Geschwindigkeit, mit der das Material zugeführt wird, eine einer Bearbeitungsbedingung gemäße Geschwindigkeit ist.
Numerische Steuervorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Schwellwert zur Bestimmung eines überlasteten Zustands, in dem das Material mit einer übermäßigen Kraft mit dem Werkstück in Kontakt ist, ein erster Schwellwert ist, ein Schwellwert zur Bestimmung eines berührungslosen Zustands, in dem das Material nicht mit dem Werkstück in Kontakt ist, ein zweiter Schwellwert ist, und die Fehlererfassungseinheit den Fehler erfasst, wenn die Schätzung kleiner als der erste Schwellwert und größer als der zweite Schwellwert ist.
Vorrichtung zur additiven Fertigung zur Herstellung eines modellierten Objekts durch Aufbringen eines durch Bestrahlung mit einem Strahl geschmolzenen Materials auf ein Werkstück, wobei die Vorrichtung zur additiven Fertigung aufweist: eine Antriebseinheit zur Erzeugung einer Antriebskraft für die Zuführung des Materials aus einer Zufuhrquelle für das Material; eine Fehlererfassungseinheit zum Erfassen eines Fehlers bezüglich der Höhe des Werkstücks in einer Höhenrichtung, in der das Material abgeschieden wird; und eine Anpassungseinheit zum Anpassen der Zufuhrmenge des Materials auf Basis des Fehlers.
Verfahren zum Steuern einer Vorrichtung zur additiven Fertigung durch eine numerische Steuervorrichtung, wobei die Vorrichtung zur additiven Fertigung ein modelliertes Objekt durch Bestrahlen eines von einer Antriebskraft einer Antriebseinheit zugeführten Materials mit einem Strahl und Aufbringen des geschmolzenen Materials auf ein Werkstück herstellt, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt zum Erfassen eines Fehlers bezüglich der Höhe des Werkstücks in einer Höhenrichtung, in der das Material abgeschieden wird; und einen Schritt zum Anpassen der Zufuhrmenge des Materials auf Basis des Fehlers.