JP2003080128A - 溶射施工システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ネットワークを利用して溶射施工条件を最適化
できるので、品質が高く、生産性の高い溶射施工を可能
にすることにある。 【解決手段】皮膜の仕様、被加工物の形状及び溶射ガン
の移動軌跡をそれぞれ入力する入力手段１〜３と、あら
かじめ得られた溶射時の皮膜のパターンを蓄積するデー
タベース４と、入力手段１〜３より入力された皮膜の仕
様と被加工物の形状及び溶射ガンの移動軌跡とから溶射
膜厚を予測する溶射皮膜予測手段５と、この溶射皮膜予
測手段５により予測された膜厚分布から施工条件とロボ
ット制御データを作成する膜圧分布制御手段６とを備
え、この膜厚分布制御手段６で作成された施工条件とロ
ボット制御データとを情報ネットワーク９を通じて、少
なくとも１台以上の溶射施工装置８に送信する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶射法を用いたコ
ーティング施工における溶射施工システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】コーティング技術として用いられている
溶射法は、高温高速のガス流の中に付着材料の粒子を投
入し、これによって形成される高速度の溶融粒子を被加
工物の表面に衝突させることによって皮膜を形成するも
のである。

【０００３】この溶射法において、熱源として、プラズ
マ炎を用いるものや、酸素−灯油等の燃焼ガス炎を用い
るものなど多くの種類があり、また、施工時の雰囲気に
も、大気中で行うのみならず、真空中や、シールドガス
を用いるなど多様である。

【０００４】これらの溶射法は、成膜速度が速く、厚膜
の施工が可能であること、低融点の材料から高融点の材
料まで幅広い被覆材料の選定が可能であることなどの利
点があることから、耐摩耗材料や、耐酸化・耐食材料、
遮熱コーティングなどに利用されており、その適用はエ
ネルギー機器や印刷機器、鋼板の製造など多岐にわたっ
ている。

【０００５】ここで、溶射装置の中で最も典型的な大気
プラズマ溶射装置を例に取ると、従来の溶射装置は、プ
ラズマ電源、制御装置、溶射ガン、溶射粉末供給装置、
ガン駆動機構（産業用ロボットを含む）及び被加工物ス
テージから構成される。

【０００６】一般的に溶射制御系は、上記プラズマ電
源、制御装置、溶射ガン及び溶射粉末供給装置の各構成
要素から構成され、ガンの駆動系、被加工物の駆動系は
独自に構成されることが多いが、中にはそれぞれの制御
系が連動している施工装置もある。

【０００７】ところで、産業用ロボットを用いた溶射装
置における通常の施工手順としては、溶射装置や溶射材
料の条件によって、基礎試験、あるいは従来の経験に基
づいて溶射制御系の最適溶射条件を選定し、その後、被
加工物の表面からの距離と角度を実測して溶射ガンの制
御点を実物を用いてティーチングし、溶射ガンの移動軌
跡を決定した後、実際の施工を行う。施工後は、膜厚測
定や組織観察を行い、これらの結果に基づいて、再度、
溶射施工条件の最適化を実施している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように従来の溶射
法による施工の手順は、施工パラメータの複雑さなどの
理由から、依然、操作を行う人間の経験や勘に頼る部分
が多く、操作を行う人間によって形成された膜の厚さ
や、膜質に大きなばらつきが生じ易い。また、製品の形
状変化に伴なう、新たな施工プログラムを作成するには
多くの手間と時間を要していた。

【０００９】本発明は上記のような課題を解決するため
になされたものであり、データベースと情報ネットワー
クを活用した生産システムとして、高品質の溶射アプリ
ケーションを短期間で低コストで開発することのできる
溶射施工システムを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するため、次のような手段により溶射施工システムを
構成する。

【００１１】請求項１に対応する発明は、皮膜の仕様、
被加工物の形状及び溶射ガンの移動軌跡の各データをそ
れぞれ入力する入力手段と、予め得られた溶射時の皮膜
パターンを蓄積する記憶手段と、前記入力手段より入力
された各データと前記記憶手段に蓄積された溶射パター
ンに基づいて溶射膜厚を予測する溶射皮膜予測手段と、
この溶射皮膜予測手段により予測された膜厚分布から施
工条件とロボット制御データを作成する膜厚分布制御手
段とを備え、この膜厚分布制御手段で作成された施工条
件とロボット制御データとを情報ネットワークを通し
て、少なくとも１台以上の溶射施工装置に送信するよう
にしたものである。

【００１２】請求項２に対応する発明は、皮膜の仕様、
被加工物の形状及び溶射ガンの移動軌跡をそれぞれ入力
し、且つこれらのデータをネットワークに送信する機能
を備えたデータ入力端末と、前記ネットワークを通して
入力されるデータを受け取る入力ポート、予め得られた
溶射皮膜パターンを蓄積する記憶手段、前記入力ポート
で受取った入力データと前記記憶手段に蓄積された溶射
皮膜パターンに基づいて溶射皮膜を予測する溶射皮膜予
測手段から構成されるサーバとを備える。

【００１３】請求項３に対応する発明は、請求項２に対
応する発明の溶射施工システムにおいて、膜厚予測手段
から得られた予測結果を、ネットワークを通して前記入
力データ端末に送信するようにしたものである。

【００１４】請求項４に対応する発明は、請求項２に対
応する発明の溶射施工システムにおいて、前記サーバに
前記溶射皮膜予測手段により予測された膜厚分布から施
工条件とロボット制御データを作成する膜圧分布制御手
段を設け、この膜厚分布制御手段で作成された施工条件
とロボット制御データとをネットワークを通して、少な
くとも１台以上の溶射施工装置に送信するようにしたも
のである。

【００１５】請求項５に対応する発明は、請求項１乃至
請求項３のいずれかに対応する発明の溶射施工システム
において、溶射ガンと被加工物表面との角度、距離と付
着効率との実験データを蓄積する付着効率記憶手段を設
け、前記膜厚予測手段により前記付着効率記憶手段に記
憶された実験データに基づいて被加工物全体における付
着効率を予測するようにしたものである。

【００１６】請求項６に対応する発明は、利用者に対し
て被加工物の形状と施工条件の入力を促す手段と、この
手段により促されたデータを入力する手段と、予め得ら
れた溶射時の皮膜パターンを蓄積する記憶手段と、前記
入力手段より入力されたデータと前記記憶手段に記憶さ
れた皮膜パターンに基づいて被加工物上の皮膜分布を予
測する手段と、この膜厚予測手段により得られた予測結
果を前記利用者に提供する手段とを備える。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。

【００１８】図１は、本発明による溶射施工システムの
第１の実施の形態を示すブロック構成図である。

【００１９】図１において、１は皮膜の膜厚、皮膜の材
料、粉末材料の粒径、溶射装置を含む施工装置の種類な
どの仕様データを入力する仕様データ入力手段、２は被
加工物の形状データ、ここではメッシュデータ（接点の
座標データと要素を構成する接点の組のデータから構成
されている有限要素データ）を入力する形状データ入力
手段、３は溶射ガンの座標、速度及び向きなどの移動軌
跡を入力する移動軌跡データ入力手段である。

【００２０】また、４は溶射角度―皮膜パターン、溶射
距離―皮膜パターンなどの溶射パターンが蓄積されたデ
ータベース、５は上記仕様データ入力手段１、形状デー
タ入力手段２、移動軌跡データ入力手段３より入力され
る各データとデータベース４に蓄積された溶射パターン
に基づいて膜厚を予測する膜厚予測手段である。

【００２１】さらに、６は膜厚予測手段５により予測さ
れた膜厚データが入力されるパーソナルコンピュータか
らなる膜厚分布制御手段で、この膜厚分布制御手段６
は、膜厚予測手段５で予測された膜厚分布を表示器６ａ
に表示させると共に、この膜厚分布をもとにオペレータ
７との対話により溶射ガンの移動軌跡の改善を行なって
膜厚最適化を図り、溶射条件とロボットプログラムを施
工データとして得るものである。

【００２２】一方、８は膜厚分布制御手段５よりネット
ワーク９を介して送信される溶射条件及びロボットプロ
グラムを受ける複数の溶射施工装置で、これら各溶射施
工装置８は溶射装置８ａ及び産業用ロボット８ｂとから
構成されている。

【００２３】ここで、上記膜厚予測手段５としては、基
礎的実験から得た溶射パターンの形状をそのまま被加工
物の表面へ投影して皮膜厚さを推定する従来法と、本出
願人が先に出願した特願平２０００−１０８０９８号に
示すようなモンテカルロ法を利用して、１つ１つの溶射
粉末粒子の飛行と付着挙動から膜厚を予測する方法があ
る。

【００２４】図２及び図３は従来法とモンテカルロ法に
よる膜厚の計算原理を説明するための模式図である。

【００２５】まず、従来法では、図２に示すように溶射
ガンと被加工物との間に、溶射方向に対して直交する平
面を考える。そして、この面上に形成される溶射皮膜の
パターンは、常に一定で実験的に平板上に同一条件で形
成される溶射皮膜パターンと同じであると仮定する。

【００２６】ここで、被加工物上の１つの接点（黒丸）
での膜厚ｔ１を考えると、この値は着目している接点と
溶射ガンの中心点とを結んだ直線と、仮想平面との交点
（白丸）での膜厚の値ｔ２に対して、接点を含む面と溶
射方向との成す角度による補正分ｃ１と、接点と溶射ガ
ンとの距離による補正分ｃ２とを掛けた以下のような式
で表される。

【００２７】ｔ１＝ｃ１×ｃ２×ｔ２ なお、ｃ１とｃ２の値は、平板を用いて溶射角度や溶射
距離を変化させた試験を行なって求める。

【００２８】次にモンテカルロ法では、図３に示すよう
にフレーム内の溶射粒子の密度分布に応じて計算機内の
乱数を用いて仮想平面上に粒子を発生させる。この粒子
の発生位置と溶射ガンの中心位置とを結んだ線が着目し
ている粒子の飛行軌跡と考えられるので、この直線と被
加工物表面との交点が粒子の付着候補点である。

【００２９】しかしながら、この粒子が付着する確率
は、表面との角度Ａや距離Ｄの関数η（Ａ，Ｄ）（区間
［０，１］）とし、新たに乱数ｒ（区間［０，１］）を
発生させて、次式が成り立つときに着目する粒子が付着
すると仮定すれば、実際の付着確率で粒子を選ぶことが
可能である。

【００３０】ｒ≦η（Ａ，Ｄ） このようにして無数の粒子を発生させ、各要素への付着
粒子の密度を計算すれば、膜厚分布を算出することが可
能となる。

【００３１】本実施の形態で用いられる膜厚予測手段５
は、上記従来法またはモンテカルロ法のいずれでもよい
が、試験データ数が少なくてすむことなどの利点から、
後者のモンテカルロ法を利用した手法が本生産システム
には好適である。

【００３２】次に上記のように構成された溶射施工シス
テムの作用を説明する。

【００３３】まず、膜厚予測手段５に対して、仕様デー
タ入力手段１より必要な膜厚、皮膜の材料、溶射装置の
種類、材料粉末の粒径などを皮膜の仕様データとして入
力する。次に膜厚予測手段５に対して、形状データ入力
手段２より被加工物の形状を表すメッシュデータを入力
すると共に、溶射ガンの移動軌跡データ入力手段３より
座標、速度、向きなどの溶射ガンの移動軌跡データを入
力する。

【００３４】膜厚予測手段５では、これら皮膜の仕様デ
ータ、形状データ、溶射ガンの移動軌跡データと、デー
タベース５から取込んだ溶射角度―皮膜パターン、溶射
距離―皮膜パターンなどの溶射パターンとに基づいて前
述したモンテカルロ法により膜厚を予測する。

【００３５】この膜厚予測手段５により予測された膜厚
データは膜厚分布制御手段６に取込まれ、表示器６ａに
膜厚分布を表示させる。オペレータ７はこの表示器６ａ
に表示された膜厚分布を見ながら、溶射ガンの移動軌跡
の改善を行なって膜厚最適化を図り、最後に膜厚分布制
御手段６により、溶接条件とロボットプログラムが作成
される。

【００３６】このようにして得られた溶射条件とロボッ
トプログラムは、図示点線で示すようにネットワーク９
を通して複数箇所に設備された溶射施工装置８に送信さ
れ、各溶射施工装置８の溶射装置８ａには溶射条件が設
定され、またロボット制御器８ｂに対してはロボットプ
ログラムが組込まれる。従って、各溶射施工装置８にお
いては、溶射装置８ａと産業用ロボット８ｂは前述した
溶接条件とロボットプログラムに基づいて運転制御さ
れ、被加工物に対してコーティングが施工されることに
なる。

【００３７】上記構成の第１の実施の形態においては、
基礎的実験により得られた溶射パターンをデータベース
４に蓄積し、このデータと被加工物の形状データを表す
メッシュデータ、皮膜の仕様データから仮想的に産業用
ロボットの移動プログラムを求めるようにしたので、現
物を用いた現地試験による開発の期間とコストを大幅に
削減することが可能になる。

【００３８】また、溶射条件及びロボットプログラムを
施工データとしてネットワークを通して送信することに
より、施工装置から離れた場所での施工条件の検討が可
能になることから、生産性を著しく向上させることが可
能になる。

【００３９】さらに、膜厚分布制御手段６は複数台の溶
射施工装置８の施工条件を一元的に管理し、それぞれの
溶射装置で施工される製品の品質を均一化することが可
能であり、溶射施工には不向きとされていた大量生産シ
ステムの構築もできる。

【００４０】しかも、データはネットワークを介して送
信されるので、最適化を行うコンピュータまたはオペレ
ータと、製造現場とが離れていても何ら問題はなく、ま
た溶射施工装置も同じ場所にある必要がないことから、
複数の工場を有機的に連動した大規模生産システムの構
築が可能となる。

【００４１】なお、上記実施の形態では、膜厚分布制御
手段６により膜厚予測手段５で予測された膜厚分布を表
示器６ａに表示させると共に、この膜厚分布をもとにオ
ペレータ７との対話により溶射ガンの移動軌跡の改善を
行なって膜厚最適化を図る場合について述べたが、より
進んだシステムとして表示器とオペレータによる最適化
の過程を、最急降下法や遺伝的アルゴリズムなどの最適
化手法を利用して、自動的に行なうことも可能である。

【００４２】図４は本発明による溶射施工システムの第
２の実施の形態を示すブロック構成図で、図１と同一部
分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異
なる点について述べる。

【００４３】第２の実施の形態では、図４に示すように
形状データ入力手段２より膜厚予測手段５に入力される
被加工物の形状を表す形状データとして２次元、又は３
次元データを用いる。この場合、ＣＡＤデータを直接利
用する場合には、形状データ入力手段２と膜厚予測手段
３との間に、ＣＡＤ形状データから形状を表現する節点
と要素からなるメッシュを生成するメッシュジェネレー
タ２ａが設けられる。

【００４４】このような構成としても、第１の実施の形
態と全く同様の作用効果を得ることができる。

【００４５】図５は本発明による溶射施工システムの第
３の実施の形態を示すブロック構成図で、図１と同一部
分には同一符号を付して説明する。

【００４６】第３の実施の形態は、図５に示すように皮
膜の仕様を入力する仕様データ入力手段１と形状データ
を入力する形状データ入力手段２及び溶射ガンの移動軌
跡を入力する移動軌跡データ入力手段３の各要素から構
成されるデータ入力端末１０と、このデータ入力端末１
０にネットワーク９を介して接続される溶射コンサルタ
ントサーバー１１と、この溶射コンサルタントサーバー
１１とネットワーク９を介して接続される複数台の溶射
施工装置８とから構成されている。

【００４７】ここで、上記溶射コンサルタントサーバー
１１は、データ入力端末１０から送られる各データを受
けるデータポート１２、溶射パターンが蓄積されたデー
タベース４、データ入力端末１０からネットワーク９を
介して送られてくる各データとデータベース４に蓄積さ
れた溶射パターンに基づいて膜厚を予測する膜厚予測手
段５、この膜厚予測手段５により予測された膜厚分布を
表示器６ａに表示させると共に、この膜厚分布をもとに
オペレータ７との対話により溶射ガンの移動軌跡の改善
を行なって膜厚最適化を図り、溶射条件とロボットプロ
グラムを施工データとして作成する膜厚分布制御手段６
から構成されている。

【００４８】このような構成の溶射施工システムにおい
て、データ入力端末１０からネットワーク９を介して入
力データが伝送されると、この入力データは溶射コンサ
ルタントサーバー１１側の入力ポート１２に入るため、
本システムの利用者である製品の設計者または製品の製
造者が遠隔地から直接サーバーへデータ入力が可能とな
る。

【００４９】従って、製品の設計者や製造者による設計
や仕様の変更に対して迅速に対応でき、溶射条件やロボ
ットプログラムの変更を容易に行なうことができる。

【００５０】図６は本発明による溶射施工システムの第
４の実施の形態を示すブロック構成図で、図５と同一部
分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異
なる部分について述べる。

【００５１】本実施の形態は、第３の実施の形態を構成
する要素に加えて、膜厚分布をネットワーク９を介して
設計者や生産者であるデータ入力者（利用者）に施工条
件の入力を促したり、膜厚予測手段５より得られた膜厚
分布の予測結果をデータ入力者（利用者）に提供する情
報経路を構成したものである。

【００５２】このような構成の溶射施工システムにおい
て、オペレータ（提供者）により表示器６ａに表示され
た情報を確認しながらデータ入力者（利用者）側の端末
１０にネットワーク９を介して送信して、皮膜の形状や
施工条件等の入力を促すと、利用者は端末１０より３次
元ＣＡＤデータや皮膜仕様等のプロセスに要求されるデ
ータを入力する。そのデータはネットワーク９を介して
溶射コンサルタントサーバー１１側の入力ポート１２に
送信され、この溶射コンサルタントサーバ１１では膜厚
予測手段５により、これらの入力データと、データベー
ス５から取込んだ皮膜パターンなどの溶射パターンとに
基づいて膜厚を予測する。

【００５３】そして、この溶射コンサルタントサーバ１
１で計算された膜厚の分布予測を表示器６ａに表示する
と共に、利用者にネットワーク９を通して提供する。

【００５４】従って、膜厚の予測結果を設計者に直接フ
ィードバックすることが可能となるので、溶射施工上の
問題点を即座に設計に反映させることができ、開発期間
の短縮に大きな効果をもたらす。

【００５５】また、利用者は溶射プロセスを配慮した設
計が容易に行なうことができると共に、提供者は計算結
果から得られた予測結果を課金することによって自らの
保有しているノウハウを利用したビジネスモデルの構築
が可能である。

【００５６】このように溶射施工条件の最適化過程に設
計者などが参加することにより、溶射による不具合を仕
様決定や設計の過程から改善でき、溶射条件最適化にあ
たって、よりフレキシビリティーの高いシステムを構築
することができる。

【００５７】前述した各実施の形態では、溶射角度―皮
膜パターン、溶射距離―皮膜パターンなどの溶射パター
ンが蓄積されたデータベース４を用いたが、これとは別
個に溶射ガンと被加工物表面との角度、距離と付着効率
との実験データを蓄積した付着効率データベースを設
け、膜厚予測手段５により付着効率データベースに蓄積
された実験データに基づいて被加工物全体における付着
効率を予測するようにしてもよい。

【００５８】このような構成とすることにより、被加工
物全体での付着効率を求めることができ、この予測値か
ら施工に必要な溶射材料の量が分ることから、無駄なく
材料の発注や保管を行なうことが可能になり、施工費用
の大幅な削減を図ることができる。

【００５９】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、溶射
施工条件を最適化できる品質の高い、しかも生産性の高
い溶射施工システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による溶射施工システムの第１の実施の
形態を示すブロック構成図。

【図２】従来法による膜厚の計算原理を説明するための
模式図。

【図３】モンテカルロ法による膜厚の計算原理を説明す
るための模式図。

【図４】本発明による溶射施工システムの第２の実施の
形態を示すブロック構成図。

【図５】本発明による溶射施工システムの第３の実施の
形態を示すブロック構成図。

【図６】本発明による溶射施工システムの第４の実施の
形態を示すブロック構成図。

【符号の説明】

１…仕様データ入力手段 ２…形状データ入力手段 ２ａ…メッシュジェネレータ ３…移動軌跡データ入力手段 ４…データベース ５…膜厚予測手段 ６…膜厚分布制御手段 ６ａ…表示器 ８…溶射施工装置 ８ａ…溶射装置 ８ｂ…ロボット制御器 ９…ネットワーク １０…データ入力端末 １１…溶射コンサルタントサーバー １２… データサポート

フロントページの続き (72)発明者 齋藤 正弘 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 村田 義春 神奈川県横浜市鶴見区末広町２丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 4F033 PA11 QA01 QB02Y QB05 QB12Y QG02 QG05 QG13 QH10 QK22X QK27X 4F035 AA04 BA23 BB02 BB03 BB12 BB13 BB32 BC02 BC05 4F042 AB06 BA25 ED03 4K031 EA01 EA09 EA12 GA02

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 皮膜の仕様、被加工物の形状及び溶射ガ
   ンの移動軌跡の各データをそれぞれ入力する入力手段
   と、予め得られた溶射時の皮膜パターンを蓄積する記憶
   手段と、前記入力手段より入力された各データと前記記
   憶手段に蓄積された溶射パターンに基づいて溶射膜厚を
   予測する溶射皮膜予測手段と、この溶射皮膜予測手段に
   より予測された膜厚分布から施工条件とロボット制御デ
   ータを作成する膜厚分布制御手段とを備え、この膜厚分
   布制御手段で作成された施工条件とロボット制御データ
   とを情報ネットワークを通して、少なくとも１台以上の
   溶射施工装置に送信するようにしたことを特徴とする溶
   射施工システム。
2. 【請求項２】 皮膜の仕様、被加工物の形状及び溶射ガ
   ンの移動軌跡をそれぞれ入力し、且つこれらのデータを
   ネットワークに送信する機能を備えたデータ入力端末
   と、前記ネットワークを通して入力されるデータを受け
   取る入力ポート、予め得られた溶射皮膜パターンを蓄積
   する記憶手段、前記入力ポートで受取った入力データと
   前記記憶手段に蓄積された溶射皮膜パターンに基づいて
   溶射皮膜を予測する溶射皮膜予測手段から構成されるサ
   ーバとを備えたことを特徴とする溶射施工システム。
3. 【請求項３】 請求項２記載の溶射施工システムにおい
   て、膜厚予測手段から得られた予測結果を、ネットワー
   クを通して前記入力データ端末に送信することを特徴と
   する溶射施工システム。
4. 【請求項４】 請求項２記載の溶射施工システムにおい
   て、前記サーバに前記溶射皮膜予測手段により予測され
   た膜厚分布から施工条件とロボット制御データを作成す
   る膜圧分布制御手段を設け、この膜厚分布制御手段で作
   成された施工条件とロボット制御データとをネットワー
   クを通して、少なくとも１台以上の溶射施工装置に送信
   するようにしたことを特徴とする溶射施工システム。
5. 【請求項５】 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載
   の溶射施工システムにおいて、溶射ガンと被加工物表面
   との角度、距離と付着効率との実験データを蓄積する付
   着効率記憶手段を設け、前記膜厚予測手段により前記付
   着効率記憶手段に記憶された実験データに基づいて被加
   工物全体における付着効率を予測するようにしたことを
   特徴とする溶射施工システム。
6. 【請求項６】 利用者に対して被加工物の形状と施工条
   件の入力を促す手段と、この手段により促されたデータ
   を入力する手段と、予め得られた溶射時の皮膜パターン
   を蓄積する記憶手段と、前記入力手段より入力されたデ
   ータと前記記憶手段に記憶された皮膜パターンに基づい
   て被加工物上の皮膜分布を予測する手段と、この膜厚予
   測手段により得られた予測結果を前記利用者に提供する
   手段とを備えたことを特徴とする溶射施工支援システ
   ム。