JP2005133120A

JP2005133120A - 光造形用加工基準補正方法及び光造形装置

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Publication number: JP2005133120A
Application number: JP2003368151A
Authority: JP
Inventors: Yoshikazu Azuma; 喜万東; Satoshi Abe; 諭阿部; Hirohiko Tougeyama; 裕彦峠山
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-10-28
Filing date: 2003-10-28
Publication date: 2005-05-26
Anticipated expiration: 2023-10-28
Also published as: JP3587208B1

Abstract

【課題】切削座標系と光ビーム座標系とを一致させる補正を簡便に且つ的確に行う。
【解決手段】粉末材料の層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して造形物を製造するにあたり、光ビームの照射面にセットした較正板６上の予め定めたポイントに対し、切削手段によるマーク６０と、光ビーム照射手段によるマーク６１との付与を行い、切削手段及び光ビーム照射手段の制御を行う制御装置は、マーク６０，６１の位置測定手段から得られた両種マークの位置ずれ量に基づいて切削位置または光ビーム照射位置を補正する。実際に切削加工及び光ビーム照射を行うことでエンドエフェクタである切削用の刃先の位置を基準に光ビームの照射位置を合わせる補正を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は粉末材料を光ビームで焼結硬化させることで三次元形状造形物を製造する光造形に際しての加工基準補正方法及び光造形装置に関するものである。

光造形法として知られている三次元形状造形物の製造方法がある。特許第２６２０３５３号（特許文献１）などに示された該製造方法は、無機質あるいは有機質の粉末材料の層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結（融着）することで焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当個所の粉末を焼結することで下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成するということを繰り返すことで、複数の焼結層が積層一体化された粉末焼結部品（三次元形状造形物）を作成するものであり、三次元形状造形物の設計データ（ＣＡＤデータ）であるモデルを所望の層厚みにスライスして生成する各層の断面形状データをもとに光ビームを照射することから、いわゆるＣＡＭ装置が無くとも任意形状の三次元形状造形物を製造することができるほか、切削加工などによる製造方法に比して、迅速に所望の形状の造形物を得ることができる。

ところで、光ビームを照射して焼結硬化させた部分の周囲には伝達された熱が原因となって不要な粉末が付着するものであり、該付着粉末は密度の低い表面層を造形物に形成してしまう。この密度の低い表面層を除去して滑らかな表面の三次元形状造形物を得るために、本出願人は特開２００２−１１５００４号（特許文献２）において、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入することを提案した。この場合、焼結層の作成と造形物の表面部及びまたは不要部分の除去を繰り返し行うことで、切削用工具の刃長などの制約を受けることなく表面を仕上げることができる。

ここにおいて、上記焼結のための光ビーム照射手段の光ビーム座標系Ｋ１は、図１７(a)に示すように、その走査領域が光造形のための造形タンク内に納まっておればよいが、この造形タンク２５内で造形される造形物に対して造形タンク２５内で切削除去加工も行う場合、図１７(b)に示すように切削手段の切削除去座標系Ｋ２と光ビーム座標系Ｋ１とがずれていると、造形物を正しく切削加工することができないために、造形を始めるにあたり、まず両座標系Ｋ１，Ｋ２を一致させなくてはならない。

また、光ビーム照射手段は、一般にスキャン光学系を有するものとして構成されているが、このような光学系を含んでいるということは、光学系が持つピンクッションエラーや、スキャン光学系の鏡の取付位置と傾き、経時変化などによる照射位置誤差などで、図１８に示すように、狙った照射位置Ｓ１に対して実際の照射位置Ｓ２がずれている場合があるということであり、この点に関する補正も必要である。
特許第２６２０３５３号公報特開２００２−１１５００４号公報

本発明は上記の点に鑑みて発明したものであって、切削座標系と光ビーム座標系とを一致させる補正及び光ビーム照射手段の照射位置誤差の補正を簡便に且つ的確に行うことができる光造形用加工基準補正方法及び光造形装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために本発明に係る光造形用加工基準補正方法は、粉末材料の層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して造形物を製造するにあたり、光ビームの照射面にセットした較正板上の予め定めたポイントに対し、上記切削除去のための切削手段によるマークと、上記光ビームを照射する光ビーム照射手段によるマークとの付与を行い、切削手段及び光ビーム照射手段の制御を行う制御装置は、上記両種マークの位置を測定する測定手段から得られた両種マークの位置ずれ量に基づいて切削位置または光ビーム照射位置の補正を行うことに特徴を有している。切削座標系と光ビーム座標系との較正作業を自動化できる上に、実際に切削加工及び光ビーム照射を行うことでエンドエフェクタである切削用の刃先の位置を基準に光ビームの照射位置を合わせる補正を行うことができる。

切削手段によるマークと光ビーム照射手段によるマークとを異なる較正板に対して付与して切削手段によるマークと光ビーム照射手段によるマークとを誤認する虞がなくなるようにしてもよく、この場合、較正板の位置決めを行った後、マークの付与及びマーク位置測定を行ったり、切削手段にてマークを付与する較正板と光ビーム照射手段にてマークを付与する較正板とに、切削手段にて基準マークを別途付与することで、較正板を取り出してから位置測定を行う場合にも位置ずれ量を適切に測定することができる。

粉末材料の層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して造形物を製造するにあたり、撮像手段と画像処理手段とで構成された測定手段における撮像手段を上記切削除去のための切削手段に設けて切削手段と撮像手段との位置関係を一定とし、光ビームの照射面にセットした較正板に対し、上記撮像手段の撮像位置として規定された較正点に光ビーム照射手段でマークを付与し、撮像手段による撮像画像から該画像中の基準点とマークの画像とのずれ量を算出して、得られたずれ量に基づいて光ビーム照射位置の補正を行うようにしてもよい。この場合、切削手段による切削動作を行う必要がないために、更に簡便に補正を行うことができる。

いずれにしても、上記較正板に対する光ビーム照射手段によるマークの付与は、粉末層の焼結時と同じパワーで行うことが、光ビーム照射装置の光学系の熱影響による変動を含めた補正を行うことができる。

また、光ビーム照射手段によるマークを十字形とする場合、撮像手段と画像処理手段とで構成された測定手段は、十字形マークにおける直交する２線の濃淡処理にて濃淡境界線を求めて、濃淡境界線から上記２線の各中央を通る２つの直線を求め、この２つの直線の交点をマークの中心とすると、十字形マークの中心位置を簡便に且つ的確に求めることができる。

また、較正板上のマークの付与が可能なエリアの外辺に形成するマークの形状を、
較正板上のマークの付与が可能なエリアの外辺に形成するマークの形状を、Ｌ字形またはＴ字形とすると、補正データを得ることができるエリアを最大限にとることができる。

また、較正板に対するマークの付与とマークの位置ずれ量に基づく補正とを繰り返して行うとともに、マークを付与するポイントの数を減らしていくと、精度を保ちつつ処理に必要な時間を短縮することができる。

そして本発明に係る光造形装置は、粉末の層を形成する粉末層形成手段と、最上層の粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成する光ビーム照射手段と、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う切削手段と、これら粉末層形成手段と光ビーム照射手段と切削手段とを制御する制御手段とを備えるとともに、光ビームの照射面にセットした較正板上の予め定めたポイントに上記切削手段で付与されたマークと、上記光ビーム照射手段で付与されたマークの２種のマークの位置を測定する測定手段を備えており、上記制御手段では測定手段で得られた２種のマークの位置ずれ量に基づいて切削手段による切削位置または光ビーム照射手段による光ビーム照射位置の補正を行うものであることに特徴を有しており、また、粉末の層を形成する粉末層形成手段と、最上層の粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成する光ビーム照射手段と、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う切削手段と、これら粉末層形成手段と光ビーム照射手段と切削手段とを制御する制御手段とを備えるとともに、光ビームの照射面にセットした較正板上の複数のポイントに上記光ビーム照射手段で付与されたマークの位置を測定する測定手段を備え、撮像手段と画像処理手段とで構成された上記測定手段における撮像手段は、切削手段に設けられて切削手段と撮像手段との位置関係が一定とされているとともに上記複数のポイントは撮像手段の撮像位置として規定されており、上記制御手段は撮像手段による撮像画像中の基準点とマークの画像とのずれ量に基づいて光ビーム照射手段による光ビーム照射位置の補正を行うものであることに他の特徴を有している。

本発明は、切削座標系と光ビーム座標系との較正のための補正を自動化することができて、切削を伴う光造形による造形品の製造を正確に行うことができるものであり、しかも実際に切削加工及び光ビーム照射を較正板に対して行ってエンドエフェクタである切削用の刃先の位置を基準に光ビームの照射位置を合わせる補正を行うために、切削座標系と光ビーム座標系とを一致させる補正を精度良く行うことができるとともに、この時、光ビーム照射手段の照射位置誤差の補正もなされてしまうものである。

以下本発明を実施の形態の一例に基づいて詳述すると、図１４及び図１５に示す光造形装置は、粉末層形成手段２と光ビーム照射手段３と切削手段４と撮像手段５及び制御装置Ｃで構成されているもので、上記粉末層形成手段２は、造形タンク２５内をシリンダー駆動で上下に昇降するステージ２０上に粉末タンク２３内の粉末をスキージング用ブレード２１で供給するとともに均すことで所定厚みΔｔの粉末層１０をステージ２０上に形成するものとして構成されている。

光ビーム照射手段３は、レーザー発振器３０から出力されたレーザーをスポット径及び焦点位置調節用光学系３２とガルバノミラー等のスキャン光学系３１とを介して上記粉末層１０に照射する。

切削手段４は上記粉末層形成手段２のベース部にＸＹ駆動機構４０を介してミーリングヘッド４１を設けたものとして構成されている。また、ＸＹ駆動機構４０にはミーリングヘッド４１に並ぶ形でＣＣＤ等で構成された撮像手段５が配設されている。図１４中のＳは光ビームの発振と偏向及び焦点制御を行う偏向制御装置、Ｄは撮像手段５で得られた画像の処理のための画像処理装置であり、撮像手段５と画像処理装置Ｄとで本発明における測定手段が構成されている。

このものにおける三次元形状の造形物の造形は、図１５(a)に示すように、ステージ２０上面の造形用ベース２２表面に粉末タンク２３からステージ２４の上昇で溢れさせた粉末をブレード２１で供給すると同時にブレード２１で均すことで第１層目の粉末層１０を形成し、この粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させてベース２２と一体化した焼結層１１を形成する。この後、ステージ２０を少し下げて再度粉末を供給してブレード２１で均すことで第１層目の粉末層１０（と焼結層１１）の上に第２層目の粉末層１０を形成し、この第２層目の粉末層１０の硬化させたい箇所に光ビーム（レーザー）Ｌを照射して粉末を焼結させて下層の焼結層１１と一体化した焼結層１１を形成する。

ステージ２０を下降させて新たな粉末層１０を形成し、光ビームＬを照射して所要箇所を焼結層１１とする工程を繰り返すことで、焼結層の積層物として目的とする造形物を製造するものであるが、前述のように焼結層１１の全厚みがたとえば切削手段４におけるミーリングヘッド４１の工具の刃長などから求めた所要の値になれば、図１５(b)に示すようにいったん切削手段４を作動させてそれまでに造形した造形物の表面を切削することで、造形物表面に付着した粉末による過剰焼結部としての低密度表面層を除去して造形物表面に密度が高い部分を全面的に露出させる。切削手段４の工具が直径１ｍｍ、有効刃長（首下長さ）３ｍｍで深さ３ｍｍの切削加工が可能であり、粉末層１０の厚みが０．０５ｍｍであるならば、焼結層１１の形成時に過剰焼結部が０．１ｍｍ〜０．５ｍｍほど垂れ下がって生じることから、たとえば４０層の焼結層１１を積層する毎に切削手段４を作動させ、前回の切削除去で一度切削したところも１ｍｍほどオーバーラップさせて切削することが好ましい。

ここにおいて、前述のように、光ビーム座標系と切削座標系とが一致していなくては光ビームの照射による焼結で得た造形物の表面のみを切削手段４で切削して除去することはできないことから、造形を始めるにあたっては、まず上記両座標系を一致させなくてはならないが、ここでは切削手段４がＸＹ機構４０でミーリングヘッド４１の位置を制御していることと、光ビームがスキャン光学系３１で照射位置制御されていることから、補正が容易な光ビーム座標系を切削座標系に合わせる補正を行うものとし、補正値は次のようにして求めている。

すなわち、光造形を開始するに先立ち、図２に示すように、造形タンク２５のステージ２０上に較正板６を配置し、この較正板６の上面がスキージング用のブレード２１の移動面と一致するように高さを合わせる。そして、図１に示すように、切削手段４によって較正点として予め設定されている複数ポイントに対して切削動作を行うことで切削痕としてのマーク６０を較正板６に形成する。次いで、光ビーム照射手段３によって上記と同じ複数ポイントに対して光ビームを照射して較正板６にマーク６１を形成する。

夫々の座標系の基に同じポイントにマーク６０，６１を付すことから、光ビーム座標系Ｋ１と切削座標系Ｋ２とが一致しておれば、マーク６０，６１は較正板６上の同じ位置に来るが、両座標系Ｋ１，Ｋ２がずれておれば、マーク６０，６１はずれた位置に付されることになる。

従って、切削座標系Ｋ２に基づいて複数ポイントに形成されたマーク６０と、光ビーム座標系Ｋ１に基づいて同じ複数ポイントに形成されたマーク６１とを前述の撮像手段５を用いて撮像して、得られた画像を処理することで、各ポイントにおけるマーク６０の位置に対し、マーク６１がずれているかどうかを判定するとともに、ずれている場合にはそのずれ量（Δｘ，Δｙ）を算出して該ずれ量に基づいて光ビーム照射位置の補正データ（光ビーム座標系Ｋ１の切削座標系Ｋ２に対する補正データ）を作成する。マーク６０，６１の形成と撮像と補正処理とは、マーク６０，６１間の位置ずれ量が所定の値以下になるまで繰り返すことが好ましい。

この時、マーク６０，６１を付すポイントの数を多く設定すれば、光ビーム座標系Ｋ１と切削座標系Ｋ２とを一致させるだけでなく、光ビーム照射手段３のスキャン光学系３１等に起因する照射位置誤差についての補正も同時になされることになる。

ここで、切削手段４によるマーク（切削痕）６０は円形とするとよい。切削手段４にはエンドミルを好適に用いることができるが、これだと円形の切削痕を容易に形成することができる。また、円形のマーク６０であれば、画像処理に際してエッジを通る円の中心としてマーク６０の中心を容易に算出することができる。

一方、光ビームによるマーク６１については、切削痕であるマーク６０と異なる形状のものとするのが好ましい。画像処理上においてマーク６０との識別を簡便に行うことができるからであり、マーク６０を円形とする時、マーク６１には十字形を好適に用いることができる。画像処理上での十字形のマーク６１の中心点の算出は、図３に示すように、十字を構成する２つの線に対して濃淡値が急激に変化するところを夫々複数点求めることで、左側境界線６１Ｌと右側境界線６１Ｒと上側境界線６１Ｕと下側境界線６１Ｄを近似直線として求め、次いで左側境界線６１Ｌと右側境界線６１Ｒの中間直線６１Ｙ及び上側境界線６１Ｕと下側境界線６１Ｄの中間直線６１Ｘを求めて、両中間直線６１Ｘ，６１Ｙの交点を求めることで行えばよい。

なお、較正板６に感熱紙や特定の波長に反応する感光紙を貼り付けたガラス板のような板状材を用い場合、マーク６１は光ビームＬのパワーを造形時よりも低くして形成することになるが、較正板６としてアクリル板や黒アルマイト処理したアルミニウム板を用いた場合、造形時と同じパワーの光ビームＬでマーク６１を形成することができ、この場合、光ビーム照射手段３における光学系の熱影響による変動を含めた較正を行うことができる。ちなみに、較正板６としてアクリル板を用いた場合、マーク６１は図４(a)に示す断面形状の溝として形成され、黒アルマイト処理したアルミニウム板を用いた場合、マーク６１は図４(b)に示すようにアルマイト処理層６５が除去されたものとして形成される。

ちなみに、光ビームＬが炭酸ガスレーザであり、造形時の焼結パワー（例えば３００Ｗ）でマーク６１を形成する場合、できるだけ集光させた状態で撮像手段５のカメラ視野内に納まる大きさで且つ細かい十字マークを加工し、十字を構成する溝の溝幅を画像から計測してその中心線から十字マークの中心を求めるものとする。このような加工とすることで、撮像手段５の分解能を有効に使用することができる。

ところで、各ポイントにおける両種マーク６０，６１が完全に重なっておれば、切削系の座標系Ｋ２とレーザ系の座標系Ｋ１とが一致していることになるが、両種マーク６０，６１が重なっていると、マーク６０，６１の形状によってはマーク６１（もしくはマーク６０）が判別しづらくなる場合がある。このような時には、切削手段４によるマーク６０を先に形成する場合、マーク６０の位置測定の後にマーク６１を形成するようにしてもよい。

また、マーク６０を形成するポイントに対してマーク６１を形成するポイントを所定寸法だけオフセットさせたところとし、マーク６１の測定位置からオフセット分を除いた位置で座標系が一致しているかどうかの判別を行うならば、両座標系が一致している時にもマーク６０にマーク６１が重ならないために、両者の判別が困難となるようなことがない。

もっとも、マーク６０が上記のように円形であり、マーク６１が十字形である場合、十字形の中心は前述のように算出することから、十字形の交差部が円形のマーク６０に重なっていても中心点の算出に問題が生じることはない。切削手段４によるマーク６０の形状と、光ビームによるマーク６１の形状は逆であってもよい。また、マーク６０，６１のいずれか一方を十字形とする場合でも、図５に示すように、複数ポイントのうちの最も外側に位置することについては、Ｔ字形やＬ字形を用いとよい。複数ポイントの配置エリアを光ビームの照射可能エリア（あるいはＸＹ駆動機構４０によるミーリングヘッド４１の移動可能エリア）いっぱいに取ることができる。

なお、複数ポイントの配置エリアＡは、図６に示すように、次に造形する造形物Ｐのサイズに応じたものとしてもよい。必要な箇所のみ補正するために時間短縮を図ることができる。造形物Ｐの作成位置の中点（重心）Ｐ０を中心として複数ポイントの配置エリアＡを決定すれば、さらに時間短縮が可能である。

このほか、求めた補正量で補正を行った後、再度較正板６を用いて補正動作を繰り返す時、最初はマーク６０，６１間のずれが図７(a)に示すように大きくても、いったん補正を行った後の２度目は図９(b)に示すようにマーク６０，６１間のずれが微小であり、微調整レベルの補正で対応することができることから、２度目は複数ポイントの数を少なくしてマーク６０，６１の形成と測定及び補正を行うようにしてもよい。較正に要する時間の短縮を図ることができる。ただし、測定したポイントでのずれ量からマーク６０，６１の付与や測定を行わなかったポイントのずれ量を推定して、座標系の補正に供するようにすることが望ましい。

また、最初からずれが少なくて微調整レベルの補正だけで対応することができることもあるために、最初の較正板６に対して形成された各マーク６０，６１の位置測定を行って補正動作を行う時、全ポイントにおける両者の位置ずれ量（偏差量）の平方の総和ΣΔの値を求め、再度較正板６にマーク６０，６１を形成して補正を行うにあたり、総和ΣΔの値が所定の閾値より大きければ、ｍ個のポイントでマーク６０，６１の形成と測定とを行い、総和ΣΔの値が所定の閾値より小さければ、ｎ（ｎ＜ｍ）個のポイントでマーク６０，６１の形成と測定とを行うようにしてもよい。時間がかかるものの正確な補正データを得られる動作と、測定動作にかかる時間を短縮することとを、ずれ量に応じて自動で切り換えられるようにするのである。なお、この場合においても、マーク６０，６１の形成及び測定を行わなかったポイントでのずれ量を、マーク６０，６１の形成及び測定を行ったポイントでのずれ量から推定して、全ポイントでのずれ量から補正量を算出することが望ましい。

更に、求めた補正量で補正を行った後、再度較正板６を用いて補正動作を繰り返す時、較正板６を取り換えて、２度目のマーク６０，６１の形成や測定等を行うものを示したが、設定されている複数のポイントに対して、１回目と２回目とで異なるポイントを使用するようにすれば、較正板６の取り替えが不要となる。例えば図８に示すように、設定されている複数のポイント全てにマーク６０を形成するものの、光ビームによるマーク６１は一つおきのポイントに形成するものとし、２回目は１回目でマーク６１を形成しなかったポイントについてマーク６１を形成するのである。補正動作の繰り返しにあたり、較正板６の取り替えが不要となるために、補正に要する全体時間の短縮及び手間の削減を図ることができる。

さらに、複数のポイント全てにマーク６０，６１を形成するのではなく、たとえば図９に示すように、一つおきのポイントにマーク６０，６１を形成し、マーク６０，６１を形成しなかったポイントについては、その周囲のポイントに形成したマーク６０，６１の測定位置から直線近似で仮想マーク６０’，６１’の位置を求めることを、当初から行うようにしてもよい。

つまり、左右のマーク６０，６０の測定された位置が（ΔＸａ，ΔＹａ）、（ΔＸｂ，ΔＹｂ）であれば、その中間にある仮想マーク６０’の位置（ΔＸｐ，ΔＹｐ）は（ΔＸａ＋ΔＸｂ，ΔＹａ＋ΔＹｂ）／２として仮定し、上下のマーク６０，６０の測定された位置が（ΔＸａ，ΔＹａ）、（ΔＸｄ，ΔＹｄ）であれば、その中間にある仮想マーク６０’の位置（ΔＸｓ，ΔＹｓ）は（ΔＸａ＋ΔＸｄ，ΔＹａ＋ΔＹｄ）／２として仮定し、さらに仮想マーク６０’（ΔＸｐ，ΔＹｐ）＝（ΔＸａ＋ΔＸｂ，ΔＹａ＋ΔＹｂ）／２と仮想マーク６０’（ΔＸｒ，ΔＹｒ）＝（ΔＸｃ＋ΔＸｄ，ΔＹｃ＋ΔＹｄ）／２とが上下にあり且つ仮想マーク６０’（ΔＸｓ，ΔＹｓ）＝（ΔＸａ＋ΔＸｄ，ΔＹａ＋ΔＹｄ）／２と仮想マーク６０’（ΔＸｑ，ΔＹｑ）＝（ΔＸｂ＋ΔＸｃ，ΔＹｂ＋ΔＹｃ）／２とが左右にある仮想マーク６０’（ΔＸｔ，Ｙｔ）は、（ΔＸａ＋ΔＸｂ＋ΔＸｃ＋ΔＸｄ，ΔＹａ＋ΔＹｂ＋ΔＹｃ＋ΔＹｄ）／４と仮定するのである。

このようにして、マーク６０，６１を形成しなかったポイントでのずれ量の推定値を求めれば、マーク６０，６１の形成数が少なくても、多くのポイントでのずれ量を得ることができるために、マーク６０，６１の形成に必要な時間及びその位置測定に必要な時間を短縮することができる。

造形装置に付設した撮像手段５を用いることで、較正板６を造形用のステージ２０に配した状態のままで撮像してその画像処理で較正板６上に形成されているマーク６０，６１の位置測定を行うものを示したが、較正板６をステージ２０から外し、造形装置外で較正板６上のマーク６０，６１の位置測定を行うものであってもよい。マーク６０に対するマーク６１の位置ずれ量から、基準とした切削座標系Ｋ２に対する光ビーム座標系Ｋ１の補正値を求めるために、造形装置外でのマーク６０，６１の位置測定を行っても、問題なく補正量を求めることができる。また、ステージ２０上に較正板６をセットする時の位置も適当でよい。

図１０に示すように、マーク６０を施す較正板６ａとは異なる較正板６ｂにマーク６１を施すようにしてもよい。すなわち、ステージ２０上に較正板６ａをセットして切削手段４で予め設定された複数のポイントにマーク６０を形成し、これらマーク６０をＸＹ駆動機構４０に設けた撮像手段５で撮像して画像処理により位置を測定する。次いで上記較正板６ａに代えて較正板６ｂをステージ２０上にセットし、光ビーム照射手段３により予め設定された複数のポイントにマーク６１を形成し、これらマーク６１をＸＹ駆動機構４０に設けた撮像手段５で撮像して画像処理により位置を測定する。この時、撮像手段５はマーク６０を撮影した時と同じ位置でマーク６１の撮影を行う。

次いで、各ポイント毎のマーク６０の位置に対するマーク６１の位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）から光ビーム座標系Ｋ１の切削座標系Ｋ２に対する補正値を算出し、この補正で光ビーム座標系の補正を行う。好ましくは、この後、再度較正板６ｂをステージ２０にセットして、マーク６１の形成及び位置測定と、マーク６０に対するマーク６１の位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）の算出並びに光ビーム座標系Ｋ１の再補正を行う。２種のマーク６０，６１が単一の較正板６上に混在しないことから、画像処理によるマーク６０，６１の認識が容易であり、またマーク６０，６１を同じ形状のものにしても何ら支障はないことから、画像中からマーク６０，６１を抽出する画像認識も迅速に行うことができる。

造形装置内の撮像手段５を用いる場合、較正板６ａ，６ｂはステージ２０上のどの位置にセットしてもよいが、撮像手段５等によるマーク６０，６１の位置測定を造形装置外で行う場合には、図１１(a)(b)(c)に示すように、ステージ２０上に較正板６ａ，６ｂの位置決めのための複数本の位置決めピン２９を設けて、これら位置決めピン２９で較正板６ａ，６ｂの位置決めを行うことができるようにしておく。また、造形装置外の測定手段についても、図１１(d)(e)に示すように、較正板６ａ，６ｂをセットするプレート５８に上記位置決めピン２９と同様の位置決めピン５９を設けて、これら位置決めピン５９によって較正板６ａ，６ｂを位置決めした状態で撮像を行う。

この時、切削座標系Ｋ２と、測定装置における測定座標系Ｋ３とが一致するように（もしくは平行となるように）位置決めピン５９を設けておくと、較正板６ａのマーク６０と較正板６ｂのマーク６１との位置ずれ量を測定座標系Ｋ３で測定すれば、そのずれ量が切削座標系Ｋ２に対する光ビーム座標系Ｋ１のずれ量と一致、もしくは加減算が必要となるだけとなり、測定座標系Ｋ３を切削座標系Ｋ２に対して回転させる補正を必要としなくなる。つまり、位置決めピン２９，５９に夫々較正板６ａ，６ｂを押し当ててセットするだけで、ずれ量を簡便に求めることができる。

図１２に示すように、較正板６ａ，６ｂにマーク６０，６１のほかに切削手段４による加工で複数の基準マーク６２を形成しておき、複数の基準マーク６２を基準にマーク６０に対するマーク６１の位置ずれ量を算出する場合は、較正板６ａ，６ｂはステージ２０上のどの位置にセットしてもよい。

上記のような補正動作は、造形に先立って行うだけでなく、造形途中に行ってもよい。この場合、較正板６（６ａ，６ｂ）は、それまでに造形した造形物Ｐ上にセットする。較正板６の上面が焼結させる粉末層１０の上面と一致するように高さを合わせるのは前述の場合と同じである。

図１３(a)に示すように、較正板６（６ａ，６ｂ）をブレード２１に取り付けて較正板６をステージ２０の上方に位置させた状態でマーク６０，６１の付与を行ってもよい。ただし、較正板６の表面は、焼結させる粉末層１０の上面と平行となるようにしておく。この場合、較正板６の表面を焼結させる粉末層１０の上面と同じ高さにセットすることが困難となり、図１３(b)に示すように、光ビームのスキャン光学系３１から焼結させる粉末層１０の上面ｚ０までの距離Ｌ１と、上記スキャン光学系３１から較正板６の表面ｚ１までの距離Ｌ２とが異なってくる上に、測定される較正板６の表面ｚ１上でのずれ量（δｘ、δｙ）と、焼結させる粉末層１０の上面ｚ０でのずれ量（Δｘ＋Δｙ）とが異なってくることから、次の式
Δｘ＝（Ｌ１／Ｌ２）・δｘ
Δｙ＝（Ｌ１／Ｌ２）・δｙ
で加工面（粉末層１０の表面）でのずれ量（Δｘ，Δｙ）を算出し、得られたずれ量を基に補正を行う。

測定手段における撮像手段５が切削手段４のＸＹ駆動手段４０によって位置を変更するものであり且つ切削手段４の切削工具部（ミーリングヘッド４１）と所定の位置関係にある場合、撮像手段５の座標系は切削座標系Ｋ２に一致しているとみなすことができるために、次の手順で切削座標系Ｋ２に光ビーム座標系Ｋ１を合わせ込むようにしてもよい。

すなわち、図１６に示すように、造形タンク２５内のステージ２０上に複数の較正点Ｑを設定する。これら較正点Ｑは、いずれも撮像手段５で撮像する位置として規定するとともに、撮像画像の例えば中心位置（画素）を基準とする。つまり、１つの較正点Ｑが１つの撮像画像の中心位置となるようにしておく。

較正点Ｑの数は、光ビームの照射位置精度の要求に応じて決定すればよく、高精度としたい場合には、小間隔で並ぶ多数の較正点Ｑを設定し、粗い精度でよければ、大間隔で並ぶ少数の較正点Ｑを設定する。撮像手段５としては、高分解能であるとともに、見込まれる照射位置のずれの範囲をカバーすることができるカメラ視野を持つものを使用する。

そして、較正板６をステージ２０上にセットし、上記の各較正点Ｑに向けて光ビームを照射して例えば十字形のマーク６１を形成する。較正板６のステージ２０上の位置は任意でよい。この後、撮像手段５で各較正点Ｑを撮像し、図１６(b)に示すように、各マーク６１の中心が各較正点Ｑ（撮像画像の中心位置）からどれだけずれているかのデータを取る。この時、切削手段４における切削工具部と撮像手段５とは共に切削座標系Ｋ２上にあって、両者の位置の差（より正確には切削工具部による切削点と撮像手段５の撮像画像上の中心点との位置の差）は既知であるから、上記ずれのデータと既知の位置の差の情報とにより、切削座標系Ｋ２に光ビーム座標系Ｋ１を合わせ込むことができる。また、光ビーム照射手段３のスキャン光学系３１等に起因する照射位置誤差も同時に補正することができる。造形途中に補正動作を行うことは、本例においても適用することができる。

上記較正板６としては、前述のようなアクリル板やアルミニウム板、感熱紙等のほか、物体色とは異なる色で着色され且つ光ビームが照射された部分が変色乃至脱色される板状材なども用いることができる。

本発明の実施の形態の一例の動作説明図である。同上の較正板の配置位置を示す概略断面図である。同上のマークの一例の正面図である。 (a)(b)はいずれもマークを施した較正板の断面図である。マークの他例の正面図である。マークを形成するポイントの配置エリアの説明図である。 (a)(b)は２種のマークを施した較正板の平面図である。マークの形成位置についての説明図である。仮想マークについての説明図である。他例の動作説明図である。 (a)は位置決めピンを有するステージの断面図、(b)(c)は位置決めピンによる較正板の位置決めを示す平面図、(d)は位置決めピンを有する測定手段の平面図、(e)は位置決めピンを有する測定手段の側面図である。 (a)(b)は夫々マーク及び基準マークを施した較正板の平面図である。 (a)は他の例の概略断面図、(b)はこの場合の追加補正についての説明図である。造形装置のブロック図である。 (a)(b)は同上の概略断面図である。 (a)は較正点を示す平面図、(b)は較正点とマークの撮像画像の説明図である。 (a)は光ビーム座標系の説明図、(b)は切削座標系と光ビーム座標系の説明図である。光ビームの補正すべき点を示す説明図である。

符号の説明

２粉末層供給手段
３光ビーム照射手段
４切削手段
５撮像手段
６較正板
６０マーク
６１マーク

Claims

粉末材料の層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して造形物を製造するにあたり、光ビームの照射面にセットした較正板上の予め定めたポイントに対し、上記切削除去のための切削手段によるマークと、上記光ビームを照射する光ビーム照射手段によるマークとの付与を行い、切削手段及び光ビーム照射手段の制御を行う制御装置は、上記両種マークの位置を測定する測定手段から得られた両種マークの位置ずれ量に基づいて切削位置または光ビーム照射位置の補正を行うことを特徴とする光造形用加工基準補正方法。
切削手段によるマークと光ビーム照射手段によるマークとを異なる較正板に対して付与するとともに、各較正板の位置決めを行った後、マークの付与及びマーク位置測定を行うことを特徴とする請求項１記載の光造形用加工基準補正方法。
切削手段によるマークと光ビーム照射手段によるマークとを異なる較正板に対して付与するとともに、切削手段にてマークを付与する較正板と光ビーム照射手段にてマークを付与する較正板とに切削手段にて基準マークを別途付与することを特徴とする請求項１記載の光造形用加工基準補正方法。
粉末材料の層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して焼結層を形成し、この焼結層の上に粉末材料の新たな層を被覆して該粉末層の所定箇所への光ビームの照射で該当個所の粉末を焼結して下層の焼結層と一体になった新たな焼結層を形成することを繰り返すとともに、焼結層の形成後にそれまでに作成した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う工程を複数回の焼結層の作成工程中に挿入して造形物を製造するにあたり、撮像手段と画像処理手段とで構成された測定手段における撮像手段を上記切削除去のための切削手段に設けて切削手段と撮像手段との位置関係を一定とし、光ビームの照射面にセットした較正板に対し、上記撮像手段の撮像位置として規定された較正点に光ビーム照射手段でマークを付与し、撮像手段による撮像画像から該画像中の基準点とマークの画像とのずれ量を算出して、得られたずれ量に基づいて光ビーム照射位置の補正を行うことを特徴とする光造形用加工基準補正方法。
較正板に対する光ビーム照射手段によるマークの付与を、粉末層の焼結時と同じパワーで行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光造形用加工基準補正方法。
光ビーム照射手段によるマークを十字形とするとともに、撮像手段と画像処理手段とで構成された測定手段は、十字形マークにおける直交する２線の濃淡処理にて濃淡境界線を求めて、濃淡境界線から上記２線の各中央を通る２つの直線を求め、この２つの直線の交点をマークの中心とすることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光造形用加工基準補正方法。
較正板上のマークの付与が可能なエリアの外辺に形成するマークの形状を、Ｌ字形またはＴ字形とすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光造形用加工基準補正方法。
較正板に対するマークの付与とマークの位置ずれ量に基づく補正とを繰り返して行うとともに、マークを付与するポイントの数を減らしていくことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光造形用加工基準補正方法。
粉末の層を形成する粉末層形成手段と、最上層の粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成する光ビーム照射手段と、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う切削手段と、これら粉末層形成手段と光ビーム照射手段と切削手段とを制御する制御手段とを備えるとともに、光ビームの照射面にセットした較正板上の予め定めたポイントに上記切削手段で付与されたマークと、上記光ビーム照射手段で付与されたマークの２種のマークの位置を測定する測定手段を備えており、上記制御手段では測定手段で得られた２種のマークの位置ずれ量に基づいて切削手段による切削位置または光ビーム照射手段による光ビーム照射位置の補正を行うものであることを特徴とする光造形装置。
粉末の層を形成する粉末層形成手段と、最上層の粉末層の所定箇所に光ビームを照射して該当箇所の粉末を焼結させて焼結層を形成する光ビーム照射手段と、焼結層の形成後にそれまでに作製した造形物の表面部及びまたは不要部分の切削除去を行う切削手段と、これら粉末層形成手段と光ビーム照射手段と切削手段とを制御する制御手段とを備えるとともに、光ビームの照射面にセットした較正板上の複数のポイントに上記光ビーム照射手段で付与されたマークの位置を測定する測定手段を備え、撮像手段と画像処理手段とで構成された上記測定手段における撮像手段は、切削手段に設けられて切削手段と撮像手段との位置関係が一定とされているとともに上記複数のポイントは撮像手段の撮像位置として規定されており、上記制御手段は撮像手段による撮像画像中の基準点とマークの画像とのずれ量に基づいて光ビーム照射手段による光ビーム照射位置の補正を行うものであることを特徴とする光造形装置。