JP2017194942A - 制御データの生成方法、情報処理装置、工作機械、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】制御データの生成方法は、指定された形状の製品を付加製造技術で製造するための制御データの生成方法である。制御データは、材料を供給するノズルのパスを含む。制御データの生成方法は、指定された形状を工具で切削するための切削パスを決定するステップと、切削パスを時間的に遡る向きに再生するように、ノズルのパスを決定するステップとを備える。
【選択図】図1
Description
指向性エネルギー堆積法では、材料パウダー(粉体)の吐出方向を、可能な限り重力方向としたほうがよい。当該パウダーを吐出するノズルについてのパス(以下、「ツールパスPn」とも称する)は、重力方向に対して垂直とし得る形状を選び出すことで得られる。ツールパスPn(移動経路,加工経路)は、後述するように、製造したい最終製品の形状から求めることが可能である。従来では、試行錯誤(トライ&エラー)で最適値を決めている。
レーザにより金属パウダーおよび基材が溶融される。このように金属パウダーを基材に吹き付けて、融合させながら体積を拡大していく。パウダーは、重力方向に対して積み上げたほうがよい(制約条件)。
付加製造技術によって物体を造形するプロセスに関連しているパラメータは約19種類あると言われている。代表的なパラメータとして、パウダーを吐出するためのノズルの送り速度、パウダーを溶かすためのレーザの走査(溶融する面積を大きくするためのスキャン)、パウダーの単位時間当たりの供給量、レーザの単位時間当たりの出力等が挙げられる。
パウダー供給装置を、従来から知られている工作機械(例として、5軸の工作機械)に搭載し、ノズルの移動とパウダーの供給とを同期させて動かす。本実施の形態に係る工作機械では、ノズルをどの位の速度で空間内を動かすのか、どのくらいの量のパウダーをノズルから吐出させるのか、どの位の出力のレーザを照射してパウダーを溶融するかを、時間軸に沿って、全てコンピュータ制御できるようになっている。
(1)第1のアプローチ
幾何学的な処理に基づきツールパスPn(ノズルのパス)を生成する。
ノズルの動きに伴う材料(金属)の堆積を制御する。機械の動きと、形状(配置)と、材料の堆積とを関連づけて処理する。なお、複雑な熱および物質移動の動力学は無視してもよい。
プロセス制御を改良するための、システムの改良モデルを追加する。システムのより完全な制御モデルを構築するため、熱および物質の移動現象モデルを導入する。
(1)どのようにノズルを動かすか、また、ノズルの動きに同期して、どの位の量のパウダーを供給すべきかを、まず決める。
(1)本実施の形態では、上述した19種類のパラメータのうち3つの重要なパラメータとして、ノズルの移動速度と、レーザの出力(パワー)と、パウダーの供給量とを決める必要がある。
上述した処理は、CAMに対して機能(プログラムモジュール)を追加することにより実現できる。すなわち、CAMのオペレーティングシステム上で、プログラムモジュールが実行される。
(1)本実施の形態に係る制御データの生成方法(あるいは、情報処理装置、工作機械、プログラム)は、もともと形状があって、そこから切削(除去)するようなパスをCAMで生成して、それを逆方向に再生して、付加製造のツールパスPnを生成する。製品の形状をデータで取得して、そのデータを基に、CAMで仮想的に切削するパス(切削パス)を、自動または手動で生成する。制御データの生成方法は、その逆再生で付加製造のパスを生成する。
ツールパスPn(付加製造のパス)が、CAMにおけるシミュレーションの際の切削のパスに対して、単なる逆向き(反対の経路)ではないような構成も採用しうる。たとえば付加製造方式が指向性エネルギー堆積法である場合には、粉体を空間に噴出する方式であるため、重力方向に噴出させたほうが安定にワーク表面に着地させられるからである。
図3は、複合材を製造するための工作機械1の外観および内部構造を説明するための概要図である。図3を参照して、工作機械1は、オペレーティングシステム11と、スプラッシュガード12と、主軸頭13と、主軸14と、回転装置18と、扉19と、テーブル装置20とを備える。
図6は、工作機械1のハードウェア構成の概要を表した図である。図6を参照して、工作機械1は、オペレーティングシステム11と、主軸頭13と、主軸14と、回転装置18と、テーブル装置20と、自動工具交換装置21と、工具マガジン22と、付加製造装置30とを備える。
以下では、付加製造技術で円筒形の準最終製品を生成する場合について説明する。なお、図7は、図2の状態(A)〜(C)に対応し、図8は、図2の状態(D)に対応する。ただし、図7,8は、円筒形の準最終製品を製造する点において、円柱の準最終製品を製造する図2とは異なる。
図7は、除去加工のシミュレーションについて説明するためのものでもある。つまり、図7は、CAMにおけるシミュレーションを説明するための図である。
オペレーティングシステム11は、上述した逆再生を利用した付加製造技術を実行するためのプログラムモジュールを実行して、ツールパスPnを含む制御データを生成する。具体的には、上述したように、オペレーティングシステム11は、切削パスPt(図7の状態(C)を参照)を時間的に遡る向きに再生することにより、指定された形状としての円筒(素材500と同一形状)を生成する際に利用するツールパスPnを決定する。あわせて、オペレーティングシステム11は、パウダー供給量、レーザの出力等の制御データの値も決定する。
図9は、オペレーティングシステム11の機能的構成を説明するための機能ブロック図である。図9を参照して、工作機械1の制御装置(コントローラ)としてのオペレーティングシステム11は、シミュレーション実行部110と、制御データ生成部120と、付加製造制御部130と、切削パス決定部140とを備える。
上述した制御データの生成方法における特徴的な構成を抽出すると、以下のとおりである。
上記においては、上記工作機械の一例として、付加製造技術(すなわち3Dプリンター)の機能を備えた5軸加工機を例に挙げて説明したが、工作機械は、5軸加工機に限定されるものではない。工作機械は、付加製造技術の機能を備えた除去加工機(たとえば、4軸加工機)であればよい。
(1)CAMにおいて、工具の向きは、レーザの向きにしてもよいし、しなくてもよい。削り取る場合には、切粉は下に落ちるため、どんな角度であってもよいが、パウダーを吹き付けるときには、重力方向にしたほうが好適である。
Claims (8)
- 指定された形状の製品を付加製造技術で製造するための制御データの生成方法であって、
前記制御データは、材料を供給するノズルのパスを含み、
前記制御データの生成方法は、
前記指定された形状を工具で切削するための切削パスを決定するステップと、
前記切削パスを時間的に遡る向きに再生するように、前記ノズルのパスを決定するステップとを備える、制御データの生成方法。 - 前記ノズルのパスに沿って前記付加製造技術を実行する際における、前記ノズルの移動速度と、前記材料の供給量および前記材料に照射するレーザの出力の少なくともいずれか一方とを決定するステップをさらに含む、請求項1に記載の制御データの生成方法。
- 前記切削パスを決定するステップは、前記切削パスに沿った切削によって前記指定された形状から除去された素材の量を算出するステップを含み、
前記移動速度と、前記供給量および前記レーザの出力の少なくともいずれか一方とは、前記除去された素材の量に基づいて決定される、請求項2に記載の制御データの生成方法。 - 前記ノズルのパスを決定するステップでは、前記レーザの照射位置が、前記切削パスにおける前記工具の刃先位置と一致するように、前記ノズルのパスを決定する、請求項2または3のいずれか1項に記載の制御データの生成方法。
- 前記切削パスは、CAM(Computer Aided Manufacturing)によって生成され、
前記ノズルのパスは、前記CAMに組み込まれたプログラムによって決定される、請求項1から4のいずれか1項に記載の制御データの生成方法。 - 指定された形状の製品を付加製造技術で製造するための制御データを生成する情報処理装置であって、
前記制御データは、材料を吐出するノズルのパスを含み、
前記情報処理装置は、
前記指定された形状を工具で切削するための切削パスを決定する第1の決定部と、
前記切削パスを時間的に遡る向きに再生することにより、前記ノズルのパスを決定する第2の決定部とを備える、情報処理装置。 - 付加製造技術を実施可能な工作機械であって、
指定された形状の製品を前記付加製造技術で製造するための制御データを生成する制御部を備え、
前記制御データは、材料を供給するノズルのパスを含み、
前記制御部は、
前記指定された形状を工具で切削するための切削パスを決定する第1の決定部と、
前記切削パスを時間的に遡る向きに再生することにより、前記ノズルのパスを決定する第2の決定部とを含む、工作機械。 - 指定された形状の製品を付加製造技術で製造するための制御データを生成するためのプログラムであって、
前記制御データは、材料を供給するノズルのパスを含み、
前記プログラムは、
前記指定された形状を工具で切削するための切削パスを決定するステップと、
前記切削パスを時間的に遡る向きに再生することにより、前記ノズルのパスを決定するステップとを、前記プログラムが格納された情報処理装置のプロセッサに実行させる、プログラム。
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