JP2021074759A - 造形物の製造方法、造形物の製造装置、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する際に、開先を設けることなく溶接トーチを適切な位置に制御する。【解決手段】アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造方法であって、第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて生成された、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを取得する工程と、第１の溶接ビードの形状に基づいて設定された軌道位置に沿って溶接トーチを走行させることにより第１の溶接ビードを形成する工程とを含み、形成する工程では、溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンを取得し、計測パターンが予測パターンに近付くように溶接トーチの位置を制御することを特徴とする造形物の製造方法。【選択図】図９

Description

本発明は、アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する、造形物の製造方法、造形物の製造装置、及びプログラムに関する。

溶接方向に対してトーチを揺動させるウィービング機能を備えた消耗電極型の溶接装置におけるアーク倣い溶接方法であって、消耗電極へ供給する溶接電流及び溶接電圧に高周波成分を重畳するようにしておき、溶接中における溶接電流及び溶接電圧から、電極の高さ変動に伴う抵抗値変化を検出し、検出された抵抗値の変化量とウィービングの左右位置とから溶接線のズレを検出するアーク倣い溶接方法は、知られている（例えば、特許文献１参照）。

所定時間の間、一時的に溶接ワイヤの先端部が空間に進入しない非埋もれ状態へ遷移させ、溶接ワイヤ及び母材間に流れる溶接電流に基づいて開先の位置に対する溶接中心位置の偏倚量を検知するアークセンサから、少なくとも非埋もれ状態にて偏倚量の検知結果を取得し、非埋もれ状態におけるアークセンサの検知結果に基づいて、開先に対する溶接トーチの位置を補正するアーク溶接装置も、知られている（例えば、特許文献２参照）。

溶接方向に対してトーチを揺動させるウィービング動作を行いながら、溶接線に沿って溶接を行うアーク倣い溶接において、溶接線と実際の溶接位置とのズレ量を検出するアーク倣い溶接でのズレ量検出方法であって、ウィービング周期と同じ周期で周期的に繰り返す関数で表される波形を、溶接電流もしくは溶接電圧の波形にフィッティングさせ、フィッティングした波形を基に、アーク倣い溶接でのズレ量を検出する、アーク倣い溶接でのズレ量検出方法も、知られている（例えば、特許文献３参照）。

特開２０１７−１８５５１３号公報 特開２０１８−１７６２５５号公報 特開２０１８−８３２２９号公報

積層造形においては、通常の溶接に比べてパス数が多いうえ、溶接ビードの変形や収縮等の影響を考慮して造形する必要がある。そのため、溶接ビードを繰り返し積層して形成されるビード形状に追従して溶接トーチを適切な位置に制御する技術が求められる。しかしながら、積層造形において開先を設けることは工数が増えるうえ、全てのパスに開先を設けることはおよそ現実的でないため、開先溶接でのアーク倣いにおけるトーチ位置の制御をそのまま利用することは困難である。

本発明の目的は、アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する際に、開先を設けることなく溶接トーチを適切な位置に制御することにある。

かかる目的のもと、本発明は、アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造方法であって、積層体の形状データを用いて、複数の溶接ビードの形状を算出する工程と、複数の溶接ビードのうちの第１の溶接ビードの形状に基づいて、第１の溶接ビードを形成するための溶接トーチの軌道位置を設定する工程と、第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを生成する工程と、軌道位置に沿って溶接トーチを走行させることにより第１の溶接ビードを形成する工程とを含み、形成する工程では、溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンを取得し、計測パターンが予測パターンに近付くように溶接トーチの位置を制御する造形物の製造方法を提供する。

生成する工程では、溶接トーチの傾き、溶接トーチの揺動方向、及び、溶接トーチの揺動幅の少なくとも何れか１つに更に基づいて、予測パターンを生成してよい。

予め定められた位置は、軌道位置であってよい。

予め定められた位置は、第２の溶接ビードの端部位置であってもよい。その場合、設定する工程では、第２の溶接ビードの端部位置からの距離を軌道位置として設定し、形成する工程では、計測パターンが予測パターンに最も近付いたときの第２の溶接ビードの端部位置を特定し、端部位置に距離を加算することにより、溶接トーチの位置を制御してよい。

形成する工程では、予め定められた特徴量について計測パターンが予測パターンに近付くように溶接トーチの位置を制御してよい。その場合、予め定められた特徴量は、溶接電流又は溶接電圧の時間変化割合、溶接電流又は溶接電圧の最大値、及び、溶接電流又は溶接電圧が最大値をとる時間の間隔の少なくとも何れか１つであってよい。

また、本発明は、アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造方法であって、第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて生成された、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを取得する工程と、第１の溶接ビードの形状に基づいて設定された軌道位置に沿って溶接トーチを走行させることにより第１の溶接ビードを形成する工程とを含み、形成する工程では、溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンを取得し、計測パターンが予測パターンに近付くように溶接トーチの位置を制御する造形物の製造方法も提供する。

更に、本発明は、アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造装置であって、第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて生成された、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを取得する取得手段と、第１の溶接ビードの形状に基づいて設定された軌道位置に沿って溶接トーチを走行させることにより第１の溶接ビードを形成する形成手段と、溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンが予測パターンに近付くように溶接トーチの位置を制御する制御手段とを備えた造形物の製造装置も提供する。

更にまた、本発明は、アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムであって、コンピュータを、第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて生成された、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを取得する取得手段と、第１の溶接ビードの形状に基づいて設定された軌道位置に沿って溶接トーチを走行させることにより第１の溶接ビードを形成する形成手段と、溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンが予測パターンに近付くように溶接トーチの位置を制御する制御手段として機能させるためのプログラムも提供する。

本発明によれば、アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物を製造する際に、開先を設けることなく溶接トーチを適切な位置に制御することができる。

本発明の実施の形態における金属積層造形システムの概略構成例を示した図である。 本発明の実施の形態における制御装置のハードウェア構成例を示す図である。 溶接ビードの形状に応じた電流の変化を捉えられることを確認した実験のイメージを示した図である。 ワークにおける溶接ビードの断面形状を示したグラフである。 （ａ），（ｂ）は、溶接ビードの断面形状に基づくウィービング時の電流パターンの予測について示した図である。 （ａ）〜（ｄ）は、上記実験の結果を示したグラフである。 本実施の形態を応用可能な積層造形物の例を示した図である。 本発明の実施の形態における積層計画装置の機能構成例を示した図である。 本発明の実施の形態における制御装置の機能構成例を示した図である。 本発明の実施の形態における積層計画装置の動作例を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態における制御装置のトーチ位置補正部の動作例を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態における制御装置のトーチ位置補正部の動作例を示したフローチャートである。 本発明の実施の形態における制御装置のトーチ位置補正部の動作例を示したフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［金属積層造形システムの構成］
図１は、本実施の形態における金属積層造形システム１の概略構成例を示した図である。

図示するように、金属積層造形システム１は、溶接ロボット（マニピュレータ）１０と、ＣＡＤ装置２０と、積層計画装置３０と、制御装置５０とを備える。また、積層計画装置３０は、溶接ロボット１０を制御する制御プログラムを、例えばメモリカード等のリムーバブルな記録媒体７０に書き込み、制御装置５０は、記録媒体７０に書き込まれた制御プログラムを読み出すことができるようになっている。

溶接ロボット１０は、複数の関節を有する腕（アーム）１１を備え、制御装置５０が読み込んだ制御プログラムに従って動作することで溶接作業を行う。また、溶接ロボット１０は、腕１１の先端に手首部１２を介して、積層体の一例である積層造形物１００を造形するための溶接トーチ１３を有している。そして、金属積層造形システム１の場合、溶接ロボット１０は、軟鋼製の溶加材（ワイヤ）１４を溶融しながら、溶接トーチ１３を移動させて、積層造形物１００を製造する。具体的には、溶接トーチ１３は、溶加材１４を供給しつつ、シールドガスを流しながらアークを発生させて溶加材１４を溶融及び固化し、母材９０上に複数層の溶接ビード（以下、単に「ビード」という）１０１を積層して積層造形物１００を製造する。尚、ここでは、溶加材１４を溶融する熱源としてアークを用いるが、レーザやプラズマを用いてもよい。また、溶接ロボット１０は、この他に、溶加材１４を送給する送給装置等も含むが、これについては説明を省略する。

ＣＡＤ装置２０は、コンピュータを用いて造形物の設計を行うと共に、設計によって得られた三次元データ（以下、「三次元ＣＡＤデータ」という）を保持する機能を有している。本実施の形態では、造形物の形状データの一例として、三次元ＣＡＤデータを用いている。

積層計画装置３０は、ＣＡＤ装置２０が保持する三次元ＣＡＤデータに基づいて積層造形物１００の積層計画を作成する。つまり、溶接トーチ１３の軌道を決定すると共に、溶接ロボット１０が溶接する際の溶接条件を決定する。そして、この決定した軌道に沿って決定した溶接条件でビード１０１を形成するように溶接ロボット１０を制御するための制御プログラムを生成し、この制御プログラムを記録媒体７０に出力する。

制御装置５０は、記録媒体７０から制御プログラムを読み込んで保持する。そして、この制御プログラムを動作させることにより、積層計画装置３０で作成された積層計画に従って、つまり、積層計画装置３０で決定された軌道に沿って、積層計画装置３０で決定された溶接条件でビード１０１を形成するよう、溶接ロボット１０を制御する。本実施の形態では、造形物の製造装置の一例として、制御装置５０を設けている。

尚、図１には示していないが、金属積層造形システム１は、データロガー１５を更に備える。データロガー１５は、溶接ロボット１０に電気的に接続されており、溶接トーチ１３をウィービングした際の電流パターンを計測して、その電流パターンを制御装置５０に送信する。

［制御装置のハードウェア構成］
図２は、制御装置５０のハードウェア構成例を示す図である。

図示するように、制御装置５０は、例えば汎用のＰＣ（Personal Computer）等により実現され、演算手段であるＣＰＵ５１と、記憶手段であるメインメモリ５２及び磁気ディスク装置（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）５３とを備える。ここで、ＣＰＵ５１は、ＯＳ（Operating System）やアプリケーションソフトウェア等の各種プログラムを実行し、制御装置５０の各機能を実現する。また、メインメモリ５２は、各種プログラムやその実行に用いるデータ等を記憶する記憶領域であり、ＨＤＤ５３は、各種プログラムに対する入力データや各種プログラムからの出力データ等を記憶する記憶領域である。

また、制御装置５０は、外部との通信を行うための通信Ｉ／Ｆ５４と、ビデオメモリやディスプレイ等からなる表示機構５５と、キーボードやマウス等の入力デバイス５６と、記録媒体７０に対してデータの読み書きを行うためのドライバ５７とを備える。尚、図２は、制御装置５０をコンピュータシステムにて実現した場合のハードウェア構成を例示するに過ぎず、制御装置５０は図示の構成に限定されない。

また、図２に示したハードウェア構成は、積層計画装置３０のハードウェア構成としても捉えられる。但し、積層計画装置３０について述べるときは、図２のＣＰＵ５１、メインメモリ５２、磁気ディスク装置５３、通信Ｉ／Ｆ５４、表示機構５５、入力デバイス５６、ドライバ５７をそれぞれ、ＣＰＵ３１、メインメモリ３２、磁気ディスク装置３３、通信Ｉ／Ｆ３４、表示機構３５、入力デバイス３６、ドライバ３７と表記するものとする。

［本実施の形態の概要］
このような金属積層造形システム１において、形成されたビード１０１に隣接する位置で溶接トーチ１３がアークを発生させる際にビード１０１の形状に応じた電流の変化を捉えられることを、以下のような実験から確認した。

図３は、実験イメージを示した図である。図示するように、平らな基板１９０に対してビード１０１ａを１本形成したワーク２００を用意した。そして、ビード１０１ａの端部位置から距離Ｌｅだけずらした位置に溶接トーチ１３の狙い位置を設定し、その狙い位置から振幅２ｍｍ（左右へ１ｍｍずつ）のウィービング（揺動）を実施しながらビード１０１ｂを形成した。図には、この場合のビード１０１ｂしか示していないが、実際には、ビード１０１ａの端部位置を基準として右方向をＸの正方向、左方向をＸの負方向とし、溶接トーチ１３の狙い位置をＸ＝−２ｍｍ，−１ｍｍ，０ｍｍ，＋１ｍｍに設定してウィービングを実施した。そして、そのウィービング中における電流の傾向をデータロガー１５にて計測した（電流の測定間隔は５ｍｓｅｃ）。

図４は、ワーク２００におけるビード１０１ａの断面形状を示したグラフである。このグラフは、積層計画装置３０が作成した積層計画に基づいて作成した。

図５（ａ），（ｂ）は、図４に示したビード１０１ａの断面形状に基づくウィービング時の電流パターンの予測について示した図である。ここでは、図５（ａ）に示すように、ビード１０１ａの端部位置、つまり、Ｘ＝０ｍｍの位置を中心に溶接トーチ１３をウィービングしてビード１０１ｂを形成する場合を想定している。また、Ｘ＝０ｍｍの位置を丸囲みＡで示し、Ｘ＝＋１ｍｍの位置を丸囲みＢで示し、Ｘ＝−１ｍｍの位置を丸囲みＣで示している。すると、溶接電流の予測される変化のパターンは、図５（ｂ）のようになる。これは、溶接トーチ１３と基板１９０又はビード１０１ａとの間の距離と溶接電流とが相関するという仮定に基づいて作成されたものである。従って、溶接トーチ１３が丸囲みＢで示された位置にある時間においては溶接電流が小さく、溶接トーチ１３が丸囲みＣで示された位置にある時間においては溶接電流が大きくなっている。

図６（ａ）〜（ｄ）は、上記の実験の結果を示したグラフである。尚、グラフにおいては、傾向を考察し易くするために、計測された電流値を１０点間隔（５０ｍｓｅｃ間隔）で移動平均化している。図６（ａ）〜（ｄ）から、Ｘ＝０ｍｍのときに電流値のピークが最も鮮明に出現することが分かる。逆に、ビード１０１ａの端部位置から離れるほど電流値の推移が全体的にフラットに近い形状となることも分かる。このことから、ウィービング時の電流の変化のパターンを計測しつつ溶接トーチ１３の位置を微調整することで、溶接トーチ１３の位置とビード１０１ａの端部位置との距離を把握することができる。

図７は、本実施の形態を応用可能な積層造形物１１０の例を示した図である。図示するように、積層造形物１１０は、母材９０上にビード１０１_１〜１０１_７が積層されたものである。また、積層造形物１１０は、積層方向に対して下向きの面を有するオーバーハング形状となっており、その傾斜角はθであるとする。このような積層造形物１１０において、ビード１０１_１を形成した後にビード１０１_２を形成する場合、溶接トーチ１３をウィービングした際に計測される電流パターンが軌道位置Ｐ_２を中心に溶接トーチ１３をウィービングした際に予測される電流パターンに近付くように溶接トーチ１３の位置を補正するとよい。また、ビード１０１_２を形成した後にビード１０１_３を形成する場合や、その後にビード１０１を形成する場合においても、同様にして溶接トーチ１３の位置を補正するとよい。このようにすることで、積層造形物１１０の傾斜角θは実現される。

［本実施の形態の機能構成］
（積層計画装置の機能構成）
図８は、本実施の形態における積層計画装置３０の機能構成例を示した図である。図示するように、本実施の形態における積層計画装置３０は、ＣＡＤデータ取得部４１と、ＣＡＤデータ分割部４２と、積層計画部４３と、制御プログラム生成部４４と、予測パターン生成部４５と、情報出力部４６とを備える。

ＣＡＤデータ取得部４１は、ＣＡＤ装置２０から、積層造形物１００の三次元形状を表す三次元ＣＡＤデータを取得する。

ＣＡＤデータ分割部４２は、ＣＡＤデータ取得部４１が取得した三次元ＣＡＤデータを複数の層に分割（スライス）することで、各層の形状をそれぞれが表す複数の層形状データを生成する。その際、ＣＡＤデータ分割部４２は、三次元ＣＡＤデータを複数の層に分割し易い内部形式に変換してもよい。

積層計画部４３は、ＣＡＤデータ分割部４２が生成した複数の層形状データの各層の高さ及び幅に合ったビード１０１を溶着する際の溶接条件や溶接トーチ１３の軌道位置を含む積層計画を生成する。このような積層計画を生成するには、ビード１０１の高さや幅の他、ビード１０１の断面形状を近似するモデルが必要である。これらは測定実験の実測値や、溶着金属量の断面積から計算して推定したものでもよい。本実施の形態では、溶接速度やワイヤ送給速度を数条件振って溶着量を変えつつ、ビードオンプレート溶接や鉛直に数層の積層を行い、各々の条件にて１層当たりの高さや幅を測定した結果をデータベース化する。そして、積層する際に積層する所望の高さや幅を満たす溶接速度と溶着量を選択し、測定した結果から各層のビード１０１の推定形状を随時計算し、溶接トーチ１３の軌道位置を決める。尚、溶着断面の計算は溶加材１４の材質や、既に積層した部位の形状の状態によって計算方法を変えるようにしてもよい。この計算方法によって造形物を内包する積層を計画していく。本実施の形態では、第１の溶接ビードの一例として、これから形成するビード１０１（図３又は図５（ａ）のビード１０１ｂ）を用いている。

制御プログラム生成部４４は、積層計画部４３が生成した積層計画に従って溶接を行うように溶接ロボット１０を制御するための制御プログラムを生成する。

予測パターン生成部４５は、積層計画部４３が生成した積層計画を参照し、積層計画における隣接するビード１０１ａの形状に基づいて、積層計画における軌道位置を中心に溶接トーチ１３をウィービングした際の予測される電流パターン（以下、「予測パターン」という）を生成する。本実施の形態では、第２の溶接ビードの一例として、隣接するビード１０１ａを用いている。また、予測パターン生成部４５は、溶接トーチ１３の傾き、溶接トーチ１３のウィービング方向、及び、溶接トーチ１３のウィービング幅の少なくとも何れか１つに更に基づいて、予測パターンを生成してもよい。例えば、溶接トーチ１３の傾きに更に基づいて予測パターンを生成する場合は、予測パターンの生成に用いるビード１０１ａ又は母材９０と溶接トーチ１３との距離を溶接トーチ１３の傾きも加味して決めるとよい。溶接トーチ１３のウィービング方向又はウィービング幅に更に基づいて予測パターンを生成する場合は、予測パターンの生成に用いるビード１０１ａの形状の部分をウィービング方向又はウィービング幅も加味して決めるとよい。

情報出力部４６は、制御プログラム生成部４４が生成した制御プログラムと、予測パターン生成部４５が生成した予測パターンとを含む情報を記録媒体７０に出力する。

（制御装置の機能構成）
図９は、本実施の形態における制御装置５０の機能構成例を示した図である。図示するように、本実施の形態における制御装置５０は、情報取得部６１と、制御プログラム記憶部６２と、制御プログラム実行部６３と、予測パターン記憶部６４と、計測パターン受信部６５と、トーチ位置補正部６６とを備える。

情報取得部６１は、記録媒体７０に記録された情報を取得する。この情報には、制御プログラムと、予測パターンとが含まれる。本実施の形態では、予測パターンを取得する取得手段の一例として、情報取得部６１を設けている。

制御プログラム記憶部６２は、情報取得部６１が取得した情報のうち、制御プログラムを記憶する。

制御プログラム実行部６３は、制御プログラム記憶部６２に記憶された制御プログラムを読み出して実行する。これにより、制御プログラム実行部６３は、積層計画部４３が生成した積層計画に従ってビード１０１を形成するよう、溶接ロボット１０を制御する。本実施の形態では、軌道位置に沿って溶接トーチを走行させることにより第１の溶接ビードを形成する形成手段の一例として、制御プログラム実行部６３を設けている。また、制御プログラム実行部６３は、例えば、１パスの溶接の開始直後や、１パスの溶接の実行中において所定の長さの溶接を終了するごとに、トーチ位置補正部６６を呼び出して、溶接トーチ１３の位置を補正させる。

予測パターン記憶部６４は、情報取得部６１が取得した情報のうち、予測パターンを記憶する。

計測パターン受信部６５は、トーチ位置補正部６６の指示によりデータロガー１５を制御して溶接トーチ１３をウィービングした際の電流パターンを計測する。そして、データロガー１５からその計測された電流パターン（以下、「計測パターン」という）を受信する。

トーチ位置補正部６６は、制御プログラム実行部６３から呼び出されると、溶接ロボット１０を制御して溶接トーチ１３をウィービングさせ、データロガー１５から計測パターンを受信するよう計測パターン受信部６５を制御して計測パターンを取得する。そして、予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンと、計測パターン受信部６５から取得した計測パターンとを比較する。これにより、計測パターンが予測パターンに近くないと判定した場合は、溶接ロボット１０を制御して溶接トーチ１３を軌道に交わる方向に移動させた後ウィービングさせ、再びデータロガー１５から計測パターンを受信するよう計測パターン受信部６５を制御して計測パターンを取得する。そして、予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンと、計測パターン受信部６５から取得した計測パターンとを比較する。トーチ位置補正部６６は、このような処理を繰り返して、計測パターン受信部６５が受信した計測パターンが予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンに近付くように、溶接トーチ１３の位置を補正する。本実施の形態では、計測パターンが予測パターンに近付くように溶接トーチの位置を制御する制御手段の一例として、トーチ位置補正部６６を設けている。ここで、予測パターンと計測パターンとの比較は、各パターンの予め定められた特徴量について行ってもよい。その場合、予め定められた特徴量としては、溶接電流の時間変化割合、溶接電流の最大値、及び、溶接電流が最大値をとる時間の間隔の少なくとも何れか１つを用いるとよい。

［本実施の形態の動作］
（積層計画装置の動作）
図１０は、本実施の形態における積層計画装置３０の動作例を示したフローチャートである。

積層計画装置３０では、まず、ＣＡＤデータ取得部４１が、ＣＡＤ装置２０から三次元ＣＡＤデータを取得する（ステップ３０１）。

次に、ＣＡＤデータ分割部４２が、ステップ３０１で取得された三次元ＣＡＤデータを複数の層に分割して、層形状データを生成する（ステップ３０２）。

次に、積層計画部４３が、ステップ３０２で生成された層形状データから積層計画を生成する（ステップ３０３）。

次に、制御プログラム生成部４４が、ステップ３０３で生成された積層計画に従ってビード１０１を形成することにより積層造形物１００を造形するように溶接ロボット１０を制御する制御プログラムを生成する（ステップ３０４）。

一方、予測パターン生成部４５が、ステップ３０３で生成された積層計画から、軌道位置を中心に溶接トーチ１３をウィービングした際の予測される電流パターンである予測パターンを生成する（ステップ３０５）。

最後に、情報出力部４６が、ステップ３０４で生成された制御プログラムと、ステップ３０５で生成された予測パターンとを記録媒体７０に出力する（ステップ３０６）。

（制御装置の動作）
制御装置５０では、まず、情報取得部６１が、記録媒体７０から制御プログラムと予測パターンとを取得し、制御プログラムを制御プログラム記憶部６２に、予測パターンを予測パターン記憶部６４にそれぞれ記憶する。そして、制御プログラム実行部６３が制御プログラム記憶部６２に記憶された制御プログラムを読み出してこれを実行する。

その際、制御プログラム実行部６３が実行する制御プログラムは、例えば、１パスの溶接の開始直後や、１パスの溶接の実行中において所定の長さの溶接を終了するごとに、トーチ位置補正部６６を呼び出して実行する。

図１１−１〜図１１−３は、このトーチ位置補正部６６の動作例を示したフローチャートである。尚、このフローチャートでは、溶接トーチ１３の位置を進める距離の最小単位をΔで表す。Δは、予測パターンを生成するために設定したビード１０１ａの端部位置からの距離の最小単位（図３では１ｍｍ）よりも小さい距離としてよい。また、このフローチャートでは、予測パターンと計測パターンとを比較した結果を単に「差分」と表記するが、これは予測パターンの特徴量と計測パターンの特徴量との差分であってもよい。

図１１−１に示すように、トーチ位置補正部６６は、制御プログラムから呼び出されると、まず、溶接ロボット１０を制御して溶接トーチ１３をウィービングさせつつ、計測パターン受信部６５を制御して計測パターンを受信させ、これを計測パターン受信部６５から取得する（ステップ５０１）。

そして、トーチ位置補正部６６は、予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンと、ステップ５０１で取得した計測パターンとを比較し、その差分を算出する（ステップ５０２）。

次に、トーチ位置補正部６６は、溶接トーチ１３の位置を＋Δ進める（ステップ５０３）。即ち、溶接トーチ１３をプラス方向にΔだけ移動するよう溶接ロボット１０を制御する。

この状態で、トーチ位置補正部６６は、再び、溶接ロボット１０を制御して溶接トーチ１３をウィービングさせつつ、計測パターン受信部６５を制御して計測パターンを受信させ、これを計測パターン受信部６５から取得する（ステップ５０４）。

そして、トーチ位置補正部６６は、予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンと、ステップ５０４で取得した計測パターンとを比較し、その差分を算出する（ステップ５０５）。

次いで、トーチ位置補正部６６は、ステップ５０５で算出された今回の差分が、ステップ５０２で算出された初回の差分よりも大きくなったかどうかを判定する（ステップ５０６）。

まず、ステップ５０６で今回の差分が初回の差分よりも大きくなったと判定しなかった場合について説明する。この場合、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置はプラスの方向にある可能性がある。そこで、トーチ位置補正部６６は、今回の差分を記憶する（ステップ５０７）。

次に、トーチ位置補正部６６は、図１１−２に示すように、溶接トーチ１３の位置を＋Δ進める（ステップ５２１）。即ち、溶接トーチ１３をプラス方向にΔだけ移動するよう溶接ロボット１０を制御する。

この状態で、トーチ位置補正部６６は、再び、溶接ロボット１０を制御して溶接トーチ１３をウィービングさせつつ、計測パターン受信部６５を制御して計測パターンを受信させ、これを計測パターン受信部６５から取得する（ステップ５２２）。

そして、トーチ位置補正部６６は、予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンと、ステップ５２２で取得した計測パターンとを比較し、その差分を算出する（ステップ５２３）。

次いで、トーチ位置補正部６６は、ステップ５２３で算出された今回の差分が、ステップ５０５又はステップ５２３で算出された前回の差分よりも大きくなったかどうかを判定する（ステップ５２４）。

今回の差分が前回の差分よりも大きくなったと判定しなければ、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置はプラスの更に先の方向にある可能性がある。そこで、トーチ位置補正部６６は、今回の差分を記憶し（ステップ５２５）、処理をステップ５２１へ戻す。

今回の差分が前回の差分よりも大きくなったと判定すれば、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置はプラスの更に先の方向にあるとは考え難い。そこで、トーチ位置補正部６６は、溶接トーチ１３の位置を−Δ進める（ステップ５２６）。即ち、溶接トーチ１３をマイナス方向にΔだけ移動するよう溶接ロボット１０を制御する。そして、このように設定された溶接トーチ１３の位置が正しい溶接トーチ１３の位置であるものとして、処理を終了する。

また、図１１−１に戻り、ステップ５０６で今回の差分が初回の差分よりも大きくなったと判定した場合について説明する。この場合、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置はプラスの方向にあるとは考え難い。そこで、トーチ位置補正部６６は、溶接トーチ１３の位置を−２Δ進める（ステップ５０８）。即ち、溶接トーチ１３をプラス方向にΔの位置からマイナス方向に２Δだけ移動するよう溶接ロボット１０を制御する。

この状態で、トーチ位置補正部６６は、再び、溶接ロボット１０を制御して溶接トーチ１３をウィービングさせつつ、計測パターン受信部６５を制御して計測パターンを受信させ、これを計測パターン受信部６５から取得する（ステップ５０９）。

そして、トーチ位置補正部６６は、予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンと、ステップ５０９で取得した計測パターンとを比較し、その差分を算出する（ステップ５１０）。

次いで、トーチ位置補正部６６は、ステップ５１０で算出された今回の差分が、ステップ５０２で算出された初回の差分よりも大きくなったかどうかを判定する（ステップ５１１）。

まず、ステップ５１１で今回の差分が初回の差分よりも大きくなったと判定しなかった場合について説明する。この場合、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置はマイナスの方向にある可能性がある。そこで、トーチ位置補正部６６は、今回の差分を記憶する（ステップ５１２）。

次に、トーチ位置補正部６６は、図１１−３に示すように、溶接トーチ１３の位置を−Δ進める（ステップ５４１）。即ち、溶接トーチ１３をマイナス方向にΔだけ移動するよう溶接ロボット１０を制御する。

この状態で、トーチ位置補正部６６は、再び、溶接ロボット１０を制御して溶接トーチ１３をウィービングさせつつ、計測パターン受信部６５を制御して計測パターンを受信させ、これを計測パターン受信部６５から取得する（ステップ５４２）。

そして、トーチ位置補正部６６は、予測パターン記憶部６４に記憶された予測パターンと、ステップ５４２で取得した計測パターンとを比較し、その差分を算出する（ステップ５４３）。

次いで、トーチ位置補正部６６は、ステップ５４３で算出された今回の差分が、ステップ５１０又はステップ５４３で算出された前回の差分よりも大きくなったかどうかを判定する（ステップ５４４）。

今回の差分が前回の差分よりも大きくなったと判定しなければ、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置はマイナスの更に先の方向にある可能性がある。そこで、トーチ位置補正部６６は、今回の差分を記憶し（ステップ５４５）、処理をステップ５４１へ戻す。

今回の差分が前回の差分よりも大きくなったと判定すれば、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置がプラスの更に先の方向にあるとは考え難い。そこで、トーチ位置補正部６６は、溶接トーチ１３の位置を＋Δ進める（ステップ５４６）。即ち、溶接トーチ１３をプラス方向にΔだけ移動するよう溶接ロボット１０を制御する。そして、このように設定された溶接トーチ１３の位置が正しい溶接トーチ１３の位置であるものとして、処理を終了する。

また、図１１−１に戻り、ステップ５１１で今回の差分が初回の差分よりも大きくなったと判定した場合について説明する。この場合、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置はプラスの方向にあるとは考え難い。そこで、トーチ位置補正部６６は、溶接トーチ１３の位置を＋Δ進める（ステップ５１３）。即ち、溶接トーチ１３をプラス方向にΔだけ移動するよう溶接ロボット１０を制御する。そして、このように設定された溶接トーチ１３の位置が正しい溶接トーチ１３の位置であるものとして、処理を終了する。

尚、この動作例では、溶接トーチ１３の位置をプラス方向及びマイナス方向に進めて、予測パターンと計測パターンとの差分が最小となる溶接トーチ１３の位置を見つけ、この位置を正しい溶接トーチ１３の位置としたが、この限りではない。例えば、溶接トーチ１３の位置をプラス方向及びマイナス方向に進めて、予測パターンと計測パターンとの差分が予め定めた閾値以下となる溶接トーチ１３の位置を見つけ、この位置を正しい溶接トーチ１３の位置としてもよい。

［本実施の形態の変形例］
上記では、積層計画装置３０が、軌道位置を中心に溶接トーチ１３をウィービングして予測パターンを生成したが、この限りではない。隣接するビード１０１ａの端部位置を中心に溶接トーチ１３をウィービングして予測パターンを生成してもよい。或いは、軌道位置や隣接するビード１０１ａの端部位置以外の予め定められた位置を中心に溶接トーチ１３をウィービングして予測パターンを生成してもよい。その意味で、軌道位置や隣接するビード１０１ａの端部位置は、予め定められた位置の一例である。

積層計画装置３０が軌道位置における予測パターンを生成する場合、制御装置５０は、上述したように、予測パターンと計測パターンとが最も近くなるときの溶接トーチ１３の位置を求め、これを正しい溶接トーチ１３の位置とすればよい。一方で、積層計画装置３０は、隣接するビード１０１ａの端部位置を中心に溶接トーチ１３をウィービングして予測パターンを生成する場合、隣接するビード１０１ａの端部位置からの距離を軌道位置として設定しておけばよい。そして、制御装置５０は、予測パターンと計測パターンとが最も近くなるときの溶接トーチ１３の位置を求め、これに設定された距離を加算して正しい溶接トーチ１３の位置とすればよい。

また、上記では、溶接トーチ１３をウィービングした際の溶接電流の変化を予測したパターンを予測パターンとし、溶接トーチ１３をウィービングした際の溶接電流の変化を計測したパターンを計測パターンとしたが、この限りではない。溶接トーチ１３をウィービングした際の溶接電圧の変化を予測したパターンを予測パターンとし、溶接トーチ１３をウィービングした際の溶接電圧の変化を計測したパターンを計測パターンとしてもよい。その意味で、予測パターンは、溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測したパターンの一例であると言うことができ、計測パターンは、溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測したパターンの一例であると言うことができる。

［本実施の形態の効果］
以上述べたように、本実施の形態では、実際に計測された溶接電流又は溶接電圧の変化のパターンである計測パターンが、積層計画から作成された溶接電流又は溶接電圧の変化のパターンである予測パターンに近付くように、溶接トーチ１３の位置を調整するようにした。これにより、アークを用いて溶加材１４を溶融及び固化してなるビード１０１を複数重ねて積層造形物１００を製造する際に、開先を設けることなく溶接トーチ１３を適切な位置に制御することが可能となった。

１…金属積層造形システム、１０…溶接ロボット、２０…ＣＡＤ装置、３０…積層計画装置、４１…ＣＡＤデータ取得部、４２…ＣＡＤデータ分割部、４３…積層計画部、４４…制御プログラム生成部、４５…予測パターン生成部、４６…情報出力部、５０…制御装置、６１…情報取得部、６２…制御プログラム記憶部、６３…制御プログラム実行部、６４…予測パターン記憶部、６５…計測パターン受信部、６６…トーチ位置補正部、７０…記録媒体

Claims (10)

1. アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造方法であって、
   前記積層体の形状データを用いて、複数の溶接ビードの形状を算出する工程と、
   前記複数の溶接ビードのうちの第１の溶接ビードの形状に基づいて、当該第１の溶接ビードを形成するための溶接トーチの軌道位置を設定する工程と、
   前記第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、当該第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて、予め定められた位置を中心に前記溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを生成する工程と、
   前記軌道位置に沿って前記溶接トーチを走行させることにより前記第１の溶接ビードを形成する工程と
   を含み、
   前記形成する工程では、前記溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンを取得し、当該計測パターンが前記予測パターンに近付くように当該溶接トーチの位置を制御することを特徴とする造形物の製造方法。
2. 前記生成する工程では、前記溶接トーチの傾き、前記溶接トーチの揺動方向、及び、前記溶接トーチの揺動幅の少なくとも何れか１つに更に基づいて、前記予測パターンを生成することを特徴とする請求項１に記載の造形物の製造方法。
3. 前記予め定められた位置は、前記軌道位置であることを特徴とする請求項１に記載の造形物の製造方法。
4. 前記予め定められた位置は、前記第２の溶接ビードの端部位置であることを特徴とする請求項１に記載の造形物の製造方法。
5. 前記設定する工程では、前記第２の溶接ビードの端部位置からの距離を前記軌道位置として設定し、
   前記形成する工程では、前記計測パターンが前記予測パターンに最も近付いたときの前記第２の溶接ビードの端部位置を特定し、当該端部位置に前記距離を加算することにより、前記溶接トーチの位置を制御することを特徴とする請求項４に記載の造形物の製造方法。
6. 前記形成する工程では、予め定められた特徴量について前記計測パターンが前記予測パターンに近付くように前記溶接トーチの位置を制御することを特徴とする請求項１に記載の造形物の製造方法。
7. 前記予め定められた特徴量は、前記溶接電流又は前記溶接電圧の時間変化割合、前記溶接電流又は前記溶接電圧の最大値、及び、前記溶接電流又は前記溶接電圧が最大値をとる時間の間隔の少なくとも何れか１つであることを特徴とする請求項６に記載の造形物の製造方法。
8. アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造方法であって、
   第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、当該第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて生成された、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを取得する工程と、
   前記第１の溶接ビードの形状に基づいて設定された軌道位置に沿って前記溶接トーチを走行させることにより当該第１の溶接ビードを形成する工程と
   を含み、
   前記形成する工程では、前記溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンを取得し、当該計測パターンが前記予測パターンに近付くように当該溶接トーチの位置を制御することを特徴とする造形物の製造方法。
9. アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造装置であって、
   第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、当該第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて生成された、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを取得する取得手段と、
   前記第１の溶接ビードの形状に基づいて設定された軌道位置に沿って前記溶接トーチを走行させることにより当該第１の溶接ビードを形成する形成手段と、
   前記溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンが前記予測パターンに近付くように当該溶接トーチの位置を制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする造形物の製造装置。
10. アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる溶接ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造装置として、コンピュータを機能させるためのプログラムであって、
    前記コンピュータを、
    第１の溶接ビードより先に積層される複数の溶接ビードのうち、当該第１の溶接ビードに隣接する第２の溶接ビードの形状に基づいて生成された、予め定められた位置を中心に溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を予測した予測パターンを取得する取得手段と、
    前記第１の溶接ビードの形状に基づいて設定された軌道位置に沿って前記溶接トーチを走行させることにより当該第１の溶接ビードを形成する形成手段と、
    前記溶接トーチを揺動させた際の溶接電流又は溶接電圧の変化を計測した計測パターンが前記予測パターンに近付くように当該溶接トーチの位置を制御する制御手段と
    して機能させるためのプログラム。

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