JP2024039412A - 制御情報生成装置、制御情報生成方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】造形物の形状によらずに層数及びパス数の増加を抑制して、効率のよい積層造形が行えるように積層造形装置を制御するための制御情報を生成する。【解決手段】制御情報生成装置２００は、造形部の三次元形状の情報を取得する形状取得部３１と、三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する点群生成部３３と、同一の層状体に生成された複数の特徴点を、その層状体に隣接する他の層状体に生成された複数の特徴点に連結し、連結した特徴点同士を結ぶ線を造形経路に設定する造形経路設定部３５と、設定された造形経路の情報を含む制御情報を出力する出力部３７と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、制御情報生成装置、制御情報生成方法及びプログラムに関する。

近年、３Ｄプリンタを用いた積層造形による部品製造のニーズが高まっており、金属材料を用いた造形の実用化に向けて研究開発が進められている。例えば特許文献１には、三次元モデルを分解して溶接ビードを形成する造形経路を求め、その情報を基にして積層造形を実施する技術が開示されている。

米国特許第６２７４８３９号明細書

一般に、三次元の造形においては、三次元のＣＡＤデータに基づく形状モデルをスライスし、そのスライスした層毎に溶接ビードを形成する造形経路（以下、「軌道」又は「パス」ともいう。）を計画し、計画したパスに沿ってトーチを移動させながらビード層を形成する。このようなビード層を積層することで所望の造形物が造形される。

溶接ビードを形成するパスについては、ラスタ状、折れ線状、格子状、同心円状等の様々なスタイルが知られているが、造形物が複雑な形状である程、パス自体の生成が難しくなる。例えば、図１３Ａに示すように半円筒状の流路の外表面に沿いつつ、かつ流路のうねりにも沿うような造形物Ｗの場合、その造形物Ｗを造形するパスＰＳは、長手方向である流路に沿って設定すると効率の良い造形が可能となる。しかし、このようなパスＰＳを造形物Ｗ全体にわたって生成するには煩雑な計算が必要となり、現実的には困難な場合が多い。一方、このような形状を特許文献１の技術でパスを求めると、図１３Ｂに示すように積層方向（流路の長手方向）に垂直な断面で機械的にスライスし、得られた層Ｌｙの各層内にパスを生成することになる。これによれば比較的小さな面積の層内で容易にパスを生成できるが、その反面、層数及びパス数が極端に増加するため、生産性の観点からは好ましくない。

そこで本発明は、造形物の形状によらずに層数及びパス数の増加を抑制して、効率のよい積層造形が行えるように積層造形装置を制御するための制御情報生成装置、制御情報生成方法及びプログラムの提供を目的とする。

本発明は、下記の構成からなる。
（１） 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成する制御情報生成装置であって、
前記造形物の三次元形状の情報を取得する形状取得部と、
前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する点群生成部と、
同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定する造形経路設定部と、
前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する出力部と、
を備える制御情報生成装置。
（２） 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成する制御情報生成方法であって、
前記造形物の三次元形状の情報を取得し、
前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成し、
同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定し、
前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する、
制御情報生成方法。
（３） 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成するプログラムであって、
コンピュータに、
前記造形物の三次元形状の情報を取得する手順と、
前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する手順と、
同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定する手順と、
前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する手順と、
を実行させるためのプログラム。

本発明によれば、造形物の形状によらずに層数及びパス数の増加を抑制して、効率のよい積層造形が行えるように積層造形装置を制御できる。

図１は、積層造形装置の全体構成を示す概略図である。 図２は、制御情報生成装置の機能ブロック図である。 図３は、制御情報の生成手順を示すフローチャートである。 図４Ａは、造形物の三次元形状を分割してビードモデルを生成する様子を示す説明図である。 図４Ｂは、造形物の三次元形状を分割してビードモデルを生成する様子を示す説明図である。 図５Ａは、細長の目標形状を層分割して複数の特徴点を生成し、各特徴点を各層の分割方向に連結する手順を段階的に示す説明図である。 図５Ｂは、細長の目標形状を層分割して複数の特徴点を生成し、各特徴点を各層の分割方向に連結する手順を段階的に示す説明図である。 図５Ｃは、細長の目標形状を層分割して複数の特徴点を生成し、各特徴点を各層の分割方向に連結する手順を段階的に示す説明図である。 図５Ｄは、細長の目標形状を層分割して複数の特徴点を生成し、各特徴点を各層の分割方向に連結する手順を段階的に示す説明図である。 図６は、図５Ｄに示す６つの単位モデルにおける底面領域を平面表示した説明図である。 図７は、図６に示す特徴点の点群を層内に沿った方向から各層の分割方向に繋ぎ替えて、新たなパスを生成する様子を示す説明図である。 図８は、生成された新たなパスを図５Ｃに対応させて示す説明図である。 図９は、生成したパスが適切であるか否かを判定する判定方法を示す説明図である。 図１０は、生成した曲線パスを模式的に示す説明図である。 図１１Ａは、ｘ-ｙ平面におけるｓｉｎ関数によるカーブを示すグラフである。 図１１Ｂは、図１１Ａのサインカーブの曲率分布を示すグラフである。 図１２Ａは、周期及び振幅の異なるｓｉｎ関数同士を合算した結果を示すグラフである。 図１２Ｂは、図１２Ａに示す曲線の曲率分布を示すグラフである。 図１３Ａは、従来の半円筒状の流路を有する造形物の理想的な造形パスを示す説明図である。 図１３Ｂは、従来の半円筒状の流路を有する造形物の実際の造形パスを示す説明図である。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。ここで示す積層造形装置は、あらかじめ定めた造形計画に基づいて、マニピュレータに保持された溶加材（溶接ワイヤ）を熱源装置によって溶融させて溶接ビードを形成し、形成される溶接ビードを所望の形状に繰り返し積層することで、複数の溶接ビードが積層されてなる造形物を造形する。制御情報生成装置は、このような積層造形装置により造形物を造形する際の、溶接ビードの造形経路（パス）を決定して、積層造形装置を駆動させための制御信号を出力する。

＜積層造形装置の構成＞
上記の制御情報生成装置により生成された制御情報に基づいて動作させる積層造形装置の一構成例を説明する。
図１は、積層造形装置の全体構成を示す概略図である。積層造形装置１００は、造形制御部１１と造形部１３とを備える。また、制御情報生成装置２００は、造形制御部１１に接続されて積層造形装置１００の一部を構成してもよく、積層造形装置１００とは離隔して設けられ、ネットワーク等の通信又は記憶媒体を介して造形制御部１１に接続されてもよい。

造形部１３は、マニピュレータ１７と、溶加材供給部１９と、マニピュレータ制御部２１と、熱源制御部２３とを含んで構成される。

マニピュレータ制御部２１は、マニピュレータ１７と熱源制御部２３を制御する。マニピュレータ制御部２１には不図示のコントローラが接続されて、マニピュレータ制御部２１からの任意の操作がコントローラを介して操作者から指示可能となっている。

マニピュレータ１７は、例えば多関節ロボットであり、先端軸に設けたトーチ２５には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。トーチ２５は、溶加材Ｍを先端から突出した状態に保持する。トーチ２５の位置及び姿勢は、マニピュレータ１７を構成するロボットアームの自由度の範囲で３次元的に任意に設定可能となっている。マニピュレータ１７は、６軸以上の自由度を有するものが好ましく、先端の熱源の軸方向を任意に変化させられるものが好ましい。マニピュレータ１７は、図１に示す４軸以上の多関節ロボットの他、２軸以上の直交軸に角度調整機構を備えたロボット等、種々の形態でもよい。

トーチ２５は、不図示のシールドノズルを有し、シールドノズルからシールドガスが供給される。シールドガスは、大気を遮断し、溶接中の溶融金属の酸化、窒化などを防いで溶接不良を抑制する。本構成で用いるアーク溶接法としては、被覆アーク溶接又は炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ（Tungsten Inert Gas）溶接又はプラズマアーク溶接等の非消耗電極式のいずれであってもよく、造形対象に応じて適宜選定される。ここでは、ガスメタルアーク溶接を例に挙げて説明する。消耗電極式の場合、シールドノズルの内部にはコンタクトチップが配置され、電流が給電される溶加材Ｍがコンタクトチップに保持される。トーチ２５は、溶加材Ｍを保持しつつ、シールドガス雰囲気で溶加材Ｍの先端からアークを発生する。

溶加材供給部１９は、トーチ２５に向けて溶加材Ｍを供給する。溶加材供給部１９は、溶加材Ｍが巻回されたリール１９ａと、リール１９ａから溶加材Ｍを繰り出す繰り出し機構１９ｂとを備える。溶加材Ｍは、繰り出し機構１９ｂによって必要に応じて正方向又は逆方向に送られながらトーチ２５へ送給される。繰り出し機構１９ｂは、溶加材供給部１９側に配置されて溶加材Ｍを押し出すプッシュ式に限らず、ロボットアーム等に配置されるプル式、又はプッシュ－プル式であってもよい。

熱源制御部２３は、マニピュレータ１７による溶接に要する電力を供給する溶接電源である。熱源制御部２３は、溶加材Ｍを溶融、凝固させるビード形成時に供給する溶接電流及び溶接電圧を調整する。また、熱源制御部２３が設定する溶接電流及び溶接電圧等の溶接条件に連動して、溶加材供給部１９の溶加材供給速度が調整される。

溶加材Ｍを溶融させる熱源としては、上記したアークに限らない。例えば、アークとレーザーとを併用した加熱方式、プラズマを用いる加熱方式、電子ビーム又はレーザーを用いる加熱方式等、他の方式による熱源を採用してもよい。電子ビーム又はレーザーにより加熱する場合、加熱量を更に細かく制御でき、形成するビードの状態をより適正に維持して、積層構造物の更なる品質向上に寄与できる。また、溶加材Ｍの材質についても特に限定するものではなく、例えば、軟鋼、高張力鋼、アルミ、アルミ合金、ニッケル、ニッケル基合金など、造形物Ｗの特性に応じて、用いる溶加材Ｍの種類が異なっていてよい。

造形制御部１１は、上記した各部を統括して制御する。

上記した構成の積層造形装置１００は、造形物Ｗの造形計画に基づいて作成された造形プログラムに従って動作する。造形プログラムは、多数の命令コードにより構成され、造形物の形状、材質、入熱量等の諸条件に応じて、適宜なアルゴリズムに基づいて作成される。この造形プログラムに従って、トーチ２５を移動させつつ、送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶接ビードＢがベース２７上に形成される。つまり、マニピュレータ制御部２１は、造形制御部１１から提供される所定のプログラムに基づいて、マニピュレータ１７と熱源制御部２３を駆動させる。マニピュレータ１７は、マニピュレータ制御部２１からの指令により、溶加材Ｍをアークで溶融させながらトーチ２５を移動させて溶接ビードＢを形成する。このようにして溶接ビードＢを順次に形成、積層することで、目的とする形状の造形物Ｗが得られる。

＜制御情報生成装置の構成＞
図２は、制御情報生成装置２００の機能ブロック図である。制御情報生成装置２００は、形状取得部３１と、点群生成部３３と、造形経路設定部３５と、出力部３７とを備える。また、制御情報生成装置２００は、第一判定部３９及び第二判定部４１を更に備えてもよい。各部の詳細については後述するが、概略的な機能は次の通りである。

形状取得部３１は、造形しようとする三次元形状の情報を取得する。点群生成部３３は、取得した三次元形状を複数の層に分割し、分割して得られた層状体のそれぞれに、層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する。造形経路設定部は３５、同一の層状体に生成された複数の特徴点を、その層状体に隣接する他の層状体に生成された複数の特徴点に連結する。そして、連結した特徴点同士を結ぶ線を造形経路に設定する。つまり、層内の複数の特徴点が、層状体間を繋ぐように連結され、その連結線が造形経路として設定される。出力部３７は、設定された造形経路の情報を含む制御情報を出力する。第一判定部３９及び第二判定部４１は、設定された造形経路の連結の成否をそれぞれ異なる条件で判定する。このように、連結線が造形物の有する面に沿って連結されるため、曲面を有する造形物でもその曲面に合わせた造形経路が得られる。

制御情報生成装置２００から出力された制御情報は、例えば、図１に示す造形制御部１１に出力されることで、造形制御部１１は、新たに設定された造形経路に更新した造形計画に基づく造形プログラムを生成する。造形制御部１１が、この造形計画に基づいて造形部１３を駆動制御することで、より適正で効率のよい手順で造形物の製造が可能となる。

上記の制御情報生成装置２００は、例えば、ＰＣ（Personal Computer）などの情報処理装置を用いたハードウェアにより構成される。制御情報生成装置２００の各機能は、不図示の制御部が不図示の記憶装置に記憶された特定の機能を有するプログラムを読み出し、これを実行することで実現される。制御部としては、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）等のプロセッサ、又は専用回路等を例示できる。記憶装置としては、揮発性の記憶領域であるＲＡＭ（Random Access Memory）、不揮発性の記憶領域であるＲＯＭ（Read Only Memory）等のメモリ、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）等のストレージを例示できる。

また、制御情報生成装置２００は、上記した形態のほか、前述したように、ネットワーク等を介して遠隔地から造形制御部１１に接続される他のコンピュータで構成してもよい。

次に、制御情報生成装置２００による制御情報の生成手順について詳細に説明する。
図３は、制御情報の生成手順を示すフローチャートである。まず、形状取得部３１は、造形しようとする造形物の三次元形状の情報を、例えばＣＡＤデータ等の形状データから取得する（Ｓ１）。形状取得部３１は、取得した三次元形状の情報を点群生成部３３に出力する。点群生成部３３は、入力された三次元形状を層状にスライスして、各層内に点群を生成する（Ｓ２）。

図４Ａ，図４Ｂは、造形物の三次元形状を分割してビードモデルを生成する様子を示す説明図である。図４Ａに示すように、取得した造形物の形状を、作製する造形物の目標形状Ｓｏとし、この目標形状Ｓｏを所定の溶接ビードのビード高さＨに応じた複数の層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４にスライスする。分割の層数、分割方向及びビード高さは任意に設定できる。また、目標形状Ｓｏを分割する具体的な方法は特に限定されず、公知の手段を採用できる。ここでは、目標形状Ｓｏを鉛直方向に複数の層に分割しているが、図１３Ｂに示すように、目標形状Ｓｏの長手方向に沿って分割する場合もある。

分割した各層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を、図４Ｂに示すように、溶接ビードの断面形状に対応するように、複数の矩形ビードモデルＢＭ０に分割する。これにより、それぞれの層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４が複数の矩形ビードモデルＢＭ０に分割される。この矩形ビードモデルＢＭ０の分割時においては、各矩形ビードモデルＢＭ０でビード長手方向の直交断面におけるビード断面積を一定にする等、条件を指定してもよい。

次に、分割された複数の矩形ビードモデルＢＭ０を、例えば、台形形状、多角形形状、半円形状等の単純な幾何図形に当てはめ、その幾何図形から溶接ビードの狙い位置を求めてトーチの移動軌跡を求める。これにより、造形物を溶接ビードで積層造形する際のパスを決定する。

上記した基本的なパスの設定手順は、図１に示すように、ベース２７上で鉛直方向に延びる形状の造形物Ｗの場合には好適に適用できる。しかし、目標形状Ｓｏが例えば図１３Ａに示す水平方向に長く延びる細長形状である場合、目標形状Ｓｏを鉛直方向に層分割すると各層の面積が大きくなり、各層をビードモデルに分割する処理が煩雑になる。そこで、図１３Ｂに示すように、目標形状Ｓｏを水平方向に直交する方向に層分割して、各層の面積を小さくするのが好ましいが、分割した各層内における溶接ビードの長さは短くなる。その結果、ビード形成を頻繁に断続させる必要が生じ、必ずしも効率のよい造形手順にはならない。

このようなことから、本構成の制御情報生成装置２００では、目標形状Ｓｏを最初に小さな面積の層に分割し、各層内で一旦ビードモデルに分割する。そして、各層のビードモデルの特徴点を抽出し、これら特徴点を各層の分割方向に連結する。こうして得られた特徴点の連結線を、溶接ビードを形成するパス、即ち、目標形状Ｓｏを造形するパスとして設定すれば、目標形状Ｓｏの長手方向に沿ったパスが簡単に求められる。

図５Ａ～図５Ｄは、細長の目標形状Ｓｏを層分割して複数の特徴点を生成し、各特徴点を各層の分割方向に連結する手順を段階的に示す説明図である。図５Ａに示すように、目標形状Ｓｏが手前側から奥側に向けて連続する細長形状であるとする。この目標形状Ｓｏを図５Ｂに示すように、目標形状Ｓｏの長手方向に沿って複数の層状体に分割する。ここでは一例として層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に分割した例を示す。そして、図５Ｃに示すように、分割した各層を更に複数のビードモデルに分割する。ここでは上下２段のビードモデルＢＭａ，ＢＭｂに分割している。各ビードモデルＢＭａ，ＢＭｂは、それぞれ矢印で示すＤａ，Ｄｂをビード形成方向とし、ビード形成方向と直交するビード断面が図５Ｃに示す斜線部領域で近似されるものとする。

次に、図５Ｄに示すように、ビードモデルＢＭａとビードモデルＢＭｂに対して、ビード形成方向Ｄａ，Ｄｂに沿ってそれぞれ複数の特徴点を生成する。ここでは、ビード形成方向に沿ってモデルを均等に３分割した各頂点に特徴点を生成している。図示は省略するが、同様に層Ｌ２～Ｌ４についてもそれぞれ複数の特徴点を生成する。

上記のように点群生成部３３は、複数の特徴点からなる点群を特定方向（ビード形成方向Ｄｂ）に沿って生成する。次に、造形経路設定部３５は、各特徴点の連結線を、複数の層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４に沿った方向、即ち、上記したビードモデルの分割方向に繋ぎ替える。

ここでは説明を簡単にするため、層Ｌ１と、層Ｌ２に着目して、パスの組み替えを説明する。
図６は、図５Ｄにドットハッチで示す底面領域Ａｂを平面表示した説明図である。図６においては、各特徴点を格子座標上の点として捉え、格子線の各交点を（ｉ，ｊ，ｋ，ｌ）で特定した指標（インデックス）を用いて表している。ここで、指標ｉ，ｊは底面領域Ａｂにおける座標を表す指標であり、指標ｋは複数列のビードモデルの積層順を表す指標（第二インデックス）であり、指標ｌは１本のビードモデルを積層開始する時点から終了する時点に至るまでに、トーチが通過する時系列順を表す指標（第一インデックス）である。

つまり、点（１，１，１，１）は、層Ｌ１のビードモデルＢＭｂにおける左端角部の特徴点である。点（１，２，１，２）は、層Ｌ１のビードモデルＢＭｂにおける左端角部から１つ右方に配置された特徴点である。点（２，１，２，１）は、層Ｌ２のビードモデルにおける左端角部の特徴点である。

このように、指標ｉは図６における縦方向の位置を表し、指標ｊは図６における横方向の位置を表す。また、同一の指標ｋを有する特徴点同士は、同じビードモデルに含まれる特徴点、即ち同じパス上の特徴点である。指標ｌは、同一の指標ｋを有するパスの進行方向に沿った造形順を表す。

したがって、図６においては、層Ｌ１における特徴点（１，１，１，１）、（１，２，１，２）、（１，３，１，３）、（１，４，１，４）がこの順で配置され、この順で各特徴点を連結した連結線がパスＰＳ１となる。同様に、層Ｌ２において順に配置された特徴点（２，１，２，１）、（２，２，２，２）、（２，３，２，３）、（２，４，２，４）を連結した連結線がパスＰＳ２となる。同様に、特徴点（３，１，３，１）、（３，２，３，２）、（３，３，３，３）、（３，４，３，４）を連結した連結線がパスＰＳ３となる。上記したパスＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３は、いずれも図５Ｃに示すビード形成方向Ｄｂに沿った方向であり、目標形状Ｓｏの長手方向（指標ｉの配列方向）に直交する方向である。

図７は、図６に示す特徴点の点群を層内に沿った方向（ビード形成方向Ｄｂ）から各層の分割方向に繋ぎ替えて、新たなパスを生成する様子を示す説明図である。ここでは、各単位モデルの特徴点の指標ｋと指標ｌとの値を互いに入れ替える。そうすると、同一の指標ｋを有する特徴点同士が同じパス上の特徴点であり、指標ｌは同一の指標ｋを有するパスの進行方向に沿った造形順を表すので、指標ｋ＝１のパスＰＳ１、ｋ＝２のパスＰＳ２、ｋ＝３のパスＰＳ３，ｋ＝４のパスＰＳ４は、いずれも目標形状Ｓｏの長手方向（指標ｉの配列方向）に沿った新たなパスとなる。つまり、異なる層の点群同士を連結して新たなパスが生成される（Ｓ３）。

上記のように指標ｋと指標ｌとの入れ替えを行い、更新されたｋ，ｌに基づいて各特徴点をつなぐことによって、複数の層に分割した層状体（層Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）の分割方向に沿った線を生成する。この線を新たなパスに設定する。

図８は、生成された新たなパスを図５Ｃに対応させて示す説明図である。図８に示すパスＰＳ１～ＰＳ４は、いずれも図５Ｃに示すビード形成方向Ｄａ，Ｄｂに交差した前述の層の分割方向に沿ったパスとなる。ここで示すパスＰＳ１～ＰＳ４に沿って溶接ビードを形成する場合、形成される溶接ビードは目標形状Ｓｏを造形する最下層となる。そして、最下層のビード層の上に、更に同様にして溶接ビードを形成（積層）することで、効率よく目標形状Ｓｏの造形物を製造できる。

このように、図６に示す当初のパスを、複雑な演算を伴うことなく図７に示すように当初のパスと交差するパスに簡単に変更できる。このため、目標形状Ｓｏを細かくスライスしたり、分割方向を変更しながらスライスしたりする特別な操作を要することなく、単純に特徴点の連結相手を変更して繋ぎ替えるだけで済む。

なお、ここで示した特徴点は一例であって、これに限らない。例えば、設定されたパス中に存在する角部となる頂点等、幾何学的に特徴となる点を特徴点に設定してもよい。特徴点の個数は各層の面積等に応じて調整してもよく、パス長に応じて調整してもよい。また、各特徴点に付与される指標は、各層に生成した特徴点の個数等を集計するために使用してもよい。指標は、層内における各特徴点を識別するだけでなく、パスに沿ってトーチを移動させる順序情報、及びパス同士の繋がり等を別途識別するために使用してもよい。

更に、上記した指標ｋ，ｌによって特徴点の連結方向を決定することに代えて、指標ｉ，ｊ自体をパス設定用の指標としてもよい。その場合、各特徴点の指標はｉ，ｊの２つで済む。そして、異なる層同士の特徴点間の距離を計算して、その合計が最小となる組を特徴点の繋ぎ先に設定してもよい。例えば、隣接する特徴点同士の距離が指標ｉの配列方向よりも指標ｊの配列方向の方が短い場合、指標ｊの配列方向に沿って特徴点同士を連結する。以上のような処理を行うことで、例えば造形物が曲面を有する場合でも、その曲面に沿った滑らかなパスを生成できる。

生成した新たなパスの情報を含む制御情報は、出力部３７から図１に示す造形制御部１１等に出力される。造形制御部１１は、新たなパスの情報から、造形物をその長手方向に沿ったパスにより造形する積層計画を作成する。これにより、造形制御部１１は、造形部１３を駆動して、所望の形状の造形物を高効率で造形できるようになる。

以上の特徴点同士を繋ぎ替えて生成したパスに対して、適切に特徴点同士が連結されているかを判定する工程を実施してもよい。
図９は、生成したパスが適切であるか否かを判定する判定方法を示す説明図である。例えば、パスＰＳが造形経路設定部３５によって目標形状Ｓｏの長手方向に沿って生成された場合、そのパスＰＳの経路長をＬｎ１とし、パスＰＳの始点Ｐ_ｓｔと終点Ｐ_ｅｄとを結ぶ直線の長さをＬｎ２とする。図２に示す第一判定部３９は、距離Ｌｎ１が距離Ｌｎ２より短い場合、パスＰＳの途中で破断が生じていると判定する。また、距離Ｌｎ１が距離Ｌｎ２と比較して、あらかじめ定めた差分以上に長い場合、パスＰＳが滑らかに繋がっておらず、繋がれた特徴点同士の組み合わせが不適切であると判定する。つまり、第一判定部３９は、造形経路設定部３５が設定したパスの経路長を算出して、その経路長に基づき特徴点同士の連結の成否を判定する。

第一判定部３９が特徴点同士の連結が不適であると判定した場合、造形経路設定部３５は、適宜に条件を変更して特徴点の連結を再度組み替え直す。この処理を連結が適切になるまで繰り返す。これにより、機械的に連結の成否が判定でき、人手により細かくチェックする必要がなくなる。

また、第一判定部３９に代えて、又は第一判定部３９と並行して、第二判定部４１による連結の成否を判定してもよい。第二判定部４１は、造形経路設定部３５が設定したパスの曲率分布を算出して、その曲率分布に基づき特徴点同士の連結の成否を判定する。

図１０は、生成したパスＰＳを模式的に示す説明図である。このパスＰＳの一部には、不連続な凹凸４３，４５が存在する。このような局所的な凹凸４３，４５、又は短い区間で蛇行するようなパス、或いはいびつな形状のパスは、欠陥形状を生じやすく溶接ビードの積層には不向きである。そのため、このようなパスは修正するのが望ましい。

そこで、第二判定部４１は、曲率の分布を求めて、その曲率の傾きを予め定めた閾値と比較する。パスの曲率分布を求める具体的な手法については公知であるため、ここではその詳細な説明は省略する。傾きが閾値を超える場合は、繋ぎ替えたパスが滑らかではなく、パスが振動している等、適切に繋がっていないと判定する。この判定は、曲率の傾きだけでなく、例えば、曲率分布の極大値、極小値の個数に基づいてもよい。極大、極小のピークの個数については、造形物の外表面形状、又は経験等に基づいて適宜な閾値を設定しておき、この閾値と比較して連結の成否を判定してもよい。

上記した曲率分布による判定は、パスの形状をより正確に反映した判定が可能となる。
図１１Ａは、ｘ-ｙ平面におけるｓｉｎ関数によるカーブを示すグラフである。図１１Ｂは、図１１Ａのｓｉｎカーブの曲率分布を示すグラフである。図１１Ｂの曲率分布が示すように、単純なカーブであっても、その極大値、極小値の形状が顕著な特徴となって現れる。

図１２Ａは、周期及び振幅の異なるｓｉｎ関数同士を合算した結果を示すグラフである。図１２Ｂは図１２Ａに示す曲線の曲率分布を示すグラフである。図１２Ｂの曲率分布が示すように、曲線に微小な凹凸が含まれる場合、その凹凸に起因して曲率の変動が激しくなる。

上記のように、曲率分布による判定は、パスＰＳの形状を直接的に評価する場合と比較して、より微弱な形状変化を容易に検出できるため、パスのいびつな蛇行現象、振動、ねじれ等を確実に抽出でき、判定精度を向上できる。

このように、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、実施形態の各構成を相互に組み合わせること、及び明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者が変更、応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成する制御情報生成装置であって、
前記造形物の三次元形状の情報を取得する形状取得部と、
前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する点群生成部と、
同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定する造形経路設定部と、
前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する出力部と、
を備える制御情報生成装置。
この制御情報生成装置によれば、取得した造形物の三次元形状を複数層に分割して、得られた層状体の層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する。次に、複数の特徴点を、隣接する層状体の特徴点同士で連結し、この連結した線を造形経路に設定する。これにより、一方向に延びて形成される造形物であっても、その長手方向に沿って造形経路が設定される。よって、造形物の形状によらずに層数及びパス数の増加を抑制し、効率のよい積層造形が行えるように積層造形装置を制御できる。

（２） 前記造形経路設定部は、
前記複数の特徴点に、前記層状体内の前記特定方向に沿って順番にそれぞれ独立した第一インデックスを付与するとともに、複数の前記層状体の分割方向に沿って順番にそれぞれ独立した第二インデックスを付与し、
前記複数の特徴点のうち、付与された前記第一インデックスが共通な特徴点同士を、前記第二インデックスの順番で連結した線を前記造形経路に設定する、（１）に記載の制御情報生成装置。
この制御情報生成装置によれば、同じ第一インデックスを有する特徴点を第二インデックスの順番で連結する簡単な処理により、機械的に繋ぎ替えを実施できる。

（３） 前記特定方向は、前記層状体のそれぞれの形状を１本の前記溶接ビードで形成する場合、又は複数本の前記溶接ビードで形成する場合を想定したときの前記溶接ビードの長手方向である、（１）に記載の制御情報生成装置。
この制御情報生成装置によれば、特定方向が、層状体を溶接ビードの形状に分割した際に想定される溶接ビードの長手方向であることで、層状体の分割方向に沿って接続される線が、一方向に延びる造形物の長手方向となる。これにより、一方向に延びて形成される造形物をその長手方向に沿って溶接ビードを形成する造形経路が求められる。

（４） 前記造形経路設定部が設定した前記造形経路の経路長を算出して、前記経路長に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する第一判定部を備える、（１）に記載の制御情報生成装置。
この制御情報生成装置によれば、繋がれた特徴点同士の組合せが不適切である場合に、他の特徴点同士の連結を再度組み替え直すことができる。

（５） 前記造形経路設定部が設定した前記造形経路の曲率分布を算出して、前記曲率分布に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する第二判定部を備える、（１）に記載の制御情報生成装置。
この制御情報生成装置によれば、繋がれた特徴点同士の組合せが溶接ビードの積層に不適切である場合に、他の特徴点同士の連結を再度組み替え直すことができる。

（６） 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成する制御情報生成方法であって、
前記造形物の三次元形状の情報を取得し、
前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成し、
同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定し、
前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する、
制御情報生成方法。
この制御情報生成方法によれば、取得した造形物の三次元形状を複数層に分割して、得られた層状体の層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する。次に、複数の特徴点を、隣接する層状体の特徴点同士で連結し、この連結した線を造形経路に設定する。これにより、一方向に延びて形成される造形物であっても、その長手方向に沿って造形経路が設定される。よって、造形物の形状によらずに層数及びパス数の増加を抑制し、効率のよい積層造形が行えるように積層造形装置を制御できる。

（７） 前記造形経路の設定には、
前記複数の特徴点に、前記層状体内の前記特定方向に沿って順番にそれぞれ独立した第一インデックスを付与するとともに、複数の前記層状体の分割方向に沿って順番にそれぞれ独立した第二インデックスを付与し、
前記複数の特徴点のうち、付与された前記第一インデックスが共通な特徴点同士を、前記第二インデックスの順番で連結した線を前記造形経路に設定する工程を含む、（６）に記載の制御情報生成方法。
この制御情報生成方法によれば、同じ第一インデックスを有する特徴点を第二インデックスの順番で連結する簡単な処理により、機械的に繋ぎ替えを実施できる。

（８） 前記特定方向は、前記層状体のそれぞれの形状を１本の前記溶接ビードで形成する場合、又は複数本の前記溶接ビードで形成する場合を想定したときの前記溶接ビードの長手方向である、（６）に記載の制御情報生成方法。
この制御情報生成方法によれば、特定方向が、層状体を溶接ビードの形状に分割した際に想定される溶接ビードの長手方向であることで、層状体の分割方向に沿って接続される線が、一方向に延びる造形物の長手方向となる。これにより、一方向に延びて形成される造形物をその長手方向に沿って溶接ビードを形成する造形経路が求められる。

（９） 前記造形経路の経路長を算出して、前記経路長に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する工程を含む、（６）に記載の制御情報生成方法。
この制御情報生成方法によれば、繋がれた特徴点同士の組合せが不適切である場合に、他の特徴点同士の連結を再度組み替え直すことができる。

（１０） 前記造形経路の曲率分布を算出して、前記曲率分布に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する工程を含む、（６）に記載の制御情報生成方法。
この制御情報生成方法によれば、繋がれた特徴点同士の組合せが溶接ビードの積層に不適切である場合に、他の特徴点同士の連結を再度組み替え直すことができる。

（１１） 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成するプログラムであって、
コンピュータに、
前記造形物の三次元形状の情報を取得する手順と、
前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する手順と、
同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定する手順と、
前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する手順と、
を実行させるためのプログラム。
このプログラムによれば、取得した造形物の三次元形状を複数層に分割して、得られた層状体の層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する。次に、複数の特徴点を、隣接する層状体の特徴点同士で連結し、この連結した線を造形経路に設定する。これにより、一方向に延びて形成される造形物であっても、その長手方向に沿って造形経路が設定される。よって、造形物の形状によらずに層数及びパス数の増加を抑制し、効率のよい積層造形が行えるように積層造形装置を制御できる。

（１２） 前記造形経路を設定する手順は、
前記複数の特徴点に、前記層状体内の前記特定方向に沿って順番にそれぞれ独立した第一インデックスを付与するとともに、複数の前記層状体の分割方向に沿って順番にそれぞれ独立した第二インデックスを付与し、
前記複数の特徴点のうち、付与された前記第一インデックスが共通な特徴点同士を、前記第二インデックスの順番で連結した線を前記造形経路に設定する手順を含む、（１１）に記載のプログラム。
このプログラムによれば、同じ第一インデックスを有する特徴点を第二インデックスの順番で連結する簡単な処理により、機械的に繋ぎ替えを実施できる。

（１３） 前記特定方向は、前記層状体のそれぞれの形状を１本の前記溶接ビードで形成する場合、又は複数本の前記溶接ビードで形成する場合を想定したときの前記溶接ビードの長手方向である、（１１）に記載のプログラム。
このプログラムによれば、特定方向が、層状体を更に溶接ビードの形状に分割した際に想定される溶接ビードの長手方向であることで、層状体の分割方向に沿って接続される線が、一方向に延びる造形物の長手方向となる。これにより、一方向に延びて形成される造形物をその長手方向に沿って溶接ビードを形成する造形経路が求められる。

（１４） コンピュータに、
前記造形経路の経路長を算出して、前記経路長に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する手順をさらに実行させる、（１１）に記載のプログラム。
このプログラムによれば、繋がれた特徴点同士の組合せが不適切である場合に、他の特徴点同士の連結を再度組み替え直すことができる。

（１５） コンピュータに、
前記造形経路の曲率分布を算出して、前記曲率分布に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する手順をさらに実行させる、（１１）に記載のプログラム。
このプログラムによれば、繋がれた特徴点同士の組合せが溶接ビードの積層に不適切である場合に、他の特徴点同士の連結を再度組み替え直すことができる。

１１ 造形制御部
１３ 造形部
１７ マニピュレータ
１９ 溶加材供給部
１９ａ リール
１９ｂ 繰り出し機構
２１ マニピュレータ制御部
２３ 熱源制御部
２５ トーチ
２７ ベース
３１ 形状取得部
３３ 点群生成部
３５ 造形経路設定部
３７ 出力部
３９ 第一判定部
４１ 第二判定部
４３，４５ 凹凸
１００ 積層造形装置
２００ 制御情報生成装置
Ａｂ 底面領域
Ｂ 溶接ビード
ＢＭ０ 矩形ビードモデル
ＢＭａ，ＢＭｂ ビードモデル
Ｄａ，Ｄｂ ビード形成方向
Ｈ ビード高さ
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４ 層
Ｌｎ１， Ｌｎ２ 距離
Ｍ 溶加材
ＰＳ，ＰＳ１，ＰＳ２，ＰＳ３，ＰＳ４ パス
Ｐ_ｓｔ 始点
Ｐ_ｅｄ 終点
Ｓｏ 目標形状
Ｗ 造形物

Claims (15)

1. 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成する制御情報生成装置であって、
   前記造形物の三次元形状の情報を取得する形状取得部と、
   前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する点群生成部と、
   同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定する造形経路設定部と、
   前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する出力部と、
   を備える制御情報生成装置。
2. 前記造形経路設定部は、
   前記複数の特徴点に、前記層状体内の前記特定方向に沿って順番にそれぞれ独立した第一インデックスを付与するとともに、複数の前記層状体の分割方向に沿って順番にそれぞれ独立した第二インデックスを付与し、
   前記複数の特徴点のうち、付与された前記第一インデックスが共通な特徴点同士を、前記第二インデックスの順番で連結した線を前記造形経路に設定する、
   請求項１に記載の制御情報生成装置。
3. 前記特定方向は、前記層状体のそれぞれの形状を１本の前記溶接ビードで形成する場合、又は複数本の前記溶接ビードで形成する場合を想定したときの前記溶接ビードの長手方向である、
   請求項１に記載の制御情報生成装置。
4. 前記造形経路設定部が設定した前記造形経路の経路長を算出して、前記経路長に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する第一判定部を備える、
   請求項１に記載の制御情報生成装置。
5. 前記造形経路設定部が設定した前記造形経路の曲率分布を算出して、前記曲率分布に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する第二判定部を備える、
   請求項１に記載の制御情報生成装置。
6. 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成する制御情報生成方法であって、
   前記造形物の三次元形状の情報を取得し、
   前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成し、
   同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定し、
   前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する、
   制御情報生成方法。
7. 前記造形経路の設定には、
   前記複数の特徴点に、前記層状体内の前記特定方向に沿って順番にそれぞれ独立した第一インデックスを付与するとともに、複数の前記層状体の分割方向に沿って順番にそれぞれ独立した第二インデックスを付与し、
   前記複数の特徴点のうち、付与された前記第一インデックスが共通な特徴点同士を、前記第二インデックスの順番で連結した線を前記造形経路に設定する工程を含む、
   請求項６に記載の制御情報生成方法。
8. 前記特定方向は、前記層状体のそれぞれの形状を１本の前記溶接ビードで形成する場合、又は複数本の前記溶接ビードで形成する場合を想定したときの前記溶接ビードの長手方向である、
   請求項６に記載の制御情報生成方法。
9. 前記造形経路の経路長を算出して、前記経路長に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する工程を含む、
   請求項６に記載の制御情報生成方法。
10. 前記造形経路の曲率分布を算出して、前記曲率分布に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する工程を含む、
    請求項６に記載の制御情報生成方法。
11. 造形経路に沿って加工位置を移動させながら、溶融した加工材料を加工対象面に付加して形成される溶接ビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層して三次元形状の造形物を造形する積層造形装置において、前記積層造形装置を制御するための制御情報を生成するプログラムであって、
    コンピュータに、
    前記造形物の三次元形状の情報を取得する手順と、
    前記三次元形状を複数の層に分割した層状体のそれぞれに、前記層内の特定方向に沿って複数の特徴点を生成する手順と、
    同一の前記層状体に生成された前記複数の特徴点を、当該層状体に隣接する他の層状体に生成された前記複数の特徴点に連結し、連結した前記特徴点同士を結ぶ線を前記造形経路に設定する手順と、
    前記設定された前記造形経路の情報を含む前記制御情報を出力する手順と、
    を実行させるためのプログラム。
12. 前記造形経路を設定する手順は、
    前記複数の特徴点に、前記層状体内の前記特定方向に沿って順番にそれぞれ独立した第一インデックスを付与するとともに、複数の前記層状体の分割方向に沿って順番にそれぞれ独立した第二インデックスを付与し、
    前記複数の特徴点のうち、付与された前記第一インデックスが共通な特徴点同士を、前記第二インデックスの順番で連結した線を前記造形経路に設定する手順を含む、
    請求項１１に記載のプログラム。
13. 前記特定方向は、前記層状体のそれぞれの形状を１本の前記溶接ビードで形成する場合、又は複数本の前記溶接ビードで形成する場合を想定したときの前記溶接ビードの長手方向である、
    請求項１１に記載のプログラム。
14. コンピュータに、
    前記造形経路の経路長を算出して、前記経路長に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する手順をさらに実行させる、
    請求項１１に記載のプログラム。
15. コンピュータに、
    前記造形経路の曲率分布を算出して、前記曲率分布に基づき前記特徴点同士の連結の成否を判定する手順をさらに実行させる、
    請求項１１に記載のプログラム。

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