JP6647480B1 - 制御情報生成装置および制御情報生成方法 - Google Patents

Abstract

加工位置を造形経路に沿って移動させながら溶融した加工材料を対象面に付加することで形成される造形物であるビードを用いて層形状を造形し、層形状を積層した三次元形状を造形する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（１０）は、造形経路とビードの断面の基準幅とに基づいて、ビードが重ならずに隣接するための断面の幅である修正幅を求めるビード幅修正部（１１）と、造形経路および修正幅に基づいて、修正経路を求める経路修正部（１２）と、修正経路および修正幅を示す制御情報を出力する制御情報出力部（１５）と、を備えることを特徴とする。

Description

本発明は、加工材料を積層させて三次元形状を造形する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および制御情報生成方法に関する。

溶融した加工材料を積層させて三次元形状を造形する積層造形装置は、制御情報が示す造形経路に沿って加工位置を移動させながら、加工材料を溶融させて対象面に付加することで形成される造形物であるビードを並べて層形状を造形し、層形状を積層することで三次元形状を造形する。

特許文献１には、積層造形装置が使用する制御情報を生成する制御情報生成装置が開示されている。特許文献１に記載された制御情報生成装置は、ビード間のオーバーラップ率を、層の上面が予め定めた平坦度となるような特定のオーバーラップ率とした造形経路を生成している。この制御情報生成装置は、ビード間のオーバーラップ率が特定のオーバーラップ率とならない部分について、加工材料の付加量などの積層条件を調整している。

特開２０１７−１４４４５８号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、造形経路の方向が変化する部分において、造形経路の内側で生じるビードの重なりに応じて、所定の平坦度となるように加工材料の付加量などの積層条件が調整されるが、造形経路の内側部分でのビードの重なりによって、造形品質が低下する場合があるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、造形品質を向上させることが可能な制御情報生成装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる制御情報生成装置は、加工位置を造形経路に沿って移動させながら溶融した加工材料を対象面に付加することで形成される造形物であるビードを用いて層形状を造形し、層形状を積層した三次元形状を造形する積層造形装置を制御するための制御情報を生成する。この制御情報生成装置は、造形経路とビードの断面の基準幅とに基づいて、ビードが重ならずに隣接するための断面の幅である修正幅を求めるビード幅修正部と、造形経路および修正幅に基づいて、修正経路を求める経路修正部と、修正経路および修正幅を示す制御情報を出力する制御情報出力部と、を備えることを特徴とする。

本発明にかかる制御情報生成装置は、造形品質を向上させることが可能になるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかる積層造形システムの構成を示す図 図１に示すＣＡＭ装置の動作を説明するためのフローチャート 図１に示す造形形状データ取得部が取得する造形形状データの一例を示す図 図３に示す造形形状を分割した部分である層形状を示す図 図４に示す層形状の平面図 図４に示す層形状の側面図 図４に示す層形状の平面図 図４に示す層形状の側面図 図５および図６に示す層形状の輪郭部の造形経路の一例を示す図 図５および図６に示す層形状の内部領域の造形経路の一例を示す図 図１０に示す基準幅を説明するための図 図２のステップＳ２０３の詳細を説明するためのフローチャート 図９に示す造形経路に対して計算した修正幅を示す図 図１０に示す造形経路に対して計算した修正幅を示す図 図１３に示す修正幅を造形経路データに付加したデータを示す図 図１４に示す修正幅を造形経路データに付加したデータを示す図 図１５に示すデータに基づいて生成された修正経路を示す図 図１７に示す修正経路に修正幅データを付加したデータを示す図 図１６に示すデータに基づいて生成された修正経路を示す図 図１９に示す修正経路に修正幅データを付加したデータを示す図 図１に示す制御情報生成装置が交差する造形経路に対して計算した修正幅を示す図 図２１に示すデータに基づいて生成された修正経路を示す図 図７に示す層形状に対して生成された修正経路を示す図 図２３に示す層形状の側面図 図２３に示す点Ｐｃについて計算された層形状の断面形状を示す図 図１に示す点造形経路変換部における点造形経路の生成を説明するための図 図１に示すＣＡＭ装置の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図 図１に示すＣＡＭ装置の機能を実現するための制御回路の構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかる制御情報生成装置および制御情報生成方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかる積層造形システム１００の構成を示す図である。積層造形システム１００は、積層造形装置２１と、積層造形装置２１を制御するための制御情報を生成するＣＡＭ（Computer Aided Manufacturing）装置１と、ＣＡＭ装置１が生成した制御情報を記憶する制御情報記憶部２０とを有する。

ＣＡＭ装置１は、積層造形装置２１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１０を備えている。ＣＡＭ装置１は、造形形状データ取得部２と、経路定義データ取得部３と、層形状生成部４と、造形経路生成部５と、造形形状データ記憶部６と、経路定義データ記憶部７と、層形状データ記憶部８と、造形経路データ記憶部９とを有する。

造形形状データ取得部２は、造形目標の形状である造形形状を示す造形形状データをＣＡＭ装置１の外部から取得する。造形形状データ取得部２は、取得した造形形状データを造形形状データ記憶部６に記憶させる。

経路定義データ取得部３は、造形経路を定義するための経路定義データをＣＡＭ装置１の外部から取得する。経路定義データ取得部３が取得する経路定義データは、例えば、造形形状を分割する層を定義するための層定義データと、造形経路を生成する際に用いるビード断面の基準幅を示す基準ビード幅データとを含む。また経路定義データは、造形経路を離散的な複数の点で表した点造形経路を示す点造形経路データに変換するか否かを指示するための点造形経路変換指示データと、点造形経路を定義するためのデータである点造形経路定義データとをさらに含むことができる。以下、点造形経路を用いた積層造形を点造形と称する。経路定義データ取得部３は、取得した経路定義データを経路定義データ記憶部７に記憶させる。

層形状生成部４は、造形形状データ記憶部６に記憶された造形形状データと、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データとに基づいて、造形形状を複数の層に分割した層形状を生成する。具体的には、層形状生成部４は、造形形状データが示す造形形状を、経路定義データに含まれる層定義データが示す複数の層に分割して複数の層形状を生成することができる。層形状生成部４は、生成した複数の層形状を示す層形状データを層形状データ記憶部８に記憶させる。

造形経路生成部５は、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データと、層形状データ記憶部８に記憶された層形状データとに基づいて、造形経路を生成する。具体的には、造形経路生成部５は、経路定義データに含まれる基準ビード幅データと、層形状データとを用いて、基準幅を有するビードで層形状データが示す形状の造形物を形成するための造形経路を生成する。造形経路生成部５は、生成した造形経路を示す造形経路データを造形経路データ記憶部９に記憶する。

造形形状データ記憶部６は、造形形状データ取得部２がＣＡＭ装置１の外部から取得した造形形状データを記憶する。経路定義データ記憶部７は、経路定義データ取得部３がＣＡＭ装置１の外部から取得した経路定義データを記憶する。層形状データ記憶部８は、層形状生成部４が生成した層形状データを記憶する。造形経路データ記憶部９は、造形経路生成部５が生成した造形経路データを記憶する。

制御情報生成装置１０は、層形状データ記憶部８に記憶された層形状データと、造形経路データ記憶部９に記憶された造形経路データと、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データに含まれる基準ビード幅データ、点造形経路変換指示データ、および点造形経路定義データとに基づいて、ビードが重ならずに隣接するためのビード断面の幅である修正幅と、ビード高さデータと、ビードが重ならずに隣接するように修正した造形経路である修正経路とを示す制御情報を生成して、制御情報をＣＡＭ装置１の外部に出力する。

制御情報生成装置１０は、ビード幅修正部１１と、経路修正部１２と、ビード高さ計算部１３と、点造形経路変換部１４と、制御情報出力部１５とを有する。

ビード幅修正部１１は、造形経路データ記憶部９に記憶された造形経路データが示す造形経路と、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データに含まれる基準ビード幅データが示す基準幅とに基づいて、ビードが重ならずに隣接するための造形経路上のビード断面の幅である修正幅を求める。ビード幅修正部１１は、造形経路の曲率に基づいて、修正幅を求めることができる。例えばビード幅修正部１１は、曲率が大きく基準幅のビードが重なる場合、修正幅を小さくすることでビードが重ならないようにする。ビード幅修正部１１は、造形経路データと、求めた修正幅を示す修正幅データとを経路修正部１２に出力する。

経路修正部１２は、ビード幅修正部１１が出力する造形経路データおよび修正幅データに基づいて、ビードが重ならずに隣接するためのビード断面の位置である修正位置を計算し、造形経路データが示す造形経路の位置を、この計算された修正位置に変更して修正経路を生成する。経路修正部１２は、生成した修正経路を示す修正経路データと、修正幅データとをビード高さ計算部１３に出力する。

ビード高さ計算部１３は、経路修正部１２が出力する修正経路データおよび修正幅データと、層形状データ記憶部８に記憶された層形状データとに基づいて、層形状の造形に必要な造形経路上のビード断面における高さであるビード高さを計算する。ビード高さ計算部１３は、計算したビード高さを示すビード高さデータと、修正幅データと、修正経路データとを点造形経路変換部１４に出力する。

点造形経路変換部１４は、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データに含まれる点造形経路変換指示データに基づいて、造形経路を点造形経路に変換するか否かを判断する。造形経路を点造形経路に変換する場合、点造形経路変換部１４は、ビード高さ計算部１３が出力する修正経路データ、修正幅データおよびビード高さデータと、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データに含まれる点造形経路定義データとに基づいて、造形経路を点造形経路に変換し、点造形経路を示す点造形経路データを生成する。造形経路を点造形経路に変換しない場合、点造形経路変換部１４は、ビード高さ計算部１３が出力した修正経路データをそのまま制御情報出力部１５に出力する。

制御情報出力部１５は、点造形経路変換部１４が出力する修正経路データまたは点造形経路データと、修正幅と、ビード高さとを示す制御情報を生成してＣＡＭ装置１の外部に出力する。制御情報は、例えば、制御プログラムである。

積層造形装置２１は、制御装置２２を有している。制御装置２２は、積層造形装置２１の動作を制御する。制御装置２２は、ＣＡＭ装置１から出力された制御情報を読み込み、制御情報が示す修正経路と、修正幅と、ビード高さとに基づいて、加工材料を供給する速度や造形経路上の送り速度など、造形条件を決定して積層造形装置２１の動作を制御する。

続いて、ＣＡＭ装置１の動作について説明する。図２は、図１に示すＣＡＭ装置１の動作を説明するためのフローチャートである。ＣＡＭ装置１の造形形状データ取得部２は、ＣＡＭ装置１の外部から造形形状データを取得し、経路定義データ取得部３は、ＣＡＭ装置１の外部から経路定義データを取得する（ステップＳ２００）。造形形状データは、造形形状データ記憶部６に記憶され、経路定義データは、経路定義データ記憶部７に記憶される。

層形状生成部４は、造形形状データおよび経路定義データに基づいて、造形形状を複数の層に分割した部分である層形状を示す層形状データを生成し、生成した層形状データを層形状データ記憶部８に記憶させる（ステップＳ２０１）。

図３は、図１に示す造形形状データ取得部２が取得する造形形状データの一例を示す図である。造形形状は、加工材料を用いて造形する造形対象の形状４００と、造形を行う際に層を積み上げる土台を表す土台形状４０１とを含む。層定義データは、例えば、層の基準となる面４０２を指定する基準面指定データと、層の高さＨＢを示す高さデータとを含む。

図４は、図３に示す造形形状を分割した部分である層形状を示す図である。図４は、図３に示す形状４００を面４０２に平行に高さＨＢごとに分割した状態を示している。生成された層形状は、高さが一定の層形状４１０と一定でない層形状４１１とがある。

図５は、図４に示す層形状４１０の平面図である。図５には、ｘｙ平面における層形状４１０が示されている。図６は、図４に示す層形状４１０の側面図である。図６には、ｙｚ平面における層形状４１０が示されている。層形状４１０は、一定の高さＨＢを有している。

図７は、図４に示す層形状４１１の平面図である。図７には、ｘｙ平面における層形状４１１が示されている。図８は、図４に示す層形状４１１の側面図である。図８には、ｙｚ平面における層形状４１１が示されている。層形状４１１は、高さＨＢよりも高さが低い部分を有している。

図２の説明に戻る。造形経路生成部５は、層形状データ記憶部８に記憶された層形状データと、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データとに基づいて、層形状データ毎に造形経路を生成し、生成した造形経路を示す造形経路データを造形経路データ記憶部９に記憶させる（ステップＳ２０２）。

図９は、図５および図６に示す層形状の輪郭部Ｒｏの造形経路の一例を示す図である。図９は、Ｐ１，Ｐ２，・・・，Ｐ１４，Ｐ２，Ｐ１の順で加工材料を付加させる位置を移動させる造形経路を示している。ここで、点Ｐ１、点Ｐ２の間など破線で示す経路は、加工材料の付加を行わない移動を示している。

図１０は、図５および図６に示す層形状の内部領域Ｒｉの造形経路の一例を示す図である。図１０は、点Ｐ１５，Ｐ１６，・・・，Ｐ３２の順で加工材料を付加させる位置を移動させる造形経路を示している。図９と同様に、図１０に示す破線は、加工材料の付加を行わない移動を示している。図１０に示す造形経路は、基準幅ＷＢを有するビードを用いた造形で、ビード間の重なりは許容しつつビード間に隙間が空かないように生成した経路である。

図１１は、図１０に示す基準幅ＷＢを説明するための図である。基準幅ＷＢは、実際には直方体形状ではない断面形状のビードが重なることで形成される造形領域形状をビード毎に分解した等価的な直方体形状の断面形状の幅のことである。

図９に示す造形経路は、層形状の輪郭部Ｒｏを比較的精度よく造形可能であるが、幅が一定のビードによる造形では、造形経路中の点Ｐ３，Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１４など造形経路の角部、点Ｐ４とＰ５、点Ｐ６とＰ７、点Ｐ１０とＰ１１、および点Ｐ１２とＰ１３間の半径がＷＢの半分よりも小さな円弧経路部分において、経路の内側部分でビードの重なりを生じ、造形精度が低下するといった問題が生じる。造形精度を向上させるために、造形量の調整などを行う方法が知られているが、依然として経路の内側部分でビードが重なることにより内側に偏った造形となってしまう。

また、図１０に示す造形経路は、内部領域Ｒｉの中腹部では精度よく造形可能であるが、図９に示す造形経路とのビードの重なりが生じる部分では造形の偏りに起因する上記と同様な問題が生じる場合がある。本実施の形態は、このような造形の偏りによる造形精度の低下を抑制することを目的としている。

図２の説明に戻る。制御情報生成装置１０は、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データと、層形状データ記憶部８に記憶された層形状データと、造形経路データ記憶部９に記憶された造形経路データとに基づいて、ビードが重ならずに隣接するように修正された造形経路である修正経路と、修正経路のビード幅である修正幅と、ビード高さとを示す制御情報を生成し、生成した制御情報を出力する（ステップＳ２０３）。

図１２は、図２のステップＳ２０３の詳細を説明するためのフローチャートである。ビード幅修正部１１は、造形経路データが示す造形経路と、経路定義データに含まれる基準ビード幅データが示すビード断面の基準幅ＷＢとに基づいて、ビード断面が重ならずに隣接するためのビード断面の幅である修正幅を計算する。ビード幅修正部１１は、計算した修正幅を示すビード幅データと、造形経路データとを経路修正部１２に出力する（ステップＳ３００）。

ビード幅修正部１１は、造形経路上の第１の点において、造形経路の左右で造形経路に接する２つの円であって、第１の点以外の第２の点において造形経路と接する円を探索する。このとき、探索する円は造形経路と交差せず、半径が基準幅ＷＢの半分以下であるという条件を満たすものであることが求められる。条件を満たす円が見つからない場合、第１の点において造形経路に接し、半径が基準幅ＷＢの半分となる円とする。ビード幅修正部１１は、例えば、造形経路上の第１の点において、造形経路に接する円を生成し、生成した円と造形経路との交差判定を行うことで、第１の点以外で造形経路に接する円を探索的に計算することができる。ビード幅修正部１１は、第１の点を変化させて、造形経路上の複数の点において条件を満たす円の探索を行うことができる。

図１３は、図９に示す造形経路に対して計算した修正幅を示す図である。図１３には、造形経路上の点Ｐｉにおいて、造形経路の左右それぞれの側で造形経路に接する円ＣＬｉ，ＣＲｉが示されている。ここで、円ＣＬｉは、点ＰＡｉにおいても造形経路と接し、中心点は点ＢＬｉ、半径はＷＬｉである。ＷＬｉは基準幅ＷＢの半分よりも小さい。点Ｐｉにおける造形経路左側の幅ＷＬｉのビード断面は、点ＰＡｉにおける造形経路左側の幅ＷＬｉのビード断面と重ならずに隣接する。円ＣＲｉは、点Ｐｉ以外で造形経路と接する点が存在しないことから、半径である幅ＷＲｉを基準幅ＷＢの半分としている。点Ｐｉにおける造形経路右側の幅ＷＲｉのビード断面は、造形経路上の他の点におけるビード断面と重ならない。

以上のように点Ｐｉに対して得られる幅ＷＬｉおよび幅ＷＲｉは、点Ｐｉにおいて、ビードが重ならずに隣接するビード断面の造形経路の左側および右側のそれぞれのビード幅であり、点Ｐｉにおけるビード断面の修正位置および修正幅を定義する。具体的には、修正幅は、点Ｐｉに対して得られる幅ＷＬｉおよび幅ＷＲｉを加算した値となる。修正位置を修正経路の幅の中心とする場合、修正位置は、点Ｐｉから左に幅ＷＬｉの距離の点ＢＬｉと、点Ｐｉから右に幅ＷＲｉの距離の点ＢＲｉとの中点になる。図１３に示す例では、幅ＷＬｉは幅ＷＲｉよりも短いため、点ＢＬｉおよび点ＢＲｉの中点は、点Ｐｉと点ＢＲｉとの間に位置する。

図１４は、図１０に示す造形経路に対して計算した修正幅を示す図である。この例では、層形状の輪郭部Ｒｏの造形を行った後に、層形状の内部の造形を行う場合を想定している。層形状の輪郭部Ｒｏを造形するビードに層形状の内部を造形するビードが重ならないようにする必要がある。そこで、まずは、ビード幅修正部１１は、層形状内部の造形経路間で層形状の輪郭部Ｒｏの造形経路と同様な計算によりビード断面の修正幅の計算を行い、さらに、計算した断面の範囲から層形状の輪郭部Ｒｏのビード領域にかかる部分を除外したものを抽出する計算を行う。

図１４に示す造形経路上の点Ｐｊにおいて、層形状内部の造形経路間では、修正後のビード断面の造形経路に対する左側の幅ＷＬｊおよび右側の幅ＷＲｊは、両方とも基準幅ＷＢの半分となる。ここで、点ＢＬｊは、点Ｐｊから造形経路の左側へＷＬｊだけ移動させた点であり、点ＢＲｊは、点Ｐｊから造形経路の右側へＷＲｊだけ移動させた点である。修正後のビード断面の範囲は点ＢＬｊと点ＢＲｊの間の線分で表される。そして、ビード幅修正部１１は、修正後のビード断面の範囲から層形状の輪郭部Ｒｏのビード領域を除外した部分である点ＢＬｊおよび点ＢＲｊαの間の線分を抽出する。ここで、点ＢＲｊαは、点ＢＬｊおよび点ＢＲｊの間の線分と、層形状の輪郭部Ｒｏのビード領域の境界線との交点である。点ＢＲｊを点ＢＲｊαに置き換えることで、層形状の輪郭部Ｒｏを造形するビードに層形状の内部を造形するビードが重ならないようにすることができる。

ビード幅修正部１１は、抽出した線分から修正後のビード断面の造形経路に対する左側および右側の幅を次のように決定する。ビード幅修正部１１は、抽出した線分の左側の点ＢＬｊが造形経路の左側にあるため点Ｐｊから点ＢＬｊまでの距離を左側の幅ＷＬｊとする。ビード幅修正部１１は、抽出した線分の右側の点ＢＲｊαが造形経路の右側ではなく左側にあることから、点Ｐｊから点ＢＲｊαまでの距離の符号をマイナスにしたものを右側の幅−ＷＲｊαとする。このように、修正後のビード断面の造形経路に対する左側および右側の幅を符号付きの値で表現することにより、造形経路に対して左側または右側だけに位置するビード断面の範囲を表現することが可能になる。

図１５は、図１３に示す修正幅を造形経路データに付加したデータを示す図である。図１５に示すデータは、層形状の輪郭部Ｒｏの造形経路上の点Ｑ４１〜Ｑ４８のそれぞれに対して、ビードが重ならずに隣接するためのビード断面の左側および右側の修正幅データＷＬ４１〜ＷＬ４８，ＷＲ４１〜ＷＲ４８が付加されている。例えば、図１５において造形経路上の点Ｑ４２に対してはビードが重ならずに隣接するためのビード断面の造形経路に対する左側および右側の修正幅データとしてＷＬ４２およびＷＲ４２が付加されている。

図１６は、図１４に示す修正幅を造形経路データに付加したデータを示す図である。図１５および図１６は、ビード幅修正部１１が出力するデータの一例を示している。図１６に示すデータは、層形状の内部領域Ｒｉの造形経路上の点Ｐ１６，Ｐ１７，Ｐ２１，Ｐ２２，Ｑ５１〜Ｑ５６のそれぞれに対して、ビードが重ならずに隣接するためのビード断面の左側および右側の修正幅データＷＬ１６，ＷＬ１７，ＷＬ２１，ＷＬ２２，ＷＬ５１〜ＷＬ５６，ＷＲ１６，ＷＲ１７，ＷＲ２１，ＷＲ２２，ＷＲ５１〜ＷＲ５６が付加されている。

このようなデータに付加する造形経路上の点としては、修正後のビード断面の造形経路に対する幅が変化する区間の境界およびこの区間内の点が好ましい。データに含まれる点は、後に、造形経路データが渡される経路修正部１２において、修正後のビード断面の位置または幅の定義データに基づいて修正経路の生成が適切に行えるように選択されることが好ましい。

図１２の説明に戻る。経路修正部１２は、造形経路と、ステップＳ３００において計算した修正幅を有するビード断面とから、ビード断面の位置を修正して修正位置を計算し、造形経路の位置をこの計算した修正位置に変更して修正経路を計算する（ステップＳ３０１）。経路修正部１２は、修正経路を示す修正経路データに修正幅データを付加したデータをビード高さ計算部１３に出力する。

経路修正部１２は、ビード幅修正部１１が出力した造形経路データおよび修正幅データに基づいて、造形経路上の各点において修正位置を計算する。経路修正部１２は、造形経路上のある点Ｑについて、点Ｑに付加された修正幅データが示す左側の幅ＷＬ、右側の幅ＷＲとするとき、ビード断面の中心の位置Ｋを以下に示す数式（１）を用いて計算する。

Ｋ＝（ＷＬ−ＷＲ）／２ ・・・（１）

Ｋが０の場合、ビード断面の中心位置が元の造形経路の位置と一致しており、Ｋが０以外の場合、ビード断面の中心位置が元の造形経路からずれていることになる。経路修正部１２は、Ｋが正の値であれば、点Ｑから造形経路の左側へＫだけずらした位置を修正位置とし、Ｋが負の値であれば、点Ｑから造形経路の右側へＫだけずらした位置を修正位置とする。

経路修正部１２は、計算した修正位置を通過するように造形経路を修正し、修正後の造形経路である修正経路上の点に、修正幅データを付加する。

なお、経路修正部１２は、ビード断面の中心以外の位置を修正位置とすることもできる。例えば、隣接するビードの造形において、既に造形済みのビードの影響によって後から造形されるビードが偏って形成されることもある。既に造形済みのビードの影響としては、例えば、表面張力により新たに造形されるビードが既に造形されたビード側に引き寄せられることがある。修正位置をビード断面の中心からずらすことで、このような影響を緩和することができる場合がある。そこで、経路修正部１２は、造形経路に含まれる１つの経路である対象経路と、対象経路に隣接する経路である隣接経路との造形分担に基づいて、修正位置を求めることができる。このとき、経路修正部１２は、対象経路と隣接経路との造形順に基づいて、修正位置を調整することができる。経路修正部１２は、対象経路と隣接経路との造形順に基づいて、位置Ｋを計算する際に用いる数式を切り替えることができる。

例えば、点Ｑに対するビード断面の幅ＷＭは、以下の数式（２）を用いて計算することができる。ビード幅修正部１１が出力する造形経路に付加された修正幅データは、造形経路の左側の幅データおよび造形経路の右側の幅データで示されていた。経路修正部１２が出力する修正経路に付加された修正幅データは、ビードの全体の幅データで示されている。

ＷＭ＝ＷＬ＋ＷＲ ・・・（２）

ここで、元の造形経路において角であった点については、以下に示すような処理を行う。元の造形経路において角の部分は、角に達する経路と角から始まる経路とで断面方向が不連続に変わる。そこで、経路修正部１２は、各断面方向についてそれぞれ上記と同様な計算方法を用いて修正位置を計算する。そして、経路修正部１２は、各断面方向について、別々に計算された修正位置間を通過する角を回り込む経路を追加する。追加した経路の始点および終点に付加する修正幅データは、元の造形経路の対応する角に付加されていたデータから、上記の数式（２）を用いて計算された値となる。

図１７は、図１５に示すデータに基づいて生成された修正経路を示す図である。図１７において、点Ｑ４２，Ｑ４３，Ｑ４６，Ｐ４，Ｐ５，Ｑ４７は、修正位置が元の造形経路からずれている。修正位置に合わせて間の経路も修正されている。また、元の造形経路で角部であった点Ｐ３については、点Ｐ３および点Ｐ３αの２つの修正位置が計算され、これらの点の間に経路が追加されている。角部において、修正幅は基準幅ＷＢよりも小さく、例えば修正幅は基準幅ＷＢの半分であり、角部の外側を回り込むように造形経路が修正されている。

図１８は、図１７に示す修正経路に修正幅データを付加したデータを示す図である。経路修正部１２は、図１８に示すように、修正経路と、修正経路上の各点における修正幅とを示すデータをビード高さ計算部１３に出力する。図１８には、修正経路上の点Ｑ４１，Ｑ４２，Ｐ３，Ｐ３α，Ｑ４３〜Ｑ４５，Ｐ４，Ｐ５，Ｑ４６〜Ｑ４８のそれぞれに、修正幅ＷＭ４１，ＷＭ４２，ＷＭ３，ＷＭ３α，ＷＭ４３〜ＷＭ４５，ＷＭ４，ＷＭ５，ＷＭ４６〜ＷＭ４８が付加されている。

図１９は、図１６に示すデータに基づいて生成された修正経路を示す図である。図１９に示すように、点Ｑ５２，Ｐ１７，Ｑ５３〜Ｑ５５は元の造形経路からずれている。図２０は、図１９に示す修正経路に修正幅データを付加したデータを示す図である。図２０には、修正経路上の点Ｐ１６，Ｑ５１，Ｑ５２，Ｐ１７，Ｑ５３〜Ｑ５６，Ｐ２１，Ｐ２２のそれぞれに修正幅ＷＭ１６，ＷＭ５１，ＷＭ５２，ＷＭ１７，ＷＭ５３〜ＷＭ５６，ＷＭ２１，ＷＭ２２が付加されている。

図２１は、図１に示す制御情報生成装置１０が交差する造形経路に対して計算した修正幅を示す図である。修正前の造形経路上の点Ｐ８１１における左側の幅ＷＬ８１１および右側の幅ＷＲ８１１が示されている。同様に、修正前の造形経路上の点Ｐ８１２における左側の幅ＷＬ８１２および右側の幅ＷＲ８１２が示されている。

図２２は、図２１に示すデータに基づいて生成された修正経路を示す図である。図２２には、修正経路上の点Ｐ８１〜Ｐ８４，Ｑ８２〜Ｑ９９を用いて修正経路が示されている。このように、本発明のビード幅修正部１１および経路修正部１２により様々な形状の造形経路について、ビードが重ならずに隣接し、且つ、造形が偏らないように修正したビード断面の修正幅が付加された修正経路データを生成することができる。

図１２の説明に戻る。ビード高さ計算部１３は、経路修正部１２が出力する修正経路データと層形状データ記憶部８に記憶された層形状データに基づいて、修正経路データに付加された修正幅を有するビードを用いて層形状を造形するために必要となるビード高さを修正経路上の複数の点において計算する（ステップＳ３０２）。ビード高さ計算部１３は、計算したビード高さを示すビード高さデータと修正幅データと付加した修正経路データを生成し、生成した修正経路データを点造形経路変換部１４に出力する。

図２３は、図７に示す層形状４１１に対して生成された修正経路を示す図である。図２３には、ｘｙ平面における層形状４１１および修正経路が示されている。図２４は、図２３に示す層形状４１１の側面図である。図２３および図２４に示す層形状４１１は、高さが一定でない。ビード高さ計算部１３は、修正経路上の点において、点に付加された修正幅データと層形状データとに基づいて、修正後のビード断面における層形状の断面形状のデータを計算する。

図２５は、図２３に示す点Ｐｃについて計算された層形状４１１の断面形状を示す図である。修正経路上の点Ｐｃにおいては、幅ＷＭｃのビード断面において層形状４１１の断面形状が基準の高さＨＢを満たしていない。このため、一定量の加工材料で造形を行うと、造形形状が層形状４１１をはみ出して盛り上がってしまう場合がある。そこで、造形量を調整することが好ましい。そこで、ビード高さ計算部１３は、層形状４１１の断面形状における平均的なビード高さである平均高さを計算し、計算した平均高さを修正経路データと共に積層造形装置２１の制御装置２２に渡すことで、制御装置２２が造形量の適切な調整を行うことができるようにする。点Ｐｃに対する層形状４１１の断面形状における平均高さＨＧｃは、層形状４１１の断面形状の面積をＡＧｃとした場合、以下の数式（３）で表される。

ＨＧｃ＝ＡＧｃ／ＷＭｃ ・・・（３）

ビード高さ計算部１３は、修正経路上の各点について層形状の断面形状における平均高さＨＧｃを計算し、計算した平均高さＨＧｃおよび修正幅データを修正経路データに付加したデータを点造形経路変換部１４に出力する。

図１２の説明に戻る。点造形経路変換部１４は、ビード高さ計算部１３が出力する修正経路データと、経路定義データ記憶部７に記憶された経路定義データに含まれる点造形経路変換指示データおよび点造形経路定義データとに基づいて、制御情報出力部１５に出力する点造形経路を生成する（ステップＳ３０３）。具体的には、点造形経路変換部１４は、点造形経路変換指示データが点造形の経路生成を行うことを指示している場合、修正経路を点造形の造形経路データに変換して、変換後の修正経路データを制御情報出力部１５に出力する。点造形経路変換部１４は、点造形経路変換指示データが点造形の経路生成を行うことを指示していない場合、ビード高さ計算部１３が出力した修正経路データをそのまま制御情報出力部１５に出力する。

図２６は、図１に示す点造形経路変換部１４における点造形経路の生成を説明するための図である。点造形経路変換指示データが点造形の経路生成を行うことを指示している場合、点造形経路変換部１４は、修正経路上に点造形を行う点を生成する。点造形経路変換部１４は、修正経路データと、点造形経路定義データとを用いて、点造形経路を生成する。点造形経路定義データとしては、修正後のビード断面の幅に対する点の間隔の割合Ｏが与えられる。点造形の点は、修正経路の進行方向に順番に生成される。このとき生成済みのある点とその次に生成する点との間隔は、点に対する修正幅と点の間隔の割合Ｏとに基づいて決定される。図２６において、点Ｓａは、点造形の点であり、点Ｑ４１と点Ｑ４２の間の修正経路上の点である。点Ｓａに対するビード断面の幅ＷＭａは、以下の数式（４）を用いて計算される。

ＷＭａ＝（ｆ×ＷＭ４１＋ｅ×ＷＭ４２）／（ｅ＋ｆ） ・・・（４）

ここで、ＷＭ４１は点Ｑ４１に対する修正幅であり、ＷＭ４２は点Ｑ４２に対する修正幅である。ＷＭ４１，ＷＭ４２は、ビード高さ計算部１３が出力したデータに付加されている。ｅは、点Ｑ４１および点Ｓａ間の距離であり、ｆは、点Ｓａおよび点Ｑ４２間の距離である。ｅおよびｆの値としては、点Ｑ４１および点Ｓａ間の造形経路の長さ、点Ｓａおよび点Ｑ４２間の造形経路の長さを用いてもよい。

点Ｓａの次に生成される点造形の点Ｓｂは、点Ｓａから距離Ｄｂだけ離れた点となる。ここで、距離Ｄｂは、以下に示す数式（５）を用いて計算される。

Ｄｂ＝Ｏ×（ＷＭａ＋ＷＭｂ）／２ ・・・（５）

ここで、ＷＭｂはＷＭａと同様の計算方法で得られた点Ｓｂに対するビード断面の幅である。

点造形経路変換部１４は、以上説明した方法を用いて計算した点造形の点のデータに、ビード断面の幅データおよび高さデータを付加して点造形経路に変換された修正経路データを生成し、生成した修正経路データを制御情報出力部１５に出力する。ここで、ビード断面の高さデータとしては、幅データと同様に計算することができる。例えば点Ｓａに対する高さＨＧｂは、以下に示す数式（６）を用いて計算することができる。

ＨＧｂ＝（ｆ×ＨＧ４１＋ｅ×ＨＧ４２）／（ｅ＋ｆ） ・・・（６）

ここで、ＨＧ４１は点Ｑ４１に対するビード断面の高さであり、ＨＧ４２は点Ｑ４２に対するビード断面の高さである。以上説明した方法を用いて生成される点造形の点データは、ビード断面の修正幅に応じて適度な間隔で生成される。このため、点造形における造形の精度を向上させることができる。

図１２の説明に戻る。制御情報出力部１５は、点造形経路変換部１４が出力する修正経路データに基づいて、修正経路と、造形目標のビード幅および高さである修正幅およびビード高さとを示す制御情報を生成する（ステップＳ３０４）。制御情報出力部１５は、生成した制御情報をＣＡＭ装置１の外部へ出力する。制御情報は、例えば、造形経路、修正幅および高さデータを含み、積層造形装置２１を制御するための制御プログラムである。

続いて、本発明の実施の形態１にかかるＣＡＭ装置１のハードウェア構成について説明する。ＣＡＭ装置１の各部は、処理回路により実現される。これらの処理回路は、専用のハードウェアにより実現されてもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いた制御回路であってもよい。

上記の処理回路が、専用のハードウェアにより実現される場合、これらは、図２７に示す処理回路９０により実現される。図２７は、図１に示すＣＡＭ装置１の機能を実現するための専用のハードウェアを示す図である。処理回路９０は、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、またはこれらを組み合わせたものである。

上記の処理回路が、ＣＰＵを用いた制御回路で実現される場合、この制御回路は例えば図２８に示す構成の制御回路９１である。図２８は、図１に示すＣＡＭ装置１の機能を実現するための制御回路９１の構成を示す図である。図２８に示すように、制御回路９１は、プロセッサ９２と、メモリ９３とを備える。プロセッサ９２は、ＣＰＵであり、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）などとも呼ばれる。メモリ９３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Erasable Programmable ＲＯＭ）、ＥＥＰＲＯＭ（登録商標）（Electrically ＥＰＲＯＭ）などの不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などである。

上記の処理回路が制御回路９１により実現される場合、プロセッサ９２がメモリ９３に記憶された、各構成要素の処理に対応するプログラムを読み出して実行することにより実現される。また、メモリ９３は、プロセッサ９２が実行する各処理における一時メモリとしても使用される。

以上説明したように、本発明の実施の形態１にかかる制御情報生成装置１０によれば、ビードが重ならずに隣接するように造形経路を修正することができるため、ビードの重なりを回避することができ、加工材料の偏りを低減して造形品質を向上させることが可能になる。特に、造形経路の方向が変化する部分においては、ビードが重なると造形後の形状が崩れやすいが、本実施の形態ではビードが重ならずに隣接するため、造形品質を向上させることが可能になる。

また、経路修正部１２は、造形経路に含まれる対象経路と、対象経路に隣接する隣接経路との造形分担に基づいて、修正位置を求める。このため、対象経路と隣接経路の間隔が一定でない場合でもビードの重なりや加工材料の偏りを低減することができ、造形品質を向上させることが可能になる。また、経路修正部１２は、対象経路と隣接経路の造形順に基づいて、修正位置を調整する。隣接経路が既にある場合とない場合とでは表面張力の影響によってビードの造形形状が異なる。このため、各ビードの形状を考慮して、修正位置を調整することが可能になり、造形品質を向上させることが可能になる。

ビード幅修正部１１は、造形経路の角部の修正幅を基準幅ＷＢよりも小さく、例えば半分とし、経路修正部１２は、角部の外側を回り込む修正経路を求める。造形経路の角部では、均一な幅のビードを用いると、角部の内側では、角部の外側および直線部と比較して加工材料の量が多くなり、加工材料の量が不均一となって造形品質が低下することがある。これに対して、本実施の形態では、造形経路の角部においてもビードの重なりおよび加工材料の偏りを低減することができ、折れ曲がり角度によらず造形品質を向上させることが可能になる。

ビード幅修正部１１は、造形経路の曲率に基づいて、修正幅を求めることができる。具体的には、ビード幅修正部１１は、造形経路の曲率が大きいほど修正幅を小さくする。造形経路の曲率半径がビードの基準幅ＷＢの半分よりも小さい場合、曲率中心側においてビードが重なり加工材料の偏りが生じることがある。これに対して、本実施の形態では、曲率を考慮してビードの幅が修正されるため、造形品質を向上させることが可能になる。

また、ビード高さ計算部１３は、ビード断面の平均高さを求め、制御情報出力部１５は、修正経路および修正幅に加えて、平均高さを示す制御情報を出力する。これにより、積層造形装置２１に備わる制御装置２２は、この制御情報を用いて加工材料の量を調整することで、ビードの高さを調整することが可能になり、加工材料の偏りを低減することができるため、造形品質を向上させることが可能になる。

点造形経路変換部１４は、修正経路を、修正経路上の離散点で表される点造形経路に変換する。点造形経路変換部１４は、修正幅および平均高さの少なくとも１つに基づいて、離散点の間隔を決定する。このような構成をとることで、離散点による造形品質を向上させることが可能になる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

例えば、上記の実施の形態では、制御情報生成装置１０は、ＣＡＭ装置１に内蔵されているが、制御情報生成装置１０は、ＣＡＭ装置１と異なる装置であってもよい。

また、上記の実施の形態に説明する技術は、制御情報生成装置１０または制御情報生成装置１０を含む積層造形システム１００として実現することができるだけでなく、制御情報生成装置１０の各機能の動作を含む制御情報生成方法として実現することもできるし、制御情報生成方法の各動作を記述したコンピュータプログラムとして実現することもできる。このコンピュータプログラムは、通信路を介して提供することもできるし、記録媒体に記憶させて提供することもできる。

１ ＣＡＭ装置、２ 造形形状データ取得部、３ 経路定義データ取得部、４ 層形状生成部、５ 造形経路生成部、６ 造形形状データ記憶部、７ 経路定義データ記憶部、８ 層形状データ記憶部、９ 造形経路データ記憶部、１０ 制御情報生成装置、１１ ビード幅修正部、１２ 経路修正部、１３ ビード高さ計算部、１４ 点造形経路変換部、１５ 制御情報出力部、２０ 制御情報記憶部、２１ 積層造形装置、２２ 制御装置、９０ 処理回路、９１ 制御回路、９２ プロセッサ、９３ メモリ、１００ 積層造形システム、４００ 形状、４０１ 土台形状、４０２ 面、４１０，４１１ 層形状、ＨＢ 高さ、ＷＢ 基準幅。

Claims (9)

1. 加工位置を造形経路に沿って移動させながら溶融した加工材料を対象面に付加することで形成される造形物であるビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層した三次元形状を造形する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において、
   前記造形経路と前記ビードの断面の基準幅とに基づいて、ビードが重ならずに隣接するための前記断面の幅である修正幅を求めるビード幅修正部と、
   前記造形経路および前記修正幅に基づいて、修正経路を求める経路修正部と、
   前記修正経路および前記修正幅を示す制御情報を出力する制御情報出力部と、
   を備えることを特徴とする制御情報生成装置。
2. 前記経路修正部は、前記造形経路に含まれる対象経路と、前記対象経路に隣接する隣接経路との造形分担に基づいて、前記修正経路を求めることを特徴とする請求項１に記載の制御情報生成装置。
3. 前記ビード幅修正部は、前記造形経路の角部の前記修正幅を前記基準幅よりも小さくし、
   前記経路修正部は、前記角部の外側を回り込む前記修正経路を求めることを特徴とする請求項１または２に記載の制御情報生成装置。
4. 前記ビード幅修正部は、前記造形経路の曲率に基づいて、前記修正幅を求めることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の制御情報生成装置。
5. 前記ビード幅修正部は、前記曲率が大きいほど前記修正幅を小さくすることを特徴とする請求項４に記載の制御情報生成装置。
6. 前記経路修正部は、前記対象経路と前記隣接経路との造形順に基づいて、前記修正経路を調整することを特徴とする請求項２に記載の制御情報生成装置。
7. 前記修正経路、前記修正幅および前記層形状に基づいて、前記ビードの断面の平均高さを求めるビード高さ計算部、
   をさらに備え、
   前記制御情報出力部は、前記平均高さをさらに示す前記制御情報を出力することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の制御情報生成装置。
8. 前記修正経路を、前記修正経路上の離散点で表される点造形経路に変換する点造形経路変換部、
   をさらに備え、
   前記点造形経路変換部は、前記修正幅に基づいて、前記離散点の間隔を決定することを特徴とする請求項７に記載の制御情報生成装置。
9. 加工位置を造形経路に沿って移動させながら溶融した加工材料を対象面に付加することで形成される造形物であるビードを用いて層形状を造形し、前記層形状を積層した三次元形状を造形する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において、
   前記制御情報を生成する制御情報生成装置が、前記造形経路と前記ビードの断面の基準幅とに基づいて、ビードが重ならずに隣接するための前記断面の幅である修正幅を求めるステップと、
   前記制御情報生成装置が、前記造形経路および前記修正幅に基づいて修正経路を求めるステップと、
   前記制御情報生成装置が、前記修正経路および前記修正幅を示す制御情報を出力するステップと、
   を含むことを特徴とする制御情報生成方法。

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