JP7120774B2 - 積層造形物の造形手順設計方法、積層造形物の造形方法及び製造装置、並びにプログラム - Google Patents
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Description
被加工物の形状に応じて最適な手順で造形することに関しては、作業者の経験と勘に頼ることが多く、その作業に熟練を要するのが実情となっている。そのため、被加工物の形状に応じて、高効率で積層造形を行える技術の開発が望まれている。
(1) 積層造形物の3次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形物の積層造形手順設計方法であって、
前記3次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する工程と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する工程と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する工程と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する工程と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する工程と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行う手順に決定する工程と、
を備える積層造形物の積層造形手順設計方法。
(2) (1)の積層造形物の積層造形手順設計方法により決定された前記造形手順により、前記積層造形物を造形する積層造形物の製造方法。
(3) (2)の積層造形物の製造方法の前記造形手順を決定する制御部と、
前記制御部により決定された前記造形手順に応じて駆動され、前記ビードを形成する造形部と、
を備える積層造形物の製造装置。
(4) 積層造形物の3次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形手順を決定する手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記3次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する手順と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する手順と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する手順と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する手順と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する手順と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行なわせる造形手順に決定する手順と、
を実行させるプログラム。
図1は本発明の積層造形物を製造する製造装置の概略構成図である。
本構成の積層造形物の製造装置100は、造形部11と、造形部11を統括制御する造形コントローラ13と、電源装置15と、を備える。
溶接ロボット19は、例えば6軸の自由度を有する多関節ロボットであり、ロボットアームの先端軸に取り付けたトーチ17には、溶加材Fmが連続供給可能に支持される。トーチ17の位置や姿勢は、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。
一例として示す積層造形物41は、円柱状の軸体25と、軸体25の外周に径方向外側へ突出する複数条(図示例では6条)の螺旋状のブレード27とを備える。複数のブレード27は、軸体25の軸方向中間部で、周方向に沿って等間隔に設けられたスクリュー形状となっている。
図3は積層造形物41を積層設計し、この設計された条件で積層造形物41を造形するプログラムを生成するまでの手順を示すフローチャートである。
積層造形物41は、円柱状又は円筒状の軸体25を有し、複数のブレード27が軸体25の外周面から立設される。そこで、入力された形状データを用いて、積層造形物41の外形を、積層造形物41の基体となる粗形材領域と、基体上に形成される積層造形物41の外形となる積層造形領域とに区分けする。
本例の場合、粗形材43Cが粗形材領域45となり、粗形材43Cの外周に配置される複数のブレード27がそれぞれ積層造形領域47となる(S12)。
積層造形領域47では、複数のビードを順次に積層することでブレード27の粗形状を造形する。積層造形領域47を構成する個々のビードのビード幅、ビード高さ等のビードサイズは、トーチ17(図1参照)の移動速度、つまり、ビードの連続形成速度や、電源装置15からの溶接電流、溶接電圧、印加パルス等の溶加材や溶接部への入熱量、等の溶接条件の変更によって制御される。このビードサイズは、溶着ビードを形成するトーチの移動方向に直交する断面で管理することが好ましい。
本構成の積層造形物41においては、螺旋状のブレード27の延設方向をビード形成方向Vbに一致させれば、溶着ビードの連続形成長さを長くできる。そのため、ビード形成方向Vbをブレード27の延設方向と同じにして、これを基準方向とする(S13)。これにより、ビードサイズは、基準方向(ビード形成方向Vb)に直交するVII-VII線断面で示すビード断面の形状を基準に制御する。
造形コントローラ13(図1参照)は、造形部11を生成したプログラムにしたがって駆動して、積層造形物41の粗形材43Cにビード55A,55B,55C,・・・を順次に並設し、第1層目(層H1)のビード層を形成する。そして、第1層目(層H1)のビード層の上に第2層目(層H2)のビード55D,55E,・・・を順次に並設する。
図示例のように、仮想ビード層Hの一部が基準方向からずれている場合、図1に示すトーチ17を移動させながらビードを形成する際に、ビード形成のオンオフ制御を行う必要がある。つまり、図9に示す各トーチ移動ライン57においては、トーチ17が仮想ビード層Hの領域に到達する位置Psから、トーチ17が仮想ビード層Hの領域から外れる位置Peまでの間でそれぞれビード形成を行い、それ以外ではビード形成を行わない。
ビードマップは、積層造形物の形状を表す3次元モデルデータ(形状データ)を用いて、ビードを積層して積層造形物を造形するに際して使用され、ビードを形成する位置情報を含む。積層造形の際は、積層造形物の層分解された各層毎にビードマップを求めるが、ここでは説明を簡単にするため、積層造形物が単一層の仮想ビード層で構成される単純なモデルで説明する。
次に、入力された3次元モデルデータを多数のポリゴン面に分割する(S22)。つまり、図10に示すように積層造形物の外形面を、インデックスj,iを用いて表現される多数のポリゴン面に分割する。
まず、ステップS24でインデックスjを1(1列目)にセットし、インデックスiを2(2番目)にセットする。ステップS25でj列目(1列目)において、i番目(2番目)のポリゴン面の面法線と、i+1番目(3番目)のポリゴン面の面法線とのなす角(交差角)θi(θ2)を求める。ここで、インデックスi=1は、図10に示すモデルの基準方向に沿った始端面のインデックスであることは既知なので、終端面の検出対象から外している。
具体的には、基準方向(溶接方向)に連続するポリゴンの各面において、各面の列の始端面から終端面までのポリゴン面のうち終端面を除く各面に、ビード形成を行うことを表すビード形成オンのフラグを付与し、終端面にビード形成を行わないことを表すビード形成オフのフラグを付与する。ビード形成オンのフラグが付与されたポリゴン面は、積層造形の際にその位置でビードを形成する面であり、ビード形成オフのフラグが付与されたポリゴン面は、その位置でビード形成を停止させる面であることを意味する。
ここでは、3Dモデルデータから生成した全ポリゴン面(j,i)のインデックスi,jの最大値N,Mと、境界面リストBd(j)(j=1~M)の情報とを用いる。
ビードマップBM(j,i)は、積層造形物の形状を表すポリゴン面をインデックスj,iに対応させて生成したデータである。そこで、ビードマップBM(j,i)を積層造形物の実空間での座標系(実座標系)の実空間ビードデータRDに変換する。この変換された実空間ビードデータRDには、積層造形物の形状を表す多数のポリゴン面内に、それぞれのポリゴン面に登録された前述したフラグが設定される。つまり、実座標系における積層造形物の表面に、その表面に対応するポリゴン面のフラグ(FLG_ON又はFLG_OFF)が割り振られる。また、ビードマップBM(j,i)の範囲外の位置(積層造形物のビード層が配置されない領域)に対応する実空間ビードデータRDには、ビードを形成しないため、ビード形成オフのフラグ(FLG_OFF)が登録される。
また、積層造形物を積層造形する際のビード形成方向は、水平方向に限らず、上下方向や水平方向から傾斜した方向にすることができる。また、ビード形成方向は、直線に限らず、曲線であってもよい。
(1) 積層造形物の3次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形物の積層造形手順設計方法であって、
前記3次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する工程と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する工程と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する工程と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する工程と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する工程と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行う手順に決定する工程と、
を備える積層造形物の積層造形手順設計方法。
この造形手順の設計方法によれば、ビード形成の際に、ビード形成位置が、ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面からビード形成オフのフラグを有するポリゴン面に到達したときに、次のポリゴン面の列に移ることで、最適な造形手順で積層造形が行える。
この造形手順の設計方法によれば、特定方向をビード形成方向として造形することで、高効率な積層造形が実現できる。
この積層造形物の製造方法によれば、ビード形成のオンオフの位置が最適となり、高効率に積層造形が行える。
前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面と、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面とで、アーク溶接のトーチに印加する電力を異ならせる(3)に記載の積層造形物の製造方法。
この積層造形物の造形方法によれば、ビード形成をアーク溶接によるアークの電源制御によって、高精度に行える。
前記制御部により決定された前記造形手順に応じて駆動され、前記ビードを形成する造形部と、
を備える積層造形物の製造装置。
この積層造形物の製造装置によれば、積層造形物を高効率で造形できる。
前記コンピュータに、
前記3次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を複数のポリゴン面に分割する手順と、
予め定めた特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する手順と、
前記ポリゴン面の列の隣り合う一対の面の向きに応じて、前記列の他端の終端面を検出する手順と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する手順と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する手順と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行なわせる造形手順に決定する手順と、
を実行させるプログラム。
このプログラムによれば、ビード形成の際に、ビード形成位置が、ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面からビード形成オフのフラグを有するポリゴン面に到達したときに、次のポリゴン面の列に移ることで、最適な造形手順で積層造形できる。
13 造形コントローラ
15 電源装置
17 トーチ
31 ビードマップ生成部
33 プログラム生成部
35 記憶部
37 制御部
41 積層造形物
55A~55E ビード
100 積層造形物の製造装置
Fm 溶加材
Claims (6)
- 積層造形物の3次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形物の積層造形手順設計方法であって、
前記3次元形状データと、予め定めた特定方向を入力する工程と、
前記3次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を前記特定方向に沿って複数のポリゴン面に分割する工程と、
前記特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する工程と、
前記ポリゴン面の列における隣り合う一対の面の面法線の交差角に基づいて、前記列の他端の終端面を検出する工程と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する工程と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する工程と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行う手順に決定する工程と、
を備える積層造形物の積層造形手順設計方法。 - 前記特定方向は、前記ビードの形成方向である請求項1に記載の積層造形物の積層造形手順設計方法。
- 請求項1又は請求項2に記載の積層造形物の積層造形手順設計方法により決定された前記造形手順により、前記積層造形物を造形する積層造形物の製造方法。
- 前記ビードは、アーク溶接のトーチを用いて形成され、
前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面と、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面とで、アーク溶接のトーチに印加する電力を異ならせる請求項3に記載の積層造形物の製造方法。 - 請求項3又は請求項4に記載の積層造形物の製造方法の前記造形手順を決定する制御部と、
前記制御部により決定された前記造形手順に応じて駆動され、前記ビードを形成する造形部と、
を備える積層造形物の製造装置。 - 積層造形物の3次元形状データを用いて、溶加材を溶融及び凝固させて形成するビードで前記積層造形物を積層造形する積層造形手順を決定する手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記3次元形状データと、予め定めた特定方向を入力する手順と、
前記3次元形状データを用いて前記積層造形物の形状を前記特定方向に沿って複数のポリゴン面に分割する手順と、
前記特定方向に沿って配列される前記ポリゴン面の列において、それぞれの前記列の一端の始端面から他端側に向けて、前記ポリゴン面にインデックス番号を順に付与する手順と、
前記ポリゴン面の列における隣り合う一対の面の面法線の交差角に基づいて、前記列の他端の終端面を検出する手順と、
前記始端面から前記終端面までの複数の前記ポリゴン面のうち前記終端面を除く面に、ビード形成オンのフラグを付与し、前記終端面に、ビード形成オフのフラグを付与する手順と、
前記ポリゴン面に付与された前記インデックス番号と前記フラグとを対応付けしたビードマップを生成する手順と、
前記ポリゴン面の列に沿って前記ビードを連続形成する造形手順を、前記ビードマップの前記ビード形成オンのフラグを有するポリゴン面から、前記ビード形成オフのフラグを有するポリゴン面の位置に到達したとき、当該ポリゴン面の列のビード形成を停止させ、次のポリゴン面の列のビード形成を行なわせる造形手順に決定する手順と、
を実行させるプログラム。
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