特許 6797324 積層造形方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6797324

(24)【登録日】2020年11月19日

(45)【発行日】2020年12月9日

(54)【発明の名称】積層造形方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20201130BHJP

   B23K 9/032 20060101ALI20201130BHJP

   B23K 9/095 20060101ALI20201130BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20201130BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20201130BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20201130BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20201130BHJP

【ＦＩ】

   B23K9/04 G

   B23K9/04 Z

   B23K9/032 Z

   B23K9/095 510D

   B29C64/393

   B29C64/118

   B33Y10/00

   B33Y50/02

【請求項の数】14

【全頁数】25

(21)【出願番号】特願2020-88114(P2020-88114)

(22)【出願日】2020年5月20日

【審査請求日】2020年7月6日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000001199

【氏名又は名称】株式会社神戸製鋼所

(74)【代理人】

【識別番号】110002000

【氏名又は名称】特許業務法人栄光特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】吉川 旭則

(72)【発明者】

【氏名】飛田 正俊

【審査官】 石川 健一

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０２０−００１０５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１９／１６７２７４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１８−１２６７６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１５−２２９１６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０９−１８２９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６３−０８４７７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 Han Q., Li Y., Zhang G. ，Online Control of Deposited Geometry of Multi-layer Multi-bead Structure for Wire and Arc Additive Manufacturing，Transactions on Intelligent Welding Manufacturing. Transactions on Intelligent Welding Manufacturing，Springer，２０１７年 ８月 ３日，No.1,2017，p85-93

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｋ ９／０４

Ｂ２３Ｋ ９／０３２

Ｂ２３Ｋ ９／０９５

Ｂ２９Ｃ ６４／１１８

Ｂ２９Ｃ ６４／３９３

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記第一幾何情報と前記第二幾何情報は、前記溶接トーチの狙い位置近傍の幾何学的特徴点、前記ビード高さ、前記ビード幅、前記溶着ビードのビード断面積、ビード外形状を表す断面形状近似曲線のうち、少なくともいずれかの情報を含んでおり、
前記幾何学的特徴点は、
既設の前記溶着ビードの凸形状の頂点、
前記溶着ビードに隣接する他の溶着ビードとの間でビード外表面が内側に窪んで形成された狭隘部の端点、
前記溶着ビードの幅方向端部と、当該溶着ビードが形成された下層面とが交差する点、のいずれかを含む、
積層造形方法。

【請求項2】

前記幾何学的特徴点を、前記溶接トーチの狙い位置近傍に配置された既設の前記溶着ビードから抽出する請求項１に記載の積層造形方法。

【請求項3】

溶接条件を変更する工程では、
前記溶接トーチの位置、姿勢、溶接速度、溶接電圧、溶接電流、前記溶加材の送給速度のうち、少なくとも１つ、又はいずれか２つ以上を組み合わせて変更する請求項１又は２に記載の積層造形方法。

【請求項4】

ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記形状プロファイルは、前記非接触式形状センサによる前記溶着ビードの検出方向と平行な面から所定角度傾斜した、前記溶接トーチの軸線を含む平面に投影変換したプロファイルである、
積層造形方法。

【請求項5】

ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積と、前記形状プロファイルから求めた前記溶着ビードの断面積との差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。

【請求項6】

ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを、回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を求め、
前記断面形状近似曲線に囲まれた断面積と、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積との差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。

【請求項7】

ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を、当該断面形状近似曲線で囲まれる領域の断面積と、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積とが等しくなるようにし、
前記断面形状近似曲線の最頂部の位置と、前記溶着ビードの目標形成位置と差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。

【請求項8】

ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を求め、
前記断面形状近似曲線の任意点の高さと、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状における該任意点に対応する位置の高さとの差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。

【請求項9】

ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を、当該断面形状近似曲線の任意点の高さと、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状における該任意点に対応する位置の高さとの差が小さくなるようにし、
前記断面形状近似曲線の最頂部の位置と、前記溶着ビードの目標形成位置との差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。

【請求項10】

前記第一幾何情報と前記第二幾何情報は、前記溶接トーチの狙い位置近傍の幾何学的特徴点、前記ビード高さ、前記ビード幅、前記溶着ビードのビード断面積、ビード外形状を表す断面形状近似曲線のうち、少なくともいずれかの情報を含む、請求項４又は５に記載の積層造形方法。

【請求項11】

前記第一幾何情報と前記第二幾何情報は、前記溶接トーチの狙い位置近傍の幾何学的特徴点、前記ビード高さ、前記ビード幅、前記溶着ビードのビード断面積、ビード外形状を表す前記断面形状近似曲線のうち、少なくともいずれかの情報を含む、請求項６〜９のいずれか１項に記載の積層造形方法。

【請求項12】

前記幾何学的特徴点は、
既設の前記溶着ビードの凸形状の頂点、
前記溶着ビードに隣接する他の溶着ビードとの間でビード外表面が内側に窪んで形成された狭隘部の端点、
前記溶着ビードの幅方向端部と、当該溶着ビードが形成された下層面とが交差する点、のいずれかを含む、請求項１０又は１１に記載の積層造形方法。

【請求項13】

前記幾何学的特徴点を、前記溶接トーチの狙い位置近傍に配置された既設の前記溶着ビードから抽出する、請求項１０又は１１に記載の積層造形方法。

【請求項14】

溶接条件を変更する工程では、
前記溶接トーチの位置、姿勢、溶接速度、溶接電圧、溶接電流、前記溶加材の送給速度のうち、少なくとも１つ、又はいずれか２つ以上を組み合わせて変更する、請求項４〜９のいずれか１項に記載の積層造形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積層造形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

多層状の溶着ビードからなる積層造形物を溶接ロボットに造形させる制御技術の開発が進められている（例えば、特許文献１，２、非特許文献１参照）。
特許文献１には、建設用の鉄柱を溶接する場合に、既に溶接された溶着ビードの形状をレーザーセンサによりリアルタイムで計測し、計測されたビード形状に応じてデーターベースから溶接条件を選定することで、溶接トーチの狙い位置、溶接電流及び溶接電圧等を調整する方法が記載されている。

【0003】

非特許文献１には、溶融ワイヤによる積層造形において、レーザーセンサで計測したビード形状に応じて、形成する溶着ビードの高さと幅を、溶接電圧と溶接速度とを制御して調整する方法が記載されている。
特許文献２には、多層溶接する際に、次のビード形成の狙い位置を調整する方法が記載されている。この方法では、平板上に形成された溶着ビードの形状を計測し、その計測結果からビード形状近似関数を求める。そして、このビード形状近似関数を用いて、ビード両脇に傾斜壁板が存在する場合に形成される溶着ビードのビード形状予測関数を求める。求めたビード形状予測関数から、ビード形成の狙い位置を、ビード最小高さの位置又はビードと傾斜壁板との交点の位置のいずれかにすることが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平９−１８２９６２号公報

【特許文献2】特開昭６３−８４７７６号公報

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】Han Q., Li Y., Zhang G. (2018) Online Control of Deposited Geometry of Multi-layer Multi-bead Structure for Wire and Arc Additive Manufacturing. In: Chen S., Zhang Y., Feng Z. (eds) Transactions on Intelligent Welding Manufacturing. Transactions on Intelligent Welding Manufacturing. Springer, Singapore

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記のように、積層造形物を高精度に製造するためには、各溶着ビードの幅と高さを正確に制御する必要がある。そこで、特許文献１、非特許文献１のように、形成した溶着ビードの形状を計測して、次工程でのビード形成位置、溶接条件等をフィードバック制御する場合には、工程のタクトタイムを短縮するために、リアルタイムで且つ高速な計測が求められる。しかし、一般にレーザーセンサを用いてビード形状を計測する場合には、センサの受光感度、ビードの直線性等に起因して検出値のバラつきが大きくなる。そのため、安定した計測を行うには時間がかかり、高速化が図りにくかった。

【0007】

また、溶着ビードを形成するために溶接トーチの先端位置を制御する際、通常の開先溶接では開先を利用して高精度に位置決めできる。しかし、積層造形物を肉盛りして造形する場合には、開先のような絶対的な位置決め基準が存在しない。そのため、特許文献２のように、ビード両脇に配置される傾斜側板の位置を基準にしてビード形状近似関数を求めることはできない。また、ビード形状の近似演算が複雑となり、近似精度も低下して、予測するビード形状の精度が低下する。さらに、形成される溶着ビードは、トーチ先端から突出する溶接ワイヤ（溶加材）の突き出し長さ、周囲ビードとの近接距離、等の条件によっても変化するため、ビード形成の狙い位置にずれが生じたり、スパッタの付着によって溶接が不安定になったりする。

【0008】

そこで本発明は、ビード形成の狙い位置を正確に求めて、高精度な積層造形物を製造できる積層造形方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は下記の構成からなる。
（１） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記第一幾何情報と前記第二幾何情報は、前記溶接トーチの狙い位置近傍の幾何学的特徴点、前記ビード高さ、前記ビード幅、前記溶着ビードのビード断面積、ビード外形状を表す断面形状近似曲線のうち、少なくともいずれかの情報を含んでおり、
前記幾何学的特徴点は、
既設の前記溶着ビードの凸形状の頂点、
前記溶着ビードに隣接する他の溶着ビードとの間でビード外表面が内側に窪んで形成された狭隘部の端点、
前記溶着ビードの幅方向端部と、当該溶着ビードが形成された下層面とが交差する点、のいずれかを含む、
積層造形方法。
（２） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記形状プロファイルは、前記非接触式形状センサによる前記溶着ビードの検出方向と平行な面から所定角度傾斜した、前記溶接トーチの軸線を含む平面に投影変換したプロファイルである、積層造形方法。
（３） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積と、前記形状プロファイルから求めた前記溶着ビードの断面積との差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。
（４） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを、回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を求め、
前記断面形状近似曲線に囲まれた断面積と、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積との差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。
（５） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を、当該断面形状近似曲線で囲まれる領域の断面積と、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積とが等しくなるようにし、
前記断面形状近似曲線の最頂部の位置と、前記溶着ビードの目標形成位置と差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。
（６） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を求め、
前記断面形状近似曲線の任意点の高さと、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状における該任意点に対応する位置の高さとの差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。
（７） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含み、
前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を、当該断面形状近似曲線の任意点の高さと、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状における該任意点に対応する位置の高さとの差が小さくなるようにし、
前記断面形状近似曲線の最頂部の位置と、前記溶着ビードの目標形成位置との差を前記ずれ量とする、
積層造形方法。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、ビード形成の狙い位置を正確に求めて、高精度な積層造形物を製造できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、積層造形物の製造装置の構成図である。

【図2】図２は、積層軌道計画及び溶接条件と、溶着ビードの形状測定結果とから、ビード形のためのトーチ狙い位置及び溶接条件を決定する手順を示すフローチャートである。

【図3】図３は、溶着ビードを形成する様子を示す概略図である。

【図4】図４は、溶接方向下流側から溶接位置を見た場合の溶着ビードの断面形状と、トーチの位置とを示す模式的な説明図である。

【図5】図５は、図４に示す既設の溶着ビードに沿って、新たに溶着ビードを形成する様子を示す模式的な説明図である。

【図6】図６は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する基本の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。

【図7】図７は、溶着ビードの形状を示す断面図である。

【図8】図８は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第１の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。

【図9】図９は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第２の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。

【図10】図１０は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第３の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。

【図11】図１１は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第４の変更手順を（Ａ）、（Ｂ）に段階的に示す説明図である。

【図12】図１２は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第５の変更手順を（Ａ）、（Ｂ）に段階的に示す説明図である。

【図13】図１３は、溶接ロボットに設けた溶接トーチにより下層の溶着ビードと上層の溶着ビードを形成するとともに、レーザ形状センサによりビード形状を測定する様子を示す説明図である。

【図14】図１４は、測定したビード形状に誤差が生じた場合の溶接状態の変化を（Ａ），（Ｂ）で示す説明図である。

【図15】図１５は、溶加材の突き出し長さに対する溶接電流の変化特性を概略的に示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
ここでは、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形装置を用いて、複数層の溶着ビードからなる積層造形物を製造する手順を説明する。

【0013】

図１は、積層造形物の製造装置の構成図である。
本構成の積層造形装置１００は、造形装置１１と、造形装置１１を統括制御するコントローラ１３と、電源装置１５と、を備える。

【0014】

造形装置１１は、先端軸に溶接トーチ１７が設けられた溶接ロボット１９と、溶接トーチ１７に溶加材（溶接ワイヤ）Ｍを供給する溶加材供給部２１とを有する。造形装置１１は、溶接ロボットの駆動によって溶接トーチ１７を移動させながら、溶着ビードＢを形成する。

【0015】

また、溶接ロボット１９の先端軸には、溶接トーチ１７と一体に移動する非接触式形状センサが設けられている。非接触式形状センサとしては、ここでは、光切断法、パターン投影法等により３次元形状を検出するレーザ形状センサ２３を用いているが、検出方法は限定されない。

【0016】

溶接ロボット１９は、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溶接トーチ１７には、溶加材Ｍが連続供給可能に支持される。溶接トーチ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。

【0017】

溶接トーチ１７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。アーク溶接法としては、被覆アーク溶接や炭酸ガスアーク溶接等の消耗電極式、ＴＩＧ溶接や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、作製する積層造形物に応じて適宜選定される。

【0018】

例えば、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、溶融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。溶接トーチ１７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Ｍは、ロボットアーム等に取り付けた不図示の繰り出し機構により、溶加材供給部２１から溶接トーチ１７に送給される。そして、溶接トーチ１７を移動しつつ、連続送給される溶加材Ｍを溶融及び凝固させると、ベース部２５上に溶加材Ｍの溶融凝固体である線状の溶着ビードＢが形成される。

【0019】

ベース部２５は、鋼板等の金属板からなり、基本的には積層造形物Ｗの底面（最下層の面）より大きいものが使用される。なお、ベース部２５は、板状に限らず、ブロック体、棒状、円柱状等、他の形状のベースであってもよい。

【0020】

溶加材Ｍとしては、あらゆる市販の溶接ワイヤを用いることができる。例えば、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用のマグ溶接及びミグ溶接ソリッドワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１２）、軟鋼，高張力鋼及び低温用鋼用アーク溶接フラックス入りワイヤ（ＪＩＳ Ｚ ３３１３）等で規定されるワイヤを用いることができる。

【0021】

コントローラ１３は、ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１と、軌道演算部３３と、記憶部３５と、これらが接続される制御部３７と、を有する。

【0022】

ＣＡＤ／ＣＡＭ部３１は、作製しようとする積層造形物の形状データ（ＣＡＤデータ等）が入力されて、軌道演算部３３と協働して積層造形物の造形手順を表す積層軌道計画を作成する。この積層軌道計画は、入力された形状データから、その形状、材質、入熱量等の諸条件に基づいて、効率よく積層できるように適宜なアルゴリズムに基づいて解析的に求められる。

【0023】

積層軌道計画の作成においては、まず、形状データを複数の層に分割して、各層の形状を表す層形状データを生成する。そして、生成された層形状データに応じて溶接トーチ１７の移動軌跡と溶接条件とを決定し、溶着ビードＢを形成するための溶接ロボット１９及び電源装置１５の駆動プログラムを生成する。この駆動プログラムは、積層軌道計画に対応した動作を実現する。駆動プログラム及び溶接条件の各種データは記憶部３５に記憶される。

【0024】

制御部３７は、記憶部３５に記憶された駆動プログラムを実行することで、溶接ロボット１９と電源装置１５等を駆動し、溶着ビードＢを形成する。つまり、制御部３７は、溶接ロボット１９を駆動して、設定された溶接トーチ１７の軌道軌跡に沿って溶接トーチ１７を移動させるとともに、設定された溶接条件に応じて溶接トーチ１７の先端から突出する溶加材Ｍをアークによって溶融させて溶着ビードＢを形成する。そして、ベース部２５上に複数の溶着ビードＢを互いに隣接させて溶着ビード層２７を形成し、この溶着ビード層２７の上に次層の溶着ビード層２７を積層することを繰り返す。このようにして、所望の形状の積層造形物Ｗを造形する。

【0025】

また、制御部３７は、ビード形成のために溶接トーチ１７を移動させる際、形成済となった既設の溶着ビードＢの形状をレーザ形状センサ２３により測定する。レーザ形状センサ２３による測定は、溶接時以外に行ってもよい。

【0026】

＜積層軌道計画、溶接条件の修正＞
ここで、本構成の積層造形装置１００においては、軌道演算部３３が、作成した積層軌道計画及び溶接条件と、既設の溶着ビードの形状測定結果とに応じて、積層途中において、これから形成する溶着ビードを形成するための溶接トーチ１７の狙い位置（以下、トーチ狙い位置という。）及び溶接条件を求め、必要に応じて積層軌道計画及び溶接条件を変更する。

【0027】

図２は、積層軌道計画及び溶接条件と、溶着ビードの形状測定結果とから、ビード形のためのトーチ狙い位置及び溶接条件を決定する手順を示すフローチャートである。
まず、入力された形状データに基づいて作成した積層軌道計画に従って溶着ビードを形成する（Ｓ１）。

【0028】

図３は、溶着ビードＢを形成する様子を示す概略図である。
溶接ロボット１９を駆動して、溶接トーチ１７を移動させながら溶着ビードＢを形成する。このとき、溶接ロボット１９の先端軸に溶接トーチ１７と一体に設けたレーザ形状センサ２３によって、トーチ狙い位置Ｐよりも溶接方向ＷＤ下流側の位置で、既設の溶着ビードＢの形状を測定する。

【0029】

レーザ形状センサ２３は、レーザ照射部２３Ａ及び検出センサ２３Ｂを備える。例えば光切断法により測定する場合には、レーザ照射部２３Ａからスリット光Ｌ１を照射し、イメージセンサである検出センサ２３Ｂにより既設の溶着ビードＢからの反射光Ｌ２を検出する。検出センサ２３Ｂで検出された２次元画像には、溶着ビードの高さに応じたパターンが含まれており、そのパターンによって溶着ビードの形状が求められる。具体的な形状検出方法についての説明は公知であるため、ここでは省略する。

【0030】

図４は、溶接方向下流側から溶接位置を見た場合の溶着ビードＢの断面形状と、溶接トーチ１７の位置とを示す模式的な説明図である。
この場合では、溶着ビードが形成されるトーチ狙い位置Ｐの周囲には、下層の溶着ビードＢ１，Ｂ２，Ｂ３と、溶着ビードＢ１の上方に形成された溶着ビードＢ４とが設けられている。

【0031】

レーザ形状センサ２３は、スリット光Ｌ１を照射し、溶着ビードＢ１〜Ｂ４からの反射光を検出することによって、トーチ先端の周囲における各溶着ビードの形状が求められる。図４においては、測定された各溶着ビードの形状から、溶接トーチ１７の軸線Ａｘの直下に位置する溶着ビードＢ２の頂点Ｐ１と、溶接トーチ１７の側方に配置される溶着ビードＢ４の表面と溶着ビードＢ２の表面と接続される狭隘点Ｐ２を含む形状情報が求められる。

【0032】

図５は、図４に示す既設の溶着ビードに沿って、新たに溶着ビードを形成する様子を示す模式的な説明図である。
図４に示す溶接トーチ１７の先端周囲における既設の溶着ビードＢ１〜Ｂ４の形状に応じて、図５に示される、次に形成する溶着ビードＢ５のトーチ狙い位置、ビード形成時の溶接条件等を決定する。決定したトーチ狙い位置及び溶接条件等の設定内容と、当初の積層軌道計画のトーチ移動軌跡及び溶接条件等の設定内容との間に差が生じた場合には、積層軌道計画と溶接条件を変更する。

【0033】

ここで、上記した積層軌道計画と溶接条件の変更手順について詳細に説明する。
＜基本の変更手順＞
図６は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する基本の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。なお、図６の（Ａ）〜（Ｃ）は、溶着ビードの長手方向の直交断面における形状を示している。

【0034】

まず、図６の（Ａ）に示すように、レーザ形状センサ２３によって、既設の溶着ビードの形状プロファイルＰｆを測定する（Ｓ２）。ここでは簡略化して１つの溶着ビードの測定例を示している。形状プロファイルＰｆは、複数の測定点を接続する線のほか、測定点間を内挿した直線、曲線等にしてもよい。

【0035】

そして、積層軌道計画を参照して、測定した溶着ビードに対するトーチ狙い位置Ｐを抽出する。測定した形状プロファイルＰｆと、抽出したトーチ狙い位置Ｐの情報とから、ビード形状の第一幾何情報を抽出する（Ｓ３）。第１幾何情報とは、レーザ形状センサ２３によるセンサ座標系で表した溶着ビードの形状プロファイルＰｆと、溶接ロボット１９（図１参照）のロボット座標系で表したトーチ狙い位置Ｐとを、座標変換して同じ座標系で表した形状プロファイルＰｆ及びトーチ狙い位置Ｐを含む情報を意味する。

【0036】

ここで、トーチ狙い位置Ｐを形状プロファイルＰｆに対応させるには、次のようにする。まず、溶接ロボットのロボット座標上でのトーチ先端位置に、溶接トーチ１７の傾き（姿勢）を考慮して溶接位置を求める。つまり、トーチ先端から、その直下となる既設の溶着ビードまでの間の距離ΔＬの設定値（図４参照）をトーチ先端位置にオフセットする。オフセットした位置が溶接トーチ１７による溶接位置となり、この位置をトーチ狙い位置Ｐと定義する。そして、ロボット座標系でのトーチ狙い位置Ｐを、センサ座標系に座標変換する。これにより、センサ座標系の形状プロファイルＰｆと、トーチ狙い位置Ｐとが同じ座標系で対応付けられる。

【0037】

次に、抽出された上記の第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出する（Ｓ４）。ここで第二幾何情報とは、前述のビード形状が測定された溶着ビードを形成する際に用いた積層軌道計画における、その溶着ビードの目標形状とトーチ狙い位置の情報である。

【0038】

図６の（Ｂ）は、図６の（Ａ）に示す形状プロファイルＰｆの溶着ビードを形成する際に、積層軌道計画で定めた溶着ビードの目標形状Ｔｓとトーチ狙い位置Ｐとを示している。

【0039】

そして、第一幾何情報と第二幾何情報とを比較して、双方のずれ量を算出する（Ｓ５）。つまり、測定された溶着ビードの形状と、目標形状とのずれ量を求める。

【0040】

図６の（Ｃ）は、図６の（Ａ）に示す形状プロファイルＰｆと図６の（Ｂ）に示す目標形状Ｔｓとの高さのずれ量ΔＨを示している。ずれ量ΔＨは、形状プロファイルＰｆの頂点と、目標形状Ｔｓの頂点との高さの差であり、形状プロファイルＰｆの頂点は、頂点付近の測定点の高さを用いて決定される。なお、ここでは形状プロファイルＰｆと目標形状Ｔｓとを、各トーチ狙い位置Ｐが同一位置になるように配置している。

【0041】

この高さのずれ量ΔＨが小さくなるように、積層軌道計画で定めた溶着ビードＢの目標形状Ｔｓにおけるビード高さＢｈとビード幅Ｂｗ（図７参照）との少なくとも一方を変更して、積層軌道計画を更新する（Ｓ６）。ここでの積層軌道計画の更新は、ビード高さＢｈ、ビード幅Ｂｗの変更の他にも、トーチ狙い位置、ビード断面積等の各種パラメータを変更してもよい。

【0042】

また、積層軌道計画の更新結果に応じて、溶接条件を変更する（Ｓ７）。溶接条件としては、溶接トーチの位置、姿勢、溶接速度、溶接電圧、溶接電流、溶加材の送給速度、等が挙げられる。これらのうち、少なくとも１つ、又はいずれか２つ以上を組み合わせて変更する。

【0043】

そして、変更後の積層軌道計画、溶接条件で溶着ビードを形成する（Ｓ８）。以上の工程を積層造形物が完成するまで繰り返す（Ｓ９）。

【0044】

溶接トーチの先端位置、溶着ビードの位置、既設の溶着ビードの形状の把握は、常に行う必要はなく、必要とする箇所にのみ、又は上記のいずれかのみを優先して行うことであってもよい。例えば、枠部を形成する溶着ビードと、枠部の内側を埋める溶着ビードとを有する積層造形物を製造する場合、比較的細い溶着ビードを積層する枠部の造形においては、各ビード位置を精密に調整する必要があるため、上記した位置と形状を常時把握する。一方、枠部内を充填する造形においては、枠内を隙間なく充填する必要があるため、トーチ位置の調整よりも溶着ビードの断面積の把握を優先する。

【0045】

図７は、溶着ビードの形状を示す断面図である。
上記した第一幾何情報及び第二幾何情報は、ビード高さＢｈ、ビード幅Ｂｗ、ビード長手方向に直交する断面におけるビード断面積Ａ、トーチ狙い位置近傍の幾何学的特徴点、詳細を後述する溶着ビードＢのビード外形状を表す断面形状近似曲線のうち、少なくともいずれかの情報を含むことが好ましい。

【0046】

ここで、幾何学的特徴点とは、図４に示すように、溶接トーチ１７の周囲に配置された既設の溶着ビードから抽出した特徴点であり、具体的には、既設の溶着ビードＢ２の凸形状の頂点Ｐ１、溶着ビードＢ２に隣接する他の溶着ビードＢ４との間でビード外表面が内側に窪んで形成された狭隘点Ｐ２を含む。溶着ビードＢ３の形成前である場合には、溶着ビードＢ２の一対の幅方向端部の点Ｐ３ａ，Ｐ３ｂのうち、溶着ビードＢ２が形成された下層面（ここではベース部２５）と交差する点Ｐ３ａも含む。

【0047】

また、溶着ビードの断面積は、既設の溶着ビードについては、ビード形成時の溶接条件によっても決定できる。ビード断面積Ａは、ビード形成のために新たに投入された金属材料の断面積に等しい。例えば、ビード断面積Ａは、溶着ビードを楕円モデルで近似した場合の、楕円モデルの短径と、ベース（下層）からの高さに応じて変化する。なお、ここでいう断面積とは、溶着ビードの単位長さ当たりの体積を意味し、下記（１）式で表される。

【0048】

Ａ＝ｄｗ^２Ｆｗπ／４Ｆ ・・・（１）
ｄｗ：溶加材の直径［ｍｍ］
Ｆｗ：溶加材の送給速度［ｍｍ／ｍｉｎ］
Ｆ：トーチ送り速度［ｍｍ／ｍｉｎ］

【0049】

一方、これから形成する溶着ビードの断面積については、例えば、トーチ狙い位置Ｐを中心とした円弧を溶着ビードの外形線として、円弧内側の面積を溶着ビードの断面積として求めてもよい。ただし、断面積の計算の手法はこれに限らない。

【0050】

この積層造形方法によれば、積層軌道計画と実際の溶着ビードの形成結果とのビード高さの差に応じて積層軌道計画を更新し、これに合わせて溶接条件を変更するため、次に形成する溶着ビードを高精度に形成できる。また、実際のビード形成結果をフィードバックした積層軌道計画で溶着ビードを形成するため、例えば０．１ｍｍオーダーの精度での造形を安定して実現できる。

【0051】

次に、上記した基本の変更手順に基づく、他の積層軌道計画と溶接条件の変更手順を順次に説明する。
＜第１の変更手順＞
図８は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第１の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。

【0052】

図８の（Ａ）に示す溶着ビードの長手方向の直交断面における形状プロファイルＰｆの断面積をＡｐｆ、図８の（Ｂ）に示す積層軌道計画で定めた溶着ビードの目標形状Ｔｓの断面積をＡｔｓとする。

【0053】

本変更手順では、図８の（Ｃ）に示すように、形状プロファイルＰｆの断面積Ａｐｆと目標形状Ｔｓの断面積Ａｔｓとの差Ｄｆをずれ量として、このずれ量が小さくなるように積層軌道計画を変更する。そして、更新された積層軌道計画に応じて、溶接条件を必要に応じて変更する。

【0054】

この手順によれば、形状プロファイルＰｆと目標形状Ｔｓとの面積差を小さくするため、仮に形状プロファイルＰｆが目標形状Ｔｓと局所的に大きな形状差を有する場合でも、この局所的な形状差に大きく影響されることなく、ずれ量の適正な縮小が可能となる。

【0055】

＜第２の変更手順＞
図９は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第２の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。

【0056】

本変更手順では、図９の（Ａ）に示すように、形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線Ｃｐｆを求める。曲線モデルとしては、放物線、３次以上の関数、スプライン曲線等、任意の曲線を使用できる。例えば、Ｚ＝ａＹ^２＋ｂY＋ｃ（ａ，ｂ，ｃは係数）の曲線モデルを用いて、測定した形状プロファイルＰｆ（Ｙｊ,Ｚj）とのフィッティングを行う。フィッティングは、最小二乗法、最急降下法等の公知の方法を採用できる。

【0057】

そして、断面形状近似曲線Ｃｐｆと、図９の（Ｂ）に示す目標形状Ｔｓとを、図９の（Ｃ）に示すようにトーチ狙い位置Ｐを一致させて重ね合わせて、断面形状近似曲線と目標形状とに生じる高さのずれ量ΔＨの分布を求める。このずれ量ΔＨが小さくなるように、積層軌道計画を変更する。そして、更新された積層軌道計画に応じて、溶接条件を必要に応じて変更する。

【0058】

この手順によれば、形状プロファイルを曲線モデルに近似させるため、ビード形状をより精密に把握でき、形状プロファイルのビード中心位置、ビード高さ等がより正確に求められる。よって、次に形成する溶着ビードを更に高精度に形成できる。

【0059】

＜第３の変更手順＞
図１０は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第３の変更手順を（Ａ）〜（Ｃ）に段階的に示す説明図である。

【0060】

本変更手順では、図１０の（Ａ）に示すように、形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線Ｃｐｆを、その断面形状近似曲線Ｃｐｆで囲まれる領域の断面積Ａｃと、図１０の（Ｂ）に示す目標形状Ｔｓの断面積Ａｔｓとが等しくなるようにする。この計算には、例えば、制約付き最小二乗法（constrained least squares method）を採用できる。この制約付き最小二乗法とは、誤差量を表す目的関数を最小にする際に、モデル曲線となる断面形状近似曲線Ｃｐｆが形成する断面積Ａｃと、積層軌道計画で予め定めた断面積Ａｔｓとが一致することを制約として近似処理する方法である。

【0061】

そして、図１０の（Ｃ）に示すように、断面積Ａｃを断面積Ａｔｓと等しくした断面形状近似曲線Ｃｐｆの最頂部Ｐａが、目標形状Ｔｓの最頂部Ｐｂである溶着ビードの目標形成位置に一致するように積層軌道計画を変更する。つまり、形成された溶着ビードに対応する断面形状近似曲線の最頂部Ｐａが、目標形状Ｔｓの最頂部Ｐｂと一致するように、溶着ビードの目標形成位置を修正する。そして、更新された積層軌道計画に応じて、溶接条件を必要に応じて変更する。

【0062】

この手順によれば、断面形状近似曲線の最頂部Ｐａを目標形状Ｔｓの最頂部Ｐｂに一致させるという簡単な処理で、次に形成する溶着ビードを高精度に形成できる。

【0063】

＜第４の変更手順＞
図１１は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第４の変更手順を（Ａ）、（Ｂ）に段階的に示す説明図である。

【0064】

本変更手順では、図１１の（Ａ）に示すように、形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線Ｃｐｆを求める。
次に、図１１の（Ｂ）に示すように、断面形状近似曲線Ｃｐｆの全体にわたり、断面形状近似曲線Ｃｐｆの任意点の高さと、その任意点に対応する目標形状Ｔｓの外形線の高さとの差であるずれ量ΔＨが小さくなるように、溶着ビードの目標形成位置を修正する。そして、更新された積層軌道計画に応じて、溶接条件を必要に応じて変更する。

【0065】

この手順によれば、断面形状近似曲線Ｃｐｆを用いてずれ量ΔＨを決定するため、図６に示す形状プロファイルを用いてずれ量ΔＨを決定する場合よりも安定して精度の高い補正が行え、より高精度な溶着ビードの形成が可能となる。

【0066】

＜第５の変更手順＞
図１２は、既設の溶着ビードの形状に応じて、新設の溶着ビードを形成するための積層軌道計画と溶接条件を変更する第５の変更手順を（Ａ）、（Ｂ）に段階的に示す説明図である。

【0067】

本変更手順では、図１２の（Ａ）に示すように、形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線Ｃｐｆを、図１２の（Ｂ）に示すように、その断面形状近似曲線Ｃｐｆの任意点の高さと、その任意点に対応する目標形状Ｔｓの外形線の高さとの差であるずれ量ΔＨが小さくなるように変更する。

【0068】

また、断面形状近似曲線Ｃｐｆの位置が、目標形状Ｔｓである溶着ビードの目標形成位置に一致するように積層軌道計画を変更する。つまり、形成された溶着ビードに対応する断面形状近似曲線の最頂部Ｐａと、目標形状Ｔｓの最頂部Ｐｂとを一致させるように、積層軌道計画を変更する。そして、更新された積層軌道計画に応じて、溶接条件を必要に応じて変更する。

【0069】

この手順によれば、ビード高さのずれ量ΔＨを低減し、且つ、ずれ量ΔＨを低減した断面形状近似曲線Ｃｐｆのビード幅方向の位置を、目標形成位置に一致させるため、次に形成する溶着ビードをより高精度に形成できる。

【0070】

＜溶着ビードの高精度化＞
次に、溶着ビードをより高精度に形成する方法について説明する。
上記した実施態様では、溶着ビードを平板状のベース部に形成していたが、ここでは、溶着ビードをベース部の円周面に形成する場合を説明する。
図１３は、溶接ロボット１９に設けた溶接トーチ１７により下層の溶着ビードＢ１と上層の溶着ビードＢ２を形成するとともに、レーザ形状センサ２３によりビード形状を測定する様子を示す説明図である。

【0071】

円柱状のベース部２５Ａが、中心軸Ｏを中心に図１３に示す方向Ｒｔに回転駆動されて、ベース部２５Ａの外周の円周面に、溶接トーチ１７により溶着ビードＢが形成される。溶接ロボット１９に取り付けられたレーザ形状センサ２３は、ベース部２５Ａの回転方向の上流側（溶接方向の下流側）に配置されて、既設の溶着ビードＢ１の形状を測定する。

【0072】

レーザ形状センサ２３は、溶着ビードＢ１の形状を、反射光Ｌ２を検出した２次元画像により測定する。その形状は、測定点Ｐｍにおける反射光Ｌ２と平行なビード断面における形状となる。反射光Ｌ２は溶接トーチ１７の軸線（トーチ軸線）Ａｘと平行である。ここで、図１３に示すベース部２５Ａにおけるトーチ狙い位置Ｐと測定点Ｐｍとを結ぶ円弧の中心角をθとする。

【0073】

ベース部２５Ａを回転駆動しながら溶着ビードＢ２の形成を進めると、測定点Ｐｍの溶着ビードＢ１がトーチ狙い位置Ｐに到達する。そのとき、測定点Ｐｍで測定された溶着ビードＢ１の形状は、トーチ軸線Ａｘを含む断面における形状ではなく、トーチ軸線Ａｘから角度θだけ溶接方向後方に傾斜した直線Ｌｍを含む断面における形状となる。

【0074】

そのため、測定した溶着ビードＢ１の形状を、トーチ狙い位置Ｐにおけるトーチ軸線Ａｘの断面の形状となるように射影変換する。射影変換は、幾何学的に角度θを傾斜させる公知の変換処理であるため、変換処理の説明は省略する。

【0075】

これによれば、測定点Ｐｍで測定した溶着ビードの形状をトーチ狙い位置Ｐでトーチ軸線Ａｘの位置に相当する断面形状に変換される。これにより、正確な溶接軌道計画の変更が可能となり、更に高精度に溶着ビードを形成できる。

【0076】

図１４は、測定したビード形状に誤差が生じた場合の溶接状態の変化を（Ａ），（Ｂ）で示す説明図である。
図１４の（Ａ）に示すように、トーチ狙い位置Ｐに近い既設の溶着ビードＢ２，Ｂ４の形状に測定誤差が生じると、溶着ビードＢ２とトーチ先端位置との距離Ｓ１や、溶着ビードＢ４と狙い位置Ｐとの距離Ｓ２が、想定した距離と異なってしまう。その場合、図１４の（Ｂ）に示すように、溶加材Ｍの実質的な突き出し長さ（露出長）が変化して、周囲の既設の溶着ビードと溶加材Ｍとの距離に応じてアークＡｒｃが変位する等、アークＡｒｃが不安定となる。その結果、形成される溶着ビードの形状精度が低下するおそれがある。

【0077】

図１５は、溶加材の突き出し長さに対する溶接電流の変化特性を概略的に示すグラフである。
溶加材Ｍの突き出し長さの変化は、発生するアークが不安定になる要因となる他に、溶接電流にも影響を及ぼす。すなわち、突き出し長さが長いほど溶接電流が小さくなり、形成される溶着ビードが小さくなる傾向になる。そのため、上記したように、既設の溶着ビードの形状を高精度に測定することで、溶接条件の変動を抑制して高精度な溶着ビードを形成できる。

【0078】

＜溶着ビードの形状モデル＞
上記では、溶着ビードの形状を、ビード高さ、ビード幅、ビード断面積、溶着ビードのビード外形状を表す断面形状近似曲線を用いて表現したが、形状を表すパラメータはこれに限らない。

【0079】

例えば、文献（B M Berezovskii and A V Stikahin, Optimisation of the formatin of a metal layer in arc deposition，Welding International, 1991, 5(11), pp.888-891）には、ビード幅、ベース表面からビード頂部までの高さ、ビート頂部の曲率Ｒ、溶着ビードのベースとの接触角φ、隣接する一対の溶着ビードを形成するトーチ位置の軸間距離、等の各種のパラメータを用いてビード形状を表現している。本積層造形方法においても、上記のようなパラメータを用いて積層軌道計画、溶接条件を変更する構成としてもよい。

【0080】

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や、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。

【0081】

以上の通り、本明細書には次の事項が開示されている。
（１） ロボット先端軸に取り付けた溶接トーチを移動させながら、溶加材を溶融及び凝固させた溶着ビードを積層する積層造形方法であって、
前記溶接トーチの狙い位置及び前記溶着ビードの形状を定めた積層軌道計画に基づいて、前記溶着ビードを形成して積層造形物を造形する途中で、前記溶接トーチと一体に前記ロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルを測定する工程と、
前記形状プロファイルと前記溶接トーチの狙い位置からビード形状の第一幾何情報を抽出する工程と、
前記積層軌道計画から前記第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出して前記第一幾何情報と前記第二幾何情報とのずれ量を算出する工程と、
前記ずれ量に応じて、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの、ビード長手方向に直交する断面におけるビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して、前記積層軌道計画を更新する工程と、
前記積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する工程と、
を含む積層造形方法。
この積層造形方法によれば、形成後の溶着ビード形状を表す第一幾何情報と、目標形状を表す第二幾何情報とのずれ量を小さくするように、積層軌道計画と溶接条件が変更されるため、形成後の溶着ビードの形状と目標形状とをより正確に一致させることができる。

【0082】

（２） 前記第一幾何情報と前記第二幾何情報は、前記溶接トーチの狙い位置近傍の幾何学的特徴点、前記ビード高さ、前記ビード幅、前記溶着ビードのビード断面積、ビード外形状を表す断面形状近似曲線のうち、少なくともいずれかの情報を含む（１）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、各種のパラメータを用いることで、溶着ビードの形状を特定でき、より正確な溶着ビードの形成に寄与できる。

【0083】

（３） 前記幾何学的特徴点は、
既設の前記溶着ビードの凸形状の頂点、
前記溶着ビードに隣接する他の溶着ビードとの間でビード外表面が内側に窪んで形成された狭隘部の端点、
前記溶着ビードの幅方向端部と、当該溶着ビードが形成された下層面とが交差する点、
のいずれかを含む（２）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、既設の溶着ビードの代表的な特徴点を含むことで、各点の検出が比較的容易に行え、制御に利用しやすい情報となる。

【0084】

（４） 前記幾何学的特徴点を、前記溶接トーチの狙い位置近傍に配置された既設の前記溶着ビードから抽出する（２）又は（３）に記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、ビード形成位置の近傍の既設の溶着ビードから幾何学的特徴点が抽出されることで、形成する溶着ビードの形状制御をより正確に行える。

【0085】

（５） 溶接条件を変更する工程では、
前記溶接トーチの位置、姿勢、溶接速度、溶接電圧、溶接電流、前記溶加材の送給速度のうち、少なくとも１つ、又はいずれか２つ以上を組み合わせて変更する（１）〜（４）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、各種の溶接条件によって溶着ビードを適切に制御できる。

【0086】

（６） 前記形状プロファイルは、前記非接触式形状センサによる前記溶着ビードの検出方向と平行な面から所定角度傾斜した、前記溶接トーチの軸線を含む平面に投影変換したプロファイルである（１）〜（５）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、非接触式形状センサによるセンサ座標系と、溶着ビード形成時のロボット座標系との軸線方向を一致させることで、正確なプロファイルが得られる。

【0087】

（７） 前記溶着ビードの長手方向の直交断面における、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積と、前記形状プロファイルから求めた前記溶着ビードの断面積との差を前記ずれ量とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、仮に形状プロファイルに局所的な目標形状との大きな形状差が存在した場合でも、この局所的な形状差に大きく影響されずにずれ量の縮小が可能となる。

【0088】

（８） 前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを、回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を求め、
前記断面形状近似曲線に囲まれた断面積と、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積との差を前記ずれ量とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、形状プロファイルを曲線モデルに近似させることで、溶着ビードの形状測定のバラつきが緩和された断面形状近似曲線が得られる。また、少ない測定点であっても正確性を増した断面形状近似曲線が得られる。この断面形状近似曲線と目標形状の断面積差に応じて、積層軌道計画と溶接条件を変更することで、より正確な溶着ビードの形成が行える。

【0089】

（９） 前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を、当該断面形状近似曲線で囲まれる領域の断面積と、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状の断面積とが等しくなるようにし、
前記断面形状近似曲線の最頂部の位置と、前記溶着ビードの目標形成位置と差を前記ずれ量とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、断面積差が小さくなる制約付きで断面形状近似曲線を求め、求めた断面形状近似曲線の最頂部の位置と、溶着ビードの目標形成位置との差が小さくなるように制御されるため、より正確な溶着ビードの形成が行える。

【0090】

（１０） 前記溶着ビードの長手方向の直交断面における、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状のビード高さと、前記形状プロファイルから求めた前記溶着ビードのビード高さとの差を前記ずれ量とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、測定された溶着ビードのビード高さと、目標形状のビード高さの差を小さくするように制御することで、演算処理が煩雑にならずに、比較的簡単に溶着ビードを目標形状に近づけられる。

【0091】

（１１） 前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を求め、
前記断面形状近似曲線の任意点の高さと、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状における該任意点に対応する位置の高さとの差を前記ずれ量とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、形状プロファイルを曲線モデルに近似させることで、溶着ビードの形状測定のバラつきが緩和された断面形状近似曲線が得られる。また、少ない測定点であっても正確性を増した断面形状近似曲線が得られる。この断面形状近似曲線の任意点の高さと、目標形状の外形線の高さとの差に応じて、積層軌道計画と溶接条件を変更することで、より正確な溶着ビードの形成が行える。

【0092】

（１２） 前記溶着ビードの長手方向の直交断面における前記形状プロファイルを回帰計算によって曲線モデルに近似させた断面形状近似曲線を、当該断面形状近似曲線の任意点の高さと、前記積層軌道計画で定めた前記溶着ビードの目標形状における該任意点に対応する位置の高さとの差が小さくなるようにし、
前記断面形状近似曲線の最頂部の位置と、前記溶着ビードの目標形成位置との差を前記ずれ量とする（１）〜（６）のいずれか１つに記載の積層造形方法。
この積層造形方法によれば、ビート高さが小さくなる制約付きで断面形状近似曲線を求め、求めた断面形状近似曲線の最頂部の位置と、溶着ビードの目標形成位置との差が小さくなるように制御されるため、より正確な溶着ビードの形成が行える。

【符号の説明】

【0093】

１１ 造形装置
１３ コントローラ
１５ 電源装置
１７ 溶接トーチ
１９ 溶接ロボット
２１ 溶加材供給部
２３ レーザ形状センサ（非接触式形状センサ）
２３Ａ レーザ照射部
２３Ｂ 検出センサ
２５ ベース部
３１ ＣＡＤ／ＣＡＭ部
３３ 軌道演算部
３５ 記憶部
３７ 制御部
５３ 溶着ビード層
１００ 積層造形装置

【要約】

【課題】ビード形成の狙い位置を正確に求めて、高精度な積層造形物を製造できる積層造形方法を提供する。
【解決手段】積層軌道計画に基づいて積層造形物を造形する途中で、溶接トーチと一体にロボット先端軸に設けられた非接触式形状センサにより、既設の溶着ビードの形状プロファイルＰｆを測定する。形状プロファイルＰｆと溶接トーチの狙い位置Ｐからビード形状の第一幾何情報を抽出し、積層軌道計画から第一幾何情報に対応する第二幾何情報を抽出し、第一幾何情報と第二幾何情報とのずれ量ΔＨを算出する。ずれ量ΔＨに応じて、積層軌道計画で定めた溶着ビードのビード高さとビード幅との少なくとも一方を変更して積層軌道計画を更新し、積層軌道計画の更新結果に応じて溶接条件を変更する。
【選択図】図６

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】