特許 7158351 造形物の製造方法、造形物の製造手順生成装置、及びプログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-10-13

(45)【発行日】2022-10-21

(54)【発明の名称】造形物の製造方法、造形物の製造手順生成装置、及びプログラム

(51)【国際特許分類】

   B23K 9/04 20060101AFI20221014BHJP

   B23K 9/032 20060101ALI20221014BHJP

   B23K 9/12 20060101ALI20221014BHJP

   B29C 64/118 20170101ALI20221014BHJP

   B29C 64/393 20170101ALI20221014BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20221014BHJP

   B33Y 30/00 20150101ALI20221014BHJP

   B33Y 50/02 20150101ALI20221014BHJP

【ＦＩ】

B23K9/04 G

B23K9/032 Z

B23K9/04 Z

B23K9/12 331Q

B29C64/118

B29C64/393

B33Y10/00

B33Y30/00

B33Y50/02

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2019146490

(22)【出願日】2019-08-08

(65)【公開番号】P2021023983

(43)【公開日】2021-02-22

【審査請求日】2021-10-26

(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】100104880

【弁理士】

【氏名又は名称】古部 次郎

(74)【代理人】

【識別番号】100125346

【弁理士】

【氏名又は名称】尾形 文雄

(74)【代理人】

【識別番号】100166981

【弁理士】

【氏名又は名称】砂田 岳彦

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 伸志

(72)【発明者】

【氏名】山田 岳史

(72)【発明者】

【氏名】飛田 正俊

(72)【発明者】

【氏名】藤井 達也

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０９８３８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０９９３６８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ９／００－９／３２

Ｂ２９Ｃ ６４／１１８

Ｂ２９Ｃ ６４／３９３

Ｂ３３Ｙ １０／００

Ｂ３３Ｙ ５０／０２

Ｂ３３Ｙ ３０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなる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、
前記積層体の積層計画からビードが形成される形成面の全部又は一部の領域の平坦度を算出する工程と、
前記平坦度が閾値を超える特定の領域に対しては運棒法を後進溶接に設定し、当該特定の領域以外の他の領域の少なくとも一部の箇所に対しては運棒法を前進溶接に設定する工程と、
設定された前記運棒法にてビードを積層する工程と
を含むことを特徴とする造形物の製造方法。

【請求項2】

前記形成面は、前記積層体を構成する複数の層の各層における面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。

【請求項3】

前記形成面は、前記積層体を構成する複数のビードの端部が連なった面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。

【請求項4】

前記少なくとも一部の箇所は、機械加工を受ける箇所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。

【請求項5】

アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造手順生成装置であって、
前記積層体の積層計画からビードが形成される形成面の全部又は一部の領域の平坦度を算出する平坦度算出手段と、
前記平坦度が閾値を超える特定の領域に対しては運棒法を後進溶接に設定し、当該特定の領域以外の他の領域の少なくとも一部の箇所に対しては運棒法を前進溶接に設定する運棒設定手段と、
設定された前記運棒法にてビードを積層する積層手順を生成する積層手順生成手段と
を備えたことを特徴とする造形物の製造手順生成装置。

【請求項6】

アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなるビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造手順生成装置として、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、
前記積層体の積層計画からビードが形成される形成面の全部又は一部の領域の平坦度を算出する平坦度算出手段と、
前記平坦度が閾値を超える特定の領域に対しては運棒法を後進溶接に設定し、当該特定の領域以外の他の領域の少なくとも一部の箇所に対しては運棒法を前進溶接に設定する運棒設定手段と、
設定された前記運棒法にてビードを積層する積層手順を生成する積層手順生成手段と
して機能させるためのプログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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ビードを母材上に複数重ねた積層体を含む造形物の製造方法、そのような造形物の製造手順生成装置、及びプログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

アーク溶接による多層盛りにおいて、トーチを傾斜させながら溶接することがあり、例えば溶接進行方向と直交する面内でトーチの傾斜角を調整することにより、残層の溶接ビードを形成する時の熱の入り具合を調整する技術が知られている（特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－１４６７５３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

アークを用いて溶加材を溶融及び固化してなるビードを母材上に複数重ねた積層造形物を製造する際、一般の多層盛りに比べて、各層又は溶融ビードのパスごとに入熱量や溶け込みのより高度な調整が必要とされる。また、積層造形では一般の多層盛りに比べてパス数が非常に多いため、造形が進むにつれて母材や積層ビードの蓄熱が進む傾向にある。従って、単一の溶け込み条件で三次元形状を積層造形すると、溶け込みが深すぎる箇所や溶け込みが浅すぎる箇所が生じてしまうおそれがある。

【0005】

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ビードを母材上に複数重ねた積層体を含む造形物を製造する際に、場所ごとに必要な溶け込み深さを確保することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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、積層体の積層計画からビードが形成される形成面の全部又は一部の領域の平坦度を算出する工程と、平坦度が閾値を超える特定の領域に対しては運棒法を後進溶接に設定し、特定の領域以外の他の領域の少なくとも一部の箇所に対しては運棒法を前進溶接に設定する工程と、設定された運棒法にてビードを積層する工程とを含む造形物の製造方法を提供する。

【0007】

形成面は、積層体を構成する複数の層の各層における面であってもよいし、積層体を構成する複数のビードの端部が連なった面であってもよい。

【0008】

上記少なくとも一部の箇所は、機械加工を受ける箇所であってよい。

【0009】

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、隣接する２つのビードの間に形成される狭隘部に対し、後進溶接にてビードを形成する造形物の製造方法も提供する。

【0010】

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ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造手順生成装置であって、積層体の積層計画からビードが形成される形成面の全部又は一部の領域の平坦度を算出する平坦度算出手段と、平坦度が閾値を超える特定の領域に対しては運棒法を後進溶接に設定し、特定の領域以外の他の領域の少なくとも一部の箇所に対しては運棒法を前進溶接に設定する運棒設定手段と、設定された運棒法にてビードを積層する積層手順を生成する積層手順生成手段とを備えた造形物の製造手順生成装置も提供する。

【0011】

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ビードを複数重ねた積層体を含む造形物の製造手順生成装置として、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、積層体の積層計画からビードが形成される形成面の全部又は一部の領域の平坦度を算出する平坦度算出手段と、平坦度が閾値を超える特定の領域に対しては運棒法を後進溶接に設定し、特定の領域以外の他の領域の少なくとも一部の箇所に対しては運棒法を前進溶接に設定する運棒設定手段と、設定された運棒法にてビードを積層する積層手順を生成する積層手順生成手段として機能させるためのプログラムも提供する。

【発明の効果】

【0012】

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ビードを母材上に複数重ねた積層体を含む造形物を製造する際に、場所ごとに必要な溶け込み深さを確保することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】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。

【図2】本発明の実施の形態における積層計画装置のハードウェア構成例を示す図である。

【図3】（ａ）は、前進溶接について示した図であり、（ｂ）は、後進溶接について示した図である。

【図4】本発明の第１の実施の形態で製造される積層造形物及びその層の平坦度の評価方法の一例を示した図である。

【図5】本発明の第１の実施の形態における溶接方法の一例を示した図である。

【図6】本発明の第１の実施の形態における平坦度の算出方法の一例を示した図である。

【図7】本発明の第２の実施の形態で製造される積層造形物の一例を示した図である。

【図8】（ａ）～（ｃ）は、本発明の第２の実施の形態でビードの端部が連なった面にカバービードを盛る際の溶接方法の一例を示した図である。

【図9】本発明の第２の実施の形態における平坦度の算出方法の一例を示した図である。

【図10】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。

【図11】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。

【図12】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。

【図13】本発明の実施の形態における積層計画装置が行う運棒設定処理の例を示したフローチャートである。

【図14】本発明の実施の形態における制御装置の動作例を示したフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0014】

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。

【0015】

［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。

【0016】

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。

【0017】

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上に複数層のビード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。

【0018】

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。

【0019】

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。本実施の形態では、造形物の製造手順生成装置の一例として、積層計画装置３０を設けている。

【0020】

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。

【0021】

［積層計画装置のハードウェア構成］
図２は、積層計画装置３０のハードウェア構成例を示す図である。

【0022】

図示するように、積層計画装置３０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ＣＰＵ３１と、記憶手段であるメインメモリ３２及び磁気ディスク装置（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）３３とを備える。ここで、ＣＰＵ３１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、積層計画装置３０の各機能を実現する。また、メインメモリ３２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、ＨＤＤ３３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。

【0023】

また、積層計画装置３０は、外部との通信を行うための通信Ｉ／Ｆ３４と、ビデオメモリやディスプレイ等からなる表示機構３５と、キーボードやマウス等の入力デバイス３６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３７とを備える。尚、図２は、積層計画装置３０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、積層計画装置３０は図示の構成に限定されない。

【0024】

また、図２に示したハードウェア構成は、制御装置５０のハードウェア構成としても捉えられる。但し、制御装置５０について述べるときは、図２の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をそれぞれ、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と表記するものとする。

【0025】

［本実施の形態の概要］
このような構成を備えた金属積層造形システム１でビード１０１を形成する際、溶接トーチ１３の運棒法に着目した溶接方法としては、溶接トーチ１３を垂直に立てて行う溶接の他に、前進溶接及び後進溶接の何れかを用いることが可能である。

【0026】

図３（ａ）は、前進溶接について示した図である。図示するように、前進溶接は、矢印１１１で示す溶接の進行方向を溶接トーチ１３の方向と同じにする溶接のことである。即ち、前進溶接では、母材９０上の溶接トーチ１３が傾いた側にビード１０１が盛られることになる。

【0027】

図３（ｂ）は、後進溶接について示した図である。図示するように、後進溶接は、矢印１１１で示す溶接の進行方向を溶接トーチ１３の方向と反対にする溶接のことである。即ち、後進溶接では、母材９０上の溶接トーチ１３が傾いた側とは反対側にビード１０１が盛られることになる。

【0028】

このうち、後進溶接は、前進溶接に比べて、溶け込み量が多いことが知られている。

【0029】

そこで、本実施の形態では、積層造形物１００を製造する際に、未溶着が起き易い箇所については、後進溶接にて溶け込みを深くするようにした。具体的には、積層造形物１００の積層計画から各層の平坦度を算出し、平坦度が閾値を超える領域に対しては後進溶接にてビード１０１を積層し、それ以外の箇所に対しては前進溶接にてビード１０１を積層するようにした。

【0030】

特に、ビード１０１の端部が連なった面は凹凸が大きくなって未溶着が起き易い。そこで、本実施の形態では、積層造形物１００を製造する際に、ビード１０１の端部が連なった面に対し、後進溶接にてカバービードを盛って溶け込みを深くするようにした。具体的には、積層造形物１００の積層計画からビード１０１の端部が連なった面の平坦度を算出し、平坦度が閾値を超える領域に対しては後進溶接にてビード１０１を積層し、それ以外の箇所に対しては前進溶接にてビード１０１を積層するようにした。

【0031】

一方で、前進溶接はビードの表面が平らになり易い傾向があるため、積層平面の平坦度確保が優先される箇所においては、前進溶接によって積層することが好ましい。例えば造形物の機械加工を受ける箇所（例えば最表面）は、機械加工負荷を低減するために平坦度をなるべく小さくした方がよいので、前進溶接によって積層するとよい。

【0032】

以下、後進溶接にて溶け込みを深くする実施の形態を第１の実施の形態として、後進溶接にてカバービードを盛る実施の形態を第２の実施の形態として、その概要を説明する。尚、本明細書において、平坦度とは、ＪＩＳで定義された平面度のことをいうものとする。ＪＩＳでは、平面度は、平面形体の幾何学的に正しい平面からの狂いの大きさと定義されている。例えば、ある平面形体を２つの平面で挟んだときに、その２つの平面間に０．１ｍｍの幅があったならば、平面度は０．１ｍｍとなる。

【0033】

（第１の実施の形態）
図４は、第１の実施の形態で製造される積層造形物１００及びその層の平坦度の評価方法の一例を示した図である。

【0034】

第１の実施の形態では、ビード１０１が複数重ねられた積層造形物１００が製造されるが、ここでは、説明を簡単にするため、１層目のみを示している。図示するように、この層は、３本のビード１０１を母材９０上に形成することにより構成されている。これにより、隣接するビード１０１間の谷間が２本できるので、２本の狭隘部１０２が生じている。

【0035】

また、積層造形物１００の１層目の平坦度は、母材９０に略垂直でかつビード１０１の方向に略垂直な平面１１２上で算出される。即ち、この平面１１２で切断したときの３本のビード１０１の切断面の上側の線をつないだ凸凹線１０３の平坦度が、１層目の平坦度として算出される。

【0036】

図５は、第１の実施の形態における溶接方法の一例を示した図である。図示するように、第１の実施の形態では、隣接する２本のビード１０１間の狭隘部１０２に、溶接トーチ１３で溶接を行う。この際、母材９０に略垂直でかつ形成済みのビード１０１の方向に略垂直な平面１１２（図４参照）上でのこれらのビード１０１の平坦度に応じて、溶接トーチ１３の傾きを変更しながら、新たなビード１０１を狭隘部１０２に形成する。例えば、溶接トーチ１３が新たなビード１０１を狭隘部１０２に形成し始めてから直線１１３に達するまでの平坦度が閾値Ｆ１よりも大きければ、図示するように、後進溶接にて新たなビード１０１を形成すればよい。また、溶接トーチ１３が直線１１３を過ぎてから直線１１４に達するまでの平坦度が閾値Ｆ１以下かつ閾値Ｆ２（Ｆ２≦Ｆ１）以上であれば、溶接トーチ１３を垂直に立てて新たなビード１０１を形成すればよい。更に、溶接トーチ１３が直線１１４を過ぎてから新たなビード１０１を狭隘部１０２に形成し終わるまでの平坦度が閾値Ｆ２よりも小さければ、前進溶接にて新たなビード１０１を形成すればよい。

【0037】

ここで、第１の実施の形態における平坦度の算出方法について説明する。

【0038】

図６は、第１の実施の形態における平坦度の算出方法の一例を示した図である。図では、母材９０上に２つのビード１０１が隣接して形成され、これら隣接するビード１０１間に狭隘部１０２が生じている。この場合、上述したＪＩＳの定義に従えば、ビード１０１の最も高い点Ａ，Ｂと、狭隘部１０２の最も低い点Ｃとを通過する凸凹線１０３を、母材９０に平行な２つの線で挟んだ場合に、その２つの線の間隔の最小値が平坦度となる。つまり、図のように、点Ａ及び点Ｂの高さをＨｍａｘとし、点Ｃの高さをＨｍｉｎとすると、平坦度は（Ｈｍａｘ－Ｈｍｉｎ）となる。尚、ビード１０１の形状のデータとビード１０１間の距離が分かれば、Ｈｍａｘ及びＨｍｉｎも分かるので、平坦度は算出可能である。

【0039】

（第２の実施の形態）
図７は、第２の実施の形態で製造される積層造形物１００の一例を示した図である。

【0040】

第２の実施の形態では、横から見た場合に台形形状を有する壁状の積層造形物１００が製造される。図示するように、この積層造形物１００は、１層につき１本のビード１０１を９層にわたって母材９０上に積層することにより構成されている。

【0041】

図８（ａ）～（ｃ）は、第２の実施の形態でビード１０１の端部が連なった面にカバービード１０４を盛る際の溶接方法の一例を示した図である。この第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、平坦度を算出して所定の閾値よりも大きい箇所では後進溶接で溶け込みを深くする。第２の実施の形態では、紙面と一致する平面上で平坦度を算出すればよい。そして、例えば、平坦度が閾値Ｆ１以下かつ閾値Ｆ２（Ｆ２≦Ｆ１）以上であれば、図８（ａ）に示すように、溶接トーチ１３を垂直に立てて、矢印１１１で示す方向にカバービード１０４を形成すればよい。また、平坦度が閾値Ｆ２よりも小さければ、図８（ｂ）に示すように、溶接トーチ１３を傾けて前進溶接にて、矢印１１１で示す方向にカバービード１０４を形成すればよい。更に、平坦度が閾値Ｆ１よりも大きければ、図８（ｃ）に示すように、溶接トーチ１３を傾けて後進溶接にて、矢印１１１で示す方向にカバービード１０４を形成すればよい。

【0042】

尚、積層造形物１００の坂に沿って溶接トーチ１３を動かしたとする。つまり、図８（ａ）～（ｃ）とは異なり、母材９０を水平に載置した状態で溶接トーチ１３を動かしたとする。この場合は、坂を上るように溶接トーチ１３を動かした場合と坂を下るように溶接トーチ１３を動かした場合とで更に溶け込み深さが変化してしまう。具体的には、坂を上るよう動かすと溶け込みは深くなり、坂を下るように動かすと溶け込みは浅くなる。従って、本実施の形態では、坂を上るように動かした場合と坂を下るように動かした場合との溶け込み深さの違いによる影響を受けないよう、図８（ａ）～（ｃ）に示すように、母材９０を傾け、ビード１０１の端部が連なった面を水平にして、カバービード１０４を盛っている。

【0043】

ここで、第２の実施の形態における平坦度の算出方法について説明する。

【0044】

図９は、第２の実施の形態における平坦度の算出方法の一例を示した図である。図では、９層のビード１０１が形成され、ビード１０１の端部に段差が生じている。この場合、上述したＪＩＳの定義に従えば、ビード１０１の段差の最も高い点Ｄ１～Ｄ９と、ビード１０１の段差の最も低い点Ｅ１～Ｅ８とを通過する凸凹線１０３を、２つの水平線で挟んだ場合に、その２つの線の間隔の最小値が平坦度となる。つまり、図のように、点Ｄ１～Ｄ９の基準線からの高さをＨｍａｘとし、点Ｅ１～Ｅ８の基準線からの高さをＨｍｉｎとすると、平坦度は（Ｈｍａｘ－Ｈｍｉｎ）となる。

【0045】

［本実施の形態の詳細］
以下、このような概要を実現する金属積層造形システム１について、積層計画装置３０及び制御装置５０の構成及び動作を中心に詳細に説明する。尚、上記概要では、第１の実施の形態及び第２の実施の形態に分けて説明したが、下記詳細では、これらを共通化して説明する。また、上記概要では、平坦度に応じて、溶接トーチ１３を垂直に立てて行う溶接、前進溶接、及び後進溶接の何れかを選択するようにしたが、下記詳細では、平坦度に応じて、前進溶接及び後進溶接の何れかを選択することを基本とする。つまり、平坦度が閾値Ｆ１よりも大きければ、後進溶接にてビード１０１を形成し、平坦度が閾値Ｆ１以下であれば、原則、前進溶接にてビード１０１を形成するものとして説明する。

【0046】

（積層計画装置の機能構成）
図１０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、平坦度算出部４４と、運棒設定部４５と、制御プログラム生成部４６と、制御プログラム出力部４７とを備える。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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アーク狙い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推定形状を随時計算し、アーク狙い位置を決める。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。

【0050】

平坦度算出部４４は、積層計画部４３が生成した積層計画から、新たにビード１０１が形成される面の平坦度を算出する。具体的には、上述した第１の実施の形態では、新たにビード１０１を形成する層の１つ下の層における面の平坦度を算出する。また、上述した第２の実施の形態では、カバービード１０４が形成されるビード１０１の端部が連なった面の平坦度を算出する。ここで、新たにビード１０１が形成される面の平坦度としては、面の全領域の平坦度を算出してもよいし、面の一部領域の平坦度を算出してもよい。本実施の形態では、ビードが形成される形成面の一例として、新たにビード１０１が形成される面を用いており、形成面の全部又は一部の領域の平坦度を算出する平坦度算出手段の一例として、平坦度算出部４４を設けている。

【0051】

運棒設定部４５は、平坦度算出部４４が算出した平坦度に応じて、新たにビード１０１を形成する際の溶接トーチ１３の運棒法を前進溶接及び後進溶接の何れかに設定する。ここで、平坦度算出部４４が面の全領域の平坦度を算出した場合は、その面にビード１０１を形成する際に、平坦度が閾値Ｆ１よりも大きければ運棒法を後進溶接に設定し、平坦度が閾値Ｆ１以下であれば運棒法を前進溶接に設定すればよい。また、平坦度算出部４４が面の一部領域の平坦度を算出した場合は、平坦度が閾値Ｆ１よりも大きい領域にビード１０１を形成する際に運棒法を後進溶接に設定し、平坦度が閾値Ｆ１以下の領域にビード１０１を形成する際に運棒法を前進溶接に設定すればよい。但し、平坦度が閾値Ｆ１以下の領域にビード１０１を形成する際に、その少なくとも一部の箇所についてのみ、運棒法を前進溶接に設定してもよい。例えば、上記概要で述べたように、平坦度が閾値Ｆ２（Ｆ２≦Ｆ１）よりも大きい箇所にビード１０１を形成する際には、運棒法を、溶接トーチ１３を垂直に立てて行う溶接に設定し、平坦度が閾値Ｆ２以下の箇所にビード１０１を形成する際には、運棒法を前進溶接に設定してもよい。本実施の形態では、平坦度が閾値を超える特定の領域の一例として、平坦度が閾値Ｆ１よりも大きい領域を用いており、特定の領域以外の他の領域の一例として、平坦度が閾値Ｆ１以下の領域を用いており、他の領域の少なくとも一部の箇所の一例として、平坦度が閾値Ｆ２以下の箇所を用いている。また、特定の領域に対しては運棒法を後進溶接に設定し、他の領域の少なくとも一部の箇所に対しては運棒法を前進溶接に設定する運棒設定手段の一例として、運棒設定部４５を設けている。

【0052】

制御プログラム生成部４６は、積層計画部４３が生成した積層計画及び運棒設定部４５が設定した運棒法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。本実施の形態では、ビードを積層する積層手順を生成する積層手順生成手段の一例として、制御プログラム生成部４６を設けている。

【0053】

制御プログラム出力部４７は、制御プログラム生成部４６が生成した制御プログラムを記録媒体７０に出力する。

【0054】

（制御装置の機能構成）
図１１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、制御プログラム取得部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とを備える。

【0055】

制御プログラム取得部６１は、記録媒体７０に記録された制御プログラムを取得する。

【0056】

制御プログラム記憶部６２は、制御プログラム取得部６１が取得した制御プログラムを記憶する。

【0057】

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及び運棒設定部４５が設定した運棒法に従ってビード１０１を形成するよう、溶接ロボット１０を制御する。

【0058】

（積層計画装置の動作）
図１２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。

【0059】

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）。

【0060】

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）。

【0061】

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）。

【0062】

次いで、積層計画装置３０は、ステップ３０３で生成された積層計画を用いて、ビード１０１を形成する際の溶接トーチ１３の運棒法を設定する運棒設定処理を行う（ステップ３０４）。この運棒設定処理の詳細については、後述する。

【0063】

その後、制御プログラム生成部４６が、ステップ３０３で生成された積層計画及びステップ３０４の運棒設定処理で設定された運棒法に従ってビード１０１を形成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３０５）。

【0064】

最後に、制御プログラム出力部４７が、ステップ３０５で生成された制御プログラムを記録媒体７０に出力する（ステップ３０６）。

【0065】

図１３は、図１２のステップ３０４の運棒設定処理の例を示したフローチャートである。尚、上記概要の第１の実施の形態では、積層造形物１００の各層の平坦度に応じて溶接トーチ１３の運棒法を設定することを想定したが、ここでは、上記概要の第２の実施の形態のように、ビード１０１が形成される面の平坦度に応じて溶接トーチ１３の運棒法を設定する場合について説明する。また、１層内でも複数の溶接パスに沿って溶接を行うことがあるが、以下では、１つの溶接パスに沿って溶接を行う場合について説明する。

【0066】

運棒設定処理を開始すると、積層計画装置３０では、まず、運棒設定部４５が、ビード１０１が形成される面に設定される領域のインデックスｊを１に設定する（ステップ３５１）。つまり、ビード１０１が形成される面に設定される１つ目の領域に着目する。

【0067】

次に、平坦度算出部４４は、ビード１０１が形成される面に、インデックスｊの領域Ｒ（ｊ）を設定する（ステップ３５２）。ここで、領域Ｒ（ｊ）は、任意に設定するとよい。例えば、上記概要の第１の実施の形態では、ビード１０１の方向に略垂直な細長い領域（ビード１０１を横断する方向の細長い領域）を設定し、これをＲ（ｊ）とするとよい。また、上記概要の第２の実施の形態では、ビード１０１の端部が連なった領域をそのまま１つの領域Ｒ（１）とするとよい。

【0068】

次に、平坦度算出部４４は、領域Ｒ（ｊ）の平坦度Ｆ（ｊ）を算出する（ステップ３５３）。ここで、平坦度は、上記概要で述べた方法で算出するとよい。例えば、上記概要の第１の実施の形態では、図６を参照して説明した方法により算出すればよい。また、上記概要の第２の実施の形態では、図９を参照して説明した方法により算出すればよい。

【0069】

その後、運棒設定部４５が、ステップ３５３で算出された平坦度Ｆ（ｊ）が閾値Ｆ１よりも大きいかどうかを判定する（ステップ３５４）。

【0070】

その結果、平坦度Ｆ（ｊ）が閾値Ｆ１よりも大きいと判定すれば、運棒設定部４５は、領域Ｒ（ｊ）に対して、溶接トーチ１３の運棒法を後進溶接に設定する（ステップ３５５）。

【0071】

一方、平坦度Ｆ（ｊ）が閾値Ｆ１以下であると判定すれば、運棒設定部４５は、領域Ｒ（ｊ）に対して、溶接トーチ１３の運棒法を前進溶接に設定する（ステップ３５６）。

【0072】

次に、運棒設定部４５は、ビード１０１が形成される面に設定される領域のインデックスｊに１を加算する（ステップ３５７）。つまり、ビード１０１が形成される面に設定される次の領域に着目する。

【0073】

これにより、運棒設定部４５は、領域のインデックスｊが領域の個数ｍを超えたかどうかを判定する（ステップ３５８）。

【0074】

領域のインデックスｊが領域の個数ｍを超えていないと判定すれば、運棒設定部４５は、処理をステップ３５２へ戻して、以降の処理を繰り返す。一方、領域のインデックスｊが領域の個数ｍを超えたと判定すれば、運棒設定部４５は、処理を終了する。尚、上記概要の第２の実施の形態では、ビード１０１が形成される面に設定される領域は１つだけなので、ステップ３５１でｊ＝１となった状態でのみステップ３５２～３５６の処理が行われ、ステップ３５７でｊ＝２となると、ステップ３５８での判定により処理は終了する。

【0075】

（制御装置の動作）
制御装置５０では、まず、制御プログラム取得部６１が、記録媒体７０から制御プログラムを取得して制御プログラム記憶部６２に記憶する。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。

【0076】

図１４は、この制御プログラム実行部６３の動作例を示したフローチャートである。尚、ビード１０１は通常、溶接パスに沿って連続的に形成されるが、ここでは、便宜上、溶接パスに沿って溶接箇所から溶接箇所へ進む動作を繰り返すことによりビード１０１が形成されるものとして、説明する。

【0077】

制御プログラム実行部６３は、まず、溶接パスにおける溶接箇所のインデックスｉを１に設定する（ステップ５０１）。つまり、溶接パスにおける１つ目の溶接箇所に着目する。

【0078】

次に、制御プログラム実行部６３は、溶接パスにおけるインデックスｉの溶接箇所Ｐ（ｉ）を含む領域Ｒ（ｋ）（ｋ＝１，２，…，ｍ）を特定する（ステップ５０２）。例えば、上記概要の第１の実施の形態では、図１３のステップ３５２で設定したＲ（１），Ｒ（２），…，Ｒ（ｍ）のうち、溶接箇所Ｐ（ｉ）を含む領域を、領域Ｒ（ｋ）として特定する。また、上記概要の第２の実施の形態では、図１３のステップ３５２で１つの領域Ｒ（１）しか設定していないので、この領域Ｒ（１）を領域Ｒ（ｋ）として特定する。

【0079】

次いで、制御プログラム実行部６３は、ステップ５０２で特定された領域Ｒ（ｋ）に対して図１３のステップ３５５又はステップ３５６で設定された運棒法にて、溶接箇所Ｐ（ｉ）を溶接するよう溶接ロボット１０を制御する（ステップ５０３）。

【0080】

次いで、制御プログラム実行部６３は、溶接パスにおける溶接箇所のインデックスｉに１を加算する（ステップ５０４）。つまり、溶接パスにおける次の溶接箇所に着目する。

【0081】

これにより、制御プログラム実行部６３は、溶接パスにおける溶接箇所のインデックスｉが溶接パスにおける溶接箇所の個数ｎを超えたかどうかを判定する（ステップ５０５）。

【0082】

溶接パスにおける溶接箇所のインデックスｉが溶接パスにおける溶接箇所の個数ｎを超えていないと判定すれば、制御プログラム実行部６３は、処理をステップ５０２に戻して、以降の処理を繰り返す。一方、溶接パスにおける溶接箇所のインデックスｉが溶接パスにおける溶接箇所の個数ｎを超えたと判定すれば、制御プログラム実行部６３は、処理を終了する。

【0083】

［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、積層造形物１００の積層計画からビード１０１が形成される領域の平坦度を算出し、平坦度が閾値を超える領域に対しては後進溶接にてビード１０１を積層し、それ以外の箇所に対しては前進溶接にてビード１０１を積層するようにした。これにより、ビード１０１を積層することにより積層造形物１００を製造する際に、場所ごとに必要な溶け込み深さを確保することが可能となった。

【0084】

［変形例］
上記では、積層造形物１００の積層計画からビード１０１が形成される領域の平坦度を算出し、平坦度が閾値を超える領域に対しては後進溶接にてビード１０１を積層し、それ以外の箇所に対しては前進溶接にてビード１０１を積層するようにした。しかしながら、ビード１０１が形成される領域の平坦度は算出しなくてもよい。平坦度を算出しなくても未溶着が起き易い箇所であることが予め分かる箇所に対し、後進溶接にてビード１０１を形成するようにしてもよい。例えば、図５に示した隣接する２つのビード１０１の間に形成される狭隘部に対し、後進溶接にてビード１０１を形成するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0085】

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…平坦度算出部、４５…運棒設定部、４６…制御プログラム生成部、４７…制御プログラム出力部、５０…制御装置、６１…制御プログラム取得部、６２…制御プログラム記憶部、６３…制御プログラム実行部、７０…記録媒体

【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】