DE112019007356T5

DE112019007356T5 - Numerische Steuerung und Verfahren zum Steuern einer additiven Herstellungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112019007356T5
Application number: DE112019007356.7T
Authority: DE
Inventors: Seiji Uozumi; Nobuhiro Shinohara; Daiji Morita; Nobuyuki Sumi
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-06-25
Filing date: 2019-06-25
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US11351736B2; JP6758532B1; WO2020261386A1; US20220143928A1; JPWO2020261386A1

Abstract

Eine NC-Vorrichtung (1), die eine numerische Steuerung (1), umfasst: eine Programmanalyseeinheit (23), die ein Bearbeitungsprogramm (20) analysiert, um einen Bewegungspfad zu erhalten, entlang dessen eine Zufuhrposition eines Materials auf einem Werkstück zu bewegen ist; eine Lagertemperaturextraktionseinheit (24), die aus Daten über Oberflächentemperatur des Werkstücks Lagertemperatur in einem Bereich extrahiert, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält; eine Schichtungsvolumenberechnungseinheit (25), die ein Volumen einer Schicht, die das Objekt bildet, auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Lagertemperatur und einem Volumen des Materials berechnet, das sich bei der Lagertemperatur in einer gegebenen Zeit verfestigt; und eine Schichtungsformänderungseinheit (26), die eine Form der Schicht auf der Grundlage des Volumens der Schicht ändert.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine numerische Steuerung, die eine additive Herstellungsvorrichtung steuert, und ein Verfahren zum Steuern einer additiven Herstellungsvorrichtung.
Hintergrund
Additive Herstellungsvorrichtungen zum Herstellen von Objekten mit festen Formen durch die Technologie der direkten Energieablagerung (DED) sind bekannt. Einige additive Herstellungsvorrichtungen schmelzen ein Material lokal durch einen Strahl, der von einem Bearbeitungskopf ausgestrahlt wird, und fügen das geschmolzene Material einem Werkstück zu. Additive Herstellungsvorrichtungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie eine Konstruktion mit hohen Freiheitsgraden ermöglichen. Eine Form, die durch Schneiden schwer zu formen ist, kann durch additive Herstellungsvorrichtungen leicht geformt werden.
In einem Fall, in dem eine additive Herstellungsvorrichtung durch eine numerische Steuerung gesteuert wird, werden die in die numerische Steuerung einzugebenden Bearbeitungsprogramme typischerweise durch eine rechnerunterstützte Fertigung (CAM) erstellt. Die numerische Steuerung analysiert ein Bearbeitungsprogramm, um dadurch einen Bewegungspfad zu erhalten, entlang dessen ein Bearbeitungskopf zu bewegen ist, und zum Erzeugen eines Positionsbefehls, der eine Gruppe von Interpolationspunkten ist, die jeweils pro Zeiteinheit auf dem Bewegungspfad definiert sind. Die numerische Steuerung steuert einen Betriebsmechanismus der additiven Herstellungsvorrichtung in Übereinstimmung mit dem Positionsbefehl. Die numerische Steuerung erzeugt auch Befehle entsprechend einer Bearbeitungsbedingung, die durch das Bearbeitungsprogramm festgelegt ist. Die numerische Steuerung steuert eine Strahlquelle, indem sie Befehle in Übereinstimmung mit den Bedingungen der Strahlleistung erzeugt. Die numerische Steuerung steuert eine Zufuhrquelle des Materials, wie beispielsweise Metallpulver oder ein Metallfilament, indem sie Befehle gemäß den Bedingungen für die Zufuhrmenge des Materials erzeugt.
Die Bestrahlung eines Materials und eines Werkstücks mit Strahlen schmelzt einen Teil des Werkstücks, und auf dem Werkstück bildet sich ein Schmelzbad, in dem sich ein geschmolzenes Material ansammelt. Das in das Schmelzbad zugeführte geschmolzene Material verfestigt sich dann, und auf dem Werkstück wird eine Schicht aus dem verfestigten geschmolzenen Material gebildet. Die numerische Steuerung führt eine Einstellung zum Bilden einer Zielform auf verschiedene Befehlswerte wie eine Bewegungsgeschwindigkeit des Bearbeitungskopfs relativ zu dem Werkstück, eine Materialzufuhrmenge, eine Strahlleistung und eine Gaszufuhrmenge durch.
Patentliteratur 1 lehrt eine additive Herstellungsvorrichtung, die einen Sollwert zum Herstellen eines Objekts mit einer Zielform auf der Grundlage eines Ergebnisses der Überwachung von Temperaturänderungen eines Schmelzbads bestimmt.
Zitierliste
Patentliteratur
Patentliteratur 1: japanische Patentoffenlegung Nr. 2018-34514
Überblick über die Erfindung
Technisches Problem
Die Lagertemperatur eines Werkstücks wird durch sowohl Wärme, die das mit einem Strahl bestrahlte Werkstück erhält, als auch Wärme, die von einer auf dem Werkstück aufgeschichteten Schicht übertragen wird, verändert. Da die Lagertemperatur des Werkstücks bei aufgeschichtetem Material höher ist, dauert es länger, bis sich das Material verfestigt. Da die Zeit, die das Material benötigt, um sich zu verfestigen, länger ist, ist es wahrscheinlicher, dass das aufgeschichtete Material unter der Einwirkung der Schwerkraft seine Form verliert, und es ist daher schwierig für die additive Herstellungsvorrichtung, eine Zielform mit hoher Genauigkeit zu formen. In einigen Fällen kann es daher vorkommen, dass eine additive Herstellungsvorrichtung keine hohe Bearbeitungsgenauigkeit erreicht, selbst wenn die Befehlswerte in ähnlicher Weise wie die Technologie der Patentliteratur 1 bestimmt werden.
Die vorliegende Erfindung wurde in Anbetracht der obigen Ausführungen gemacht, und ein Ziel davon ist es, eine numerische Steuerung bereitzustellen, die es einer additiven Herstellungsvorrichtung ermöglicht, eine Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchzuführen.
Lösung des Problems
Um die oben genannten Probleme zu lösen und das Ziel zu erreichen, steuert eine numerische Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung in Übereinstimmung mit einem Bearbeitungsprogramm eine additive Herstellungsvorrichtung, die ein Objekt durch Aufschichten eines geschmolzenen Materials auf ein Werkstück herstellt. Eine numerische Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: eine Programmanalyseeinheit, die ein Bearbeitungsprogramm analysiert, um einen Bewegungspfad zu erhalten, entlang dessen eine Zufuhrposition eines Materials auf einem Werkstück zu bewegen ist; eine Lagertemperaturextraktionseinheit, die aus Daten über Oberflächentemperatur des Werkstücks Lagertemperatur in einem Bereich extrahiert, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält; eine Schichtungsvolumenberechnungseinheit, die ein Volumen einer Schicht, die das Objekt bildet, auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Lagertemperatur und einem Volumen des Materials berechnet, das sich bei der Lagertemperatur in einer gegebenen Zeit verfestigt; und eine Schichtungsformänderungseinheit, die eine Form der Schicht auf der Grundlage des Volumens der Schicht ändert.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Eine numerische Steuerung gemäß der vorliegenden Erfindung erzielt die vorteilhafte Wirkung, dass die additive Herstellungsvorrichtung die Bearbeitung mit einer hohen Bearbeitungsgenauigkeit durchführen kann.
Figurenliste

1 ist ein Diagramm, das eine additive Herstellungsvorrichtung darstellt, die durch eine numerische Steuerung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesteuert wird.
2 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Hardware-Konfiguration der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
4 ist ein Flussdiagramm, das Betriebsverfahren darstellt, die von der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt werden.
5 ist ein Diagramm, das die Verknüpfung zwischen Oberflächentemperaturdaten, die von einer Lagertemperaturextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden, und einem Bewegungspfad schematisch darstellt.
6 ist ein Graph, das ein Beispiel einer Beziehung darstellt, der für die Berechnung eines Schichtungsvolumens durch eine Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Bearbeitungsprogramm darstellt, das in einer Programmanalyseeinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform eingegeben wird.
8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Objekt darstellt, das in Übereinstimmung mit dem in 7 dargestellten Bearbeitungsprogramm hergestellt wurde.
9 ist ein Diagramm, das Beispiele für Wärmekarten darstellt, die von einer Lagertemperaturextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden.
10 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis vom Extrahieren von Lagertemperatur durch die Lagertemperaturextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erläutert.
11 ist ein erstes Diagramm, das die Bestimmung eines repräsentativen Wertes von Lagertemperatur durch eine Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erläutert.
12 ist ein zweites Diagramm, das die Bestimmung des repräsentativen Wertes von Lagertemperatur durch die Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erläutert.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Ergebnis der Berechnung eines Schichtungsvolumens durch die Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
14 ist ein Diagramm, das Beispiele für Geschwindigkeitswellenformen darstellt, die von einer Befehlswerterzeugungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt werden.
15 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer numerischen Steuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
16 ist ein Flussdiagramm, das Betriebsverfahren darstellt, die von der numerischen Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform durchgeführt werden.
17 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis vom Extrahieren von Schichtungsquerschnittsdaten durch eine Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform erläutert.
18 ist eine Tabelle, die ein Beispiel für den Inhalt von Schichtungszustandsdaten darstellt, die in einer Zustandsdatentabelle der numerischen Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform gespeichert sind.
19 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer numerischen Steuerung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
20 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Vorrichtung für maschinelles Lernen der in 19 dargestellten numerischen Steuerung darstellt.
21 ist ein Diagramm, das einen Fall erläutert, in dem einer von einer Belohnungsberechnungseinheit der in 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen berechnete Belohnung verringert wird.
22 ist ein Graph, der einen Fall erläutert, in dem die von der Belohnungsberechnungseinheit der in 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen berechnete Belohnung verringert wird.
23 ist ein Diagramm, das einen Fall erläutert, in dem eine von der Belohnungsberechnungseinheit der in 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen berechnete Belohnung erhöht wird.
24 ist ein Graph, der einen Fall erläutert, in dem die von der Belohnungsberechnungseinheit der in 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen berechnete Belohnung erhöht wird.
25 ist ein Flussdiagramm, das die Betriebsverfahren der in 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen darstellt.
26 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Vorrichtung für maschinelles Lernen einer numerischen Steuerung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
27 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration eines neuronalen Netzwerkes darstellt, das bei der vierten Ausführungsform zum Lernen verwendet wird.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine numerische Steuerung und ein Verfahren zum Steuern einer additiven Herstellungsvorrichtung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Es sei angemerkt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist. Bei der folgenden Beschreibung kann die numerische Steuerung als numerische Steuerung (NC) bezeichnet werden.
Erste Ausführungsform
1 ist ein Diagramm, das eine additive Herstellungsvorrichtung darstellt, die durch eine numerische Steuerung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gesteuert wird. Bei der additiven Herstellungsvorrichtung 100 handelt es sich um eine Werkzeugmaschine zum Herstellen eines Objekts 15 durch Zufügen eines geschmolzenen Materials 5 auf ein Werkstück. Bei der ersten Ausführungsform handelt es sich bei einem Strahl um einen Laserstrahl und bei dem Material 5 um ein Metallfilament. Das in der additiven Herstellungsvorrichtung 100 verwendete Material 5 ist nicht auf ein Metallfilament beschränkt, sondern kann auch Metallpulver sein.
Die additive Herstellungsvorrichtung 100 formt ein Objekt 15 auf der Oberfläche eines Basismaterials 14 durch Aufschichten von Schichten, die durch Verfestigung des geschmolzenen Materials 5 gebildet werden. Das Basismaterial 14 wird auf eine Plattform 13 gelegt. Bei der folgenden Beschreibung bezieht sich das Werkstück, dem das geschmolzene Material 5 zugefügt wurde, auf das Basismaterial 14 und das Objekt 15. Das in 1 dargestellte Basismaterial 14 ist eine Platte. Das Basismaterial 14 kann auch ein anderes Material als eine Platte sein.
Die additive Herstellungsvorrichtung 100 umfasst einen Bearbeitungskopf 8. Der Bearbeitungskopf 8 weist eine Strahldüse 9, eine Materialdüse 10 und eine Gasdüse 11 auf. Die Strahldüse 9 stößt einen Laserstrahl zu dem Werkstück hin aus. Die Materialdüse 10 befördert das Material 5 hin zu einer Laserstrahlbestrahlungsposition auf dem Werkstück. Die Gasdüse 11 stößt einen Gasstrahl zu dem Werkstück hin aus. Mit den Gasstrahlen verhindert die additive Herstellungsvorrichtung 100 Oxidation des geformten Objekts 15 und kühlt die auf dem Werkstück gebildeten Schichten.
Ein Laseroszillator 2, der eine Strahlquelle darstellt, stößt einen oszillierenden Laserstrahl aus. Der Laserstrahl aus dem Laseroszillator 2 wird über ein Glasfaserkabel 3, das einen optischen Übertragungsweg darstellt, zu der Strahldüse 9 geleitet. Eine Gaszufuhrvorrichtung 6 versorgt die Gasdüse 11 über die Rohrleitung 7 mit Gas.
Eine Materialzufuhrvorrichtung 4 ist eine Zufuhrquelle für das Material 5. Die Materialzufuhrvorrichtung 4 umfasst eine Antriebseinheit zum Zuführen des Materials 5, das ein Metallfilament ist. Das von der Materialzufuhrvorrichtung 4 zugeführte Material 5 durchläuft die Materialdüse 10 und wird der Bestrahlungsposition des Laserstrahls zugeführt.
Eine Kopfantriebseinheit 12 umfasst Servomotoren, die einen Betriebsmechanismus zum Bewegen des Bearbeitungskopfs 8 definieren. Die Kopfantriebseinheit 12 bewegt den Bearbeitungskopf jeweils in Richtung einer X-Achse, einer Y-Achse und einer Z-Achse. Die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse sind drei Achsen, die senkrecht zueinander stehen. Die X-Achse und die Y-Achse sind parallel zu der horizontalen Richtung. Die Richtung der Z-Achse ist eine vertikale Richtung. In 1 sind die Servomotoren nicht dargestellt. Bei der additiven Herstellungsvorrichtung 100 bewegt die Kopfantriebseinheit 12 den Bearbeitungskopf 8, um die Laserstrahlbestrahlungsposition auf dem Werkstück zu bewegen.
Der in 1 dargestellte Bearbeitungskopf 8 stößt den Laserstrahl in Richtung der Z-Achse aus der Strahldüse 9 aus. Die Materialdüse befindet sich in der XY-Ebene von der Strahldüse 9 entfernt und befördert das Material 5 in eine Richtung, die einen Winkel zu der Z-Achse bildet. Der Bearbeitungskopf 8 ist nicht auf einen solchen beschränkt, der das Material 5 in einem Winkel zu der Z-Achse befördert, sondern kann das Material 5 auch entlang der Mittelachse des von der Strahldüse 9 ausgestoßenen Laserstrahls befördern. Somit können die Strahldüse 9 und die Materialdüse 10 koaxial zueinander angeordnet sein. In diesem Fall stößt die Strahldüse 9 einen Laserstrahl aus, dessen Querschnittsform ringförmig um das Material 5 herum angepasst ist, oder stößt mehrere Strahlen aus, die um das Material 5 herum verteilt sind. Diese Laserstrahlen werden so eingestellt, dass sie an der Bestrahlungsposition auf dem Werkstück zusammentreffen.
Die Gasdüse 11 befindet sich an einer Position in der XY-Ebene, die von der Strahldüse 9 entfernt ist, und stößt einen Gasstrahl in einem Winkel zur Z-Achse aus. Die Gasdüse 11 ist nicht auf diejenige beschränkt, die einen Gasstrahl in einem Winkel zu der Z-Achse ausstößt, sondern kann auch einen Gasstrahl entlang der Mittelachse des von der Strahldüse 9 ausgestoßenen Laserstrahls ausstoßen. Somit können die Strahldüse 9 und die Gasdüse 11 koaxial angeordnet sein.
Die additive Herstellungsvorrichtung 100 bewegt die Laserstrahlbestrahlungsposition auf dem Werkstück, indem sie den Bearbeitungskopf 8 relativ zu dem Werkstück bewegt. Alternativ kann die additive Herstellungsvorrichtung 100 die Laserstrahlbestrahlungsposition auf dem Werkstück durch Bewegen des Werkstücks relativ zu dem Bearbeitungskopf 8 bewegen. Es sei angemerkt, dass die Laserstrahlbestrahlungsposition bei der folgenden Beschreibung schlicht als „Bestrahlungsposition“ bezeichnet werden kann.
Eine NC-Vorrichtung 1 steuert die additive Herstellungsvorrichtung 100 in Übereinstimmung mit einem Bearbeitungsprogramm. Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Positionsbefehl an die Kopfantriebseinheit 12 aus, um die Position der Kopfantriebseinheit 12 zu steuern. Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Ausgabebefehl an den Laseroszillator 2 aus, um die Laseroszillation des Laseroszillators 2 zu steuern. Der Ausgabebefehl ist ein Befehl entsprechend der Bedingung der Strahlausgabe.
Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Zufuhrbefehl an die Materialzufuhrvorrichtung 4 aus, um die Materialzufuhrvorrichtung 4 zu steuern. Der Zufuhrbefehl ist ein Befehl entsprechend der Bedingung der Zufuhrmenge des Materials 5. Wenn es sich bei dem Material 5 um ein Metallfilament handelt, kann der von der NC-Vorrichtung 1 ausgegebene Zufuhrbefehl ein Befehl entsprechend der Bedingung der Zuführungsrate des Materials 5 sein. Die Zuführungsrate ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Material 5 von der Materialzufuhrvorrichtung 4 zu der Bestrahlungsposition hin bewegt. Die Zuführungsrate bezieht sich auf die Menge der Zuführung des Materials 5 pro Stunde.
Die NC-Vorrichtung 1 gibt einen Befehl entsprechend der Bedingung der Gaszufuhrmenge an die Gaszufuhrvorrichtung 6 aus, um dadurch die Gaszufuhrmenge der Gaszufuhrvorrichtung 6 zu der Gasdüse 11 zu steuern. Es sei angemerkt, dass die NC-Vorrichtung 1 eine der Komponenten der additiven Herstellungsvorrichtung 100 oder eine Vorrichtung außerhalb der additiven Herstellungsvorrichtung 100 sein kann.
2 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Ein Bearbeitungsprogramm 20, das ein NC-Programm ist, wird in die NC-Vorrichtung 1 eingegeben. Das Bearbeitungsprogramm 20 wird von einer CAN-Vorrichtung erstellt. Die NC-Vorrichtung 1 weist eine Zustandsdatentabelle 21 auf, in der Schichtungszustandsdaten gespeichert sind. Die Schichtungszustandsdaten werden später beschrieben.
Die NC-Vorrichtung 1 weist eine Programmanalyseeinheit 23, die das Bearbeitungsprogramm 20 analysiert, und eine Befehlswerterzeugungseinheit 27 auf, die verschiedene Befehlswerte erzeugt. Die Programmanalyseeinheit 23 analysiert Prozesse, die nach einem aktuell durchgeführten Prozess in dem Bearbeitungsprogramm 20 durchzuführen sind. Die Programmanalyseeinheit 23 analysiert die Inhalte von Prozessen, die in dem Bearbeitungsprogramm 20 beschrieben sind, um dadurch einen Bewegungspfad zu erhalten, entlang dessen eine Zufuhrposition des Materials 5 auf dem Werkstück zu bewegen ist. Bei der folgenden Beschreibung wird Analyse von Prozessen, die nach dem aktuell durchgeführten Prozess durchgeführt werden, als Vorablesen bezeichnet.
Die Programmanalyseeinheit 23 gibt Daten, die den Bewegungspfad angeben, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 und eine Lagertemperaturextraktionseinheit 24 aus, die später beschrieben werden. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt Positionsbefehle, die eine Gruppe von Interpolationspunkten auf dem Bewegungspfad darstellen. Jeder der Interpolationspunkte ist pro Zeiteinheit definiert. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt die Positionsbefehle an die Kopfantriebseinheit 12 aus. Die Kopfantriebseinheit 12 treibt den Bearbeitungskopf 8 in Übereinstimmung mit den Positionsbefehlen an.
Die Programmanalyseeinheit 23 ermittelt die Zufuhrmenge des Materials 5, das der Bestrahlungsposition zugeführt werden soll, und eine Laserstrahlleistung. Die Programmanalyseeinheit 23 gibt einen Befehlswert für die Zufuhrmenge und einen Befehlswert für die Laserstrahlleistung an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt auf der Grundlage der eingegebenen Befehlswerte einen Ausgabebefehl für den Laserstrahl und einen Zufuhrbefehl für das Material 5. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt den Ausgabebefehl des Laserstrahls an den Laseroszillator 2 aus. Der Laseroszillator 2 stößt einen oszillierenden Laserstrahl in Übereinstimmung mit dem Ausgabebefehl aus. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt den Zufuhrbefehl an die Materialzufuhrvorrichtung 4 und führt das Material 5 in Übereinstimmung mit dem Zufuhrbefehl zu. Die NC-Vorrichtung 1 gibt verschiedene Befehle aus, um die gesamte additive Herstellungsvorrichtung 100 zu steuern.
Oberflächentemperaturdaten 22, die die Oberflächentemperatur des Werkstücks angeben, werden in die NC-Vorrichtung 1 eingegeben. Eine Vorrichtung, wie beispielsweise ein Strahlungsthermometer oder ein Infrarotthermograph, die die Oberflächentemperatur misst, ist in der additiven Herstellungsvorrichtung 100 installiert. Die Oberflächentemperaturdaten 22 werden von der Vorrichtung in die NC-Vorrichtung 1 eingegeben. In den 1 und 2 ist die Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur nicht dargestellt.
Die NC-Vorrichtung 1 umfasst die Lagertemperaturextraktionseinheit 24, eine Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 und eine Schichtungsformänderungseinheit 26. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 extrahiert aus den Oberflächentemperaturdaten 22 die Lagertemperatur in einem Bereich, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 berechnet ein Volumen einer Schicht, die ein Objekt bildet, auf der Grundlage der Beziehung zwischen der Lagertemperatur und dem Volumen des Materials, das sich in einer gegebenen Zeit bei der Lagertemperatur verfestigt. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Form der Schicht auf der Grundlage des berechneten Volumens. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 gibt die Lagertemperaturdaten 28 an die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 aus. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 gibt Schichtungsvolumendaten 29 an die Schichtungsformänderungseinheit 26 aus. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt Daten, die die geänderte Form der Schichten angeben, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus.
Als Nächstes wird eine Hardwarekonfiguration der NC-Vorrichtung 1 beschrieben. Die jeweiligen funktionellen Einheiten der in 2 dargestellten NC-Vorrichtung 1 werden durch Ausführen von Programmen zum Durchführen eines Verfahrens zum Steuern der additiven Herstellungsvorrichtung 100 durch Hardware implementiert. Bei der folgenden Beschreibung können die Programme zum Durchführen des Verfahrens zum Steuern der additiven Herstellungsvorrichtung 100 als Steuerprogramme bezeichnet werden.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine Hardwarekonfiguration der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Die NC-Vorrichtung 1 umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 31, die verschiedene Prozesse durchführt, einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 32 mit einem Datenspeicherbereich, einen Festwertspeicher (ROM) 33, der ein nichtflüchtiger Speicher ist, eine externe Speichervorrichtung 34 und eine Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 25 zum Eingeben von Information in die NC-Vorrichtung 1 und zum Ausgeben von Information aus der NC-Vorrichtung 1. Die jeweiligen in der 3 dargestellten Komponenten sind über einen Bus miteinander verbunden.
Die CPU 31 führt Programme durch, die in dem ROM 33 und in der externen Speichervorrichtung 34 gespeichert sind. Die in 2 dargestellte Programmanalyseeinheit 23, die Lagertemperaturextraktionseinheit 24, die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25, die Schichtungsformänderungseinheit 26 und die Befehlswerterzeugungseinheit 27 werden unter Verwendung der CPU 31 implementiert.
Die externe Speichervorrichtung 34 ist eine Festplatte (HDD) oder ein Solid-State-Laufwerk (SSD). Die externe Speichervorrichtung 34 speichert die Steuerprogramme und verschiedene Daten. Die externe Speichervorrichtung 34 speichert die in der 2 dargestellte Zustandsdatentabelle 21. Der ROM 33 speichert Software oder ein Programm zum Steuern von Hardware, die ein Ein-/Ausgabe-Basissystem (BIOS) ist, welches ein Basisprogramm zum Steuern eines Rechners oder einer Steuerung ist, die die NC-Vorrichtung 1 ist, oder ein Boot-Loader wie beispielsweise eine einheitliche erweiterbare Firmwareschnittstelle (UEFI) ist. Es sei angemerkt, dass die Steuerprogramme in dem ROM 33 gespeichert sein können.
Die in dem ROM 33 und in der externen Speichervorrichtung 34 gespeicherten Programme werden in den RAM 32 geladen. Die CPU 31 entwickelt die Steuerprogramme in dem RAM 32, um verschiedene Prozesse durchzuführen. Die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 35 ist eine Schnittstelle zum Verbinden mit Vorrichtungen außerhalb der NC-Vorrichtung 1. An der Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 35 werden das Bearbeitungsprogramm 20 und die Oberflächentemperaturdaten 22 eingegeben. Ferner gibt die Eingabe-/Ausgabeschnittstelle 35 verschiedene Befehle aus. Die NC-Vorrichtung 1 kann eine Eingabevorrichtung, wie beispielsweise eine Tastatur und ein Zeigegerät, und eine Ausgabevorrichtung, wie beispielsweise ein Display, umfassen.
Die Programme zum Durchführen des Verfahrens zum Steuern der additiven Herstellungsvorrichtung 100 gemäß der ersten Ausführungsform können in einem von einem Rechner lesbaren Speichermedium gespeichert sein. Die NC-Vorrichtung 1 kann die in einem Speichermedium gespeicherten Steuerprogramme in der externen Speichervorrichtung 34 speichern. Bei dem Speichermedium kann es sich um ein tragbares Speichermedium, das eine flexible Disk, oder ein Flash-Speicher ist, welcher ein Halbleiterspeicher ist, handeln. Die Steuerprogramme können von einem anderen Rechner oder einem Server über ein Kommunikationsnetzwerk in einen Rechner oder eine Steuerung, die die NC-Vorrichtung 1 ist, installiert werden.
Die Funktionen der NC-Vorrichtung 1 können durch eine Verarbeitungsschaltung implementiert werden, bei der es sich um dedizierte Hardware zum Steuern der additiven Herstellungsvorrichtung 100 handelt. Die Verarbeitungsschaltung ist eine einzelne Schaltung, eine zusammengesetzte Schaltung, ein programmierter Prozessor, ein parallel programmierter Prozessor, eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), ein programmierbare Logik-Gate (FPGA) oder eine Kombination davon. Einige der Funktionen der NC-Vorrichtung 1 können durch dedizierte Hardware implementiert werden und andere können durch Software oder Firmware implementiert werden.
Als Nächstes wird der Betrieb der NC-Vorrichtung 1 erläutert. 4 ist ein Flussdiagramm, das die von der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführten Betriebsverfahren darstellt. In Schritt S1 wird ein Bearbeitungsprogramm 20 in die Programmanalyseeinheit 23 eingegeben.
Das Bearbeitungsprogramm 20 beschreibt Bewegungsbefehle zum Bewegen der Bestrahlungsposition auf einem vorgegebenen Pfad und Geschwindigkeitsbefehle zum Bewegen der Bestrahlungsposition mit vorgegebenen Geschwindigkeiten. Der Inhalt eines Bewegungsbefehls in dem Bearbeitungsprogramm 20 wird durch G-Codes angegeben. Ein G-Code wird durch eine Kombination von dem Zeichen „G“ und einer Zahl angegeben. Der Inhalt eines Geschwindigkeitsbefehls wird durch F-Codes angegeben. Ein F-Code wird durch eine Kombination von dem Zeichen „F“ und einer Zahl angegeben, die einen Geschwindigkeitswert darstellt.
Die in der Zustandsdatentabelle 21 gespeicherten Schichtungszustandsdaten sind ein Satz von: Information, die eine Höhe und eine Breite einer auf dem Werkstück zu bildenden Schicht angibt; und Bedingungen, die zum Bilden der Schicht mit dieser Höhe und Breite nötig sind. Die Information, die für die Bildung der Schicht nötigen Bedingungen angibt, enthält einen Laserstrahlausgabewert, die Zufuhrmenge des Materials 5 und die Geschwindigkeit, mit der die Bestrahlungsposition zu bewegen ist. Wenigstens ein Satz von Schichtungszustandsdaten wird in der Zustandsdatentabelle 21 gespeichert.
Der Laserstrahlausgabewert und die Zufuhrmenge des Materials 5 zum Bilden einer Schicht mit einer gewünschten Höhe und einer gewünschten Breite durch die in dem Bearbeitungsprogramm 20 beschriebenen Funktionen vom G-Codes oder M-Codes werden auf der Grundlage der Schichtungszustandsdaten erhalten. Ein M-Code wird durch eine Kombination von dem Zeichen „M“ und einer Zahl angegeben. Alternativ kann das Bearbeitungsprogramm 20 den Laserstrahlausgabewert und den Zufuhrmengenwert des Materials 5 zum Bilden einer Schicht mit einer gewünschten Höhe und einer gewünschten Breite beschreiben. Nach dem Durchführen von Schritt S1 geht die NC-Vorrichtung 1 zu Schritt S2 über.
In Schritt S2 analysiert die Programmanalyseeinheit 23 den Bewegungspfad der Zufuhrposition des Materials 5 auf dem Werkstück und bestimmt einen Befehlswert sowohl für die Laserstrahlleistung als auch für die Zufuhrmenge des Materials 5. Die Programmanalyseeinheit 23 analysiert den Bewegungspfad der Zufuhrposition auf der Grundlage der in dem Bearbeitungsprogramm 20 beschriebenen Prozessinhalte. Die Programmanalyseeinheit 23 gibt Daten über den Bewegungspfad an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 und die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 aus. Die Programmanalyseeinheit 23 gibt einen in dem Bearbeitungsprogramm 20 beschriebenen Geschwindigkeitsbefehl an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus. Die Programmanalyseeinheit 23 bestimmt auch einen Befehlswert für die Laserstrahlleistung und einen Befehlswert für die Zufuhrmenge des Materials 5 auf der Grundlage der Beschreibung in dem Bearbeitungsprogramm 20 und der Schichtungszustandsdaten. Nach dem Durchführen von Schritt S2 geht die NC-Vorrichtung 1 zu Schritt S3 über.
In Schritt S3 erhält die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 die Oberflächentemperaturdaten 22 des Werkstücks. Bei den Oberflächentemperaturdaten 22 handelt es sich um Wärmebilddaten, die farbcodiert sind, um die Verteilung der Oberflächentemperatur anzuzeigen. In der Wärmekarte ist ein Diagramm zum Darstellen der Form des Werkstücks farbcodiert. Bei den Oberflächentemperaturdaten 22 handelt es sich um statische Bilddaten, die die Verteilung der Oberflächentemperatur zu einem bestimmten Zeitpunkt zeigen. Die Oberflächentemperaturdaten 22 können Teil von Videodaten sein, die den Übergang der Wärmekarte zeigen. Die Oberflächentemperaturdaten 22 sind nicht auf Bilddaten beschränkt. Bei den Oberflächentemperaturdaten 22 kann es sich um Daten handeln, die eine Zuordnung zwischen Koordinaten, die Positionen auf dem Werkstück angeben, und numerischen Werten, die die Oberflächentemperatur angeben, aufweisen. Die Oberflächentemperatur kann von einer Vielzahl von Temperatursensoren gemessen werden. Die Temperatursensoren sind an Positionen installiert, die sich in unterschiedlichen Richtungen vom Werkstück entfernen.
Die Oberflächentemperaturdaten 22 sind nicht auf gemessene Werte der Oberflächentemperatur beschränkt. Bei den Oberflächentemperaturdaten 22 kann es sich um geschätzte Werte der Oberflächentemperatur handeln. Eine Schätzformel, die zum Berechnen eines Schätzwerts verwendet wird, kann eine Schätzformel sein, die auf der Grundlage des Bewegungspfades der Bestrahlungsposition und der Prozessparameter wie des Laserstrahlausgabewerts, der Zufuhrmenge des Materials 5 und der Art des Materials 5 erstellt wird. Bei den Prozessparametern handelt es sich um verschiedene Parameter, die zum Steuern der Schichtbildung eingestellt werden. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 berechnet einen Schätzwert auf der Grundlage der Schätzformel. Nach dem Durchführen von Schritt S3 geht die NC-Vorrichtung 1 zu Schritt S4 über.
In Schritt S4 bringt die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 die Oberflächentemperaturdaten 22 mit dem Bewegungspfad der Zufuhrposition auf dem Werkstück in Verbindung. 5 ist ein Diagramm, das die Verbindung zwischen dem Bewegungspfad und den Oberflächentemperaturdaten schematisch darstellt, die von der Lagertemperaturextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden. In 5 wird die Verteilung der Oberflächentemperatur durch die Dichte der Farbtöne angegeben. Je dunkler der Farbton ist, desto höher ist die Oberflächentemperatur.
Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 extrahiert Programmmerkmalsgrößen, die in den Daten auf dem Bewegungspfad dargestellt sind, und Bildmerkmalsgrößen, die in der Wärmekarte dargestellt sind. Die Programmmerkmalsgrößen sind Merkmalsgrößen, die die Form der zu bildenden Schicht angeben. Die Programmmerkmalsgrößen sind der Inhalt eines Bewegungsbefehls, ein Ergebnis der Erfassung einer Kante an jeder Befehlsposition, ein Bewegungsabstand, die Schichtungsrichtung, die Breite der Schicht, die Höhe der Schicht und dergleichen. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 berechnet Programmerkmalsgrößen an jeder Befehlsposition. Die Bildmerkmalsgrößen werden unter Verwendung von Bildanalyseverfahren wie Kantenerfassung und Binarisierung berechnet.
Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 sortiert die Programmmerkmalsgrößen und die Bildmerkmalsgrößen miteinander, um dadurch die Oberflächentemperaturdaten 22 mit dem Bewegungspfad in Verbindung zu bringen. Auf diese Weise identifiziert die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 die Verteilung der Oberflächentemperatur des Werkstücks in einem Programmkoordinatensystem. Es sei angemerkt, dass sich das Programmkoordinatensystem auf ein Koordinatensystem bezieht, das für die Angabe des Bewegungspfads in dem Bearbeitungsprogramm 20 verwendet wird. Das in 5 dargestellte XYZ-Koordinatensystem ist das Programmkoordinatensystem. In Schritt S4 kann die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 drei oder mehr Merkmalsgrößen anstelle von zwei Merkmalsgrößen zusammentragen, welche die Programmmerkmalgrößen und die Bildmerkmalsgrößen sind. Nach dem Durchführen von Schritt S4 geht die NC-Vorrichtung 1 zu Schritt S5 über.
In Schritt S5 extrahiert die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 aus den Oberflächentemperaturdaten 22 auf dem Werkstück die Lagertemperatur in einem Bereich, der den Bewegungspfad enthält. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 extrahiert eine Oberflächentemperatur in einem Abschnitt des Bewegungspfads, der durch einen vorabgelesenen Bewegungsbefehl angegeben wird, und einen Randbereich des Bewegungspfads in dem Abschnitt, um dadurch die Lagertemperatur in dem Bewegungspfad und den Randbereich zu extrahieren. Der Randbereich, dessen Lagertemperatur zu extrahieren ist, ist als ein Bereich definiert, dessen angesammelte Wärme eine auf dem Bewegungspfad gebildete Schicht beeinflussen kann.
Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 extrahiert die Lagertemperatur des gesamten Abschnitts des Bewegungspfads. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 gibt Daten über die extrahierte Lagertemperatur an die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 aus. Es sei angemerkt, dass die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 nicht die Lagertemperatur des gesamten Abschnitts des Bewegungspfads extrahieren muss, sondern stattdessen eine Lagertemperatur eines Teils des Abschnitts des Bewegungspfads extrahieren kann. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 kann eine Lagertemperatur eines Teils mit einer vorgegebenen Länge des Abschnitts des Bewegungspfads extrahieren. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 kann Lagertemperaturen von Teilen des Abschnitts des Bewegungspfads extrahieren, dessen Teile durch eine vorgegebene Anzahl von Bewegungsbefehlen angegeben sind. Die Länge des Bewegungspfads bzw. die Anzahl der Bewegungsbefehle wird beispielsweise durch eine Parametereingabe des Benutzers der NC-Vorrichtung 1 angegeben. Der Bereich des Randbereichs, dessen Lagertemperatur zu extrahieren ist, kann beispielsweise durch eine Parametereingabe des Benutzers eingestellt werden. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 kann den Bereich bestimmen, über den die Lagertemperatur auf der Grundlage des Bewegungspfads und der Prozessparameter extrahiert wird. Nach dem Durchführen von Schritt S5 geht die NC-Vorrichtung 1 zu Schritt S6 über.
In Schritt S6 berechnet die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 ein Schichtungsvolumen, das als ein Volumen eines Teils einer das Objekt 15 bildenden Schicht definiert ist. Dieser Teil, der das Schichtungsvolumen aufweist, wird als durch ein einmaliges Aufbauen gebildet definiert. Ein einmaliges Aufbauen bezieht sich auf die Bildung einer Schicht vom Beginn der Zugabe des Materials 5 bis zu Beendigung der Zugabe des Materials 5. Jede Schicht des Objekts 15 kann durch mehrmaliges Aufbauen gebildet werden. Auf der Grundlage der Beziehung, welche die Beziehung zwischen dem Schichtungsvolumen und der Lagertemperatur ausdrückt, berechnet die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 das Schichtungsvolumen, das mit der in Schritt S5 extrahierten Lagertemperatur verbunden ist.
6 ist ein Graph, das ein Beispiel einer Beziehung darstellt, die für die Berechnung des Schichtungsvolumens durch die Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform verwendet wird. 6 stellt einen Graph der Beziehung dar. In dem in 6 dargestellten Graph stellt die horizontale Achse die Lagertemperatur dar, und die vertikale Achse stellt das Schichtungsvolumen dar.
Wenn die Lagertemperatur des Werkstücks höher ist, dauert es länger, bis sich das geschmolzene Material 5 verfestigt. Die Beziehung zeigt an, dass die Lagertemperatur und das Schichtungsvolumen so zusammenhängen, dass sich das dem Werkstück zugeführte Material 5 nach Ablauf einer bestimmten Zeit verfestigt. Die Beziehung zwischen einer Lagertemperatur und dem Volumen des Materials 5, das sich in der gegebenen Zeit bei der Lagertemperatur verfestigt, ist eine Beziehung, bei der das Volumen des Materials 5 abnimmt, wenn die Lagertemperatur höher wird. Mit anderen Worten ist die Beziehung zwischen dem Schichtungsvolumen und der Lagertemperatur eine Beziehung, bei der das Schichtungsvolumen mit zunehmender Lagertemperatur abnimmt. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 kann somit das Schichtungsvolumen des Materials 5 erhalten, das sich in der gegebenen Zeit verfestigt. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 gibt an die Schichtungsformänderungseinheit 26 einen Wert aus, der das Ergebnis der Berechnung des Schichtungsvolumens ist.
Die für die Verfestigung des Materials 5 nötige Zeit variiert auch in Abhängigkeit von der Wärmemenge, die von dem zugefügten Material 5 auf das Werkstück übertragen wird. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 kann eine Beziehung aus einer Vielzahl von Beziehungen, die auf der Grundlage der Prozessparameter erstellt wurden, in Abhängigkeit von Schichtungszustandsdaten, die auf der Grundlage einer Höhe und einer Breite einer Schicht angegeben wurden, auswählen. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 hält Beziehungen bereit, die auf der Grundlage der Prozessparameter wie der Laserstrahlleistung, der Zufuhrmenge des Materials 5, der Art des Materials 5 und der Wärmeleitfähigkeit des Werkstücks erstellt wurden. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 verwendet die Beziehung, die in Abhängigkeit von der auf das Werkstück übertragenen Wärmemenge variiert, um dadurch ein Schichtungsvolumen zu erhalten, das die Variation der Zeit für das Verfestigen des Materials 5 weiterhin reduzieren kann.
Alternativ kann die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 das Schichtungsvolumen unter Verwendung einer Beziehung berechnen, die beispielsweise von einem Benutzer durch Eingabe eines Parameters eingestellt wird. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 kann ein Ergebnis der Berechnung des Schichtungsvolumens durch den Zugriff auf einen Server erhalten, der mit der NC-Vorrichtung 1 online verbunden ist. Ein solcher Server hält Beziehungen bereit und berechnet auf der Grundlage der von der NC-Vorrichtung 1 übermittelten Daten über die Lagertemperatur ein mit einer Lagertemperatur verbundenes Schichtungsvolumen.
Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 erhält einen repräsentativen Wert der Lagertemperatur in einem Bereich, der den Bewegungspfad enthält, auf der Grundlage der Daten über die Lagertemperatur in dem Bereich und berechnet ein mit dem repräsentativen Wert verbundenes Schichtungsvolumen. Der repräsentative Wert ist ein Temperaturwert, der aus einer Vielzahl von vorgegebenen Temperaturwerten ausgewählt wird. Der repräsentative Wert kann beispielsweise ein Maximalwert der Lagertemperatur, ein Durchschnittswert der Lagertemperatur oder ein Minimalwert der Lagertemperatur sein. Ferner kann die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 den Wert als den repräsentativen Wert in Abhängigkeit von der Position auf dem Bewegungspfad des Werkstücks ändern. In diesem Fall kann die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 ein Schichtungsvolumen auf der Grundlage einer optimalen Lagertemperatur in Abhängigkeit von der Position auf dem Werkstück berechnen. Nach dem Durchführen von Schritt S6 geht die NC-Vorrichtung 1 zu Schritt S7 über.
In Schritt S7 ändert die Schichtungsformänderungseinheit 26 eine Schichtungslänge auf der Grundlage des in Schritt S6 berechneten Schichtungsvolumens. Die Schichtungslänge ist die Länge einer Schicht in einer Längsrichtung, in der die Bestrahlungsposition bewegt wird. Die Schichtungslänge ist die Länge einer Schicht, die durch ein einmaliges Aufbauen gebildet wird. Wenn das Schichtungsvolumen durch „V“, die Schichtungshöhe durch „h“, die Schichtungsbreite durch „d“, und die Schichtungslänge durch „l“ dargestellt wird, ist die folgende Formel (1) erfüllt. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 berechnet die Schichtungslänge unter Verwendung der folgenden Formel (1).
[Formel 1] $1 = \frac{V}{f (h, d)}$
Die Schichtungshöhe ist eine Höhe einer Schicht in der Höhenrichtung, in der Schichten aufgeschichtet werden. Die Schichtungshöhe ist als eine Höhe einer Schicht definiert, die durch ein einmaliges Aufbauen gebildet wird. Die Schichtungsbreite ist eine Breite einer Schicht in der Breitenrichtung senkrecht zu der Längsrichtung und zu der Höhenrichtung. Die Schichtungsbreite ist als eine Breite einer Schicht definiert, die durch ein einmaliges Aufbauen gebildet wird. Die Schichtungsform bezieht sich auf eine dreidimensionale Form einer durch ein einmaliges Aufbauen gebildeten Schicht.
Bei der Formel (1) stellt f(h, d) eine Querschnittsfläche der Schicht dar. Die Querschnittsfläche ist eine Fläche eines Querschnitts senkrecht zu der Längsrichtung. Die Querschnittsfläche wird durch eine Funktion der Schichtungshöhe und der Schichtungsbreite ausgedrückt. Die Querschnittsfläche kann durch Annähern des Querschnitts der Schicht an eine Form wie beispielsweise eine Ellipse oder ein Viereck berechnet werden. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt einen Wert an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus, der das Ergebnis der Berechnung der Schichtungslänge ist. Nach dem Durchführen von Schritt S7 geht die NC-Vorrichtung 1 zu Schritt S8 über.
In Schritt S8 erzeugt die Befehlswerterzeugungseinheit 27 einen Positionsbefehl auf der Grundlage der in Schritt S6 berechneten Schichtungslänge und der durch den Geschwindigkeitsbefehl angegebenen Geschwindigkeit. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt den erzeugten Positionsbefehl an die Kopfantriebseinheit 12 aus.
In Schritt S9 erzeugt die Befehlswerterzeugungseinheit 27 einen Ausgabebefehl des Laserstrahls und einen Zufuhrbefehl des Materials 5. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt den Ausgabebefehl des Laserstrahls auf der Grundlage des in Schritt S2 bestimmten Befehlswerts. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt den Zufuhrbefehl für das Material 5 auf der Grundlage des in Schritt S2 bestimmten Befehlswerts. Ferner passt die Befehlswerterzeugungseinheit 27 den erzeugten Ausgabebefehl an die in Schritt S8 erzeugte Befehlsposition an. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 passt den erzeugten Zufuhrbefehl an die in Schritt S8 erzeugte Befehlsposition an. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt den Ausgabebefehl an den Laseroszillator 2 aus. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt den Zufuhrbefehl an die Materialzufuhrvorrichtung 4 aus.
Infolge des Durchführens von Schritt S9 beendet die NC-Vorrichtung 1 den Betrieb gemäß dem in 4 dargestellten Verfahren. Die additive Herstellungsvorrichtung 100 stößt einen oszillierenden Laserstrahl gemäß dem Ausgabebefehl aus, bewegt den Bearbeitungskopf 8 gemäß dem Positionsbefehl und führt das Material 5 gemäß dem Zufuhrbefehl zu. Infolge des Betriebs der NC-Vorrichtung 1 gemäß den in 4 dargestellten Verfahren kann die additive Herstellungsvorrichtung 100 eine gewünschte Schichtungsform erhalten.
7 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Bearbeitungsprogramm darstellt, das in die Programmanalyseeinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform eingegeben wird. Das Bearbeitungsprogramm 20 wird von außerhalb der NC-Vorrichtung 1 in die Programmanalyseeinheit 23 eingegeben. 8 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Objekts darstellt, das in Übereinstimmung mit dem in 7 dargestellten Bearbeitungsprogramm gefertigt wurde. Es wird angenommen, dass eine Vielzahl von ringförmigen Schichten in Richtung der Z-Achse aufgeschichtet wird, um dadurch ein Objekt 15 zu bilden.
Es wird angenommen, dass eine notwendige Bedingung für das Bilden einer Schicht mit einer Soll-Schichtungshöhe „h“ und einer Soll-Schichtungsbreite „d“ ist: ein Laserstrahlausgabewert „P1“; eine Zufuhrmenge „W1“ des Materials 5 und eine Geschwindigkeit „F1“, mit der die Bestrahlungsposition bewegt wird. In diesem Fall werden die Schichtungszustandsdaten, die die Werte der Schichtungshöhe „h“, der Schichtungsbreite „d“, den Ausgabewert „P1“, die Zufuhrmenge „W1“ und die Geschwindigkeit „F1“ umfassen, als Schichtungszustandsdaten „D1“ bezeichnet. Bei dem in 7 dargestellten Bearbeitungsprogramm 20 gibt ein Block „N003“ die Schichtungszustandsdaten „D1“ als Bedingung für das Bilden der einzelnen Schichten des Objekts 15 an. Die Bedingung für die Bildung der einzelnen Schichten ist nicht auf die in dem Bearbeitungsprogramm 20 angegebene Bedingung beschränkt und kann durch Benutzereingabevorgänge oder durch eine Vorrichtung außerhalb der NC-Vorrichtung 1 angegeben werden.
Die Soll-Schichtungshöhe und die Schichtungsbreite sind nicht auf die in dem Bearbeitungsprogramm 20 angegebenen Werte beschränkt, sondern können durch Benutzereingabevorgänge oder durch eine externe Vorrichtung angegeben werden. Der Benutzer oder die externe Vorrichtung kann die Soll-Schichtungshöhe und die Schichtungsbreite durch Auswählen einer Bedingung zum Bilden der Schicht aus einer Vielzahl von Bedingungen festlegen, die sich in wenigstens einer der Schichtungshöhe „h“ und der Schichtungsbreite „d“ unterscheiden.
Blöcke „N100“, „N101“, „N102“,... in dem Bearbeitungsprogramm 20 stellen Prozesse zum Bilden einer ersten Schicht dar. Die erste Schicht ist eine erste geformte Schicht des Objekts 15. Der Block „N100“ stellt das Positionieren durch rasche Querbewegung an die Position von Koordinaten (x, y, z) dar. Der Block „N101“ stellt die Bewegung des Bearbeitungskopfs 8 in einem durch „G1“ angegebenen Modus dar, der ein G-Code ist. Der Block „N102“ und die auf den Block „N102“ folgenden Blöcke stellen Koordinatenwerte dar, die die Form der ersten Schicht ausdrücken.
Blöcke „N200“, „N201“, „N202“,... in dem Bearbeitungsprogramm 20 stellen Verfahren zum Bilden einer zweiten Schicht dar. Die zweite Schicht, die eine zweite gebildete Schicht des Objekts 15 ist, wird nahe der ersten Schicht gebildet. Der Block „N200“ stellt das Positionieren durch rasche Querbewegung an die Position von Koordinaten (x2, y2, z2) dar. Der Block „N201“ stellt die Bewegung des Bearbeitungskopfs 8 in einem Modus dar, der durch „G1“ angegebenen ist, was ein G-Code ist. Der Block „N202“ und die auf den Block „N202“ folgenden Blöcke stellen Koordinatenwerte dar, die die Form der zweiten Schicht ausdrücken.
Verfahren zum Bilden vom Schichten nach der zweiten Schicht werden in dem Bearbeitungsprogramm 20 in ähnlicher Weise wie bei der ersten Schicht und der zweiten Schicht beschrieben. Blöcke „NN00“, „NN01“, „NN02“, ... in dem Bearbeitungsprogramm 20 stellen Prozesse zum Bilden einer N-ten Schicht dar, die eine nach der zweiten Schicht gebildete Schicht ist.
Als Nächstes werden die Betriebe der jeweiligen Komponenten der NC-Vorrichtung 1 ausführlich erläutert.
(Programmanalyseeinheit 23)
Die Programmanalyseeinheit 23 liest das in 7 dargestellte Bearbeitungsprogramm 20 vorab, um dadurch einen Bewegungspfad L(i) zu analysieren, entlang dessen der Bearbeitungskopf 8 zu bewegen ist. „i“ stellt eine Schichtnummer dar. Den einzelnen Schichten des Objekts 15 sind Nummern zugeordnet, die die Reihenfolge angeben, in der die Schichten gebildet werden. Die Programmanalyseeinheit 23 gibt Daten, die den Bewegungspfad L(i) angeben, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 und die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 aus.
Die Programmanalyseeinheit 23 liest aus der Zustandsdatentabelle 21 die in dem Bearbeitungsprogramm 20 angegebenen Schichtungszustandsdaten „D1“. Die Programmanalyseeinheit 23 liest die Schichtungszustandsdaten „D1“, um die Werte des Ausgabewerts „P1“, der Zufuhrmenge „W1“ und der Geschwindigkeit „F1“ zu erhalten. Die Programmanalyseeinheit 23 gibt die Werte des Ausgabewertes „P1“, der Zufuhrmenge „W1“ und der Geschwindigkeit „F1“ an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus. Es sei angemerkt, dass die Programmanalyseeinheit 23 das Bearbeitungsprogramm 20 bezüglich die Schichten parallel zu den Prozessen analysiert, die von der Lagertemperaturextraktionseinheit 24, der Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 und der Schichtungsformänderungseinheit 26 durchgeführt werden.
(Lagertemperaturextraktionseinheit 24)
Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 erhält die Oberflächentemperaturdaten 22 auf dem Werkstück. Die Oberflächentemperaturdaten 22 sind Bilddaten auf einer Wärmekarte K(t). „t“ stellt die Zeit dar. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 bringt die Oberflächentemperaturdaten 22 mit dem Bewegungspfad L(i) in Verbindung und extrahiert die Lagertemperatur des Bewegungspfads L(i) und des äußeren Bereichs des Bewegungspfads L(i).
9 ist ein Diagramm, das Beispiele von Wärmekarten darstellt, die durch die Lagertemperaturextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erhalten werden. 9 stellt eine Wärmekarte K(tN1) zu dem Zeitpunkt „tN1“, wenn eine N1-te Schicht gebildet wird, und eine Wärmekarte K(tN2) zu dem Zeitpunkt „tN2“, wenn eine N2-te Schicht gebildet wird. Die N1-te Schicht ist eine von zwei gegebenen Schichten, und die N2-te Schicht ist die andere von diesen beiden Schichten. Die N1-te Schicht ist eine Schicht bei i = N1. Die N2-te Schicht ist eine Schicht bei i = N2. N1 und N2 sind beliebige Zahlen von 1, 2, ..., N, ..., die N1 < N2 erfüllen.
Der Bewegungspfad L(N1) ist ein Bewegungspfad zum Bilden der N1-ten Schicht. Der Bewegungspfad L(N1) ist ein ringförmiger Pfad. Der Bewegungspfad L(N2) ist ein Bewegungspfad zum Bilden der N2-ten Schicht. Der Bewegungspfad L(N2) ist ein ringförmiger Pfad ähnlich dem Bewegungspfad L(N1), außer dass der Bewegungspfad L(N2) in Richtung der Z-Achse an einer höheren Position als der Bewegungspfad L(N1) liegt.
Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 extrahiert eine Programmmerkmalsmenge „PA“ und eine Bildmerkmalsmenge „PB“ über die N1-te Schicht. Die Programmmerkmalsmenge „PA“ wird in den Daten des Bewegungspfads L(N1) und die Bildmerkmalsmenge „PB“ in der Wärmekarte K(tN1) dargestellt. Die Programmmerkmalsmenge „PA“ und die Bildmerkmalsmenge „PB“ sind jeweils eine Merkmalsmenge einer Schichtform, die wenigstens eines der Elemente ist, die die Form wie die Krümmung der Ringform der Schicht, die Schichtungshöhe und die Schichtungsbreite ausdrücken. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 erhält die Programmmerkmalsmenge „PA“ für jeden Bewegungsbefehl des Bearbeitungsprogramms 20. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 erhält aus der Wärmekarte K(tN1) die Bildmerkmalsmenge „PB“, die Datenmenge über wenigstens eines der Elemente ist, die die Form ausdrücken. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 trägt die Programmmerkmalsmenge „PA“ und die Bildmerkmalsmenge „PB“ zusammen, um dadurch die Wärmekarte K(tN1) mit dem Bewegungspfad L(N1) in Verbindung zu bringen. Auch für den Bewegungspfad L(N2) bringt die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 die Wärmekarte K(tN2) mit dem Bewegungspfad L(N2) in ähnlicher Weise wie mit dem Bewegungspfad L(N1) in Verbindung.
10 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis des Extrahierens der Lagertemperatur durch die Lagertemperaturextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. 10 stellt die Daten der extrahierten Lagertemperatur in der gleichen Weise wie die in 9 dargestellten Wärmekarten dar.
Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 extrahiert aus der Wärmekarte K(tN1) die Lagertemperatur eines Bereichs, der den Bewegungspfad L(N1) enthält. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 extrahiert die Lagertemperatur eines Bereichs in einem bestimmten Bereich in Richtung der Z-Achse, in der die Schichten aufgeschichtet sind. Der Bereich des Randbereichs, dessen Lagertemperatur zu extrahieren ist, wird beispielsweise durch eine Benutzereingabe eines Parameters festgelegt. Auf der Grundlage von dem Bewegungspfad L(N1) und von Prozessparametern wie dem Ausgabewert „P1“, der Zufuhrmenge „W1“ und der Geschwindigkeit „F1“ kann die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 den Bereich des Randbereichs bestimmen, dessen Lagertemperatur zu extrahieren ist. Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 gibt die Daten über die extrahierte Lagertemperatur für den Bewegungspfad L(N1) an die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 aus.
Auch für den Bewegungspfad L(N2) extrahiert die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 aus der Wärmekarte K(tN2) die Lagertemperatur eines Bereichs, der den Bewegungspfad L(N2) enthält, in ähnlicher Weise wie für den Bewegungspfad L(N1). Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 gibt die Daten über die für den Bewegungspfad L(N2) extrahierte Lagertemperatur an die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 aus.
(Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25)
Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 bestimmt auf der Grundlage der für den Bewegungspfad L(i) extrahierten Daten über die Lagertemperatur einen repräsentativen Wert für die Lagertemperatur in jedem in dem Bewegungspfad L(i) enthaltenen Abschnitt. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 berechnet ein Schichtungsvolumen unter Verwendung des bestimmten repräsentativen Werts. Bei der ersten Ausführungsform wählt die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 einen repräsentativen Wert aus vier vorgegebenen Werten „T1“, „T2“, „T3“ und „T4“ aus, die die Lagertemperaturen für jeden Abschnitt des Bewegungspfads L(i) darstellen.
11 ist ein erstes Diagramm, das die Bestimmung des repräsentativen Werts der Lagertemperatur durch die Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erläutert. 12 ist ein zweites Diagramm, das die Bestimmung des repräsentativen Werts der Lagertemperatur durch die Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erläutert. In 12 sind „T1“, „T2“, „T3“ und „T4“ in demselben Graph wie der in 6 dargestellte Graph erläutert. Wie in 12 dargestellt, erfüllen „T1“, „T2“, „T3“ und „T4“ die Relation T1 < T2 < T3 < T4.
Zwei Abschnitte L1(N1) und L2(N1) für jeden Bewegungsbefehl sind in dem Bewegungspfad L(N1) enthalten. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 bestimmt einen repräsentativen Wert in jedem der Abschnitte L1(N1) und L2(N1) des Bewegungspfads L(N1). Wenn der Wert, der der durchschnittlichen Lagertemperatur in dem Abschnitt L1(N1) am nächsten liegt, „T1“ unter „T1“, „T2“, „T3“ und „T4“ ist, bestimmt die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25, dass „T1“ der repräsentative Wert in dem Abschnitt L1(N1) ist. Wenn der Wert, der der durchschnittlichen Lagertemperatur in dem Abschnitt L2(N1) am nächsten liegt, „T2“ unter „T1“, „T2“, „T3“ und „T4“ ist, bestimmt die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25, dass „T2“ der repräsentative Wert in dem Abschnitt L2(N1) ist.
Drei Abschnitte L1(N2), L2(N2) und L3(N2) für jeden Bewegungsbefehl sind in dem Bewegungspfad L(N2) enthalten. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 bestimmt auch einen repräsentativen Wert in jedem der Abschnitte L1(N2), L2(N2) und L3(N2) in ähnlicher Weise wie bei dem Bewegungspfad L(N1). Es wird angenommen, dass die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 bestimmt hat, dass die repräsentativen Werte in dem Abschnitt L1 (N2), in dem Abschnitt L2(N2) und in dem Abschnitt L3(N2) jeweils „T2“, „T3“ und „T4“ sind. Es sei angemerkt, dass ein repräsentativer Wert der Lagertemperatur in jedem Abschnitt des Bewegungspfads L(i) ein solcher Wert wie der Maximalwert der Lagertemperatur in jedem Abschnitt, der Minimalwert der Lagertemperatur in jedem Abschnitt oder der Durchschnittswert der Lagertemperatur in jedem Abschnitt sein kann.
Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 berechnet auf der Grundlage einer vorgegebenen Beziehung das Volumen einer Schicht, die auf dem Werkstück durch ein einmaliges Aufbauen für den Bewegungspfad L(i) zu bilden ist. Wenn jedes von „T1“, „T2“, „T3“ und „T4“ in die Beziehung eingesetzt wird, ist das berechnete Schichtungsvolumen jeweils „V1“, „V2“, „V3“ und „V4“. „V1“, „V2“, „V3“ und „V4“ erfüllen die Relation V1 > V2 > V3 > V4. Da eine Beziehung angibt, dass das Schichtungsvolumen abnimmt, wenn die Lagertemperatur höher ist, verringert die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 das Volumen einer Schicht, die durch ein einmaliges Aufbauen an einem Teil mit einer höheren Lagertemperatur auf dem Bewegungspfad L(i) zu bilden ist. Somit kann die NC-Vorrichtung 1 Variation der Zeit, die das Material 5 zum Verfestigen auf dem Bewegungspfad L(i) benötigt, reduzieren.
In einem Abschnitt mit einer hohen Lagertemperatur verringert sich das Volumen einer Schicht, die durch ein einmaliges Aufbauen zu bilden ist, und die zum Aufbauen nötige Zeit wird im Vergleich zu anderen Abschnitten erhöht. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 kann auf der Grundlage des berechneten Schichtungsvolumens die zum Aufbauen in jedem Abschnitt nötige Zeit abschätzen und die Reihenfolge des Aufbauens so ändern, dass ein Abschnitt, der eine längere Zeit als eine bestimmte zum Aufbauen nötige Zeit, später aufgebaut wird. D. h., die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 ändert die Reihenfolge des Aufbauens in jedem der Abschnitte, die in dem Bewegungspfad enthalten sind, auf der Grundlage des Schichtungsvolumens. Die NC-Vorrichtung 1 kann somit die für die Schichtbildung nötige Zeit verkürzen.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Ergebnis der Berechnung eines Schichtungsvolumens durch die Schichtungsvolumenberechnungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform darstellt. Die folgende Beschreibung beruht auf der Annahme, dass V2=(V1)/2, V3=(V1)/4 und V4=(V1)/8 gelten.
„T1“ wird in die Beziehung eingesetzt, um dadurch das Schichtungsvolumen „V1“ in dem Abschnitt L1(N1) des Bewegungspfads L(N1) bereitzustellen. „T2“ wird in die Beziehung eingesetzt, um dadurch das Schichtungsvolumen „V2“ in dem Abschnitt L2(N1) des Bewegungspfads L(M1) bereitzustellen. Somit veranlasst die NC-Vorrichtung 1 die additive Herstellungsvorrichtung 100, in dem Abschnitt L2(N1) ein Schichtungsvolumen von „V1“ pro Aufbauen zu bilden. Die NC-Vorrichtung 1 veranlasst die additive Herstellungsvorrichtung 100, in dem Abschnitt L2(N1) ein Schichtungsvolumen von „V2“ pro Aufbauen zu bilden.
„T2“ wird in die Beziehung eingesetzt, um dadurch das Schichtungsvolumen „V2“ in dem Abschnitt L1(N2) des Bewegungspfads L(N2) bereitzustellen. „T3“ wird in die Beziehung eingesetzt, um dadurch das Schichtungsvolumen „V3“ in dem Abschnitt L2(N2) des Bewegungspfads L(N2) bereitzustellen. „T4“ wird in die Beziehung eingesetzt, um dadurch das Schichtungsvolumen „V4“ in dem Abschnitt L3(N2) des Bewegungspfads L(N2) bereitzustellen. Somit veranlasst die NC-Vorrichtung 1 die additive Herstellungsvorrichtung 100, in dem Abschnitt L1(N2) ein Schichtungsvolumen von „V2“ pro Aufbauen zu bilden. Die NC-Vorrichtung 1 veranlasst die additive Herstellungsvorrichtung 100, in dem Abschnitt L2(N2) ein Schichtungsvolumen von „V3“ pro Aufbauen zu bilden. Die NC-Vorrichtung 1 veranlasst die additive Herstellungsvorrichtung 100, in dem Abschnitt L3(N2) ein Schichtungsvolumen von „V4“ pro Aufbauen zu bilden.
Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 gibt die Ergebnisse der Berechnung der Schichtungsvolumen für den Bewegungspfad L(N1) und den Bewegungspfad L(N2) an die Schichtungsformänderungseinheit 26 aus. Bei der ersten Ausführungsform berechnet die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 die Schichtungsvolumen für jeden Bewegungspfad zusammen. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 kann die Schichtungsvolumen in jedem Abschnitt des Bewegungspfads berechnen. In diesem Fall kann die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 die Schichtungsvolumen parallel zu den Prozessen berechnen, die von der Schichtungsformänderungseinheit 26 und der Befehlswerterzeugungseinheit 27 durchgeführt werden.
(Schichtungsformänderungseinheit 26)
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungslänge in Abhängigkeit von dem Schichtungsvolumen in jedem Abschnitt, der in dem Bewegungspfad L(i) enthalten ist, um die Schichtungsform zu ändern. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungslänge, indem sie die Schichtungslänge auf der Grundlage des von der Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 berechneten Schichtungsvolumens berechnet. Dabei berechnet die Schichtungsformänderungseinheit 26 die Schichtungslänge „l“ unter Verwendung der folgenden Formel (2) unter der Annahme, dass die Querschnittsfläche der Schicht ein Viereck ist. Der Schichtungshöhe „h“ und der Schichtungsbreite „d“ werden Werte zugeordnet, die in den Schichtungszustandsdaten „D1“ festgelegt werden.
[Formel 2] $1 = \frac{V}{h \times d}$
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 erhält die Schichtungslänge l(i) in jedem Abschnitt des Bewegungspfads L(i). Die Schichtungsformänderungseinheit 26 erhält „l1“ und „l2“ für den in 13 dargestellten Bewegungspfad L(N1). „l1“ ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L1(N1), und „l2“ ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L2(N1). „l2“ ist die Hälfte von „l1“.
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 erhält „l1‟'+, „l2'“ und „l3‟' für den in 13 dargestellten Bewegungspfad L(N2). „l1‟' ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L1(N2), „l2‟' ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L2(N2), und „l3‟' ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L3(N2). „l1''' ist die Hälfte von „l1“ und gleich „l2“. „12‟' ist die Hälfte von „l1‟, d. h. ein Viertel von „l1“. „l3‟' ist ein Viertel von „l1‟', d. h. ein Achtel von „l1“. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungsform, indem sie die Schichtungslänge l(i) in Abhängigkeit von dem Schichtungsvolumen ändert. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt das Ergebnis der Berechnung der Schichtungslänge l(i) an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus.
(Befehlswerterzeugungseinheit 27)
Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt einen Positionsbefehl, einen Ausgabebefehl und einen Zufuhrbefehl auf der Grundlage der von der Schichtungsformänderungseinheit 26 eingegebenen Schichtungslänge l(i) und der von der Programmanalyseeinheit 23 eingegebenen Geschwindigkeit „F1“. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt eine Geschwindigkeit Fc(i, t) der Bestrahlungsposition auf der Grundlage der Schichtungslänge l(i) und des Geschwindigkeitswerts „F1“ auf dem Bewegungspfad L(i). Die Geschwindigkeit Fc(i, t) ist eine Bewegungsgeschwindigkeit der Bestrahlungsposition zu einem bestimmten Zeitpunkt „t“ auf dem Bewegungspfad L(i). Spezifische Prozesse, die von der Befehlswerterzeugungseinheit 27 durchgeführt werden, umfassen einen Beschleunigungs-/Verzögerungsprozess zum Erzeugen einer Geschwindigkeitswellenform für Beschleunigung oder Verzögerung bei einer vorgegebenen Beschleunigungsrate und einen Glättungsprozess zum Glätten der erzeugten Geschwindigkeitswellenform. Der Glättungsprozess wird auch als gleitender Durchschnittsfilterprozess bezeichnet.
14 ist ein Graph, der Beispiele von Geschwindigkeitswellenformen darstellt, die von der Befehlswerterzeugungseinheit der numerischen Steuerung gemäß der ersten Ausführungsform erzeugt werden. 14 stellt eine Geschwindigkeitswellenform einer Geschwindigkeit Fc(N1, t) bei dem Bilden der N1-ten Schicht und eine Geschwindigkeitswellenform einer Geschwindigkeit Fc(N2, t) bei dem Bilden der N2-ten Schicht dar.
Die additive Herstellungsvorrichtung 100 bewegt den Bearbeitungskopf 8 auf dem Bewegungspfad L(N1) und L(N2) in Übereinstimmung mit den in 14 dargestellten Geschwindigkeitswellenformen. Die additive Herstellungsvorrichtung 100 führt somit einmal das Aufbauen durch, um dadurch die Schichtungslänge „l1“ pro Aufbauen in dem Abschnitt L1(N1) bereitzustellen, und führt zweimal das Aufbauen durch, um dadurch die Schichtungslänge „l2“ pro Aufbauen in dem Abschnitt L2(N1) bereitzustellen. Ferner führt die additive Herstellungsvorrichtung 100 zweimal das Aufbauen durch, um dadurch die Schichtungslänge von „l1“ pro Aufbauen in dem Abschnitt L1(N2) bereitzustellen, und führt zweimal das Aufbauen durch, um dadurch die Schichtungslänge von „l2“ pro Aufbauen in dem Abschnitt L2(N2) bereitzustellen, und führt viermal das Aufbauen durch, um dadurch die Schichtungslänge von „l3“ pro Aufbauen in dem Abschnitt L3(N2) bereitzustellen.
Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erhält die Koordinaten von interpolierten Punkten durch einen Interpolationsprozess. Ein interpolierter Punkt zeigt eine Position des Bearbeitungskopfs 8 zu jeder Zeiteinheit, wenn der Bearbeitungskopf 8 mit der Geschwindigkeit Fc(i, t) nach dem Glättungsprozess bewegt wird. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt zu jeder Zeiteinheit eine Befehlsposition an die Kopfantriebseinheit 12 aus, die ein interpolierter Punkt ist. Die NC-Vorrichtung 1 steuert somit die Bewegung des Bearbeitungskopfs 8, sodass Sollpositionen mit dem Laserstrahl bestrahlt werden.
Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt einen Ausgabebefehl, der ein Befehl in Abhängigkeit von der Bedingung der Laserstrahlausgabe ist. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt den Ausgabebefehl, d. h. einen Ausgabewert Pc(i, t) auf der Grundlage des Ausgabewerts „P1“ des Laserstrahls. Der Ausgabewert Pc(i, t) ist ein Ausgabewert des Laserstrahls zu einem bestimmten Zeitpunkt „t“ auf dem Bewegungspfad L(i).
Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt einen Zufuhrbefehl, der ein Befehl in Abhängigkeit von der Bedingung der Zufuhrmenge des Materials 5 ist. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 erzeugt den Zufuhrbefehl, d. h. eine Zufuhrmenge Wc(i, t) auf der Grundlage der Zufuhrmenge „W1“. Die Zufuhrmenge Wc(i, t) ist eine Zufuhrmenge des Materials 5 zu einem bestimmten Zeitpunkt „t“ auf dem Bewegungspfad L(i).
Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 stellt den Ausgabewert Pc(i, t) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit Fc(i, t) gemäß der folgende Formel (3) ein.
[Formel 3] $Pc (i, t) = \frac{Fc (i, t)}{F} P$
Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 stellt die Zufuhrmenge Wc(i, t) in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit Fc(i, t) gemäß der folgenden Formel (4) ein.
[Formel 4] $Pc (i, t) = \frac{Fc (i, t)}{F} P$
In den Formeln (3) und (4) stellt „P“ den in den Schichtungszustandsdaten beschriebenen Ausgabewert, „W“ die in den Schichtungszustandsdaten beschriebene Zufuhrmenge und „F“ die in den Schichtungszustandsdaten beschriebene Geschwindigkeit dar. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt den Ausgabewert Pc(i, t) an den Laseroszillator 2 aus. Die NC-Vorrichtung 1 steuert somit die Laserstrahlleistung. Die Befehlswerterzeugungseinheit 27 gibt die Zufuhrmenge Wc(i, t) an die Materialzufuhrvorrichtung 4 aus. Die NC-Vorrichtung 1 steuert somit die Zufuhrmenge des Materials 5.
Gemäß der ersten Ausführungsform berechnet die NC-Vorrichtung 1 unter Verwendung der Lagertemperatur des Werkstücks ein Schichtungsvolumen, das die Variation der zum Verfestigen des Materials 5 nötige Zeit reduzieren kann, und ändert die Schichtungsform auf der Grundlage des berechneten Schichtungsvolumens. Die NC-Vorrichtung 1 ändert die Schichtungsform, sodass das Schichtungsvolumen mit erhöhter Lagertemperatur abnimmt. Da sowohl die Schichtungshöhe als auch die Schichtungsbreite in den Schichtungszustandsdaten festgelegt sind, verringert die NC-Vorrichtung 1 das Schichtungsvolumen durch Verkürzen der Schichtungslänge. Die NC-Vorrichtung 1 veranlasst die additive Herstellungsvorrichtung 100, in einem Abschnitt, für den die Schichtungslänge verkürzt wird, mehrere Male das Aufbauen durchzuführen. Die NC-Vorrichtung 1 kann die von dem Material 5 auf das Werkstück übertragene Wärmemenge und den Anstieg der Lagertemperatur reduzieren, indem sie das Schichtungsvolumen eines Teils mit einer hohen Lagertemperatur verringert.
Die NC-Vorrichtung 1 reduziert die Variation der zum Verfestigen des Materials 5 nötigen Zeit, wodurch es möglich ist, einen Formverlust zu reduzieren, der durch eine lange zum Verfestigen des Materials 5 nötige Zeit verursacht wird. Die NC-Vorrichtung 1, die den Formverlust des Objekts reduzieren kann, ermöglicht es der additiven Herstellungsvorrichtung 100, Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchzuführen. Infolgedessen erzeugt die NC-Vorrichtung 1 die vorteilhafte Wirkung, dass die additive Herstellungsvorrichtung 100 Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchführen kann.
Zweite Ausführungsform
15 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer numerischen Steuerung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine NC-Vorrichtung 50 gemäß der zweiten Ausführungsform umfasst zusätzlich zu der in 2 dargestellten Konfiguration der NC-Vorrichtung 1 eine Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 und eine Schichtungszustandsänderungseinheit 53. Bei der zweiten Ausführungsform werden dieselben Komponenten wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform durch dieselben Bezugszeichen dargestellt, und die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in den Aspekten, die hauptsächlich beschrieben werden.
Zusätzlich zu dem Bearbeitungsprogramm 20 und den Oberflächentemperaturdaten 22 werden Formdaten 51 in die NC-Vorrichtung 50 eingegeben. Die Formdaten 51 sind Daten, die die Form eines Objekts 15 angeben. Eine Vorrichtung, die die Form des Objekts 15 erfasst, ist in der additiven Herstellungsvorrichtung 100 installiert. Die Formdaten 51 werden von der Vorrichtung in die NC-Vorrichtung 50 eingegeben. Ein Beispiel für eine solche Vorrichtung ist eine Kamera, die das modellierte Objekt 15 abbildet. In der 15 ist die Vorrichtung, die die Form des Schichtungsquerschnitts erfasst, nicht dargestellt.
Die Programmanalyseeinheit 23 gibt Daten, die einen Bewegungspfad angeben, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27, die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 und die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 aus. Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 extrahiert aus den Formdaten 21 Schichtungsquerschnittsdaten in einem Bereich, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält. Bei den Schichtungsquerschnittsdaten handelt es sich um Daten, die die Form eines Schichtungsquerschnitts angeben. Der Schichtungsquerschnitt, der ein Querschnitt einer das Objekt 15 bildenden Schicht ist, ist senkrecht zu der Längsrichtung der Schicht. Die Daten des Schichtungsquerschnitts umfassen einen Wert für die Schichtungshöhe und einen Wert für die Schichtungsbreite. Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 25 gibt die Schichtungsquerschnittsdaten an die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 und die Schichtungsformänderungseinheit 26 aus.
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert wenigstens eine der Schichtungshöhe, der Schichtungsbreite und der Schichtungslänge, um dadurch die Form der Schicht zu ändern. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt Daten die die geänderte Form der Schicht angeben, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 und die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 aus.
Die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 ändert wenigstens einen der Zustände, einschließlich der Geschwindigkeit der Bestrahlungsposition, der Laserstrahlleistung und der Zufuhrmenge des Materials 5. Die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 gibt die Daten, die den geänderten Zustand angeben, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus.
Die jeweiligen funktionellen Einheiten der NC-Vorrichtung 50 werden durch das Durchführen von Programmen zum Durchzuführen eines Verfahrens zum Steuern der additiven Herstellungsvorrichtung 100 durch Hardware implementiert. Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 und die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 werden unter Verwendung der in 3 dargestellten CPU 31 implementiert.
Als Nächstes wird der Betrieb der NC-Vorrichtung 50 erläutert. 16 ist ein Flussdiagramm, das die von der numerischen Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform durchgeführten Betriebsprozesse darstellt. Die Prozesse in den Schritten S1 bis S3 sind ähnlich denen in 4. In Schritt S11 nach Schritt S3 erhält die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 die Formdaten 51. Die Prozesse in den Schritten S4 und S5 sind ähnlich denen in 4.
In Schritt S12 nach Schritt S5 bringt die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 die Formdaten 51 mit dem Bewegungspfad der Zufuhrposition auf dem Werkstück in Verbindung. Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 bringt die Formdaten 51 mit dem Bewegungspfad in Verbindung, um dadurch die Form des Objekts 15 in dem Programmkoordinatensystem zu identifizieren. Nach dem Durchführen von Schritt S12 geht die NC-Vorrichtung 50 zu Schritt S13 über.
In Schritt S13 extrahiert die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 aus den Formdaten 51 Schichtungsquerschnittsdaten in einem Bereich, der den Bewegungspfad enthält. Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 extrahiert die Schichtungsquerschnittsdaten in einem Abschnitt eines Bewegungspfades, der durch einen vorabgelesenen Bewegungsbefehl und in einem Randbereich des Bewegungspfads in dem Abschnitt bezeichnet ist. Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 gibt die extrahierten Schichtungsquerschnittsdaten an die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 und die Schichtungsformänderungseinheit 26 aus. Die von der Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 extrahierten Schichtungsquerschnittsdaten sind gemessene Werte, die auf den Formdaten 51 des modellierten Objekts 15 beruhen. Die Schichtungsquerschnittsdaten sind nicht auf gemessene Werte beschränkt, sondern können auch geschätzte Werte sein. Eine Schätzungsformel, die zum Berechnen eines geschätzten Werts verändert wird, kann eine Schätzungsformel sein, die auf der Grundlage des Bewegungspfads der Bestrahlungsposition und Prozessparametern wie der Laserstrahlleistung, der Zufuhrmenge des Materials 5 und der Art des Materials 5 erstellt wird. Nach dem Durchführen von Schritt S13 geht die NC-Vorrichtung 50 zu Schritt S6 über. Der Prozess in Schritt S6 ist ähnlich dem in 4.
In Schritt S14 nach Schritt S6 ändert die Schichtungsformänderungseinheit 26 eine Schichtungshöhe, eine Schichtungsbreite und eine Schichtungslänge. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungshöhe und die Schichtungsbreite auf der Grundlage der in Schritt S13 extrahierten Schichtungsquerschnittsdaten. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungslänge auf der Grundlage des in Schritt S6 berechneten Schichtungsvolumens und der geänderten Schichtungshöhe und Schichtungsbreite. Die Berechnung der Schichtungshöhe, der Schichtungsbreite und der Schichtungslänge durch die Schichtungsformänderungseinheit 26 wird später beschrieben. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt Werte, die das Ergebnis der Berechnung der Schichtungshöhe und der Schichtungsbreite sind, an die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 aus. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt einen Wert, der das Ergebnis der Berechnung der Schichtungslänge ist, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus. Nach dem Durchführen vom Schritt S14 geht die NC-Vorrichtung 50 zu Schritt S15 über.
In Schritt S15 liest die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 einen Teil der Schichtungszustandsdaten aus den Schichtungszustandsdaten, die in der Zustandsdatentabelle 51 enthalten sind. Die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 wählt Schichtungszustandsdaten aus, die die gleiche Kombination wie eine Kombination der Schichtungshöhe und der Schichtungsbreite umfassen, die die Berechnungsergebnisse in Schritt S14 sind, liest die ausgewählten Schichtungszustandsdaten und ändert den Schichtungszustand. Auf der Grundlage der gelesenen Schichtungszustandsdaten gibt die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 den Ausgabewert des Laserstrahls, der Zufuhrmenge des Materials 5 und der Geschwindigkeit, mit der die Bestrahlungsposition zu bewegen ist, an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus. Nach dem Durchführen von Schritt S15 geht die NC-Vorrichtung 50 zu Schritt S8 über. Die Prozesse in den Schritten S8 und S9 sind ähnlich denen der 4. Infolge des Durchführens vom Schritt S9 beendet die NC-Vorrichtung 50 den Betrieb gemäß den in 16 dargestellten Prozessen.
Als Nächstes wird die Funktionsweise der einzelnen Komponenten der NC-Vorrichtung 50 im Detail erläutert.
(Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52)
Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 erhält die Formdaten 51 des Objekts 15. Die Formdaten 51 sind statische Bilddaten, die durch Abbilden des Objekts 15 zu einem bestimmten Zeitpunkt erhalten werden. Die Formdaten 51 können Teil von Videodaten sein. Die von einer Vielzahl von Kameras erfassten Formdaten 51 können in die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 eingegeben werden. Die Kameras sind an Positionen in sich voneinander unterscheidenden Richtungen von dem Objekt 15 installiert Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 bringt die Formdaten 51 mit dem Bewegungspfad L(i) in Verbindung und extrahiert die Schichtungsquerschnittsdaten auf dem Bewegungspfad L(i) und in dem Randbereich des Bewegungspfads L(i).
17 ist ein Diagramm, das ein Ergebnis des Extrahierens von Schichtungsquerschnittsdaten durch die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit der numerischen Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform darstellt. Eine N1-te Schicht und eine N2-te Schicht sind zwei gegebene Schichten in ähnlicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform. 17 zeigt ein Beispiel für ein Ergebnis des Extrahierens der Schichtungsquerschnittsdaten in einem Bereich, der den Bewegungspfad L(N1) enthält, und ein Beispiel für ein Ergebnis des Extrahierens der Schichtungsquerschnittsdaten in einem Bereich, der den Bewegungspfad L(N2) enthält. In 17 ist die Form einer Schicht, die durch die extrahierten Schichtungsquerschnittsdaten ausgedrückt wird, durch durchgezogene Linien dargestellt, und die Form der N1-ten Schicht und die Form der N2-ten Schicht sind durch gestrichelte Linien dargestellt.
Der Bereich des Randbereichs, dessen Schichtungsquerschnittsdaten zu extrahieren sind, wird beispielsweise durch eine Benutzereingabe eines Parameters festgelegt. Auf der Grundlage der Bewegungspfade L(N1) und L(N2) und Prozessparameter wie des Ausgabewerts „P1“, der Zufuhrmenge „W1“ und der Geschwindigkeit „F1“ kann die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 die Bereiche der Randbereiche bestimmen, deren Schichtungsquerschnittsdaten zu extrahieren sind. Die Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit 52 gibt die Schichtungsquerschnittsdaten, die für die Bewegungspfade L(N1) und L(N2) extrahiert wurden, an die Schichtungsformänderungseinheit 26 aus.
(Schichtungsformänderungseinheit 26)
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungshöhe h(i) und die Schichtungsbreite d(i) auf dem Bewegungspfad L(i) auf der Grundlage der extrahierten Schichtungsquerschnittsdaten. Ferner ändert die Schichtungsformänderungseinheit 26 die Schichtungslänge l(i) auf dem Bewegungspfad L(i) in Abhängigkeit von dem Schichtungsvolumen, der Schichtungshöhe h(i) und der Schichtungsbreite d(i).
Es wird angenommen, dass die Schichtungshöhe „2h“ und die Schichtungsbreite „d/2“ in den für den Bewegungspfad L(N1) extrahierten Schichtungsquerschnittsdaten ist. In diesem Fall ändert die Schichtungsformänderungseinheit 26 die Schichtungshöhe h(N1) von „h“ auf „2h“. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungsbreite d(N1) von „d“ auf „d/2“. Es wird angenommen, dass die Schichtungshöhe „2h“ und die Schichtungsbreite „d“ in den für den Bewegungspfad L(N2) extrahierten Schichtungsquerschnittsdaten ist. In diesem Fall ändert die Schichtungsformänderungseinheit 26 die Schichtungshöhe h(N2) von „h“ auf „2h“. Die Schichtungsänderungseinheit 26 behält die Schichtungsbreite d(N2) unverändert als „d“ bei.
Es wird angenommen, dass der Bewegungspfad L(N1) zwei Abschnitte L1(N1) und L2(N1) umfasst, wie bei der ersten Ausführungsform in den 13 und 14 dargestellt. Ferner wird angenommen, dass der Bewegungspfad L(N2) drei Abschnitte L1(N2), L2(N2) und L3(N2) umfasst. Des Weiteren wird angenommen, dass die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 wie bei der ersten Ausführungsform die Schichtungsvolumen in dem Abschnitt L1(N1) und in dem Abschnitt L2(N2) berechnet, um jeweils „V1“ und „V2“ bereitzustellen. Außerdem wird angenommen, dass die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 die Schichtungsvolumen in dem Abschnitt L1(N2), in dem Abschnitt L2(N2) und in dem Abschnitt L3(N2) berechnet, um jeweils „V2“, „V3“ und „V4“ zu erhalten. Darüber hinaus wird angenommen, dass wie bei der ersten Ausführungsform V2 = (V1)/2, V3 = (V1)/4 und V4 = (V1)/8 gelten.
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 berechnet die Schichtungslänge „l“ unter Verwendung der Formel (2) unter der Annahme, dass die dreidimensionale Form der Schicht ein Quader ist. In der Formel (2) werden der Schichtungshöhe „h“ und der Schichtungsbreite „d“ Werte zugeordnet, die von der Schichtungsformänderungseinheit 26 berechnet werden.
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 erhält „l4“ und „l5“ in dem in 13 dargestellten Bewegungspfad L(N1). „l4“ ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L1(N1), und „l5“ ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L2(N1). „l4“ ist gleich „l1“, was die Schichtungslänge in dem Abschnitt L1(N1) bei der ersten Ausführungsform ist. „l5“ ist die Hälfte von „l4“.
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 erhält „l4'“ und „l5'“ in dem in 13 dargestellten Bewegungspfad L(N2). „l4'“ ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L1(N2), „l5'“ ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L2(N2) und „l6'“ ist die Schichtungslänge in dem Abschnitt L3(N2). „l4'“ ist ein Viertel von „l4“. „l5'“ ist die Hälfte von „l4'“, d. h. ein Achtel von „l4“. „l6'“ ist ein Viertel von „l4'“, d. h. ein Sechzehntel von „l4“.
Die Schichtungsformänderungseinheit 26 ändert die Schichtungslänge l(i) in Abhängigkeit von dem Schichtungsvolumen, der Schichtungshöhe h(i) und der Schichtungsbreite d(i) in der obigen Weise, um dadurch die Schichtungsform zu ändern. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt das Ergebnis der Berechnung der Schichtungshöhe h(i) und das Ergebnis der Berechnung der Schichtungsbreite d(i) an die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 aus. Die Schichtungsformänderungseinheit 26 gibt das Ergebnis der Berechnung der Schichtungslänge l(i) an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus.
(Schichtungszustandsänderungseinheit 53)
Die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 ändert die Geschwindigkeit „F“ der Bestrahlungsposition, den Ausgabewert „P“ des Laserstrahls und die Zufuhrmenge „W“ des Materials 5 auf der Grundlage der Schichtungshöhe h(i) und der Schichtungsbreite d(i), die von der Schichtungsformänderungseinheit 26 eingegeben werden.
18 ist eine Tabelle, die ein Beispiel für den Inhalt von Schichtungszustandsdaten darstellt, die in einer Zustandsdatentabelle der numerischen Steuerung gemäß der zweiten Ausführungsform gespeichert sind. In 18 werden die Werte der Schichtungshöhe, der Schichtungsbreite, der Geschwindigkeit der Bestrahlungsposition, der Zufuhrmenge des Materials 5 und des Ausgabewerts des Laserstrahls für jede der vier in der Zustandsdatentabelle 21 gespeicherten Schichtungszustandsdaten „D1“, „D2“, „D3“ und „D4“ beschrieben.
Da die berechnete Schichtungshöhe h(N1) „2h“ und die berechnete Schichtungsbreite d(N1) „d/2“ ist, wählt die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 die Schichtungszustandsdaten „D2“ aus, bei denen die Schichtungshöhe „2h“ und die Schichtungsbreite „d/2“ für den Bewegungspfad L(N1) ist. Infolge des Änderns der Schichtungszustandsdaten von „D1“ auf „D2“ ändert die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 die Geschwindigkeit von „F1“ auf „F2“, den Ausgabewert von „P1“ auf „P2“ und die Zufuhrmenge von „W1“ auf „W2“. Die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 gibt die Geschwindigkeit „F2“, den Ausgabewert „P2“ und die Zufuhrmenge „W2“ an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus.
Da die berechnete Schichtungshöhe h(N2) „2h“ und die berechnete Schichtungsbreite d(N2) „d“ ist, wählt die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 die Schichtungszustandsdaten „D3“ aus, bei denen die Schichtungshöhe „2h“ und die Schichtungsbreite „d“ für den Bewegungspfad L(N2) ist. Infolge des Änderns der Schichtungszustandsdaten von „D1“ auf „D3“ ändert die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 die Geschwindigkeit von „F1“ auf „F3“, den Ausgabewert von „P1“ auf „P3“ und die Zufuhrmenge von „W1“ auf „W3“. Die Schichtungszustandsänderungseinheit 53 gibt die Geschwindigkeit „F3“, den Ausgabewert „P3“ und die Zufuhrmenge „W3“ an die Befehlswerterzeugungseinheit 27 aus.
Gemäß der zweiten Ausführungsform ändert die NC-Vorrichtung 50 die Schichtungshöhe, die Schichtungsbreite und/oder die Schichtungslänge, um dadurch die Schichtungsform zu ändern. Die NC-Vorrichtung 50 ändert die Schichtungsform, sodass das Schichtungsvolumen mit erhöhter Lagertemperatur abnimmt, um die Variationen der Zeit, die das Material 5 zum Verfestigen benötigt, zu reduzieren. Die NC-Vorrichtung 50, die den Formverlust des Objekts 15 verringern kann, ermöglicht es der additiven Herstellungsvorrichtung 100, Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchzuführen. Infolgedessen erzeugt die NC-Vorrichtung 50 die vorteilhafte Wirkung, dass die additive Herstellungsvorrichtung 100 Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchführen kann. Ferner ermöglicht die NC-Vorrichtung 50, die die Schichtungshöhe und die Schichtungsbreite auf der Grundlage der Schichtungsquerschnittsdaten für den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthaltenen Bereich bestimmt, der additiven Herstellungsvorrichtung 100 das Modellieren mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
Dritte Ausführungsform
19 ist ein Diagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer numerischen Steuerung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Bei der NC-Vorrichtung 60 gemäß der dritten Ausführungsform wird die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen durch maschinelles Lernen bestimmt. Die NC-Vorrichtung 60 umfasst zusätzlich zu der Konfiguration der NC-Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform eine funktionelle Konfiguration für maschinelles Lernen. Bei der dritten Ausführungsform werden dieselben Komponenten wie in der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform durch dieselben Bezugszeichen dargestellt, und die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten und zweiten Ausführungsform in den Aspekten, die hauptsächlich beschrieben werden.
Die NC-Vorrichtung 60 umfasst zusätzlich zu der funktionellen Konfiguration der NC-Vorrichtung 1 gemäß der ersten Ausführungsform eine Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen, eine Entscheidungseinheit 62 und eine Höhenmesseinheit 63. Die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen lernt die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen. Die Entscheidungseinheit 62 bestimmt die in 6 dargestellte Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen auf der Grundlage eines Ergebnisses des Lernens durch die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen.
Die Formdaten 51 werden wie bei der zweiten Ausführungsform in die NC-Vorrichtung 60 eingegeben. Die Höhenmesseinheit 63 misst die Schichtungshöhe auf der Grundlage der Formdaten 51. Die Programmanalyseeinheit 23 gibt Daten, die einen Bewegungspfad angeben, an die Höhenmesseinheit 63 aus. Die Höhenmesseinheit 63 misst die Schichtungshöhe in einem Bereich, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält, und gibt dadurch Höhendaten 64 an die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen aus. Die Höhendaten 64 sind Daten, die die Höhe einer auf dem Werkstück gebildeten Schicht angeben.
Die Lagertemperaturextraktionseinheit 24 gibt die Lagertemperaturdaten 28 an die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen aus. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 gibt die Schichtungsvolumendaten 29 an die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen aus. Die Lagertemperaturdaten 28, die Schichtungsvolumendaten 29 und die Höhendaten 64 werden in die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen eingegeben.
20 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration der Vorrichtung für maschinelles Lernen der in 19 dargestellten numerischen Steuerung darstellt. Die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen umfasst eine Zustandsbeobachtungseinheit 65 und eine Lerneinheit 66. Die Lagertemperaturdaten 28, die Schichtungsvolumendaten 29 und die Höhendaten 64 werden in die Zustandsbeobachtungseinheit 65 eingegeben. Die Zustandsbeobachtungseinheit 65 beobachtet die Lagertemperatur, das von der Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 berechnete Schichtungsvolumen und die auf dem Werkstück gebildeten Höhendaten 64 als Zustandsvariablen. Die Lerneinheit 66 lernt die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen anhand eines Trainingsdatensatzes, der auf der Grundlage der Zustandsvariablen erstellt wird.
Es kann ein beliebiger Lernalgorithmus von der Lerneinheit 66 verwendet werden. Es wird ein Beispiel beschrieben, in dem das Verstärkungslernen auf den Lernalgorithmus angewendet wird. Beim Verstärkungslernen beobachtet ein Handlungssubjekt, d. h. ein Agent in einer Umgebung, einen aktuellen Zustand und bestimmt eine Handlung, die ausgeführt werden sollte. Der Agent erhält eine Belohnung von der Umgebung als Ergebnis der Auswahl einer Handlung und lernt Maßnahmen, die die meisten Belohnungen durch eine Reihe von Handlungen erhalten können. Q-Lernen, TD-Lernen und dergleichen sind als typische Techniken des Verstärkungslernens bekannt. In Falle des Q-Learnings wird beispielsweise eine Handlungswerttabelle, die eine typische Formel zum Aktualisieren einer Handlungswertfunktion Q(s, a) ist, durch die folgende Formel (5) ausgedrückt. Die Handlungswertfunktion Q(s, a) stellt einen Handlungswert Q dar, der ein Wert einer Handlung des Auswählens einer Handlung „a“ in einer Umgebung „s“ ist.
[Formel 5] $Q (s_{t}, a_{t}) \leftarrow Q (s_{t}, a_{t}) + α (r_{t + 1} + γ {max}_{a} Q (s_{t + 1}, a_{t}) - Q (s_{t}, a_{t}))$
In der Formel (5) steht „s_t+1“ für die Umgebung zu dem Zeitpunkt „t“. „a_t“ steht für eine Handlung zu dem Zeitpunkt „t“. Das „at“ ändert die Umgebung auf „s_t+i“. „r_t+1“ steht für eine Belohnung, die infolge der Änderung der Umgebung gegeben wird. „γ“ steht für eine Herabsetzungsrate. „a“ steht für einen Lernkoeffizienten. In diesem Fall, in dem Q-Lernen angewendet wird, ist der Wert des Schichtungsvolumens eine Handlung „at“.
Die durch die Formel (5) ausgedrückte Aktualisierungsformel erhöht einen Handlungswert Q, wenn der Handlungswert der besten Handlung „a“ zu dem Zeitpunkt „t+1“ größer ist als der Handlungswert Q einer zu dem Zeitpunkt „t“ durchgeführten Handlung „a“, oder verringert den Handlungswert Q in dem gegenteiligen Fall. Mit anderen Worten: die Handlungswertfunktion Q(s, a) wird so aktualisiert, dass sich der Handlungswert Q der Handlung „a“ zu dem Zeitpunkt „t“ dem besten Handlungswert zu dem Zeitpunkt „t+1“ annähert. Infolgedessen wird der beste Handlungswert in einer Umgebung sequentiell auf Handlungswerte in früheren Umgebungen übertragen.
Die Lerneinheit 66 umfasst eine Belohnungsberechnungseinheit 67 und eine Funktionsaktualisierungseinheit 68. Die Belohnungsberechnungseinheit 67 berechnet eine Belohnung auf der Grundlage der Zustandsvariablen. In Übereinstimmung mit der von der Belohnungsberechnungseinheit 67 berechneten Belohnung aktualisiert die Funktionsaktualisierungseinheit 68 eine Funktion zum Bestimmen der Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen.
Die Belohnungsberechnungseinheit 67 berechnet eine Belohnung „r“ auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses zwischen der Variation der Höhe einer gebildeten Schicht und einem Schwellenwert. Wenn die Variation der Höhe der gebildeten Schicht beispielsweise gleich oder kleiner als der Schwellenwert in Folge einer Änderung in dem Wert des Schichtungsvolumens relativ zu einer Lagertemperatur wird, erhöht die Belohnungsberechnungseinheit 67 die Belohnung „r“. Die Belohnungsberechnungseinheit 67 erhöht die Belohnung „r“, indem sie „1“ ausgibt, das ein Belohnungswert ist. Es sei angemerkt, dass der Belohnungswert nicht auf „1“ beschränkt ist. Wenn die Variation der Höhe der gebildeten Schicht infolge einer Änderung des Schichtungsvolumenwerts relativ zu einer Lagertemperatur größer als der Schwellenwert wird, verringert die Belohnungsberechnungseinheit 67 die Belohnung „r“. Die Belohnungsberechnungseinheit 67 verringert die Belohnung „r“, indem sie „-1“ ausgibt, was ein Belohnungswert ist. Es sei angemerkt, dass der Belohnungswert nicht auf „-1“ beschränkt ist.
In Übereinstimmung mit der von der Belohnungsberechnungseinheit 67 berechneten Belohnung aktualisiert die Funktionsaktualisierungseinheit 68 eine Funktion zum Bestimmen der Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen. Die Funktion kann beispielsweise durch Aktualisierung einer Handlungswerttabelle in Übereinstimmung mit dem Trainingsdatensatz aktualisiert werden. Bei der Handlungswerttabelle handelt es sich um einen Datensatz, in dem eine Handlung und ein Handlungswert in Form einer Tabelle miteinander verknüpft sind. Im Falle des Q-Lernens wird beispielsweise die durch die Formel (5) ausgedrückte Handlungswertfunktion Q(s_t, a_t) als eine Funktion zum Berechnen von Parameterwerten verwendet, die für eine Beziehung der Lagertemperatur und des Schichtungsvolumens verwendet werden.
Die Erhöhung oder Verringerung der Belohnung „r“, die von der Belohnungsberechnungseinheit 67 berechnet wird, wird nun erläutert. 21 und 22 sind ein Diagramm und ein Graph zum Erläutern eines Falls, in dem die von der Belohnungsberechnungseinheit der in 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen berechnete Belohnung verringert wird. 23 und 24 sind ein Diagramm und ein Graph zum Erläutern eines Falls, in dem die von der Belohnungsberechnungseinheit der in 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen berechnete Belohnung erhöht wird.
Die 21 zeigt ein Beispiel für ein Objekt 15 mit einer Schicht 15a, das durch die in 1 dargestellte additive Herstellungsvorrichtung 100 gefertigt wurde. Das in 22 dargestellte Diagramm stellt die Relation zwischen einer Position auf einem Bewegungspfad und der Höhe der Schicht 15a dar. Es wird angenommen, dass die Höhe der Schicht 15a in dem in den 21 und 22 dargestellten Beispiel variiert. 23 zeigt ein weiteres Beispiel für ein Objekt 15 mit einer Schicht 15a, die mit der in 1 dargestellten additiven Herstellungsvorrichtung 100 gefertigt wurde. Das in 24 dargestellte Programm gibt die Relation zwischen einer Position auf einem Bewegungspfad und der Höhe der Schicht 15a an. Es wird angenommen, dass die Höhe der Schicht 15a in dem in den 23 und 24 dargestellten Beispiel wenig variiert.
Die Belohnungsberechnungseinheit 67 berechnet die Variation der Höhe der Schicht 15a auf der Grundlage der Höhendaten 64 der Schicht 15a. Die Belohnungsberechnungseinheit 67 erhält als einen Wert, der die Variation angibt, eine Differenz zwischen dem höchsten Wert und dem niedrigsten Wert unter den Werten der Höhen der Schicht 15a an einzelnen Positionen auf dem Bewegungspfad. Die Belohnungsberechnungseinheit 67 vergleicht die Differenz mit einem Schwellenwert. Der Schwellenwert, der im Vorhinein festgelegt wird, ist ein Index zum Bestimmen, ob die Höhenvariation der Schicht 15a so groß ist, dass sie die Bauqualität des Objekts 15 beeinträchtigt oder nicht. Der Schwellenwert wird durch einen Benutzereingabevorgang festgelegt. In den 21 und 22 dargestellten Beispiel verhindert die Belohnungsberechnungseinheit 67 die Belohnung „r“, wenn die Belohnungsberechnungseinheit 67 festgestellt hat, dass die Variation größer als der Schwellenwert ist. In den 23 und 24 dargestellten Beispiel verringert die Belohnungsberechnungseinheit 67 die Belohnung „r“, wenn die Belohnungsberechnungseinheit 67 festgestellt hat, dass die Variation gleich oder kleiner als der Schwellenwert ist.
25 ist ein Flussdiagramm, das die Betriebsprozesse der in der 20 dargestellten Vorrichtung für maschinelles Lernen darstellt. Ein Verstärkungslernverfahren zum Aktualisieren der Handlungswertfunktion Q(s,a) wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 25 erläutert.
Wenn eine Schicht 15a von der additiven Herstellungsvorrichtung 100 gebildet wird, erhält die Zustandsbeobachtungseinheit 65 in Schritt S21 Zustandsvariablen der Schicht 15a. In Schritt S22 berechnet die Belohnungsberechnungseinheit 67 die Höhenvariation der Schicht 15a. In Schritt S23 berechnet die Belohnungsberechnungseinheit 67 eine Belohnung „r“ auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses zwischen der in Schritt S22 berechneten Variation und einem Schwellenwert.
In Schritt S24 aktualisiert die Funktionsaktualisierungseinheit 68 die Handlungswertfunktion Q(s, a) auf der Grundlage der in Schritt S23 berechneten Belohnung „r“. Die Funktionsaktualisierungseinheit 68 aktualisiert die Handlungswertfunktion Q(s, a) in Übereinstimmung mit der Formel (5).
In Schritt S25 bestimmt die Funktionsaktualisierungseinheit 68, ob die Handlungswertfunktion Q(s, a) konvergiert hat oder nicht. Die Funktionsaktualisierungseinheit 68 bestimmt, dass die Handlungswertfunktion Q(s, a) konvergiert hat, wenn die Handlungswertfunktion Q(s, a) in Abschnitt S24 nicht mehr aktualisiert wird.
Wenn bestimmt wird, dass die Handlungswertfunktion Q(s, a) nicht konvergiert hat (Schritt S25, Nein), kehrt die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen mit den Vorgangsprozessen zu Schritt S21 zurück. Wenn bestimmt wird, dass die Handlungswertfunktion Q(s, a) konvergiert hat (Schritt S25, Ja), wird das Lernen durch die Lerneinheit 66 beendet. Die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen beendet somit den Betrieb gemäß dem in 25 dargestellten Verfahren. Es sei angemerkt, dass die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen den Betriebsprozess von Schritt S24 bis Schritt S21 zurückkehren kann, um das Lernen fortzusetzen, ohne die Bestimmung in Schritt S25 durchzuführen.
Auf der Grundlage des Ergebnisses des Lernens durch die Lerneinheit 66, d. h. der aktualisierten Handlungswertfunktion Q(s, a), wählt die Entscheidungseinheit 62 eine Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen aus, die die meisten Belohnungen bereitstellt. Die Entscheidungseinheit 62 gibt die ausgewählte Relation an die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 aus.
Während die dritte Ausführungsform anhand des Beispiels beschrieben wurde, indem das Verstärkungslernen auf den von der Lerneinheit 66 verwendeten Lernalgorithmus angewendet wird, kann auch ein anderes Lernen als das Verstärkungslernen auf den Lernalgorithmus angewendet werden. Die Lerneinheit 66 kann maschinelles Lernen durchführen, indem sie einen anderen bekannten Lernalgorithmus als das Verstärkungslernen verwendet, wie beispielsweise Deep Learning, ein neuronales Netzwerk, genetische Programmierung, funktionale Logikprogrammierung oder eine Support-Vektor-Maschine.
Die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen ist nicht auf die in der NC-Vorrichtung 60 enthaltene Vorrichtung beschränkt. Die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen kann eine Vorrichtung außerhalb der NC-Vorrichtung 60 sein. Die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen kann eine Vorrichtung sein, die über ein Netzwerk mit der NC-Vorrichtung 60 verbunden werden kann. Die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen kann eine Vorrichtung sein, die in einem Cloud-Server vorhanden ist.
Gemäß der dritten Ausführungsform bestimmt die NC-Vorrichtung 60 die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen auf der Grundlage eines Ergebnisses des Lernens durch die Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 kann das Schichtungsvolumen des Materials 5, das sich in einer bestimmten Zeit verfestigt, genau berechnen. Infolgedessen ermöglicht die NC-Vorrichtung 60 es der additiven Herstellungsvorrichtung 100, die Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchzuführen. Es sei angemerkt, dass die bei der dritten Ausführungsform beschriebene Funktionskonfiguration für maschinelles Lernen der NC-Vorrichtung 50 gemäß der zweiten Ausführungsform zugefügt werden kann.
Vierte Ausführungsform
Eine vierte Ausführungsform wird anhand eines Beispiels beschrieben, in dem die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen durch überwachtes Lernen bestimmt wird. 26 ist ein Blockdiagramm, das eine funktionelle Konfiguration einer Vorrichtung für maschinelles Lernen einer numerischen Steuerung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Eine Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen gemäß der vierten Ausführungsform ist in der NC-Vorrichtung 60 enthalten, die derjenigen der dritten Ausführungsform ähnlich ist. Die Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen ist in der NC-Vorrichtung 60 anstelle von der in 19 dargestellten Vorrichtung 61 für maschinelles Lernen enthalten.
Bei der vierten Ausführungsform werden die Bauqualitätsdaten 75 in die NC-Vorrichtung 60 eingegeben. Die Bauqualitätsdaten 75, bei denen es sich um Daten handelt, die die Bauqualität des Objekts 15 angeben, werden von einem Benutzer, der die Bauqualität bewertet hat, in die NC-Vorrichtung 60 eingegeben. Die Modellierungsqualitätsdaten 75 können in die NC-Vorrichtung 60 durch eine Qualitätsbewertungsvorrichtung eingegeben werden, die die Bauqualität des Objekts 15 auf der Grundlage eines Messungsergebnisses der Form des Objekts 15 bewertet. Die Qualitätsbewertungsvorrichtung kann eine Vorrichtung außerhalb der NC-Vorrichtung 60 sein oder in der NC-Vorrichtung 60 enthalten sein. Bei der vierten Ausführungsform wird die Qualitätsbewertungsvorrichtung nicht dargestellt.
Die Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen umfasst eine Zustandsbeobachtungseinheit 72, eine Datenerfassungseinheit 73 und eine Lerneinheit 74. Die Lagertemperaturdaten 28 und die Schichtungsvolumendaten 29 werden in die Zustandsbeobachtungseinheit 72 eingegeben. Die Bauqualitätsdaten 75 werden in die Datenerfassungseinheit 73 eingegeben. Die Zustandsbeobachtungseinheit 72 beobachtet als Zustandsvariablen die Lagertemperatur und das von der Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 berechnete Schichtungsvolumen. Die Zustandsbeobachtungseinheit 72 gibt die Zustandsvariablen an die Lehreinheit 74 aus. Die Datenerfassungseinheit 73 erhält die Bauqualitätsdaten 75, die Lehrdaten sind. Die Datenerfassungseinheit 73 gibt die Lehrdaten an die Lerneinheit 74 aus. Die Lerneinheit 74 lernt die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen in Übereinstimmung mit einem Datensatz, der auf der Grundlage einer Kombination aus den Lehrdaten und den Zustandsvariablen erstellt wird.
Die Lerneinheit 74 lernt die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen durch sogenanntes überwachtes Lernen, wie beispielsweise nach einem neuronalen Netzwerkmodell. Es sei angemerkt, dass sich das überwachte Lernen auf ein Modell bezieht, dass der Lerneinheit 74 eine große Anzahl von Datensätzen gibt, um die Lerneinheit 74 zu veranlassen, die Merkmale der Datensätze zu lernen und ein Ergebnis aus einer Eingabe abzuschätzen. Ein Datensatz umfasst eine Eingabe und ein Kennzeichen, dass ein der Eingabe zugeordnetes Ergebnis darstellt. Das neuronale Netzwerk besteht aus einer Eingabeschicht, einer verborgenen Schicht und einer Ausgabeschicht. Die Eingabeschicht ist durch eine Vielzahl von Neuronen definiert. Die verborgene Schicht ist eine Zwischenschicht, die durch eine Vielzahl von Neuronen definiert ist. Die Ausgabeschicht ist durch eine Vielzahl von Neuronen definiert. Die Anzahl der Zwischenschichten kann eine, zwei oder mehr sein.
27 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für eine Konfiguration eines neuronalen Netzwerks darstellt, das für das Lernen bei der vierten Ausführungsform verwendet wird. Das in der 27 dargestellte neuronale Netzwerk ist ein neuronales Netzwerk mit drei Schichten. Eine Eingabeschicht umfasst die Neuronen X1, X2 und X3. Eine Zwischenschicht umfasst die Neuronen Y1 und Y2. Eine Ausgabeschicht umfasst die Neuronen Z1, Z2 und Z3. Es sei angemerkt, dass die Anzahl der Neuronen in jeder Schicht beliebig sein kann. Eine Vielzahl von Werten, die in die Eingabeschicht eingegeben werden, werden mit w11, w12, w13, w14, w15 und w16 multipliziert, die Gewichte W1 sind, und in die Zwischenschicht eingegeben. Eine Vielzahl von Werten, die in die Zwischenschicht eingegeben werden, werden mit w21, w22, w23, w24, w25 und w26 multipliziert, die Gewichte W2 sind, und von der Ausgabeschicht ausgegeben. Die von der Ausgabeschicht ausgegebenen Ergebnisse variieren in Abhängigkeit von den Werten der Gewichte W1 und W2.
Das neuronale Netzwerk der Lerneinheit 74 lernt die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen durch sogenanntes überwachtes Lernen in Übereinstimmung mit einem Datensatz, der auf der Grundlage einer Kombination der von der Zustandsbeobachtungseinheit 72 beobachteten Lagertemperatur und des Schichtungsvolumens und der von der Datenerfassungseinheit 73 erhaltenen Bauqualitätsdaten 75 erstellt wurde. Insbesondere lernt das neuronale Netzwerk die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen, indem es die Gewichte W1 und W2 so einstellt, dass die Ergebnisse, die von der Ausgabeschicht als Reaktion auf die Eingabe des Werts der Lagertemperatur und des Werts des Schichtungsvolumens in die Eingabeschicht ausgegeben werden, näher an die Lerndaten, d. h. die Bauqualitätsdaten 75, herankommen.
Das neuronale Netzwerk kann die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen auch durch sogenanntes unüberwachtes Lernen erlernen. Unüberwachtes Lernen bezieht sich auf ein Modell, bei dem eine große Menge an Eingabedaten an die Lerneinheit 74 gegeben werden, ohne dass diese mit Lerndaten versorgt wird, damit die Lerneinheit 74 lernt, wie die Eingabedaten verteilt werden.
Eine Technik des unüberwachten Lernens ist die Clusterbildung, die Eingabedaten auf der Grundlage der Ähnlichkeit der Eingabedaten sortiert. Unter Verwendung des Ergebnisses der Clusterbildung ordnet die Lerneinheit 74 die Ausgaben zu, sodass ein bestimmtes Kriterium optimal wird, wodurch ein Vorhersagemodell der Ausgaben erzeugt wird. Die Lerneinheit 74 kann das Vorhandensein und Nichtvorhandensein einer Unregelmäßigkeit oder von Messungsergebnissen durch halb-überwachtes Lernen lernen. Das halb-überwachte Lernen ist ein Modell, das eine Kombination von unüberwachtem Lernen und überwachtem Lernen ist. Das halb-überwachte Lernen ist ein Lernen, das einigen Teilen der Eingabedaten Lehrdaten gibt, die den Eingabedaten zugeordnet sind, ohne den anderen Teilen der Eingabedaten Lehrdaten zu geben.
Die Lerneinheit 74 kann die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen in Übereinstimmung mit Datensätzen lernen, die für eine Vielzahl von additiven Herstellungsvorrichtungen 100 erstellt wurden. Die Lerneinheit 74 kann Datensätze von einer Vielzahl von additiven Herstellungsvorrichtungen 100 erhalten, die an derselben Stelle verwendet werden, oder kann Datensätze von einer Vielzahl von additiven Herstellungsvorrichtungen 100 erhalten, die an unterschiedlichen Stellen verwendet werden. Die Datensätze können von einer Vielzahl von additiven Herstellungsvorrichtungen 100 gesammelt werden, die unabhängig voneinander an der Vielzahl von Stellen betrieben werden. Eine neue additive Herstellungsvorrichtung 100, von dem ein Datensatz gesammelt werden soll, kann hinzugefügt werden, nachdem die Sammlung von Datensätzen von einer Vielzahl von additiven Herstellungsvorrichtungen 100 begonnen hat. Ferner können einige aus einer Vielzahl von additiven Herstellungsvorrichtungen 100, von denen Datensätze gesammelt werden sollen, ausgeschlossen werden, nachdem die Sammlung von Datensätzen von einer Vielzahl von additiven Herstellungsvorrichtungen 100 begonnen wurde.
Die Lerneinheit 74, die das Lernen in der NC-Vorrichtung 60 durchgeführt hat, kann an einer nächsten NC-Vorrichtung 60 angebracht werden, die anders als die NC-Vorrichtung 60 ist. Die Lerneinheit 74, die an der nächsten NC-Vorrichtung 60 angebracht ist, kann das Vorhersagemodell der Ausgaben durch erneutes Lernen in der nächsten NC-Vorrichtung 60 aktualisieren.
Deep Learning, das die Extraktion von Merkmalsgrößen lernt, kann für den von der Lerneinheit 74 verwendeten Lernalgorithmus verwendet werden. Die Lerneinheit 74 kann maschinelles Lernen in Übereinstimmung mit einer anderen bekannten Methode als Deep Learning durchführen, wie beispielsweise genetische Programmierung, funktionale Logikprogrammierung und eine Support-Vektor-Maschine.
Die Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen ist nicht auf die in der NC-Vorrichtung 60 enthaltene Vorrichtung beschränkt. Die Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen kann eine Vorrichtung außerhalb der NC-Vorrichtung 60 sein. Die Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen kann eine Vorrichtung sein, die über ein Netzwerk mit der NC-Vorrichtung 60 verbunden werden kann. Die Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen kann eine Vorrichtung sein, die in einem Cloud-Server vorhanden ist.
Gemäß der vierten Ausführungsform bestimmt die NC-Vorrichtung 60 die Relation zwischen der Lagertemperatur und dem Schichtungsvolumen auf der Grundlage eines Lernergebnisses durch die Vorrichtung 71 für maschinelles Lernen. Die Schichtungsvolumenberechnungseinheit 25 kann das Schichtungsvolumen des Materials 5, das sich in einer gegebenen Zeit verfestigt, genau berechnen. Infolgedessen ermöglicht die NC-Vorrichtung 60 der additiven Herstellungsvorrichtung 100 eine Bearbeitung mit hoher Bearbeitungsgenauigkeit durchzuführen. Es sei angemerkt, dass maschinelles Lernen ähnlich wie bei der vierten Ausführungsform auf die NC-Vorrichtung 50 gemäß der zweiten Ausführungsform angewendet werden kann.
Die bei den oben genannten Ausführungsformen dargestellten Konfigurationen sind Beispiele für die vorliegende Erfindung und können mit anderen bekannten Technologien kombiniert oder teilweise weggelassen oder modifiziert werden, ohne den Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1, 50, 60: NC-Vorrichtung;
2: Laseroszillator;
3: Glasfaserkabel;
4: Materialzufuhrvorrichtung;
5: Material;
6: Gaszufuhrvorrichtung;
7: hohe Leitung;
8: Bearbeitungskopf;
9: Strahldüse;
10: Materialdüse;
11: Gasdüse;
12: Kopfantriebseinheit;
13: Plattform;
14: Basismaterial;
15: modelliertes Objekt;
15a: Schicht;
20: Bearbeitungsprogramm;
21: Zustandsdatentabelle;
22: Oberflächentemperaturdaten;
23: Programmanalyseeinheit;
24: Lagertemperaturextraktionseinheit;
25: Schichtungsvolumenberechnungseinheit;
26: Schichtungsformänderungseinheit;
27: Befehlswerterzeugungseinheit;
28: Lagertemperaturdaten;
29: Schichtungsvolumendaten;
31: CPU;
32: Direktzugriffsspeicher (RAM);
33: Festwertspeicher (ROM);
34: externe Speichervorrichtung;
35: Eingabe-Ausgabe-Schnittstelle;
51: Formdaten;
52: Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit;
53: Schichtungszustandsänderungseinheit;
61, 71: Vorrichtung für maschinelles Lernen;
62: Entscheidungseinheit;
63: Höhenmesseinheit;
64: Höhendaten;
65, 72: Zustandsbeobachtungseinheit;
66, 74: Lerneinheit;
67: Belohnungsberechnungseinheit;
68: Funktionsaktualisierungseinheit;
73: Datenerfassungseinheit;
75: Modellierungsqualitätsdaten;
100: additive Herstellungsvorrichtung.

Claims

Numerische Steuerung zum Steuern einer additiven Herstellungsvorrichtung zum Herstellen eines Objekts durch Aufschichten eines geschmolzenen Materials auf ein Werkstück in Übereinstimmung mit einem Bearbeitungsprogramm, wobei die numerische Steuerung umfasst: eine Programmanalyseeinheit zum Analysieren des Bearbeitungsprogramms, um einen Bewegungspfad zu erhalten, entlang dessen eine Zufuhrposition des Materials auf dem Werkstück zu bewegen ist; eine Lagertemperaturextraktionseinheit, um aus Daten über Oberflächentemperatur des Werkstücks Lagertemperatur in einem Bereich zu extrahieren, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält; eine Schichtungsvolumenberechnungseinheit zum Berechnen eines Volumens einer das Objekt bildenden Schicht auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Lagertemperatur und einem Volumen des Materials, das sich bei der Lagertemperatur in einer gegebenen Zeit verfestigt; und eine Schichtungsformänderungseinheit, um eine Form der Schicht auf der Grundlage des Volumens der Schicht zu ändern.
Numerische Steuerung nach Anspruch 1, wobei die Beziehung eine Beziehung ist, bei der das Volumen des Materials abnimmt, wenn die Lagertemperatur höher ist.
Numerische Steuerung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schichtungsformänderungseinheit die Form der Schicht durch Ändern einer Länge der Schicht ändert.
Numerische Steuervorrichtung nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine Schichtungsquerschnittsextraktionseinheit, um aus Daten, die eine Form des Objekts angeben, Daten zu extrahieren, die eine Form eines Querschnitts der Schicht in dem Bereich, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält, angeben, wobei die Schichtungsformänderungseinheit eine Höhe der Schicht und eine Breite der Schicht auf der Grundlage der Daten ändert, die die Form des Querschnitts angeben.
Numerische Steuerung nach Anspruch 4, ferner umfassend: eine Schichtungszustandsänderungseinheit, um auf der Grundlage der Höhe der Schicht und der Breite der Schicht eine Strahlleistung zum Schmelzen des Materials und eine Zufuhrmenge des Materials zu ändern.
Numerische Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Schichtungsvolumenberechnungseinheit eine Aufbaureihenfolge in jedem der in dem Bewegungspfad enthaltenen Abschnitte auf der Grundlage des Volumens der Schicht ändert.
Numerische Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: eine Vorrichtung für maschinelles Lernen, um die Beziehung zu lernen; und eine Entscheidungseinheit, um die Beziehung auf der Grundlage eines Ergebnisses des Lernens durch die Vorrichtung für maschinelles Lernen zu bestimmen, wobei die Vorrichtung für maschinelles Lernen umfasst: eine Zustandsbeobachtungseinheit, um die Lagertemperatur, das Volumen der Schicht, das durch die Schichtungsvolumenberechnungseinheit berechnet ist, und die Höhe der auf dem Werkstück gebildeten Schicht als Zustandsvariablen zu beobachten; und eine Lerneinheit, um die Beziehung in Übereinstimmung mit einem Trainingsdatensatz zu lernen, der auf der Grundlage der Zustandsvariablen erzeugt wurde.
Numerische Steuerung nach Anspruch 7, wobei die Lerneinheit umfasst: eine Belohnungsberechnungseinheit, um eine Belohnung auf der Grundlage der Zustandsvariablen zu berechnen; und eine Funktionsaktualisierungseinheit, um eine Funktion zum Bestimmen der Beziehung auf der Grundlage der Belohnung zu aktualisieren.
Numerische Steuerung nach Anspruch 8, wobei die Belohnungsberechnungseinheit die Belohnung erhöht, wenn eine Variation der Höhe der gebildeten Schicht gleich oder kleiner als ein Schwellenwert ist, und die Belohnung verringert, wenn die Variation der Höhe der gebildeten Schicht größer als der Schwellenwert ist.
Numerische Steuerung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner umfassend: eine Datenerfassungseinheit, um Lehrdaten zu erhalten, wobei die Lehrdaten Daten sind, die Bauqualität des Objekts angeben; und eine Lerneinheit, um die Beziehung in Übereinstimmung mit einem Datensatz zu lernen, der auf der Grundlage einer Kombination der Lehrdaten und Zustandsvariablen einschließlich der Lagertemperatur und des Volumens der Schicht erzeugt wurde.
Verfahren zum Steuern einer additiven Herstellungsvorrichtung zum Herstellen eines Objekts durch Aufschichten eines geschmolzenen Materials auf ein Werkstück durch eine numerische Steuerung, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt des Analysierens eines Bearbeitungsprogramms, um einen Bewegungspfad zu erhalten, entlang dessen eine Zufuhrposition des Materials auf dem Werkstück zu bewegen ist; einen Schritt des Extrahierens der Lagertemperatur in einem Bereich, der den Bewegungspfad auf dem Werkstück enthält, aus Daten über die Oberflächentemperatur des Werkstücks; einen Schritt des Berechnens eines Volumens einer das Objekt bildenden Schicht auf der Grundlage einer Beziehung zwischen der Lagertemperatur und einem Volumen des Materials, das sich bei der Lagertemperatur in einer gegebenen Zeit verfestigt; und einen Schritt des Änderns einer Form der Schicht auf der Grundlage des Volumens der Schicht.