JP7506005B2 - 積層計画作成方法 - Google Patents
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Description
(1) 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の立体形状を表す形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
前記形状データを取得する工程と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する工程と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応した交差領域パスと、前記交差部以外の定常部に対応した定常領域パスとに分類する工程と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと上層を形成する上層パスとに分ける工程と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する工程と、
を含む、積層造形物の積層計画方法。
(2) 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の立体形状を表す形状データを用いて造形する積層計画を作成する積層計画作成装置であって、
前記形状データを取得するデータ取得部と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する溶接パス決定部と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応する交差領域パスと前記交差部以外の定常部に対応する定常領域パスとに分類する溶接パス分類部と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける上下層分割部と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する溶接条件決定部と、
を備える積層計画作成装置。
(3) 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の立体形状を表す形状データを用いて造形する積層造形物の積層造形手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記形状データを取得する機能と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する機能と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応する交差領域パスと前記交差部以外の定常部に対応する定常領域パスとに分類する機能と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける機能と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する機構と、
を実現させるプログラム。
<積層造形物の製造装置>
図1は、積層造形物の製造装置を示す概略構成図である。
本構成の積層造形物の製造装置100は、積層造形装置11と、積層造形装置11を統括制御するコントローラ13と、電源装置15と、を備える。積層造形装置11は、先端軸にトーチ17が設けられた溶接ロボット19と、トーチ17に溶加材(溶接ワイヤ)Mを供給する溶加材供給部21とを有する。この積層造形装置11は、アークにより溶加材Mを溶融及び固化させてベースプレート23上に溶着ビードBを形成し、溶着ビードBを順次に積層することで積層造形物25を造形する。なお、ここで示す積層造形物の製造装置100は、一構成例であって他の構成であってもよい。
一例として示す積層造形物25は、一方向(X方向)に沿って形成されて互いに隣接する複数列(3列)の溶着ビードB1と、一方向に直交する方向(Y方向)に沿って形成されて互いに隣接する複数列(3列)の溶着ビードB2が、高さ方向(Z方向)に複数層(3層)積層されて形成されている。これら溶着ビードB1,B2が交差する部分(ビード最上層に示される点線で囲まれる部分)を交差部CRとし、交差部CR以外の部分を定常部REとする。実際の積層造形物は上記よりも複雑な形状であることが多いが、ここでは、単純な形状の交差部CRを用いて説明する。
積層計画部27は、データ取得部33と、溶接パス決定部35と、溶接パス分類部37と、上下層分割部39と、溶接条件決定部41と、を備える。
以下に、本積層計画作成方法による基本的な積層計画について説明する。
図4は、溶着ビードにより交差部を形成する工程を(A),(B)に示す説明図である。
ここでは、図2に示す交差部CRを有する積層造形物25の積層計画について説明する。
図4の(A)は、一方向に沿って3列の溶着ビードを形成する溶接パス(トーチ移動軌跡)L1,L2,L3を示している。また、図4の(B)は、上記した溶接パスL1,L2,L3に直交する方向に沿って3列の溶着ビードを形成する溶接パスL4,L5,L6を示している。なお、溶接パスの列数は任意であり、ここでは一例として3列を示している。
図5に示すように、交差部CRにおいては、図4の(A)に示す先に形成される溶接パスL1,L2,L3の交差領域パスLCが下層パスとなり、溶着ビードB1,B2,B3が形成される。また、図4の(B)に示す後に形成される溶接パスL4,L5,L6の交差領域パスLCが上層パスとなり、溶着ビードB4,B5,B6が形成される。
図6に示すように、下層パスにより形成される溶着ビードB1の上に、上層パスによる溶着ビードB4,B5,B6が形成される。溶着ビードB4,B5,B6は、いずれもビード幅Wc2がビード中心のピッチ幅PTより狭く、ビードの起伏によって、互いに隣接する溶着ビード同士の間に形成される谷部の角度θが小さくなっている。このように、上層パスにより形成された溶着ビードB4,B5,B6の起伏は、下層の溶着ビードB1から急峻な斜面で盛り上がって形成され、ビード表面の凹凸が深くなる。
図7に示すように、下層パスと上層パスとの溶着量の和を、定常領域パスの溶着量と等しくしつつ、交差部CRにおける上層パスの溶接速度を下層パスの溶接速度よりも遅くする。すると、交差部CRにおいて、先に形成される溶着ビードB1,B2,B3は、そのビード幅Wc1が、前述した図5に示すビード幅Wc1より狭くなる。また、後に形成される溶着ビードB4,B5,B6は、そのビード幅Wc2が、前述した図5に示すビード幅Wc2より広くなり、隣接する溶着ビード同士が重なり合うようになる。
図8に示すように、下層パスにより形成される溶着ビードB1は、溶接速度が速いためにビード高さが低くなるが、上層パスによる溶着ビードB4,B5,B6は、いずれもビード幅Wc2がビード中心のピッチ幅PTより広く、ビードの起伏がなだらかになる。その結果、互いに隣接する溶着ビード同士が溶着ビードB1上で重なり合って、形成される谷部の角度θが図6に示す場合と比較して大きくなっている。このように、上層パスにより形成された溶着ビードB4,B5,B6の起伏は、下層の溶着ビードB1から緩やかな斜面で盛り上がって形成され、ビード表面の凹凸が浅くなる。つまり、下層パスによる溶着ビードの上に、上層パスによる溶着ビードが隙間なく形成される。
上記した溶着ビードの溶着量Sは(1)式で表される。
Vwire:溶加材の送給速度[m/min]
Vweld:溶接速度[cm/min]
r:溶加材半径[mm]
μ:溶着率(通常は1~0.98)
Vwire:5.2[m/min]
Vweld(Va1,Vb1):74[cm/min]
S:7.8[mm3]
一方の溶接パスLaと、これに交差する他方の溶接パスLbとによって、溶着ビードの交差部CRを形成する場合、溶接パスLaと溶接パスLbとの交差点Pcは、溶接パスの座標情報から求められる。また、溶接パスLaにより形成される溶着ビードのビード幅Wは、前述した溶着量等の情報から求められる。
次に、積層造形物を造形するためのビード形成パス、及び溶接条件を設定した積層計画を作成する手順を詳細に説明する。
図10は、積層計画の作成手順を示すフローチャートである。ここでの積層計画の作成は、図3に示す積層計画部27により行われる。
まず、データ取得部33が、作製しようとする積層造形物の目標形状を表す3次元の形状データを読み込む(St.1)。
ここで、種々の比率S1/(S1+S2)で形成したサンプルについて、造形の良否判定を行った。
図11~図15は、サンプル1~5の交差部における上層及び下層の溶着ビードの予測プロファイルを示す説明図である。各サンプル1~5の比率S1/(S1+S2)と、溶接速度、及び造形の良否判定結果を表1に纏めて示した。
図16は、交差部における溶接速度の他の変更タイミングを示す説明図である。
一方の溶接パスLaと、これに交差する他方の溶接パスLbとによって、溶着ビードを形成する。その際に、溶接パスLaと溶接パスLbとの交差点Pcから、溶接パスLaにより形成される溶着ビードのビード幅Wの1/2の距離を溶接パスLaに沿って遡った位置をPBFとする。この位置PBFを、溶接速度の変更開始から変更終了まで範囲の中央位置にして、溶接速度を変更する。
上記の積層造形手順では、交差部を、下層の溶着ビードと上層の溶着ビードとを重ね合わせて形成していたが、溶接パスを連続させたまま下層の溶着ビードの形成を停止して、上層の溶着ビードのみで形成してもよい。
図17は、下層の溶着ビードの形成停止後からの再スタート時における、溶加材の送給速度(A)と溶接速度(B)との関係を示すグラフである。
(1) 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の立体形状を表す形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
前記形状データを取得する工程と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する工程と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応した交差領域パスと、前記交差部以外の定常部に対応した定常領域パスとに分類する工程と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける工程と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する工程と、
を含む、積層造形物の積層計画方法。
この積層造形物の積層計画方法によれば、交差領域パスを上層パスと下層パスとに分けて、それぞれの溶接条件を設定することで、溶着ビードが交差する交差部における内部欠陥の発生を防止し、均一な積層高さでビード形成できる積層計画を容易に作成できる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、調整が簡易に行える溶接速度の変更によって、溶着量の調整が適切に行える。
この積層造形物の積層計画方法によれば、溶着量を変更する部分の局所的な溶着量過不足を解消でき、滑らかなビード形状を形成できる。よって、積層造形物の局所的な凹凸の発生を防止できる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、連続的に溶接速度を変更することで、より確実に溶着量過不足を解消でき、ビード形状を滑らかにできる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、溶接速度に加えて溶加材の送給速度を変更することで、調整幅を拡大できる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、定常部と公差部との下層パスの溶接軌道を連続させたままにして、交差部については上層パスのみで形成することで、定常部と交差部との境界に隙間が生じにくくなり、内部欠陥の発生を抑制できる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、一旦ビード形成を停止した後の再スタート時であっても、滑らかに連続する溶着ビードを形成できる。
この積層造形物の積層計画方法によれば、溶加材の送給速度と溶接速度とを組み合わせて調整するため、溶着量の制御がより正確となり、より滑らかな溶着ビードを形成できる。
前記下層溶着量をS1、前記上層溶着量をS2としたとき、全溶着量(S1+S2)に対する下層溶着量S1の比率S1/(S1+S2)を、前記交差部における複数の前記溶着ビードのビード同士の間隔に応じて設定する、(1)~(8)のいずれか1つに記載の積層造形物の積層計画方法。
この積層造形物の積層計画方法によれば、下層溶着量と上層溶着量とを所定の比率で管理することで、より正確に交差部の溶着量を決定できる。
前記形状データを取得するデータ取得部と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する溶接パス決定部と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応する交差領域パスと前記交差部以外の定常部に対応する定常領域パスとに分類する溶接パス分類部と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける上下層分割部と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する溶接条件決定部と、
を備える積層計画作成装置。
この積層造形物の積層計画装置によれば、交差領域パスを上層パスと下層パスとに分けて、それぞれの溶接条件を設定することで、溶着ビードが交差する交差部における内部欠陥の発生を防止し、均一な積層高さでビード形成できる積層計画を容易に作成できる。
前記コンピュータに、
前記形状データを取得する機能と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する機能と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応する交差領域パスと前記交差部以外の定常部に対応する定常領域パスとに分類する機能と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける機能と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する機構と、
を実現させるプログラム。
このプログラムによれば、溶着ビードが交差する交差部における内部欠陥の発生を防止し、均一な積層高さでビード形成できる積層計画を容易に作成できる。
13 コントローラ
15 電源装置
17 トーチ
19 溶接ロボット
21 溶加材供給部
23 ベースプレート
25 積層造形物
27 積層計画部
29 記憶部
31 制御部
33 データ取得部
35 溶接パス決定部
37 溶接パス分類部
39 上下層分割部
41 溶接条件決定部
100 製造装置
B,B1,B2,B3,B4,B5,B6 溶着ビード
CR 交差部
L1,L2,L3,L4,L5,L6,La,Lb 溶接パス
Lc 交差領域パス
LR1,LR2 定常領域パス
M 溶加材(溶接ワイヤ)
Pc 交差点
R 閾値
RE 定常部
S 溶着量
S1 下層溶着量(溶着量)
S2 上層溶着量(溶着量)
V1,V2,Va1,Va2,Vb1,Vb2 溶接速度
θ 角度
Claims (9)
- 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の立体形状を表す形状データを用いて造形する積層造形物の積層計画方法であって、
前記形状データを取得する工程と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する工程と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応した交差領域パスと、前記交差部以外の定常部に対応した定常領域パスとに分類する工程と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける工程と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する工程と、
を含み、
前記交差領域パスの溶接条件を決定する工程は、前記交差領域パスにおける前記上層パスの溶接速度を前記下層パスの溶接速度より遅くして前記溶着量を変更する、
積層造形物の積層計画方法。 - 前記定常部から前記交差部に前記溶着ビードを形成する過程で、前記交差部の中心位置から前記定常部のビード長手方向に直交するビード幅の半分の長さを遡った位置から、前記溶接速度の変更を開始する、
請求項1に記載の積層造形物の積層計画方法。 - 前記定常部から前記交差部に前記溶着ビードを形成する過程で、前記交差部の中心位置から前記定常部のビード長手方向に直交するビード幅の半分の長さを遡った位置を、前記溶接速度の変更開始から変更終了まで範囲の中央位置にして前記溶接速度を変更する、
請求項1に記載の積層造形物の積層計画方法。 - 前記溶接速度に加えて前記溶加材の送給速度を変更する、
請求項1~3のいずれか1項に記載の積層造形物の積層計画方法。 - 前記交差領域パスの溶接条件を決定する工程は、当該交差領域パスのうち、前記下層パスによる前記溶着ビードの形成を停止し、前記上層パスのみで前記溶着ビードを形成し、
前記溶着ビードの形成停止後の再スタート時に、前記溶加材の送給速度を前記溶着ビードの形成停止前の送給速度より低く設定して、該低い速度から前記形成停止前の送給速度に漸増させる、
請求項1に記載の積層造形物の積層計画方法。 - 前記再スタート時から、前記溶加材の送給速度が前記溶着ビードの形成停止前の送給速度に達するまでの間、溶接速度を、前記交差領域パスの溶接速度から前記定常領域パスの溶接速度に漸減させる、
請求項5に記載の積層造形物の積層計画方法。 - 前記交差領域パスの溶接条件を決定する工程は、
前記下層溶着量をS1、前記上層溶着量をS2としたとき、全溶着量(S1+S2)に対する下層溶着量S1の比率S1/(S1+S2)を、前記交差部における複数の前記溶着ビードのビード同士の間隔に応じて設定する、
請求項1~6のいずれか1項に記載の積層造形物の積層計画方法。 - 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の立体形状を表す形状データを用いて造形する積層計画を作成する積層計画作成装置であって、
前記形状データを取得するデータ取得部と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する溶接パス決定部と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応する交差領域パスと前記交差部以外の定常部に対応する定常領域パスとに分類する溶接パス分類部と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける上下層分割部と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する溶接条件決定部と、
を備え、
前記溶接条件決定部は、前記交差領域パスにおける前記上層パスの溶接速度を前記下層パスの溶接速度より遅くして前記溶着量を変更する、
積層計画作成装置。 - 溶加材を溶融及び固化させた溶着ビードを積層する積層造形装置により、積層造形物を該積層造形物の立体形状を表す形状データを用いて造形する積層造形物の積層造形手順を、コンピュータに実行させるプログラムであって、
前記コンピュータに、
前記形状データを取得する機能と、
前記形状データによる前記積層造形物の立体形状を層分解した各層を前記溶着ビードで形成する、複数の溶接パスを決定する機能と、
前記各層の同一層内における複数の前記溶接パスを、複数の前記溶着ビードが隣接して形成される部分に他の複数の前記溶着ビードが交差して形成される交差部に対応する交差領域パスと前記交差部以外の定常部に対応する定常領域パスとに分類する機能と、
前記交差領域パスのそれぞれを、前記交差部の下層を形成する下層パスと前記交差部の上層を形成する上層パスとに分ける機能と、
前記上層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの上層溶着量を、前記下層パスにより形成される溶着ビードの単位長さあたりの下層溶着量よりも大きく、且つ前記上層溶着量と前記下層溶着量との和を、前記定常領域パスにより形成される溶着ビードの単位長さ当たりの溶着量と等しくし、前記上層パスにより形成される溶着ビードの長手方向に直交する断面において、互いに隣接する前記溶着ビードのプロファイル同士が重なり合うように前記交差領域パスの溶接条件を決定する機能と、
前記交差領域パスにおける前記上層パスの溶接速度を前記下層パスの溶接速度より遅くして前記溶着量を変更する機能と、
を実現させるプログラム。
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