CN102905848B - 三维流体射流切割中射流取向参数的自动确定 - Google Patents

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Abstract

提供了用于自动确定射流取向参数以校正三维零件切割中可能的偏离的方法、系统和技术。示例实施例提供了自适应矢量控制系统（AVCS），其自动确定切割射流的速度和取向参数，以试图确保将在指定的容差内切割零件。在一个实施例中，AVCS通过数学预测模型确定切割头的倾斜和旋转，所述模型检查期望零件中的“m”个假想层中的每个的切割前沿，以更好地预测零件是否将在容差内，并确定需要多大校正角以校正由于拖曳、径向偏转和/或锥度导致的偏离。

Description

三维流体射流切割中射流取向参数的自动确定
技术领域
本发明涉及用于自动控制流体射流设备以切割三维零件的方法、系统及技术，尤其涉及用于自动调节水射流切割设备的取向参数以在指定容差内切割出具有非垂直表面的三维零件和/或从非平面材料切割的技术。
背景技术
包括高压磨料水射流的高压流体射流被用于切割多种不同产业中的各种材料。已经验证磨料水射流在切割诸如厚金属、玻璃或陶瓷材料的费力的、厚的或聚集的材料时尤其有用。目前可获得用于生成高压磨料水射流的系统，例如由Flow International Corporation制造的ECL Plus系统。在Flow的美国专利No.5,643,058中示出和描述了这种磨料射流切割系统，该专利以引用的方式并入本文。全文中使用的术语“高压流体射流”和“射流”应理解为包括全部类型的高压流体射流，包括但不限于，高压水射流和高压磨料水射流。在这样的系统中，高压流体，通常为水，流过切割头中的孔以形成高压射流，在该高压射流中混入磨料颗粒作为通过混合管的射流。从混合管放出高压磨料水射流并射向工件以沿指定路径切割工件。
目前可获得各种系统以沿指定路径移动高压流体射流。通常将这样的系统称为三轴和五轴机器。常规三轴机器将切割头组件安装为使得其可以沿x-y平面及垂直z轴（即朝向和远离工件）移动。通过这样，使得通过切割头组件生成的高压流体射流根据需要沿x-y平面中的指定路径移动，并相对于工件升高和下降。常规五轴机器以类似的方式工作，但是提供绕两个额外旋转轴的移动，通常绕一个水平轴和一个垂直轴，以与其他轴组合实现倾斜度和旋转度。
绕五个轴操纵射流对于多个原因是有用的，例如用于切割三维形状。这样的操纵还可能被期望用于校正射流的切割特征或切割结果的特征。尤其是，通过诸如磨料水射流的射流产生的切割具有不同于通过更多传统加工工艺产生的切割的特征。通过使用高压流体射流获得的切割特征中的两个特征被称为“锥度”和“回迹（trailback）”。图1为锥度的示例图示。锥度是由于射流的宽度从其进入材料到其从材料出射中的变化导致的现象。锥角指切割壁的平面相对于垂直平面的角度。射流锥度通常导致目标件在顶面（射流进入工件处）与在底面（射流从工件出射处）具有不同的尺寸。图2为回迹的示例图示。回迹，又称为拖曳（drag），表示高压流体射流相对于行进方向在射流入射到工件中的点之后的点处从工件出射的现象。这两种切割特征，即锥度和回迹，根据期望的目标产品，可能是可接收的或不可接受的。锥度和回迹根据切割速度（射流为了将材料的部分从另一部分分离而行进的速度）和其他工艺参数（诸如材料厚度）而变化。从而，一种用于控制过度的锥度和/或回迹的已知方法是降低系统的切割速度。在期望最小化或消除锥度和回迹的情况中，已经使用常规五轴系统主要通过人工试错法对射流施加角度校正（通过调节切割头设备）以在射流沿切割路径移动时补偿锥度和回迹。
附图说明
本专利或专利申请文件包含至少一个彩色附图。在提出请求并支付需要的费用之后，将由专利局提供该带有彩色附图的专利或专利申请的复印件。
图1为锥度的示例图示。
图2为回迹的示例图示。
图3A-3E示出可以利用示例自适应矢量控制系统的技术自动切割的多种示例形状。
图4为示出使用自适应矢量控制系统产生目标件的框图。
图5为自适应矢量控制系统的示例实施例的部件的示例框图。
图6为用于产生目标件的通过自适应矢量控制系统的示例实施例执行的逻辑的示例流程图。
图7A-7B示出期望零件的示例分割。
图8A-8C示出对具有不同侧面剖面的三个零件分配50％的切割速度的示例。
图9为示出围绕两个零件几何形状矢量的两个容差体积的示例框图。
图10示出被部分包含在偏离容差体积的圆柱形状中的切割前沿的曲面形状。
图11示出预测切割前沿位于偏离容差体积内的曲面形状的示例。
图12示出施加于图10所示的表示的偏离校正角的示例。
图13示出不能将切割前沿的预测弯曲取向为完全被包含在小的偏离容差体积中的示例。
图14示出已经减小切割速度的情况下图13所示的切割前沿的表示。
图15为示例自适应矢量控制系统切割模块用户界面的介绍性对话框的示例屏幕显示。
图16为示例自适应矢量控制系统切割模块用户界面的射流控制器反馈和控制对话框的示例屏幕显示。
图17为可用于这里所描述的自适应矢量控制系统的实践实施例的示例计算系统的示例框图。
图18为示例自适应矢量控制系统的自动偏离校正调节过程的示例流程图。
图19为通过示例AVCS执行的用于构建运动程序数据结构的过程的示例流程图。
图20为施加偏离校正角以将射流取向调节为在可接受容差内的示例图示。
图21示出用于图示示例AVCS的分割和分层的梯形零件的侧面剖面的示例。
图22A和22B示出在诸如图7B所示的零件上的每个层的曲率半径如何变化。
图23示出朝向圆形移动中心的拖拉切口的偏转。
图24示出切口宽度与线性拖曳之间的关系的图形表示。
图25示出使用球坐标以导出偏离校正角的示例。
图26为用于开始切割循环的通过自适应矢量控制系统执行的步骤的示例流程图。
具体实施方式
这里描述的实施例提供加强的基于计算机和网络的方法、系统和技术，用于在水射流切割系统中自动调节射流的取向，以补偿偏离，从而实现对切割表面和通过切割生成的结果工件的优异控制。示例实施例提供一种自适应矢量控制系统（“AVCS”），其自动预测射流将从期望的切割路径剖面偏离多远，并自动确定合适的偏离校正角，该偏离校正角可用于生成运动控制程序或用于控制切割头设备的控制取向的其他数据。根据目标件几何形状以及速度和/或其他工艺参数确定偏离校正角。通过确定偏离校正角并适当地将其用于生成运动控制程序/数据中的指令（以取决于切割头控制器能够处理的事物的形式），AVCS使得切割头设备/控制器能够自动控制切割头的三维位置以及倾斜和旋转，并且从而在射流在三维空间中沿切割路径移动以切割目标件时控制射流相对于被切割材料的的x轴、y轴、z轴及角位置。AVCS可以在仍然维持期望的容差的同时最大化切割速度。
在一个实施例中，AVCS使用一组高级预测模型，以确定通过给定材料的（预期）切割的特征，并提供偏离校正角以考虑射流从直线轨迹的预测偏离。预测偏离可例如与当射流穿透材料时变化的宽度和/或导致射流在沿某个方向偏离预期出射点的点处出射的拖曳或偏转相关。当切割直的壁状工件时，可将这些切割现象表达为回迹/拖曳和锥度，并将对应的偏离校正表达为导程（lead）补偿和锥度补偿角。然而，当切割更复杂的工件时，诸如切割非垂直（有斜面的）表面、非平面（弯曲）材料、在射流深度上具有方向变化的工件、在顶部和底部具有不同形状的工件等时，这些偏离具有影响偏离的方向分量（诸如相对于射流行进的方向和路径的向前、向后和侧向项）。从而预测角校正变得非常复杂。使用高级预测模型，AVCS不需要手动（例如人工）干预地操作并且不需要操作员的专业知识来运行切割机器。AVCS的自动本质从而支持减少的生产时间以及对切割工艺尤其是复杂零件的切割工艺的更精确的控制。
图3A-3E示出可以利用示例自适应矢量控制系统的技术自动切割出的多种示例形状。图3A示出具有简单斜面的零件。在该情况中，零件的顶部和底部具有相同的形状但是不同的尺寸。另外，在零件顶部的斜面端部的长度301与在零件底部的斜面端部的长度302相同。图3B示出具有锥状斜面的零件。这里，顶部和底部看上去相似，但是顶部和底部的长度不同。从而，由于必须以相同的时间量通过顶部和底部路径，但是顶部和底部路径具有不同的行进距离，因此在顶部和底部（当射流沿切割路径移动时进入零件和从零件出射之处）的切割速度不同。图3C示出需要多方向切割的零件。这里，在零件底部304的切割方向与在顶部303的切割方向成直角。从而，切割表面由于该动作而在其中具有“扭转”。从而，当射流通过由303和304标示的路径时，射流从其进入零件到其出射改变了方向。图3D示出具有限定为方形的顶部表面和限定为圆形的底部表面的零件。当切割该零件时，当射流从射流入射（例如顶部）到射流出射（例如底部）移动（即，穿透材料）时，零件逐渐从方形变化到圆形。图3E示出从非平面切割表面切割出的零件。这里，球形的部分包含孔。
为了切割出这样的零件，AVCS使用高级预测模型以确定当射流在沿着预期切割路径前进时从进行切割时射流的入射（例如顶部）到进行切割时射流的出射（例如底部）穿透材料时射流如何受影响。注意，当从平面原料切割时，射流入射通常对应于顶部表面上的位置，而射流出射通常对应于底部表面上的位置。当射流前进以切割工件材料从而创建期望零件时，存在在顶部上形成轮廓（这里更通常称为射流入射轮廓）的路径和在底部上形成轮廓（这里更通常称为射流出射轮廓）的路径。（轮廓为形状或物体的边界。）要理解这些模型的一方面是要认识到：当射流沿着切割路径剖面前进时，射流的切割速度沿着射流的长度（例如穿透或投射）变化。这些微环境速度变化导致沿着射流的长度的“局部”偏转，其在确定偏离校正时由模型考虑。
尽管这里关于水射流尤其是磨料水射流进行了讨论，但是所描述技术可以应用于任何类型的通过高压或低压生成的流体射流，无论是否使用添加剂或磨料。另外，可以根据除速度和这里所描述的细节之外的工艺参数修改这些技术以控制x轴、y轴、z偏移以及倾斜和旋转（或其他相当的取向）参数。
图4为示出使用自适应矢量控制系统产生目标件的框图。在通常的操作中，操作员401在计算机工作站401处使用计算机辅助设计（“CAD”）程序或数据包（或CAD/CAM程序或数据包），来指定将从工件材料403切割出的目标件410（例如零件）的设计。计算机工作站402与磨料水射流（AWJ）切割设备420邻近或远程地或直接地连接，所述切割设备诸如为由Flow International Corporation出售的称为“DynamicXD”的高压流体射流设备。还可以使用其他4轴、5轴或更多轴的机器，只要流体射流设备的“肘节（wrist）”允许足够的（例如角度）运动。可以使用任何现有的CAD程序或数据包以指定目标件410的设计，只要其允许这里所描述的操作。另外，还可以将CAD设计数据包结合入自适应矢量控制系统自身。所生成的设计然后被输入到AVCS 404中，AVCS 404然后如在剩下的附图中更详细讨论地自动生成运动程序405（或其他程序数据或其他运动相关数据），该运动程序指定将如何控制射流设备420，以从工件材料403切割出目标件410。当由操作员指定时，AVCS 404将运动程序/数据405发送到硬件/软件控制器421（例如计算机数值控制器，“CNC”），其根据运动程序/数据405中包含的指令引导射流设备420切割工件材料以产生目标件410。通过以该方式使用，AVCS提供了一种计算机辅助制造工艺（“CAM”），以产生目标件。
尽管参考图4所描述的AVCS 404被示出为位于与射流设备分离但是连接的计算机工作站上，但是，根据射流设备和计算机或其他控制器（射流系统）的实际结构，AVCS可以可选地位于整个射流系统内的其他装置上。例如，AVCS可以被嵌入到射流设备自身的控制器中（作为与机器相关联的软件/固件/硬件的部分）。在该情况中，可以减少运动程序/数据，并且，可以将对射流取向的自动偏离校正调节的确定嵌入到控制器代码自身中。或者，例如，AVCS可以位于直接与控制器连接的计算机系统上。另外，控制器可以采用多种形式，包括集成电路板以及机器人系统。所有这些组合或置换都是预想中的，并且，基于流体射流系统和相关联的控制硬件和软件的细节，可以预想到对所描述的AVCS的适当修改，诸如运动程序/数据及其形式的细节。
图5为自适应矢量控制系统的示例实施例的部件的示例框图。在一个实施例中，AVCS包括一个或多个功能部件/模块，其一起工作以提供运动程序/数据以自动控制切割头的倾斜和旋转以及控制切割头的其他参数，并且从而在射流在三维空间中沿切割路径移动以切割目标件时控制射流相对于被切割的材料的x轴、y轴、z轴和角位置。可以在软件、固件或硬件或其组合中实现这些部件。AVCS 501包括运动程序生成器/内核502、用户界面503（诸如图形用户界面（“GUI”））、CAD设计模块504（其可以在AVCS 501外部）、一个或多个模型505以及到射流设备控制器510的接口。运动程序生成器502从CAD设计模块504和用户界面503接收输入，以构建运动程序或相当的运动指令或数据，其可以被转发到控制器（CNC）并由该控制器执行，以控制射流。对这些部件的替换布置和组合同样被预想到以用于这里所描述的技术。例如，可以将CAD设计模块504结合到用户界面503中。在一个实施例中，将用户界面503与运动程序生成器502结合在一起，从而使得用户界面503控制程序流并生成运动程序和/或数据。在另一个实施例中，将核心程序流隔离到与运动程序生成器502分离的内核模块中。模型505为运动程序生成器502提供到数学模型506、507和508的组的访问，模型506、507和508用于确定合适的射流取向和切割工艺参数。每个数学模型506、507和508包括一组或多组算法、公式、表格或数据，其由运动程序生成器502使用，以生成运动程序中的结果命令的特定值，从而产生期望的切割特征或动作。例如，在5轴机器环境中，这些算法/公式被用于在需要时生成每个命令的x位置、y位置、z偏移补偿值以及偏离校正角（例如，用于控制切割头的倾斜和旋转位置的角）。模型505提供多个数学模型，通常为软件或其他逻辑的形式，其可以被替换而无需使机器离线，例如以“动态链接库”（DLL）的形式。在其他实施例中，它们可能是不可替换的，并且例如以静态链接库的形式被编译或链接到AVCS代码中。同样可以预想到其他架构。例如，在一个实施例中，模型505包括：用于生成偏离校正的一组算法、公式、表格或数据506；用于生成速度和加速度值的一组公式507；以及其他模型508。通常基于经验观察和对切割数据的先验分析来实验地和理论地创建数学模型506、507和508。特别地，如下面将更详细地讨论的，自适应偏离校正模型506是高级预测模型，其可以用于生成用于任意形状的偏离校正角值，所述任意形状为机器预先“不知”的形状（机器事先未被特定编程以切割的形状）。在一个实施例中，AVCS还包括到控制器的接口（例如通过控制器库510），其提供用于控制器与AVCS之间的双向通信的功能。这些控制器功能用于例如在从工件切割出目标件时显示行进中的切割路径。它们还可以用于获得切割设备的值，诸如附接的机械和电装置的当前状态。在将AVCS嵌入到控制器或切割头设备的部分中的实施例中，可以取消这些部件或功能中的一些。
对AVCS的部件的功能的多种不同布置和划分是可能的。在下面的描述中，陈述了多个具体细节，诸如数据格式、用户界面屏幕、代码序列、菜单选项等，以提供对所描述的技术的全面理解。还可以将所描述的实施例实践为不具有所述具体细节中的一些，或具有其他具体细节，诸如关于代码流的排序、不同的代码流等的改变，或者用户界面屏幕上示出的具体特征。从而，所述技术和/或功能的范围不受到参考任何特定例程或代码逻辑描述的特定顺序、选择或块分解的限制。另外，这里所描述的示例实施例提供应用、工具、数据结构和其他支持以实现用于水射流切割的AVCS。所描述的技术的其他实施例可用于其他目的，包括其他流体射流设备切割。
图6为用于产生目标件的通过自适应矢量控制系统的示例实施例执行的逻辑的示例流程图。在框601中，AVCS从操作员（诸如从图4中的工作站402上运行的CAD程序）收集多种输入数据，包括三维CAD格式的目标件的设计（几何形状规格），或等价物。几何形状规格优选描述通过“规则（ruled）表面”形成的零件。规则表面通常通过由移动直线扫过的一组点描述。由于未受阻碍的水射流将以直线前进，规则表面给出了用于限定可以产生的零件的自然方式。通常，不规则表面更难通过水射流工艺切割。然而，通过将切割不规则表面视为切割一系列更小的规则表面，可以使切割不规则表面近似于对规则表面的切割。不规则表面越被细分为更小的规则表面，得到的形状将越近似于预期的形状。例如，可以通过切割大量较小多边形平面表面来近似切割球形表面；切割越多的多边形，得到的形状看上去越圆。另外，可以从诸如图3E所示的不规则工件切割（除去）规则表面。另外，可以指定和收集其他用户需求，诸如尺度容差，以及对表面光洁度的指示（和/或期望的质量和/或可接受的速度）。在一些实施例中，可以通过诸如图5的用户界面503的GUI，通过使用允许用户例如通过标准的或专用的用户界面控制（如按钮、编辑字段、下拉或结合拖放技术的直接操纵界面）分配容差和/或对目标件的特定区域（面积和/或表面）的期望光洁度的指示的工具，提供这些输入规格。尺度容差例如可通过数值输入或一些可选标度指示。例如，可以使用指示相对精度的标度，诸如“严格容差”、“标准容差”和“宽松容差”。另外，不需要对整个零件分配相同的尺度容差。例如，可以将匹配表面限定为比其他略不关键的表面需要更高的精度。零件容差经常与表面光洁度平衡，较粗糙的表面创建尺寸精度更低的零件。在尺度容差与表面光洁度冲突的情况中，AVCS通常使用两个中要求更严格的那个。例如，将对允许“松散容差”但是“精细光洁度”的零件分配“精细光洁度”要求。另外，可以使用表面光洁度的其他指示，诸如期望质量和/或相对速度的程度或标度，其中，例如，100％相当于对于该部分（例如零件的区域）的最快可能速度，并且，例如，50％指示较精细光洁度。可以使用用于指示表面光洁度或切割的质量的其他标度，例如，诸如“粗光洁度”、“中等光洁度”及“光滑光洁度”的质量指示。另外，可以通过AVCS提供默认值及用于整个零件的单个值。
在框602，AVCS通常从操作员收集诸如工艺参数的其他输入数据，尽管这些参数可能具有默认值，或者一些可能从射流设备控制器查询和获得。在一个示例实施例中，AVCS确定以下一项或多项的值作为工艺参数：被切割的材料的类型：材料厚度；流体压力；喷嘴孔直径；磨料流量速率；磨料类型；偏移距离；混合管直径；以及混合管长度（或其他混合管特征）。
在框603，AVCS使用接收的几何形状规格和输入工艺参数以自动计算偏移几何形状。偏移几何形状是当切割目标件时需要遵从的几何形状以考虑射流实际占用的任何宽度（由于射流导致的切口/截口的宽度）。这防止产生小于或大于指定工件的工件。因为射流的特征例如由于磨损而随时间变化，因此需要相应地修改射流工艺参数以计算正确的偏移。在一些实施例中，偏移的尺寸是固定的且是输入数据的部分。可通过使用用于偏移表面的已知技术实现对用于三维零件的偏移几何形状的计算。可选地，可以通过计算从射流入射轮廓（射流进入材料之处的零件的轮廓）的偏移且计算从射流出射轮廓（射流从材料出射之处的零件的轮廓）的偏移并然后以线连接入射和出射轮廓，获得对偏移几何形状的近似，以代替直接计算。根据表面的倾斜和允许的容差，该近似方法可能是或可能不是可接受的。
框604-609通过在运动程序结构（或者根据特定切割头控制器、切割头等的需要的其他数据结构）中增量地存储确定的程序值而构建运动程序。优选，数据结构中的条目对应于由控制器执行的存储的运动程序指令和/或数据。根据特定切割头设备和控制器，运动程序可以是被直接或间接馈送到控制切割头的硬件/软件/固件的运动指令和/或数据。另外，一些配置需要逆运动学数据，因为指令是从切割头中的电机的视点而不是从射流的视点指定的。可利用已知数学计算逆运动学，以将射流坐标转换为电机（或有时称为节点（joint））命令。所有这样的实施例都可以结合到被适当配置为使用这里所描述的技术的AVCS中。
尤其是，在框604中，将偏移几何形状分割为多个零件几何形状矢量（PGV）。例如通过AVCS的部件自动地执行分割，或者，在一些实施例中，可以通过诸如CAD/CAM程序外部地执行分割。图7A-7B示出期望零件的示例分割。图7A示出当可以在立体建模CAD数据包中绘制时的期望零件（例如目标件设计）的示例。使用来自零件几何形状规格和偏移几何形状的信息以确定射流入射轮廓（切割射流在沿着期望切割路径前进时将进入目标材料之处）和射流出射轮廓（切割射流将相应地离开材料之处）。例如，当从平面原料切割零件时，射流入射轮廓将在零件的顶部限定切割路径，而射流出射轮廓将在零件的底部限定切割路径。然后通过使用多条线连接一一对应的射流入射轮廓与射流出射轮廓而形成PGV。即，在入射和出射轮廓中的PGV之间存在相等数目的分段。在一个示例实施例中，沿轮廓通过线将每个PGV的端点连接到每个后续的PGV。从而，将圆形或弧形轮廓转换成线段的序列。图7B示出被分割为PGV的图7A所示的零件。在该示例中，射流入射轮廓形成圆形，而射流出射轮廓形成方形。可在图7B中清楚观察到零件的规则表面本质。在一个实施例中，通过将要切割的目标零件的期望分辨率确定PGV的数目。例如，图7B所示的圆形（入射）轮廓需要大量的PGV以最优地保持其圆形形状。如果分割处理导致过少的PGV，则期望的圆形在切割后将看上去像多边形。当确定需要的PGV的数目时，还可以考虑其他因素，诸如硬件运动学或运动控制器能力。另外，可将引入和引出PGV添加到偏移几何形状（或预先添加到由用户指定的几何形状）以对应于射流的开始和结束位置。这些矢量不限定零件，但是描述射流开始和结束其切割到工件中的方式。
在框605，对期望零件的一个或多个表面或区域分配允许的最大切割速度的指示。通常，操作员（或使用由AVCS提供的默认值）对目标零件的每个区域/表面、一组区域或整个零件分配最大速度，作为速度指示或者通过指定表面光洁度和/或质量等。限定允许的最大速度设置了切割的表面光洁度的粗糙度的上限。切割速度与表面光洁度紧密相关；从而，指示允许的最大速度可以采用表示切割速度、表面光洁度或切割质量的任何标度的形式。使用输入数据、工艺参数、接收的几何形状规格、速度指示以及任何要求的数学关系，AVCS然后基于分配给每个相应表面/区域的指示的最大切割速度自动计算用于每个分段（PGV之间）的沿射流入射轮廓的期望工具尖端速度。例如，如果操作员已经对图7B所示的形状的侧面分配了50％（1/2速度）的最大切割速度，则AVCS将使用该值确定对PGV之间的每个入射轮廓分段分配多少实际切割速度（由于指定速度对于全部是相同的）。在入射轮廓上的分段的长度与出射轮廓上的对应分段的长度不同的情况下，切割速度将沿射流的长度（投射到材料中）变化（因为在给定时段中需要在一个轮廓比在另一个上切割更多的材料）。从而，AVCS需要调节射流入射处的切割速度，使得不会以大于指示的最大允许速度的速度切割给定表面的任何部分。这意味着，沿射流的一些部分的切割速度（从而被分配给PGV）可以是保守的，以确保由PGV界定的全部区域（表面面积）不违反质量要求（例如在期望的最大速度内）。在目前由Flow International Corporation制造的FlowMasterTM控制的形状切割系统中可获得使用最大速度的百分数作为对最大速度的合适指示的示例。对表面光洁度、速度和/或质量的等价指示符通常是已知的。当使用最大速度的百分数作为指示符时，可由AVCS使用预测模型、公式、和/或等价查找表（诸如速度和加速度模型507）以基于输入数据确定对于给定厚度的材料可能的最快切割速度（例如，与Newtonian约束一致）。然后使用百分数值以缩小计算的最大值。
图8A-8C示出对具有不同侧面剖面的三个零件分配50％的切割速度的示例。在图8A中，侧面剖面801指示切割射流将进行垂直于材料顶部的切割。在该情况中，在顶部的切割速度将等于在底部的切割速度，并且AVCS仅分配期望的50％速度。在图8B中，侧面剖面802指示切割的底部是顶部的两倍长。这指示射流将在切割中枢转，使得底部的切割速度将为顶部的切割速度的两倍。在该情况中，AVCS将调节切割速度，使得其在底部为50％而在顶部仅为25％，以维持期望的表面光洁度/质量/速度。图8C示出与图8B相反的情况。这里，在切割底部的射流将减慢到25％，而在顶部的射流将不允许超过50％。在全部三种情况中，AVCS基于来自操作员的输入或默认值或由系统分配的其他值自动确定正确的切割速度。保守的方法确保了在沿射流的任何点处的最大切割速度将不超过请求的速度指示。
在框605，对由相邻PGV界定的分段的每个顶部/底部对进行速度确定。给定顶部和底部分段的长度和速度指示，AVCS可以自动计算顶部和底部切割速度。
在框606，使用来自框601的容差输入数据以确定围绕每个PGV的包围（假想）体积。该体积表示每个PGV的偏离容差（或偏离容差区）。图9为示出围绕两个零件几何形状矢量的两个容差体积的示例框图。在实践中，围绕全部PGV限定体积，其中为了清楚，图9仅示出了两个这样的矢量。体积901是围绕第一PGV的容差体积；体积902是围绕第二PGV的容差体积。如图9所示，围绕每个矢量的体积不需要是相同的。例如，图9示出围绕位于零件的角处的PGV的较小体积902。这指示在零件的该区域的较严格的容差要求。另外，尽管图9示出了诸如为圆柱形的容差体积901，这样的形状不是必需的。实际中，容差要求可能本质上是方向性的。例如，当射流被引导到内部角时，可能不期望创建过切度割零件的区域。然而，在外部角上，通过拖拉射流切割到废料中可能是可接受的。这些不同的要求可能在射流进入角时导致一个容差值，而在射流离开角时导致另一个容差值。这样的要求可能在整个零件中创建具有变化尺寸和形状的容差体积，而不是图9中所示的圆柱形容差体积。另外，例如，当要求零件的任何子部分的较小精度时，可以对整个零件分配单个容差值。另外，可以通过切割系统分配一个或多个容差作为默认值。
在框607，AVCS例如利用图5中的自适应偏离校正模型506自动确定将切割的零件的形状并确定该形状是否落入与每个PGV相关联的偏离容差内。在一个实施例中，当切割前沿（射流长度下游的切割）移动进入工件材料以切割目标件时，使用最大允许速度指示、输入数据、接收的几何形状规格以及零件几何形状矢量预测切割前沿的形状。该预测在下文参考图19进一步进行讨论。可以使用给出相同或等价信息的任何合适的模型。然后在每个PGV将切割前沿的预测形状与偏离容差体积比较。例如，图10示出被部分包含在偏离容差体积的圆柱形中的切割前沿的曲面形状。曲面形状1002表示进入工件材料的切割前沿，其中形状的顶部以PGV（未示出）为中心。为了便于呈现，将切割前沿显示为小圆柱形的组合，然而，仅需要每个小圆柱形的一半来表示切割前沿。圆柱形1003表示围绕PGV的偏离容差体积。在图10中，切割前沿表示落入偏离容差体积的外部，如延伸到圆柱形1003之外的形状1002的尾部所示。图11示出预测切割前沿位于偏离容差体积内的曲面形状的示例。这里，示出曲面形状1102全部在圆柱形形状1103内。在偏离容差体积内的切割前沿的位置和取向可能变化，但是关键因素是，切割前沿是否被包含在该区内。
在框608，AVCS自动确定相对于用于描述PGV的XYZ坐标系施加的两个偏离校正角。这里，以施加于PGV的本地坐标系的球坐标表达偏离校正角。可以使用其他等价表达。另外，根据切割头设备电机和控制器，可以确定和使用更少或更多的偏离角。使用偏离校正角以创建新的射流方向矢量（JDV），其从PGV偏离由在偏离校正角中指定的倾斜和旋转限定的量。在切割前沿的预测形状在偏离容差体积之外的情况中，沿JDV引导射流将调节切割前沿以使其进入偏离容差体积中。
图12示出施加于图10所示的表示的偏离校正角的示例。这里，示出切割前沿1202位于由圆柱体1203限定的偏离容差体积内。在偏离容差较小或切割前沿的弯曲较大的情况中，可能不能找到如图12所示起作用的偏离校正角。
图13示出不能将切割前沿的预测弯曲取向为完全被包含在小的偏离容差体积中的示例。这里，切割前沿1302延伸到由圆柱体1303限定的偏离容差体积之外。当发生该现象时，AVCS自动尝试除去或减小切割前沿的弯曲以满足由操作员建立的容差要求。减小切割速度具有除去切割前沿中的弯曲的效果。
图14示出已经减小切割速度的情况下图13所示的切割前沿的表示。这里，切割前沿1402具有比图13所示的切割前沿1302减小的弯曲，其现在足以适配到由圆柱体1403限定的偏离容差体积内。如果在减小速度之后仍不能将切割前沿调节为适配偏离容差体积，则在一个实施例中，获得最佳适配，并提醒操作员。另外，如果对于一个JDV要求减小切割速度，则这样的减小可能需要调节相邻JDV的切割速度。可能需要这些调节以避免在切割系统中引入抖动。对JDV的确定在下文参考图19进一步进行讨论。
在框609，AVCS通过根据使用中的特定射流控制器的需要对运动程序数据结构（或其他数据结构）进行调节而构建最终运动程序/数据。运动程序包含需要的命令，以在射流沿入射和出射轮廓前进时以确定的切割速度在引入JDV的位置开始并在对应于引出JDV的位置结束沿每个JDV定向射流。可以关于电机位置或工具尖端位置和取向或其等价物表达运动程序指令。如果使用限定位置和取向的工具尖端位置，则控制器必须通过使用运动学方程将指令解释为电机位置。运动学的复杂性通常取决于用于操纵切割射流的硬件。
例如，一些控制器能够接收关于射流取向指定的运动程序并内部使用逆运动学方程以从射流工具尖端位置确定实际电机位置。然而，其他控制器预计接收关于电机位置而非射流工具尖端x-y位置和角坐标的运动程序指令。在该情况中，当需要将射流工具尖端位置“转换”为电机位置时，AVCS在步骤609中使用运动学方程执行这样的转换，并对存储在运动程序数据结构中的取向参数值进行调节。
在框610，AVCS根据AVCS与控制器之间的连接的设置建立和/或验证与射流设备的控制器的通信。（例如，在嵌入的AVCS的情况中，可以不需要执行该逻辑。）在框611，AVCS向用于执行的控制器发送（转发、通信、传输等）构建的运动程序/运动指令/数据。术语“控制器”包括能够基于运动程序/运动指令/数据引导电机移动的任何装置/软件/固件。这里使用的术语“运动程序”用于指示一组指令，其如其他地方所述地被使用的特定射流设备和/或控制器理解。上述代码/逻辑可相应地改变以适应任何这样的指令的需要和/或数据要求。
另外，尽管这里主要使用特定术语，可以交换地使用其他术语以获得等价的实施例和示例。另外，术语可以具有可选的、可能清楚提到或未提到的拼法，并且所有对术语的这样的变化都旨在被包括在本发明中。
在一个实施例中，AVCS的用户界面是控制整个切割过程的图形用户界面（“GUI”）。图15和16是AVCS用户界面的示例实施例的各方面的示例屏幕显示。这些显示示出用户如何调用AVCS能力以自动确定射流偏离校正并相应地调节射流取向，如图19和26中详细所述。在2004年7月20日授予Flow International Corporation的美国专利No.6,766,216中详细描述了用于输入用户输入等的其他示例屏幕显示。存在这些屏幕显示的很多变型，包括请求的输入、显示的输出及控制流，并且其被预想到与本文所描述的技术一起使用。
图15为示例自适应矢量控制系统切割模块用户界面的介绍性对话框的示例屏幕显示。绘图显示区域1501包含目标件的当前设计的视图。在该特定实施例中，对线进行颜色编码以对应于用户表面光洁度要求。进行不同的调节（未示出）以表现二维零件。可使用速度调节按钮1508以手动改变对任何特定绘图实体的设置。在其能力中，介绍性对话框经对设置按钮1502的选择提供到设置选项的访问。当选择预览按钮1503时，AVCS沿着在绘图显示区域1501中显示的绘图提供对切割头的方向和路径的模拟预览。使用偏离校正按钮1504以打开自动取向调节逻辑。当选择运行按钮1505时，AVCS执行与构建运动程序相关的大量活动，参考图18和19详细描述了其一个实施例。在AVCS已经完成构建运动程序并建立与射流设备控制器的通信之后，切割模块用户界面显示控制器反馈和控制对话框（“控制器对话框”）以实际运行切割过程。参考图16描述控制器对话框。在介绍性对话框中可获得其他字段以设置并显示其他工艺参数的值。例如，可在编辑框1506中设置工件材料的属性。此外，可在编辑框1507中设置射流工具的半径。可使用射流工具半径以确定用于产生目标切割路径所需的射流的偏移（偏移几何形状）。
图16为示例自适应矢量控制系统切割模块用户界面的射流控制器反馈和控制对话框的示例屏幕显示。切割显示区域1601包含目标零件的视图（这里以三维示出）。进行适当的调节（未示出）以图示二维切割。控制器反馈和控制对话框（控制器对话框）在切割目标零件时向操作员呈现当前的控制器信息。取向参数反馈区域1602显示来自控制器视点的取向参数的值。一旦开始切割处理，操作员就可以选择显示哪些参数。操作员选择初始取向按钮1603以设置（x,y,z）“原点”位置和切割头的倾斜和旋转角位置的“原点”。可选地，如果发生远离初始原点位置的移动，初始取向按钮1603还可以用于命令切割头行进到初始原点位置。工艺参数控制区域1606包含用于与泵浦和喷嘴相关的参数的当前值，包括是否使用磨料以及是以高压还是低压执行泵浦。为了开始实际切割过程，操作员选择循环开始按钮1604。此时，AVCS将运动程序传输到控制器并指令控制器执行该程序。选择循环停止按钮1605以停止当前的切割过程。
图17为可用于这里所描述的自适应矢量控制系统的实践实施例的示例计算系统的示例框图。注意，可以使用适当指令的通用或专用计算系统以实现AVCS。另外，可在软件、硬件、固件或一些组合中实现AVCS以实现这里所描述的能力。
计算系统1700可包括一个或多个服务器和/或客户端计算系统，并且可跨越分布的位置。另外，根据特定实施例的需要，每个示出的框可以表示一个或多个这样的框，或者可以与其他框组合。而且，自适应矢量控制系统1710的各个框可以物理地位于一个或多个机器上，其使用标准（例如TCP/IP）或专用进程间通信机制相互通信。
在所示的实施例中，计算机系统1700包括：计算机存储器（“存储器”）1701、显示器1702、一个或多个中央处理单元（“CPU”）1703、输入/输出装置1704（例如键盘、鼠标、CRT或LCD显示器等）、其他计算机可读介质1705以及一个或多个网络或其他通信连接1706。AVCS 1710被示出为位于存储器1701中。在其他实施例中，可将AVCS 1710的内容的一些部分、一些或全部部件存储和/或传输到其他计算机可读介质1705。自适应矢量控制系统1710的部件优选在一个或多个CPU 1703上执行，并如这里所述地管理运动程序的生成。其他代码或程序1730和可能的其他数据仓库，诸如数据仓库1720，也位于存储器1701中，并优选在一个或多个CPU 1703上执行。注意，图17中的一个或多个部件可能不存在于任何特定实现方式中。例如，嵌入在其他软件中的一些实施例可能不提供用于用户输入或显示的装置。
如图5所述，在典型的实施例中，AVCS 1710包括各种部件，包括用户界面1711、CAD模块1712（如果不是用户界面1711的部分）、运动程序生成器/AVCS内核1713、一个或多个可替换模型1714（包括自适应偏离校正模型1716）、控制器界面1715以及AVCS数据仓库1718。这些部件被示出为位于存储器1701中。如其他地方所述，用户界面1711用于对AVCS提供特定输入，诸如期望的表面光洁度和/或其他输入参数。CAD模块1712提供用于期望零件的几何形状规格。运动程序生成器/AVCS内核用于分割零件几何形状、确定容差和偏离校正，以利用包括自适应偏离校正模型1716的模型1714实现这样的容差。AVCS数据仓库1718可用于保存临时或永久数据，包括例如所生成的运动程序的副本。
至少在一些实施例中，CAD模块/部件1712被提供在AVCS外部，并可经一个或多个网络和/或通信总线1750获得。可实现其他和/或不同的模块。另外，AVCS可经通信总线/网络1750与其他应用代码1755（例如其使用通过AVCS 1710计算的结果）、一个或多个切割射流控制器或控制系统1760和/或一个或多个第三方信息提供者系统1765（诸如外部CAD系统，其提供分割处理或3D建模工具等的部分）交互。
另外，在一些实施例中，提供AVCS API（应用程序编程接口）1717，以提供对AVCS的各方面的程序访问。例如，在期望这样的访问的实施例中，API 1717可提供对以下内容的程序访问：存储在数据仓库1718中的运动程序，或甚至中间偏离校正结果，诸如PGV、JDV等，或通过AVCS提供的功能。这样的访问是期望的以例如连接到第三方3D建模软件。
在示例实施例中，利用标准编程技术实现AVCS 1710的部件/模块。然而，可以使用本领域已知的编程语言的范围以实现这样的示例实施例，包括各种编程语言范例的代表性实现，包括但不限于：面向对象的（例如，Java、C++、C#、Smalltalk等）、功能性的（例如ML、Lisp、Scheme等）、程序性的（例如C、Pascal、Ada、Modula等）、脚本语言（例如Perl、Ruby、Python、JavaScript、VBScript等）、说明性的（例如SQL、Prolog等）等等。
上述实施例还可以使用熟知的或专用的同步或异步客户端-服务器计算技术。然而，各个部件还可以通过更多单片机编程技术被实现为例如在单个CPU计算机系统上的可执行运行，或者通过本领域已知的多种结构化技术可选地被分解为在每个具有一个或多个CPU的一个或多个计算机系统上的运行，所述结构化技术包括但不限于：多程序、多线程、客户端-服务器端或对等计算。一些实施例可并行和异步执行，并利用消息传递技术通信。还支持等价的同步实施例。
另外，可通过标准装置获得对存储为AVCS 1710的部分的数据（例如，在数据仓库1718中）的编程接口，诸如通过C、C++、C#和Java API；用于访问文件、数据库或其他数据仓库的库；通过诸如XML的脚本语言；或通过网络服务器、FTP服务器或其他类型的提供到存储数据的访问的服务器。AVCS数据仓库1718可以被实现为一个或多个数据库系统、文件系统、存储器内数据结构或任何其他本领域已知的用于存储这样的信息的方法或上述任意组合，包括使用分布式计算技术的实现方式。
另外，示例AVCS 1710可以在分布式环境中实现，所述分布式环境包括多个（甚至异构的）计算机系统和网络。另外，一个或多个模块自身可以是分布式的、合并的或另外分组的，诸如由于负载平衡、可靠性或安全原因。预想到程序和数据的不同的配置和定位以使用本文所描述的技术。多种分布式计算技术适于以分布式方式实现所示实施例的部件，包括但不限于：TCP/IP套接字、RPC、RMI、HTTP、网页服务（XML-RPC、JAX-RPC、SOAP等)。其他变型也是可能的。另外，可通过每个部件/模块提供其他功能，或者可以将现有的功能以不同的方式分布到部件/模块中，同时仍实现这里所描述的功能。
另外，在一些实施例中，AVCS 1710的一些或全部部件可以以其他方式实现或提供，诸如至少部分在固件和/或硬件中，其包括但不限于以下一个或多个：专用集成电路（ASIC）、标准集成电路、控制器（例如，通过执行合适的指令，且包括微控制器和/或嵌入式控制器）、数字信号处理器（DSP）、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件（CPLD）等。系统部件和/或数据结构中的一些或全部还可以存储（例如，作为可执行或其他机器可读软件指令或结构化数据）在计算机可读介质（例如硬盘；存储器、网络；或将通过合适的驱动器或经合适的连接读取的便携式介质物品）上，以使得或配置计算机可读介质和/或一个或多个关联计算系统或装置执行或另外使用或提供内容，以执行所描述的技术中的至少一些。部件和/或数据结构中的一些或全部可被存储在有形存储介质上。系统部件和数据结构中的一些或全部还可以以非瞬时方式作为数据信号（例如作为载波的部分或者被包括为模拟或数字传播信号的部分）被传输到多种计算机可读传输介质上，诸如介质1705，其包括基于无线和基于有线/缆线的介质，所述信号然后被传输，包括通过基于无线和基于有线/缆线的介质，并且可以采用多种形式（例如，作为单个或多路复用模拟信号的部分或者作为多个分立数字包或帧）。这样的计算机程序产品在其他实施例中还可以采用其他形式。相应地，可以利用其他计算机系统配置实践本公开的实施例。
如参考图15所示的用户界面所讨论的，当操作员从用户界面的切割模块的介绍性对话框选择“运行”按钮时（参见例如按钮1505），AVCS开始自动确定并调节偏离校正角并基于其构建运动程序的过程。
图18为示例自适应矢量控制系统的自动偏离校正调节过程的示例流程图。在框1801，AVCS确定是否这是第一次运行软件来切割该目标零件或者是否改变了任何输入（工艺）参数，并且，如果是，则在框1802继续，否则在框1803继续。在框1802，AVCS显示用户界面输入对话框并从操作员获得关于操作员期望的首要的值、期望的表面光洁度、期望的容差等的信息。在框1803，AVCS使用上述自动调节技术调用例程以构建运动程序数据结构（或用于保存运动指令和/或数据的等价数据结构），以生成倾斜和旋转角值（基于偏离校正）和其他工艺参数值。在框1804，AVCS设置或验证已经与射流控制器建立了通信会话。（当使用嵌入在控制器内的AVCS时可以不存在该逻辑。）在框1805，在一个实施例中，AVCS显示对话框以示出来自控制器的反馈（例如，当正在切割零件时示出当前的x、y、z和角度值），并返回以等待进一步的操作员指令。
图19为通过示例AVCS执行的用于构建运动程序数据结构的逻辑的示例流程图。该逻辑例如从图18的框1803调用。AVCS检查针对期望零件接收的几何形状规格，并利用模型（诸如图5的模型505）和由操作员指示的首要切割工艺参数值，自动确定和调节要用于根据指定客户要求切割目标件的射流的速度和取向。这些值被存储在当完成时形成运动程序的数据结构中。可以使用任何合适的数据结构，包括简单的阵列、文件或表格，以存储运动程序数据。而且，如上所述，运动程序数据结构可根据需要包括代码、指令、数据和/或其他逻辑，以控制控制器和/或切割头。
具体是，在框1901中，AVCS从如其他地方所描述的输入的几何形状规格自动计算期望零件的偏移几何形状（还称为零件几何形状），并向其分配XYZ坐标系，后续的计算都基于所述XYZ坐标系。如上所述，偏移几何形状是当切割目标件时需要遵从的几何形状以考虑射流在切割时实际占用的任何宽度。优选，使用Z轴指向上方的右手坐标系。然而，可以使用任何一致坐标系。在实践中，如果坐标系与将在其上切割零件的物理机器人系统匹配，则可以使计算更容易。
在框1902，零件几何形状被自动分割从而其被表示为一系列零件几何形状矢量（PGV）。如上所述，PGV是连接射流进入要切割的材料之处的轮廓与射流从该材料出射之处的轮廓的直线段。优选，通过线段连接沿射流入射和射流出射轮廓的PGV的端点，不过在一些控制方案中，诸如弧线的其他几何实体也是可行的。射流入射和射流出射轮廓是一一对应的关系，从而两个轮廓具有相同数目的分段。为了便于说明，图19的流程图将参考诸如图7B所示的零件，尽管该技术不限于其中射流进入表面与射流出射表面共面的几何形状（诸如图7B）。注意，图19所描述的技术可应用于任何几何形状，只要对选择的坐标系施加适当的变换。
在框1903，AVCS对射流出射轮廓的每个分段（在两个PGV之间）确定工具尖端速度（例如以百分数速度为单位）。在其他实施例中，可以结合除百分数速度单位以外的速度指示。为了一致性和方便，这里使用百分数速度单位来描述速度。利用零件几何形状和操作员对允许的最大切割速度的指示，通过AVCS自动确定工具尖端速度，如参考图6所述。在其最简单的形式中，在一个实施例中，AVCS遵从高度保守的方法，并且不允许切割射流的任何部分超过由AVCS确定的速度。例如，在操作员使用50％最大速度的指示符的情况下。如果两个PGV之间的连接分段的长度在射流进入零件（沿射流入射轮廓）和从零件出射（沿射流出射轮廓）处相同时，则AVCS将基于50％输入计算切割速度。然而，如果在射流入射处的连接分段的长度是在射流出射处的连接分段的长度的两倍，则保守的方法将在切割入射处使用50％值，即使切割速度在切割出射处沿射流长度非常慢。（图3B示出具有锥状斜面的零件，其中入射轮廓比出射轮廓长。）如果在射流入射处的连接分段的长度是在射流出射处的连接分段的长度的一半，则保守的方法将入射切割速度降低为由25％值（50％最大值的一半）确定的速度。（图3A示出具有斜面的零件，其中入射轮廓比出射轮廓短，尽管其形状相同。还参考图21。）将入射切割速度设置为25％的值确保了切割表面的任何部分不会被比由操作员初始分配的50％更快地切割。基于预测模型，诸如根据切割速度描述表面光洁度的那些预测模型，可以使用较不保守的方法。可以通过AVCS使用任何类型的预测模型，以及查找表，或简单的数学技术，诸如取平均。
在框1904，AVCS自动将零件几何形状“切片”为多个平行于XY平面的层。AVCS将自动对每个切片应用预测模型（例如图5的自适应偏离校正模型506），以预测局部偏离，诸如回迹（拖曳）、径向偏转，其可能影响拖曳和锥度。然后将每层的拖曳结果（考虑任何径向偏转）的拖曳结果累加到一起，以给出切割前沿的整体图形。具体是，每层的偏离位置变为后续层的开始位置。从而，通过添加相对偏离，可以确定预测切割前沿从期望切割前沿的总偏离的整体意义。另外，在每层检查锥度，以确定切割是否在局部容差体积内。一旦预测切割前沿被确定并与可接受容差比较，AVCS可确定将施加到射流取向的校正角，以试图将切割前沿调节为落入可接受容差内，如参考图10到图13所述。
例如，考虑图20所示的情况。图20为施加偏离校正角以将射流取向调节为在可接受容差内的示例图示。在图20中，线2004表示PGV，切割前沿的用于产生期望几何形状的理想期望位置。然而，线2001示出在多个层上累加的预测切割前沿的开始和出射位置，其中线2001落在期望容差体积2000之外。线2002示出将落入可接受容差体积内的假设切割前沿的开始和结束位置。AVCS计算用于将线2001定向到2002的位置所需的适当的旋转。这些旋转变成施加到PGV 2004的校正角2005。通过对PGV添加这些校正角，当进行切割时将最终将切割前沿移到容差体积内。
每个层的厚度选择是在计算工作量与分辨率之间的平衡。较薄的层要求更多的计算但是提供更精确的结果。较厚的层允许较少的计算但是较低精确度的结果。实验已经示出，0.01英寸（0.254mm）的层厚将以足够的细节描述通常的磨料水射流切割。在下文中使用的公式基于该层厚。用于各个方程的系数可以在改变层厚时变化。
图21示出用于图示示例AVCS的分割和分层的梯形零件的侧面剖面的示例。图21示出五个PGV和共m层。实践中，PGV和层的数目可以多得多。示出该减少的数目是为了便于说明。每层具有厚度t，零件的总厚度示出为T。
在框1905，确定每层的在每个PGV（对于每个PGV分段）处的零件表面的曲率半径。曲率半径R是零件表面的曲率k的倒数。利用用于表面的良好建立的数学方法求得曲率k和曲率半径R。例如，Kobayashi和Nomizu的Foundations of Differential Geometry，JohnWiley & Sons，1991或Thorpe的Elementary Topics in Differential Geometry，Springer-Verlag，N.Y.，1979提供了这样的信息，其整体以引用的方式并入本文。注意，通过分割处理可能丢失关于曲率的信息（例如，当PGV是直线时）。在该情况中，可以从作为几何形状规格的输入的原始几何形状找回曲率值。可选地，可以在分割之前将这些值计算为图19的逻辑的部分。例如，在图7B所示的零件中，每层处的曲率半径将从形成射流入射轮廓处的每个分段的圆的半径变化到对于表示射流出射轮廓处的每个分段的线的无穷大的值。在中间层上的半径的值将根据表面描述而变化。
图22A和22B示出在诸如图7B所示的零件上的每个层的曲率半径如何变化。图22A示出零件被“切片”为四层的分解图。通过检查边缘2201、2202、2203、2204和2205，清楚地示出从边缘2201处的圆到边缘2205处的线的转变。图22B示出相同零件的俯视图，以给出对相同效果的不同视角。
在框1906，AVCS通过使用射流出射轮廓的（百分数）速度和来自PGV和连接分段的信息计算每层的调节切割速度（例如，调节的百分数切割速度）。速度的调节考虑每层处的材料深度。换句话说，分配到射流出射轮廓的速度与材料的总深度T相关联。但是AVCS优选使用适于给定层的切割速度以导出其他层计算。另外，应考虑攻角θ以及当射流通过材料移动时的射流的枢转。在图21中，可以看到，考虑攻角以补偿射流由于角度θ行进通过层的任何额外距离。另外在图21中，例如，底部分段长度Lm大于Lm-1等。这有效地使得朝向切割入射的切割速度甚至比在底部更慢。如果入射长度大于出射长度，则效果是相反的。另外，由于功率在射流长度下游损耗，切割效率倾向于随着深度下降，并且优选也考虑这方面。关于切割效率随着深度减小，基于经验结果，对于达到2英寸厚度的材料，切割速度近似与(1-0.2T)/T成比例，其中T为以英寸为单位的总厚度。通过形成在全部材料厚度处的比例切割速度与在给定层的厚度处的比例切割速度的比，将该关系用于计算每层的调节切割速度。
公式（1）示出用于调节每层的切割速度的公式形式（这里使用百分数速度作为速度度量）。在公式（1）中，U%adj是给定层的百分数调节速度，U%exit是出射轮廓处的百分数速度，T是以英寸为单位的目标材料的总厚度，t是以英寸为单位的一层的深度，m是从入射轮廓计数的层数，Lexit是连接出射轮廓处的两个相邻PGV的分段的以英寸为单位的长度，Lm是被调节的层的相邻PGV之间的分段的长度。公式（1）已经示出良好地适用于达到2英寸厚度的材料。对于更厚的材料，可能需要对系数的一些调节。
U % adj = ( L m L exit ) * U % exit * ( 1 - 0.2 T T ) ( 1 - 0.2 mt mt ) - - - ( 1 )
在框1907，将每层的调节（百分数）切割速度分解为X和Y分量以表示方向分量。以第一PGV开始，与后面的PGV连接的每层处的分段的方向形成速度矢量。根据几何形状的标准规则，AVCS针对建立的坐标系的X和Y分量计算每层的调节的百分数速度。计算结果被存储在合适的数据结构中。
在框1908，AVCS构建切割前沿的三维剖面。为了计算每层的切割前沿，AVCS考虑射流与材料之间的两个相互作用。第一相互作用是射流从切割方向相反地偏转。这称为射流拖曳、回迹或滞后。AVCS使用以下形式的公式计算X和Y分量的每个中的每层的拖曳：
d L ′ = ( 0.41 * ( t cos θ ) * U % adjxy ) 100 - - - ( 2 )
其中dL′是给定层的总拖曳dL的X和Y分量的每个的计算的拖曳长度（英寸），θ是PGV到材料层中的攻角的度数，如图21所示，U%adjxy是通过公式（1）求得的给定层的调节百分数速度的X和Y分量，而t是层厚度（英寸）。总拖曳长度dL是其矢量分量的和。攻角必须小于90度。实践中，接近90度的攻角不被允许，并且公式（2）在较大攻角时变得较不精确。当切割圆形形状时发生第二相互作用。在该情况中，拖曳和圆形运动的组合创建这样的切割前沿：其不仅仅与切割方向相反，还具有与朝向圆形移动中心的切割方向垂直的分量。
图23示出朝向圆形移动中心的拖拉切口的示例偏转。切口为通过工具创建的切割。AVCS利用以下形式的公式计算该垂直分量：
dR＝30.0*((R2+dL 2)1/2-R)    (3)
其中dR是垂直于dL的距离（英寸），而R是每层的曲率半径（英寸）。当AVCS遇到线时，将dR的值简单地设置为零。因为每层具有有限的厚度，从而层的顶部的曲率半径可能与底部的不同。在该情况中，可以使用平均曲率半径。AVCS在射流进入材料的第一层开始，并计算拖曳的X和Y分量。两个相邻PGV之间的分段限定切割的方向并从而限定拖曳的方向。当曲率半径的值存在时，基于dL的X和Y分量的矢量和计算dR的值。射流拖曳位置的定位垂直于其原始方向移位dR的量。组合的拖曳的定位和径向偏转移动限定下一层的起始点。AVCS然后按顺序逐层计算拖曳和圆形偏转，直到构建了射流曲率的完整分布。每层的计算值被存储在合适的数据结构中。在图10中，切割前沿的总体曲面形状1002是通过组合拖曳和径向偏转创建的形状的示例。
在框1909，AVCS确定每层处的切口的宽度。对于该框，AVCS依赖于示出射流的宏观结构的模型。现有技术中已知用于切口宽度和拖曳的现有模型，例如在美国专利No.6,766,216中提出了一种形式。在这些模型中，可以看出，拖曳和切口宽度都随着材料厚度和百分数速度变化。从而，可利用线性拖曳与切口宽度之间的关系计算切口宽度。图24示出切口宽度与线性拖曳之间的关系的图形表示。特别是，图上的每条线表示：对于百分数速度和材料厚度的对，切口宽度如何随着不同的线性拖曳值变化。AVCS检查每层的存储数据，并与径向偏转无关地计算每层的拖曳的总长度（从到该层的入射且包括该层）。然后使用该拖曳的值计算：在对其利用上述模型预测切口宽度的线性切割中，等效百分数速度将为多少。利用以下形式的公式求出线性等效百分数速度UL%。
如果mt≤0.25，则
U L % = ( 100 * d LS ) ( 0.36 * mt ) - - - ( 4 )
如果mt≥0.25且mt≤2.0，则
U L % = ( 100 * d LS ) ( ( 0.1445 * mt ) + 0.0539 ) - - - ( 5 )
其中mt是层数m与表示当前层深度的层厚（英寸）的乘积，而dLS是该深度处的总拖曳。每层的计算值被存储在合适的数据结构中。
AVCS然后使用UL%的值以利用以下形式的公式计算每层的宽度WL（英寸）：
如果mt≤0.25，则
WL=(0.051389-(0.000131*UL%)-(0.172999*mt)+
(0.588475*(mt)2)-(0.000721*UL%*mt))    (6)
如果mt>0.25且mt≤2.0，则
WL=(20.391548+(0.434775*UL%)-(4.650149*mt))-1  (7)
AVCS将每层的计算值存储在合适的数据结构中。图10示出切割前沿的图示，其中每层的切口宽度由以通过框1908的拖曳和偏转计算确定的切割前沿形状为中心的圆盘表示。
在框1910，AVCS自动确定切割前沿，即预期切割的曲率特征，是否落入允许的偏离容差内。使用容差输入（通过操作员、AVCS自身和/或通过外部输入），AVCS计算每层的围绕每个PGV的可接受的容差体积。（例如，考虑图10-13中表示容差体积的圆柱形。）然后检查在框1909中确定的每层的切割前沿数据，以确定预期切口是否将落入可接受的体积内。如果切割前沿对于该PGV的全部层都是可接受的，则对于每个层检查下一个PGV和切割前沿（在该路径剖面处的预期切割的曲率特征）。对于每个PGV，容差检查的结果被存储在合适的数据结构中。
在框1911，AVCS定位对应的切割前沿（切割曲率特征）在容差之外的任何PGV。参考图20描述该情况的示例。线2001表示连接顶层切口位置与底层切口位置的假想线。描述2001的位置和取向的一种常规方法是使用原点位于PGV 2004的顶部处的本地球坐标系。图25示出使用球坐标以导出偏离校正角的示例。使用球坐标，可通过两个角和到原点的距离定义空间中的任何点。将该方法应用于图20，可以观察到，通过长度r和两个角α和β定义底层处的切割前沿的位置。线2002表示允许切割前沿位于容差体积2000内的任何取向。即，如果线2001被旋转到线2002的位置，则预测切割前沿将不再延伸到容差体积2000的外部。由于线2002的底部端点也可以通过球坐标定义，可以使用用于旋转变换的标准数学程序，以计算当被施加于线2001时将使其旋转到线2002所示的位置的角度的值。这些计算的角度可以有效地用于校正切割前沿从PGV 2004的偏离。虚线2005示出：通过对PGV2004施加这些偏离校正角，获得（射流方向矢量）JDV 2003。同样，可利用用于旋转变换的已知数学程序执行将PGV旋转偏离校正角的量。
在框1912，AVCS确定经偏离校正的切割前沿是否仍在偏离容差体积内。如果不是，则AVCS前进到框1913，以将切割速度降低一些选择的百分数速度，并且通过返回到框1906从开始重新计算切割前沿。迭代该过程（执行框1906到1913），直到切割前沿例如如图14所示落入偏离容差体积内。
在一个实施例中，AVCS不允许速度低于固定值。如果达到该值，则通知操作员期望的容差将不能得以满足。降低对于一个PGV的切割速度可能需要调节相邻PGV（或JDV）的速度的切割速度。这在违反机器加速度限制的情况下或者对于避免影响切割零件外观的大的速度变化可能是必需的。通常，在短距离内导致大的拖曳变化的速度变化是不推荐的。如果需要调节若干个速度，则AVCS在受影响的区域上迭代。全部结果被存储在合适的数据结构中。
在框1914，AVCS产生并存储实际运动指令（例如在运动程序和/或数据中）。运动指令包含使得运动控制器以适当的速度和与每个JDV对准的适当的取向沿射流入射轮廓移动工具尖端所需的全部信息。检索用于全部PGV、速度指令（例如百分数速度）以及偏离校正角的信息。当需要时，利用合适的预测模型或查找表将速度指示（例如百分数速度）转换为实际速度单位。例如在FlowMaster软件中实践这些模型。对于切割头控制器合适的是，计算用于移动电机以实现沿PGV加偏离校正角的切割头的位置和取向所需的命令，并且从其构建运动程序/数据。
运动程序可以被写成给定运动控制器所理解的任何格式。例如，一种常用形式的运动程序使用通常所谓的G代码。G代码程序的简单示例为：
G01×10F50
其中G01指示以单位时间50单位的速度在X方向的线性移动10单位。更复杂的G代码命令将包括Y和Z方向，以及用于旋转轴的命令。用于X、Y、Z、F以及旋转命令的实际值将取决于是否工具尖端位置和取向正被命令或者用于产生期望尖端位置和取向所需的明确电机位置。
在图19的另一个实施例中，AVCS不执行逻辑框中的一个或多个。而是，将诸如自适应偏离校正模型（图5中的模型506）的模型下载到控制器自身中。当控制器执行零件几何形状的切割路径剖面时，控制器咨询内部嵌入的模型和相对于切割路径剖面中的当前位置和随后的位置的反馈，以确定将被用于例如通过操纵切割头取向调节射流的任何需要的偏离校正角。从而，提供一种“前瞻处理（look-ahead）”。如下文参考图26所述，一旦控制器反馈和控制屏幕被显示（图16），操作员优选选择循环开始按钮（参见例如按钮1604）以使得射流设备实际开始切割工件。
图26为用于开始切割循环的通过自适应矢量控制系统执行的逻辑的示例流程图。在框2601，AVCS将运动程序转发（例如使得其被下载、发送、传输）到控制器（例如控制器计算机或卡）。在框2602，AVCS将指令发送或另外传输给控制器，以指示控制器应开始执行运动程序，且然后返回。当控制器前进通过运动程序时，其在全部的角度和速度之间平滑地转变。
在本说明书中引用的全部上述美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利公开，包括但不限于2010年5月21日提交的名称为“AUTOMATED DETERMINATIONOF JET ORIENTATION PARAMETERS IN THREE-DIMENSIONAL FLUID JET CUTTING”的美国专利申请No.12/800,756、2004年7月20日公布的名称为“METHOD ANDSYSTEM FOR AUTOMATED SOFTWARE CONTROL OFWATERJET ORIENTATION PARAMETERS”的美国专利No.7,766,216以及2006年2月7日公布的相同名称的美国专利No.6,966,452，整体以引用的方式并入本文。
从上文可以理解，尽管本文为了说明的目的描述了具体实施例，在不偏离本发明精神和范围的情况下可进行各种修改。例如，本文所描述的用于自动确定和调节偏离校正角的方法、系统和技术可应用于除PMAC控制器架构的其他架构。另外，本文所描述的方法、系统和技术可应用于不同的协议、通信介质（光学的、无线的、缆线等）和装置（诸如无线手持装置、平板、电子笔记本、个人数字助理、便携式电子邮件机、游戏机、寻呼机、诸如GPS接收器的导航装置等）。

Claims (15)

1.一种在流体射流设备控制系统中用于自动确定和生成运动指令以控制流体射流切割头利用流体射流在一个或多个指定容差内切割三维目标零件的方法，包括：
接收所述三维目标零件的几何形状的指示，该几何形状指示与射流出射轮廓不同的射流入射轮廓，从而所述流体射流在切割时以不同的速度和/或不同的方向从工件切割所述射流入射轮廓和所述射流出射轮廓；
接收期望表面光洁度、质量和/或速度的指示；
通过检查沿从所述射流入射轮廓上的点到所述射流出射轮廓上的点确定的所述射流的预期切割的深度的速度和/或方向变化，自动确定：当以对应于所指示的期望表面光洁度、质量和/或速度的速度切割所述目标零件时，所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征；
当确定所述预期切割具有在所述指定容差之外的三维切割曲率特征时，自动确定偏离校正角以将所述射流的取向调节为产生具有在所述指定容差之内的三维曲率特征的切割；以及
通过考虑所确定的偏离校正角自动生成并存储指示所述切割头的期望移动的一个或多个运动指令和/或数据以调节所述射流的取向。
2.根据权利要求1所述的方法，其中通过检查沿所述射流的预期切割的深度的速度和/或方向变化自动确定所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征确定在沿所述射流的预期切割的深度的若干位置处的非线性回迹和/或径向偏转。
3.根据权利要求1所述的方法，其中通过检查沿所述射流的预期切割的深度的速度和/或方向变化自动确定所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征还包括：
确定预期切割的预测切割前沿；以及
将所述预测切割前沿与指定容差体积比较，以确定所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征。
4.根据权利要求1所述的方法，其中自动确定所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征还包括：
将目标零件几何形状分割为零件几何形状矢量，每个零件几何形状矢量抽象地连接所述射流入射轮廓上的假想点和所述射流出射轮廓上的对应假想点，从而在入射轮廓和出射轮廓上的点的数目之间存在一一对应关系；
沿所述零件几何形状矢量中的一个或多个零件几何形状矢量检查沿所述射流的预期切割的深度的速度和/或方向变化；以及
对于所述一个或多个零件几何形状矢量确定所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征。
5.根据权利要求1或4所述的方法，其中自动确定所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征还包括：
将目标零件几何形状分为多个层；
在所述多个层中的一个或多个处检查沿所述射流的预期切割的深度的速度和/或方向变化；以及
在每层确定：用于生成该层处的目标零件的预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述三维曲率特征包括回迹或径向偏转中的一个或多个并且/或者包括切口宽度，并且/或者其中所述指定容差能够被表达为围绕从所述射流入射轮廓上的一个或多个点到所述射流出射轮廓上的对应点的射流的深度的指定体积。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，当确定即使在调节所述射流的取向之后所述三维切割曲率特征继续处于所述指定容差之外时，对切割过程的一部分分配至少一个较慢速度，并重新评估：自动确定所述预期切割是否具有在所述指定容差之外的三维曲率特征，包括自动确定偏离校正角以调节所述射流的取向是否产生具有在所述指定容差内的三维曲率特征的切割。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括将包括取向调节的运动指令和/或数据传输给所述切割头以控制切割过程并且/或者将所述运动指令和/或数据转发给控制器。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述运动指令和/或数据包括所述偏离校正角或相当的逆运动学值，并且/或者其中所述偏离校正角被用于调节所述射流的取向以控制所述切割头的倾斜和旋转位置。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述流体射流设备控制系统是磨料水射流系统。
11.根据权利要求1所述的方法，其中接收所述三维目标零件的几何形状的指示指示从零件的射流入射轮廓到射流出射轮廓逐渐具有不同轮廓的目标零件，每个轮廓具有不同的曲率半径。
12.一种具有指令的计算机可读介质，所述指令在被执行时通过执行根据前述权利要求中任一项所述的方法控制计算机处理器自动确定并生成用于控制水射流切割头切割具有一个或多个指定容差的三维零件的运动指令。
13.一种用于执行根据权利要求1-11所述的方法中的任一种的计算系统，包括：
存储器；
计算机处理器；
流体射流切割头控制系统，其控制切割头的位置和取向以利用流体射流在一个或多个指定容差内从工件切割三维目标零件；
预测建模逻辑器，其被存储在所述存储器中，并当被在所述计算机处理器上执行时：
通过检查沿从所述射流入射轮廓上的点到所述射流出射轮廓上的点确定的所述射流的预期切割的深度的速度和/或方向变化，确定对应于所述流体射流的预期切割的至少一个预测切割前沿；
将所述预测切割前沿与所述一个或多个指定容差比较，以确定所述至少一个预测切割前沿的至少某一部分何时在所述一个或多个指定容差之外；以及
提供偏离校正角，该偏离校正角调节所述射流的三维取向以使得所述预测切割前沿在所述一个或多个指定容差内；以及
运动指令生成逻辑器，其构建用于所述流体射流切割头控制系统的运动指令，以控制所述切割头的取向，以基于所提供的偏离校正角切割所述三维目标零件。
14.根据权利要求13所述的计算系统，其中所述流体射流切割头控制系统是CNC控制器或基于机器人学的控制系统，并且/或者所生成的运动指令被包含在用于驱动所述流体射流切割头控制系统的运动程序或运动数据中。
15.根据权利要求14所述的计算系统，其中所述预测建模逻辑器通过在多个小步长上积分关于切割所述三维目标零件的信息以生成所述至少一个预测切割前沿而工作。
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