CN104412185A - 用于根据轮廓的图案控制机器的方法和激光切割机 - Google Patents

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Abstract

确定了表示机器沿着连接图案的轮廓上的一组离开点和进入点的一组轨迹的操作的一组开销。每个轨迹表示机器根据机器的动力学从具有离开速度的离开点到具有进入速度的进入点的操作。该组轨迹包括表示沿着在对应的离开点和进入点处具有非零速度的轮廓的操作的至少一条轨迹和表示在对应的离开点和进入点处具有非零速度的不同轮廓之间的操作的至少一条轨迹。基于开销来确定使得机器追踪图案的操作的总开销最优的轨迹的序列，并且根据该序列确定用于控制机器的一组指令。

Description

用于根据轮廓的图案控制机器的方法和激光切割机
技术领域
本发明一般地涉及一种用于为机器生成运动计划的系统和方法，并且更具体地，涉及一种确定用于根据轮廓的图案控制机器的一组命令的系统和方法。
背景技术
在计算机数控机器(CNC)加工中，工具头根据预定图案相对于工件移动以执行对工件的加工。加工能够包括对于工件的各种类型的处理，例如对工件的切割或钻孔。为了简单说明并且不失一般性，在本公开中，加工被示例为使用激光切割机对工件进行切割的处理。
根据图案从片材料切割特征是通常的制造工艺。一般来说，激光切割机的切割头沿着正交轴在边界面上平移。该类型的激光切割器常常用于从片材料(例如，不同厚度的塑料和金属片)切割分立的特征。激光切割器的控制常常由遵循有时实施为“NC代码”或“G代码”的规定的一组命令的计算机数控机器(CNC)来执行。
如果将要被切割的图案包括不连续轮廓，则加工与重定位交替地进行，例如，在切割之后，机器关闭切割器，跨越到新的位置，并再次启动切割器以继续加工。基于图案(例如，待切割的轮廓的所有曲线的绘制)来规划机器的运动。通常，曲线中的一些是封闭的以表示将要从材料中切出的形状。规划问题能够包括确定所有切割的最小时间或最小能量巡路。该巡路表示切割的顺序。
近来，所有加工的特征在于停止-启动运动。在加工期间，切割头接近图案的轮廓的已规划的切割曲线的进入点，停止，启动切割器，并且然后进行下一切割运动。因此，最快的切割到切割跨越(也已知为“高速路”)是直线。针对“停止-启动”加工的规划问题能够包括同时找出切割的顺序和切割之间的最短直线跨越。这样的规划问题的一个传统的解决方案使用了旅行推销员问题(TSP)的变形。例如，参见Hoeft和Palekar：“Heuristics for the plate-Cutting TSP”，IIE Transactions的卷29，1997。
然而，通过这些运动规划推测的激光切割器的“停止-启动”行为限制了机器的生产率。为了高速加工，大量的加速和减速导致了高的能量开销并且会对机器造成损耗。
切割技术的发展现在使得能够进行“飞过”切割，即，在不停止以启动或关闭切割器的情况下进行切割。这使得能够进行更快速的巡路，但是也导致了更复杂的规划问题，这是因为飞过加工中的直线跨越能够是非常次优的。然而，将直线跨越替换为其它类型的跨越是次优的，这是因为该解决方案没有完全地考虑机器的动力学性质，例如，参见美国专利6609044。其它的解决方案涉及手绘的巡路，但是显然，这对于大的规划问题来说是不实际的方法。
因此，需要自动地生成高效的动力学最优的运动规划以根据不连续轮廓的图案控制机器。
发明内容
本发明的各种实施方式的目的在于提供一种用于根据轮廓的图案(例如，不连续轮廓的图案)确定用于控制机器的一组命令的系统和方法。一些实施方式提供了一种生成用于飞过加工的运动规划的方法，该方法包括下述中的一个或其组合：处理运动(例如，切割或不进行切割的情况下的跨越)的排序、用于这些运动的轮廓上的进入点和离开点、动力学优化这些进入点与离开点之间的跨越轨迹以及沿着运动规划的各点处的运动的速度变化图(profile)。
一些实施方式基于下述实现，为了使加工的速度最优，机器的工具头应该在基于其曲率和机器的动力学最佳地匹配用于每段轮廓的最大切割速度的同时，在切线上前进到每段轮廓的进入点和离开点。该实现允许确定巡路(即，包括例如，切割和跨越轨迹的轨迹序列)，以动力学最佳方式追踪图案。跨越轨迹的示例是在没有实际加工的情况下的机器的工具头的重定位。
能够利用正在离开和进入的切割轮廓的段的形状来确定跨越轨迹的每个末端处的速度向量。能够基于机器的动力学(例如，机器的动量、速度限制或加速度限制)来确定这些向量之间的最优轨迹。一些实施方式在使用允许大的加速度的激光切割机来切割工件的处理中采用。其它实施方式在其它类型的加工(例如，划线、雕刻和绘图)中使用。
最佳跨越轨迹常常是弯曲的。由于机器的动力学，弯曲的跨越轨迹能够比直线跨越更快并且是更能量高效的。进一步复杂的示例是一些切割器可以具有在跨越期间必须避开切割头的“非飞过区”。例如，热的头可能会使薄的材料翘曲并且因此所有的跨越应该近在废弃的材料上通过。
此外，一些实施方式基于下述特定的实现，能够对于图案的轮廓上的各种可能的离开点和进入点指派速度向量，并且任意巡路中从一个离开点到一个进入点的开销指示(例如等于)将机器的操作从具有离开速度的离开点移动到具有进入速度的进入点的动力学最优轨迹的开销。这样的实现允许确定一组候选跨越轨迹，并且使用各种优化技术来选择巡路。
因此，一个实施方式公开了一种用于根据不连续轮廓的图案控制机器的方法。该方法确定表示机器沿着连接图案的轮廓上的一组离开点和进入点的一组轨迹的操作的一组开销，其中，每个轨迹表示机器根据机器的动力学从具有离开速度的离开点到具有进入速度的进入点的操作。该组轨迹能够包括表示沿着在对应的离开点和进入点具有非零速度的轮廓的操作的至少一条轨迹以及表示在对应的离开点和进入点具有非零速度的不同轮廓之间的操作的至少一条轨迹。接下来，该方法基于开销确定使得跟踪图案的机器的操作的总开销最优的轨迹的序列，并且根据该序列确定用于控制机器的一组命令。
另一实施方式公开了一种用于根据不连续轮廓的图案控制激光切割机的方法。该方法包括下述步骤：构造包括节点和边缘的图，其中，该图的节点表示轮廓上的进入点和离开点，切割边缘表示相邻的节点之间沿着轮廓的切割，并且遍历边缘表示不同切割轮廓上的进入点与离开点之间的动力学最优轨迹；确定通过所有节点与切割边缘的巡路以及图的至少一些遍历边缘，从而巡路使得执行的总开销最优；以及将巡路转换为用于控制机器的一组命令。该方法的步骤由处理器执行。
又一实施方式公开了一种激光切割机，其包括激光切割器，用于根据不连续切割轮廓的图案切割工件；
控制模块，用于根据一组命令导航激光切割器，从而激光切割器在没有停止的情况下跟踪切割边缘和遍历边缘；以及运动规划模块，用于基于图案生成一组命令，其中，该组命令是基于使得追踪图案的激光切割器的操作的总开销最优的巡路来生成的，其中，运动规划模块确定一组切割边缘和一组遍历边缘，其中，该组遍历边缘中的轨迹是动力学最优轨迹，并且其中，运动规划模块应用旅行推销员问题(TSP)解法来产生巡路。
又一实施方式公开了一种根据不连续轮廓的图案确定用于控制机器的一组命令的方法。该方法包括以下步骤：获取不连续轮廓的图案以及机器的动力学中的至少一个；以及根据使得追踪图案的机器的操作的总开销最优的轨迹的序列生成用于控制机器的一组命令，其中，轨迹的序列包括表示沿着在对应的离开点和进入点处具有非零速度的轮廓的操作的至少一个轨迹以及表示对应的离开点和进入点处具有非零速度的不同轮廓之间的操作的至少一个轨迹。
附图说明
图1A是实施发明的一些实施方式的激光切割机的示意图。
图1B是实施发明的一些实施方式的激光切割机的示意图。
图2是不连续轮廓的示例性图案。
图3是根据本发明的一些实施方式的根据不连续轮廓的图案控制机器的方法的框图。
图4A是根据一些实施方式的用于确定并且解决旅行推销员(TSP)问题的方法的变形的流程图。
图4B是根据一些实施方式的用于确定并且解决旅行推销员(TSP)问题的方法的变形的流程图。
图5是根据一些实施方式的示例性TSP图的一部分的图。
图6是利用本发明的一些实施方式对于图2的图案的一部分确定的巡路的示例。
图7是根据本发明的各种实施方式的迂回战略的示例。
具体实施方式
图1A示出了适合于由本发明的一些实施方式控制的激光切割机10的示例。为了说明的简化并且不失一般性，加工被示例为使用激光切割机来切割工件的处理。
机器10被配置为在平行于将被加工为特定形状的片材料的表面的任意方向上移动激光头20。激光头20是非接触装置，其通常在处于“下”位置时从激光头的尖端到被切割的片材料的顶表面保持一定距离。包括“接触”型头的其它类型的激光头也是可能的。
激光头20安装在往复台上以能够在垂直于激光切割机的主台的长度方向的线性方向上前后移动。当激光头20在该垂直方向上跨越时，风琴状帘22能够被相应地压缩或伸展。激光头往复台结构24也能够沿着机器10的主轴在长度方向上移动，并且激光头结构任一侧的风琴状帘26和28能够相应地压缩或伸展。激光头20的移动通常由计算机数控装置15来控制。
例如，由片材料制成的平面部30被放置在特殊的床状结构32的顶部上。床状结构32由相对薄的金属片材料的X-Y网格结构制成，其被构造为创建支撑片材料30的底表面的多个“点”34。
通常，在激光头20的尖端与片材料30的顶表面之间保持小的空隙。当一个片材料30已经被切出但是未能掉落到床32的底部。有时，切出的部分能够变为“挂”在床32的顶部分上。
图1B示出了适合于由一些实施方式控制到工件111上由激光器110产生的束115的位置的激光切割机10的另一示例的框图。为了说明的简化并且不失一般性，加工被示例为使用诸如机器10或100的激光切割机来切割工件的处理。然而，适合于采用本发明的实施方式的机器的其它变形、激光切割机的其它变形以及激光切割机10或100的设计的其它变形都是可能的并且处于本发明的范围内。
激光切割机100能够包括被构造为沿着至少第一方向120移动的平台112。平台由用于在平行于工件的平面上移动平台的运动系统122移动。在一个实施方式中，运动系统122包括用于平台沿着第一方向120的第一运动的第一移动关节。
另外或替选地，激光切割机能够包括电动(galvano)头113，其布置在例如平台112上，从而平台沿着第一方向120的运动引起了电动头沿着第一方向的运动。例如，电动头能够包括可反转DC马达，其在输出轴上配备有镜，并且通常具有内置的停止块，以将镜的旋转限制到小的角度(通常围绕中心+/-20至30度)。电动头常常被构造为单个集成单元。
例如，平台到位置112’的运动将电动头移动到位置113’。而且，电动头的操作将激光束沿着第二方向130引导到工件。电动头能够被布置在平台上，从而第二方向130被相对于第一方向120固定，这允许将激光束同时沿着第一方向和第二方向引导。在机器100的各种实施中，工件上的激光束的位置是第一运动和第二运动的向量和140。
平台的运动和电动头的操作能够由控制模块150来控制。控制模块150能够使用处理器151来实施。在一些实施方式中，控制模块包括计算机数控(CNC)控制器195。控制模块根据定义激光束的位置的轨迹的G代码190来控制运动系统和电动头。例如，G代码190将用于X轴平台的位置编码为在G代码轴X上的运动，将Y轴龙门编码为G代码轴Y上的运动，将X运动电动和镜编码为G代码轴A上的运动，并且将Y运动电动和镜编码为G代码轴B上的运动。该四轴G代码在激光切割机的操作期间中由控制器来解释。而且，机器能够包括运动控制模块180，其用于确定例如G代码190形式的一组命令，以根据图案控制机器。
激光切割机10和100是允许“飞过”(即，在不停止以启动或关闭切割器的情况下的)切割或其它类型的加工。这允许更快速的巡路，但是也带来了更加复杂的规划问题，这是因为用于这样的机器的直线跨越能够是次优的。
图2示出了能够用于切割工件的材料的诸如轮廓210、212、214、216和218的不连续轮廓的图案200示例。由于图案200包括不连续轮廓，因此根据图案的工件的加工与重定位交替进行，例如，在切割之后，机器关闭切割器，跨越到新的位置，并且再次启动切割器以继续加工。在各种实施方式中，诸如激光切割机的机器在开始以及追踪表示不同轮廓之间的操作的轨迹期间没有停止。
因此，诸如轨迹226的切割轨迹(即，沿着轮廓的切割的轨迹)能够与跨越轨迹(即，将切割器在没有进行切割的情况下重定位到新的位置的轨迹，例如轨迹225)交替。每个轨迹的端点包括从轮廓开始轨迹的离开点和使得轨迹进入到轮廓中的进入点。端点位于图案的轮廓中的一个上。通常，切割轨迹的端点位于同一轮廓上，例如，轨迹226的点222和224。然而，跨越轨迹的端点通常位于不同轮廓上，例如，轨迹225的点222和228。每个端点能够是离开点、进入点或这两者。
本发明的一些实施方式没有给出并确定切割和进入/离开点的顺序。另外，一些实施方式确定轨迹的形状和沿着轨迹前进的时序，这相应地控制形状和机器的跨越和切割运动的时序。而且，在一些实施方式中，进入/离开点的顺序、轨迹的形状和时序同时优化。该同时优化能够相对于其它方法(其确定顺序有时确定进入点，但是次优地留下形状和时序以在以后由运动控制器确定)是有利的。
图3示出了根据本发明的一些实施方式的根据不连续轮廓的图案控制机器的方法的框图。具体地，一个实施方式确定巡路(例如，使机器350追踪图案的操作的总开销最优的轨迹340中的至少一些的序列325)，并且确定用于根据巡路控制机器350的一组命令335。在一些实施方式中，该组命令包括根据图案加工工件的开/关命令信号、位置和速度。
该方法的步骤能够由处理器301执行。例如，该方法的步骤能够由控制模块50和/或由能够实施为例如控制器195的一部分的运动规划模块180来实施。运动规划模块能够生成例如G代码190形式的命令335。
一些实施方式基于用于保持高速度的一般性实现，机器的工具头应该在切线上进入和离开轮廓的每段，最优地匹配由机器的动力学和段的形状允许的用于该段的最大切割速度。具体地，跨越的每个末端处的速度向量能够由正在离开和进入的轮廓的该段的形状来确定。这些向量之间的最优轨迹能够由机器的动力学(例如，机器的动量、速度限制和加速度限制)来确定。
此外，一些实施方式基于下述具体实现：图案的轮廓上的各种可能的离开点和进入点能够被指派有速度向量，并且任意巡路上从一个离开点到一个进入点的开销指示(例如，等于)将机器的操作从具有离开速度的离开点移动到具有进入速度的进入点的动力学最优轨迹的开销。这样的实现允许确定一组候选跨越轨迹，并且使用各种优化技术来选择巡路。
此外，一些实施方式基于另外的实现：有利之处在于，根据包括使机器追踪图案的操作的总开销最优的轨迹的序列的一组命令来控制机器，其中，该组轨迹包括表示沿着在对应的离开点和进入点处具有非零速度的轮廓的操作的至少一条轨迹和表示对应的离开点和进入点具有非零速度的不同轮廓之间的操作的至少一条轨迹。
因此，本发明的一个实施方式确定310表示连接图案的轮廓上的一组离开点和进入点的一组轨迹340的机器360的操作的一组开销315。每条轨迹(例如，轨迹345)表示370机器根据机器365的动力学从具有离开速度375的离开点到具有进入速度373的进入点的操作。机器365的动力学能够包括机器的加速度。通常，该组轨迹包括标识沿着在对应的离开点和进入点处具有非零速度的轮廓的操作的至少一条轨迹(例如，图2的轨迹226)和表示在对应的离开点和进入点处具有非零速度的不同轮廓之间的操作的至少一条轨迹(例如，图2的轨迹225)。
在一些变形例中，轨迹340是基于与对应的离开点和进入点关联的最优切割速度向量确定的动力学最优轨迹。每个速度向量包括机器的操作的速度的方向和值。例如，能够基于点的位置处的轮廓的形状363以及机器375的动力学来确定用于每个离开点和进入点的速度向量。例如，能够基于适合于加工连接离开点和进入点的轮廓的段的最大速度来确定离开速度和进入速度。在又一实施方式中，动态最优轨迹使用样条来连接段端点。
开销315表示根据对应的轨迹的机器的操作的开销。更具体地，轨迹的开销能够是其时间、距离、能量等等的任何函数。例如，开销能够基于追踪的时间、追踪轨迹所要求的能量或其它可消耗项目。接下来，基于开销315，确定320使机器追踪图案的操作的总开销最优的轨迹。各种实施方式使用了各种优化技术，下面描述其中的一些。
序列325形成了追踪图案的巡路，其包括预定顺序的轨迹340的子集。此外，由于在优化之前，基于机器的动力学365确定轨迹340，因此确定320还选择了最优子集，并且因此确定轨迹的形状和其跨越的事件。接下来，能够根据序列来确定330用于控制350机器360的一组命令335，并且例如将其存储在存储器中或者发送到控制器。
一些实施方式基于另一实现：用于确定巡路的开销最优化问题能够视为旅行推销员问题(TSP)，例如，非度量TSP，其中，TSP的解是在一组轨迹上想要的巡路。在一些实施方式中，在没有明确地计算轨迹的情况下计算开销，因此在TSP中能够考虑大量可能的跨越。
有利的是，能够实时地构件TSP，还能够在合理量的事件内获得几乎最优的解，并且各种实施方式能够使用各种第三方或自定义的TSP解法。TSP解法包括分支定界算法、切割平面算法、Lin-Kernighan方法、模拟退火算法、遗传算法、Tabu搜索、玻尔兹曼机器和其它解法。
例如，一些实施方式构造包括一组切割边缘和一组遍历边缘的TSP图，其中，切割边缘的端点形成了图的节点，并且一组遍历边缘中的轨迹是连接来自不同轮廓的一对节点的动力学最优轨迹。因此，应用于图的TSP解法能够产生动力学最优的巡路。
TSP图是其中每个节点标识可能的切割进入或离开点的节点和边缘图，并且每个边缘标识可选的跨越轨迹或要求的处理运动(例如，切割)。在该公开中，这些运动被称为切割，但是在本发明的一些实施方式中，其它处理可以应用于工件。图中的每个边缘被指派有开销，通常反映了时间、能量或一些其它可消耗项目的使用。一些实施方式确定该图上通过表示切割的所有边缘和所有节点的最小开销巡路。该最小开销巡路给出了切割进入、离开和跨越的最优序列。在一些实施方式中，巡路完全地指定机器的运动。在其它实施方式中，巡路被动力学地平滑以获得最小能量或最小开销运动规划。
TSP图包括表示切割端点的节点和表示切割的边缘(即，切割边缘)或表示跨越的边缘(即，切割之间的遍历边缘)。在各种实施方式中，切割边缘被强制进入到TSP解中。然后，TSP解法额外地选择遍历边缘的一个子集以获得完整的巡路，其包括通过动力学优化跨越轨迹而连接的切割的最小开销排序。一些实施方式使用通用TSP解法或设计定制的解法来确定以一组所有切割边缘开始的巡路。
因此，在一些实施方式中，通过下述中的一个或组合来将运动规划问题减少到一些边缘被强制进入到巡路中的TSP图上的非度量TSP：(1)构建TSP图；(2)确定TSP图的边缘的开销；(3)求解TSP图以确定巡路；以及(4)将巡路序列转换为动力学最优的物理轨迹。
确定TSP图
图4A示出了根据一些实施方式的用于确定TSP图并且求解TSP图以确定动力学最优巡路470的方法400的流程图。图4B示出了根据替选实施方式的方法400的流程图。假设一组待切割的轮廓410，每个轮廓被划分415为一组分段。每个分段的两个端点均构成了针对TSP图的节点。分段构成了针对TSP图的连接端点节点的边缘。该边缘表示切割。对于端点节点中的每一个，根据分段的形状和用于该分段的机器的最大切割速度来确定425进入或离开速度向量。在典型的实施方式中，向量相对于切割正切，并且向量的幅值与进入点或离开点处的切割的曲率反比例地相关。在替选实施方式中，能够使用表示端点处的最优速度的各种函数。例如，在图4B的实施方式中，确定425表示每个端点处的速度的一组样条。
在一些实施方式中，一个或两个额外的节点被添加420到TSP图以表示加工的开始和结束位置。开始和结束位置能够是相同或不同的位置，例如，机器的待机位置(home position)。这些节点中的每一个具有零速度向量，并且TSP解被强制为按顺序通过这些节点，就好像它们是切割的端点一样。
对于每对离开点和进入点，遍历边缘被添加到TSP图。在一些实施方式中，对于图中的每个节点，例如基于节点之间的欧几里德距离来确定430位于不连续轮廓上的进入点或离开点的一组物理封闭的节点。在这些实施方式中，近对于成对的封闭节点确定跨越轨迹，因此减少了计算的数目。另外，一个实施方式将成对的封闭节点限制为在没有跨越任何“禁飞区”的情况下能够到达的封闭节点。一些实施方式通过将所有节点位置输入到k-D树中并且在每个节点的空间邻居中执行范围查询或球查询来确定这些封闭节点。
对于表示一对封闭节点的每对端点来说，一些实施方式例如基于从以其关联的速度向量开始的一个端点到以其关联的速度向量结束的另一端点的跨越的时间或能量来确定动力学最优的跨越轨迹。能够基于速度向量来确定轨迹。例如，对于每对端点，如图4A中所示，确定435连接速度向量的动力学最优轨迹。替选地，如图4B中所示，能够基于表示速度的其它函数(例如使用样条435')来确定跨越轨迹。
跨越轨迹受到机器480的动力学或运动约束(例如，机器的最大速度、最大加速度、加速度变化率和运动范围)的限制。机器的动力学能够例如由机器的规格来定义。在一些实施方式中，从图中移除440破坏运动约束或者跨过禁飞区的轨迹。
例如，在一个实施方式中，动力学最优轨迹x(t),0<t<Tmax是对于下述的解：
能够基于CNC控制的变化来确定最优轨迹。例如，跨越轨迹与由CNC控制确定的轨迹的不同之处在于需要达到目标速度和前进方向，而不仅是目标位置。在该方面，运动规划问题与航天器控制更相似。
在大多数机器中，能够独立地控制X轴运动和Y轴运动，从而能够在方向X和Y上独立地计算最优跨越轨迹。例如，如果仅应用了速度和加速度限制，则每个维度上的运动概况是1-4条二次曲线的连结。例如，仅考虑水平运动。如果候选跨越涉及退出朝向左侧的切割，但是然后使切割向右方进行，则跨越开销是需要完全减速，然后最大地向右加速到下一切割(可能减速以匹配切割速度)所需要的时间。因此通过求解二次等式来获得用于水平运动的最小总时间。一般来说，2D轨迹是小于八的次方的曲线。
表示轨迹的遍历边缘被以其对应的开销添加到TSP图。轨迹的开销能够被确定445为其时间、距离、能量等等的任意函数。能够存在连接一对进入点和离开点的多个遍历边缘。
在确定了轨迹和轨迹的对应的开销之后，TSP解法应用450到由所有进入节点和离开节点、切割边缘和遍历边缘形成的图。切割边缘被强制455到解中，并且TSP解法确定完成了巡路460的遍历边缘的子集。在一些实施方式中，完整的巡路被细化并转换465为确定动力学最佳巡路470的机器命令。
图5示出了示例性TSP图的一部分的图，其中，图的节点表示轮廓上的进入点和离开点，切割边缘表示沿着相邻的节点之间的轮廓的切割，并且遍历边缘表示不同切割轮廓上的节点之间的动力学最优轨迹。诸如线510和520的粗线是表示命令切割的边缘。这些切割被划分为段。小的空心圆(例如，530和535)描绘了形成段的进入点或离开点。在轮廓被划分的情况下，存在表示共存的进入节点和离开节点的两个空心圆。虚线箭头540和545描绘了两个离开速度向量。每个速度向量包括该速度的幅值和方向。每个进入或离开点具有这样的向量，但是仅示出了两个以减少图中的杂乱。点线(例如，550和555)是从位于方形的右下角处的单独的离开点开始的候选跨越轨迹的示例。
图6示出了对于图2的图案200的一部分确定的巡路600的示例。该巡路能够由本发明的各种实施方式来确定，并且敏感于机器的动力学(例如，机器的速度和加速度限制)。分段610是表示在对应的离开点620和进入点640处具有非零速度的不同轮廓之间的操作的轨迹的示例。
禁飞区
在一些情况下，最优跨越轨迹跨过“禁飞区”，即，工件的根据图案对于跨过敏感的部分。有时，这样的跨过是不想要的，这是因为这能够导致被移除的部分和工具头的冲突。例如，如图7(A)中所示，之前切割的特征700可能被从位置701到另一待切割的轮廓711的位置709的单个轨迹710跨过。在一些实施方式中，这样的轨迹被丢弃或进行修整。
例如，如图7(B)中所示，轨迹被从单个轨迹710变形为跟随特征的轮廓的一系列分段701-709。该轨迹能够通过下述步骤来构造：
(1)对于用于原始的快速横向移动710的特定特征获得进入位置702和离开位置708；
(2)确定进入位置与离开位置之间围绕特征的最短行进方向；
(3)将原始的快速横向段710替换为模拟包括所遵循的特征的轮廓的切割移动的一系列短的分段；以及
(4)将这些分段扩大远离特征边界以确保在切割器头与之前切割的特征之间不能够发生冲突。
然而，通过上述策略产生的轨迹可能不是避免与之前切割的特征交叉的最优移动，这是因为，这能够涉及多个陡然移动，并且不是动力学最优的。
如图7的(C)中所示，另一策略将一系列短的分段减少为仅使用位置701、704、706和709。仅保留避开特征所必需的位置。
这能够通过下述步骤来实现：从离开点701的视点开始，选择禁飞区的边界上的最左侧可视点704，然后从该点704的视点看，再次选择禁飞区的边界上的最左侧的可视点706，并且重复该过程，直到达到了能够无阻碍地看到进入点710的点，并且将所有这些点701、704、706、710作为用于跨越的模版。该模版然后被扩大远离禁飞区，并且然后，在停留在从704至706的扩大后的路径的左侧的状态下，对于连接具有正确的端点速度的701至710的动力学最优轨迹712进行求解。替选地，通过同样的过程，能够找到到达禁飞区的右侧的路径。
另一实施方式使用TSP图来对轨迹进行修整。例如，一个实施方式通过利用添加的轨迹通过某点(例如，禁飞区的边界之外的点)的约束重新求解最优运动问题来对轨迹进行修整。如果修整后的约束还通过禁飞区，则添加更多这样的约束点并且再次重新求解该问题。
表示非局部跨越的遍历边缘也可以添加到图，例如，从每个内部节点到最外面的切割上的节点的跨越，或者甚至随机选择的节点之间的少量跨越。这些边缘对于TSP问题添加了自由度，这使得能够找到更高效的规划，但是代价是要求更多的计算。
TSP解法确定了通过图的最低开销或大约最低开销巡路。由该巡路的边缘表示的跨越和切割包括用于切割头的动力学最优全局轨迹。
转向
各种偏好能够被编码在跨越轨迹的开销中。例如，如果优选封闭轮廓中的所有分段都在单个运动中被切割，则将正值添加到与表示进入或离开这些分段的跨越的遍历边缘关联的所有开销，因此阻止多次进入和离开。如果优选切割器跟随围绕角的切割轮廓，而不是移动离开以进行其它切割，则能够添加其开销反映了减慢两个毗连的切割以准确地绕过角部的时间或能量开销的遍历边缘。
假设一组嵌套切割，常常优选的是，内切割在外切割之前进行。一些TSP解法能够适应按照节点出现在巡路上的顺序的约束。替选地，一些实施方式针对包围切割在其中嵌套的切割之前完成的情况检查TSP解。如果找到了TSP解，则最后一次检查该巡路，以检查到嵌套切割的跨越飞过包围的切割，并且这时，之前的包围切割被改变为使得一片材料在该最后一次飞跃期间留下没有被切割。在具有闭合曲线在一个运动中被切割的要求的实施方式中，TSP图被划分为均被独立地求解的嵌套图，并且然后以内到外的顺序进行切割。
一些实施方式在确定了巡路中的轨迹的顺序之后，以各种方式对解进行细化。例如，对于每个进入点和离开点，考虑一组附近的替选(在同一切割轮廓上)。使用由TSP确定的切割的序列，能够经由动态规划并且再次使用跨越轨迹开销作为边缘权重来高效地识别替选的全局最优巡路。
在TSP解已经确定了用于切割头的动力学最优巡路之后，实施方式确定用于切割机的控制器的一组命令。一些控制器能够近处理线段的序列，并且有时能够处理圆弧，因此，在一些实施方式中，由TSP解选择的轨迹由这些几何基元的序列来近似。在将这些基元拟合为曲线时，在过于粗糙地采样曲线(这引起了运动误差)与过于精细地采样曲线(这使得控制器过负荷并且减慢了整个机器)之间存在着权衡。一个实施方式贪婪地以没有使得控制器过负荷的最精细的采样速率确定基元，但是该实施方式能够是次优的。替选实施方式将基元的过完备集拟合到轨迹的曲线，从而曲线的每个部分由多个交叠的基元覆盖。然后，使用动态规划或者其它解来找到在没有使得控制器过负荷的情况下对曲线进行最佳的近似的拟合基元的子集。
本发明的上述实施方式能够以任一种方式来实施。例如，实施方式可以使用硬件、软件或其组合来实施。当以软件实施时，能够在不管是在单独的计算机还是分布在多个计算机之间的任何适合的处理器或处理器的集合上执行。这样的处理器可以实施为集成电路，并且集成电路组件中具有一个或多个处理器。但是，可以使用任何适合的格式的电路来实施处理器。
此外，应该了解的是，计算机可以以多种形式中的任一种来实施，例如，机架安装计算机、台式计算机、膝上计算机、微型计算机或平板计算机。而且，计算机可以具有一个或多个输入和输出装置。这些装置能够用于例如展示用户界面。能够用于提供用户界面的输出装置的示例包括用于视觉地展示输出的打印机或显示屏幕以及用于听觉地展示输出的扬声器或其它声音产生装置。能够用于用户界面的输入装置的示例包括键盘、诸如鼠标、触摸板和数位板的指点装置。作为另一示例，计算机可以通过语音识别来接收输入信息或者接收其它音频格式的输入信息。
这样的计算机可以由任何适合的形式(包括诸如企业网或互联网的局域网或广域网)的一个或多个网络来互连。这样的网络可以基于任何适合的技术并且可以根据任何适合的协议来操作并且可以包括无线网络、有线网络或者光纤网络。
而且，这里阐述的各种方法或处理可以编码为可在采用各种操作系统或平台中的任一种的一个或多个处理器上执行的软件。另外，这样的软件可以使用多种适合的编程语言和/或编程或脚本工具中的任一种来编写，并且还可以编译为可执行的机器语言代码或在框架或虚拟机上执行的中间代码。在该方面，本发明可以实施为计算机可读存储介质或多个计算机可读存储介质，例如，计算机存储器、压缩盘(CD)、光盘、数字视频盘(DVD)、磁带和闪存。替选地或另外地，本发明可以实施为除了计算机可读存储介质之外的计算机可读介质，例如，传播信号。
计算机可执行指令可以采用多种形式，例如，由一个或多个计算机或其它装置执行的程序模块。通常，程序模块包括执行特定任务或实施特定摘要数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构。通常，程序模块的功能性可以根据需要在各种实施方式中组合或分布。
而且，本发明的实施方式可以实施为提供了其示例的方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何适合的方式来排序。因此，实施方式可以构造为以不同于所示出的顺序的顺序来执行动作，这可以包括即使在所示实施方式示出为顺序的动作，但是可以同时执行这些动作。

Claims (24)

1.一种用于根据不连续轮廓的图案控制机器的方法，所述方法包括：
确定表示所述机器沿着连接所述图案的轮廓上的一组离开点和进入点的一组轨迹的一组开销，其中，每个轨迹表示所述机器根据该机器的动力学从具有离开速度的离开点到具有进入速度的进入点的操作，其中，该组轨迹包括表示沿着在对应的离开点和进入点具有非零速度的轮廓的操作的至少一条轨迹以及表示在对应的离开点和进入点具有非零速度的不同轮廓之间的操作的至少一条轨迹；
基于所述开销，确定使跟踪所述图案的所述机器的操作的总开销最优的轨迹的序列；以及
根据所述序列确定用于控制所述机器的一组命令，
其中，所述方法的步骤由处理器执行。
2.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
基于所述一组离开点和进入点中的每个点的每个位置处的轮廓的形状以及所述机器的动力学，确定用于该点的速度向量；以及
基于对应的离开点和进入点的速度向量来确定所述开销。
3.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
将所述离开速度和所述进入速度确定为适合于对连接所述离开点和所述进入点的轮廓段进行加工的最大速度。
4.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
将所述轨迹确定为动力学最优轨迹。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定一组命令的步骤包括：
将运动基元的过完备集拟合到所述轨迹的序列；以及
使用动态规划从使操作的所述总开销最优的一组运动中选择运动基元的子集。
6.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
构造图，其中，所述图的节点表示进入点和离开点，切割边缘表示沿着对应的相邻节点之间的轮廓的轨迹，并且遍历边缘表示不同轮廓上的节点之间的轨迹；
确定通过所述图的所述节点、所述切割边缘和至少一些遍历边缘的巡路，使得所述巡路使所述操作的所述总开销最优；以及
基于所述巡路确定所述轨迹的序列。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，每个开销表示沿着所述轨迹的操作的时间，并且所述巡路使得所述操作的时间最小。
8.根据权利要求6所述的方法，所述方法进一步包括：
基于适合于对由相邻节点形成的所述切割边缘进行加工的最大速度来确定所述节点的速度向量；以及
确定连接不同轮廓上的节点的所述遍历边缘，使得从而连接对应节点的所述遍历边缘表示所述机器的在对应的节点处得到对应的速度向量的动力学。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述一组轨迹包括连接相同的离开节点和进入节点的至少两条轨迹，其中，所述至少两条轨迹具有不同的形状，所述方法进一步包括：
对所述一组开销共同进行优化，以确定所述序列的轨迹的形状、所述轨迹在所述序列中的顺序以及按照每条轨迹进行的操作的时间。
10.根据权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括：
对于所述巡路中的每条轨迹选择一组替选轨迹；以及
使用动态规划，基于每条轨迹的开销，使用原始轨迹和替选轨迹的联合组的子集，对所述巡路进行更新。
11.一种用于根据轮廓的图案控制激光切割机的方法，所述方法包括：
构造图，其中，所述图的节点表示轮廓上的进入点和离开点，切割边缘表示沿着相邻的节点之间的轮廓的切割，并且遍历边缘表示不同切割轮廓上的节点之间的动力学最优轨迹；
确定通过所述图的所述节点、所述切割边缘以及至少一些遍历边缘的巡路，使得所述巡路使执行的总开销最优；以及
将所述巡路转换为用于控制所述机器的一组命令，
其中，所述方法的步骤由处理器执行。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述动力学最优跨越轨迹被约束为绕过禁飞区。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，所述转换包括：
将运动基元的过完备集拟合到所述巡路；以及
基于每个运动基元的加工的开销，使用动态规划从一组运动基元中选择所述运动基元的子集。
14.根据权利要求11所述的方法，其中，所述图是旅行商问题(TSP)图，所述方法进一步包括：
将TSP解法应用于所述图，同时使得所述节点和所述切割边缘强制进入到解中，以产生所述巡路。
15.根据权利要求11所述的方法，其中，构造步骤包括：
将所述图案的所述轮廓划分为一组切割边缘，其中，所述切割边缘的端点形成了所述图的所述节点；
基于与节点对应的切割边缘的分布以及适合于对所述切割边缘进行切割的最大速度来确定每个节点的速度向量；以及
确定连接不同轮廓上的节点的所述遍历边缘，使得连接两个节点的遍历边缘表示所述机器的得到所述两个节点的所述速度向量的动力学。
16.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
确定相邻节点的遍历边缘。
17.根据权利要求11所述的方法，所述方法进一步包括：
确定沿着所述切割边缘和所述遍历边缘的执行的开销以产生一组开销；
根据一组偏好修改所述一组开销；以及
对所述一组开销共同进行优化，以确定使所述执行的总开销最优的所述巡路。
18.一种激光切割机，所述激光切割机包括：
激光切割器，该激光切割器用于根据图案切割工件；
控制模块，该控制模块用于根据一组命令对所述激光切割器进行引导，使得所述激光切割器在不停止的情况下跟踪切割边缘和遍历边缘；以及
运动规划模块，用于基于所述图案生成所述一组命令，其中，该组命令是基于使所述激光切割器跟踪所述图案的操作的总开销最优的巡路来生成的，其中，所述运动规划模块确定一组切割边缘和一组遍历边缘，其中，该组遍历边缘中的轨迹是动力学最优轨迹，其中，所述运动规划模块应用旅行商问题(TSP)解法来产生所述巡路。
19.根据权利要求18所述的激光切割机，其中，所述遍历边缘被约束为绕过禁飞区。
20.根据权利要求18所述的激光切割机，其中，所述一组命令是基于将运动基元拟合到所述巡路来确定的。
21.一种用于确定根据不连续轮廓的图案控制机器的一组命令的方法，所述方法包括：
获取不连续轮廓的所述图案以及机器的动力学中的至少一个；以及
根据使所述机器跟踪所述图案的操作的总开销最优的轨迹的序列生成用于控制所述机器的一组命令，其中，所述轨迹的序列包括表示沿着在对应的离开点和进入点处具有非零速度的轮廓的操作的至少一个轨迹以及表示在对应的离开点和进入点处具有非零速度的不同轮廓之间的操作的至少一个轨迹，
其中，所述方法的步骤由处理器执行。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述机器的动力学包括最大加速度。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述一组命令根据所述图案控制加工工件的位置、速度和开/关信号。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，所述机器不为了跟踪表示不同轮廓之间的操作的轨迹而停止。
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