CN117259959A - 用于激光加工的视觉预览 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于激光加工的视觉预览。一种计算机数字控制机器可以包括可移动头部，所述可移动头部被配置为将电磁能量传送到工作区域的一部分，在所述工作区域中所述可移动头部可以受命令以引起电磁能量的传送。所述内部空间可以由壳体限定并且可以包括可打开屏障，当所述可打开屏障处于闭合位置时所述可打开屏障衰减所述内部空间和所述计算机数字控制机器的外部之间的光的传输。所述计算机数字控制机器可以包括互锁件，在检测到所述可打开屏障未处于闭合位置时所述互锁件阻止电磁能量的发射。所述命令可以导致所述计算机数字控制机器执行运动计划的操作，以引起可移动头部移动，从而传送电磁能量以引起至少部分包含在所述内部空间中的材料的改变。

Description

用于激光加工的视觉预览

本申请是申请日为2016年2月12日、申请号为201680021300.5且题为“用于激光加工的视觉预览”的PCT国际发明专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请主张下述申请的优先权：2015年2月12日提交的美国临时专利申请No.62/115,562；2015年2月12日提交的美国临时专利申请No.62/115,571；2015年9月23日提交的美国临时专利申请No.62/222,756；以及2015年9月23日提交的美国临时专利申请62/222,757；以及2015年9月23日提交的美国临时专利申请No.62/222,758。通过引用将上述所有申请的书面描述、权利要求和附图并入于此。

技术领域

本文描述的主题涉及制造过程，所述制造过程实施机器视觉或由机器视觉辅助，机器视觉与制造机器内部的广角观察系统结合。

背景技术

计算机控制的制造系统(例如，“3D打印机”、激光切割机/雕刻机、CNC铣床等)能够用于创造像模造或手工组装的传统制造技术不能创造的复杂物件。这样的自动化方法基于指定切割、层、图案和要执行的其他动作的指令进行操作。所述指令可以以计算机文件的形式被传输到机器的计算机控制器的存储器并且在运行时被解译以在制造过程中提供一系列步骤。

发明内容

在一个方面，一种计算机数字控制机器包括可移动头部，所述可移动头部配置为将电磁能量传送到工作区域的一部分，所述工作区域由极限限定，所述可移动头部受命令以在所述极限内引起电磁能量的传输。所述工作区域在激光计算机数字控制机器的内部空间的内部。所述内部空间由包括可打开屏障的壳体限定，当所述可打开屏障处于闭合位置时所述可打开屏障衰减所述内部空间和所述计算机数字控制机器的外部之间的光的传输。所述计算机数字控制机器包括互锁件，在检测到所述可打开屏障未处于闭合位置时所述互锁件阻止电磁能量的发射。命令导致所述计算机数字控制机器执行运动计划的操作，以引起可移动头部移动，从而传送电磁能量以引起至少部分包含在所述内部空间中的材料的改变。

借助至少一个相机产生包括所述工作区域的至少一半的图像。当所述互锁件不阻止电磁能量的发射时发生所述产生。

在另一个方面，一种计算机数字控制机器包括可移动头部，所述可移动头部配置为将电磁能量传送到工作区域的一部分，所述工作区域由极限限定，所述可移动头部受命令以在所述极限内引起电磁能量的传输。所述工作区域在激光计算机数字控制机器的内部空间的内部。所述内部空间由包括可打开屏障的壳体限定，当所述可打开屏障处于闭合位置时所述可打开屏障衰减所述内部空间和所述计算机数字控制机器的外部之间的光的传输。所述命令导致所述计算机数字控制机器执行运动计划的操作，以引起可移动头部移动，从而传送电磁能量以引起至少部分包含在所述内部空间中的材料的改变。

暂时阻止电磁能量的发射。并且，借助至少一个相机产生包括所述工作区域的至少一半的图像。当可打开屏障处于闭合位置并且在暂时阻止电磁能量的发射的过程中发生所述产生。

在一些变型中，下述特征中的一个或多个可以可选地包括在任何可行组合中。

材料的改变可以包括切割、蚀刻、漂白、固化和燃烧中的至少一种。可以处理所述图形以去除失真。失真可以包括色差。可以通过增加对比度增强图像。可以将图像中的像素映射到工作区域内的对应物理位置。

所述一个相机不安装到可移动头部或相机附接到可打开屏障。所述相机可以是不安装到可移动头部的单个相机。所述单个相机可以安装在所述内部空间内并且与工作区域相对或附接到可打开屏障。

当可打开屏障不处于闭合位置时可以借助所述单个相机摄取图像，附加的图像可以包括所述内部空间外部的物体。所述内部空间外部的物体可以是计算机数字控制机器的用户。

所述相机能够运动。运动可以包括到各个位置的平移、旋转和沿一个或多个轴倾斜。所述相机可以安装到能够平移的支撑件。能够平移的支撑件可以包括可移动头部。

产生图像可以包括通过相机捕获子图像，并且所述产生可以包括组装子图像以产生所述图像。在至少相机相对于第一子图像的运动之后可以捕获第二子图像。所述组装可以包括拼接多个子图像以产生所述图像。

可以处理所述图像以产生与在图像中捕获的计算机数字控制机器的可移动部件的位置、位置的高阶导数、速度、加速度、异常状况和非异常状况中的一个或多个相关的数据。基于产生的数据动作可以发起或终止另一动作。

所述可移动部件可以以与可移动头部的固定空间关系设置，其中所述方法还可以包括借助可移动头部位置和其高阶导数利用数据更新控制计算机数字控制机器的操作的软件。所述可移动部件可以包括可移动头部上的可识别标记。所述可移动部件可以包括可移动头部和/或门架。

可以利用对所述图像和工作区域的附加图像的一个或多个数学运算来处理所述图像。所述数学运算可以产生相对于所述图像自身的用于分析图像中被成像物体的改进的图像。

可以连同引起计算机数字控制机器的部件的操作的改变来捕获工作区域的附加图像。操作的改变可以包括在摄取所述图像和附加图像之间改变灯的光输出。可以在摄取所述图像和附加图像之间改变部件的位置，并且在摄取所述图像和/或附加图像时振动相机。改进的图像可以包括相对于所述图像锐化、校正照明伪像、平均、边缘检测和噪声消除。可以借助所述内部空间内部的光源产生的不同照明条件来产生所述图像。所述光源可以包括由于激光器的操作导致的光。

可以基于来自集成到计算机数字控制机器中的传感器的信号触发相机，其中传感器不是用户可操作的相机控件。

本主题的实施方式可以包括但不限于与本文提供的描述一致的方法以及包括有形地实现的机器可读介质的物件，所述有形地实现的机器可读介质可操作成使得一个或多个机器(例如，计算机等)产生实现一个或多个描述的特征的操作。类似地，也描述了计算机系统，其可以包括一个或多个处理器和耦接到一个或多个处理器的一个或多个存储器。可以包括计算机可读存储介质的存储器可以包括、编码、存储或使得一个或多个处理器执行本文描述的一个或多个操作的一个或多个程序。与本主题的一个或多个实施方式一致的计算机实施的方法可以通过驻存在单个计算系统或多计算系统中的一个或多个数据处理器实施。这样的多计算系统可以经由一个或多个连接、经由多计算系统中的一个或多个之间的直接连接等被连接并且可以交换数据和/或命令或其他指令等，所述一个或多个连接包括但不限于通过网络(例如，互联网、无线广域网、局域网、广域网、有线网络等)的连接。

附图说明

结合在本说明书中并且构成本说明书一部分的附图示出了本文公开的主题的某些方面，并且这些附图与说明书一起帮助解释与公开的实施方式相关联的一些原理。附图中，

图1是与本主题的一些实施方式一致的计算机数字控制机器(CNCmachine)的正视图，所述计算机数字控制机器具有定位成捕获整个材料床的图像的相机和定位成捕获材料床的一部分的图像的另一相机；

图2是图1所示的计算机数字控制机器的实施方式的俯视图；

图3A是示意了与本主题的一些实施方式一致SVG源文件的一个示例的图；

图3B是与本主题的一些实施方式一致的计算机数字控制机器中的切割路径的图形表示的示例；

图3C是示意了与本主题的一些实施方式一致的与切割路径和源文件对应的机器文件的图；

图4A是示出了与本主题的一些实施方式一致的图像的相加的图；

图4B是示出了与本主题的一些实施方式一致的图像的相减的图；

图4C是示出了与本主题的一些实施方式一致的图像的差分以隔离模拟的内部照明效果的图；

图5是示出了了与本主题的一些实施方式一致的对计算机数字控制机器中的三维物体成像的盖式相机的图；

图6是示出了与本主题的一些实施方式一致的将在图5中被成像的物体表达为叠加在计算机数字控制机器中的材料上的2-D图案的集合的图；

图7是示出了与本主题的一些实施方式一致的被预览为三维物体的2-D图案的集合的图；

图8是示出了与本主题的一些实施方式一致的对存在于计算机数字控制机器中的材料上的水印成像的头部相机的图；

图9是示出了与本主题的一些实施方式一致的通过盖式相机对材料上的由测距(distance-finding)光源产生的斑点成像来确定材料厚度的图；

图10是示出了与本主题的一些实施方式一致的通过对激光斑点大小成像来确定材料厚度的图；

图11是示出了与本主题的一些实施方式一致的确定切割是否通过材料延伸的散射光检测器的图；

图12是示出了与本主题的一些实施方式一致的校正由广视场相机获取的图像中的像差的图；

图13是示出了与本主题的一些实施方式一致的方法的特征的过程流程图；以及

图14是示出了与本主题的一些实施方式一致的方法的特征的过程流程图。

实践时，相似的参考标号指示相似的机构、特征或元件。

具体实施例

本文描述的主题的一个或多个变体的细节在附图和下面的说明书中列出。根据说明书、附图和权利要求书，本文描述的主题的其他特征和优势将显而易见。尽管可以关于使用用于辅助自动化制造过程(例如，CNC过程)的机器视觉出于示意性目的描述当前公开的主题的某些特征，但是应当容易理解这样的特征不旨在进行限制。

当在本文中使用时，术语“切割”可以一般地指改变材料的外表、属性和/或状态。切割可以包括例如进行贯穿切割、雕刻、漂白、固化、燃烧等。当在本文中特别地提及时，雕刻指示通过计算机数字控制机器修改材料的外表而不完全穿透材料的过程。例如，在激光切割机的背景中，其可以意味着如下所述例如通过施加输送电磁能量的聚焦的电磁辐射来从表面去除一些材料，或者使材料褪色。

当在本文中使用时，术语“激光(器)”包括(在成为切割工具的背景中)利用光子修改基板或在被光子影响的材料上造成某些改变或变化的任何电磁辐射或聚焦或相干能量源。激光(不管是切割工具还是诊断)可以为任何期望波长，包括例如微波、激光、红外激光、可见激光、UV激光、X射线激光、伽马射线激光等。

另外，当在本文中使用时，“相机”包括例如可见光相机、黑白相机、IR或UV敏感相机、单独的亮度传感器(例如，光电二极管)、光子敏感检测器(例如，光电倍增管或雪崩光电二极管)、远离可见光谱(例如，微波、X射线或伽马射线)的红外辐射检测器、光学滤光检测器、光谱仪和可以包括提供电磁辐射以进行照明从而辅助获取的源(例如，闪光灯、UV照明等)的其他检测器。

另外，当在本文中使用时，提及“实时”动作包括某些程度的延时或延迟，延时或延迟或是有意地编程到动作中或者是作为机器响应和/或数据传输的限制的结果。当在本文中使用时，“实时”动作仅打算近似即时响应，或者鉴于系统限制的尽可能快的响应，而不暗示对响应时间或由响应时间导致的机器动作的任何具体的数值或功能限制。

另外，当在本文中使用时，除非另有指定，否者术语“材料”为在CNC机器的机床上的材料。例如，如果CNC机器是激光切割机、车床或铣床，则材料为放置在CNC机器中的待被切割的材料，例如，原材料、原料等。在另一示例中，如果CNC机器是3-D打印机，则材料为被3-D打印过程精巧地制作的物体的当前层，或先前存在的层或基底。在再另一示例中，如果CNC机器是打印机，则材料可以是CNC机器在其上面沉积墨水的纸。

简介

计算机数字控制(CNC)机器是用于在计算机的控制下添加或去除材料的机器。可以存在移动执行材料的添加或去除的一个或多个头部的一个或多个电机或其他致动器。对于添加材料的CNC机器，如同在一般的3D打印机中，头部可以结合有喷射或释放聚合物的喷嘴。在一些实施方式中，头部可以包括墨水源，例如盒或笔。在3-D打印的情况下，材料可以被逐层地积累直到已经创造完全地实现的3D物体。在一些实施方式中，CNC机器可以扫描诸如固体、液体或粉末的材料的表面，用激光硬化或以其他方式改变所述材料的材料属性。可以沉积新材料。可以重复所述过程以构件连续的层。对于去除材料的CNC机器，头部可以结合有工具，例如，车床上的刀刃、拖刀、等离子切割器、水射流、用于铣床的钻头(bit)、用于激光切割机/雕刻机的激光器等。

图1是与本主题的一些实施方式一致的CNC机器100的正视图，所述CNC机器具有定位成捕获整个材料床150的图像的相机和定位成捕获材料床150的一部分的图像的另一相机。图2是图1所示的CNC机器100的实施方式的俯视图。

图1所示的CNC机器100与激光切割机的一个实施方式对应。尽管在激光切割机的背景中描述一些特征，但是绝没有进行限制的打算。可以用其他类型的CNC机器来实现在下面描述的许多特征。CNC机器100可以例如为车床、雕刻机、3D-打印机、铣床、钻床、锯等。

尽管激光切割机/雕刻机与CNC机器共用一些共同特征，但是它们具有许多差异并且提出特别具有挑战性的设计约束。激光切割机/雕刻机经受管理规定的约束，管理规定在单元操作时限制电磁辐射从单元的外出，使得使光安全地进入或逸出单元具有挑战性，例如以查看或记录内容的图像。激光切割机/雕刻机的光束必须从发射器按路径引导到要被机加工的区域，可能需要一系列光学元件，例如透镜和反射镜。激光切割机/雕刻机的光束容易被错误引导，与光束路径有关的任何部件的小角度偏转可能导致光束逸出预期路径，可能伴随不良后果。如果不受控则激光束可能会导致材料破坏。激光切割机/雕刻机可能需要高电压和/或射频电力供应以驱动激光器自身。液体冷却在激光切割机/雕刻机中常用于冷却激光器，需要考虑流体流。气流在激光切割机/雕刻机设计中是重要的，因为空气可能被激光与材料相互作用的副产物(例如，烟)污染，这可能转而损坏机器的一些部分，例如弄脏光学系统。从机器排出的空气可能包括必须按路径引导或过滤的不良副产物(例如，烟)，并且机器可能需要被设计为防止这样的副产物通过不期望的开口逸出，例如通过密封可能会被打开的部件。不同于大多数机加工工具，切缝(在操作过程中被去除的材料量)既小又取决于被处理的材料、激光的功率、激光的速度和其他因素而可变，使得难以预测物体的最终大小。另外，不同于大多数机加工工具，激光切割机/雕刻机的输出可能高度依赖于操作的速度；片刻的减慢可能由于沉积太多激光能量而毁坏工件。在许多机加工工具中，容易连续地预测、测量和计算诸如工具旋转速度和去除的材料的体积的操作参数，而激光切割机/雕刻机对于材料和其他条件更加敏感。在许多机加工工具中，流体被用作冷却剂和润滑剂；在激光切割机/雕刻机中，切割机构不需要与被影响的材料物理接触，并且空气或其他气体可以用于以不同方式辅助切割过程，例如通过促进燃烧或清理碎屑。

CNC机器100可以具有壳体，所述壳体围绕所述壳体限定的外壳或内部区域。所述壳体可以包括壁、底部和一个或多个开口以允许进入CNC机器100等。可以存在材料床150，材料床150可以包括顶部表面，材料140一般安置在所述顶部表面上。

在图1的实施方式中，所述CNC机器还可以包括可打开屏障作为所述壳体的一部分以允许进入CNC机器的外部和CNC机器的内部空间之间。所述可打开屏障可以包括例如能够在打开位置和闭合位置之间致动的一个或多个门、舱口、瓣等。当处于闭合位置中时，可打开屏障可以衰减光在内部空间和外部之间的传输。可选地，可打开屏障可以对光的一个或多个波长透明或者可以由变化的光衰减能力的部分组成。一种类型的可打开屏障可以为盖130，盖130可以被打开或闭合以将材料140放在外壳底部上的材料床150上。本文讨论的各种示例实施方式包括对盖的参照。将可以理解，在没有明确放弃可打开屏障的其他可能配置或没有盖为什么不能一般地解释为意味着任何种类的可打开屏障的原因的情况下，对术语“盖”的使用不打算进行限制。可打开屏障的一个示例可以是前门，其在处于关闭位置时一般竖直并且可以水平或竖直打开以允许附加进入。可以还存在到CNC机器100的内部空间或部件的通风口、管道或其他进入点。这些进入点可以用于电力、空气、水、数据等的通路。这些进入点中的任一者可以由相机、位置传感器、开关等监测。如果它们被意外地进入，则CNC机器100可以执行动作以保持用户和系统的安全，例如受控的关机。在其他实施方式中，CNC机器100可以完全敞开(即，没有盖130或壁)。在适用的情况下，本文描述的任何特征也可以出现在敞开配置中。

如上所述，CNC机器100可以具有一个或多个可移动头部，可以操作所述一个或多个头部修改材料140。在一些实施方式中，例如，在图1的实施方式中，可移动头部可以为头部160。可以存在多个可移动头部，例如单独平移或旋转以便定位激光束的两个或更多个反射镜，或独立地操作的多个可移动头部，例如能够单独操作的CNC机器中的两个铣磨钻头，或者其任意组合。在激光切割机CNC机器的情况下，头部160可以包括光学部件、反射镜、相机或用于执行期望的机加工操作的其他电子部件。另外，当在本文中使用时，头部160一般为激光切割头部，但是也可以是任何类型的可移动头部。

在一些实施方式中，头部160可以配置为包括光学器件、电子器件和机械系统的组合，其能够响应于命令使得激光束或电磁辐射被传输以切割或雕刻材料140。CNC机器100还可以执行运动计划的操作以使得可移动头部移动。当可移动头部移动时，可移动头部可以传送电磁能量以引起至少部分包含在内部空间内的材料140的变化。在一个实施方式中，头部160内部的光学元件的位置和取向可以变化以调整激光束的位置、角度和焦点。例如，可以转移或旋转平面镜，平移透镜等。头部160可以安装在平移轨条170上，平移轨条170用于移动头部160贯穿外壳。在一些实施方式中，头部的运动可以是线性的，例如在X轴、Y轴或Z轴上。在其他实施方式中，头部可以组合沿直线、圆柱或球面坐标系中方向的任意组合的运动。

CNC机器100的工作区域可以由极限限定，在所述极限内可移动头部能够引起机加工动作的传送或例如电磁能量的机加工介质的传送。工作区域可以在由壳体限定的内部空间内部。应当要理解，工作区域可以一般为三维体积而不是固定表面。例如，如果竖直定向的激光切割机的运行的范围是全部地在材料床150上方的10”x 10”正方形，并且来自激光束的激光在CNC机器的材料床上方4”的高度处从激光切割机出来，则400in²体积可以被视为是工作区域。重新陈述来说，工作区域可以由材料140能够被CNC机器100加工的位置的范围来限定，而不一定被任何一个部件的行进束缚或限制。例如，如果头部160能够以某个角度转向，则工作区域可以超过头部160的行进在某个方向上延展。根据这种限定，工作区域可以包括至少部分地在工作区域内放置在CNC机器100中的任何材料140的任何表面或表面的一部分——如果所述表面能够被CNC机器100加工的话。类似地，对于可能甚至伸展到CNC机器100外部的尺寸过大的材料，在任何一个时间，材料140的仅一部分可以位于工作区域中。

平移轨条170可以是使得头部160能够在X-Y方向上移动的任何种类的平移机构，例如具有使头部160沿平移轨条170滑动的电机的单个轨条、移动头部160的两个轨条的组合、圆形板和轨条的组合、具有关节的机器人臂等。

CNC机器100的部件可以基本上被封闭在箱或其他外壳中。所述箱可以包括例如窗、孔、凸缘、基脚、通风口等。所述箱还可以包含例如激光器、头部160、光学调谐系统、相机、材料床150等。为了制造所述箱或其组成部分中的任一个，可以执行注塑成型过程。可以执行注塑成型过程产生多种设计的刚性箱。注塑成型过程可以例如具有有用属性的材料，例如使得注塑成型的箱能够在被加热时保持其形状的强化添加剂，或例如使箱消散或掩蔽激光能量的涂覆在表面上或分散在材料四处的吸收性或反射性元件。作为示例，箱的一种设计可以包括在箱前部的水平狭槽和在箱后部的对应的水平狭槽。这些狭槽允许尺寸过大的材料穿过CNC机器100。

可选地，可以存在与例如可打开屏障、盖130、门等接合的互锁系统。许多管理制度在许多情况下要求这样的互锁件。所述互锁件随后可以检测可打开屏障的打开状态，例如盖130是打开还是闭合。在一些实施方式中，互锁件能够在可打开屏障(例如，盖130)处于打开状态(例如，未处于闭合状态中)时阻止CNC机器100的一些或所有功能。反之亦然，意味着当处于闭合状态时CNC机器100的一些功能可以被阻止。在例如CNC机器100将不会进行操作直到盖130和前门都被闭合的情况下，还可以存在串联的互锁件。另外，CNC机器100的一些部件可以依赖于CNC机器的其他部件的状态，例如，当激光器接通、可移动部件移动、电机运转、传感器检测特定气体等时不允许盖130打开。在一些实施方式中，当检测到可打开屏障未处于闭合位置时互锁件可以防止电磁能量从可移动头部发射。

将源文件转换为运动计划

传统的CNC机器接受用户绘图，充当描述用户想要创造的物体或用户想要进行的切割的源文件。源文件的示例为：

1).STL文件，其限定能够用3D打印机制作或用铣床雕刻的三维物体，

2).SVG文件，其限定能够用于在材料上切割或绘图的一组矢量形状，

3).JPG文件，其限定能够在表面上刻出的位图，以及

4)CAD文件或其他绘图文件，其可以被解译以与上述示例中的任一个相似地描述物体或操作。

图3A是示出了与本主题的一些实施方式一致SVG源文件310的一个示例的图。图3B是与本主题的一些实施方式一致的CNC机器中的切割路径330的图形表示320的示例。图3C是示出了与本主题的一些实施方式一致的根据源文件310产生的机器文件340的图，机器文件340将导致机器产生切割路径330。示例源文件310表示640x480单位的工作表面，其具有300x150单位的矩形，矩形的左上角位于向右100单位处并且从工作表面的左上角向下100单位处。计算机程序然后可以将源文件310转换成机器文件340，CNC机器100可以解译机器文件340以采取图3B所示的动作。所述转换可以在本地计算机上发生，其中源文件驻留在CNC机器100等上。

机器文件340描述CNC机器100取得期望结果的理想化运动。例如，取沉积塑料材料的管形线体(string)的3D打印机为例。在挤出塑料时，如果源文件指定矩形，则机器文件可以指示CNC机器沿在矩形中形成填充的蛇形路径移动。所述机器文件也可以省略一些信息。例如，矩形的高度可以不再直接出现在机器文件中；所述高度将与塑料管的高度一样高。所述机器文件还可以添加一些信息。例如，使打印头部从其起始位置移动到矩形的角以开始打印的指令。所述指令甚至可以与用户的直接表达的意图背离。例如，3D打印机中的一般设置使得实心形状在机器文件中被渲染为中空以节省材料成本。

如图3A-C的示例所示出，源文件310到机器文件330的转换可以使得CNC机器将切割工具从(0,0)(图3B中)移动到切割要在从此处开始的点、启用切割工具(例如，降低拖刀或激励激光器)、跟踪所述矩形、停用切割工作并且返回到(0,0)。

一旦机器文件被创建，就可以生成CNC机器100的运动计划。运动计划包含确定CNC机器100的部件在不同时间点的动作的数据。运动计划可以在CNC机器100本身上生成或由另一计算系统生成。运动计划可以是数据流，其描述例如指示电机确切地应当如何转动的电脉冲、指示激光器的期望输出功率的电压、指定铣头(mill bit)转速的脉冲串等。与源代码文件和机器文件(如G代码，G-code)不同，运动计划是由显式或推断的时间元素的存在限定的，所述时间元素指示每个动作应发生的时间或时间偏移。这允许运动计划的关键功能之一——协调运动，其中多个致动器进行协调以具有单个预先计划的效果。

运动计划使抽象、理想化的机器文件成为实际的一系列电气和机械任务。例如，机器文件可以包括“以每秒1英寸的速度向右移动一英寸，同时保持切割工具每秒的恒定转数”的指令。运动计划必须考虑到电机不能立即加速，而是必须在运动开始时“加速旋转(spin up)”，并在运动结束时“减速旋转(spin down)”。然后，运动计划将指定脉冲(例如发送到步进电机或用于移动CNC机器的头部或其他部分的其他装置)首先缓慢发生，然后加快，并且在运动结束时再次更慢。

运动控制器/计划器将机器文件转换为运动计划。在物理上，运动控制器可以是通用或专用计算设备，例如耦接到数字信号处理器(DSP)的高性能微控制器或单板计算机。运动控制器的工作是获得矢量机器代码并将其转换成将用于驱动CNC机器100上的电机的电信号，其考虑到该时刻CNC机器100的确切状态(例如，“由于机器尚未移动，所述必须施加最大扭矩，并且所产生的速度变化将会较小”)和机器的物理限制(例如，加速到某某速度，而不产生超过为机器设计所允许的力的力)。信号可以是馈送到步进电机的步进和方向脉冲或馈送到伺服电机的位置信号以及其他可能性，这产生CNC机器100的运动和动作，包括诸如头部160的致动等元件的操作、加热和冷却的适度等操作。在一些实施方式中，电信号的压缩文件可被解压缩，然后直接输出到电机。这些电信号可以包括类似于1和0的二进制指令，以指示随时间施加到每个电机的每个输入的电功率以实现期望的运动。

在最常见的实施方式中，运动计划是理解CNC机器100本身的详细物理学的唯一阶段，并且将理想化的机器文件转换为可实现的步骤。例如，特定的CNC机器100可能具有较重的头部，并且需要更多的逐渐加速。该限制在运动计划器中建模并影响运动计划。CNC机器的每个型号都可以根据其测量属性(例如电机转矩)和观察到的行为(例如加速太快时的带跳过)，要求精确调整运动计划。CNC机器100还可以在每台机器的基础上调整运动计划，以考虑到CNC机器到CNC机器的变化。

可以生成运动计划并且实时地或近乎实时地将其馈送到输出设备。运动计划也可以预先计算并写入文件，而不是流式传输到CNC机器，然后从文件中读回并在稍后传送到CNC机器100。向CNC机器100发送指令，例如，机器文件或运动计划的部分，可以从存储运动计划的计算系统的整体或分批流传输。批量可以分开存储和管理，允许仅对运动计划的部分执行预计算或附加优化。在一些实施方式中，可以将电信号文件直接输出到电机，该电信号文件可被压缩以保留空间并且解压缩以便于使用。电信号可以包括类似于1和0的二进制指令，以指示电机的致动。

运动计划可以借助于机器视觉来提前预先计算或实时更新来增强。机器视觉是描述使用传感器数据的通用术语，不仅限于光学数据，以便为机器操作提供额外的输入。其他形式的输入可以包括例如来自诸如麦克风的车载声音传感器的音频数据，或来自诸如陀螺仪或加速度计的车载传感器的位置/加速度/振动数据。机器视觉可以通过使用相机来提供图像来实现，所述图像例如CNC机器100、由CNC机器在其上操作的材料、CNC机器100的环境(如果存在碎屑积聚或存在烟雾)、或这些的任何组合。这些相机可以将其输出路由到计算机进行处理。通过在操作中观察CNC机器100并分析图像数据，例如可以确定CNC机器100是否正常工作、CNC机器100是否正在最佳地执行、CNC机器100或CNC机器100的子部件的当前状态等。类似地，可以对材料进行成像，并且例如可以根据说明书来调整CNC机器100的操作，当项目完成时可以通知用户，或者关于材料的信息可以从图像数据确定。可以识别错误状况，例如是否异物被无意中留在CNC机器100中、材料未牢固地固定或者材料在加工过程中以意想不到的方式反应。

相机系统

相机可以安装在CNC机器100内部以在CNC机器100的操作期间获取图像数据。图像数据是指从相机或图像传感器收集的所有数据，包括静止图像、图像流、视频、音频、诸如快门速度和光圈设置的元数据、来自或关于闪光灯或其他辅助信息的设置或数据、叠加在诸如GPS坐标的图像上的数据的图形叠加以任何格式，包括但不限于原始传感器数据例如.DNG文件、处理的图像数据例如.JPG文件、以及对从相机单元上处理的图像数据的分析得到的数据，例如来自光学鼠标传感器的方向和速度。例如，可以安装相机，使得它们从CNC机器100的内部部分(也称为“视图”或“图像”)收集图像数据。当盖130处于关闭位置或者处于打开位置或独立于盖130的位置时，可以发生观察。在一个实施方式中，当CNC机器100的盖130处于闭合位置时，一个或多个相机，例如安装到盖130的内表面或壳体或外壳内的其他位置的相机，可以观察内部部分。特别地，在一些优选实施例中，相机可以在CNC机器100关闭的同时，例如在加工材料140的同时对材料140进行成像。在一些实施方式中，相机可以安装在内部空间内并且与工作区域相对。在其他实施方式中，可以有连接到盖130的单个相机或多个相机。相机还可以能够运动，例如沿着一个或多个轴平移到多个位置、旋转和/或倾斜。安装到可平移支撑件(例如台架210)的一个或多个相机，其可以是可以被命令移动(移动被理解为包括旋转)相机或例如镜子的机构的任意机械系统，所述镜子可以重定向相机的视角到不同的位置并观察CNC机器的不同区域。头部160是可平移支撑件的特殊壳体，其中头部160由轨道220和限制其运动的平移轨道170限制。

透镜可以被选择为用于广角覆盖，用于极深的景深，使得近物体和远物体都可以聚焦，或出于许多其他考虑进行选择。相机可以被放置成附加地捕获用户以记录建造过程，或者放置在用户能够移动相机的位置，例如在盖130的下侧，其中打开CNC机器100使相机指向用户。此处，例如，当盖不处于闭合位置时，上述单个相机可以摄取图像。这样的图像可以包括在CNC机器100外部的诸如用户的物体。相机可以安装在诸如头部160或盖130的可移动位置上，目的是使用在相机在移动时摄取的视频或多个静态图像以组装更大的图像，例如跨过材料140扫描相机以获得材料140全貌的图像，使得图像数据的分析可跨越多于一个图像。

如图1所示，盖相机110或多个盖相机可以安装到盖130上。特别地，如图1所示，盖相机110可以安装到盖130的下侧。盖相机110可以是具有宽视场112的相机，其可以对材料140的第一部分进行成像。这可以包括大部分材料140和材料床或甚至全部材料140和材料床150。如果头部160在盖相机110的视场内，则盖相机110还可以对头部160的位置进行成像。将盖相机110安装在盖130的下侧允许当盖130打开时用户处于视野中。例如，这可以提供用户加载或卸载材料140的图像，或者取回完成的项目。这里，可以组装多个子图像(其可能在多个不同位置处获取)，可能还带有诸如SVG的源文件或数字化渲染文本等的其他数据，以提供最终图像。当盖130闭合时，盖相机110与盖130一起向下旋转，并使材料140进入视野。

同样如图1所示，头部相机120可以安装到头部160。与盖相机相比，头部相机120可以具有较窄的视野122并且摄取材料140和材料床的较小区域的较高分辨率图像。头部相机120的一个用途可以是对材料140中进行的切割进行成像。头部相机120可以比盖相机110更精确地识别材料140的位置。

用于相机的其它位置可以包括例如在引导激光器进行激光切割的光学系统上、在激光器本身上、在围绕头部160的壳体内、在材料床150的下面或内部、在空气过滤器或相关联的管道内等。相机还可以安装在CNC机器100外部以观察用户或观察CNC机器100的外部特征。

多个相机还可以协同工作以从多个位置，角度，分辨率等提供物体或材料140的视图。例如，盖相机110可以识别CNC机器100中的特征的大致位置。然后，CNC机器100可以指示头部160移动到该位置，使得头部相机120可以更详细地对特征进行成像。

虽然这里的示例主要被绘制成激光切割器，但是在本申请中对于机器视觉使用相机不仅限于该特定类型的CNC机器100。例如，如果CNC机器100是车床，则盖相机110可以安装在附近以观察旋转材料140和头部160，以及头部相机120可以位于切割工具附近。类似地，如果CNC机器100是3D打印机，则头部相机120可以安装在沉积材料140以形成期望的工件的头部160上。

图像识别程序可以从所获取的图像数据中识别CNC机器100的内部部分的状况。可以识别的状况将在下面进行详细描述，但可以包括材料140的位置和属性、CNC机器100的部件的位置、操作中的误差等。部分地基于所获取的图像数据，可以创建或更新用于CNC机器100的指令。指令可以例如用于抵消或减轻从图像数据识别的不期望的状况。指令可以包括改变头部160的输出。例如，对于作为激光切割器的CNC机器100，可以指示激光器减小或增加功率或关闭。此外，更新的指令可以包括用于运动计划计算的不同参数或者对现有运动计划进行改变，这可以改变头部160或门架210的运动。例如，如果图像指示最近的切割例如由于一部分从对准状态移动出而与其期望的位置偏移一定的量，则例如对于第二后续操作或对于所有将来的操作，可以以相等且相反的偏移来计算运动计划，以抵消这个问题。CNC机器100可执行指令以创建运动计划或以其他方式产生上述改变。在一些实施方式中，可移动部件可以是门架210、头部160或头部160上的可识别标记。可移动部件，例如门架210，可以具有与可移动头部的固定空间关系。图像数据可以用可移动头部的位置更新控制CNC机器100的操作的软件和/或用可移动部件的位置和/或其任何高阶导数更新可移动部件。

因为所需的图像数据的类型可能变化，和/或由于任何单个相机的视场的可能的限制，所以可以在CNC机器100四处放置多个相机以提供所需的图像数据。相机选择和放置可以针对许多用例进行优化。较靠近材料140的相机可以以宽广的视野为代价来用于细节。可以相邻地放置多个相机，使得由多个相机产生的图像可以由计算机分析以共同地实现比对于任何图像单独可能的更高分辨率或更广的覆盖范围。图像的操纵和改进可以包括例如拼接图像以创建较大的图像、添加图像以增加亮度、差分图像以隔离改变(例如移动物体或改变照明)、图像乘或除、平均图像、旋转图像、缩放图像、锐化图像等，可以任何组合。此外，系统可以记录附加数据以帮助图像的操纵和改进，例如来自环境光传感器的记录和可移动部件的位置。特别地，拼接可以包括从一个或多个相机摄取一个或多个子图像并且将它们组合以形成较大的图像。作为拼接过程的结果，图像的一些部分可能重叠。其他图像可能需要旋转、裁剪或以其他方式进行操纵，以提供作为拼接过程的结果的一致且无缝的较大图像。诸如眩光、反射等的照明伪影可以通过任意上述方法来减少或消除。此外，图像分析程序可以对所获取的图像执行边缘检测和降噪或噪声消除。边缘检测可以包括对图像的不同部分执行对比度比较，以检测边缘并识别图像中的物体或特征。噪声降低可以涉及一个或多个图像的平均化或平滑化，以减少周期性、随机或伪随机图像噪声的贡献，例如由于诸如振动的风扇、电机等的CNC机器100操作的噪声。

图4A是示出了与本主题的一些实施方式一致的图像的相加的图。例如，可以将由相机摄取的图像相加以增加图像的亮度。在图4A的示例中，存在第一图像410、第二图像412和第三图像414。第一图像410具有水平带(在图中以黑色背景显示为白色)。水平带可能符合较明亮地被照亮的物体，不过要点在于是在带和背景之间有区别。第二图像412具有相似的水平带，但相对于第一图像410中的水平带在垂直方向上偏移。当第一图像410和第二图像412相加时，它们的和由第三图像414示出。这里，两组带交织以填充成亮方块，如图所示。该技术可以应用于例如从相机获取许多图像帧，可能在低光条件下，并将它们相加在一起以形成更亮的图像。

图4B是示出了与本主题的一些实施方式一致的图像的相减的图。图像减法可用于例如从相对较亮的图像隔离暗淡的激光斑点。这里，第一图像420示出了两个斑点，一个表示激光光斑，另一个表示物体。为了隔离激光光斑，可以在激光关闭的情况下摄取第二图像422，仅留下物体。然后，可以从第一图像420中减去第二图像422以获得第三图像424。第三图像424中的剩余斑点是激光斑点。

图4C是示出了与本主题的一些实施方式一致的图像的差分以隔离模拟的内部照明效果的图。CNC机器100中可能存在物体，在第一图像430中被表示为圆形。这可以表示例如CNC机器100的材料床150上的物体。例如，如果CNC机器100的材料床150的一半被外部照明(例如阳光)照亮，则第二图像420可能显现如图所示，其中被照亮的一侧比没有被照亮的一侧更亮。在操作期间使用内部照明有时可能是有利的，例如用于照亮水印、帮助图像诊断、或者简单地向用户更好地展示CNC机器中正在发生的事情。即使这些原因都不适用，但是内部照明扔允许通过这种方法减少或消除外部照明(在该情况下是阳光)。通过向整个第二图像432添加亮度层来在第三图像434中表示该内部照明。为了隔离内部照明的效果，可以从434中减去第二图像432以产生第四图像436。这里，第四图像436显示了就像仅在内部照明下显现的区域和物体。这种差分可以允许就像只有受控的内部照明存在一般地进行图像分析，即使存在外部照明污染体。

图像的机器视觉处理可以发生在例如CNC机器100处、在本地连接的计算机上、或者经由互联网连接的远程服务器上。在一些实施方式中，图像处理能力可以由CNC机器100执行，但速度有限。其中一个这样的例子可以是机载处理器速度较慢并且仅能够实时运行简单的算法的情况，但是给予更多时间其可以运行更复杂的分析。在这种情况下，CNC机器100可以暂停以使分析完成，或者替代地，在更快的连接的计算系统上执行数据。一个特定的例子可以是(例如由互联网上的服务器)远程执行复杂的识别的情况。在这些情况下，可以在本地进行有限的图像处理，而远程地完成更详细的图像处理和分析。例如，相机可以使用在CNC机器100中的处理器上运行的简单算法来确定盖130何时闭合。一旦CNC机器100检测到盖130闭合，CNC机器100上的处理器就可以将图像发送到远程服务器以进行更详细的处理，例如，识别插入的材料140的位置。该系统还可以投入专用资源来在本地分析图像，暂停其他动作，或将计算资源从其他活动转移走。

在另一个实施方式中，头部160可以通过板上的实时分析来跟踪。例如，跟踪头部160的位置，通常由光学编码器或其他专用硬件执行的任务可以由相机摄取的以高分辨率、低分辨率或高分辨率和低分辨率组合的图像来完成。当捕获高分辨率图像时，可以通过调整大小或裁剪将它们转换为在存储器尺寸中较小的较低分辨率图像。如果图像包括视频或静态图像序列，则可以消除或裁剪某些图像。数据处理器可以重复分析较小的图像，例如每秒几次，以检测任何总的不对准。如果检测到不对准，则数据处理器可以在更详细的处理使用更高分辨率的图像更精确地确切定位头部160时停止CNC机器100的所有操作。在对头部160定位之后，可以调整头部160以恢复校正位置。替代地，可以将图像上传到可在其处执行进一步处理的服务器。所述定位可以通过例如用盖相机查看头部160、通过查看头部相机120当前成像的内容等来确定。例如，可以指示头部160移动到配准标记。然后，头部相机120可以对该配准标记进行成像，以检测任何微小的不对准。

基本相机功能

相机可以是例如单个广角相机、多个相机、图像被数字地组合的移动相机等。用于对CNC机器100内部的大区域成像的相机可以与对更加局部化的区域成像的其他相机不同。在一些实施方式中，头部相机160可以是与广角相机相比对较小区域成像的相机的一个示例。

存在可用于不同目的的其它相机配置。具有宽视野的一个相机(或多个相机)可以覆盖整个机器内部或其预定义的重要部分。例如，从一个或多个相机获取的图像数据可以包括大部分(意味着超过50％)的工作区域。在其他实施例中，图像数据中可以包括至少60％，70％，80％，90％或100％的工作区域。上述量不考虑材料140或任何其它中间物体的遮蔽。例如，如果相机能够在没有材料140的情况下观察90％的工作区域，并且一块材料140被放置在工作区域中，部分地遮蔽它，则相机仍然被认为提供包括工作区域的90％的图像数据。在一些实施方式中，当互锁件不阻止电磁能量的发射时，可以获取图像数据。

在其他实施方式中，安装在机器外部的相机可以看到进入或离开CNC机器100的用户和/或材料140，记录CNC机器100的使用用于共享或分析，或检测诸如不受控制的火的安全问题。其他相机可以提供具有有限的视野的更精确的外观。像用于光学鼠标上的光学传感器的光学传感器可以在非常高的像素密度的非常小的区域上提供非常低的分辨率和很少的颜色或灰度，然后快速处理信息以检测材料140相对于光学传感器的移动。较低的分辨率和颜色深度，加上专门的计算能力，允许非常快速和精确的操作。相反，如果头部是静态的而材料是移动的，例如如果用户碰到它，则该方法可以看到材料的移动并且非常精确地对材料进行特征描述，使得材料上的附加操作在先前的操作停止的地方继续，例如重新开始在材料移动之前中断的切割。

视频相机可以检测随时间的变化，例如比较帧以确定相机正在移动的速率。静态相机可用于捕获更高分辨率的图像，其可以提供更多的细节。另一种类型的光学扫描可以在现有的轨条上实现诸如平板扫描仪之类的线性光学传感器，如同激光系统中的滑动门架210，然后将其在材料140上扫描过，在其扫描时组装图像。

为了隔离来自激光器的光，激光器可以被关闭并再次打开，并且两次测量之间的差异表示从激光器散射的光，同时消除环境光的影响。相机可以具有固定或可调节的灵敏度，允许它们在昏暗或明亮的条件下操作。可以存在对不同波长敏感的相机的任何组合。例如，某些相机对于与切割激光器、测距激光器、扫描激光器等相对应的波长可能是敏感的。其他相机可以对特定地落在CNC机器100中使用的一个或多个激光器的波长之外的波长敏感。相机可以仅对可见光敏感，或者可以将灵敏度扩展到红外或紫外线，例如以查看在表面上标记的不可见条形码，基于IR反射率区别不通过IR反射率的话则相同的材料，或直接查看不可见(例如红外)激光束。相机甚至可以是单个光电二极管，其测量例如照射材料140的激光的闪光，或者其对于似乎与不受控制的火相关的光发射作出反应。相机可以用来成像例如镜子上的光束斑点，逃离预期光束路径的光等。相机还可以检测散射光，例如，如果用户试图切割反射性材料。可以实现其他类型的相机，例如，不是检测激光器的相同波长的光，而是检测次级效应，例如红外辐射(借助热成像相机)或通过激光和另一种材料之间的接触而放出的X射线。

相机可以与CNC机器100中的照明源协调。照明源可以被定位在CNC机器100的任何位置，例如位于盖130的内表面，壁，底板，门架210等上。照明源和相机之间的协调的一个例子可以是在利用相机获取内部部分的图像的同时调节内部LED照明。例如，如果相机只能获取黑白图像，则内部LED可以以红色、绿色和蓝色顺序照亮，捕获三个独立的图像。然后可以将产生的图像组合以创建全色RGB图像。如果外部照明引起阴影或外部照明效果的问题，则可以在摄取照片时关闭内部照亮，然后在摄取第二照片时打开。通过以逐个像素为基础使两个图像相减，可以消除环境光，以便可以确定当仅通过内部灯照亮时图像看起来是什么样子。如果照明可移动，例如在CNC机器100的平移臂上，则可以在摄取多张照片的同时四处移动照明，然后将多张照片组合，以实现具有更均匀照明的图像。内部灯的亮度也可以像传统相机中的闪光灯一样变化，以辅助照明。照明可以移动到更好地照亮感兴趣区域的位置，例如，它直接向下照射由切口形成的狭槽，因此相机可以看到切口的底部。如果内部照明干扰，则可以在相机摄取图像时关闭照明。可选地，照明可以在观看者没有注意到的短暂时间内关闭(例如少于一秒，小于1/60秒，或小于1/120秒的时间)。相反，内部照明可以如同相机闪光灯一样瞬间变亮，以捕获照片。专用灯可以仅在需要时被使用和/或接合；例如，在该材料上可能存在不可见但是会发UV荧光的墨。扫描条形码时，在捕获照片时可以短暂地闪烁紫外线照明，以使所存在的任何墨水都会被照亮。改变照明条件的相同技术也可以通过切换测距和/或切割激光来进行，以便在成像时隔离它们的信号和/或影响。如果物体(或相机)在采集之间移动，则可以裁剪、平移、扩展、旋转图像等，以获得共享共同特征的图像，以允许相减。这种差分技术优选地通过在相机中的自动调整被覆盖或禁用。例如，禁用自动对焦、闪光等。可以理想地在图像之间保持恒定的特征可以包括例如光圈、快门速度、白平衡等。以这种方式，两个图像中的变化仅归因于照明差异而不归因于光学系统的调整。

移动到CNC机器100中的不同位置的多个相机或单个相机可以提供来自不同角度的图像以产生材料140或物体的表面的3D表示。3D表示可以用于生成3D模型，用于测量雕刻或激光操作产生的深度，或者在制造过程中向CNC机器100或用户提供反馈。它也可以用于扫描，以构建用于复制的材料140的模型。

相机可以用于记录用户可以用来分享其进展的照片和视频。可以创建自动“制作特辑(making of)”序列，其将各种静态图像和视频图像以及附加的声音和图像拼接在一起，例如源文件的数字渲染或来自社交网络的用户图片。运动计划的了解或直接通过运动计划控制相机，可实现多种优化。在一个示例中，给定具有两个相机的机器，其中一个相机安装在头部中并且其中一个相机安装在盖中，可以在门架指向已知会使盖相机模糊的位置任何时间用来自头部相机的镜头(footage)创建最终视频。在另一个示例中，当机器的内部灯被激活时，可以指示相机减小其光圈大小，减少允许入射的光量。在另一个例子中，如果机器是激光切割机/雕刻机并且激活激光器使位于头部的相机变得过载并且无用，则当来自相机的镜头不可用时可以丢弃该镜头。在另一示例中，运动计划的元素可以与相机记录协调以获得最佳的视觉或音频效果，例如在切割之前调淡内部灯，或者以协调的方式驱动电机，以使头部相机横扫过材料以形成工作结果的最后视图。在另一示例中，系统收集的传感器数据可用于选择相机图像；例如，当盖中的加速度计、陀螺仪或其他传感器检测到盖已经打开并且其已经达到最佳角度时，可能从安装在盖中的相机捕获用户的静态照片。在另一示例中，如果检测到错误状况，例如在机加工操作期间意外地打开盖，则视频的记录可能会停止。可以使用诸如剪切文件的总持续时间之类的信息来自动编辑视频，以消除或加速单调事件；例如，如果激光器必须制作400个孔，则可以以高速显示切割计划的该部分。传统上，这些决定都必须通过审查最终镜头来做出，很少或根本没有它们所包含的先验知识。预先选择镜头(甚至协调其捕获)可以允许更高质量的视频，而花费更少的时间对其进行编辑。来自生产过程的视频和图像可以以各种方式自动拼接在一起，包括用图像的定格动画，与静态图像交织视频，以及将视频和摄影以及计算机生成的影像组合在一起，例如正在渲染的项目的3D或2D模型。也可以通过其他来源的媒体(例如用最终产品的用户相机摄取的照片)来增强视频。

可以单独包括或以任何组合包括的附加特征在下面的部分中描述。

在图像获取之前将头部调用到起始位置

特别是在具有广视野的相机的情况下，在用这些相机获取的图像中可能存在障碍物。例如，参考图1，盖相机110的视野包含头部160。因此，头部160阻挡材料140的一部分被成像。如果确定头部160或任何其他部件阻挡相机观看期望区域，则可以向CNC机器100发送指令以将阻挡元件移动到内部部分中的位置，使得它能够不妨碍相机对材料140进行成像。例如，头部160可以朝向机器的后部或一侧或前部移动到起始位置。一旦头部160没有阻挡材料140的视图，或者已经到达预定位置，则相机可以获取附加的图像。随后，可以产生用于头部160移动到另一位置或者继续执行运动计划的指令。在另一个例子中，可能无法捕获整个内部而没有障碍物，因此可以指示头部或其他障碍物移动到多个不同位置，并且在每个点处摄取照片。然后可以将图像组合以形成整个床的准确视图。在另一示例中，可以指示相机对CNC机器100的元件(例如头部160)进行成像。因此，CNC机器100可以接收将头部或CNC机器100的其它部分移动到相机的视图中的指令。

基于传感器数据触发图像获取

如上所述，除了CNC机器100中的相机之外，还存在可以将集成到CNC机器100中或以其他方式与CNC机器100相关联的其它传感器。这样的传感器可以包括加速度计(例如，用于确定位置和其高阶导数，例如速度、加速度等的传感器)、麦克风、热传感器、光学传感器等中的任一个。传感器可以提供能够由传感器数据分析程序解释的传感器数据。传感器数据的解释可以对应于CNC机器100中的状况，例如振动、温度、声音、电磁辐射的存在等。在一些实施方式中，可以响应于传感器数据(例如来自一个或多个传感器的信号)和传感器数据的后续解释来获取图像。在一些示例中，提供这种信号的传感器不是用户可致动的相机控件(例如，不是硬件或图形用户界面按钮或用户可以手动触发相机以捕获图像的其他控件)。在一个示例中，CNC机器100的闭合(例如，可打开屏障)的事件可以触发指示CNC机器100内容可能已经改变并且应当捕获图像的一个或多个传感器，从而消除对用户手动触发图像捕获事件以检查新内容的需要。在另一个示例中，传感器可以检测到盖130打开。此事件可以触发捕获用户加载或卸载材料的图像。在另一示例中，如果由麦克风检测到异常声音，则可以向相机发送命令以获取CNC机器100的一部分的图像。然后可以由图像分析程序或由用户分析图像以确定异常声音或其他传感器输入的原因和/或识别与异常声音或其他传感器输入相关的其他事件、因素等。在另一个示例中，如果头部中的加速度计检测到异常读数，则相机可以对头部进行成像并检查其是否发生碰撞；然而，如果在主体中的加速度计中检测到相同的异常，则系统可以确定整个单元从外部受到冲击，并且转而检查材料以观察冲击是否移动其位置。通常，触发通过CNC机器100的相机捕获图像的事件可以包括将可打开屏障从关闭位置移动，将可打开屏障移动到关闭位置，激光计算机数字控制机器(例如壳体)的运动，内部空间内的起火，激光计算机数字控制机器的部件的异常状况，内部空间内的温度超过阈值，在意外的地方或在意外时间出现电磁辐射等中的任何一个。

3-D扫描

图5是示出了与本主题的一些实施方式一致的对CNC机器100中的三维物体510成像的盖相机110的图。图6是示出了根据当前主题的一些实施方式，将图3中成像的物体510表示为叠加在CNC机器100中的材料140上的2-D图案610的集合的图。本文所述的任何光学特征都可以被CNC机器100利用来对材料140执行3-D扫描。可以利用这样的的扫描，其可以根据其自己的运动计划来实现，而不管创建的运动计划是否用于制造。一旦完成，就可以将3D扫描传输到云服务器或其他计算系统，以便为用户提供材料140的计算机渲染。材料140的3-D扫描也可以与在其被雕刻和/或切割之后创建材料140的外观将看起来是什么样子的预览一起使用。3-D扫描也可以提供在切割之后将会留下的材料140的废料量的估计。在切割过程中也可以多次摄取3-D扫描，以便在执行运动计划时提供材料140的数字演变。3-D扫描甚至可以用于单独的目的，例如在社交网络上分享切割操作的结果。它也可用于扫描物体510(例如，金属雕像)以在另一材料140上进行复制。特别地，可以结合CNC机器100中的任何相机摄取的图像以执行3D渲染。这可以与用户输入结合进行，例如，指定图像(来自特定相机)是“顶部”、“侧面”等。此外，使用测距技术可以用于确定材料140的表面的位置。例如，可以使用一个或多个激光器来确定材料140的范围。

材料轮廓

相机也可以用于确定CNC机器100中的材料140的尺寸和轮廓。这允许用户将材料140放置在CNC机器100内的任意位置处并且使用具有不寻常形状的材料140，例如具有已经切入它的孔的废料材料140。

来自相机的图像可以与没有任何材料140的设备的图像进行比较。对这些图像进行差分可以提供材料140的指示，例如轮廓或3-D形状。在另一个实施方式中，CNC机器100的底部和/或材料床150可被设计成以特定的方式出现，以促进从图像的数字移除。例如，CNC机器100的底部可以是绿色的，并且图像中的绿色可以被数字地移除以识别材料140。替代地，机上LED可以使用“闪光”以利用将不会从材料140反射的颜色来进行照亮。在另一个示例中，可以通过其外观或通过区分标记(例如在其表面上重复的UV条形码)的存在来辨认材料140，从而识别材料140。在另一示例中，即使材料140的中心可能是不可见的(在透明丙烯酸的情况下)也可以将材料140的边缘检测为连续的闭合形状。

一旦材料轮廓已经被捕获，材料140轮廓可以被显示给用户。材料轮廓可用作自动布局算法的输入，所述自动布局算法试图将所有零件放置在材料140的界限内。材料140轮廓可以用作虚拟模拟中的一组约束，其将允许用户四处拖动会与材料140的边缘碰撞的零件，因此用户可以尝试在不将零件从材料140拖离的情况下定位所述零件。

材料预览

图7是示出根据当前主题的一些实施方式一致的被预览为三维物体510的2-D图案610的集合的图。相机可以在机加工之前捕获CNC机器100中的材料140的外观。例如，系统可以向用户显示最终产品看起来将是什么样子，渲染为3D物体510。材料140的图像可以用作纹理映射，然后可以将其渲染到3-D物体510上。这意味着用户可以使用当前在CNC机器100中的材料140来准确地看出最终产品看起来将是什么样子。此外，如果材料140中存在缺陷，则用户可以看到它们将出现在3-D物体510上什么地方。如果在软件中用户重新定位材料140上的切口的位置，则材料140预览的结果可以改变以反映重新定位的切割位置。除了其他可能的益处之外，该特征可以允许用户优化图案以使材料140的质量较差的区域对视野是隐藏的，例如在组装产品的内表面上，或完全在图案之外。它还允许用户预览他们的使用不同的材料的创造物，以帮助材料选择。

用户还可以指示跨越材料床150上存在的多种材料140的切口的位置。例如，用户可以将一片枫木和一块胡桃木胶合板放置在支撑件上，然后使用屏幕上材料140的图像布置切口的位置，使得一些零件由枫木制成，而一些零件由胶合板制成。以另一种方式，用户可以根据所需的外观或物理特性从每种类型的材料140中选择要切割的图案中的一些形状。

用于头部160的输出的不同功率水平和头部速度在处理期间可导致材料140的不同外观。例如，以不同的速度移动的头部160可以导致由激光器留下的烧灼图案变化，由铣削头产生的切口的粗糙度变化等。用户可以通过使用从例如先前的校准步骤捕获的图像来预览在处理之后材料140看起来将是什么样子。例如，在校准期间标有20％最大功率的一类木材的外观可用于预测以20％功率进行雕刻看起来将会是什么样子。预测的外观可以在图形显示器上显示给用户，以帮助项目设计或选择要使用的设置。

相机还可以在材料140被切割、雕刻、转动、在上面打印等之后捕获材料140的外观。从图像库中访问或从实际材料140上的测试切割中获取的这些捕获的图像可以提供材料140对使用特定输出参数的机加工的响应的精确图像。例如，可以在材料140的废料区域中执行给定功率、头部160速度、钻头旋转等条件下的测试切割，以提供如果用相同设置切割的话材料140的外观将会如何的示例。类似地，材料140在被切割之后的图像可以用于在与用户的一些交互之后评估材料的新位置。例如，尺寸大约为材料床150的两倍的大型设计可以以两次连续切割的形式完成，其间具有暂停，其中[a]用户或CNC机器的或与CNC机器相关联的一些材料平移机构重新定位材料以暴露进一步的未切割空间以及[b]相机确定切割从哪一点停止。

如果根据库、图像分析或先前使用来识别材料140，则可以使用预先计算或存储的设置来提供期望的结果。根据库的材料140的识别可以以几种方式实现。

第一，可以使用条形码或其它标记来识别材料140的类型。这些可以是肉眼可见的，或肉眼不可见的并且仅在使用红外相机和照明的情况下，或者在由适当的灯(例如UVLED)提供的紫外光下才显现。它们也可以以标准的可见墨水打印。文本可以打印在材料上，并用光学字符识别软件识别。相机还可以检测附带标记，例如保护片上的材料140的品牌。

第二，相机可以使用图像识别来识别材料140。例如，枫木、樱桃木和胡桃木的颗粒结构皆不同。材料140中的独特颜色和图案可以被成像，并与存储在CNC机器100的本地存储器中或存储在远程计算机上的已知材料140的示例进行比较。

使用标记和绘图来指示切割

相机的扫描也可用于复制现有2D物体的图案。在一个示例中，用户可以使用黑色笔在一块材料140上进行标记。然后，它们可以将材料140放置在单元中。相机可以扫描图像，并用黑色笔隔离区域，使用图像创建源文件。然后，系统可以生成机器文件和运动计划，指示机器移动到位，沿着计算的路径将头部移动跨越到指示的区域，激活雕刻功能，停用该功能并完成。结果将是材料140被雕刻在与墨水相同的位置并具有相同的标记。可以使用不同颜色的墨水来表示不同的操作，例如，红线可用于指示切割，而棕色线条表示光雕刻。可以在扫描步骤和创建机器文件之间的软件中指定功能，例如可能会询问用户是否应该剪切或扫描黑色标记。可能会使用墨水以外的其他指标，例如用户可以剪切纸张雪花，并使用机器视觉系统扫描其周边，并从周边的图像生成源文件。在所有这些示例中，可以保存和修改源文件，因此可以移动、调整大小、重复或保留扫描的图像供以后使用。

在另一实施方式中，相机可以检测材料140上对应于存储在存储器中的设计的图案，然后CNC机器100可以将存储的设计加工到材料140上。注意，这不同于配准标记，当运动计划软件被告知配准标记在哪里以及相应的设计是什么时可以使用。在这种情况下，相机可以对材料140和配准标记进行成像，并根据图像确定设计是什么。在另一示例中，相机可以通过对由于先前操作的结果而存在的切割标记或者在废料上有意地产生的作为配准标记的切割标记进行成像，来识别从先前操作留下的废料碎片，以预期可以进一步使用废料处理。

在一个实施方式中，材料140可以插入到具有特定图案的CNC机器100中，例如，包围填充的黑色圆圈的红色方块。材料(和图案)可以由相机成像。可以基于图像来选择特定的操作，例如，红线可以被转换成矢量切割路径，并且黑色区域可以被转换成光栅雕刻。可以基于所选择的操作生成运动计划，例如，切出正方形并雕刻圆形。然后，CNC机器100可以实施运动计划以执行例如切割和雕刻。

不同的颜色标记可以指示不同的切割操作-例如，红色线可以指示切割，而黑色填充区域可能指示蚀刻。包含图案或图片的一张纸或其他合适的覆盖物可以被紧固到一块材料140上，然后该图案或图片可以通过覆盖物直接雕刻在材料140上。这种设计形式可以直接应用于目标材料140，其中覆盖层可能被加工操作破坏。或者，可以在操作开始之前移除材料。在任一情况下，可以保存图案以供稍后，修改和/或重复。来自CNC机器100的输出的类型可以根据颜色、线厚度、线型等而变化。作为一个示例，蓝线可以指示以40％功率蚀刻，并且绿线可以指示以60％功率蚀刻。

用户还可以将图分别放置在CNC机器100中，允许(多个)相机扫描绘该图，然后插入待切割或雕刻的单独的材料140片。扫描相机的第一遍可以扫描图像，而与头部160的第二遍可以切割材料140。

系统可以使用屏幕、投影仪或其他视觉反馈单元来在实际材料140的图像或视频上产生已编程切割线的虚拟叠加层。此外，例如在进行测试切割的校准期间，先前收集的图像可以允许切口的预览看起来很逼真。而且，例如在进行测试切割的校准期间，先前收集的图像可以允许切口的预览看起来很逼真。例如，当预览产品时，可以显示实际材料140纹理和在切割边缘处切割或振鸣的典型的“V”形状。用户还可以选择在可能存在的多个材料之间布置碎片，或者重新排列它们以利用材料性质，例如将碎片与木材的颗粒对准。

类似地，用户可以同时但是在机床上的不同位置插入待切割的图和材料140，并且指示一个是源，另一个是目的地。在这个例子中，用户将图像从一个部分复制到下一个。用户可以在机加工前选择性地在软件中对图重新调整大小或以其他方式修改图。例如，用户可以指定将相对于源放大、旋转和/或平移目的地。在透明材料(例如玻璃或透明丙烯酸类)切割的实例中，图也可以明显地放置在材料的下侧，从而使这些相互作用最小化。

检测CNC机器中的材料和物体

许多CNC机器，特别是轧机(mills)，依赖于在开始之前使得已知材料就位。如果插入错误尺寸的原材料，例如如果材料太高，则头部可能会与材料碰撞。在另一个例子中，工作空间中可能存在不明材料，诸如夹具。头部和这些物品之间的碰撞是常见的，造成损坏。

可以使用多个相机或移动相机来确定工作空间的实际配置是什么。可以将这用于以多种方式检测碰撞。例如，创建运动计划的软件可以预先指定期望存在什么材料以及在什么位置。这可以包括从所获取的图像数据表征对应于材料的表面的坐标。这些坐标可以与表示材料应该在哪里的坐标进行比较。比较可以基于运动计划、图像、用户输入等。如果材料的当前坐标与预期坐标不一致，则可以将其解释为错误状态。然后，CNC机器100可以响应于错误状态的检测而采取动作。例如，可以停止处理，可以激活警报，可以确定用户，或者可以基于新的材料坐标来更新运动计划。

软件可以对围绕所有存在的材料移动的机器进行建模。如果机器将以不安全的速度与材料相交，或者移动旋转钻头通过太多材料，这也是错误状态。

创建运动计划的软件可以指定什么运动旨在与固体材料相交，哪些旨在不相交。该软件可以运行基于运动计划的模拟加上工作区中观察到的材料，以查看交叉点是否发生在计划区域之外。

被特征描述和校准的材料

可以分析由相机获取的图像或以其他方式提供给CNC机器100的图像或来自CNC机器100的图像，以生成或修改用于CNC机器100的操作的指令。图像可用于识别例如放置在CNC机器100中的材料或产品。CNC机器100中的材料140的识别可以与材料或产品的已知特性相关联或基于材料或产品的已知特性。例如，可以基于木纹、颜色、纹理等由CNC机器100进行识别。在另一示例中，可以基于对某些材料的保护涂层上存在的标记的文本或其他视觉分析来进行识别。这种保护涂层的一个实例可以是具有纸层的塑料，所述纸层粘附在所述塑料的表面上。除了在运输或处理期间保护塑料不被刮伤之外，纸层可以包括图像、文本、条形码等，其提供用于人类或除CNC机器以外的机器的可读信息，例如自动库存管理。在另一个例子中，可以基于为该目的设计的标记进行识别；文本、图像、条形码、水印或嵌入式或连接的设备，如打印标签或嵌入式微芯片，其用于CNC机器读取。

在一些实施方式中，材料可以被识别为“特征材料”。特征材料是可以具有显着变化的材料，但是CNC机器能够适应运动计划以在机加工期间处理结果中的任何观察到的变化。作为一个例子，可以有具有显著变化的自然的核桃木，并且CNC机器可以具有处理其“最坏情况”行为的设置和/或迭代地处理材料，在每次通过之后检查以确保材料被充分切割、雕刻等

在其他实施方式中，材料可以被识别为校准材料。如本文所述的校准材料可以指具有良好理解且一致的组成和/或其激光切割等的效果是良好表征、空间均匀等的一种或多种的材料。这些校准材料，如本文所述，是足够良好理解以允许对CNC机器的其它部件(例如激光器，相机等)进行校准的材料。例如，可以提供均匀的具体材料，即基本上没有缺陷例如结、空腔、密度变化等。其它材料可以具有一致和公知的光学性质。另一个例子可以是整个组成一致的合金。与不同材料的物理性质相关的材料校准数据可由CNC机器100或远程计算系统访问。在CNC机器100操作期间或在生成或更新运动计划时，可以访问包含材料校准数据的库或数据库。此外，详细的校准信息可以在材料本身上被编码为文本、图像、条形码、附加设备、嵌入式微芯片，或通过其他方式。通过将切割工具(例如激光)的已知输出与材料校准数据组合，可以由CNC机器100执行精确切割。在切割期间或切割完成后，切割可以成像，并与给定CNC操作参数和校准材料类型的预期结果进行比较。检测到的差异，例如超出可以预定义或可配置的公差之外的差异，可导致系统向用户发送警报，即CNC机器100操作或材料以某种方式不同于预期。

例如，激光切割机/雕刻机可能能够以100％功率和每秒2英寸的速度雕刻1”丙烯酸的校准材料至0.5”的深度。如果试图进行这样的雕刻，并且检测到作为结果的深度只有0.4”，那么就会得出结论：存在问题，例如激光器老化并且其输出下降，并且采取适当措施，例如通知操作人员。

材料类型有时是未知的，而并非使材料具有良好的特征，而且CNC机器可以确定材料是什么，或如何最好地加工它。在一些实施方式中，用户可以通过例如将预定测试图案切割和/或雕刻成未知材料块来确定理想设置、激光功率和头部速度。未知材料中的测试切口可以扫描各种可能的设置。设置可由用户选择或从计算机存储器访问。相机然后可以摄取材料的图像，用户可以在视觉上选择测试图案的哪些区域产生其优选结果。图像可用于确定哪些设置被用于测试运动计划的一部分以允许保存用户的自定义材料设置以备将来使用。在另一个实施方式中，相机可以对测试切口进行成像，并根据与存储的测试切口图像的比较自动确定最佳设置。

水印

图6是示出了与当前主题的一些实施方式一致的头部相机120对存在于CNC机器100中的材料140上的水印810进行成像的图。水印810可以从所获取的图像中识别并被解释为识别材料140及其属性。水印810可以包含关于材料140的任何数量或类型的信息，材料140的被允许的使用等。如本文所使用的，术语“水印”包括任何形式的材料140标记，包括上文关于校准材料描述的标记。

在一个实施方式中，水印810可以被印刷在材料140上或附接到材料140的覆盖片上。水印810可以是肉眼可见或不可见的，例如UV水印810。在一些实施方式中，CNC机器100可以包含照亮水印810以使相机可见的光源。在一个实施方式中，水印可以是包含数据的QR码，例如设置或者到何处可以找到设置的链接。在另一个实施方式中，在材料的表面上重复标记，使得即使材料被切割或表面的一部分被消除，材料的其余部分具有足以重建原始数据的信息。

除了上述校准性质之外，水印810可以用于横跨不同CNC机器跟踪材料140。例如，水印810可以对于材料140是唯一的，并且通过对水印810进行成像并上传正在材料140上操作的CNC机器100的身份，材料140可被跟踪。此外，如果由水印140识别的预定义的切割图案将与材料140一起使用，则CNC机器100可以首先检查授权、所有权等等。如果用户没有使用具有校准材料140的切割图案的授权，则CNC机器100可以拒绝用户的操作。水印材料的使用或尝试使用可以记录在任何数量的计算系统上。相同的水印810也可以用于库存跟踪、库存管理、零售结帐等。

对于任何类似的材料块，水印可以是相同的，或者它可以是单独的材料块是唯一的。水印上的数据可能包含处理材料所必需的信息，或者简单足够信息，足以使CNC机器可以定位处理材料所必需的信息，例如可以在数据库中查找的唯一标识符。它可能同时具有水印中的材料处理信息作为备份，以防网络连接不能在线查找更详细的信息。

在一个实施方式中，可以确定，基于水印810，应该使用CNC机器100的特定设置来执行期望的切割。在另一个实施方式中，还可以确定，基于所识别的材料140，CNC机器100的设置对于期望的切割是不正确的。运动计划的修正可以通过用户输入实现或由CNC机器100自动实现。缺少检测到的水印810也可以用于向用户提供材料140不是具有特征的或校准的材料的警报。水印810还可以用于识别材料140的不同区域，其必须被不同地对待-例如，校准的或具有特征的材料可以具有两个或更多个不同的区域、密度更高的区域和密度更低的区域，对于每个区域需要不同的功率设置。

通常，水印810可以包含关于可以由用户访问的材料140的数据。例如，水印810可以与序列号、材料140名称、所需切割需要的功率设置(对于任何CNC机器100)、用于特定CNC机器100的专有设置、在下面的材料140的图片、在机器上利用某些设置处理之后材料将看起来是什么样子等相关联。水印810还可以包含一般信息，例如关于材料140的评论、对用户的指令、建议、警告等。在另一个实施方式中，水印可能不包含此信息，但包含足以检索它的信息，例如在线数据库的唯一标识符。

生产记录

本文描述的任何方法可以通过盖相机、头部相机或CNC机器100中的任何其他相机的组合进行记录。在一个实施方式中，可以通过组合生产过程的记录来生成视频数据文件，包括例如设计阶段，制造阶段，完成阶段等。设计阶段可以包括例如在CNC机器100中扫描或提供材料140的用户的记录、运动计划的开发和操要雕刻或切割的图案的操纵等。生产阶段可以包括例如将材料140放置在CNC机器100中，由CNC机器100执行运动计划等。完成阶段可以包括例如，成品的任何最终处理，冷却/设置的记录和用户对成品的检索。在任何阶段，记录可以与系统活动协调。例如，如果在生产过程中有暂停，也可以暂停记录。此外，记录可以在盖130打开的情况下结束，或者除此之外，可以延长预定的持续时间，以捕获用户检索成品。可以提示用户执行诸如组装然后重新插入成品的最终步骤以用于成像、3D扫描或其他记录。

在任何或所有这些阶段中，视频数据文件可以由CNC机器100或其他记录计算系统传输到网络，例如用于云存储，用于实时流传输到社交媒体馈送，如邮件文件附件等。

材料厚度测定–一般

可以使用各种方法来确定待切割或雕刻的材料140的厚度。一种方法可以是确定材料140的顶部表面的高度，并将该高度与材料140的底部表面的已知位置进行比较。通常，尽管不是必需的，材料140的底部表面与顶部材料床150的表面重合，其可以是已知高度。然后材料140的顶表面的高度与材料140的底表面的高度之间的差可以被确定为材料140的厚度。在另一个实施方式中，用于确定材料140的厚度的方法可以通过测量具有已知厚度的材料140来校准。例如，具有1cm厚度的物体可以放置在材料床150上。数据可以通过相机获取，数据可以与物体的已知厚度相关联。在另一实施方式中，相机可以确定材料140所在的表面的高度。例如，如果在最上面的材料140和材料床150之间存在其它材料140的部分，则相机可以在材料140被插入之前测量最上面的表面的高度，或者测量未被材料140模糊的位置中最上面的表面的高度。

在一个实施方式中，可以在材料140的表面上测量不同点处的高度，例如在网格图案中，以具有材料140的曲率的特征。一旦在材料140上的许多点处的高度是已知的(并且因此表面曲率)，可以产生指令，使得一个或多个致动器可以跟随材料140的曲线。例如，切割激光器可以保持聚焦，相机可以保持对焦，3D打印机头可以保持与材料基座的恒定分离，或者CNC铣头可以保持与材料140恒定的距离。

一旦表面和透镜(或CNC机器100中的任何其他参考点)之间的距离是已知的，则可以在机加工时结合这一点来精确地控制头部160(和头部160内部的光学器件)的高度。

本文描述的对比度检测、相位检测或任何其它测距技术也可以在其他机器上实现，例如CNC铣机，其中该距离确定头部160的位置以定位铣头。以这种方式，运动计划可以包括例如对比度检测、自动对焦等，以对材料140的位置和/或头部160相对于材料140的位置进行实时分析。

材料保持

虽然知道材料140的表面的位置是重要的，并且表面位置(或高度)可以是最容易测量的，但材料140的厚度也是重要的。如果材料140可以被压平，例如抵靠材料床150，则材料140的顶部的高度减去材料床150的高度等于厚度。为此，将材料140牢固地保持在支撑件上的方法可以与用于测量材料140的厚度的任何方法组合。这可以有助于以下情况，其中材料140可能具有弯曲或成弓形的自然倾向或其中材料140可以是轻质的并且在其下方具有气泡。

在一个实施方式中，可以存在至少一个柱塞，其可以将材料140牢固地保持抵靠支撑件。柱塞可以靠近切割点，或者可以在材料140上的另一位置或多个位置。而且，柱塞本身的位置可以提供对材料140厚度的任何光学确定的交叉检查，例如如果柱塞的表面的高度相对于材料床150的表面是已知的。

在另一实施方式中，材料床150可以是具有多个孔的真空工作台，该孔穿过表面延伸到真空系统。真空系统可以通过孔在材料140下面产生负压，然后0通过材料140的任一侧上的压力差将所述材料向下压靠在真空台上。

可能存在材料140不能被压靠在材料床150上的情况，例如弯曲的金属片，石头等。如果已知材料140具有恒定的厚度，则厚度可以由材料140上的任何位置处的测量确定。如果材料140在或多个点处接触参考表面，则材料140的表面上的最低点的确定可以由CNC机器100解释并与材料床150的高度比较以确定材料140的厚度。在材料140厚度在多个位置出被测量而不是在表面最低的位置处被测量的情况下，可以从测量的多个点产生地图。从现有点计算的斜率可用于识别局部最小值的可能区域，这可能转而会被采样以进行更准确的测量。

通过立体视觉的材料厚度确定

用于确定材料140的表面特征的高度或位置的一种方法可以是对材料140进行立体观察，以便来确定材料140的深度分布，使用多个相机或来自同一相机(在每次暴露之间移动)的多个图像以确定距离。在一个实施方式中，立体测量可以由一个或多个盖相机和/或头部相机执行。也可以为位于CNC机器100内的专用于该目的的附加相机。这里，用于产生立体图像所需的多个图像可以由图像分析程序解释，以便基于在不同的角度波或的图像之间的差异，确定在材料140上成像的特征的深度。为了确定材料的表面的高度，从两个分离的相机捕获图像，并且隔离并考虑材料表面上的一个或多个特征。以与人类双目视觉使用的确定距离的方式相同的方式，观察到的特征在两个相机图像之间移动的量指示其距离，并且因此指示材料的高度。

在一些实施方式中，可以创建包括定位头部160的运动计划，从而使要测量的独特特征在位于头部160上的相机的视野内。然后，相机可以获取特征的图像。可以创建第二运动计划(或单个运动计划中的第二步)以将头部160移动固定的量。在头部160移动之后，该特征应该在相机的视野内。然后可以通过相机捕获包含该特征的第二张图像。在每个图像中，识别特征。然后，图像分析程序可以相对于相机的移动量来测量每个图像中特征移动了多少。基于相对明显的移动，可以确定特征的高度。一般来说，特征越靠近相机(即特征的高度)，特征就越显得被移动。

通过干涉测量的材料厚度确定

获得与材料140的表面的距离的另一种方法可以是将包括成像激光器和成像检测器以在材料140的表面上执行干涉测量。这里，来自成像激光器的光可以用于反射离开材料140的表面，然后被引导到检测器。来自成像激光器的光也可以被引导到参考镜，然后也被引导到检测器。可以检测和计数在检测器处的干涉条纹的变化数量，以便确定到材料140的表面的距离。在一个实施方式中，来自头部160的激光输出，例如用于切割的激光输出，也可以是用作成像激光。或者，成像激光器不一定是必定是激光，它可以是已知波长的任何光源，例如原子灯、带通滤光光源等。

通过对比度检测的材料厚度确定

在另一实施方式中，当摄取每个图像时，通过确定具有最大对比度的图像，利用具有已知焦平面的相机的多个图像的算法可以使用焦平面中的变化来确定与材料140的表面的距离。在该实施方式中，材料140的图像可以由头部相机120、盖相机110或具有调节其焦点的能力的系统中的任何其它相机摄取，无论是通过改变其位置或透镜的位置。分析可以包括改变一个或多个透镜的位置，直到由头部相机120摄取的材料140的图像具有最大对比度。当检测到这种情况时，相机的焦平面与从透镜到材料140的表面的距离相同，因此材料140的表面的高度是已知的。

在一些实施方式中，透镜可以被移动到第一位置，例如在相机中或头部160中的其范围的顶部。然后可以在该第一位置获取图像。可以例如通过对图像进行傅里叶变换并且测量以图像中的快速变化为特征的高频分量的幅度来量化对比度。然后，透镜可以被移动到第二位置，例如在相机范围内的下部。在每次移动之后可以量化对比度，同时在导致确定的对比度增加的方向上移动透镜。当位于对比度最大的位置时，镜头焦点对准。

通过相位检测确定材料厚度

在一个实施方式中，可以使用相位检测来确定从透镜到材料140的距离。在该实施方式中，从材料140摄取的图像被划分为对应于光穿过透镜的至少两个不同部分的至少两该部分，所述至少两个不同部分对称地布置以在透镜距离材料140处于其焦距时对相同位置进行成像。然后可以比较每个部分的强度或其它图像特征。可以调节透镜的位置，直到通过透镜的每个部分成像的部分基本相同。当这被完成时，透镜的焦距是材料与透镜的距离。

通过飞行时间确定材料厚度

在一个实施方式中，可以使用飞行时间技术来确定从源到CNC机器100中的物体的距离。例如，可以存在发射脉冲或其它已知的光的波形的光源。检测器可以检测从表面反射离开的光。通过测量发射和检测之间的时间并知道源与检测器之间的路径，可以确定源(或检测器)与物体之间的距离。可以使用声源来执行类似的过程。飞行时间可以通过检测器根据信号的上升沿或下降沿、干扰模式、信号衰减等进行测量。

通过成像点位置/形状确定材料厚度

图9是示出了根据当前主题的一些实施方式，通过盖相机110对由测距光源910产生的材料140上的光斑进行成像来确定材料140的厚度的图。在一个实施方式中，来自测距光源910的例如来自激光二极管或具有密集光束的LED的良好准直的光束可以以一定角度指向材料140。如图9的左窗格所示，较厚的材料140(厚度为T1)将在与测距光源910的距离D1处更早地拦截光束，导致交叉点对于更靠近测距光源610的盖相机110可见。如图9的右窗格所示，较薄的材料140(厚度T2)将允许光束行进得更远，因此光束将看起来在测距光源910更远处(距离D2)与材料140相交。因此，材料140上的亮点的位置可以与材料140的厚度成正比。在其他实施方式中，测距光源910可以是除了盖相机110或CNC机器100中的相机的任何组合以外的相机。

在另一实施方式中，测距光源910可以具有可测量的发散。如果材料140是厚的，则材料140的表面上的斑点将看起来很小。如果材料140较薄，那么光斑将会变得更大，因为光在与材料相交之前会发散得更多。可以使用基于已知发散角度和测量的表面上的斑点的尺寸的三角函数的计算来确定材料140的厚度。

在相关实施方式中，可以使测距相机的焦距尽可能小。如果光束点靠近相机，它将被聚焦，因此看起来更小；如果它很远，它将是模糊的，因此更大和更暗。该技术可以与发散技术相结合，使得斑点尺寸的增加更容易被检测。

通过成像激光光斑大小确定材料厚度

图10是示出了根据当前主题的一些实施方式通过对激光光斑尺寸成像来确定材料厚度的图。为了提供精确的切割，激光应该聚焦在材料140的表面上。如果激光器不在焦点上，则切口可以比预期的更大，并且切口可能具有不同于所需的深度。在一个实施方式中，如果头部160中的透镜370指定用于激光的特定焦点，则可以通过相机观察表面上的激光光斑来测量最小光斑尺寸1010。相反，如果材料140的距离不等于透镜370的焦距，则光斑尺寸1020将更大。通过测量光斑尺寸，可以调整头部160中的透镜370，直到激光光斑尺寸处于最小值，或其它已知尺寸，其对应于处于透镜370的焦距处的材料140的表面。在一些实施方式中，可以自动地和/或连续地进行该调整，以便在材料140的表面处提供恒定的功率密度。结果，即使材料140的厚度改变，也可以提供一致的切割。另外，如果观察到的光斑尺寸和预期光斑尺寸之间存在差异，则透镜370的“已知”焦距不准确或者表面高度的确定是不准确的。这些不一致性的指示可以提供给用户或由CNC机器100记录。用于此的激光可以是主切割激光器或次级激光器(通常是较低功率的激光器，其频率可以是用相机更容易地看到，例如氦氖激光器)。如果次级激光器处于相机可以登记的频率，则直接观察光斑尺寸，或通过观看由次级激光产生的变色、雕刻或切割的尺寸间接观察光斑尺寸。

在一个实施方式中，切割激光器可用于通过在激光器操作时将头部160移动穿过材料140来画出线(在图10中由实心水平形状示出)。当激光器移动时，聚焦透镜370在其行进通过其全部运动范围时获取图像。当运动完成时，分析线路的相机图像，并确定最窄的部分。在创建线的最窄部分的时刻的透镜位置对应于光束被聚焦处的点的时刻以及在透镜370和材料之间的距离等于透镜的焦距的时刻定位透镜，允许激光被聚焦和为其他目的确定距离，例如报告厚度(从材料表面的高度测量)到用户。

直接检查材料厚度

在另一实施方式中，材料140可以通过相机以相对于材料表面的低角度成像。该角度可以是例如0度(平行于表面)，小于5度，小于10度等。该“侧立”视图允许直接确定材料的高度。这里，可以获取材料的图像。材料140的高度或厚度与图像中材料的像素数量有关。在一些实施方式中，可以首先执行相机与材料的边缘之间的距离测量。基于从相机到被成像的边缘的距离，可以在像素中的高度和材料高度之间执行转换。

切割检查

图11是示出根据当前主题的一些实施方式的散射光检测器1110的图，其确定切割是否延伸穿过材料140。在一些实施方式中，与光电传感器组合的激光器可以在非常精确的位置处向下提供信息到单个点，例如，探测切割线以查看材料140是否已被切割穿透。在该示例中，如图11的左半部分所示，可以是仅用于此目的的低功率激光器的激光器1120将光束1130投射到未切割材料140上的点上。然后光电二极管1110可以检测指示材料140未被切割的散射光1140。如图8的右半部分所示，当激光器1120碰撞已被切割的材料140时，光电二极管1110不会检测到散射光。在该示例中，可以通过选择对激光波长敏感的光电二极管1110、通过仅对该波长进行滤波、或者通过在激光器1120打开和关闭的情况下捕获连续的图像然后减去它们，来提高精度，从而使得仅激光器1120提供的照明是可见的并且背景光被抵消并且不被分析。这种方法还可以通过增加对比度而导致图像增强。

在其他实施方式中，可以放置相机以通过对材料140的底部进行成像来检查切割，以验证材料140已被切割穿透。通过切口观察的相机的焦平面可以变化以扫描切口的垂直边缘，以获得缺陷。可以用焦点调整指定特定的焦平面，然后可以将模糊度用作深度的指示。在一些实施方式中，可以使用视野深度(焦平面上的区域)足以对切口两侧成像的相机。

位置感测

传统上，使用各种系统来检测机器位置。可以由电机上、轴上和或机械开关上的编码器检测机器何时处于极限位置，或者将软件头部位置内部估计“复位”到正确的已知状态。

这些可以由相机系统代替。顶置式相机可以在视觉上定位头部160或系统的其他部分。安装在头部160上的相机可以以极高的精度检测头部160何时被移动到特定位置，例如在打印在起始位置上的目标上。在一些实施方式中，可以处理来自CNC机器中的任何相机的图像数据，以生成包括例如位置或其任何高阶导数(诸如速度，加速度等)的数据。图像数据还可以与诸如火灾、烟雾等异常情况有关。图像数据还可以与诸如正常操作和CNC机器部件的移动之类的非异常状况有关。基于生成的数据，可以启动或终止本文所述的CNC机器100的任何动作。

头部运动检测

(多个)宽视角相机可以确定头部160的位置、速度、加速度和其他运动参数。安装在头部160上的相机可以通过观察材料140在图像中的明显运动来实现通过各种技术获取，例如比较连续图像或观察运动模糊。可以使用为此进行优化的特殊目的的相机，例如，光学鼠标上的图像传感器可以重新利用头部160精确地测量其行程。具有头部160的视场的安装在盖130或其他位置的相机可以直接监视头部160。

观察点

附加特征可以包括在CNC机器100中以帮助识别。通常，标记或其他指示符可以添加到不需要复杂的图像识别程序来处理的CNC机器100。相反，包括标记的图像的更改可以指示特定的条件。例如，可以在头部160上定义区别标记或参考点，以便更好地精确定位它。通过如图像数据中所示的将头部160上的参考点映射到CNC机器100中的坐标，可以确定头部160的位置(或CNC机器100中的坐标)100。相机只需跟踪220标记并且不解释头部160的图像的剩余部分。LED可以放置在CNC机器100中并且以类似于信标的特定模式被激活；可以在视频中观察图案，或者通过摄取与信标闪烁同步的多个图像。一个小旗子可以放置在气流位置，因此监控旗子的相机可以很容易地检测到空气是否移动。化学反应性区域(如pH条)可以放置在相机的视野内，以便机器可以观察到颜色变化以检测空气中不同的化学物质，例如，如果激光切割发出有害烟气的物质。扩展模块或其他附件可以添加到CNC机器100中，并借助于独特的设计或条形码通过相机进行检测。标记可以印刷在CNC机器100的任何表面上，以便相机可以观察系统的移动部件何时遮蔽它们，从而允许更好地测量移动部件的位置。

暂停后重新启动

处理通常具有中间步骤。例如，为了防止烟灰积聚，用户可以进行光切割，然后用胶带遮蔽材料140，然后再进行光切割，然后放下更多的胶带，然后进行最终切割。在另一个例子中，用户可以进行小切割，检查切割，然后继续。

通常这是困难的，因为材料140的任何干扰意味着后续处理操作与迄今为止执行的操作不一致。例如，如果用户正在切割正方形并且在中间处理中移除材料140，则即使操作者在更换材料140时非常小心，操作的后半部分也将不会与前半部分正确对准。

然而，相机和图像识别系统可以用于精确地确定材料140在何处以及其被替换的位置，以校正由替换产生的材料140中的任何偏移，从而允许操作无缝地继续。在中断之后，材料140可以被重新成像，并且切割图案与材料140的新的(如果改变的话)取向对准。这可以通过由前面提到的包括颗粒图案、过去的切口、基准和材料的拐角的任何或所有机构记录来完成。运动计划可以根据重新对准的切割图案进行更新和执行。该特征可以允许例如用户从CNC机器100移除材料140，检查它，然后更换材料140，而不必执行任何手动对准。

在另一个示例中，可以有一种方法，其中五片材料140各自以不同的图案切割，留出以例如被描绘，然后再次切割。根据其形状、纹理和/或先前的切口，当纸张重新插入时，系统可以识别每张纸张，并从其离开的位置拾起它。

基于图像的异常检测

如果在CNC机器100中存在问题、错误、故障或其他不正常情况，则可以通过相机和传感器的组合来检测它们。例如，如果机器碰撞并且材料移动，相机可以看到材料滑动并通知软件来补偿新的位置。相机可以检测到物理故障，例如螺丝掉落，因为原始部件似乎缺少螺丝。相机还可以检测烟雾的积聚，指示排气系统的故障。这可以通过以下来实现：对穿过可见激光束的烟雾颗粒进行成像，从烟雾颗粒检测从内部照明散射回到相机的光线(差分成像将有助于此)，实际烟雾的图像识别或其它方法。相机也可以观察到，如果假设皮带断裂，则头部不会移动。下面给出了检测异常和处理传感器数据的许多其他特征和实现。

空气过滤和冷却系统

可选地包括一个或多个风扇的空气过滤器可以集成到CNC机器102的壳体中以去除烟雾或其它微粒。在一个实施方式中，空气过滤器可以具有将空气过滤器连接到壳体上的特定位置的预定配置。空气过滤器可以位于例如下面，但是直接连接到壳体。CNC机器和空气过滤器可以共享公共边界，例如，如果空气过滤器形成CNC机器的基座的至少一部分。由于配置是预先确定的，所以在空气过滤器上的进气口与CNC机器102的壳体之间可以存在刚性的预对准管道。

空气过滤器的操作可以部分地基于关于材料切割类型、操作参数、测量碎片和/或烟雾的传感器数据等的数据。该操作也可以被整合到运动计划中。例如，空气过滤器可以根据指定切割更多材料并产生更多烟雾的运动计划来加速或减慢。使用已知材料和预定义的运动计划，可以基于数据库中的信息来估计烟雾量。烟雾的估计可用于更新运动计划并修改空气过滤器操作以处理预期的烟雾或微粒的产生。以这种方式，CNC机100与空气过滤器通信，以实现运动计划中的更新的指令。通信可以是电气、红外线、近场通信、蓝牙等。空气过滤器操作可以与CNC机器中的条件相关联，例如发光二极管的光、声音、排风扇关闭时的关闭、检测压力变化等。风扇/空气过滤器可以选择性地独立于CNC机器的操作，而是直接与远程计算系统通信以管理风扇/空气过滤器操作。

空气过滤器的寿命可以基于所使用的材料、切割操作、测量的碎片、通过空气过滤器的空气流量测量等而不断更新。风扇的操作也可以基于所需的噪声水平、所需的过滤速率或两者。例如，用户可以指定安静操作是优先的，并且尽管检测到存在微粒，CNC机器100可以响应以更低的设置运行风扇。在机器中进行的观察，例如由相机观察到的烟雾水平，可以用来测量过滤器的功效，例如检测气流何时减少，并且因此需要改变过滤介质或更换风扇。

冷却系统还可以与空气过滤系统和内部传感器进行接口，所述内部传感器监测部件温度烟雾和/或碎屑。冷却系统可以完全在CNC机器100内部，例如，用于激光器的液体冷却系统，其使用散热器和风扇散热，选择性地辅助珀尔帖(Peltier)或“固态”设备驱动低于环境温度的温度。在冷却系统不能将部件保持在规定温度范围内的情况下，CNC机器100可以停止执行运动计划，直到部件冷却。一旦部件的温度在可接受的范围内，则运动计划可以恢复。冷却系统也可以是外部的，例如冷却水的冷却器，所述水转而冷却激光器；该冷却系统可以与控制CNC机器的服务器直接进行接口，从而其可以提供关于冷却液温度等的关键信息。与风扇/空气过滤器的运行相似，冷却系统也可以根据CNC机器的情况进行更新。冷却系统也可以与远程计算系统进行接口，以使独立于CNC机器100的操作成为可能。

改进的成像

当执行本文所述的任何技术时，还可以以任何组合的方式并入其它方法来改进图像识别。在一个实施方式中，材料140可以首先用诸如广角低精度盖相机110的第一相机成像，以确定边缘近似的位置，或者识别超出盖相机的视场范围的区域。一旦知道近似边缘，或者存在需要进一步成像的区域，以便确定边缘在哪里，则可以移动第二相机，例如特写头部相机120，以对边缘进行成像，以便确定材料140的轮廓的精确位置。如果头部相机120和盖相机110都不能确定材料140的范围，则用户可以警告材料140太大，材料140需要是重新定位等。在替代实施方式中，单个相机可能重新定向自身、重新聚焦、采取更高分辨率的图片、或以其他方式使用初始图像来确定需要更彻底的检查。

在一些实施方式中，可以减少由相机获取的图像的部分以获取更小或更简单的图像。例如，如果仅需要小区域的图像，但是与区域的尺寸相比，相机具有不必要的大的视场，则可以获取并掩蔽或裁剪图像。掩蔽可以完全消除不必要的区域，减少图像的像素大小。或者，掩蔽可以使不需要的图像成为特定的颜色，例如黑色，白色，绿色等。然后可以在软件中容易地将掩蔽的颜色识别为不需要的区域并且不进行分析。在另一个实施方式中，可以使用物理掩蔽技术，例如用隔膜。

可以实现其他技术来提供用于图像分析的更清晰的图像。首先，可以调制用于测距的任何激光(切割激光，如果可见，或次级激光)，以便相机能够获得具有和不具有污染的材料140的图像，所述污染归因于外部光，如室内照明、反射的激光或燃烧闪光。也可以在CNC机器100中存在能够被调制以提供内部光线条件下的图像数据的内部光源。例如，可以通过打开内部光源获取第一图像。然后，可以通过关闭内部光源获取第二图像。第二图像只对应于外部照明。图像分析程序可以从第一图像中减去第二图像，以便确定仅由CNC机器100内的内部源产生的内部光轮廓。在确定例如距离、切割行为、材料外观过程中摄取的图像时，可以通过图像分析程序的进一步处理来使用内部光轮廓。

其他实施方式可以包括在CNC机器100中使用RGB可控光源或对于激光器使用RGB可控光源。在不同颜色照明下检查材料140可以识别哪种颜色照明提供最多的信息。IR照明和相机也可用于提供比可见光更好的信息的情况。如果颜色使一个特定的相机饱和，则可以依次使用多个相机。黑白相机可以与用红色、绿色和蓝色光照亮的图像相结合，以提取彩色图像。诸如带通滤波器的滤光器可以放置在相机上，使得它们仅接收某个照明颜色-例如，仅以来自头部160中的激光二极管的633nm红色光为主，有效地忽略所有其它光源。例如，当使用头部160对材料140的整个表面执行高分辨率扫描时，可以将多个图像拼接在一起以获得更大的图像。可以使用线性扫描元件来扫描表面上的线，而不是点，扫描结合形成连续的图像。单点检测器可以代替相机元件，例如单个光电二极管。

通过将随机扰动引入相机的位置，可以将图像的分辨率提高到超过特定相机的像素极限。相机可以以小的随机量振动，或者交替地移动预定义的距离，使得相机位置的直方图可以限定概率函数。在相机移动期间获取相机图像。例如，头部相机可以以小的已知步骤四处移动，然后其可以被偏移，使得图像可以被对准、组合和平均。在另一示例中，通过引入随机或几乎随机的振动，例如通过全速运行排气风扇，可以使盖相机移动极小的量；结果将被平均。在一个实施方式中，该功能可以是高斯形状，其中特定成像特征可以分布在高斯内的像素大小的箱之间。在获得足够的统计数据后，可以限定高斯的包络，并将质心识别到像素内的位置。现在根据相机的运动产生的高斯分布定义的质心的位置可以与图像中的特定特征的位置相关联。虽然概率函数可以是高斯，但是可以使用已知概率密度的任何分布。

具有已知范围的物体的距离也可以由其在图像中的表观大小来确定。在一些实现中，图像数据中的物体的大小或尺寸(以像素为单位)可以与相同物体的另一图像或其一部分进行比较。像素的变化(无论是线性度量、轮廓、面积、或其任何组合)可以与映射或传递函数结合在一起，所述映射或传递函数将像素的变化与距离的变化相关。例如，距离相机给定距离的1“正方形的图像可能占据100×200像素。如果相机从正方形移开，则正方形的图像可能会变为50x100像素。像素尺寸的变化与变化距离直接相关，而且也与相机的角度、材料140的位移方向以及相机系统的光学特征(例如图像失真或光学像差)的函数直接相关。

图像像差校正

图12是示出了根据当前主题的一些实施方式来校正由具有宽视场的相机获取的图像中的像差的图。在单元关闭的小工作空间内的广角成像的主要挑战是所需的广角镜头引入的失真。来自相机的图像，特别是具有广泛视野的图像，可能遭受多种类型的失真。在一个实施方式中，可以执行图像校正程序以将失真的图像数据1210(其可以被认为是完美图像和失真的总和)转换为校正图像数据1260(其可以是完美图像或至少减少失真的图像)。失真校正可以包括处理图像以实现去除失真、通过增加对比度增强图像、以及将图像中的像素映射到工作区域内的相应物理位置或者CNC机器中其他区域的一个或多个(或全部)。失真可能是由于相机中的光学部件，例如广角镜头，所述透镜内的成像传感器的偏心，像差，反射或反射率，镜片上的损伤或不希望的涂层等。这些失真可以根据相机110的相对于材料床150的取向相关的外部因素进行混合，其观察作为它被安装在盖130上的结果，包括相机的位置、旋转和倾斜。在进行校正之后，可以在识别CNC机器100中的情况或者进行进一步的图像分析之前，将图像数据替换为校正的图像数据或使用图像数据代替校正的图像数据。

在另一实施方式中，可以通过对失真图像数据中所示的一个或多个可见特征1220进行成像来执行转换。在图12所示的示例中，可见特征1220可以是穿过物体表面的已知距离间隔分布的交叉。可以获取包括可见特征1220的失真图像1210。可以通过对失真的图像1210应用桶去失真(barrelde-distortion)功能来产生部分去失真的图像1230。部分去失真的图像1230可以被分离成更小的图像1240，其中每个更小的图像1240仅包括可见特征1220中的一个。可以基于可见特征1220的坐标将多个更小的图像1240(如更小的图像1240中的编号所示)分类为至少一组可见特征，该组可见特征大致共线性。例如，更小的图像1,2,3和4可以被确定为共线的(在X方向上)，并且更小的图像1和5可以被确定为是共线的(在Y方向上)。对于一组可见特征中的每一个并且基于相应组中的可见特征1220的坐标来计算通过每个坐标的线1250的数学表达式。线1250可以是例如可见特征1220、样条等的集合的多项式拟合。在图像数据中的任何点处的失真图像数据1210可以基于对失真图像数据1210中的其他点的数学表达式的插值，通过对失真的图像数据1210应用校正，被转换为校正的图像数据1260。例如，可以在两个正交方向上(即，图中所示的网格图案12)延伸的线1250之间插值。插值的线之间的线性距离可以对应于小于5个像素、小于3个像素或单个像素。可选地，可以使用比先前提到的更多的像素上延伸的较粗略的插值。

图13是示出了与本主题的一些实施方式一致的方法的特征的过程流程图。

在1310，一种计算机数字控制机器可以包括可移动头部，所述可移动头部被配置为将电磁能量传送到由极限限定的工作区域的一部分，所述可移动头部能够在所述极限内受命令以引起电磁能量的传送。所述工作区域可以在激光计算机数字控制机器的内部空间的内部。所述内部空间可以由壳体限定，壳体可以包括可打开屏障，当所述可打开屏障处于闭合位置时所述可打开屏障衰减所述内部空间和所述计算机数字控制机器外部之间的光的传输。所述计算机数字控制机器可以包括互锁件，在检测到所述可打开屏障未处于闭合位置时所述互锁件阻止电磁能量的发射。所述命令可以导致所述计算机数字控制机器执行运动计划的操作，以引起可移动头部移动，从而传送电磁能量以引起至少部分包含在所述内部空间中的材料的改变。

在1320，可以借助至少一个相机产生包括所述工作区域的至少一半的图像。当所述互锁件不阻止电磁能量的发射时可以发生所述产生。

图14是示出了与本主题的一些实施方式一致的方法的特征的过程流程图。

在1410，一种计算机数字控制机器可以包括可移动头部，所述可移动头部被配置为将电磁能量传送到由极限限定的工作区域的一部分，所述可移动头部能够在所述极限内受命令以引起电磁能量的传送。所述工作区域可以在激光计算机数字控制机器的内部空间的内部。所述内部空间可以由壳体限定，壳体可以包括可打开屏障，当所述可打开屏障处于闭合位置时所述可打开屏障衰减所述内部空间和所述计算机数字控制机器外部之间的光的传输。所述命令可以导致所述计算机数字控制机器执行运动计划的操作，以引起可移动头部移动，从而传送电磁能量以引起至少部分包含在所述内部空间中的材料的改变。

在1420，可以暂时阻止电磁能量的发射。

在1430，可以借助至少一个相机产生包括所述工作区域的至少一半的图像。当可打开屏障处于闭合位置并且在暂时阻止电磁能量的发射的过程中可以发生所述产生。

本文描述的主题的一个或多个方面或特征可以实现在数字电子电路、集成电路、特别设计的专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)计算机硬件、固件、软件和/或其组合中。这些各种方面或特征可以包括在一个或多个计算机程序中实现，所述计算机程序可以在可编程系统上执行和/或解释，可编程系统包括至少一个可编程处理器，其可以是专用或通用目的，可编程处理器耦接为从存储系统、至少一个输入设备以及至少一个输出设备接收数据和指令和向它们发送数据和指令。可编程系统或计算系统可以包括客户端和服务器。一般来说，客户端和服务器彼此远离，并且通常通过通信网络交互。通过运行在各个计算机并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而形成的客户端和服务器的关系。

这些计算机程序(也可以称为程序、软件、软件应用、应用、部件或者代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且可以以高级程序化语言、面向对象编程语言、函数式编程语言、逻辑编程语言和/或以汇编/机器语言来实现。如本文所使用的，术语“机器可读介质”指任何计算机程序制品、装置和/或设备，例如磁盘、光盘、存储器和可编程逻辑器件(PLD)，其用于为可编程处理器提供机器指令和/或数据，包括将机器指令作为机器可读信号接收的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用于为可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。机器可读介质可以非临时地存储这些机器指令，例如非临时性固态存储器或磁盘硬驱动器或者任何等价存储介质那样。机器可读介质可以替代地或额外地以临时的方式存储这些机器指令，例如处理器缓存或与一个或多个物理处理器核心相关的其他随机存取存储器。

为了提供与用户的交互，本文描述的主题的一个或多个方面或特征可以在具有显示设备和键盘和指针设备的计算机上实现，显示设备例如用于为用户显示信息的阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)或发光二极管(LED)监视器，键盘和指针设备例如鼠标或轨迹球，用户可以通过其为计算机提供输入。其他类型的设备也可以用于提供与用户的交互。例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感知反馈，例如视觉反馈、音频反馈或触觉反馈；并且来自用户的输入可以以任何形式被接收，包括但不限于声音、说话或触觉输入。其他可能的输入设备包括但不限于：触摸屏或者其他触觉灵敏的设备，例如单点或多点电阻式或电容式触控板、声音识别硬件和软件、光学扫描仪、光学指向器、数字图像捕获设备以及相关的解释软件及类似设备。

在上述说明书以及权利要求中，诸如“至少一个”或“一个或多个”的词组后面可以跟随元件或特征的连接词列表。术语“和/或”也可以出现在两个或多个元件或特征的列表中。除非与其使用的上下文暗示地或明确地矛盾，这种词组用于指独立列出的元件或特征中的任意一个，或者引述的元件或特征中的任意一个与其他引述的元件或特征中的任何一个组合。例如，词组“A和B中的至少一个”，“A和B中的一个或多个”以及“A和/或B”均指“单指A、单指B或A和B一起”。类似地解释也适用于包括三个或更多个项的列表。例如，词组“A、B和C中的至少一个”，“A、B和C中的一个或多个”以及“A、B和/或C”均指“单指A、单指B、单指C、A和B一起、A和C一起、B和C一起或者A和B和C一起”。上文和权利要求中的术语“基于”的使用旨在指“至少部分基于”，从而未引述的特征或元件也是可允许的。

根据期望的配置，本文描述的主题可以在系统、装置、方法和/或物品中实施。前述说明书中列出的实施方式不代表与本文描述的主题一致的所有实施方式。相反，它们仅仅是与描述的主题相关的方面一致的一些实例。尽管上文详细描述了一些变化，但其他改进或添加是可能的。具体地，除了本文列出的特征和变化，可以提供其他特征和/或变化。例如，上文描述的实施方式可以涉及公开的特征的各种组合和子组合和/或上文公开的若干其他特征的组合和子组合。此外，附图中描绘的和/或本文描述的逻辑流程不一定需要所示出的特定顺序或者连续顺序来实现期望的结果。其他实施方式可以落入下述权利要求书的范围内。

Claims (27)

1.一种由包括计算机数字控制CNC机器的系统实施的方法，所述方法包括以下步骤：

由所述CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成包括图案的图像，所述图案对应于材料的预期的最终外观，所述图案布置在第一位置处；

基于所述图像的至少一部分生成一组机器指令，所述一组机器指令用于控制所述CNC机器在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现对应于所述图案的至少一部分的变化，所述一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成；以及

执行来自所述一组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述变化的至少一部分，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述CNC机器耦合的电磁能量源，所述电磁能量源被配置为在所述第二位置对所述材料实现所述变化。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括：

分析所述图像，以识别所述材料的一个或多个特征；

分析所述图像，以独立于所述材料的所述一个或多个特征识别所述图案；以及

至少基于所述图案生成所述一组机器指令以使所述CNC机器对所述材料实现所述变化。

3.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其中，所述第一位置和所述第二位置在所述材料上，并且其中，所述电磁能量源至少基于包括所述图案的所述图像来跟踪所述材料上的所述图案。

4.根据权利要求1至2中任意一项所述的方法，其中，所述材料是第二材料，并且其中，所述图案布置在与所述第二材料分离的第一材料上的第一位置处。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的方法，还包括：

通过执行去失真、去扭曲、校正照明效果、所述CNC机器的壳体内的照明的调节或阈值化中的一个或多个来校正所述图像。

6.根据权利要求1至5中任意一项所述的方法，其中，所述相机被定位为捕获所述CNC机器的材料床的全部，并且其中，所述材料至少部分布置在所述材料床上。

7.一种由包括计算机数字控制CNC机器的系统实施的方法，所述方法包括以下步骤：

由所述CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成包括图案的图像，所述图案对应于材料的预期的最终外观，所述图案布置在第一位置处；

基于所述图像的至少一部分生成第一组机器指令，所述第一组机器指令用于控制所述CNC机器在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现对应于所述图案的至少一部分的第一变化，所述第一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成；

组合所述第一组机器指令与第二组机器指令，以生成第三组机器指令，所述第二组机器指令用于控制所述CNC机器实现所述材料的第二变化；以及

执行来自所述第三组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述第二变化，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述计算机数字控制机器耦合的电磁能量源，并且所述电磁能量源被配置为将所述第一变化和所述第二变化直接实现到所述材料上。

8.一种由包括计算机数字控制CNC机器的系统实施的方法，所述方法包括以下步骤：

由所述CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成设置在所述CNC机器内部的材料的第一图像；

基于包括设置在第一位置的图案的第二图像的至少一部分生成用于控制所述CNC机器实现材料的变化的一组机器指令的至少一部分，所述变化对应于所述图案的至少一部分，所述一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成，所述变化在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现，并且所述第二位置至少基于所述第一图像而确定；以及

执行来自所述一组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述变化，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述CNC机器耦合的电磁能量源，并且所述电磁能量源被配置为将所述变化在所述第二位置直接实现到所述材料上。

9.根据权利要求8所述的方法，还包括以下步骤：

在显示器处生成所述变化在所述材料上的虚拟叠加，所述变化与包括在所述第二图像中的所述图案的所述至少一部分对应；以及

响应于用户生成的输入，修改所述虚拟叠加，所述修改包括调整所述图案的至少所述部分的大小、位置或取向。

10.一种系统，所述系统包括：

计算机数字控制CNC机器；

至少一个处理器；

非暂时性计算机可读介质；和

存储在所述非暂时性计算机可读介质上的程序指令，所述程序指令能够由所述至少一个处理器执行使得所述系统被配置为：

由所述CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成包括图案的图像，所述图案对应于材料的预期的最终外观，所述图案布置在第一位置处；

基于所述图像的至少一部分生成一组机器指令，所述一组机器指令用于控制所述CNC机器在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现对应于所述图案的至少一部分的变化，所述一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成；以及

执行来自所述一组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述变化的至少一部分，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述CNC机器耦合的电磁能量源，所述电磁能量源被配置为在所述第二位置处对所述材料实现所述变化。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述变换包括：

分析所述图像，以识别所述材料的一个或多个特征；

分析所述图像，以独立于所述材料的所述一个或多个特征识别所述图案；以及

至少基于所述图案生成所述一组机器指令以使所述CNC机器对所述材料实现所述变化。

12.根据权利要求10至11中任意一项所述的系统，其中，所述第一位置和所述第二位置在所述材料上，并且其中，所述电磁能量源至少基于包括所述图案的所述图像来跟踪所述材料上的所述图案。

13.根据权利要求10至11中任意一项所述的系统，其中，所述材料是第二材料，并且其中，所述图案布置在与所述第二材料分离的第一材料上的第一位置处。

14.根据权利要求10至13中任意一项所述的系统，还包括：通过执行去失真、去扭曲、校正照明效果、所述CNC机器的壳体内的照明的调节或阈值化中的一个或多个来校正所述图像。

15.根据权利要求10至14中任意一项所述的系统，其中，所述相机被定位为捕获所述CNC机器的材料床的全部，并且其中，所述材料至少部分布置在所述材料床上。

16.一种系统，所述系统包括：

计算机数字控制CNC机器；

至少一个处理器；

非暂时性计算机可读介质；和

存储在所述非暂时性计算机可读介质上的程序指令，所述程序指令能够由所述至少一个处理器执行使得所述系统被配置为：

由所述CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成包括图案的图像，所述图案对应于材料的预期的最终外观，所述图案布置在第一位置处；

基于所述图像的至少一部分生成用于控制所述CNC机器在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现对应于所述图案的至少一部分的第一变化的第一组机器指令的至少一部分，所述第一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成；

组合所述第一组机器指令与第二组机器指令，以生成第三组机器指令，所述第二组机器指令用于控制所述CNC机器实现所述材料的第二变化；以及

执行来自所述第三组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述第一变化和所述第二变化，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述计算机数字控制机器耦合的电磁能量源，并且所述电磁能量源被配置为将所述第一变化和所述第二变化直接实现到所述材料上。

17.一种系统，所述系统包括：

计算机数字控制CNC机器；

至少一个处理器；

非暂时性计算机可读介质；和

存储在所述非暂时性计算机可读介质上的程序指令，所述程序指令能够由所述至少一个处理器执行使得所述系统被配置为：

由所述CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成设置在所述CNC机器内部的材料的第一图像；

基于包括设置在第一位置的图案的第二图像的至少一部分生成用于控制所述CNC机器实现材料的变化的一组机器指令的至少一部分，所述变化对应于所述图案的至少一部分，所述一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成，所述变化在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现，并且所述第二位置至少基于所述第一图像而确定；以及

执行来自所述一组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述变化，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述CNC机器耦合的电磁能量源，并且所述电磁能量源被配置为将所述变化在所述第二位置直接实现到所述材料上。

18.根据权利要求17所述的系统，还包括：

在显示器处生成所述变化在所述材料上的虚拟叠加，所述变化与包括在所述第二图像中的所述图案的所述至少一部分对应；以及

响应于用户生成的输入，修改所述虚拟叠加，所述修改包括调整所述图案的至少所述部分的大小、位置或取向。

19.一种非暂时性计算机可读介质，其中，所述非暂时性计算机可读介质提供有程序指令，所述程序指令在由至少一个处理器执行时使系统：

由计算机数字控制CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成包括图案的图像，所述图案对应于材料的预期的最终外观，所述图案布置在第一位置处；

基于所述图像的至少一部分生成一组机器指令，所述一组机器指令用于控制所述CNC机器在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现对应于所述图案的至少一部分的变化，所述一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成；以及

执行来自所述一组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述变化的至少一部分，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述CNC机器耦合的电磁能量源，所述电磁能量源被配置为在所述第二位置对所述材料实现所述变化。

20.一种非暂时性计算机可读介质，其中，所述非暂时性计算机可读介质提供有程序指令，所述程序指令在由至少一个处理器执行时使系统：

由计算机数字控制CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机，生成包括图案的图像，所述图案对应于材料的预期的最终外观，所述图案布置在第一位置处；

基于所述图像的至少一部分生成用于控制所述CNC机器在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现对应于所述图案的至少一部分的第一变化的第一组机器指令的至少一部分，所述第一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成；

组合所述第一组机器指令与第二组机器指令，以生成第三组机器指令，所述第二组机器指令用于控制所述CNC机器实现所述材料的第二变化；以及

执行来自所述第三组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述第一变化和所述第二变化，所述执行包括根据所述至少一个机器指令，操作与所述计算机数字控制机器耦合的电磁能量源，并且所述电磁能量源被配置为将所述第一变化和所述第二变化直接实现到所述材料上。

21.一种非暂时性计算机可读介质，其中，所述非暂时性计算机可读介质提供有程序指令，所述程序指令在由至少一个处理器执行时使系统：

由计算机数字控制CNC机器的具有所述CNC机器的内部部分的视图的相机生成设置在所述CNC机器内部的材料的第一图像；

基于包括设置在第一位置的图案的第二图像的至少一部分生成用于控制所述CNC机器实现材料的变化的一组机器指令的至少一部分，所述变化对应于所述图案的至少一部分，所述一组机器指令在不用与一个或多个预先存在的机器指令关联的设计代替所述图案的任何部分的情况下生成，所述变化在所述材料上与所述第一位置不同的第二位置处实现，并且所述第二位置至少基于所述第一图像而确定；以及

执行来自所述一组机器指令的至少一个机器指令，以控制所述CNC机器实现所述变化，所述执行包括根据所述至少一个机器指令操作与所述CNC机器耦合的电磁能量源，并且所述电磁能量源被配置为将所述变化在所述第二位置直接实现到所述材料上。

22.一种方法，所述方法包括：

将来自光束源的光束向下朝向至少部分地包含在计算机数字控制CNC机器的内部空间内的材料的表面引导，所述CNC机器被配置为通过发射器传送能够导致所述材料的一个或多个变化的电磁能量，所述光束相对于所述材料的表面以预定角度定向，使得所述光束在所述材料的表面上产生被照亮的光斑，所述被照亮的光斑从所述光束源正下方的预定位置移位开水平距离，其中，所述光束源和所述发射器设置在所述CNC机器的内部空间内的可移动头部上；

通过至少一个相机生成所述材料的表面上的区域的图像，所述图像捕获所述被照亮的光斑；

基于所述图像确定从所述被照亮的光斑到所述预定位置的所述水平距离；

至少基于所确定的水平距离和所述预定角度确定所述材料的表面的高度；和

至少基于所述材料的表面的所确定的高度相对于所述发射器移动所述可移动头部的一个或多个光学元件，从而调整电磁能量的聚焦。

23.一种系统，所述系统包括：

至少一个处理器；

至少一个非暂时性计算机可读介质；和

存储在所述非暂时性计算机可读介质上的程序指令，所述程序指令在由所述至少一个处理器执行时使所述系统执行操作，所述操作包括：

将来自光束源的光束向下朝向至少部分地包含在计算机数字控制CNC机器的内部空间内的材料的表面引导，所述CNC机器被配置为通过发射器传送能够导致所述材料的一个或多个变化的电磁能量，所述光束相对于所述材料的表面以预定角度定向，使得所述光束在所述材料的表面上产生被照亮的光斑，所述被照亮的光斑从所述光束源正下方的预定位置移位开水平距离，其中，所述光束源和所述发射器设置在所述CNC机器的内部空间内的可移动头部上；

通过至少一个相机生成所述材料的表面上的区域的图像，所述图像捕获所述被照亮的光斑；

基于所述图像确定从所述被照亮的光斑到所述预定位置的所述水平距离；

至少基于所确定的水平距离和所述预定角度确定所述材料的表面的高度；和

至少基于所述材料的表面的所确定的高度相对于所述发射器移动所述可移动头部的一个或多个光学元件，从而调整电磁能量的聚焦。

24.一种非暂时性计算机可读介质，其中，所述非暂时性计算机可读介质提供有程序指令，所述程序指令在由至少一个处理器执行时使系统执行操作，所述操作包括：

将来自光束源的光束向下朝向至少部分地包含在计算机数字控制CNC机器的内部空间内的材料的表面引导，所述CNC机器被配置为通过发射器传送能够导致所述材料的一个或多个变化的电磁能量，所述光束相对于所述材料的表面以预定角度定向，使得所述光束在所述材料的表面上产生被照亮的光斑，所述被照亮的光斑从所述光束源正下方的预定位置移位开水平距离，其中，所述光束源和所述发射器设置在所述CNC机器的内部空间内的可移动头部上；

通过至少一个相机生成所述材料的表面上的区域的图像，所述图像捕获所述被照亮的光斑；

基于所述图像确定从所述被照亮的光斑到所述预定位置的所述水平距离；

至少基于所确定的水平距离和所述预定角度确定所述材料的表面的高度；和

至少基于所述材料的表面的所确定的高度相对于所述发射器移动所述可移动头部的一个或多个光学元件，从而调整电磁能量的聚焦。

25.一种方法，所述方法包括：

在计算机数字控制CNC机器的内部空间的第一位置处，通过耦接到所述CNC机器的可移动门架的相机生成包括所述内部空间内部的工作区域的第一部分的第一图像，其中，所述CNC机器包括被配置为传送电磁能量的头部，所述头部耦接到所述门架；

使所述门架将所述相机移动到所述内部空间内的第二位置；

在使所述门架将所述相机移动到所述第二位置之后，通过所述相机生成包括所述工作区域的第二部分的第二图像；

通过至少组合所述第一图像和所述第二图像而生成第三图像，所述第三图像是二维的，所述第三图像被生成为包括所述第一图像的至少第一部分和所述第二图像的至少第二部分；

其中，生成所述第三图像包括至少拼接所述第一图像和所述第二图像，并且其中，所述第三图像包括所述工作区域的比所述第一图像或所述第二图像中的任一者大的部分；和

使用户界面显示所述第三图像。

26.一种系统，所述系统包括：

至少一个数据处理器；

至少一个非暂时性计算机可读介质；和

存储在所述非暂时性计算机可读介质上的程序指令，所述程序指令能够由所述至少一个处理器执行使得所述系统被配置为：

在计算机数字控制CNC机器的内部空间的第一位置处，通过耦接到所述CNC机器的可移动门架的相机生成包括所述内部空间内部的工作区域的第一部分的第一图像，其中，所述CNC机器包括被配置为传送电磁能量的头部，所述头部耦接到所述门架；

使所述门架将所述相机移动到所述内部空间内的第二位置；

在使所述门架将所述相机移动到所述第二位置之后，通过所述相机生成包括所述工作区域的第二部分的第二图像；

通过至少组合所述第一图像和所述第二图像而生成第三图像，所述第三图像是二维的，所述第三图像被生成为包括所述第一图像的至少第一部分和所述第二图像的至少第二部分；

其中，生成所述第三图像包括至少拼接所述第一图像和所述第二图像，并且其中，所述第三图像包括所述工作区域的比所述第一图像或所述第二图像中的任一者大的部分；和

使用户界面显示所述第三图像。

27.一种非暂时性计算机可读介质，其中，所述非暂时性计算机可读介质存储程序指令，所述程序指令在由至少一个处理器执行时使系统：

在计算机数字控制CNC机器的内部空间的第一位置处，通过耦接到所述CNC机器的可移动门架的相机生成包括所述内部空间内部的工作区域的第一部分的第一图像，其中，所述CNC机器包括被配置为传送电磁能量的头部，所述头部耦接到所述门架；

使所述门架将所述相机移动到所述内部空间内的第二位置；

在使所述门架将所述相机移动到所述第二位置之后，通过所述相机生成包括所述工作区域的第二部分的第二图像；

通过至少组合所述第一图像和所述第二图像而生成第三图像，所述第三图像是二维的，所述第三图像被生成为包括所述第一图像的至少第一部分和所述第二图像的至少第二部分；

其中，生成所述第三图像包括至少拼接所述第一图像和所述第二图像，并且其中，所述第三图像包括所述工作区域的比所述第一图像或所述第二图像中的任一者大的部分；和

使用户界面显示所述第三图像。