CN1599890A - 用于切割连续片材流中预设形状的系统 - Google Patents

用于切割连续片材流中预设形状的系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种能够通过用图象系统(12)确定片材(10)中的一个或多个基准(F，F2…)的位置，切割出预设于移动片材(10)中的形状(S)的方法和设备。基准(F，F2…)对应预设形状(S)的图案(P)；切割系统(11)相对于定位的一个或多个基准(F，F2…)叠加图案(P)，以便切割出预设形状(S)，同时图象系统(12)以并行方式确定移动片材(10)中随后的一个或多个基准(F，F2…)的位置。连续重复切割和确定随后基准(F，F2…)的并行过程，优选地，采用两个或多个基准(F，F2…)，在进行精确重叠图案(P)和扭曲的切割前，检测扭曲并重新绘制图案(P)。

Description

用于切割连续片材流中预设形状的系统 相关申请的交叉引证
本申请是于2001年12月10申请的、申请号为60/337,151的美国临时申请的正式申请，这里通过引证而结合其全部内容。
发明领域
本发明涉及一种用于切割移动片材中预设形状的图象设备和切割设备。特别是，当材料通过时，图象系统识别已知几何预设形状的关联基准，并且控制器命令切割系统精确地切割几何形状。
发明背景
现有的方法是使有限长度的普通材料前移而进入切割区中，当材料固定时，移动附近X-Y定位装置上的激光束，以便从材料上切割图案。数字控制式定位装置使激光束在材料上定位以响应预定已知图案。一旦切割了图案，则传送带前进以排出所切割的图案，并将新材料带入切割区。
在公开日为1991年11月11日的CA2,016,554中公开了一种方法，通过在使材料于传送带上移动而连续通过激光切割区的同时进行激光切割，该方法部分实现了提高切割图案的产量的目的。该“移动切割式(cut-on-the-fly)”方法避免了从切割区装载和卸载材料的过程，并应用了激光切割头同时沿移动材料轴线以及材料横向的有效移动。在2001年9月25日公布的加拿大艾伯塔省埃德蒙顿市莱森特技术有限公司的US6,294,755B1中，公开了通过将路径离散成几何移动最大程度地缩短沿连续路径移动激光所需的时间，进一步最优化和提高了切割材料产量，其成对连接而最大程度减少定位装置的停止和移动。此外，对每个离散移动进行速度范围分析，并对其调节而进行重叠，以便适应由此通过的连续速度曲线。
上述技术基于基本均匀的材料，图案仅产生于切刀的数字存储器中。换句话说，能够在基本连续移动材料上的任何地方实施图案。但是，在某些情况下，要求确定形状的位置并切出形状，该形状已经印刷或预设在材料中。在切割出形状或图案时，涉及多种难题，其中这些形状或图案在移动材料中的坐标是不变的，包括：确定开始切割的位置，和沿形状的预定切割线或在其一定公差内的切割。在材料基本连续移动的情况下，上述难题更加突出，材料会从切割开始到切割结束时产生歪斜。
在服装业和家具业中，已知要为以后的组装而切割设有图案的材料。在这种情况下，已知有限数量的开始位置。Bercaits的US5,975,743中和Loriot的US4905159公开了这样的技术。已知该现有技术使用图象系统，可以利用该图象系统确定开始点的位置，但是，通过切刀设置该图象系统照相机的日期，因此仅能够连续地应用；在仔细限定的区域内搜索以便确定开始点的位置，接着重置而开始切割过程。另一切割形状的方法是采用识别标记预先标出形状的边界或切割线，接着用切刀跟踪标记。就申请人所知，不能以令人满意的方式从移动片材上切割预设形状。
申请人看不出上述技术获得了高精度、更高产量和操作更复杂的材料。
发明概述
在有些情况下，要求切割出预设在片材中的形状。片材的特性是：作为制造过程如织造过程的结果或随后处理中，预设形状会扭曲。扭曲的特性和程度能够沿形状的长度和沿片材的长度改变。因此，仅期望形状具有在片材的特定相对位置处的预定图案。此外，为了使过程加快，材料能够基本连续移动通过切割系统。众所周知的现有技术方法是从一片空白材料的任何地方切割已知图案。但是，对于预设在材料中的形状，必须在相应处切割图案，并且在片材上预设相应形状的坐标。
在一个实施例中，图象系统适合移动切割式切割系统，其中当图象系统观察或扫描由此通过的片材以确定片材中关联至少一个形状的一个或多个基准的位置时，切割系统根据预先定位的基准同时切割出形状，无论其是相同形状还是其它形状。每个形状预设在片材中，并关联已知几何形状或图案和基准。已知球坐标系中的基准，如关联切割系统的球坐标系。当片材通过时，相对于片材中相应预设形状的基准的坐标，切割已知图案。同样地，图象系统和移动切割式切割系统能够相继并连续在片材的固定床上移动。
为了使切割图案与每个预设形状的实际位置匹配，在一个实施例中，固定图象系统观察在其下方移过的片材，以确定第一基准的位置，当找到第一基准时，确定其相关的切割系统的球坐标。控制器确定图案相关的与其重叠的第一基准的位置。因此，能够如该现有技术中那样方便地切割出在片材中以非规则间隔呈现的或者沿坐标X或Y移动的预设形状，现有技术中的图案根本不固定在材料中，或者图案以预定方式在预定间隔呈现。
当图象系统继续确定随后基准的位置时，切割系统同时切割出具有事先定位的或在先的基准的相应预设形状。
在其它情况下，至少形状的第二基准或每个形状设置在材料中。图象系统扫描其视野内的材料的第一基准和附加基准，当找到每个基准时，系统确定其球坐标。根据形状的已知几何形状或图案，控制器预期应该以由第一基准预定增长的坐标发现第二或更多数量的基准。调整图案以表明片材和和形状的任何明显扭曲。一种调整可以包括线性伸长以表明比图案中预定几何图案短的形状或长的形状。另一调整形式包括调整旋转(材料歪斜)的片材中的形状和形状自身内部扭曲的形状(材料呈弓形或歪斜)。
在另一实施例中，通过改变移动切割命令，保持或提高效率。这样的情况包括重新绘制图案以表明扭曲，或修改、省略或略过切割片材的一套形状中的多个预设形状之一。可以略过占据带裂缝或有其它缺陷的材料片的预设形状。特殊基准可以标记带裂缝的预设形状。在图象系统和切割系统之间，可以使切割路径和用于传送带和激光切刀定位装置的运动廓形最优化，以便最大程度减小干扯，最大程度减小移动数量，重新计算切刀咬切中的切割路径，并略过而另外修改有裂缝的形状，节省重要的定位装置时间。
可以根据环境实时计算切割线路径和进行运动控制。在将已知几何形状或图案直接应用于材料的形状中，“糕点切割机”的情况，可以通过图案相对于预设形状的识别基准的重叠以简单方式应用图案，并接着切割片材。在这样的情况下，可以选择使用定位装置运动控制的预定切割路径和预定廓形以及片材的传送带。在另一种情况下，为形状确定至少两个基准的位置，接着可确定旋转或伸长，能够将形状的坐标重新绘制成新的图案而不影响切割线路径。通常，重新计算运动廓形。在其它情况下，如已经通过使用多个基准检测弓形和歪斜的极个别情况，接着可不再最优化切割线路径来促进切割路径和运动廓形的调整。
因此总体上说，提供一种切割出预设在片材中的至少一个形状的方法，至少一个预设形状中的每个形状具有呈预定几何形状的图案和具有至少一个基准，至少一个基准中的每个基准与图案中的预定坐标关联，包括：确定相对于图象系统和切割系统移动的片材中的一个或多个在先基准的位置；根据一个或多个在先基准切割预设形状，同时确定移动片材中的一个或多个随后基准；并且继续重复进行切割和确定一个或多个随后基准位置的并行过程。
总体上看，可以采用一种设备实现上述方法，该设备包括：移动切割式切割系统，用于切割片材中的图案，切割系统在球坐标中是已知的；图象系统，用于确定片材中符合图案中预定坐标的至少一个基准的球坐标位置；结构，用于连续影响片材与图象系统和切割系统之间的相对移动；装置，用于建立球坐标中所述相对移动的测量；以及控制器，用于叠加具有定位的至少第一基准的图案，从而使切割系统以并行方式切割预设形状的图案，同时图象系统确定片材中随后至少一个基准的球坐标的位置。
这里公开的设备和方法可应用于任何可以快速移动预定形状的工具。材料中的该形状可以整体结合到材料之中或放置在材料之上。这里提到的“之中(into)”和“之上(onto)”是同义词，一个或另一个单独使用以避免重复每种情况下的每个实施例，但是并不有意限于一个或另一个。“之中”的一个实例是替代或包括或叠加标记线到片材之中。“之上”的一个实例是印刷标记在材料的表面之上；这样的标记为图象系统提供识别反馈包括对比、磁性和放射性同位元素。
附图简要说明
图1是从移动片材上切割预设形状的一个系统实施例的流程图和相应示意图；
图2a、2b分别是与激光切刀切割系统合作的图象系统的俯视图和侧视图；
图3是嵌套在片材中的预设形状的平面图，图中夸张地表示了各种问题；
图4a和4b是表示几个未扭曲矩形和一些基准选项的平面图；
图5a和5b是表示两个单独预设形状的平面图，两个预设形状具有相同图案和形状，但是在片材上横向相对移动；
图6是表示由理想图案(点划线)旋转的但是不扭曲的形状的平面图；
图7a和7b是表示两单独预设形状的平面图，其中第一预设形状不扭曲，而第二预设形状通过在片材上增加而沿纵向伸长；
图8a和8b是表示片材中两单独预设形状的平面图，其中第一预设形状不扭曲并具有表示矩形片的叠加栅格，而第二预设形状呈由扭曲片表示的弓形和歪斜状扭曲；
图9a是对比理想图案(点划线)呈弓形和歪斜状扭曲的合成预设形状平面图；
图9b-9d是根据图9a表示关联四个基准的矩形片的平面图，其中图9b表示多个矩形片，图9c表示单个矩形片，图9d表示歪斜矩形片；
图10是切割片材中预设形状的过程的流程图，图中表示了几个选项以适于各种材料移动和扭曲；
图11是本发明一个实施例的透视图，该实施例适于根据Lacent1000实例的商用激光切割系统；
图12是根据图11所示实施例的图象系统的侧视图；
图13是与切割系统合作以调整PMC和CMC运动控制的图象系统的示意图；
图14是图象系统、切割系统及其相应控制器之间的硬件连接的方块流程方块图；以及
图15是用于确定切割线路径和运动控制的一个计算序列的流程图。
实施例详细说明
已经有了从空白片材上切割出已知图案的现有技术。参照图1所示新系统的示意图，其中已经在材料10中印制、织造或预设有形状S，必须在用切割系统11切割出该形状之前确定该形状的位置。预设形状S具有呈预定几何形状的图案P。事先知道并存储每个形状的几何形状图案P。图案与材料中形状S的精确重叠对于最终切割形状S的完整性和验收合格来说是很关键的。采用图象系统12识别片材10中的预设形状S，该图象系统识别材料10的一个或多个特征标记或基准F。基准F的位置建立了预设形状S与图案P之间的几何关系。切割系统、图象系统和片材在球坐标系中任何时候的位置是已知的。因此，接着确定了所应用的并由片材切割的图案相对于识别坐标F的位置。切割系统11的切刀13沿预定图案P切割片材10，图案P是精确定位的并因此叠加在片材的预设形状S上。同时，由于切刀根据事先定位的基准切割形状，因此，其它随后的基准由图象系统来定位。
参照图2a、2b，切割系统11的实施例包括在Bailik的CA2,016,544和Sawatzky等人的US6,294,755中公开的那些切割系统，本申请通过参考而结合其全部内容。如图所示，切割系统11的实施例包括材料摊铺器14，其输送片材通过压紧辊15并输送到循环传送带16上。传送带16支承并传送材料10，使其基本连续地通过切割系统11。切割的材料被传递到堆叠机或其它收集系统(未示)。该机械设备的实际情况和片材中的变化性在于，人们必须在切割前在材料中确定预设形状的位置，即使是已知的，预设形状的几何形状也有时但不总是理想地与该形状图案P的预定几何形状一致。
同样可应用一种系统，其中图象系统和切割系统相继并基本连续地在一片材料上移过。不管材料移过图象和切割系统还是或图象和切割系统移过材料，均通过基本连续相对移动进行切割而提高该系统的效率。这里，与此所述特定设备有关的是，将片材描述成相继移过图象和切割系统。
基准F可以位于横向穿过材料10展开部的任何位置。为了避免有关效率的降低并通过沿材料来回移动搜索基准而满足精度要求，图象系统12是固定的并观察、盯住或扫描由此通过的移动片材10整个横向宽度的纵向增量。片材的有效宽度包括合并基准。如果一个或多个基准的横向位置是已知的，则能够限定和监视关注的一个或多个横向部分或区域，以便减少空中的识别处理。
检测基准F的一些方法包括处理材料的图象并搜寻十字准线基准和明亮的强背景之间的差异对比。其它方法包括通过磁、电磁辐射光谱(可见的或不可见的)和放射性同位素应用和检测基准。其它类型基准标记包括设置于材料中的传感器线，采用电容、测量磁场中变化的被动式系统或者由感应涡电流检测次磁场的主动式“时域”检测器对其进行检测。由上述一些示例中可见，基准F可以置于材料的表面。这里要指出的是，基准可以描述成在片材内或片材上，而并不有意局限于其中任一种情况。只要基准是可识别的，则无论是通过一些表面应用技术应用基准还是将其合并在片材内都不重要。
这里图象系统的标记广义地解释为检测片材10之中或之上基准F的任何系统。简单图象系统包括用于捕捉重叠而且宽的视野的数码相机和镜头以及扫描仪。图象系统顺序扫描片材的有效宽度，在确定移动材料内任何已识别基准的球坐标中，补偿扫描时间和处理时间。但是为了方便起见，并且单单为了有助于说明，这里将图象系统22描述成辨别片材和片材中标记线之间对照差异的常规光和照相机系统。这样的系统实际上同时处理片材的横向宽度。为了标识基准，这里使用的术语观察、扫描和检测的含义是相同的。
参照图3，片材10通常具有其中包括机器可识别基准F的多个预设形状S。可以从片材10的背景识别出基准F，如具有带可识别特征并沿机织材料经向(通常沿着移动方向)和纬向(通常横向)编织的离散“标记线”。有利地进行精确切割的一种片材10是具有特殊设计图案的材料，形状的图案在材料上的安置位置依赖于材料中的设计图案。材料中的另一种预设形状是一片机织织物，其由通过离散点连接起来的两层织物构成。形状S与离散点有关，包括部分或所有形状的内外边界或附近的公差分配。这里的设备和方法实现了每个形状S的精确切割，从而避免接触边界，通常具有公差；另外预设形状S也许通不过切割或随后的质量控制过程。
要理解的是，可以不在片材10上实际标记预设形状S，而是识别其相对于一个或多个基准的几何形状和特征点。此外，不管是否标记，预设形状S是对应预定图案P的形状，并在应用和由材料上切割时可包括公差，如接缝允许量。
图3中示出了一套多个形状S，至少一些是布置在材料10中的预设形状S。该套本身可以组成具有图案P的预设形状S，图案P比单个预设形状S的图案P更广泛。
为了图示说明的目的，已经阐明了形状S中的一些变化，包括想象的严重扭曲。主要的四个预设形状S呈弓形和歪斜状扭曲。第二组预设形状S包括一个带有裂缝的形状。最后一组四个形状S具有非定期比作其它基准的主要基准F。
就Sawatzky等人所知，为切割任何形状，图案的特征在于一连串计算的切割线，沿着这些切割线驱动切刀。可以通过计算这样的移动切割线优化实际的切割。因此，适合预设形状S的可变几何形状是受益于一些系统，这些系统能够实时扫描片材10和识别基准F的系统，同时进行优化计算，以便确定和进行图案P的最优切割。
片材10基本连续移动通过图象和切割系统。在移动的材料10中预设形状S。已经预定和知道理想几何形状的图案P。最终会应用在片材10上的图案P的位置最初是未知的。图象系统12通过识别相关基准的坐标而提供该信息。在定位随后基准时变成前一基准的这一基准能够确定预设形状S。使用另外的随后基准来确定扭曲。根据应用的特殊图案或几何形状，命令切割系统11在何处和何时切割图案P，以便与预设形状S叠加，而与在片材10中的位置无关。移动切割式操作的特性已经适合移动材料10的切割，这里进一步使其能够同时识别基准F并沿由基准指示的坐标来切割图案P。在移动切割式操作中，实时完成大多数的最优化计算，至少响应已知图案P的再定位来平移和旋转坐标。因此，当预设形状S的一个或多个参考坐标或基准是已知时，切割图案P适于被实时应用并被精确切割，而精确叠加在预设材料的相应形状的坐标和几何形状上。
为了能够实时完成移动切割式操作，当片材已经在切割系统的切割区域上移动并移出该切割区域时，不能仅仅在片材10上连续地扫描并随后返回而切割事先已扫描的材料。但是仅受计算能力的限制，每个预设形状定位和切割操作是独立的并且是同时完成的。这样的功能来自于位于切割系统11上游的图象系统12。
设置一些装置，这些装置用于处理图象系统信息，并使信息适于叠加和采用切割系统将图案切割成预设形状。在所示的一个实施例中，图象系统12具有控制器21，用于处理基准识别系统信息，并确定基准F相对于切割系统11的坐标x、y。保持其中图象和切割系统是已知的球坐标系。当片材移过时，其在球坐标系中的坐标也是已知的。编码器与相对于图象和切割系统移动片材的装置相连，当片材在图象系统和切割系统之间的球坐标系中移动时，该编码器提供了片材上的坐标之间的几何关系。控制器21，如计算机执行软件，确定已识别基准F在切割系统11坐标系中的存在和坐标，并连接图象系统12和切割系统11，包括将已识别基准F的信息传递给切割系统11。切割系统11具有其自身的控制器22，用于处理传送带和定位装置移动，以便最终切割片材中预设形状的图案。实际上不需要物理上操作控制器，但是还能够通过统一控制器或监控器对其操纵。
参照图4a、4b，当材料基本连续移过图象系统时，其确定关于形状的基准F或唯一基准序列F’、F”的位置。在图4a中，第一基准F由涉及矩形形状S的圆点表示。在图4b中，显示了一连串交叉线基准F’、F”；顺次的两个可以表示即将来临的形状S、下一基准F或涉及矩形形状S的基准。控制器“图案匹配”已知图案P和识别的基准F。如上所述，通过使图案P定位和与材料中的基准F并接着切割图案P，可以由移动的片材10切割出由控制器获知的图案P，从而精确切割图案预设形状S。如图5a、5b所示，不管是否由前一形状(图5a)在片材上移动成随后的形状(图5b)，基准F相对于形状S本身的位置都是已知的，因此，在切割前使图案适当地就位。
但是实际上，如图6、7a-8b所示，片材10本身能够因机织材料中的残余应力而扭曲，或片材10能够在片材的供给和图象系统之间作另外旋转、伸长或进一步呈弓形或歪斜状的扭曲，所有这些都危害图案和形状覆盖或匹配的理想方案。当前没有第二系统应用于监视进一步扭曲，因此最大程度减小图象系统12和切割系统11之间的进一步扭曲是很有益的。在这种情况下，预定图案P的几何形状不再与扭曲的预设形状S一致，而且能够出现关于切割的匹配误差，除非预定图案改变或被重新绘制成更好遵从扭曲预设形状的实际形态。
可以主要分成以下各种情况：
图5a、5b印模(stamp)：在该方案中，控制器程序根本不需要改变图案P的几何形状。图象系统12仅需要确定材料10上预设形状的对应基准F的位置，叠加图案P并应用图案的切割线作为预设形状S上的覆盖，并在应用印模或糕点切割机时，切割出该形状。
图3、6旋转：在该方案中，程序仅需要通过旋转而改变图案P的几何形状。图象系统需要两个基准F、F2。第一参考基准F将形状固定于图案P，而第二参考基准F2识别由材料10和形状S从图案P的特征点P2旋转和相对于参考基准F的旋转。
图7a、7b伸展和移位：在该方案中，程序仅需要通过沿X、Y或二者进行几何伸展(或压缩)而改变图案P的几何形状。如图7a、7b，采用两个或多个基准F，F2识别纵向伸展，以便限定预设形状的参考长度F-F2，无论其比图案相应坐标F-P2长还是短，都由此实现沿经向或纬向“伸展”图案，并根据需要进行平移。
其它重新绘制的方案可以应用于基于预定算法的全部或部分形状S，以表明不应该被重新绘制的和其它能够被重新绘制的形状的临界区域，。
图8a、8b、9，线性弓形和歪斜：在该方案中，图案P中的一个或多个区域或片由X、Y坐标系中至少三个基准限定。多个三基准形成多个三角形片，多个四基准形成多个矩形片。图象系统确定理想图案P的弓形和歪斜。接着程序仅需要重新绘制由理想图案至重新绘制图案P的图案坐标，重新绘制图案P更好反映了弓形和倾斜区域。重新绘制可以应用于具有两个或多个片的所有或部分形状S。这样的重新绘制过程可以是坐标的简单线性平移或留下一部分，并修改其它部分。如图所示，一个实施例实现由至少四个基准围绕的一个或多个矩形区域或片、两个基准沿X，两个基准沿Y。
内插弓形和歪斜：如前面的线性弓形和歪斜中，和在本方案中，图案P中的区域被限定成如通过至少沿X的两个基准和沿Y的两个基准围绕的矩形片。一旦图象系统确定弓形和歪斜，则通过采用N次多项式的插值而校正图案P的坐标，从而使所有点的切割变平滑。
因此在操作中，参考图10的方块B1，确定图象系统12和切割系统11之间的相对几何关系，以便将片材10、图象系统12和切割系统11放置在球坐标系中。
图象系统12定位在切割系统11上游的已知坐标X、Y。已知传送带16的速度特性。实现基准F在原始点的坐标与切割系统11的实际切刀13之间的校准。这样的校准通常是根据要求如在一卷片材10的开始处预先确定的。识别原点，并且操作员前移片材直到原点真实地定位于切刀下。然后获知球坐标系中所有相对坐标。接着能够根据图案开始切割，随后大体连续地同时根据基准的位置进行切割。
图案具有预定的坐标，这些坐标在过程开始于方块A1、B1之前，通常是已知的。采用该图案，能够在方块A2计算适于切割系统的切割线和咬切。在方块A3能够计算运动轮廓。切割线和运动轮廓可需要或不需要移动式改变。
使传送带16运转，开始进行基准和切割形状的同时定位过程。在方块B2，图象系统12基本连续观察由此穿过的片材10宽度，以便搜寻一个或多个基准F，F2…。选择其中出现有基准的有效宽度，该有效宽度通常稍微小于片材整个横向宽度。如本领域的技术人员已知的那样，可以应用各种规则确定是否在方块B3由图象系统12识别的坐标限定为包括固有视频检测阈值的基准。为了最大程度减小间接处理，并最大程度减小假正性(false positive)的影响，可以命令图象系统只观察横向宽度的子集，使其影响限于一个或多个关注区域。
将每个基准的球坐标x、y传递给装置以便在方块B5比较图案和基准。图象系统12同时识别和确定基准坐标，而不管下游的活动，如切割系统11的操作。为了方便起见和分摊计算负担，图象系统12的控制器21处理如坐标x、y的数据，其独立于通过切割系统11执行的控制器22处理指令。
片材10移动，因此基准F，F2的坐标也移动。采用各种计算技术中任一种技术，包括移动坐标列或时间和空间计算，追踪切割系统11的球坐标系中的基准F，F2…。
在方块B6、B7、B8，用最少的一个基准F确定形状S的位置，而且能够适于采用一个或多个基准F，F2，F3…校正形状的扭曲。通过使识别的基准F与图案P的数字模板匹配并接着按要求对图案的几何形状作出调整，移动式实现该调整，以便使预设形状S的切割达到要求精度。
在方块B8的最简单执行中，找到一个基准F，接着获知预设形状的位置，在方块B14，相对于基准F位置应用相应的图案，以便切割预设形状S。如果需要平移，则可以在方块11重新计算运动廓形。
在其它执行中，图案的特征在于两个或多个基准F，F2。在这些实施例中，可以应用附加的方法来适应偏离如上所述图案的理想或预定几何形状的扭曲。
在方块B7，图象系统12识别了已知图案的第一基准F，并确定片材中预设形状S的位置。图象系统识别并报告至少一个附加基准F2，控制器将其与图案P比较以识别任何扭曲特性。如果发现了扭曲，则在方块14进行扭曲预设形状的切割前，根据扭曲的特性重新绘制图案P。
在方块14，根据一个或多个在先基准切割预设形状S。最初限定或重新绘制的图案根据应用于基准球坐标的图案预定坐标叠加在片材上。当切割系统11根据在先基准继续操作时，图象系统12同时确定移动片材中一个或多个随后基准的位置。
通常方块11重新计算运动廓形。根据扭曲的程度，还需要重新计算切割线或路径，以便以最佳方式驱动切割系统11。能够提供足够的扭曲信息并因此重新计算切割线的好处的一种情况是弓形和歪斜方案。
在方块B9，通常受图案复杂性的驱使，图象系统期望查找限定多个片的多个附加基准F2，F3……Fn。使扭曲离散和反应在每个片的扭曲中。通过重新绘制每个片而重新绘制扭曲的形状。接着，在进行方框14的切割扭曲预设形状之前，可以在方块B10重新计算切割线路径，并在方块11重新计算运动廓形。
片的使用实现在形状内的可变重新绘制。三角形片由三基准/片限定，相邻三角形片共用两个基准。因此，两个或多个片需要2+1n个基准，其中n表示片数。同样，三角形片需要2+2n个基准。可以使用其它多边形片。可以根据片几何形状和要求重新绘制的类型，使用各种重新绘制算法。在简单情况下，理想片可以是矩形(x0，y0-x3，y3)，其可以扭曲成四边形(x’0，y’0-x’3，y’3)。每个片可以具有相同或唯一的绘制函数。在这种情况下，每个点由矩形平移到非矩形片。在线性弓形和歪斜分析中，一种绘制函数可以是x’＝Ax+By+Cxy+D和y’＝Ex+Fy+Gxy+H。可以写成四个未知数的四个方程式，并解出A、B、C、D。同样，可以解出E、F、G、H。作一些假设而简化该解法。
如图9a-9d所示，对于多个矩形片，相邻片包括具有相同x坐标的成对基准和具有相同y坐标的成对基准。另外，可以假设第一片的原始基准x0，y0与扭曲片x’0，y’0是相同的。考虑到是移动式切割，将咬切边界布置在片边界上很有用。
参照图11，记住这些基本的原则，在实际图示的实施例中，切割系统11可包括由加拿大艾伯塔省埃德蒙顿市的莱森特技术有限公司提供的标准激光切刀，型号为Lacent 1000，其结构和操作如US6,294,755公开的内容所述。在US6,294,755中阐明的设备的变化中，切割系统装备有Rofin-Sinar 100瓦的密封激光。Lacent 1000的切刀定位系统能够以高达1500毫米/秒的速度进行平移，精度高于1/2毫米。用定位装置运动控制器(PMC或PMAC)控制携带激光切刀的定位装置。传送带的床体能够以高达130毫米/秒的速度平移。用传送带运动控制器(CMC)控制传送带16。加工好的片材的最大宽度为2.4米，通常在重量高达1400Kg的辊上送出。
如图2a、2b和12所示，切割系统11适于采用基于照相机的图象系统12，该图象系统12能够对比检测达六个基准标记，这些标记在2.6米的有效材料宽度上横向隔开。图象系统包括一排四个照相机30，30，30，30，每个照相机覆盖大约0.65×0.5米的区域。一串四个照相机因此覆盖的区域为2.6米的有效宽度×0.5米长。特殊的平稳低维护照明通过提供无闪光照明而辅助照相机和图象处理系统。
当片材10基本连续移动时，系统13以高于2mm的精度确定每个基准F的位置，但是不必均匀地位于其下而进入切割系统的切割区域。采用照相机30，如Sony提供的具有600×800象素分辨率和非隔行扫描式60Hz捕获率的照相机，传送带的速度为5英寸/秒(130毫米/秒)，运动模糊优于1英寸(2mm)的1/12。如所示实施例所阐明的，已经发现宽度达2.6米并以130毫米/秒的速度移动的预设形状可以顺着图案的10毫米缝允许量精确地移动。
六组横向隔开基准可以处理成随以高达130毫米/秒速度移动的材料移动每1/2米。这为每个预设形状提供超过一个基准，使系统补偿“弓形和歪斜状”方案。仅受实例Lacent 1000切割系统的实际尺寸限制，图案的长度可达3米。采用本系统的片材顺利切割包括布重为700克/米2(20.7盎司)硅涂层尼龙。
图象系统能够检测、辨别或识别并确定材料中的一个或多个基准的坐标。如图所示，当片材10在图象系统12下通过时，可以确定6个一组的横坐标，并检测随后的坐标组。图象系统12独立处理来自Lacent1000激光切割系统的输入数据。图象系统检测放置在片材上或片材中的十字准线基准F。在切割系统11的坐标系中，已知片材10上基准的离散坐标。当材料经过图象系统时，时常接收材料位置指示，并匹配识别的基准。为方便操作者，系统编码器与奔腾式计算机连接，以便提供位置指示，其出现在图象系统的监视窗中。48比特编码器能够提供4000脉冲/英寸的光绝缘差动0-5V正交信号，其在5”/s是20000脉冲/秒。基准坐标还作为数字串经RS-422串行通信接口传送给切割程序。提供定时选通脉冲以便提供达毫秒的同步精度，及时显示位置和坐标有效的瞬间。
照明和照相机30安装在切割系统11的切割区域上游并靠近该切割区域。来自照相机组30，30，30，30的图象由图象处理系统进行处理。图象处理系统通过接口如奔腾式(英特尔公司)计算机连接操作。图象系统软件能够实时操作，使材料以高达130毫米/秒的连续变化速度连续运动。
参照图13，图象系统的照相机是可移动的，并在片材通过时观察其有效宽度。图象系统由视频执行程序控制，该程序经RS-422链接接收来自图象系统的基准信息，接着管理一列中的一个或多个基准。通过将基准信息匹配图案的数字模板而分析每个基准。通过信息交换和合作，图象系统和切割系统必然重新绘制图案几何形状并计算新的切割线，以命令定位装置PMC和移动的传送带CMC。多个基准能够检测片材中的扭曲。
如图14所示，图象系统12包括照相机30和照明装置31，它们通过接口连接视频控制器21。图象系统12与切割系统11的联系还体现在几方面：接收并保持切割系统编码器和可能接收修正或由此重置信息之间的关系；以及与切割系统控制器22相联，以便提供基准坐标信息。切割系统通过编码器和运动控制器保持控制球坐标系中材料和预设形状的实时移动。
可将图象系统12调整到分辨片材的基本特性以便适于不同基准，并且从视频背景噪声中分辨出基准。
预设形状S的已知图案P存储于计算机系统的存储器中，该计算机系统操作合适程序，以便完成切割线的实时最优化，并完成图案坐标的平移和旋转。图案通常存储关于原点的矢量文件，如AutoCAD绘图文件或绘图交换格式(DXF)文件。图象系统捕捉和分析由至少一个照相机拍摄的图象。照相机连接完成检测分析的计算机系统。照相机30的坐标处于相对于激光切割系统11的参考标架中。因此，已知在切割系统11的切刀13坐标系统中的已定位基准F。
因此，切割系统11正在切割连续片材流10中事先定位的预设形状时，图象系统12同时确定下一形状S的参考坐标。每次形状在图象系统下通过，则针对正接近的形状的球坐标更新切割系统。
在第一次操作之前通常校准该实施例：操作者首先向着图象系统12移动片材并验证每个第一基准或由此识别的原点标记的位置。在第一种情况下，可以要求遗漏或意料之外基准的误差处理和操作者的交互作用。操作者确认基准的已识别坐标为标度原点。传送带和片材向着切割系统11移动，以便使原点与切刀13对准。
系统识别便于存储在计算机辅助绘图CAD文件中的“图案”和有关基准信息，如CAD程序AutoCAD的输出，由加拿大Cupertino的Autodesk公司提供，呈AutoCad DXF格式。程序“Linc”用于处理已知的图案几何形状，并进一步：由DXF文件输入图案和基准信息；输出图案基准位置；输出所有切割线矢量的关联图案信息；接受每个图案的材料类型；并在PMAC和CMC中插入偏移修正码。
监控运动控制器以现有技术的方式运行，以便进行与材料无关的图案切割，或者以视频方式运行，其应用注意材料中预设形状的本发明设备和方法。在视频方式中，运动控制器管理着操作的许多方面，包括：跟踪图象系统的偏移；命令图象系统使用何种材料类型廓形；接受由图象系统主动提供的基准；连续使基准与图案的数字模板匹配；重新绘制或调整每个图案并将重新绘制的图案下载到PMAC；为PMAC的下载计算调节的标记长度；允许操作者指示涉及最初或误差的标记原点，以便产生基准图；以及允许各种操作者反馈能力。
如上所述以及如Sawatzky等人的US6,294,755详细公开的内容所述，通过优化刀具的移动包括高速度和加速，提高了产量，因此刀具的X-Y定位装置必须能够进行高速而精确的移动。
通常已经在嵌套(nest)中预设置图案P的部分(图3)。嵌套是成组布置的多个形状，以便最大程度减小材料浪费。确定咬切长度或宽度，其随机器而定，通常小于嵌套的长度。必须计算咬切，因为图案P或嵌套的纵向长度可以不适应切割系统11的切割区域内。咬切大约是系统11切割区域纵向长度的1/2长。例如44英寸(in.)切割区可以仅提供22英寸咬切。
数字运动控制器和计算机处理该切割系统的X1、X2和Y定位装置编码器和传送带移动信息。计算机处理图案信息并向PMC和CMC输出最优化的切割移动。运动控制器发出命令以驱动定位装置的直线式电动机并驱动传送带，调整X-Y定位装置上激光嘴13的运动和传送带的速度。一个过程获得图案的几何形状并最优化激光嘴在片材10上的移动。
总的来看，参照图15所示的流程图，在接收到图案P或重新绘制的几何形状之后：
(a)在方框118，将几何形状编组到设置在切割区11内的机器相关咬切中；
(b)在方框120，使穿过咬切宽度的切割顺序最优化。因此，形成的几何形状为通过干扯分离的一连串连续切口；
(c)在方框123，通过使形成新移动的非正切交叉点数量减到最小，将连续切口的几何形状最优化成多个离散的移动，因此最大程度减小连续切口内低效的停止和移动动作。
(d)在方框126，通过最优化每个离散移动的速度廓形，确定定位装置运动廓形，始终认识到系统约束。弯曲移动也一般被称为移动或弯曲；最后
(e)在方框127，使传送带运动最优化，以保持分段式连续、前进速度，甚至是在咬切之间，不允许速度变成负值。
在这些实施例中，存储获得的几何形状，通过驱动传送带16的运动控制器CMC、PMC和切割叠加在预设形状S上图案P的定位装置，发送最优化的移动。
关于最优化，通过前视下一移动，可以最优化激光嘴的移动。“前视”过程的目的是最大程度缩短跟随任何任意几何形状或图案P的时间，同时避免超过指定的最大加速度和速度，或偏移到尺寸公差以外。

Claims (25)

1、一种切割出预设在片材(10)中的至少一个形状(S)的方法，至少一个预设形状(S)具有呈预定几何形状的图案(P)和具有至少一个基准(F，F2…)，至少一个基准(F，F2…)中的每个基准对应图案(P)中的预定坐标，包括：
确定相对于图象系统(12)和切割系统(11)移动的片材(10)中的一个或多个基准(F，F2…)的球坐标位置；
切割相对于定位的一个或多个基准(F，F2…)叠加的图案，同时确定移动片材(10)中随后的一个或多个基准(F，F2…)的位置；以及
基本连续重复切割和确定随后一个或多个基准(F，F2…)位置的并行处理。
2、如权利要求1所述的方法，其中所述图象系统和切割系统是固定的，而所述片材基本连续移动通过所述图象系统并接着通过所述切割系统。
3、如权利要求1所述的方法，还包括：
建立所述片材、所述图象系统和切割系统相对移动的测量；以及
追踪可识别所述相对移动测量的所述图象系统和所述切割系统之间至少一个基准的移动。
4、如权利要求1所述的方法，其中所述至少一个预设形状是与至少一个基准关联的多个形状。
5、如权利要求1所述的方法，其中至少一个预设形状中的每个预设形状与至少一个基准关联。
6、如权利要求1所述的方法，其中至少一个基准包括第一基准和至少第二基准，还包括：
比较所述图案和所述至少第二基准相对于所述第一基准的球坐标，以建立所述预设形状的扭曲；以及
重新绘制图案，以便在叠加用于切割所述片材的所述重新绘制图案之前，修正所述预设形状的扭曲。
7、如权利要求6所述的方法，其中所述重新绘制应用于所述图案的整体或所述图案的一部分。
8、如权利要求6所述的方法，其中所述图案的重新绘制修正了所述预设形状的扭曲，所述预设形状的扭曲选自以下组：伸长、旋转或同时旋转和伸长。
9、如权利要求6所述的方法，还包括：
以运动廓形控制所述切割系统的切刀；
预定所述图案的所述运动廓形；以及
在应用所述叠加的重新绘制图案以切割所述片材之前，根据所述重新绘制图案修改所述运动廓形。
10、如权利要求9所述的方法，还包括：
预定所述图案的切割线路径；
修改所述重新绘制图案的预设切割路径；以及
在应用所述叠加的重新绘制图案以切割所述片材之前，根据所述修改的切割线路径修改所述运动廓形。
11、如权利要求10所述的方法，还包括：
当表现出图案至少一部分中与所述标记基准关联的变化时，识别出所述至少一个基准中的所述标记基准；
修改所述切割线路径以表明所述图案中的变化；以及
在应用所述叠加的重新绘制图案以切割所述片材之前，根据所述修改的切割路径修改所述运动廓形。
12、如权利要求11所述的方法，其中所述标记基准表示一个或多个预设形状之一中的裂缝，改变所述图案以省略所述带裂缝的预设形状。
13、如权利要求6所述的方法，其中根据2+1n的关系，其中n＝1或大于1，为所述预设形状确定至少一个基准中至少三个基准的位置，其中每三个基准构成三角形片，还包括：
建立所述至少一个基准之一作为参考基准；
比较所述图案和三角形片中所述每三个基准相对于所述参考基准的球坐标，以建立所述预设形状内三角形片的扭曲；以及
重新绘制对应所述三角形片的所述图案，以便在应用叠加的重新绘制图案以切割所述片材之前，为所述扭曲修正所述图案。
14、如权利要求6所述的方法，其中根据2+2n基准的关系，n＝1或大于1，为所述预设形状确定至少一个基准中至少四个基准的位置，其中每四个基准构成矩形片，还包括：
建立所述至少一个基准之一作为参考基准；
比较所述图案和矩形片中所述每四个基准相对于所述参考基准的球坐标，以建立所述预设形状内矩形片的扭曲；以及
重新绘制对应所述矩形片的所述图案，以便在应用叠加的重新绘制图案以切割所述片材之前，为所述扭曲修正所述图案。
15、如权利要求1所述的方法，其中所述预设形状织造在所述片材中。
16、如权利要求1所述的方法，其中所述图象系统包括一个或多个照相机，还包括采用所述一个或多个照相机观察所述片材的宽度，以确定所述至少一个基准的位置。
17、如权利要求16所述的方法，其中所述宽度是作为所述片材横向宽度的子集的一个或多个关注区域。
18、如权利要求16所述的方法，还包括检测至少一个基准和所述片材之间的相反变化。
19、如权利要求1所述的方法，其中所述切割系统包括球坐标系中的已知切割区和控制器，所述控制器存储由所述片材切割出至少一个预设形状的几何形状图案，还包括：
将所述图象系统安置在所述切割系统上游的已知球坐标处，以便观察所述片材；
移动所述片材连续通过图象系统，以便确定球坐标中至少一个基准的位置；以及
当所述控制器确定定位的至少一个基准之一的球坐标处于所述切割区内时，切割所述图案，以便精确切割叠加在所述预设形状中的所述图案。
20、一种用于片材(10)中切割出预设形状(S)的设备，包括：
移动切割式切割系统(11)，用于切割片材(10)中的图案(P)，已知所述切割系统(11)在球坐标中；
图象系统(12)，用于确定片材(10)中的至少一个基准(F，F2…)的球坐标，这些球坐标符合图案(P)中的预定坐标；
结构(16，11，12)，用于影响所述片材(10)与所述图象和切割系统(12，11)之间的基本连续相对移动；
装置(22、16)，用于建立球坐标中所述相对移动的测量；以及
控制器(22)，用于使图案(P)与定位的至少第一基准(F，F2…)叠加，从而使切割系统(11)基本并行地切割预设形状(S)的图案(P)，同时图象系统(12)确定所述片材(10)中随后至少一个基准(F，F2…)的球坐标位置。
21、如权利要求20所述的设备，其中所述图象系统和所述切割系统固定在球坐标中，影响相对移动的所述结构还包括：传送带，用于使片材由所述图象系统基本连续移动到所述切割系统。
22、如权利要求20所述的设备，其中用于建立所述相对移动的测量的所述装置包括跟踪移动装置，以在所述片材移动时跟踪在片材球坐标中的移动。
23、如权利要求20所述的设备，其中所述控制器与所述图案比较所述图案和所述定位的至少一个基准或多个基准中至少两个基准的球坐标，以便识别所述预设形状中的扭曲；并重新绘制所述图案，以便在叠加所述重新绘制图案以切割所述片材之前，为所述预设形状的扭曲修正图案。
24、如权利要求20所述的设备，其中所述图象系统是一个或多个照相机，将其设置成观察所述片材的宽度。
25、如权利要求20所述的设备，其中所述移动切割式图象系统是激光切割系统。
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