DE112013003229T5

DE112013003229T5 - Verfahren zum Steuern von Maschinen gemäß Muster von Konturen und Laserschneidmaschine

Info

Publication number: DE112013003229T5
Application number: DE201311003229
Authority: DE
Inventors: Matthew Brand
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2015-03-26
Also published as: TW201417926A; JP5897151B2; JP2015516603A; CN104412185A; US20140005804A1; US9104192B2; TWI538761B; CN104412185B; WO2014002660A1

Abstract

Ein Satz von Kosten, die Operationen einer Maschine entlang eines Satzes von Bahnen, die einen Satz von Austritts- und Eintrittspunkten von Konturen eines Musters verbinden, wird bestimmt. Jede Bahn stellt eine Operation der Maschine, die sich von einem Austrittspunkt mit einer Austrittsgeschwindigkeit zu einem Eintrittspunkt mit einer Eintrittsgeschwindigkeit gemäß der Dynamik der Maschine bewegt, dar. Der Satz von Bahnen enthält zumindest eine Bahn, die die Operation entlang einer Kontur mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, und zumindest eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an den entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt. Eine Folge der Bahnen, die die Gesamtkosten der Operation der dem Muster folgenden Maschine optimiert, wird bestimmt auf der Grundlage der Kosten, und ein Satz von Instruktionen zum Steuern der Maschine wird gemäß der Folge bestimmt.

Description

[Technisches Gebiet]
Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf ein System und ein Verfahren zum Erzeugen von Bewegungsplänen für Maschinen, und insbesondere zum Bestimmen eines Satzes von Instruktionen zum Steuern der Maschinen gemäß einem Konturenmuster.
[Stand der Technik]
Bei der numerisch gesteuerten Computerbearbeitung (CNC) wird ein Werkzeugkopf relativ zu einem Werkstück gemäß einem vorbestimmten Muster bewegt, um eine Bearbeitung des Werkstücks durchzuführen. Die Bearbeitung kann verschiedene Typen von Verarbeitung des Werkstücks enthalten, wie Schneiden oder Bohren des Werkstücks. Zur Vereinfachung der Erläuterung und ohne Verlust der Verallgemeinerung wird in dieser Offenbarung das Bearbeiten beispielhaft als ein Prozess des Schneidens des Werkstücks unter Verwendung einer Laserschneidmaschine dargestellt.
Das Schneiden von Artikeln aus Blattmaterial gemäß einem Muster ist ein üblicher Herstellungsprozess. Im Allgemeinen wird ein Schneidkopf einer Laserschneidmaschine in einer begrenzten Ebene entlang orthogonaler Achsen verschoben. Laserschneidvorrichtungen dieses Typs werden häufig verwendet, um einzelne Artikel aus Blattmaterialien zu schneiden, z. B. Kunststoff- und Metallblättern verschiedener Dicke. Die Steuerung der Laserschneidvorrichtung wird üblicherweise durch rechnergestützte numerische Steuerungsvorrichtung (CNC), der einem vorgeschriebenen Satz von Instruktionen folgt, der manchmal als ”NC-Code” oder ”G-Code” implementiert ist, durchgeführt.
Wenn das zu schneidende Muster getrennte Konturen enthält, wechselt sich das Bearbeiten mit einer Neupositionierung ab, z. B. schaltet eine Maschine nach einem Schneidvorgang die Schneidvorrichtung ab, geht zu einem neuen Ort und schaltet die Schneidvorrichtung wieder ein, um die Bearbeitung fortzusetzen. Die Bewegungen der Maschine sind auf der Grundlage des Musters geplant, beispielsweise einer Zeichnung aller zu schneidenden Kurven der Konturen. Üblicherweise sind einige der Kurven geschlossen, um eine aus dem Material auszuschneidende Form darzustellen. Das Planungsproblem kann die Bestimmung eines Weges aller Schnitte in minimaler Zeit oder mit minimaler Energie enthalten. Dieser Weg bestimmt die Reihenfolge der Schnitte.
Bis vor kurzem war die gesamte Bearbeitung durch Stopp-und-Start-Bewegungen gekennzeichnet. Während des Bearbeitens nähert sich der Schneidkopf dem Anfangspunkt einer geplanten Schnittkurve einer Kontur des Musters, hält an, schaltet die Schneidvorrichtung ein und führt dann die nächste Schneidbewegung durch. Folglich waren die schnellsten Schnitt-zu-Schnitt-Bewegungen, die auch als ”Rapids” bekannt sind, gerade Linien. Das Planungsproblem für eine ”Stopp-Start”-Bearbeitung kann das gemeinsame Finden einer Reihenfolge der Schnitte und der kürzesten geraden Bewegungen zwischen den Schnitten enthalten. Eine herkömmliche Lösung eines derartigen Planungsproblems verwendet eine Variation des Handlungsreisenden-Problems (traveling salesman Problem, TSP). Siehe beispielsweise Hoeft & Palekar: ”Heuristics for the Plate-Cutting TSP”, IIE Transactions, Band 29, 1997.
Jedoch beschränkt das ”Stopp-Start”-Verhalten der Laserschneidvorrichtung, das durch diese Bewegungspläne angenommen wird, die Produktionsrate der Maschine. Für eine Hochgeschwindigkeitsbearbeitung verursachen zahlreiche Beschleunigungen und Verlangsamungen hohe Energiekosten und eine Abnutzung der Maschine.
Fortschritte in den Schneidtechnologien ermöglichen jetzt das Schneiden ”im Flug” (on-the-fly), d. h. ohne Anhalten, um die Schneidvorrichtung ein- oder auszuschalten. Dies ermöglicht schnellere Wege, aber stellt auch ein viel komplizierteres Planungsproblem dar, da gerade Wege bei der ”Im-Flug”-Bearbeitung ziemlich suboptimal sein können. Jedoch ist das Ersetzen der geraden Wege durch einen anderen Typ von Wegen suboptimal, da diese Lösung nicht vollständig die dynamischen Eigenschaften der Maschine berücksichtigt, siehe beispielsweise US-Patent 6 609 044 . Andere Lösungen beziehen handgezeichnete Touren ein, aber offensichtlich ist dies kein praktisches Verfahren für große Planungsprobleme.
Demgemäß besteht ein Bedarf für ein automatisches Erzeugen effizienter, dynamisch optimierter Bewegungspläne zum Steuern einer Maschine gemäß einem Muster von getrennten Konturen.
[Zusammenfassung der Erfindung]
Es ist die Aufgabe der verschiedenen Ausführungsbeispiele der Erfindung, ein System und ein Verfahren zum Bestimmen eines Satzes von Instruktionen zum Steuern einer Maschine gemäß einem Konturenmuster, beispielsweise einem Muster von getrennten Konturen, vorzusehen. Einige Ausführungsbeispiele sehen ein Verfahren zum Erzeugen von Bewegungsplanen für das On-the-fly-Bearbeiten enthaltend eine oder eine Kombination einer Reihenfolge von Verarbeitungsbewegungen vor, wie Schneiden oder Bewegen ohne Schneiden, Eintritts- und Austrittspunkte auf den Konturen für diese Bewegungen, dynamisch optimale Bewegungsbahnen zwischen diesen Austritts- und Eintrittspunkten und ein Geschwindigkeitsprofil für die Bewegung an verschiedenen Punkten entlang des Bewegungsplans.
Einige Ausführungsbeispiele basieren auf einer Realisierung, dass, um die Geschwindigkeit der Bearbeitung zu optimieren, ein Werkzeugkopf einer Maschine zu Eintritts- und Austrittspunkten jedes Konturensegments auf einer Tangente bewegt werden sollte, während die maximale Schneidgeschwindigkeit für dieses Segment auf der Grundlage seiner Krümmung und der Dynamik der Maschine optimal angepasst wird. Diese Realisierung ermöglicht die Bestimmung einer Route, d. h. einer Folge von Bahnen enthaltend beispielsweise Schneid- und Traversenbahnen, wodurch das Verfolgen des Musters in einer dynamisch optimalen Weise ermöglicht wird. Ein Beispiel für eine Traversenbahn ist eine Neupositionierung des Werkzeugkopfes der Maschine ohne tatsächliche Bearbeitung.
Der Geschwindigkeitsvektor jedes Endes einer Traversenbahn kann durch eine Form des Segments der geschnittenen Konturen, aus denen ausgetreten und in die eingetreten wird, bestimmt werden. Die optimale Bahn zwischen diesen Vektoren kann auf der Grundlage der Dynamik der Maschine bestimmt werden, z. B. der Triebkraft, der Geschwindigkeitsbeschränkungen oder der Beschleunigungsbeschränkungen der Maschine. Derartige Ausführungsbeispiele werden in einem Prozess des Schneidens des Werkstücks unter Verwendung einer Laserschneidmaschine, die große Beschleunigungen ermöglicht, angewendet. Andere Ausführungsbeispiele werden durch andere Bearbeitungstypen angewendet, z. B. Reißen, Gravieren und Zeichnen.
Häufig ist die optimale Traversenbahn gekrümmt. Aufgrund der Dynamik der Maschine könnte Traversenbahnen schneller und energieeffizienter als gerade Traversen sein. Eine weitere Komplikation besteht darin, dass einige Schneidvorrichtungen ”No-fly-Zonen” haben können, die der Schneidkopf während der Traversen vermeiden muss. Beispielsweise kann ein heißer Kopf dünnes Material verformen, und somit sollten alle Traversen nur über ungenutztes Material hinweggehen.
Weiterhin basieren einige Ausführungsbeispiele auf einer spezifischen Realisierung, dass Geschwindigkeitsvektoren verschiedenen möglichen Austritts- und Eintrittspunkten auf den Konturen des Musters zugewiesen werden können, und die Kosten des Bewegens von einem Austrittspunkt zu einem Eintrittspunkt bei jeder Route sind bezeichnend, z. B. gleich, für die Kosten der dynamischen optimalen Bahn, die die Operation der Maschine von einem Austrittspunkt mit einer Austrittsgeschwindigkeit zu einem Eintrittspunkt mit einer Eintrittsgeschwindigkeit bewegt. Eine derartige Realisierung ermöglicht die Bestimmung eines Satzes von Kandidatentraversenbahnen und das Auswählen der Route unter Verwendung verschiedener Optimierungstechniken.
Demgemäß offenbart ein Ausführungsbeispiel ein Verfahren zum Steuern einer Maschine gemäß einem Muster von getrennten oder unverbundenen Konturen. Das Verfahren bestimmt einen Satz von Kosten, die Operationen der Maschine entlang eines Satzes von Bahnen, die einen Satz von Austritts- und Eintrittspunkten auf den Konturen des Musters verbinden, darstellen, wobei jede Bahn eine Operation der Maschine, die sich von einem Austrittspunkt mit einer Austrittsgeschwindigkeit zu einem Eintrittspunkt mit einer Eintrittsgeschwindigkeit gemäß der Dynamik der Maschine bewegt, darstellt. Der Satz von Bahnen kann zumindest eine Bahn, die die Operation entlang einer Kontur mit von null abweichenden Geschwindigkeiten am entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkt darstellt und zumindest eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an dem entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkt darstellt, enthalten. Als Nächstes bestimmt das Verfahren auf der Grundlage der Kosten eine Folge der Bahnen, die die Gesamtkosten der Operation der das Muster verfolgenden Maschine optimiert, und bestimmt einen Satz von Instruktionen zum Steuern der Maschine gemäß der Folge.
Ein anderes Ausführungsbeispiel offenbart ein Verfahren zum Steuern einer Laserschneidmaschine gemäß einem Muster von getrennten Konturen. Das Verfahren enthält Schritte des Bildens eines Diagramms enthaltend Knoten und Kanten, wobei Knoten des Diagramms Eintritts- und Austrittspunkte auf den Konturen darstellen, Schnittkanten Schnitte entlang der Konturen zwischen benachbarten Knoten darstellen und Traversenkanten dynamisch optimale Bahnen zwischen Eintritts- und Austrittspunkten auf verschiedenen Schnittkonturen darstellen; Bestimmen einer Route durch alle Knoten und Schnittkanten und zumindest einige Traversenkanten des Diagramms, derart, dass die Route die Gesamtkosten der Durchführung optimiert; und Umwandeln der Route in einen Satz von Instruktionen zum Steuern der Maschine. Die Schritte des Verfahrens werden durch einen Prozessor durchgeführt.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel offenbart eine Laserschneidmaschine, enthaltend eine Laserschneidvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks gemäß einem Muster von unverbundenen Schnittkonturen; ein Steuermodul zum Navigieren der Laserschneidvorrichtung gemäß einem Satz von Instruktionen, derart, dass die Laserschneidvorrichtung Schnittkanten und Traversenkanten ohne Anhalten verfolgt; und ein Bewegungsplanungsmodul zum Erzeugen des Satzes von Instruktionen auf der Grundlage des Musters, wobei der Satz von Instruktionen auf der Grundlage einer Route erzeugt wird, die die Gesamtkosten der Operation der das Muster verfolgenden Laserschneidvorrichtung optimiert, wobei das Bewegungsplanungsmodul einen Satz von Schnittkanten und einen Satz von Traversenkanten bestimmt, wobei eine Bahn in dem Satz von Traversenkanten eine dynamisch optimale Bahn ist und wobei das Bewegungsplanungsmodul eine Handlungsreisenden-Problemlösung (TSP) anwendet, um die Route zu bilden.
Noch ein anderes Ausführungsbeispiel offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines Satzes von Instruktionen zum Steuern einer Maschine gemäß einem Muster von unverbundenen Konturen. Das Verfahren enthält die Schritte des Erwerbens des Musters von unverbundenen Konturen und zumindest einer von Dynamiken der Maschine; und des Erzeugens eines Satzes von Instruktionen zum Steuern der Maschine gemäß einer Folge der Bahnen, die die Gesamtkosten der Operation der das Muster verfolgenden Maschine optimiert, wobei die Folge von Bahnen zumindest eine Bahn, die die Operation entlang einer Kontur mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, und zumindest eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an den entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, enthält.
[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
1A ist eine schematische Ansicht einer Laserschneidmaschine, die einige Ausführungsbeispiele der Erfindung verkörpert.
1B ist eine schematische Ansicht einer Laserschneidmaschine, die einige Ausführungsbeispiele der Erfindung verkörpert.
2 ist ein beispielhaftes Muster von unverbundenen Konturen.
3 ist ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Steuern einer Maschine gemäß einem Muster von unverbundenen Konturen gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
4A ist ein Flussdiagramm von Variationen eines Verfahrens zum Bestimmen und zum Lösen des Handlungsreisenden-Problems (TSP) gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
4B ist ein Flussdiagramm von Variationen eines Verfahrens zum Bestimmen und zum Lösen des Handlungsreisenden-Problems (TSP) gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
5 ist eine Darstellung eines Teils eines beispielhaften TSP-Diagramms gemäß einigen Ausführungsbeispielen.
6 ist ein Beispiel für eine Route, die für einen Teil des Musters nach 2 durch einige Ausführungsbeispiele der Erfindung bestimmt ist.
7 ist ein Beispiel für Umgehungsstrategien gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung.
[Beschreibung der Ausführungsbeispiele]
1A zeigt ein Beispiel für eine Laserschneidmaschine 10, die geeignet ist, durch einige Ausführungsbeispiele der Erfindung gesteuert zu werden. Zur Vereinfachung der Erläuterung und ohne Verlust der Verallgemeinerung wird das Bearbeiten veranschaulicht als ein Vorgang des Schneidens des Werkstücks unter Verwendung einer Laserschneidmaschine.
Die Maschine 10 ist konfiguriert zum Bewegen des Laserkopfes 20 in jeder Richtung parallel zu der Oberfläche eines Stücks aus Blattmaterial, das in spezifische Formen zu schneiden ist. Der Laserkopf 20 ist eine berührungslose Vorrichtung, die in ihrer ”Abwärts”-Position typischerweise einen Abstand von der Spitze des Laserkopfes zu der oberen Oberfläche des geschnittenen Blattmaterials aufrechterhält. Andere Typen von Laserköpfen, enthaltend Köpfe vom ”Kontakt”-Typ, sind auch möglich.
Der Laserkopf 20 ist auf einem Schlitten so befestigt, dass er in der Lage ist, in einer linearen Richtung senkrecht zu der Längsabmessung des Haupttischs der Laserschneidmaschine vor- und rückwärtsbewegt zu werden. Wenn der Laserkopf 20 in dieser senkrechten Richtung bewegt wird, kann ein ziehharmonikaartiger Vorhang, der mit 22 bezeichnet ist, entsprechend zusammengeschoben oder ausgedehnt werden. Die Laserkopf-Schlittenstruktur ist auch in der Lage, in der Längsrichtung entlang der Hauptachse der Maschine 10 bewegt zu werden, und ein ziehharmonikaartiger Vorhang 26 und 28 auf jeder Seite der Laserkopfstruktur kann entsprechend entweder zusammengeschoben oder ausgedehnt werden. Die Bewegungen des Laserkopfes 20 werden typischerweise durch eine rechnergestützte numerische Steuerungsvorrichtung 15 gesteuert.
Beispielsweise wird ein ebenes Teil 30 aus einem Blattmaterial auf einer speziellen bettartigen Struktur 32 angeordnet. Die bettartige Struktur 32 besteht aus einer X-Y-Gitterstruktur aus relativ dünnem Blechmaterial, das konfiguriert ist, viele ”Punkte” 34 zu schaffen, die die untere Oberfläche des Blattmaterials 30 stützen.
Typischerweise wird ein kleiner Luftspalt zwischen der Spitze des Laserkopfes 20 und der oberen Oberfläche des Blattmaterials 30 aufrechterhalten. Wenn ein Stück des Blattmaterials 30 ausgeschnitten wurde, aber nicht bis zu dem Boden des Bettes 32 herunterfällt, kann manchmal das ausgeschnittene Stück in dem oberen Bereich des Bettes 32 ”aufgehängt” werden.
1B zeigt ein Blockschaltbild eines anderen Beispiels für eine Laserschneidmaschine 100, die geeignet ist, durch einige Ausführungsbeispiele gesteuert zu werden, um einen von einem Laser 110 erzeugten Strahl 115 auf einem Werkstück 111 zu positionieren. Zur Vereinfachung der Erläuterung und ohne Verlust der Verallgemeinerung wird das Bearbeiten als ein Vorgang des Schneidens des Werkstücks unter Verwendung einer Laserschneidmaschine, wie der Maschinen 10 oder 100, veranschaulicht. Jedoch sind andere Variationen der Maschine, die zum Anwenden von Ausführungsbeispielen der Erfindung geeignet sind, andere Variationen der Laserschneidmaschine und andere Variationen der Konfiguration der Laserschneidmaschine 10 oder 100 möglich und innerhalb des Bereichs der Erfindung.
Die Laserschneidmaschine 100 kann eine Plattform 112 enthalten, die konfiguriert ist, entlang zumindest einer ersten Richtung 120 bewegt zu werden. Die Plattform wird durch ein Bewegungssystem 122 zum Bewegen der Plattform in einer Ebene parallel zu dem Werkstück bewegt. Bei einem Ausführungsbeispiel enthält das Bewegungssystem 122 eine erste prismatische Verbindungsstelle, die eine erste Bewegung der Plattform entlang der ersten Richtung 120 erleichtert.
Zusätzlich oder alternativ kann die Laserschneidmaschine einen Galvanokopf 113 enthalten, der beispielsweise auf der Plattform 112 angeordnet ist, derart, dass die Bewegung der Plattform entlang der ersten Richtung 120 eine Bewegung des Galvanokopfes entlang der ersten Richtung bewirkt. Beispielsweise kann der Galvanokopf einen umkehrbaren Gleichstrommotor enthalten, ausgestattet mit einem Spiegel auf einer Ausgangswelle, und gewöhnlich mit eingebauten Halteanschlägen, um eine Drehung des Spiegels auf einen kleinen Winkel zu beschränken, typischerweise +/– 20 bis 30 Grad um die Mitte. Der Galvanokopf ist häufig als eine einzige integrierte Einheit konfiguriert.
Beispielsweise bewegt die Bewegung der Plattform in eine Position 112' den Galvanokopf in eine Position 113'. Auch lenkt eine Operation des Galvanokopfes den Laserstrahl entlang zumindest einer zweiten Richtung 130 zu dem Werkstück hin. Der Galvanokopf kann so auf der Plattform angeordnet sein, dass die zweite Richtung 130 mit Bezug auf die erste Richtung 120 fixiert ist, wodurch es möglich ist, den Laserstrahl gleichzeitig entlang der ersten Richtung und entlang der zweiten Richtung zu lenken. Bei verschiedenen Implementierungen der Maschine 100 ist die Position des Laserstrahls auf dem Werkstück eine Vektorsumme 140 der ersten Bewegung und der zweiten Bewegung.
Die Bewegung der Plattform und die Operation des Galvanokopfes können durch ein Steuermodul 150 gesteuert werden. Das Steuermodul 150 kann unter Verwendung eines Prozessors 151 implementiert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält das Steuermodul eine Steuervorrichtung 195 einer rechnergestützten numerischen Steuerungsvorrichtung (CNC). Das Steuermodul steuert das Bewegungssystem und den Galvanokopf gemäß dem G-Code 190, der eine Bahn von Positionen des Laserstrahls definiert. Beispielsweise kodiert der G-Code 190 Positionen für die X-Achsen-Plattform als Bewegung auf der G-Codeachse X, das Y-Achsen-Gestell als Bewegung auf der G-Codeachse Y, die X-Bewegung des Galvanokopfes und des Spiegels als Bewegung auf der G-Codeachse A und die Y-Bewegung des Galvanokopfes und des Spiegels als Bewegung auf der G-Codeachse B. Dieser Vierachsen-G-Code wird von der Steuervorrichtung während der Operation der Laserschneidmaschine interpretiert. Auch kann die Maschine ein Bewegungssteuermodul 180 zum Bestimmen eines Satzes von Instruktionen enthalten, beispielsweise in einer Form des G-Codes 190, um die Maschine gemäß dem Muster zu steuern.
Die Laserschneidmaschinen 10 und 100 sind Beispiele für eine Technologie, die das Schneiden oder ein anderes Bearbeiten ”on-the-fly” ermöglicht, das heißt, ohne Anhalten, um die Schneidvorrichtung ein- oder auszuschalten. Dies ermöglicht schnellere Routen, aber wirft auch ein viel komplizierteres Planungsproblem auf, da die geraden Traversen für eine derartige Maschine suboptimal sein können.
2 zeigt ein Beispiel für ein Muster 200 aus unverbundenen Konturen, wie den Konturen 210, 212, 214, 216 und 218, die zum Schneiden des Materials des Werkstücks verwendet werden können. Da das Muster 200 unverbundene Konturen enthält, wechselt sich das Bearbeiten des Werkstücks gemäß dem Muster mit dem Neupositionieren ab, beispielsweise schaltet nach einem Schneiden eine Maschine die Schneidvorrichtung ab, geht zu einem neuen Ort und schaltet die Schneidvorrichtung wieder ein, um die Bearbeitung fortzusetzen. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen hält die Maschine, wie etwa eine Laserschneidmaschine, nicht vor dem Starten und während der Verfolgung von Bahnen, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen darstellen, an.
Demgemäß können Schnittbahnen, d. h. die Bahnen des Schneidens entlang der Kontur, wie die Bahn 226, mit Traversenbahnen abwechseln, d. h. der Bahn der Neupositionierung der Schneidvorrichtung auf eine neue Position ohne Schneiden, wie die Bahn 225. Endpunkte jeder Bahn enthalten einen Austrittspunkt des Startens der Bahn von der Kontur und einen Endpunkt des Eintretens der Bahn in die Kontur. Die Endpunkte befinden sich auf einer der Konturen des Musters. Typischerweise sind die Endpunkte der Schnittbahn auf derselben Kontur, z. B. Punkte 222 und 224 der Bahn 226. Jedoch sind die Endpunkte der Traversenbahn typischerweise auf verschiedenen Konturen, z. B. die Punkte 222 und 228 der Bahn 225. Jeder Endpunkt kann der Austrittspunkt, der Eintrittspunkt oder beides sein.
Die Reihenfolge des Schneidens und der Eintritts-/Austrittspunkte ist bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung nicht gegeben und bestimmt. Zusätzlich bestimmen einige Ausführungsbeispiele die Form der Bahnen und die Zeiten des Bewegens entlang der Bahnen, die ihrerseits die Form und die Zeiten sowohl der Traversen- als auch der Schneidbewegung der Maschine steuern. Auch ist bei einigen Ausführungsbeispielen die Reihenfolge der Eintritts-/Austrittspunkte, die Form der Bahnen und der Zeiten gemeinsam optimiert. Diese gemeinsame Optimierung kann gegenüber anderen Verfahren vorteilhaft sein, die die Reihenfolge und manchmal die Eintrittspunkte bestimmen, aber suboptimal die Form und die Zeit später durch eine Bewegungssteuervorrichtung bestimmen.
3 zeigt ein Blockschaltbild eines Verfahrens zum Steuern einer Maschine gemäß einem Muster aus unverbundenen Konturen gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung. Genauer gesagt, ein Ausführungsbeispiel bestimmt eine Route, beispielsweise eine Folge 325 von zumindest einigen der Bahnen 340, die die Gesamtkosten der Operation der das Muster verfolgenden Maschine 350 optimiert, und bestimmt einen Satz von Instruktionen 335 zum Steuern der Maschine 350 gemäß der Route. Bei einigen Ausführungsbeispielen enthält der Satz von Instruktionen die Position, die Geschwindigkeit und das Ein/Aus-Befehlssignal für das Bearbeiten des Werkstücks gemäß dem Muster.
Die Schritte des Verfahrens können durch einen Prozessor 301 durchgeführt werden. Beispielsweise können die Schritte des Verfahrens durch das Steuermodul 50 und/oder durch ein Bewegungsplanungsmodul 180 implementiert werden, das z. B. als ein Teil der Steuervorrichtung 195 implementiert sein kann. Das Bewegungsplanungsmodul kann die Instruktionen 335 z. B. in der Form des G-Codes 190 erzeugen.
Einige Ausführungsbeispiele basieren auf einer allgemeinen Realisierung, dass, um eine hohe Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten, ein Werkzeugkopf einer Maschine in jedes Segment einer Kontur auf einer Tangente eintreten und aus diesem austreten sollte, wodurch eine optimale Anpassung der maximalen Schneidgeschwindigkeit für das jeweilige Segment durch eine Form des Segments und die Dynamik der Maschine ermöglicht wird. Genauer gesagt, der Geschwindigkeitsvektor an jedem Ende einer Traverse kann durch die Form des Segments der Kontur, in das eingetreten und aus dem ausgetreten wird, bestimmt werden. Die optimale Bahn zwischen diesen Vektoren kann durch die Dynamik der Maschine bestimmt werden, z. B. die Triebkraft, Geschwindigkeitsgrenzen und Beschleunigungsgrenzen der Maschine.
Weiterhin basieren einige Ausführungsbeispiele auf einer spezifischen Realisierung, dass verschiedenen möglichen Austritts- und Eintrittspunkten auf den Konturen des Musters ein Geschwindigkeitsvektor zugewiesen werden kann und die Kosten des Fortschreitens von einem Austrittspunkt zu einem Eintrittspunkt bei jeder Route bezeichnend, z. B. gleich, für die Kosten der dynamischen optimalen Bahn sind, die die Operation der Maschine von einem Austrittspunkt mit einer Austrittsgeschwindigkeit zu einem Eintrittspunkt mit einer Eintrittsgeschwindigkeit bewegt. Eine derartige Realisierung ermöglicht das Bestimmen eines Satzes von Kandidatentraversenbahnen und das Auswählen der Route unter Verwendung verschiedener Optimierungstechniken.
Weiterhin basieren einige Ausführungsbeispiele auf einer weiteren Realisierung, dass es vorteilhaft ist, die Maschine gemäß einem Satz von Instruktionen enthaltend eine Folge der Bahnen, die die Gesamtkosten einer Operation der das Muster verfolgenden Maschine optimiert, zu steuern, wobei der Satz von Bahnen zumindest eine Bahn enthält, die die Operation entlang einer Kontur mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, und zumindest eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an den entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt.
Demgemäß bestimmt 310 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung einen Satz von Kosten 315, die Operationen der Maschine 360 entlang eines Satzes von Bahnen 340, die einen Satz von Austritts- und Eintrittspunkten auf den Konturen des Musters verbinden, darstellen. Jede Bahn, z. B. eine Bahn 345, stellt eine Operation der Maschine dar 370, die von einem Austrittspunkt mit einer Austrittsgeschwindigkeit 375 zu einem Eintrittspunkt mit einer Eintrittsgeschwindigkeit 373 gemäß der Dynamik der Maschine 365 fortschreitet. Die Dynamik der Maschine 365 kann die maximale Beschleunigung der Maschine enthalten. Typischerweise enthält der Satz von Bahnen zumindest eine Bahn, die die Operation entlang einer Kontur mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, beispielsweise die Bahn 226 in 2, und zumindest eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an den entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, z. B. die Bahn 225 in 2.
Bei einigen Variationen sind die Bahnen 340 dynamische optimale Bahnen, die bestimmt sind auf der Grundlage von optimalen Schneidgeschwindigkeitsvektoren, die mit den entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten assoziiert sind. Jeder Geschwindigkeitsvektor enthält einen Wert und eine Richtung der Geschwindigkeit der Operation der Maschine. Beispielsweise kann ein Geschwindigkeitsvektor für jeden Austritts- und Eintrittspunkt bestimmt werden auf der Grundlage einer Form 363 einer Kontur an einem Ort des Punktes und der Dynamik der Maschine 365. Beispielsweise können die Austrittsgeschwindigkeit und die Eintrittsgeschwindigkeit auf der Grundlage einer maximalen Geschwindigkeit bestimmt werden, die geeignet für die Bearbeitung eines Segments einer Kontur ist, das den Austritts- und den Eintrittspunkt verbindet. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel die dynamisch optimale Bahn, die Segmentendpunkte unter Verwendung von Splines verbindet.
Die Kosten 315 stellen die Kosten der Operation der Maschine gemäß der entsprechenden Bahn dar. Genauer gesagt, die Kosten und die Bahn können jede Funktion ihrer Zeit, ihres Abstands, ihrer Energie usw. sein. Beispielsweise können die Kosten auf einer Zeit der Verfolgung, der zum Verfolgen der Bahn erforderlichen Energie oder anderen Verbrauchsgütern basieren. Als Nächstes wird auf der Grundlage der Kosten 315 eine Folge 325 der Bahnen, die die Gesamtkosten der Operation der das Muster verfolgenden Maschinen optimiert, bestimmt 320. Verschiedene Ausführungsbeispiele verwenden verschiedene Optimierungstechniken, von denen einige nachfolgend beschrieben werden.
Die Folge 325 bildet eine das Muster verfolgende Route, die einen Subsatz der Bahnen 340 in einer vorbestimmten Reihenfolge enthält. Darüber hinaus wählt das Bestimmen 320, da die Bahnen 340 auf der Grundlage der Dynamik 365 der Maschine vor der Optimierung bestimmt werden, auch den optimalen Subsatz aus und bestimmt somit die Form der Bahnen und die Zeit ihrer Traverse. Als Nächstes kann der Satz von Instruktionen 335 zum Steuern 350 der Maschine 360 gemäß der Folge bestimmt 330 und beispielsweise in einem Speicher gespeichert oder zu der Steuervorrichtung übertragen werden.
Einige Ausführungsbeispiele basieren auf einer weiteren Realisierung, dass das Kostenoptimierungsproblem zum Bestimmen einer Route als ein Handelsreisenden-Problem (TSP), z. B. nichtmetrisches TSP, angenommen werden kann, wobei die Lösung des TSP die gewünschte Route über den Satz von Bahnen ist. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die Kosten ohne explizite Berechnung der Bahnen berechnet, so dass eine große Anzahl von möglichen Traversen beim TSP betrachtet werden kann.
Vorteilhaft kann das TSP in Echtzeit konstruiert werden, eine nahezu optimale Lösung kann auch in einem vernünftigen Zeitraum erhalten werden, und verschiedene dritte Parteien oder Kunden, die TSP lösen, können durch verschiedene Ausführungsbeispiele verwendet werden. Mittel zum Lösen von TSP enthalten Zweig-und-Grenze-(Branch-and-Bound-)Algorithmus, Schneidebenenverfahren, Lin-Kernighan-Verfahren, simuliertes Glühen, genetischen Algorithmus, Tabu-Suche, Boltzmann-Maschine und andere Mittel zum Lösen.
Beispielsweise bilden einige Ausführungsbeispiele ein TSP-Diagramm enthaltend einen Satz von Schnittkanten und einen Satz von Traversenkanten, wobei Endpunkte der Schnittkanten die Knoten des Diagramms bilden, und eine Bahn in dem Satz von Traversenkanten ist eine dynamisch optimale Bahn, die ein Paar von Knoten von verschiedenen Konturen verbindet. Somit kann ein Mittel zum Lösen des TSP, das auf das Diagramm angewendet wird, eine dynamisch optimale Route erzeugen.
Das TSP-Diagramm ist ein Knoten-und-Kanten-Diagramm, bei dem jeder Knoten einen möglichen Schneideintritts- oder Austrittspunkt darstellt, und jede Kante stellt entweder eine optionale Traversenbahn oder eine erforderliche Verarbeitungsbewegung, wie Schneiden, dar. In dieser Offenbarung werden diese Bewegungen als Schnitte bezeichnet, obwohl bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung andere Prozesse bei dem Werkstück angewendet werden können. Jeder Kante in dem Diagramm sind die Kosten zugewiesen, die üblicherweise den Zeitaufwand, die Energie oder ein anderes Verbrauchsgut reflektieren. Einige Ausführungsbeispiele bestimmen eine Route mit minimalen Kosten in diesem Diagramm, die durch alle Knoten und alle Kanten, die Schnitte darstellen, hindurchgeht. Die Route mit minimalen Kosten gibt eine optimale Folge von Schneideintritten, -austritten und Traversen. Bei einigen Ausführungsbeispielen spezifiziert die Route vollständig die Bewegung der Maschine. Bei anderen Ausführungsbeispielen wird die Tour dynamisch geglättet, um einen Bewegungsplan mit minimaler Energie oder minimalen Kosten zu erhalten.
Das TSP-Diagramm enthält Knoten, die Schnittendpunkte und Kanten darstellende Schnitte, d. h. Schnittkanten oder Traversen, darstellen, d. h. Traversenkanten zwischen Schnitten. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen sind die Schnittkanten in die TSP-Lösung gezwungen. Dann wählt ein Mittel zum Lösen des TSP zusätzlich einen Subsatz von Traversenkanten aus, um eine vollständige Route zu bilden, die eine Reihenfolge der Schnitte, die durch dynamisch optimale Traversenbahnen verbunden sind, für minimale Kosten enthält. Einige Ausführungsbeispiele verwenden generische Mittel zum Lösen des TSP oder sehen eine nach Maß gefertigte Lösung zum Bestimmen der Route beginnend mit dem Satz von sämtlichen Schnittkanten vor.
Somit wird bei einigen Ausführungsbeispielen das Bewegungsplanungsproblem reduziert auf ein nichtmetrisches TSP in einem TSP-Diagramm mit einigen Kanten, die durch einen oder eine Kombination der folgenden Schritte in die Route gezwungen sind: (1) Bilden des TSP-Diagramms; (2) Bestimmen der Kosten von Kanten des TSP-Diagramms; (3) Lösen des TSP-Diagramms, um eine Route zu bestimmen; und (4) Umwandeln der Routenreihenfolge in eine dynamisch optimale physische Bahn.
Bestimmen des TSP-Diagramms
4A zeigt ein Flussdiagramm für ein Verfahren 400 zum Bestimmen des TSP-Diagramms und zum Lösen des TSP-Diagramms, um die dynamisch optimale Route 470 zu bestimmen, gemäß einigen Ausführungsbeispielen. 4B zeigt ein Flussdiagramm für das Verfahren 400 gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel. Wenn ein Satz von zu schneidenden Konturen 410 gegeben ist, wird jede Kontur in einen Satz von Segmenten unterteilt 415. Die beiden Endpunkte jedes Segments liefern jeweils einen Knoten für das TSP-Diagramm. Das Segment liefert eine Kante für das TSP-Diagramm, die die Endpunktknoten verbindet. Diese Kante stellt das Schneiden dar. Für jeden der Endpunktknoten wird ein Eintritts- oder Austritts-Geschwindigkeitsvektor bestimmt 425 gemäß der Form des Segments und der maximalen Schneidgeschwindigkeit der Maschine für dieses Segment. Bei einem typischen Ausführungsbeispiel verläuft der Vektor tangential an den Schnitt, und die Größe des Vektors ist umgekehrt proportional zu der Krümmung des Schnitts an dem Punkt des Eintritts oder Austritts. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können verschiedene Funktionen, die die optimale Geschwindigkeit an den Endpunkten darstellen, verwendet werden. Beispielsweise wird in dem Ausführungsbeispiel nach 4B ein Satz von Splines, die die Geschwindigkeit an jedem Endpunkt darstellen, bestimmt 425'.
Bei einigen Ausführungsbeispielen werden ein oder zwei zusätzliche Knoten zu dem TSP-Diagramm hinzugefügt 420, um die Start- und Endposition des Bearbeitens darzustellen. Die Start- und die Endposition können verschieden oder dieselben Positionen sein, z. B. die Ausgangsposition der Maschine. Jeder dieser Knoten hat einen Vektor mit Nullgeschwindigkeit, und die TSP-Lösung wird gezwungen, durch diese Knoten in Folge hindurchzugehen, als ob sie die Endpunkte eines Schnittes wären.
Eine Traversenkante ist zu dem TSP-Diagramm für jedes Paar von Eintritts- und Austrittspunkten hinzugefügt. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird für jeden Knoten in dem Diagramm ein Satz von zu den Eintritts- oder Austrittspunkten physisch nahen Knoten, die auf den unverbundenen Konturen liegen, bestimmt 430, z. B. auf der Grundlage eines euklidischen Abstands zwischen den Knoten. Bei diesen Ausführungsbeispielen werden die Traversenbahnen nur für Paare von nahen Knoten bestimmt, wodurch die Anzahl von Berechnungen verringert wird. Zusätzlich begrenzt ein Ausführungsbeispiel die Paare von nahen Knoten auf solche, die ohne Überquerung jeglicher ”No-fly-Zonen” erreicht werden können. Einige Implementierungen bestimmen diesen nahen Knoten durch Eintreten aller Knotenorte in einen k-D-Baum und Durchführen einer Bereichsanfrage oder Kugelanfrage in der räumlichen Nähe jedes Knotens.
Für jedes Paar von Endpunkten, das das Paar von nahen Knoten darstellt, bestimmen einige Ausführungsbeispiele die dynamisch optimalen Traversenbahnen, z. B. auf der Grundlage der Zeit oder der Energie der Traverse, von einem Endpunkt beginnend mit seinem assoziierten Geschwindigkeitsvektor zu dem anderen Endpunkt, der mit seinem assoziierten Geschwindigkeitsvektor endet. Die Bahnen können auf der Grundlage von Geschwindigkeitsvektoren bestimmt werden. Beispielsweise werden für jedes Paar von Endpunkten dynamisch optimale Bahnen, die Geschwindigkeitsvektoren verbinden, bestimmt 435, wie in 4A gezeigt ist. Alternativ können die Traversenbahnen auf der Grundlage anderer Funktionen, die die Geschwindigkeit darstellen, bestimmt werden, beispielsweise unter Verwendung von Splines 435', wie in 4B gezeigt ist.
Die Traversenbahn ist begrenzt durch Dynamik- oder Bewegungsrandbedingungen der Maschine 480, wie der maximalen Geschwindigkeit, der maximalen Beschleunigung, der Stoßbelastbarkeit und des Bewegungsbereichs der Maschine. Die Dynamik der Maschine kann beispielsweise durch die Spezifikation der Maschine definiert werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen werden die Bahnen, die die Bewegungsrandbedingungen verletzen oder die ”No-fly”-Zone überqueren, aus dem Diagramm entfernt 440.
Beispielsweise ist bei einem Ausführungsbeispiel die dynamisch optimale Bahn x(t), 0 < t < T_max eine Lösung für
Die optimale Bahn kann auf der Grundlage von Variationen der CNC-Steuerung bestimmt werden. Beispielsweise unterscheidet sich die Traversenbahn von CNC-Steuerung bestimmten Bahnen dahingehend, dass die Zielgeschwindigkeiten und -richtungen erreicht werden müssen, nicht die Zielpositionen. In dieser Hinsicht ist das Bewegungsplanungsproblem ähnlicher einer Raumfahrzeugsteuerung.
Bei den meisten Maschinen kann die X-Achsenbewegung und die Y-Achsenbewegung unabhängig gesteuert werden, so dass die optimale Traversenbahn unabhängig in den Richtungen X und Y berechnet werden kann. Wenn beispielsweise nur die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsgrenzen angewendet werden, dann ist das Bewegungsprofil in jeder Dimension eine Verkettung von 1–4 quadratischen Kurven. Es wird beispielsweise nur die horizontale Bewegung betrachtet. Wenn eine Kandidatentraverse das Austreten aus einem nach links gerichteten Schnitt und dann das Eintreten in einen Schnitt nach rechts enthält, sind die Traversenkonten die Zeit zum vollständigen Verlangsamen, dann maximalen Beschleunigen nach rechts in den nächsten Schnitt (möglicherweise Verlangsamen, um der Schneidgeschwindigkeit angepasst zu werden). Die minimale Gesamtzeit für die horizontale Geschwindigkeit wird somit durch Lösen einer quadratischen Gleichung erhalten. Im Allgemeinen sind die 2D-Bahnen Kurven eines Grads von weniger als acht.
Eine die Bahn darstellende Traversenkante wird zu dem TSP-Diagramm mit ihren entsprechenden Kosten hinzugefügt. Die Kosten der Bahn können als irgendeine Funktion der Zeit, des Abstands, der Energie usw. bestimmt 445 werden. Es können mehrere Traversenkanten vorhanden sein, die ein Paar aus Eintritts- und Austrittsknoten verbinden.
Nachdem die Bahnen und die entsprechenden Kosten der Bahnen bestimmt sind, wird das Mittel zum Lösen des TSP auf das durch alle Eintritts- und Austrittsknoten, Schnittkanten und Traversenkanten gebildete Diagramm angewendet 450. Die Schnittkanten werden in die Lösung gezwungen 455, und das Mittel zum Lösen des TSP bestimmt einen Subsatz von Traversenkanten, die die Route 460 vervollständigen. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird die vollständige Route verfeinert und in Maschineninstruktionen, die die dynamisch optimale Route 470 bestimmen, umgewandelt 465.
5 zeigt eine Darstellung eines Teils eines beispielhaften TSP-Diagramms, bei dem Knoten des Diagramms Eintritts- und Austrittspunkte auf den Konturen darstellen, Schnittkanten Schnitte entlang der Konturen zwischen benachbarten Knoten darstellen und Traversenkanten dynamisch optimale Bahnen zwischen Knoten auf verschiedenen Schnittkonturen darstellen. Die ausgezogenen Linien, wie die Linien 510 und 520, sind Kanten, die zwingende Schnitte darstellen. Diese Schnitte sind in Segmente unterteilt. Die kleinen weißen Kreise, z. B. 530 und 535, stellen Eintritts- oder Austrittspunkte, die die Segmente bilden, dar. Wo eine Kontur geteilt ist, gibt es zwei weiße Kreise, die einen damit verbundenen Eintrittsknoten und Austrittsknoten darstellen. Die gestrichelten Pfeile 540 und 545 stellen zwei Austrittsgeschwindigkeitsvektoren dar. Jeder Geschwindigkeitsvektor enthält eine Größe und eine Richtung der Geschwindigkeit. Jeder Eintritts- oder Austrittspunkt hat einen derartigen Vektor, aber nur zwei sind gezeigt, um die Übersichtlichkeit zu erhalten. Die gepunkteten Linien, d. h. die Linien 550 und 555, sind Beispiele für die Kandidatentraversenbahnen von einem einzelnen Austrittspunkt an der unteren rechten Ecke des Quadrats.
6 zeigt ein Beispiel für eine Route 600, die für einen Bereich des Musters 200 aus 2 bestimmt ist. Die Route kann durch verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung bestimmt werden und ist empfindlich für die Dynamik der Maschine, wie die Geschwindigkeits- und Beschleunigungsgrenzen der Maschine. Ein Segment 610 ist ein Beispiel für eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an den entsprechenden Eintrittspunkten 620 und Austrittspunkten 630 darstellt.
”No-fly”-Zonen
In einigen Situationen überquert eine optimale Traversenbahn eine ”No-fly”-Zone, d. h. einen Teil des Werkstücks, der gemäß dem Muster empfindlich für die Überquerung ist. Manchmal ist eine derartige Überquerung nicht erwünscht, da sie zu einer Kollision zwischen den beseitigten Teilen und dem Werkzeugkopf führen kann. Beispielsweise wird, wie in 7(A) gezeigt ist, eine vorhergehende Schnittausbildung 700 potenziell durch eine einzelne Bahn 710 von dem Ort 701 zu dem Ort 709 einer anderen zu schneidenden Kontur 711 gekreuzt. Bei einigen Ausführungsbeispielen wird eine derartige Bahn verworfen oder nachgebessert.
Beispielsweise wird, wie in 7(B) gezeigt ist, die Bahn aus einer einzelnen Bahn 710 in eine Reihe von Segmenten 701–709, die dem Umriss der Ausbildung folgen, transformiert. Diese Bahn kann gebildet werden durch:

(1) Markieren des Eintritts- und des Austrittsortes 702 und 708 für eine bestimmte Ausbildung für die ursprüngliche schnelle seitliche Bewegung 710;
(2) Bestimmen einer kürzesten Bewegungsrichtung um die Ausbildung herum zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsort;
(3) Ersetzen des ursprünglichen schnellen seitlichen Segments 710 durch eine Reihe von kurzen Segmenten, die die Schneidbewegungen, die den gefolgten Umriss der Ausbildung ausmachen, nachbilden; und
(4) Ausdehnen dieser Segmente von der Grenze der Ausbildung weg, um zu gewährleisten, dass eine Kollision zwischen dem Schneidkopf und der vorhergehenden Schneidausbildung nicht auftreten kann.

Jedoch kann es sein, dass die gemäß der vorbeschriebenen Strategie gebildete Bahn nicht die optimale Bewegung zum Vermeiden des Kreuzens der vorher geschnitten Ausbildung ist, da sie mehrere abrupte Bewegungen enthalten kann und dynamisch nicht optimal ist.
Wie in 7(C) gezeigt ist, beschneidet eine andere Strategie die Reihe von kurzen Segmenten auf nur die Verwendung der Orte 701, 704, 706 und 709. Nur die Orte, die zum Meiden der Ausbildung erforderlich sind, werden behalten.
Dies kann erreicht werden durch Auswählen, beginnend mit dem Austrittspunkt 701, des am weitesten links liegenden sichtbaren Punkt 704 auf der Grenze der ”No-fly”-Zone, dann von dem Standpunkt dieses Punktes 704 aus wiederum Auswählen des am weitesten links sichtbaren Punktes 706 auf der Grenze der ”No-fly”-Zone und Wiederholen dieses Vorgangs, bis ein Punkt mit einer ungestörten Sicht auf den Eintrittspunkt 710 erreicht wird, und Nehmen dieser sämtlichen Punkte 701 704 706 710 als eine Schablone für die Traverse. Die Schablone wird dann von der ”No-fly”-Zone weg ausgedehnt, und dann erhält man die Lösung für die dynamisch optimale Bahn 712, die 701 mit 710 mit korrekten Endpunktgeschwindigkeiten verbindet, während man auf der linken Seite des ausgedehnten Pfads von 704 bis 706 bleibt. Alternativ kann man nach demselben Verfahren eine Route auf der rechten Seite einer ”No-fly”-Zone nehmen.
Ein anderes Ausführungsbeispiel bessert die Bahn unter Verwendung des TSP-Diagramms nach. Beispielsweise bessert ein Ausführungsbeispiel die Bahn nach durch erneutes Lösen des optimalen Bewegungsproblems mit einer hinzugefügten Randbedingung, dass die Bahn durch einen Punkt, z. B. den Punkt 704, außerhalb der Grenze der ”No-fly”-Zone hindurchgeht. Wenn die gebildete Randbedingung auch durch die ”No-fly”-Zone hindurchgeht, werden mehrere derartige Randbedingungspunkte hinzugefügt, und das Problem wird erneut gelöst.
Traversenkanten, die nichtlokale Überquerungen darstellen, können auch zu dem Diagramm hinzugefügt werden, z. B. eine Überquerung von jedem inneren Knoten zu Knoten auf dem äußersten Schnitt, oder selbst eine kleine Anzahl von Überquerungen zwischen beliebig ausgewählten Knoten. Diese Kanten fügen Freiheitsgrade zu dem TSP hinzu, die das Finden effizienterer Pläne ermöglichen, auf Kosten eines größeren Rechenaufwands.
Das Mittel zum Lösen des TSPs bestimmt eine Route mit den niedrigsten Kosten oder angenähert niedrigsten Kosten durch das Diagramm. Die Schnitte und Traversen, die durch die Kanten dieser Route dargestellt sind, weisen die dynamisch optimale globale Bahn für den Schnittkopf auf.
Abstimmung
Verschiedene Präferenzen können in die Kosten der Traversenbahnen kodiert werden. Beispielsweise wird, wenn es bevorzugt ist, dass alle Segmente in einer geschlossenen Kontur mit einer einzelnen Bewegung geschnitten werden, ein positiver Wert zu allen Kosten hinzugefügt, die mit Überquerungskanten verbunden sind, die Traversen darstellen, die in solche Segmente eintreten oder aus diesen austreten, was von vielen Eintritten und Austritten abhält. Wenn es bevorzugt ist, dass die Schneidvorrichtung Schneidkonturen um Ecken herum folgt, anstatt sich wegzubewegen, um andere Schnitte durchzuführen, kann eine Überquerungskante hinzugefügt werden, deren Kosten die Zeit oder Energiekosten des Verlangsamens der beiden angrenzenden Schnitte zum genauen Umrunden der Ecke reflektieren.
Bei einem Satz von verschachtelten Schnitten ist es häufig bevorzugt, dass innere Schnitte äußeren Schnitten vorhergehen. Einige Mittel zum Lösen des TSPs können Randbedingungen in der Reihenfolge berücksichtigen, in der Knoten auf der Route erscheinen. Alternativ prüfen einige Ausführungsbeispiele die TSP-Lösung auf Fälle, in denen ein umhüllender Schnitt vor in diesem verschachtelten Schnitten beendet ist. Wenn die TSP-Lösung gefunden ist, wird die Route zum letzten Mal geprüft, ob eine Traverse zu den verschachtelten Schnitten über den umhüllenden Schnitt fliegt, und an diesem Punkt wird der frühere umhüllende Schnitt so geändert, dass eine Materialzunge gelassen wird, um während dieses letzten Überfliegens geschnitten zu werden. In dem Ausführungsbeispiel mit einem Erfordernis, dass die geschlossenen Kurven in einer Bewegung geschnitten werden, wird das TSP-Diagramm in verschachtelte Diagramme geteilt, jedes unabhängig gelöst, und dann in einer Folge von innen nach außen geschnitten.
Einige Ausführungsbeispiele verfeinern nach dem Bestimmen der Folge der Bahnen in der Route die Lösung auf verschiedene Weise. Beispielsweise wird für jeden Eintritts- und Austrittspunkt ein Satz von naheliegenden Alternativen (auf derselben geschnittenen Kontur) berücksichtigt. Unter Verwendung der Folge von Schnitten, die durch das TSP bestimmt sind, kann eine global optimale Route von Alternativen effizient identifiziert werden durch dynamisches Programmieren, wieder unter Verwendungen von Traversenbahnkosten als Kantengewichten.
Nachdem die TSP-Lösung die dynamisch optimale Route für den Schneidkopf bestimmt hat, bestimmen die Ausführungsbeispiele einen Satz von Instruktionen für die Steuervorrichtung der Schneidmaschine. Einige Steuervorrichtungen können nur Folgen von Liniensegmenten und manchmal kreisförmigen Bögen verarbeiten, und so nähert man sich bei einem Ausführungsbeispiel den durch die TSP-Lösung ausgewählten Bahnen durch eine Folge dieser geometrischen Grundformen an. Durch Anpassen dieser Grundformen an die Kurve besteht ein Kompromiss zwischen dem zu groben Abtasten der Kurve, was Bewegungsfehler bewirkt, und dem zu feinen Abtasten der Kurve, was die Steuervorrichtung überlastet und die gesamte Maschine verlangsamt. Ein Ausführungsbeispiel bestimmt gierig Grundformen mit der feinsten Abtastrate, die die Steuervorrichtung nicht überlastet, aber dieses Ausführungsbeispiel kann suboptimal sein. Ein alternatives Ausführungsbeispiel passt einen übervollständigen Satz von Grundformen an die Kurven der Bahnen an, so dass jeder Teil der Kurven durch mehrere überlappende Grundformen bedeckt ist. Dann werden dynamisches Programmieren oder andere Lösungen verwendet, um den Subsatz von angepassten Grundformen zu finden, die sich der Kurve ohne Überlastung der Steuervorrichtung am besten annähern.
Die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können in jeder von zahlreichen Weisen implementiert werden. Beispielsweise können die Ausführungsbeispiele unter Verwendung von Hardware, Software oder einer Kombination von diesen implementiert werden. Bei der Implementierung durch Software kann der Softwarecode auf jedem geeigneten Prozessor oder einer Sammlung von Prozessoren ausgeführt werden, ob in einem einzelnen Computer vorgesehen oder unter mehreren Computern verteilt. Derartige Prozessoren können als integrierte Schaltungen implementiert werden, mit einem oder mehreren Prozessoren in einer integrierten Schaltungskomponenten. Ein Prozessor kann unter Verwendung von Schaltungen in jedem geeigneten Format implementiert werden.
Weiterhin ist darauf hinzuweisen, dass ein Computer in jeder von einer Anzahl von Formen verkörpert sein kann, wie einem an einem Gestell befestigten Computer, einem Tischcomputer, einem Laptop-Computer, einem Minicomputer oder einem Tablet-Computer. Auch kann ein Computer eine oder mehrere Eingabe- und Ausgabevorrichtungen haben. Diese Vorrichtungen können unter anderem verwendet werden, um eine Benutzerschnittstelle darzustellen. Beispiele für Ausgabevorrichtungen, die verwendet werden können, um eine Benutzerschnittstelle zur Verfügung zu stellen, schließen Drucker oder Anzeigeschirme für eine visuelle Darstellung von Ausgangssignalen und Lautsprecher oder andere Tonerzeugungsvorrichtungen für eine hörbare Darstellung des Ausgangssignals ein. Beispiele für Eingabevorrichtungen, die für eine Benutzerschnittstelle verwendet werden können, enthalten Tastaturen und Zeigevorrichtungen, wie Mäuse, Touchpads und Digitalisierungstablets. Als ein anderes Beispiel kann ein Computer Eingangsinformationen durch Spracherkennung oder in einem anderen hörbaren Format empfangen.
Derartige Computer können durch ein oder mehrere Netzwerke in jeder geeigneten Form miteinander verbunden sein, enthaltend ein Local Area Network oder ein Wide Area Network, wie ein Unternehmensnetzwerk oder das Internet. Derartige Netzwerke können auf jeder geeigneten Technologie basieren und können jedem geeigneten Protokoll arbeiten und können Funknetzwerke, Leitungsnetzwerke oder Faseroptik-Netzwerke einschließen.
Auch können die hie umrissenen verschiedenen Verfahren oder Prozesse als Software kodiert sein, die durch einen oder mehrere Prozessoren ausführbar ist, die ein beliebiges aus einer Auswahl von Betriebssystemen oder Plattformen verwenden. Zusätzlich kann derartige Software unter Verwendung einer beliebigen einer Anzahl von geeigneten Programmiersprachen und/oder Programmier- oder Scripting-Werkzeugen geschrieben sein und kann auch als ausführbarer Maschinensprachencode oder Zwischencode kompiliert sein, der auf einem Framework oder einer virtuellen Maschine ausgeführt wird. In dieser Hinsicht kann die Erfindung als ein computerlesbares Speichermedium oder mehrere computerlesbare Medien verkörpert sein, z. B. ein Computerspeicher, Compact Discs (CD), optische Discs, Digital Video Discs (DVD), Magnetbänder und Flashspeicher. Alternativ oder zusätzlich kann die Erfindung als ein computerlesbares Medium, das ein anderes als ein computerlesbares Speichermedium ist, wie ein sich fortpflanzendes Signal, verkörpert sein.
Durch Computer ausführbare Instruktionen können in vielen Formen vorkommen, wie Programmmodule, die durch einen oder mehrere Computer oder andere Vorrichtungen ausgeführt werden. Im Allgemeinen enthalten Programmmodule Routinen, Programme, Objekte, Komponenten, Datenstrukturen, die bestimmte Aufgaben ausführen oder besondere abstrakte Datentypen implementieren. Typischerweise kann die Funktionalität der Programmmodule wie gewünscht in verschiedenen Ausführungsbeispielen kombiniert oder verteilt sein.
Auch können die Ausführungsbeispiele der Erfindung als ein Verfahren verkörpert sein, von dem ein Beispiel geliefert wurde. Die als Teil des Verfahrens durchgeführten Schritte können in jeder geeigneten Weise geordnet sein. Demgemäß können Ausführungsbeispiele gebildet werden, in denen die Schritte in einer anderen als der illustrierten Reihenfolge durchgeführt werden, die das gleichzeitige Durchführen von Schritten enthalten können, obgleich sie in den veranschaulichten Ausführungsbeispielen als aufeinanderfolgende Schritte gezeigt sind.

Claims

Verfahren zum Steuern einer Maschine gemäß einem Muster von unverbundenen Konturen, welches aufweist: Bestimmen eines Satzes von Kosten, die Operationen der Maschine entlang eines Satzes von Bahnen, die einen Satz von Austritts- und Eintrittspunkten auf den Konturen des Musters verbinden, darstellen, wobei jede Bahn eine Operation der Maschine, die sich von einem Austrittspunkt mit einer Austrittsgeschwindigkeit zu einem Eintrittspunkt mit einer Eintrittsgeschwindigkeit gemäß der Dynamik der Maschine bewegt, darstellt, wobei der Satz von Bahnen zumindest eine Bahn, die die Operation entlang einer Kontur mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, und zumindest eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an den entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, enthält; Bestimmen, auf der Grundlage der Kosten, einer Folge der Bahnen, die die Gesamtkosten der Operation der dem Muster folgenden Maschine optimiert; und Bestimmen eines Satzes von Instruktionen zum Steuern der Maschine gemäß der Folge, wobei die Schritte des Verfahrens durch einen Prozessor durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Bestimmen eines Geschwindigkeitsvektors für jeden Punkt in dem Satz von Austritts- und Eintrittspunkten auf der Grundlage einer Form einer Kontur an jedem Ort des Punktes und der Dynamik der Maschine; und Bestimmen der Kosten auf der Grundlage von Geschwindigkeitsvektoren der entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkte.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Bestimmen der Austrittsgeschwindigkeit und der Eintrittsgeschwindigkeit als eine maximale Geschwindigkeit, die geeignet ist für das Bearbeiten eines Segments einer Kontur, das den Austritts- und den Eintrittspunkt verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Bestimmen der Bahnen als dynamische optimale Bahnen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Bestimmen eines Satzes von Instruktionen aufweist: Anpassen eines übervollständigen Satzes von Bewegungsgrundformen an die Folge der Bahnen; und Auswählen, unter Verwendung von dynamischer Programmierung, eines Subsatzes der Bewegungsgrundformen aus dem Satz der Bewegungen, der die Gesamtkosten der Operation optimiert.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Bilden eines Diagramms, bei dem Knoten des Diagramms die Eintritts- und Austrittspunkte darstellen, Schnittkanten die Bahnen entlang der Konturen zwischen entsprechenden benachbarten Knoten darstellen und Traversenkanten die Bahnen zwischen Knoten auf verschiedenen Konturen darstellen; Bestimmen einer Route durch die Knoten, die Schnittkanten und zumindest einige Traversenkanten des Diagramms, derart, dass die Route die Gesamtkosten der Operation optimiert; und Bestimmen der Folge der Bahnen auf der Grundlage der Route.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die einzelnen Kosten eine Zeit der Operation entlang der Bahn darstellen und die Route die Zeit der Operation minimiert.
Verfahren nach Anspruch 6, weiterhin aufweisend: Bestimmen von Geschwindigkeitsvektoren für die Knoten auf der Grundlage einer maximalen Geschwindigkeit, die für die Bearbeitung der durch benachbarte Knoten gebildeten Schnittkanten geeignet ist; und Bestimmen der Traversenkanten, die die Knoten auf den verschiedenen Konturen verbinden, derart, dass die Traversenkante, die entsprechende Knoten verbindet, die Dynamik der Maschine, die entsprechende Geschwindigkeitsvektoren an den entsprechenden Knoten erzielt, darstellt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Satz von Bahnen zumindest zwei Bahnen enthält, die identische Austritts- und Eintrittsknoten verbinden, wobei die zumindest zwei Bahnen eine unterschiedliche Form haben, weiterhin aufweisend: gemeinsames Optimieren des Satzes von Kosten, um eine Form der Bahnen der Folge, eine Reihenfolge der Bahnen in der Folge und die Zeit der Operation gemäß jeder Bahn zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Auswählen eines Satzes von alternativen Bahnen für jede Bahn in der Route; und Aktualisieren der Route unter Verwendung eines Subsatzes des gemeinsamen Satzes von ursprünglichen und alternativen Bahnen auf der Grundlage der Kosten jeder Bahn unter Verwendung von dynamischer Programmierung.
Verfahren zum Steuern einer Laserschneidmaschine gemäß einem Muster von Konturen, welches aufweist: Bilden eines Diagramms, bei dem Knoten des Diagramms Eintritts- und Austrittspunkte auf den Konturen darstellen, Schnittkanten Schnitte entlang der Konturen zwischen benachbarten Knoten darstellen und Traversenkanten dynamisch optimale Bahnen zwischen Knoten auf verschiedenen Schnittkonturen darstellen; Bestimmen einer Route durch die Knoten, die Schnittkanten und zumindest einige Traversenkanten des Diagramms, derart, dass die Route die Gesamtkosten der Durchführung optimiert; und Umwandeln der Route in einen Satz von Instruktionen zum Steuern der Maschine, wobei die Schritte des Verfahrens von einem Prozessor durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die dynamischen optimalen Traversenbahnen auf eine Route um ”No-fly”-Zonen herum beschränkt sind.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Umwandeln aufweist: Anpassen eines übervollständigen Satzes von Bewegungsgrundformen an die Route; und Auswählen, unter Verwendung einer dynamischen Programmierung, eines Subsatzes der Bewegungsgrundformen aus dem Satz der Bewegungsgrundformen auf der Grundlage der Kosten der Bearbeitung jeder Bewegungsgrundform.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Diagramm ein Diagramm eines Handlungsreisenden-Problems (TSP) ist, welches weiterhin aufweist: Anwenden eines Mittels zum Lösen des TSP auf das Diagramm, während die Knoten und die Schnittkanten in eine Lösung gezwungen werden, um die Route zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Bilden enthält: Teilen der Konturen des Musters in einen Satz von Schnittkanten, wobei Endpunkte der Schnittkanten die Knoten des Diagramms bilden; Bestimmen eines Geschwindigkeitsvektors für jeden Knoten auf der Grundlage eines Profils einer Schnittkante entsprechend einem Knoten und einer maximalen Geschwindigkeit, die zum Schneiden der Schnittkante geeignet ist; und Bestimmen der Traversenkanten, die die Knoten auf den verschiedenen Konturen verbinden, derart, dass eine zwei Knoten verbindende Traversenkante die Dynamik der Maschine, die die Geschwindigkeitsvektoren der zwei Knoten erzielt, darstellt.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend: Bestimmen der Traversenkanten für benachbarte Knoten.
Verfahren nach Anspruch 11, weiterhin aufweisend: Bestimmen der Kosten der Durchführung entlang der Schnittkanten und der Traversenkanten, um einen Satz von Kosten zu erzeugen; Modifizieren des Satzes von Kosten gemäß einem Satz von Präferenzen; und gemeinsames Optimieren des Satzes von Kosten, um die Route, die die Gesamtkosten der Durchführung optimiert, zu bestimmen.
Laserschneidmaschine, welche aufweist: eine Laserschneidvorrichtung zum Schneiden eines Werkstücks gemäß einem Muster; ein Steuermodul zum Navigieren der Laserschneidvorrichtung gemäß einem Satz von Instruktionen, derart, dass die Laserschneidvorrichtung Schnittkanten und Traversenkanten ohne Anhalten folgt; und ein Bewegungsplanungsmodul zum Erzeugen des Satzes von Instruktionen auf der Grundlage des Musters, wobei der Satz von Instruktionen auf der Grundlage einer Route erzeugt wird, die die Gesamtkosten der Operation der dem Muster folgenden Laserschneidvorrichtung optimiert, wobei das Bewegungsplanungsmodul einen Satz von Schnittkanten und einen Satz von Traversenkanten bestimmt, wobei eine Bahn in dem Satz von Traversenkanten eine dynamisch optimale Bahn ist und wobei das Bewegungsplanungsmodul ein Mittel zum Lösen eines Handlungsreisenden-Problems (TSP) anwendet, um die Route zu erzeugen.
Laserschneidmaschine nach Anspruch 18, bei der die Traversenkanten auf Routen um ”No-fly”-Zonen beschränkt sind.
Laserschneidmaschine nach Anspruch 18, bei der der Satz von Instruktionen auf der Grundlage von Einpassen von Bewegungsgrundformen in die Route bestimmt ist.
Verfahren zum Bestimmen eines Satzes von Instruktionen zum Steuern einer Maschine gemäß einem Muster von unverbundenen Konturen, welches aufweist: Erwerben des Musters von unverbundenen Konturen und zumindest einer von dynamischen Eigenschaften der Maschine; und Erzeugen eines Satzes von Instruktionen zum Steuern der Maschine gemäß einer Folge der Bahnen, die die Gesamtkosten der Operation der dem Muster folgenden Maschine optimieren, wobei die Folge von Bahnen zumindest eine Bahn, die die Operation entlang einer Kontur mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, und zumindest eine Bahn, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen mit von null abweichenden Geschwindigkeiten an den entsprechenden Austritts- und Eintrittspunkten darstellt, enthält, wobei die Schritte des Verfahrens von einem Prozessor durchgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Dynamik der Maschine eine maximale Beschleunigung enthält.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem Satz von Instruktionen die Position, die Geschwindigkeit und ein Ein/Aus-Signal für die Bearbeitung des Werkstücks gemäß dem Muster steuert.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Maschine für die Verfolgung von Bahnen, die die Operation zwischen verschiedenen Konturen darstellen, nicht anhält.