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[Technisches Gebiet]
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Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Bewegen einer Laserschneidvorrichtung gemäß einem Muster, um Ausschnitte aus einem Blattmaterial zu schneiden, und insbesondere auf das Bewegen der Laserschneidvorrichtung entlang Umgehungen, um Kollisionen zwischen dem Schneidkopf und vorher aus dem Material ausgeschnittenen Ausschnitten zu vermeiden
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[Stand der Technik]
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Laserschneiden von Blattmaterial
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Das Schneiden von Ausschnitten aus Blattmaterial gemäß einem Muster ist ein üblicher Herstellungsvorgang. Allgemein wird ein Laserschneidkopf in einer umgrenzten Ebene entlang orthogonaler Achsen bewegt. Laserschneidvorrichtungen dieses Typs werden häufig verwendet, um getrennte Ausschnitte aus Kunststoff- und Metallblättern verschiedener Dicke zu schneiden. Die Steuerung der Laserschneidvorrichtung wird üblicherweise durch eine computerunterstützte numerische Steuervorrichtung (CNC) durchgeführt, die einer vorgeschriebenen Instruktionsliste, die als ”NC-Code” oder ”G-Code” bekannt ist, folgt.
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Zwei Typen von Laserschneidkopfbewegungen werden typischerweise verwendet. Eine reine Verschiebungs- oder seitliche Bewegung kann durch eine sehr schnelle seitliche Bewegung in der Ebene des Materials durchgeführt werden, während der Laser kontinuierlich eingeschaltet ist. Dieser Typ von Bewegung wird bevorzugt.
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Aufwärts/Abwärts-Bewegungen des Kopfes sind relativ langsam. Dieser Typ von Bewegung erfordert gewöhnlich das Anhalten des Schneidkopfes und das AUS/EIN-Schalten des Lasers, während die Aufwärts/Abwärts-Bewegung des Kopfes durchgeführt wird. Daher sollte dieser Typ von Bewegung soweit wie möglich vermieden werden, um die Herstellungszeit zu minimieren. Daher werden zwei Typen von Grundbewegungen definiert, die schnelle seitliche Bewegung und die langsame Aufwärts/Abwärts-Bewegung.
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Geschlossene und verschachtelte Ausschnitte
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Ein Teil ist definiert durch ein Muster von Linien, gerade oder gekrümmt, denen durch den Laserschneidkopf gefolgt wird, wie durch die Instruktionen des Codes bestimmt ist. Ein Ausschnitt ist durch eine oder mehrere verbundene Linien definiert, und das Teil ist durch einen Satz von einem oder mehreren Ausschnitten definiert. Häufig sind die Ausschnitte verschachtelt. Die Linien einiger Ausschnitte sind geschlossen, so dass der Ausschnitt aus dem Material ausgeschnitten werden kann. Nicht geschlossene Schnitte, z. B. Schlitze, entlang der Kanten des Musters können auch geschnitten werden.
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CAD/CAM und G-Code
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Das Teil und der Satz von Ausschnitten sind üblicherweise als eine Datei für rechnergestütztes Design (CAD) bestimmt. Beispielsweise ist ein übliches CAD-Dateiformat das Zeichnungswechsel-Dateiformt (DXF). Eine derartige Datei enthält häufig Spezifikationen für individuelle Teile, die unter Verwendung von assoziierten Skalen, Drehungen und Translationen wiederholt werden können. Um die Materialausnutzung zu maximieren, wird häufig rechnergestütztes Verschachteln (CAN) durchgeführt, um den Satz von Teienl in einer minimalen Materialmenge automatisch zu positionieren. Nachdem die Geometrie sämtlicher Teile bestimmt ist, was als ein ”Job” bezeichnet wird, kann ein rechnergestütztes Herstellungsprogramm (CAM) verwendet werden, um die tatsächlichen Instruktionen des G-Codes zu erzeugen, damit die Ausführung des Jobs bewirkt wird. Die CAM-Ausgabe ist nahezu immer spezifisch für die Laserschneidvorrichtung, die die G-Code-Instruktionen durchführt.
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Kollisionen
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Das Blattmaterial kann horizontal auf einer Stützstruktur angeordnet sein. Die Stützstruktur hat gewöhnlich im gegenseitigen Abstand angeordnete, vertikale Stangen oder Stifte, um aus dem Material geschnittenen Ausschnitten zu ermöglichen, hindurchzufallen und aus dem Arbeitsbereich entfernt zu werden. Es kann sein, dass große oder unregelmäßig geformte Ausschnitte nicht durch die Stützstruktur fallen und möglicherweise mit dem Schneidkopf kollidieren. Dies stellt ein Problem dar. Derartige Kollisionen können sehr kostenaufwendig sein aufgrund der komplizierten Natur des Schneidkopfes und der Reparaturzeit, wodurch es sehr wichtig ist, vorher geschnittene Ausschnitte zu meiden, so dass der Arbeitsprozess nicht unterbrochen wird.
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Aufwärts/Abwärts-Bewegung des Kopfes
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Eine Lösung vermeidet mögliche Kollisionen mit vorher geschnittenen Ausschnitten durch Anheben des Schneidkopfs nach jedem Schnitt, seitliches Bewegen zu dem nächsten zu schneidenden Ausschnitt, und dann Zurückführen des Kopfes in die Abwärtsposition. Jedoch sind die Aufwärts- und Abwärtsbewegungen des Kopfes offenkundig langsam im Vergleich zu den seitlichen Bewegungen, wodurch dem Job beträchtliche Zeit und Komplexität hinzugefügt wird, so dass sich die Kosten erhöhen und die Effizienz verringert wird. Daher ist dieses Verfahren der Kollisionsvermeidung suboptimal.
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Das
US-Patent 6 609 044 bestimmt einen Begrenzungsrahmen um jeden zu schneidenden Ausschnitt und stellt sicher, dass der Schneidkopf den Begrenzungsrahmen nicht kreuzt. Obgleich dieses Verfahren wirksam ist, Kollisionen ohne die Verwendung von langsamen Aufwärts/Abwärts-Bewegungen des Kopfes zu vermeiden, ist die Verwendung eines Begrenzungsrahmens für viele übliche Muster sehr ineffizient.
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Das
US-Patent 7 702 416 verwendet eine Zeichnungsspezifikation für die Bewegungssteuerung beispielsweise einer Schneidmaschine. Elemente in der Zeichnung sind geordnet gemäß beispielsweise einer Verschachtelung oder eines Abstands von der Mitte der Zeichnungsspezifikation. Ein Code wird erzeugt zum Implementieren einer Bewegungssteuerung auf der Grundlage der identifizierten Elemente und der Ordnung. Der allgemeine Code kann eingefügte Operationen wie Anheben, Absenken und Bewegungsoperationen enthalten.
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Aufbereiten
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Es gibt zwei grundsätzliche Aufbereitungstechniken, Rasterung und Strahlenverfolgung. Beide Techniken verwenden typischerweise einen Rahmenpuffer. Ein Rahmenpuffer ist ein Feld, das in einem Speicher gespeichert ist. Adressen des Feldes entsprechen Koordinaten von Pixeln in dem zu erzeugenden Bild. Den Pixeln können Werte zugeteilt werden, wie Intensitäten, Farben, Durchlässigkeit, Undurchlässigkeit und dergleichen. Beim herkömmlichen Aufbereiten beziehen sich die Werte auf die visuelle Erscheinung dessen, was aufbereitet wird.
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Das Rastern wandelt eine 2D-Bild-Raumdarstellung von Ausschnitten in einer Szene in ein Rasterformat um, und die sich ergebenden Pixelwerte werden bestimmt. Wenn eine Grafikpipeline verwendet wird, wird ein Strom aus Polygonen, z. B. Dreiecken mit Scheitelpunkten, Kanten und Flächen in die Pixelwerte in einem Feld umgewandelt.
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Bei der Strahlenverfolgung wird die Szene Pixel für Pixel analysiert, indem Strahlen von einem Betrachtungspunkt aus ausgestrahlt werden. Wenn Szenemerkmale gekreuzt werden, werden die Pixelwerte ausgewertet, beispielsweise wird der Farbwert des Merkmals an dem Kreuzungspunkt der Wert dieses Pixels in dem Feld. Den Pixeln können wieder Erscheinungswerte wie Intensitäten, Farben, Durchlässigkeit, Undurchlässigkeit und dergleichen zugeteilt werden.
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[Zusammenfassung der Erfindung]
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Während des Laserschneidens kann es passieren, dass große oder unregelmäßig geformte Ausschnitte nicht durch eine Stützstruktur hindurchfallen, wenn Teile geschnitten werden. Dies ist ein Problem, da der Schneidkopf möglicherweise mit Ausschnitten kollidieren kann.
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Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sehen eine Lösung des vorgenannten Problems vor, indem der Schneidkopf entlang Umgehungen so bewegt wird, dass bereits geschnittene Ausschnitte gemieden werden.
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Orte in einem Muster eines Teils werden ausgewertet, um zu bestimmen, ob die Orte innerhalb oder außerhalb eines aus dem Muster auszuschneidenden Ausschnitts sind. Das Muster wird verwendet, um den Ausschnitt durch eine Laserschneidmaschine aus einem Material zu schneiden. Wenn die Orte alle innerhalb sind, dann sind die Orte Teil eines zu schneidenden Ausschnitts, andernfalls sind sie dies nicht, und die Orte können verwendet werden, um das Teil zu umgehen, nachdem das Teil geschnitten ist.
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In dem Ausschnitt wird in ein in einem Speicher gespeichertes Feld so aufbereitet, dass ein an einer Adresse in dem Feld, die Koordinaten des Ortes entspricht, gespeicherter Wert, der durch einen Zählprozess des Aufbereitens bestimmt wird, entweder ungeradzahlig oder geradzahlig ist.
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Dann wird der Ort als innerhalb identifiziert, wenn der Wert ungeradzahlig ist, und als außerhalb, wenn der Wert geradzahlig ist. Das Aufbereiten kann modifizierte Formen entweder der Rasterung oder der Strahlenverfolgung bilden.
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Als ein Vorteil kann das Aufbereiten in einer Grafikprozessoreinheit oder einer Aufbereitungspipeline durchgeführt werden, um die Verarbeitung gegenüber herkömmlichen Verfahren zu beschleunigen.
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Die Laserschneidvorrichtung kann um Ausschnitte, die vorher von einer Laserschneidmaschine gemäß einem Muster aus einem Material ausgeschnitten wurden, unter Verwendung der bestimmten Orte herumgeführt werden. Ein hierarchischer Verschachtelungsbaum, der einer Verschachtelungsreihenfolge sämtlicher Ausschnitte entspricht, wird gemäß der Prüfung gebildet, wobei jeder Knoten in dem Baum einen Ausschnitt darstellt, und eine Wurzel des Baums einer Kombination der Ausschnitte entspricht. Die Ausschnitte werden dann gemäß der Verschachtelungsreihenfolge geschnitten, während die vorher aus dem Material geschnittenen Ausschnitte umgangen werden.
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[Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
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1 ist eine schematische Ansicht eines Musters, das ein aus einem Blattmaterial zu schneidendes Teil veranschaulicht, gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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2 ist eine schematische Darstellung eines Laserschneidsystems zum Schneiden von auf einer Stützstruktur gestütztem Material gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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3 ist eine schematische Darstellung von Vorverarbeitungs-Kreuzungslinien in dem Muster gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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4A ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen, ob Orte innerhalb oder außerhalb eines Ausschnitts sind, unter Verwendung eines Rasterungsaufbereitungsprozesses gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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4B ist eine schematische Darstellung von Ergebnissen für einen Zählprozess für die Rasterung für Abtastorte gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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4C ist eine schematische Darstellung von Ergebnissen für einen Zählprozess für die Rasterung für Abtastorte gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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5A ist ein Flussdiagramm für ein Verfahren zum Bestimmen, ob Orte innerhalb oder außerhalb eines Ausschnitts sind, unter Verwendung eines Strahlenverfolgungs-Aufbereitungsprozesses gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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5B ist eine schematische Darstellung von Ergebnissen eines Zählprozesses für die Strahlenverfolgung für Abtastorte gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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6 ist eine schematische Darstellung eines beispielhaften Teils mit verschachtelten Ausschnitten und einer entsprechenden hierarchischen Baumstruktur, die eine Verschachtelungsreihenfolge für das beispielhafte Teil definiert, gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung;
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7(a) bis 7(c) sind schematische Darstellungen des Umgehens durch einen Schneidkopf, um vorher geschnittene Ausschnitte zu meiden, gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung; und
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8 ist eine schematische Darstellung zum Erzeugen und Löschen von Verbindungen zwischen Ausschnitten und einem Material, um vorher geschnittene Ausschnitte zu meiden, gemäß den Ausführungsbeispielen der Erfindung.
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[Beschreibung von Ausführungsbeispielen]
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Teil, Muster und Ausschnitte
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1 zeigt ein Muster für ein aus einem Blatt 20 aus Material unter Verwendung einer Laserschneidvorrichtung 90 auszuschneidendes Teil 10. Muster werden typischerweise aus einer CAD/CAN/CAM-Datei ausgelesen, die die individuellen Komponenten bestimmt, z. B. Bögen, Linien oder Kreise unter anderen Möglichkeiten. Typischerweise ist das Blatt auf eine Stützstruktur gelegt. Bei einigen Anwendungen kann die Struktur mehrere Blätter stützen, die alle gleichzeitig geschnitten werden. Die Stützstruktur enthält typischerweise im gegenseitigen Abstand angeordnete vertikale Teile, so dass Verschnittmaterial entfernt werden kann, um eine Kollision mit dem Schneidkopf zu vermeiden.
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Das Teil ist durch einen äußeren Umriss 30 und innere Umrisse 40 von zu schneidenden und von dem Material zu entfernenden Ausschnitten definiert. Die Umrisse sind durch gerade oder gekrümmte Linien gebildet. Einige Ausschnitte 50 können nicht durch die Stützstruktur hindurchfallen, da die Ausschnitte größer als der freie Abstand in der Stützstruktur sind oder unregelmäßige Formen haben, die sich an den Kanten der Stützstruktur verfangen können. In jedem Fall können derartige Ausschnitte mit dem Schneidkopf kollidieren.
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Übersicht über Laserschneidsystem
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2 zeigt den vorstehenden Ausschnitt 50 im Wesentlichen senkrecht zu einer Ebene des Blatts 20 auf der Stützstruktur 60. Da der freie Abstand 201 in der Stützstruktur zu klein ist, kann der Ausschnitt nicht entfernt werden und mit dem Schneidkopf 90 kollidieren. Dies kann auch bei unregelmäßig geformten Ausschnitten auftreten, die mit dem Teil oder der Stützstruktur in Eingriff treten.
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2 zeigt auch, wie ein Muster 401, Ausschnitt(e) 411 und Ort(e) 402 in ein Verfahren 200 eingegeben werden können, das in einem Prozessor 210 durchgeführt wird, um zu bestimmen, ob ein Ort innerhalb oder außerhalb des Ausschnitts ist, wie nachfolgend im Einzelnen beschrieben wird. Der Prozessor enthält einen Speicher und Eingabe/Ausgabe-Schnittstellen, wie im Stand der Technik bekannt ist. Der Speicher kann ein Feld der Orte mit assoziierten Werten speichern, wie hier beschrieben wird.
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Die Anzeigen über innerhalb/außerhalb können verwendet werden, um die Bewegung des Schneidkopfes 90 zu steuern, so dass vorher geschnittene Ausschnitte gemieden werden können. Die Bewegung kann durch eine Steuervorrichtung 95 durchgeführt werden. Die Steuervorrichtung kann den Kopf seitlich/aufwärts/abwärts bewegen und den Laser ein- und ausschalten. Es kann auch ein angebrachter kapazitiver Sensor 92 vorgesehen sein, um den genauen Ort des Sensors oberhalb des zu schneidenden Materials zurückzuführen.
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Die Bewegung kann auch verschachtelte Ausschnitte berücksichtigen sowie Verbindungen zwischen teilweise geschnittenen Ausschnitten und dem Material, so dass Ausschnitte durch die Verbindung in ihrer Lage gehalten werden können, während andere Ausschnitte geschnitten werden, bis es sicher ist, die Verbindung von dem teilweise geschnittenen Ausschnitt zu entfernen.
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Mehrere Orte können für einen oder mehrere Ausschnitte geprüft werden. Zusätzlich können die Orte relativ zu den Ausschnitten auch verwendet werden, um zu bestimmen, ob einige Ausschnitte innerhalb anderer Ausschnitte verschachtelt sind, wie auch nachstehend beschrieben wird. Dies kann das Umgehen durch den Schneidkopf unterstützen.
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Aufgrund der mit Kollisionen verbundenen potentiellen Kosten ist es sehr erwünscht, Kopfbewegungen zu vermeiden, die zu Kollisionen führen können. Wir beschreiben zuerst zwei Verfahren, um innere und äußere Orte relativ zu einem zu schneidenden geschlossenen Ausschnitt genau zu identifizieren. Nachfolgend beschreiben wir auch Verfahren und Lösungen, durch die der Laserschneidkopf um Flächen, in denen Kollisionen potentiell auftreten können, herumgeht.
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Identifizierung des Ortes als innerhalb/außerhalb
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Wir beschreiben zwei Ausführungsbeispiele eines Verfahrens, das die Auswertung von Orten innerhalb des zu prüfenden Teils dahingehend ermöglicht, ob sie von einem beliebig geschlossenen Ausschnitt umschlossen sind. Mit diesen Ausführungsbeispielen ist es jetzt möglich, jeweils das Folgende durchzuführen:
- (a) Bestimmen einer genauen Form und Position eines aus dem Blatt auszuschneidenden Ausschnitts;
- (b) Bestimmen eines Verschachtelungsmusters für das Teil, d. h., welche Ausschnitte innerhalb anderer Ausschnitte verschachtelt sind;
- (c) Bestimmen einer Schneidreihenfolge für die Ausschnitte; und
- (d) Zurückbehalten von Verbindungen zwischen Ausschnitten, die teilweise aus dem Material geschnitten sind.
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Durch Verwendung (a) ist es möglich, zu meidende Orte, wenn der Schneidkopf bewegt wird, zu identifizieren. Durch Verwendung von (b) können die verschachtelten Ausschnitte in eine Schneidreihenfolge gesetzt werden, um zu vermeiden, dass Schnitte innerhalb vorher geschnittener Ausschnitte durchgeführt werden, was zu Kollisionen führen kann, und Verbindungen zurückgehalten werden, um teilweise geschnittene Ausschnitte in ihrer Lage zu halten, bis es sicher ist, die Ausschnitte auszuschneiden.
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Aufbereiten
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Beide Verfahren verwenden einen Aufbereitungsprozess, der für die Ausschnitte angewendet wird. Ein Aufbereitungsprozess verwendet eine Rasterung, und der andere eine Strahlenverfolgung. Die Aufbereitung ist aus Grafikaufbereitungstechniken angepasst, wie vorstehend beschrieben ist. Jedoch speichern anstelle der Erzeugung von Pixelerscheinungswerten für das Feld in dem Rahmenpuffer die ”Pixel” Werte, die anzeigen, ob Orte entsprechend bestimmten Feldkoordinaten innerhalb oder außerhalb eines Ausschnitts sind. Dies hat nichts mit der aus dem Aufbereiten nach dem Stand der Technik bekannten Erscheinung zu tun.
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Rasterung
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Das erste Ausführungsbeispiel für die Aufbereitung verwendet die Rasterung. Die Rasterung bildet Polygone auf einer Bildebene ab, oder ein Feld von (Pixel)-Werten. Typischerweise werden die Polygone als Sammlungen von Dreiecken dargestellt. Die Dreiecke werden durch drei Scheitelpunkte dargestellt. Auf einem sehr grundsätzlichen Pegel nehmen Rasterungsvorrichtungen wie eine Aufbereitungspipeline einfach den Strom von Scheitelpunkten und füllen die Pixel in den Dreiecken angemessen.
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Das zweite Ausführungsbeispiel verwendet die Strahlenverfolgung für die Aufbereitung. Das Strahlenverfolgen verfolgt einen Pfad von einem Ort entlang der (Betrachtungs)-Richtung des Strahls in der Materialebene und bestimmt Kreuzungen mit dem Ausschnitt, wie Kreuzungsgrenzen (Umrisse).
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Die Adressen in dem Feld entsprechen den Koordinaten der Orte in dem Blattmaterial. Beide Aufbereitungsverfahren setzen Werte in dem Feld durch einen Zählprozess auf entweder ungeradzahlig oder geradzahlig, wie hier beschrieben ist. Die ungeradzahligen und geradzahligen Werte sind mit inneren bzw. äußeren Orten assoziiert. Die inneren und äußeren ungeradzahligen/geradzahligen Anzeigen können verwendet werden, um die Bewegung der Laserschneidvorrichtung zu steuern. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Bedeutung der ungeradzahligen/geradzahligen Werte in Abhängigkeit von dem verwendeten anfänglichen Wert umgekehrt werden können.
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Vorverarbeitung von sich kreuzenden Linien
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Vor der Aufbereitung wird, wie in 3 gezeigt ist, das Muster für das Teil wie folgt vorverarbeitet. Wenn sich zwei Linien 301 schneiden, werden die sich schneidenden Linien an dem Kreuzungspunkt 303 der beiden Linien geteilt, um vier neue kürzere Linien 302 zu bilden. Überlappende Linien oder Liniensegmente werden entfernt. Die Vorverarbeitung erlaubt eine genaue Bildung von getrennten Ausschnitten.
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Identifizieren von Ausschnitten
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Ausschnitte in dem Muster können in jeder Anzahl von Wegen identifiziert werden. Ein Weg beginnt an einem am weitesten rechts liegenden Ort einer Vereinigung von allen Dingen in dem Muster, z. B. Linien, und überquert das Muster durch Aufsuchen nachfolgender Linienendpunkte in einer konsistenten Weise.
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Wenn kein neuer Ort aufgesucht werden kann, der ein anderer als der vorhergehende Ort ist, wird der Ausschnitt als ein offener Ausschnitt identifiziert, und assoziierte Linien werden von dem Ausschnitt entfernt. Wenn ein vorher aufgesuchter Ort getroffen wird, wird der Ausschnitt als geschlossen markiert. Auf diese Weise ist ein Paar von Ausschnitten entweder verschachtelt oder getrennt, obgleich die Merkmale möglicherweise Teile ihrer Umrisse miteinander teilen können.
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Zusätzlich haben nach diesem Prozess geschlossene Ausschnitte jetzt minimal gerade einen Umriss. Andere Vorverarbeitungsverfahren sind möglich in Abhängigkeit von der Anwendung.
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Rasterung
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4A zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Bestimmen, ob Orte 402 innerhalb oder außerhalb des Ausschnitts 411 eines von der Laserschneidmaschine 90 verwendeten Musters 401 sind. Von besonderem Interesse sind Ausschnitte innerhalb eines geschlossenen Umrisses (geschlossene Ausschnitte). Geschlossene Ausschnitte sind nach dem Schneiden zu meiden. Der Ausschnitt 411 und der zu verarbeitende Ort 402 werden ausgewählt 410.
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Bei der auf Rasterung basierenden Aufbereitung 400 wird der Umriss des Ausschnitts durch eine Liste von Umrissscheitelpunkten 221 dargestellt 420. Wie hier allgemein verwendet wird, ist eine Liste irgendein geordneter Satz von Gegenständen. Die Scheitelpunkte können entlang des Umrisses in gleichen Abständen angeordnet sein, obgleich dies nicht erforderlich ist.
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Eine Liste von Polygonen, z. B. Dreiecken 431 ist gebildet 430 unter Verwendung der Umrissscheitelpunkte. Die Polygone werden gerastert 440 als ein in einem Speicher gespeichertes Feld 441. Während der Rasterung wird die Anzahl von Malen, die ein Ort gerastert wird, gezählt, wie vorstehend beschrieben ist. Dies kann mittels einer Grafikverarbeitungseinheit (GPU) erfolgen, bei der die Durchführung extrem schnell ist. Das Feld hat Adressen, die Koordinaten der Orte entsprechen. Jeder Ort entspricht einem Pixel 450. Dann kann bestimmt werden 450, ob der Ort 402 innerhalb oder außerhalb des Ausschnitts 411 ist, indem der Wert des Felds 441 an dem entsprechenden Ort 402 geprüft wird.
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Bei dem Aufbereitungsausführungsbeispiel werden Linien in dem Muster, die mit dem Ausschnitt assoziiert sind, durch Scheitelpunkte so dargestellt, dass stückweise gerade Liniensegmente zwischen zwei benachbarten Scheitelpunkten die Linien annähern.
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Die Scheitelpunkte werden verwendet, um die Liste von Polygonen (Dreiecken), die genau alle Orte innerhalb des Ausschnitts bedecken, zu bilden. Der Weg, auf dem die Dreiecke gebildet werden, ist beliebig.
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Die 4B–4C zeigen beispielhafte Komponenten, die verwendet werden, um eine Liste von (übertriebenen) tesselierten Dreiecken zu bilden. Die Komponenten wurden unter Verwendung des Rasterungsverfahrens aufbereitet, um effektive innere und äußere Orte zu bestimmen. Der Pegel der Tesselierung kann gesteuert werden, um stückweise lineare Annäherungen an eine beliebige Genauigkeit zu steuern – bis zu digitalen Darstellungsgrenzen.
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Die Liste von Dreiecken wird in das Feld aufbereitet. Effektiv kann jede Adresse in dem Feld auf ein Pixel 450 bezogen werden. Die Pixel werden wie folgt gehandhabt.
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Anfänglich ist der Wert an jeder Feldadresse gleich null oder einem anderen bekannten Wert. Eine mögliche Aufbereitungstechnik zählt die Anzahl von Malen, die ein bestimmtes Pixel (Ort) 450 innerhalb eines aufbereiteten Dreiecks ist, siehe beispielsweise 4B–4C. Die Zählwerte werden innerhalb der Pixel gezeigt, d. h., die Adressen in dem Feld entsprechend den Orten.
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Dies kann durch Inkrementieren der an dem Pixel gespeicherten Werte erfolgen. Eine andere Aufbereitungstechnik verwendet ein einzelnes Bit an jeder Adresse und invertiert den Wert (0 oder 1) jedes Mal, wenn das Pixel als Teil eines Dreiecks aufbereitet wird. Sowohl das Inkrementieren als auch das Invertieren können als ein Zählprozess betrachtet werden, wobei das Invertieren eines Bits in der Basis 2-Arithmetik zählt.
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In jedem Fall haben, nachdem der Ausschnitt aufbereitet wurde, die Adressen entweder ungeradzahlige oder geradzahlige Werte aufgrund unseres Zählprozesses. Die ungeradzahligen und geradzahligen Werte entsprechen den inneren bzw. äußeren Orten. Die Werte können verwendet werden, um die Bewegung des Schneidkopfes zu planen und zu steuern.
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Die 4B–4C zeigen sich ergebende ungeradzahlige/geradzahlige Zählwerte für beispielhafte Orte und Dreiecke, die von dem Zählprozess für die Aufbereitung verwendet werden.
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Strahlenverfolgung
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Wie in 5A gezeigt ist, ist das zweite Ausführungsbeispiel ähnlich dem ersten Ausführungsbeispiel, insoweit ein Zählprozess verwendet wird, um Feldwerte während des Aufbereitens zu bestimmen. Jedoch verwendet anstelle der Rasterung von Polygonen das zweite Ausführungsbeispiel eine Strahlenverfolgung während des Aufbereitens 400.
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Wie vorstehend werden der Ausschnitt 411 und der 2D-Ort 402 ausgewählt. Zumindest ein Strahl 521 wird von dem Ort in einer beliebigen (Betrachtungs)-Richtung gestrahlt 520. Jede Kreuzung zwischen dem Strahl und irgendeinem Umriss des Ausschnitts wird erfasst 530 und gezählt, siehe beispielsweise 5B. Dann wird auf der Grundlage der erfassten Anzahl von Kreuzungen bestimmt 540, ob der 2D-Ort innerhalb des Ausschnitts ist.
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Die Erfassung verwendet wie vorstehend den in dem Speicher gespeicherten Wert des Felds. Die Werte werden auf null initialisiert. Die Strahlen können in beliebigen Richtungen gerichtet werden. Zweckmäßig begrenzen die Größen der Strahlen den Strahl innerhalb des Musters plus einen kleinen Spielraum. Wenn der Strahl eine ungeradzahlige Anzahl von Kreuzungen hat, ist der Ort innerhalb, anderenfalls ist der Ort außerhalb.
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Um zu bestimmen, ob ein bestimmter Ort innerhalb des Ausschnitts enthalten ist, braucht nur ein einzelner Strahl ausgestrahlt zu werden. Wenn der Strahl den Ausschnittsumriss nur einmal (ungeradzahlig) kreuzt, muss der Ort innerhalb sein, wenn zweimal, dann ist der Zählwert geradzahlig und der Ort ist innerhalb. Analytische Techniken können in vielen Fällen verwendet werden, um die Kreuzung zwischen dem Strahl und Linien des Ausschnitts, z. B. Bögen und Linien zu bestimmen. In dem Fall, dass der geschlossene Ausschnitt aus Kurven höherer Ordnung zusammengesetzt ist, können iterative Verfahren verwendet werden, um die Anzahl von Kreuzungen zu zählen.
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5B zeigt sich ergebende ungeradzahlige/geradzahlige Werte von Pixeln für Orte in einer Beispielskomponente und durch den Zählprozess für Strahlenverfolgung verwendete Strahlen. 5B ist für dieselbe Komponente wie in 4C gezeigt, aber dieses Mal unter Verwendung der Rasterung aufbereitet.
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Schneidkopf mit kapazitivem Sensor
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Manchmal ist es nicht ausreichend, einen einzelnen Ort als entweder innerhalb oder außerhalb eines gegebenen Ausschnitts zu berücksichtigen, da einige Laserschneidköpfe eine Toleranz haben, mit der der Kopf sich über Spalte in dem geschnittenen Material erstrecken kann. Dies ist der Fall bei Laserschneidköpfen, die den angebrachten kapazitiven Sensor 92 haben, um eine geometrische Beziehung zwischen dem Kopf und dem Material, z. B. Abstand und Ort zu bestimmen. Hier ist es häufig der Fall, dass ein vorbestimmter Bereich des kapazitiven Sensors über Material ist, beispielsweise kann der Bereich etwa 50% oder mehr betragen.
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Das gegenwärtige Verfahren kann verbessert werden, um derartige Situationen durch Berücksichtigung einer Nachbarschaft von Orten um die Kopfposition und direkt unter dem kapazitiven Sensor der Laserschneidvorrichtung zu handhaben. Wenn der Prozentsatz von Orte in der Nachbarschaft, die als außerhalb des Ausschnitts betrachtet werden, einen minimalen Schwellenwert überschreitet, dann kann die Kopfposition als sicher für die Zentrierung des Laserschneidkopfes angesehen werden.
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Behandlung von Problembereichen durch Umgehungen
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Nach der Identifizierung von Ausschnitten kann bestimmt werden, derartige Bereiche zu meiden, indem eine ”Umgehungstrategie” angewendet wird. Optimal vermeidet die Umgehungsstrategie die Verwendung langsamer Kopfaufwärts- und Kopfabwärtsbewegungen. Wir beschreiben die folgenden Verfahren, die sowohl Kollisionen als auch Aufwärts/Abwärts-Bewegungen des Kopfes vermeiden.
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Obgleich wir unsere Erfindung mit Bezug auf Materialbereiche beschreiben, die aufgrund des Vorhandenseins von Abfallmaterial, das zu einer Kollision mit dem Laserschneidkopf führen kann, gemieden werden sollten, kann es zusätzliche Materialbereiche geben, die von dem Laserschneidkopf gemieden werden sollten.
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Derartige Bereiche, die wir allgemein als ”Nichtbegehungszonen” bezeichnen, können auch unter Verwendung der in den folgenden Erfindungen beschriebenen Verfahren umgangen werden. Die Nichtbegehungszonen können durch die wie vorstehenden bestimmten Orte spezifiziert werden. Orte des Pfads, die die Nichtbegehungszonen kreuzen und verletzen, werden so gemieden und entfernt, dass die Laserschneidvorrichtung die Nichtbegehungszone umgeht, wenn seitliche Bewegungen durchgeführt werden, während die Ausschnitte geschnitten werden.
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Schneiden gemäß Verschachtelungsreihenfolge
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Wenn alle Orte innerhalb eines geschlossenen Ausschnitts bestimmt sind, dann ist es möglich, zu bestimmen, ob ein Ausschnitt mit einem anderen Ausschnitt verschachtelt ist.
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Unter Verwendung der vorbeschriebenen Aufbereitungsverfahren werden einer, einige oder alle Orte auf der Grenze des Ausschnitts auf einen Einschluss geprüft. Wenn ein bestimmter Ausschnitt in irgendeinem anderen Ausschnitt enthalten ist, ist er vollständig innerhalb des anderen Ausschnitts. Wenn jeder Ausschnitt auf Einschluss in jedem anderen Ausschnitt geprüft wird, kann ein hierarchischer Verschachtelungsbaum gebildet werden, der der Verschachtelungsbeziehung zwischen allen Ausschnitten in einem Muster entspricht. In dem Baum stellt jeder Knoten einen Ausschnitt dar, und eine Wurzel des Baums entspricht dem Teil oder einer anderen Sammlung der Ausschnitte.
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6 zeigt eine beispielhafte Verschachtelungsbeziehung, bei der Ausschnitten 601–603 jeweils innerhalb des Ausschnitts 600 verschachtelt sind, und der Ausschnitt4 604 ist innerhalb des Ausschnitts2 602 verschachtelt. Die Verschachtelungsreihenfolge der mehreren Ausschnitte bestimmt, wie die Umgehung durch den Schneidkopf erfolgt.
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Nachdem die Verschachtelungsbeziehung zwischen den Ausschnitten in einem Teil bekannt ist, kann eine Schnittreihenfolge zum Vermeiden von Kollisionen bestimmt werden. Die Schnittreihenfolge folgt einer inversen Hierarchie des Baums, d. h., die Ausschnitte werden in einer Reihenfolge von ”unten nach oben” des Baums geschnitten, und Ausschnitte auf demselben Pegel des Baums können in einer beliebigen Reihenfolge oder einer vorbestimmten Reihenfolge wie nachfolgend beschrieben geschnitten werden.
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Dieses Verfahren ist unzureichend, um alle Kollisionen zu vermeiden, aber es ist erforderlich, eine ordnungsgemäße Reihenfolge für das Schneiden von Ausschnitten sicherzustellen. Ein Verfahren zum Erzeugen einer Schnittreihenfolge, das der Verschachtelungsreihenfolge gehorcht, ist das Durchführen einer ersten Tiefensuche eines geordneten Stapels derart, dass jeder Ausschnitt zu der Schneidliste hinzugefügt wird, wenn er von einem Stapel mit letzter Eingabe und erster Ausgabe ausgegeben wird.
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Grenzumgehung
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Ausschnitte, die keine spezifische Verschachtelungsbeziehung mit anderen Ausschnitten haben, sind auch eine potentielle Quelle für Kollisionen, wenn seitliche Schneidkopfbewegungen zwischen Ausschnitten durchgeführt werden. In derartigen Fällen können potentielle Kollisionen bestimmt werden durch Berücksichtigung, ob Orte entlang der Pfade seitlicher Bewegung ständig innerhalb eines Ausschnitts liegen, der vorher geschnitten wurde.
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Wenn ein derartiger Fall auftritt, wird eine Umgehungsstrategie angewendet. Wie vorher beschrieben wurde, enthält eine Umgehungsstrategie das Ausschalten des Lasers, gefolgt durch eine Aufwärtsbewegung des Laserkopfes in eine sichere Höhe, Durchführen der schnellen seitlichen Bewegung, und dann eine Abwärtsbewegung des Kopfes und Einschalten des Lasers, um das Schneiden fortzusetzen. Obgleich dies effektiv ist, ist diese Maßnahme suboptimal, da sie zusätzliche Zeit benötigt.
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Wie in den 7(a)–7(c) gezeigt ist, ist eine bessere Umgehungsstrategie entlang eines Pfads, der einem Umriss des vorher geschnittenen Ausschnitts folgt, der während der seitlichen Bewegung in einem vorbestimmten Abstand von dem Umriss gekreuzt wird, wobei der vorbestimmte Abstand gewährleistet, dass keine Kollision zwischen dem Schneidkopf und dem Ausschnitt stattfindet.
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Wie in 7(a) gezeigt ist, wird ein vorher geschnittener Ausschnitt 700 potentiell durch eine einzelne, gerade seitliche Bewegung 710 von dem Ort 701 zu dem Ort 709 eines anderen, zu schneidenden Ausschnitts 711 gekreuzt.
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Wie in 7(b) gezeigt ist, wird der seitliche Bewegungspfad von einem einzelnen geraden Segment 710 in eine Reihe von Segmenten 701–709 transformiert, die dem Umriss des Ausschnitts folgt. Diese seitliche Bewegung kann gebildet werden durch:
- (1) Markieren des Eintritts- und des Austrittsorts 702 und 708 für einen bestimmten Ausschnitt für die ursprüngliche schnelle seitliche Bewegung 710;
- (2) Bestimmen einer kürzesten Bewegungsrichtung um den Ausschnitt herum zwischen dem Eintritts- und dem Austrittsort;
- (3) Ersetzen der ursprünglichen schnellen seitlichen Bewegung 710 durch eine Reihe von kurzen Segmenten, die die Schneidbewegungen nachahmen, die den gefolgten Umriss des Ausschnitts aufweisen; und
- (4) Erweitern dieser Segmente von der Ausschnittsgrenze weg, um sicherzustellen, dass eine Kollision zwischen dem Schneidkopf und dem vorher geschnitten Ausschnitt nicht stattfinden kann.
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Die durch die vorbeschriebene Strategie erzeugte seitliche Bewegung braucht nicht die optimale Bewegung zu sein, um ein Kreuzen des vorher geschnittenen Ausschnitts zu vermeiden, da sie mehrere Anhalte-, Umkehr- und Startbewegungen enthalten kann.
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Wie in 7(c) gezeigt ist, beschneidet eine andere Strategie die Reihe von kurzen Segmenten so, dass nur die Orte 701, 704, 706 und 709 verwendet werden. Nur die Orte, die absolut erforderlich sind, um den Ausschnitt zu meiden, werden beibehalten.
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Dieses kann erreicht werden durch Beginnen mit dem ersten Ort entlang der seitlichen Bewegung, Prüfen des Startorts jedes Segments, das die seitliche Bewegung aufweist, gegenüber jedem nachfolgenden Segmentstartort, um zu bestimmen, ob ein vorher geschnittener Ausschnitt gekreuzt wird. Es ist zu beachten, dass alle Ausschnitte auf das Kreuzen geprüft werden sollten, nicht nur der ursprüngliche Ausschnitt.
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Wenn ein Segment gefunden wird, das nicht irgendeinen Ausschnitt kreuzt, wird es ein Kandidat, um die Segmente, die es überspannt, zu ersetzen. Dann kann ein neues Segment erzeugt werden, das den Startort und den letzten Ort, der erreicht werden kann ohne den Ausschnitt zu kreuzen, verbindet. Dann geht das Prüfen von dem Endort des neuen Segments weiter.
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Beispielsweise wird, folgend den Kennzeichnungen in der zweiten Illustration der Ort 701 gegenüber 703, 704 (in Ordnung), und 705, 706, 707, 708, 709 (nicht in Ordnung) geprüft, was zu einem neuen Segment führt, das zwischen den Orten 701 und 704 geschaffen wird; dann wird der Ort 704 gegenüber 706 (in Ordnung) und 707, 708, 709 (nicht in Ordnung) geprüft, wodurch ein Segment vom Ort 704 zum Ort 706 erzeugt wird; der Ort 706 wird dann gegenüber dem Ort 708 (nicht in Ordnung) und 709 (in Ordnung) geprüft, was zu einem Segment führt, das den Ort 706 mit dem Ort 709 verbindet. Somit wird eine neue seitliche Bewegung 712 mit einer minimalen Anzahl von Segmenten erzeugt, die erfolgreich jede potentielle Kollision zwischen der Laserschneidvorrichtung und dem vorher geschnittenen Ausschnitt vermeidet.
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Alternativ kann ein Spline den verbleibenden Orten angepasst werden, um einen glatten gebogenen Pfad 712 zu erzeugen. Der gebogene Pfad ist in strichlierten Linien gezeigt, und der minimale kurze gerade Segmentpfad durch kontinuierliche Linien. Jedoch muss, damit diese Strategie effektiv ist, die Steuervorrichtung, bei der der G-Code ausgeführt wird, in der Lage sein, derartige Bewegungen auszuführen.
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Kreuzungsverfahren mit Restverbindung
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Wie in 8 gezeigt ist, enthält eine anderes Verfahren zum Vermeiden von Kollisionen mit vorher geschnittenen Ausschnitten das Verzögern eines Schnitts, der dazu führen würde, dass der Ausschnitt von dem Material getrennt wird, bis keine weiteren Kreuzungen möglich sind. Eine derartige Strategie kann auf verschiedene Weise implementiert werden.
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Wir beschreiben ein bevorzugtes Verfahren, das kleine ”Verbindungen” zwischen Ausschnitten und dem Material, aus dem die Ausschnitte teilweise ausgeschnitten sind, belässt.
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8 zeigt ein Beispiel für dieses Verfahren für das Teil 600. Die strichlierte Linie zeigt die Ausgabe einer vorhergehenden CAM-Stufe an, die der Verschachtelungsreihenfolge der Ausschnitte folgt, und beginnt in der unteren linken Ecke. Der Laser beginnt, die beiden mittleren Ausschnitte 602 und 604 zu schneiden, und dann den ”Plus”-Ausschnitt 603, aber wenn er sich zwischen dem Plus- und dem Dreieck-Ausschnitt 601 bewegt, kreuzt er zwei vorher teilweise geschnittene Ausschnitte. Eine derartige seitliche Bewegung könnte zu einer Kollision zwischen dem Schneidkopf und dem Material führen.
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Anstatt um die Spalte in dem Material, das von dem Ausschneiden der Ausschnitte geblieben ist, herumzugehen, können wir stattdessen vorübergehend den Laser während des anfänglichen Schneidens der Ausschnitte an der Kreuzung zwischen dem Ausschnitt und der endgültigen Bewegung, die den Ausschnitt kreuzt, ausschalten. Die führt zu wenigen (zumindest zwei) kleinen Verbindungen, dicke Linie 800, den Ausschnitt an dem Material halten, wodurch die Schaffung des Spalts, der anderenfalls Probleme bewirken kann, vermieden wird.
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Dann wird während der endgültigen Bewegung der Laser vorübergehend EIN-geschaltet, während die Verbindungen, die beibehalten wurden, gekreuzt werden. Daher wird bei Anwendung dieses Verfahrens das Kreuzen eines vorher ausgeschnittenen Ausschnitts ausgeschlossen, da der Ausschnitt bis zu der letzten seitlichen Kreuzungsbewegung, nachdem alle Ausschnitte teilweise ausgeschnitten wurden, nicht vollständig aus dem Material geschnitten wird.
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Die Schritte sämtlicher vorbeschriebenen Verfahren können in dem in 2 gezeigten Prozessor 210 ausgeführt werden. Die Verfahren können auch unter Verwendung von OpenGL, eines Schablonenpuffers und eines Rahmenpuffers implementiert werden.
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Wirkung der Erfindung
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Die Erfindung ermöglicht vorteilhaft das Schneiden von Ausschnitten aus Blattmaterialien ohne Verwendung langsamer Aufwärts/Abwärts-Bewegungen des Schneidkopfes der Laserschneidmaschine, während Kollisionen vermieden werden.
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Weiterhin können die Aufbereitungstechniken vorteilhaft extrem schnelle, herkömmliche Prozessoren wie GPUen, Aufbereitungspipelines oder parallele Mehrkern-CPUen verwenden.
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Die Erfindung kann auch die Zeit, die zum Umgehen vorher geschnittener Ausschnitte erforderlich ist, minimieren.
