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Die
Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung und Schneidevorrichtung
zum Ausschneiden von Formen, die in einem sich bewegenden bahnförmigen Material
vordefiniert sind. Insbesondere erkennt ein optisches System Bezugsmarkierungen, die
vordefinierten Formen bekannter Geometrie zugeordnet sind, und eine
Steuerung weist das Schneidesystem an, die Geometrie der Form genau
auszuschneiden, während
sich das Material daran vorbei bewegt.
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Ein
bekanntes Verfahren besteht darin, eine begrenzte Länge von
Material ohne besondere Merkmale in eine Schneidezone zu befördern und,
während
das Material ruht, einen Laserstrahl an einem X-Y-Positionierer
hin- und herzubewegen, um ein Muster aus dem Material zu schneiden.
Ein numerisch gesteuerter Positionierer bewegt den Laserstrahl gemäß einem
vorbestimmten bekannten Muster über
das Material. Wenn das Muster ausgeschnitten ist, bewegt sich die
Fördervorrichtung
weiter, um das ausgeschnittene Muster auszuwerfen, und neues Material
in die Schneidezone zu bringen.
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In
der kanadischen Patentanmeldung, die am 11. November 1991 unter
2,016,554 veröffentlicht wurde,
ist ein Verfahren offenbart, das die Aufgabe, den Durchsatz an ausgeschnittenen
Mustern zu erhöhen,
teilweise erfüllt,
indem es eine Laserbeschneidung ermöglicht, während sich das Material in fortlaufender
Weise auf einer Fördervorrichtung durch
eine Laserschneidezone bewegt. Dieses Verfahren des "Schneidens in der
Vorbeibewegung" eliminiert
das Bestücken
der Schneidezone mit Material sowie das Entnehmen des Materials
aus derselben, und verwendet eine effiziente Bewegung des Laserschneidkopfes
sowohl in Längs-
als auch in Querrichtung des sich bewegenden Materials. In der US-Patentschrift
6,294,755 B1, die am 25. September 2001 für Lacent Technologies Inc.
in Edmonton, Alberta, KANADA erteilt wurde, ist es offenbart, den
Durchsatz an geschnittenem Material weiter zu optimieren und zu
erhöhen,
indem die Zeit minimiert wird, die nötig ist, um den Laser an einem
ununterbrochenen Weg entlang zu führen, indem der Weg in geometrische
Bewegungen diskretisiert wird, die jeweils Paarweise miteinander
verbunden sind, um das Anhalten und Neustarten des Positionierers
zu minimieren. Ferner werden Geschwindigkeitsbereiche für jede diskrete
Bewegung analysiert und für
eine Überlagerung
angepasst, um eine glatte Geschwindigkeitskurve dadurch auszubilden.
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Die
genannten Verfahren beruhen auf einem im Wesentlichen gleichförmigen Material,
wobei das Muster nur im numerischen Speicher der Schneidevorrichtung
existiert. Mit anderen Worten, das Muster kann an jeder beliebigen
Stelle des sich fortlaufend bewegenden Materials implementiert werden.
In bestimmten Fällen
ist es jedoch erwünscht,
eine Form zu lokalisieren und auszuschneiden, die bereits auf dem
Material gedruckt oder in anderer Weise darauf vorhanden ist. Das
Ausschneiden von Formen oder Mustern, deren Koordinaten im Material
unveränderlich
festliegen, ist mit einer Reihe von Herausforderungen verknüpft, darunter:
den Schneideansatzpunkt zu lokalisieren, und entlang den vorgegebenen Schneidelinien
der Form oder innerhalb eines bestimmten Toleranzbereichs der Schneidelinien
zu schneiden. Diese Herausforderungen werden in Situationen vergrößert, in
denen sich das Material fortlaufend bewegt, wobei das Material sich
vom Beginn bis zum Ende des Schneidens verzerren kann.
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In
der Kleidungs- und Möbelindustrie
ist das Ausschneiden gemusterter Materialien zur späteren Verarbeitung
be kannt. In diesen Fällen
ist eine begrenzte Anzahl von Ansatzpunkten bekannt. Ein Beispiel
für eine
solche Technik ist in dem US-Patent 5,975,743 für Bercaits und in dem US-Patent 4,905,159
für Loriot
beschrieben. Im Stand der Technik ist es bekannt, ein optisches
System zu benutzen, das dazu verwendet werden kann, einen Ansatzpunkt
zu lokalisieren, wobei jedoch bisher die Kamera eines solchen optischen
Systems von der Schneidvorrichtung getragen wird, und deshalb nur seriell
anwendbar ist, um innerhalb eines sorgfältig begrenzten Bereichs nach
dem Ansatzpunkt zu suchen und dann zurückzusetzen, um den Schneideprozess
zu beginnen. Ein anderes Verfahren zum Ausschneiden der Form besteht
darin, Grenzen oder Schneidelinien der Form mit Kennzeichnungsmarkierungen
vorzumarkieren, und dann die Markierung mit einer Schneidevorrichtung
zu verfolgen. Nach Kenntnis der Anmelderin wurde das Ausschneiden
vordefinierter Formen aus einem sich bewegenden bahnförmigen Material
noch nicht in zufriedenstellender Weise realisiert.
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Die
Anmelderin hat nicht feststellen können, dass die oben genannten
Techniken eine verbesserte Genauigkeit, einen höheren Durchsatz und einen Betrieb
mit anspruchsvolleren Materialien bereitstellen.
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In
einigen Fällen
ist es erwünscht,
Formen auszuschneiden, die in dem bahnförmigen Material vordefiniert
sind. Es liegt in der Natur von bahnförmigem Material, dass sich
eine vordefinierte Form verformen kann, sei es aufgrund des Herstellungsprozesses,
wie z.B. des Webprozesses, oder während der anschließenden Handhabung.
Die Art und das Ausmaß der
Verformung kann entlang der Längserstreckung
der Form und entlang der Längserstreckung
des bahnförmigen
Materials unterschiedlich sein. Auf diese Weise wird von der Form
nur erwartet, dass sie an einer bestimmten relativen Position im bahnförmigen Material ein
vorgegebenes Muster aufweist. Um den Prozess zu beschleunigen, kann
das Material ferner fortlaufend durch das Schneidesystem befördert werden.
Bei Ansätzen
des Stands der Technik ist es gut bekannt, dass ein bekanntes Muster
an einer beliebigen Stelle aus einem blanken Materialstück ausgeschnitten
wird. Für
Formen, die in dem Material vordefiniert sind, muss ein Muster allerdings
an den korrespondierenden und vordefinierten Koordinaten gemäß der Form
auf dem bahnförmigen Material
ausgeschnitten werden.
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Als
weiteres Beispiel für
den Stand der Technik im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung
offenbart US-A-5,353,355
eine Vorrichtung zum Erkennen und Zuordnen von Stoffmustern, nämlich von
einem Muster in einem gemusterten Material. Das Material wird auf
einen unbeweglichen Musterzuordnungs- und -schneidetisch angeordnet,
und ein Musterzuordnungssteuercomputer bewegt eine Kamera über jeden
von mehreren Musterzuordnungspunkten, um ein Bild zu erhalten, mit
dem dann die Musterposition gemessen wird. Schneidepunktabfolgedaten
werden anhand des Ergebnisses dieser Messung revidiert, und die
Schneidevorrichtung wird entsprechend gesteuert.
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US-A-5,333,111
offenbart ein Kleidungsschneidesystem, das zur Benutzung mit Stoffen
angepasst ist, die eine Streifen- oder Karogestaltung aufweisen,
die entweder eine manuelle oder eine automatische Zuordnung sowohl
einer Kleidungsmarkierung zu der Stoffschicht als auch zwischen
aufeinander folgenden Kleidungsabschnittsmustern zulässt. Ein
optisches System und ein Schneidesystem können jeweils über einen
feststehenden Stofftisch bewegt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Ausschneiden von
Formen bereitge stellt, die in einem fortlaufenden Strom von bahnförmigem Material
vordefiniert sind, wie in den beiliegenden Ansprüchen aufgeführt. Bevorzugte Merkmale der
Erfindung gehen aus den abhängigen
Ansprüchen
und der nachfolgenden Beschreibung hervor.
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In
einer Ausführungsform
wird ein optisches System für
ein Schneidesystem zum Schneiden in der Vorbeibewegung angepasst,
wobei das Schneidesystem anhand einer zuvor lokalisierten Bezugsmarkierung
Formen ausschneidet, während
das optische System gleichzeitig das vorbeilaufende bahnförmige Material
betrachtet oder abtastet, um eine oder mehrere nachfolgende Bezugsmarkierungen
im Material zu finden, die mindestens einer Form zugeordnet sind,
sei es derselben Form oder anderen Formen. Jede Form ist in dem
bahnförmigen
Material vordefiniert, und ist einer bekannten Geometrie oder einem
Muster und einer Bezugsmarkierung zugeordnet. Die Bezugsmarkierungen
sind in einem globalen Koordinatensystem bekannt, z.B. einem, das
dem Schneidesystem zugeordnet ist. Das bekannte Muster wird in Bezug
auf die Koordinaten der Bezugsmarkierung für die korrespondierende vordefinierte
Form in dem bahnförmigen
Material ausgeschnitten, während
dieses vorbeiläuft.
Ebenso können
das optische System und das Schneidesystem zum Schneiden in der
Vorbeibewegung nacheinander und im Wesentlichen fortlaufend über ein
fest angeordnetes Lager aus bahnförmigem Material bewegt werden.
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Um
das Schneidemuster der tatsächlichen Position
jeder vordefinierten Form zuzuordnen, betrachtet in einer Ausführungsform
ein feststehendes optisches System bahnförmiges Material, das sich darunter
fortbewegt, um eine erste Bezugsmarkierung zu lokalisieren, nach
deren Auffinden es deren globalen Koordinaten in Bezug auf das Schneidesystem
bestimmt. Eine Steuerung bestimmt die Position des Musters relativ
zu dieser ersten Bezugsmarkierung, um es dazu zu überlagern.
Entsprechend können
vordefinierte Formen, die in unregelmäßigen Abständen in dem bahnförmigen Material
erscheinen, oder die in den Koordinaten X und Y verschoben werden,
genauso leicht ausgeschnitten werden, wie diejenigen des Stands
der Technik, die nicht fest im Material vorgegeben sind, oder die
vorhersagbar in vorgegebenen Abständen erscheinen.
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Während das
optische System weiter nach nachfolgenden Bezugsmarkierungen sucht,
schneidet das Schneidesystem gleichzeitig vordefinierte Formen aus,
die mit den zuvor lokalisierten oder vorangehenden Bezugsmarkierungen
korrespondieren.
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In
anderen Fällen
wird in dem Material mindestens eine zweite Bezugsmarkierung für eine Form oder
für jede
Form bereitgestellt. Das optische System tastet das Material in
seinem Blickfeld nach einer ersten Bezugsmarkierung und nach weiteren
Bezugsmarkierungen ab, und wenn diese gefunden wurden, stellt das
System ihre globalen Koordinaten fest. Die Steuerung erwartet, dass
die zweite Bezugsmarkierung oder eine größere Zahl von Bezugsmarkierungen
an jeweiligen inkrementellen Koordinaten in Bezug auf die erste
Bezugsmarkierung zu finden sind, basierend auf der bekannten Geometrie oder
auf dem bekannten Muster der Form. Das Muster wird angepasst, um
eine offensichtliche Verformung in dem bahnförmigen Material und der Form
zu berücksichtigen.
Eine Anpassung kann eine lineare Streckung beinhalten, um entweder
eine kürzere Form
oder eine längere
Form als die vorgegebene Geometrie im Muster zu berücksichtigen.
Eine andere Art der Anpassung beinhaltet eine Anpassung von Formen
in dem bahnförmigen
Material, die sich gedreht haben (verzerrtes Material), und Formen,
die in der Form selbst verformt sind (das Material ist gewölbt und
verzerrt).
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In
einer anderen Ausführungsform
wird die Effizienz aufrechterhalten oder erhöht, indem die Schneidebefehle
im Vorbeilaufen geändert
werden. Eine solche Situation beinhaltet ein erneutes Kartieren
von Mustern, um eine Verformung zu berücksichtigen, oder um das Ausschneiden
einer von mehreren vordefinierten Formen aus einem Satz von Formen
im bahnförmigen
Material zu modifizieren, auszulassen oder zu überspringen. Eine vordefinierte Form,
die ein mangelhaftes oder in anderer Weise defektes Stück Material
einnimmt, kann übersprungen
werden. Eine bestimmte Bezugsmarkierung könnte die mangelhafte vordefinierte
Form kennzeichnen. Zwischen dem optischen System und dem Schneidesystem
können
der Schneideweg und die Bewegungsprofile für die Fördervorrichtung und den Positionierer
der Laserschneidvorrichtung optimiert werden, um Leerlaufbewegungen
zu minimieren, die Anzahl der Bewegungen zu minimieren, den Schneideweg
im Schnitt der Schneidevorrichtung neu zu berechnen, oder die mangelhafte
Form zu überspringen oder
in anderer Weise herauszumodifizieren, wodurch wesentliche Zeiteinsparungen
für den
Positionierer erreicht werden.
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Abhängig von
den Bedingungen können Echtzeitberechnungen
für den
Schneidlinienweg und die Bewegungssteuerung durchgeführt werden.
Bei einer direkten Anwendung der bekannten Geometrie oder des bekannten
Musters auf die Formen im Material, also im "Ausstechform"-Fall, kann das Muster einfach durch Überlagern
des Musters relativ zu den ermittelten Bezugsmarkierungen der vordefinierten Form
angewandt werden, und das bahnförmige
Material dann geschnitten werden. Unter diesen Bedingungen kann
gewählt
werden, einen vorgegebenen Schneideweg und ein vorgegebenes Profil
zur Bewegungssteuerung des Positionierers und der Fördervorrichtung
für das
bahnförmige
Material zu benutzen. Unter anderen Bedingungen, wobei mindestens zwei
Bezugsmarkierungen für
eine Form lokalisiert werden, ist eine Drehung oder eine Streckung
feststellbar, und die Koordinaten der Form können für das neue Muster neu kartiert
werden, ohne den Schneidelinienweg zu beeinflussen. Typischerweise wird
das Bewegungsprofil neu berechnet. Unter anderen Umständen, wenn
z.B. durch die Benutzung von mehreren Bezugsmarkierungen eine extreme Wölbung und
Verzerrung entdeckt wurde, kann der Schneidelinienweg nicht mehr
optimiert werden, was eine Anpassung des Schneidewegs und des Bewegungsprofils
veranlasst.
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Entsprechend
ist das Verfahren in einem weit gefassten Aspekt dazu vorgesehen,
mindestens eine Form auszuschneiden, die in dem bahnförmigen Material
vordefiniert ist, wobei die eine oder jede vordefinierte Form jeweils
ein Muster mit einer vorgegebenen Geometrie aufweist, und mindestens
eine Bezugsmarkierung aufweist, wobei die eine oder jede der Bezugsmarkierungen
vorgegebenen Koordinaten im Muster zugeordnet ist, wobei das Verfahren beinhaltet:
Lokalisieren von einer oder mehreren vorangehenden Bezugsmarkierungen
in dem bahnförmigen
Material, das sich relativ zu einem optischen System und einem Schneidesystem
bewegt; Schneiden der vordefinierten Formen basierend auf der oder
den vorangehenden Bezugsmarkierungen, während gleichzeitig eine oder
mehrere nachfolgende Bezugsmarkierungen in dem sich bewegenden bahnförmigen Material
lokalisiert werden; und im Wesentlichen fortlaufendes Wiederholen
der gleichzeitigen Prozesse des Schneidens und Lokalisierens der nachfolgenden
Bezugsmarkierung oder Bezugsmarkierungen.
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In
einem anderen weit gefassten Aspekt kann das oben erwähnte Verfahren
mit Hilfe einer Vorrichtung implementiert werden, die Folgendes aufweist:
ein Schneidesystem zum Schneiden in der Vorbeibewegung, um ein Muster
in dem bahnförmigen
Material auszuschneiden, wobei das Schneide system in globalen Koordinaten
bekannt ist; ein optisches System zum Lokalisieren von globalen
Koordinaten mindestens einer Bezugsmarkierung in dem bahnförmigen Material,
die mit vorgegebenen Koordinaten in dem Muster korrespondieren;
einen Aufbau zum Veranlassen einer relativen Bewegung, die im wesentlichen
fortlaufend ist, zwischen dem bahnförmigen Material und dem optischen
System und dem Schneidesystem; Mittel zum Ermitteln von Messwerten
der genannten relativen Bewegung in globalen Koordinaten; und eine
Steuerung zum Überlagern
des Musters mit der lokalisierten mindestens einen Bezugsmarkierung,
so dass das Schneidesystem das Muster für die vordefinierte Form im Wesentlichen
gleichzeitig ausschneidet, während das
optische System globale Koordinaten von einer nachfolgenden mindestens
einen Bezugsmarkierung in dem bahnförmigen Material lokalisiert.
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Die
Vorrichtung und das Verfahren, die hier offenbart sind, sind auf
jedes beliebige Werkzeug anwendbar, das schnell um eine vorgegebene
Form herum bewegt werden kann. Die Form in dem Material kann in
das Material integriert sein, oder auf dem Material angeordnet sein.
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Verweise
auf "in" und "auf" sind synonym, und
die Benutzung des jeweils einen oder anderen Begriffs dient nur
dazu, um eine Wiederholung der jeweiligen Ausführungsform zu vermeiden und
eine Begrenzung auf den jeweils einen oder anderen Begriff ist nicht
beabsichtigt. Ein Beispiel für "in" ist das Ersetzen
oder Einfügen
oder Hinzufügen
von Markierungsfäden
in das bahnförmige
Material. Ein Beispiel für "auf" ist das Drucken
einer Markierung auf die Oberfläche
des Materials; wobei eine solche Markierung unterscheidende Information
für das
optische System bereitstellt, darunter Kontrastinformation, magnetische
und radioisotopische Information.
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1 ist
ein Ablaufdiagramm und eine entsprechende schematische Darstellung
einer Ausführungsform
eines Systems zum Ausschneiden vordefinierter Formen aus sich bewegendem
bahnförmigem
Material;
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2a und 2b sind
jeweils eine Ansicht von oben und von der Seite auf ein optisches
System, das in ein Laserschneidesystem integriert ist;
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3 ist
eine Draufsicht auf vordefinierte Formen, die in dem bahnförmigen Material
eingebracht sind, und die in übertriebener
Darstellung verschiedene Probleme illustrieren;
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4a und 4b sind
Draufsichten, die mehrere verzerrungsfreie rechteckige Formen und einige
Bezugsmarkierungs-Optionen zeigen;
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5a und 5b sind
Draufsichten, die zwei separate vordefinierte Formen zeigen, die
identische Muster und Formen aufweisen, jedoch auf dem bahnförmigen Material
relativ zueinander quer versetzt sind;
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6 ist
eine Draufsicht, die eine Form zeigt, die gegenüber dem Idealmuster (punktierte
Linien) verdreht ist, aber ansonsten nicht verformt ist;
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7a und 7b sind
Draufsichten, die zwei separate vordefinierte Formen zeigen, von
denen die erste unverformt ist, und die zweite durch eine Zunahme
an dem bahnförmigen
Material längs gestreckt
ist;
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8a und 8b sind
Draufsichten, die zwei separate vordefinierte Formen in dem bahnförmigen Material
zeigen, von denen die erste unverformt ist und ein darüber gelagertes
Gitter aufweist, das rechteckige Patch-Flächen darstellt, und von denen
die zweite sowohl gewölbt
als auch verzerrt verformt ist, wie durch die verformten Patch-Flächen gezeigt
ist.
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9a ist
eine Draufsicht auf eine komplexe vordefinierte Form, die im Vergleich
zu dem Idealmuster (punktierte Linien) sowohl gewölbt als
auch verzerrt verformt ist, wobei Gitterlinien und Patch-Flächen aus
Gründen
der Klarheit weggelassen wurden;
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9b bis 9d sind
Drauf sichten gemäß 9a,
die rechteckige Patch-Flächen
zeigen, die vier Bezugsmarkierungen zugeordnet sind, wobei 9b mehrere
rechteckige Patch-Flächen
zeigt, 9c eine einzelne rechteckige
Patch-Fläche
zeigt, und 9d eine verzerrte rechteckige
Patch-Fläche zeigt;
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10 ist
ein Ablaufdiagramm eines Prozesses zum Ausschneiden von Formen,
die in bahnförmigem
Material vordefiniert sind, und die mehrere Optionen für eine Anpassung
an verschiedene Bewegungen und Verformungen des Materials zeigen.
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11 ist
eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung, die
für ein
gewerbliches Laserschneidesystem gemäß dem Beispiel Lacent 1000
angepasst ist;
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12 ist
eine Endansicht des optischen Systems gemäß der Ausführungsform aus 11;
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13 ist
eine schematische Darstellung des optischen Systems, das mit dem
Schneidesystem zusammenwirkt, um die Bewegungssteuerung von PMC
und CMC anzupassen;
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14 ist
ein Blockablaufdiagramm der Hardwareverbindungen zwischen dem optischen System,
dem Schneidesystem und ihrer jeweiligen Steuerung; und
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15 ist
ein Ablaufdiagramm einer Rechensequenz zum Bestimmen der Schneidelinienwege
und der Bewegungssteuerung.
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Bezugnehmend
auf 1, in der eine Form S bereits auf Material 10 aufgedruckt,
in das Material eingewebt oder in anderer Weise darin vordefiniert worden
ist, muss die Form zunächst
lokalisiert werden, bevor sie mit einem Schneidesystem 11 ausgeschnitten
wird. Die vordefinierte Form S weist ein Muster P auf, das eine
vorgegebene Geometrie aufweist. Das Muster P der Geometrie jeder
Form ist im Voraus bekannt und gespeichert. Eine genaue Überlagerung
der Anwendung des Musters auf die Form S in dem Material kann für die Integrität und Akzeptanz
der schließlich
ausgeschnittenen Form S entscheidend sein. Die vordefinierte Form
S wird mit Hilfe eines optischen Systems 12 in dem bahnförmigen Material 10 identifiziert,
das ein(e) oder mehrere charakteristische Kennzeichen oder Bezugsmarkierungen
F für das
Material 10 erkennt. Die Position der Bezugsmarkierungen
F stellt das geometrische Verhältnis
zwischen der vordefinierten Form S und dem Muster P auf. Die Positionen
des Schneidesystems, des optischen Systems und des bahnförmigen Materials
zu einem jeweiligen Zeitpunkt sind in einem globalen Koordinatensystem
bekannt. Entsprechend ist dann die Position, auf die das Schnittmuster
P angewandt wird und aus dem Material ausgeschnitten wird, relativ
zu der erkannten Bezugsmarkierung F bekannt. Ein Schneideelement 13 des
Schneidesystems 11 schneidet das bahnförmige Material 10 entlang
dem vorgegebenen Muster P aus, das genau lokalisiert ist, und daher
die vordefinierte Form S auf dem bahnförmigen Material genau überlagert.
Während das
Schneidelement Formen anhand vorangehender lokalisierter Bezugsmarkierungen
ausschneidet, werden gleichzeitig weitere und nachfolgende Bezugsmarkierungen
mit Hilfe des optischen Systems lokalisiert.
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Auch
unter Bezugnahme auf die 2a, 2b schließen Ausführungsformen
des Schneidesystems 11 diejenigen ein, die in der veröffentlichten kanadischen
Patentanmeldung 2,016,544 für
Bailik und in dem für
Sawatzky et al. erteilten US-Patent 6,294,755 beschrieben sind,
und deren Gesamtinhalt durch Verweis in die vorliegende Anmeldung
einbezogen wurde. Wie dargestellt, ist eine Ausführungsform des Schneidesystems 11 dargestellt,
die einen Materialausbreiter 14 aufweist, der bahnförmiges Material
vorbei an einer Andruckrolle 15 und zu einer endlosen Fördervorrichtung 16 führt. Die
Fördervorrichtung 16 trägt das Material 10 und
fördert
es im Wesentlichen fortlaufend durch das Schneidesystem 11.
Geschnittenes Material wird an eine Stapelvorrichtung oder ein anderes
Auffangsystem (nicht dargestellt) übergeben. Die Praxis einer
solchen mechanischen Vorrichtung und die Unterschiedlichkeit des bahnförmigen Materials
sind derart, dass die Position einer vordefinierten Form in dem
Material vor dem Schneiden ermittelt werden muss, wobei auch dann, wenn
sie bekannt ist, die Geometrie der vordefinierten Form manchmal
aber nicht immer in perfekter Übereinstimmung
mit der vorgegebenen Geometrie für
das Muster P der Form ist.
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Ebenso
anwendbar ist ein System, bei dem das optische System und das Schneidesystem
nacheinander und im Wesentlichen fortlaufend über eine Bahn aus Material
bewegt werden. Die Effizienz des vorliegenden Systems wird durch
Schneiden in der Vorbeibewegung mit einer relativen, im Wesentlichen fortlaufenden
Bewegung erzielt, sei es, dass sich das Material vorbei an dem optischen
und dem Schnei desystem bewegt, oder das optische und das Schneidesystem
vorbei an dem Material bewegt werden. Hier, und im Zusammenhang
mit der bestimmten hier erläuterten
Vorrichtung, ist beschrieben, dass das bahnförmige Material zunächst an
dem optischen und dann an dem Schneidesystem vorbei bewegt wird.
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Bezugsmarkierungen
F können
an einer beliebigen Position der Quererstreckung des Materials 10 angeordnet
sein. Um Effizienzverlust und Genauigkeitseinbußen zu vermeiden, die mit einer
Bewegung um das Material auf der Suche nach den Bezugsmarkierungen
in Zusammenhang stehen, ist das optische System 12 feststehend,
und betrachtet, starrt an oder tastet ein Längsinkrement von im Wesentlichen
der gesamten Quererstreckung des sich daran vorbei bewegenden bahnförmigen Materials 10 ab.
Eine effektive Breite des bahnförmigen
Materials schließt
eine Breite mit Bezugsmarkierungen mit ein. Wenn die Querposition
einer oder mehrerer Bezugsmarkierungen bekannt ist, können ein
oder mehrere Abschnitte oder relevante Regionen definiert und überwacht
werden, um den Overhead bei der Erkennungsverarbeitung zu reduzieren.
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Einige
Verfahren zum Ermitteln der Bezugsmarkierungen beinhalten das Verarbeiten
von Bildern des Materials, und das Suchen nach Kontrastdifferenzen
zwischen beispielsweise einer dunklen Fadenkreuzbezugsmarkierung
und einem helleren Hintergrund. Andere Verfahren beinhalten das
Aufbringen und Erfassen von Bezugsmarkierungen durch Magnetismus,
elektromagnetisches Strahlungsspektrum (sichtbar oder unsichtbar),
und Radioisotope. Andere Typen von Bezugsmarkierungen sind Sensorfäden, die
in dem Material angeordnet sind, und die mit Hilfe von Kapazität erfasst
werden, oder durch passive Systeme erfasst werden, die Variationen
im Magnetfeld messen, oder durch aktive Detektoren von "Zeitdomänen" erfasst werden,
die sekundäre Magnetfelder
aus induzierten Wirbelströmen
messen. Wie einige der oben stehenden Beispiele zeigen, können die
Bezugsmarkierungen F auf der Oberfläche des Materials angeordnet
sein. Es ist zu beachten, dass Bezugsmarkierungen hier als in oder auf
dem bahnförmigen
Material angeordnet beschrieben werden können, und keine dieser Ausdrucksweisen
beschränkend
gemeint ist. So lange eine Bezugsmarkierung identifizierbar ist,
ist es unwichtig, ob sie durch ein Oberflächenaufbringungsverfahren aufgebracht
wurde, oder in irgendeiner Weise in das bahnförmige Material eingearbeitet
wurde.
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Der
Begriff eines optischen Systems ist hier im weiten Sinn als ein
System zu interpretieren, das in oder auf dem bahnförmigen Material 10 Bezugsmarkierungen
F erfasst. Einfache Systeme auf optischer Basis sind Digitalkameras
und Linsen zum Erfassen von einander überlagernden und breiten Blickfeldern
sowie Abtastvorrichtungen. Wenn das optische System eine sequentielle
Abtastung der effektiven Breite des bahnförmigen Materials anwendet,
werden die Abtastzeit und die Verarbeitungszeit kompensiert, indem
die globalen Koordinaten identifizierter Bezugsmarkierungen in dem
sich bewegenden Material bestimmt werden. Aus praktischen Gründen jedoch,
und nur, um die Beschreibung zu unterstützen, ist das optische System 22 hier
als ein übliches
Licht- und Kamerasystem beschrieben, das den Kontrast zwischen dem
bahnförmigen
Material und den Markierungsfäden
in dem bahnförmigen
Material unterscheidet. Ein solches System verarbeitet im Wesentlichen
gleichzeitig die Quererstreckung des bahnförmigen Materials. Zur Identifikation
der Bezugsmarkierungen werden hier die Begriffe betrachten, abtasten
und erfassen synonym benutzt.
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Unter
Bezugnahme auf 3 weist das bahnförmige Material 10 typischerweise
mehrere Formen S auf, die darin vordefiniert sind, einschließlich maschinell
identifizierbarer Bezugsmarkierungen F. Die Bezugsmarkierungen F
sind von dem Hintergrund des bahnförmigen Materials 10 unterscheidbar,
indem dieses einen oder mehrere diskrete "Markierungsfäden" aufweist, die identifizierbare Merkmale
aufweisen, und die in der Kettrichtung (typischerweise in der Bewegungsrichtung)
sowie der Schussrichtung (typischerweise in der Querrichtung) von Gewebematerial
eingewebt sind. Ein Typ von bahnförmigem Material 10,
bei dem ein genaues Schneiden vorteilhaft ist, ist ein Material,
das ein bestimmtes Design aufweist, und bei dem das Formmuster abhängig von
dem Design im Material auf dem Material angeordnet ist. Ein anderes
Beispiel für
einen Typ vordefinierter Form im Material ist ein in einem Stück gewebter
Stoff, der aus zwei Stoffschichten besteht, die an einzelnen Punkten
miteinander verbunden sind. Die Form S kann sich auf diese einzelnen
Punkte beziehen, einschließlich
der inneren und äußeren Grenzen
der Form oder eines Teils derselben, oder der Verteilung von Toleranzen
um diese herum. Die Vorrichtung und das Verfahren ermöglichen
hier ein genaues Ausschneiden jeder Form S, so dass vermieden wird,
auf eine Grenze zu treffen, die typischerweise einen Toleranzbereich
aufweist; anderenfalls ist es möglich,
dass die vordefinierte Form S das Schneiden oder einen nachfolgenden
Qualitätskontrollprozess
nicht übersteht.
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Es
sollte verständlich
sein, dass die vordefinierte Forme S nicht unbedingt körperlich
auf dem Bahnmaterial 10 aufgebracht sein muss, sondern dass
lediglich ihre Geometrie und ein charakteristischer Punkt in Relation
zu der einen oder mehreren Bezugsmarkierungen bekannt sein kann.
Außerdem ist
eine vordefinierte Form S die Form, die einem vordefinierten Muster
P zugeordnet ist, sei sie nun aufgebracht oder nicht, und sie kann
bei der Anwendung und beim Schnitt aus dem Material eine Toleranz,
wie z. B. eine Nahtzugabe, aufweisen.
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Ein
Satz mehrerer Formen S ist in 3 dargestellt,
wobei es sich bei mindestens einigen um vordefinierte Formen S handelt,
die in dem Material 10 angeordnet wurden. Der Satz selbst
kann eine vordefinierte Form S mit einem Muster P bilden, das lediglich
umfassender ist, als ein Muster P für eine einzelne vordefinierte
Form S.
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Zur
Veranschaulichung wurden einige Variationen der Form S dargestellt,
einschließlich
einiger ausgefallener und einiger schwerer Verformungen. Die ersten
vier vordefinierten Formen S sind gewölbt und verzerrt verformt.
Die zweite Gruppe vordefinierter Formen S weist eine Form mit einem
Mangel auf. Die letzte Gruppe aus vier Formen S weist eine führende Bezugsmarkierung
F auf, die im Vergleich zu den anderen Bezugsmarkierungen nicht
periodisch angeordnet ist.
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Wie
aus Sawatzky et al. bekannt ist, ist in Bezug auf das Ausschneiden
einer Form ein Muster durch eine Serie von berechneten Schneidelinien charakterisiert,
an denen das Schneideelement entlang geführt wird. Das eigentliche Schneiden
kann optimiert werden, indem solche Schneidelinien in der Vorbeibewegung
berechnet werden. Deshalb profitiert eine Anpassung an eine variable
Geometrie der vordefinierten Formen S von Systemen, die dazu in der
Lage sind, eine Abtastung des bahnförmigen Materials 10 und
eine Erkennung der Bezugsmarkierungen F in Echtzeit durchzuführen, während sie
Optimierungsberechnungen ausführen,
um das optimale Ausschneiden des Musters P zu bestimmen und umzusetzen.
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Das
bahnförmige
Material 10 wird fortlaufend durch das optische und das
Schneidesystem bewegt. Die Formen S sind in dem sich bewegenden
Material 10 vordefiniert. Das Muster P für die ideale
Geometrie wurde vorgegeben und ist bekannt. Die Position, an der
das Muster P schließlich
auf das bahnförmige Material 10 angewandt
wird, ist zunächst
unbekannt. Das optische System 12 stellt diese Information durch
die Identifikation der Koordinaten einer zugeordneten Bezugsmarkierung
bereit. Diese eine Bezugsmarkierung, die beim Lokalisieren nachfolgender
Bezugsmarkierungen zu einer vorangehenden Bezugsmarkierung wird,
erlaubt die Bestimmung der vordefinierten Form S. Die Benutzung
weiterer nachfolgender Bezugsmarkierungen erlaubt das Ermitteln einer
Verformung. Das Schneidesystem 11 erhält Anweisungen in Bezug darauf,
welches jeweilige Muster oder welche Geometrie zutrifft, und wo
und wann das Muster P auszuschneiden ist, damit es ohne Rücksicht
auf die Position in dem bahnförmigen
Material 10 oder eine Verformung die vordefinierte Form S überlagert.
Die Art des Schneidebetriebs in der Vorbeibewegung ist bereits an
das Schneiden des sich bewegenden Materials 10 angepasst,
und es wird außerdem
die Möglichkeit
bereitgestellt, Bezugsmarkierungen F zu identifizieren, während gleichzeitig
Muster P an Koordinaten ausgeschnitten werden, die von den Bezugsmarkierungen
vorgegeben werden. Beim Schneidebetrieb in der Vorbeibewegung werden
die meisten Optimierungsberechnungen in Echtzeit durchgeführt, um
zumindest Koordinaten in Reaktion auf eine Neulokalisierung oder Positionierung
des bekannten Musters P zu verschieben oder zu drehen. wenn also
eine oder mehrere Referenzkoordinaten oder Bezugsmarkierungen der vordefinierten
Form S bekannt sind, wird das Schnittmuster P in Echtzeit angepasst,
um unter genauer Überlagerung
an den Koordinaten und der Geometrie der korrespondierenden Form,
die im Material vordefiniert ist, angewandt und ausgeschnitten zu
werden.
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Um
eine Echtzeitarbeit beim Schneidebetrieb in der Vorbeibewegung zu
ermöglichen,
reicht es nicht aus, lediglich das bahnförmige Material 10 abzutasten
und später
zurückzukehren,
um das bereits abgetastete Material zu schneiden, da sich das bahnförmige Material
bereits weiter bewegt hat und sich aus der Schneidezone des Schneidesystems heraus
bewegt hat. Jede der Lokalisierungs- und Schneideoperationen, die
nur von der Rechenkapazität
beschränkt
werden, ist eigenständig,
und arbeitet simultan oder gleichzeitig. Diese Möglichkeit ergibt sich daraus,
dass ein optisches System 12 in Bewegungsrichtung der Bahn
gesehen vor dem (stromaufwärts
zum) Schneidesystem 11 angeordnet ist.
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Es
sind Mittel zum Verarbeiten der Information des optischen Systems
und zum Anpassen der Information vorgesehen, um mit dem Schneidesystem eine
vordefinierte Form durch das Muster zu überlagern und dieses auszuschneiden.
In einer gezeigten Ausführungsform
weist das optische System 12 eine Steuerung 21 zum
Verarbeiten der Bezugsmarkierungserkennungs-Systeminformation und
zum Bestimmen von Koordinaten x, y der Bezugsmarkierungen F im Verhältnis zu
dem Schneidesystem 11 auf. Es wird ein globales Koordinatensystem
verwaltet, in dem das optische und das Schneidesystem bekannt sind.
Im globalen Koordinatensystem sind auch die Koordinaten des bahnförmigen Materials
bekannt, während
dieses sich durch das System hindurchbewegt. Ein Codierer, der an
die Mittel gekoppelt ist, die das bahnförmige Material relativ zu dem
optischen und dem Schneidesystem bewegen, stellt das geometrische
Verhältnis
zwischen Koordinaten auf dem bahnförmigen Material bereit, während sich
dieses in dem globalen Koordinatensystem zwischen dem optischen
und dem Schneidesystem bewegt. Steuerungsmittel 21, z.
B. computerimplementierte Software, bestimmen die Anwesenheit und
die Koordinaten erkannter Bezugsmarkierungen F im Koordina tensystem
des Schneidesystems 11, und verbinden das optische System 12 und
das Schneidesystem 11, was das Übertragen von Information bezüglich erkannter
Bezugsmarkierungen F an das Schneidesystem 11 beinhaltet.
Das Schneidesystem 11 weist eigene Steuerungsmittel 22 auf,
um die Bewegung der Fördervorrichtung
und des Positionierers zu steuern und so schließlich ein Muster an der vordefinierten Form
im bahnförmigen
Material auszuschneiden. Die Steuerungsoperationen müssen nicht
physikalisch getrennt sein, sondern können auch von einer gemeinsamen
Steuerung oder einer Überwachungssteuerung
durchgeführt
werden.
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Bezug
nehmend auf die 4a, 4b lokalisiert
das optische System eine Bezugsmarkierung F oder eine eindeutige
Abfolge von Bezugsmarkierungen F',
F '', die sich auf eine
Form beziehen, während
sich das Material fortlaufend an dem optischen System vorbei bewegt.
In 4a ist eine erste Bezugsmarkierung F durch einen
Punkt dargestellt, der sich bereits auf eine rechteckige Form S
bezieht. In 4b ist eine Serie von Fadenkreuzbezugsmarkierungen
F', F'' dargestellt; zwei aufeinanderfolgende
Fadenkreuzbezugsmarkierungen können
für eine bevorstehende
Form S, die nächste
Bezugsmarkierung F oder Bezugsmarkierungen in Bezug auf eine rechteckige
Form S Indikativ sein. Eine Steuerung führt eine "Musterzuordnung" des bekannten Musters P und der erkannten
Bezugsmarkierungen F durch. Wie zuvor beschrieben, kann das Muster
P, das den Steuerungsmitteln bekannt ist, aus dem sich bewegenden
bahnförmigen
Material 10 ausgeschnitten werden, indem das Muster P und
die Bezugsmarkierung F im Material überlagert werden, und dann das
Muster P ausgeschnitten wird, um die mustervordefinierte Form S
genau auszuschneiden. Wie in den 5a, 5b gezeigt
wird, ist die Position der Bezugsmarkierung F relativ zu der Form
S selbst bekannt, unabhängig
davon, ob eine nachfol gende Form (5b) in
Bezug auf eine vorangehende Form (5a) auf
dem bahnförmigen
Material verschoben ist, weshalb das Muster vor dem Schneiden richtig
positioniert wird.
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In
der Praxis kann jedoch, wie in den 6, 7a–8b gezeigt
wird, das bahnförmige
Material 10 selbst verformt sein, z. B. aufgrund von Eigenspannung
im gewebten Material, oder das sich bewegende bahnförmige Material 10 kann
sich zusätzlich drehen,
strecken oder weiter verformen, indem es sich z. B. zwischen der
Zufuhr des bahnförmigen
Materials und dem optischen System 12 wölbt oder verzerrt, wobei all
dies das Idealszenario einer Überlagerung
oder Zuordnung von Muster und Form zerstört. Es ist nützlich,
die weitere Verformung der Bahn zwischen dem optischen System 12 und
dem Schneidesystem 11 zu minimieren, da kein Sekundärsystem zur
Zeit angewandt wird, um eine weitere Verformung zu überwachen.
In derartigen Fällen
korrespondiert die Geometrie des vorgegebenen Musters P nicht mehr
mit der verformten vordefinierten Form S, und es können beim
Schneiden Zuordnungsfehler auftreten, es sei denn, das vorgegebene
Muster wird verändert
oder neu kartiert, um sich besser an die tatsächliche Form einer verformten
vordefinierten Form anzupassen.
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Verschiedene
Fälle können grob
wie folgt kategorisiert werden:
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5a, 5b,
Stempeln: In diesem Szenario muss das Steuerungsprogramm die Geometrie des
Musters P überhaupt
nicht verändern.
Das optische System 12 muss nur die korrespondierende Bezugsmarkierung
F der vordefinierten Form auf dem bahnförmigen Material 10 lokalisieren,
das Muster P überlagern,
und die Schneidelinien des Musters als Überlagerung über der
vordefinierten Form S anwenden, und die Form ausschneiden, wie es
bei einem Stempel oder einer Ausstechform geschehen würde.
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3, 6,
Drehen: In diesem Szenario muss das Programm nur die Geometrie des
Musters P lediglich durch eine Drehung verändern. Das optische System
benötigt
zwei Bezugsmarkierungen F, F2. Eine erste Bezugsmarkierung F verankert
die Form an dem Muster P, und eine zweite Bezugsmarkierung F2 identifiziert
eine Drehung des Materials 10 und der Form S von einem
charakteristischen Punkt P2 des Musters P und relativ zu der Referenzbezugsmarkierung
F.
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7a, 7b,
Strecken und Verschieben: In diesem Szenario muss das Programm nur
die Geometrie des Musters P durch bloßes geometrisches Strecken
(oder Stauchen) in X- oder Y-Richtung oder in beiden Richtungen
verändern.
Wie in den 7a, 7b gezeigt
wird, wird eine Längsstreckung
mit Hilfe von zwei oder mehr Bezugsmarkierungen F, F2 identifiziert,
um eine Referenzlänge
der vordefinierten Form F-F2 zu definieren, egal ob diese länger oder
kürzer
als die korrespondierenden Koordinaten für das Muster F-P2 ist, so dass
eine "Streckung" des Musters in eine
geeignete Richtung, nämlich
in die Kettrichtung oder in die Schussrichtung, und bei Bedarf eine
Verschiebung durchgeführt
wird.
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Andere
Neukartierungs-Szenarien können anhand
von vorgegebenen Algorithmen auf eine ganze Form S oder einen Abschnitt
derselben angewandt werden, um kritische Bereiche der Form zu berücksichtigen,
die nicht neu kartiert werden sollten, und andere zu berücksichtigen,
die neu kartiert werden können.
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8a, 8b, 9, lineare Wölbung und Verzerrung: In diesem
Szenario sind ein oder mehrere Bereiche oder Patch-Flächen in
dem Muster P durch mindestens drei Bezugsmarkierungen in einem X-Y-Koordinatensystem
begrenzt. Vielfache von drei Bezugsmarkierungen definieren dreieckige Patch-Flächen, und
Vielfache von vier Bezugsmarkierungen definieren mehrere rechteckige
Patch-Flächen. Das
optische System ermittelt die Wölbung
und Verzerrung gegenüber
dem idealen Muster P. Das Programm muss dann nur die Musterkoordinaten
des Idealmusters einem neu kartierten Muster P neu zuordnen, welches
den gewölbten
und verzerrten Bereich besser berücksichtigt. Die Neukartierung
kann auf eine ganze Form S oder einen Abschnitt derselben angewandt
werden, die eine oder mehrere Patch-Flächen aufweist. Ein solcher
Neukartierungsprozess kann eine einfache lineare Verschiebung der Koordinaten
sein, oder das Auslassen eines Abschnitts und das Modifizieren eines
anderen Abschnitts beinhalten. Wie dargestellt, implementiert eine
Ausführungsform
einen oder mehrere rechteckige Bereiche oder Patch-Flächen, die
von mindestens vier Bezugsmarkierungen begrenzt werden, nämlich zwei
Bezugsmarkierungen in der X-Richtung und zwei Bezugsmarkierungen
in der Y-Richtung.
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Interpolierte
Wölbung
und Verzerrung: Wie zuvor bei der linearen Wölbung und Verzerrung sind auch
in diesem Szenario Bereiche im Muster P z. B. mit Hilfe rechteckiger
Patch-Flächen
definiert, die von mindestens zwei Bezugsmarkierungen in der X-Richtung
und zwei Bezugsmarkierungen in der Y-Richtung begrenzt sind. Sobald
das optische System die Wölbung
und Verzerrung festgestellt hat, werden die Koordinaten des Musters
P durch Interpolation korrigiert, wobei für alle Punkte ein Polynom des
n-ten Grads zum Glätten
des Schneidens benutzt wird.
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Allgemein
im Betrieb und unter Bezugnahme auf Block B1 von 10 wird
also die relative Geometrie zwischen dem optischen System 12 und
dem Schneidesystem 11 be stimmt, um das bahnförmige Material 10,
das optische System 12 und das Schneidesystem 11 in
ein globales Koordinatensystem einzuordnen.
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Das
optische System 12 ist an bekannten Koordinaten X, Y stromaufwärts zum
Schneidesystem 11 angeordnet. Die Fördervorrichtung 16 weist bekannte
Geschwindigkeitseigenschaften auf. Es wird eine Kalibrierung zwischen
den Koordinaten einer Bezugsmarkierung F an einem Ausgangspunkt und
dem tatsächlichen
Schneidelement 13 des Schneidesystems 11 durchgeführt. Eine
solche Kalibrierung wird typischerweise nach Bedarf vorgegeben,
z. B. am Anfang einer Rolle von Bahnmaterial 10. Der Ausgangspunkt
wird identifiziert, und das Bedienungspersonal bewegt das Material
weiter, bis der Ausgangspunkt sichtbar unter dem Schneidelement angeordnet
ist. Alle relativen Koordinaten sind anschließend im globalen Koordinatensystem
bekannt. Das Schneiden kann dann dem Muster entsprechend beginnen
und anschließend
gleichzeitig mit der Lokalisierung von Bezugsmarkierungen F im Wesentlichen
ununterbrochen fortlaufen.
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Das
Muster weist vorgegebene Koordinaten auf, die typischerweise bekannt
sind, bevor der Prozess an den Blöcken A1, B1 einsetzt. Mit Hilfe
des Musters können
an Block A2 der Schneidelinienweg und die Schnitte berechnet werden,
die jeweils für das
Schneidesystem geeignet sind. Das Bewegungsprofil kann an Block
A3 berechnet werden. Die Schneidelinien und das Bewegungsprofil
müssen möglicherweise
in der Vorbeibewegung geändert werden.
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Die
Fördervorrichtung 16 wird
betätigt,
und ein Prozess des gleichzeitigen Lokalisierens von Bezugsmarkierungen
und Ausschneidens von Formen beginnt. An Block B2 betrachtet das
optische System 12 im Wesentlichen fortlaufend eine Quererstreckung des
bahnförmigen
Materials 10, das daran vorbeiläuft, um eine oder mehrere Bezugsmarkierungen
F, F2... zu suchen. Eine effektive Breite wird ausgewählt, in
der Bezugsmarkierungen erscheinen, und die praktisch etwas kleiner
als die gesamte Quererstreckung des bahnförmigen Materials ist. Wie Fachleute
wissen, können
verschiedene Regeln angewandt werden, um zu bestimmen, ob ein Kandidat, der
von dem optischen System 12 an Block B3 erkannt wurde,
als eine Bezugsmarkierung gelten kann, einschließlich inhärent sichtbasierter Detektionsschwellenwerte.
Zum Minimieren des Verarbeitungsoverheads und zum Minimieren der
Häufigkeit von
Falschpositiven kann das optische System angewiesen werden, nur
eine Untermenge der Quererstreckung zu betrachten, was den Effekt
auf eine oder mehrere relevante Regionen beschränkt.
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Die
globalen Koordinaten x, y jeder Bezugsmarkierung werden in Block
B5 an Mittel zum Vergleichen des Musters und der Bezugsmarkierungen
weitergeleitet. Das optische System 12 erkennt und bestimmt
Bezugsmarkierungskoordinaten gleichzeitig, und daher ohne Rücksicht
auf die Aktivität
stromabwärts,
wie z. B. den Betrieb des Schneidesystems 11. Aus praktischen
Gründen,
und um die Rechenlast zu verteilen, verarbeitet die Steuerung 21 des
optischen Systems 12 eintreffende Daten wie z. B. die Koordinaten
x, y unabhängig
von der Steuerung 22, die Befehle verarbeitet, welche vom
Schneidesystem 11 ausgeführt werden.
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Das
bahnförmige
Material 10 bewegt sich, weshalb sich auch die Koordinaten
der Bezugsmarkierungen F, F2... bewegen. Mit Hilfe von verschiedenen
möglichen
Rechenverfahren, darunter dem Bewegen von Koordinatengruppen oder
Zeit-Raum-Berechnungen, werden die Bezugsmarkierungen F, F2... im
globalen Koordinatensystem des Schneidesystems 11 verfolgt.
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An
den Blöcken
B6, B7, B8 wird die Position der Form S anhand mindestens einer
Bezugsmarkierung F bestimmt, und es kann auch mit Hilfe von zwei oder
mehr Bezugsmarkierungen F, F2, F3... eine Anpassung erfolgen, um
eine Verformung der Form zu korrigieren. Diese Anpassung wird in
der Vorbeibewegung durchgeführt,
indem erkannte Bezugsmarkierungen F einer digitalen Vorlage des
Musters P zugeordnet werden, und dann die gewünschten Anpassungen an die
Geometrie des Musters P vorgenommen werden, um die gewünschte Genauigkeit
beim Ausschneiden der vordefinierten Form S zu erzielen.
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In
einer einfachsten Implementierung wird an Block B8 eine Bezugsmarkierung
F entdeckt, weshalb die Position der vordefinierten Form bekannt
ist, und an Block B14 wird das korrespondierende Muster in Bezug
auf die Position der Bezugsmarkierung F angewandt, um die vordefinierte
Form S auszuschneiden. Wenn eine Verschiebung erforderlich ist, kann
an Block 11 das Bewegungsprofil neu berechnet werden.
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In
anderen Implementierungen können
die Muster durch eine oder mehrere Bezugsmarkierungen F, F2 gekennzeichnet
sein. In diesen Ausführungsformen
wird ein weiteres Verfahren angewandt, um Verformungen gegenüber dem
Ideal des Musters oder seiner vorgegebenen Geometrie zu berücksichtigen,
wie oben beschrieben.
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An
Block B7 erkennt das optische System 12 eine erste Bezugsmarkierung
F für ein
bekanntes Muster, welche die vordefinierte Form S in dem bahnförmigen Material
lokalisiert. Das optische System identifiziert und meldet mindestens
eine weitere Bezugsmarkierung F2, die die Steuerung mit dem Muster
P vergleicht, um die Art einer möglichen
Verformung zu ermitteln. Wenn diese ermittelt wurde, wird das Muster
P entsprechend der Art der Verformung neu kartiert, bevor an Block 14 mit
dem Schneiden der verformten vordefinierten Form fortgefahren wird.
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An
Block 14 wird die vordefinierte Form S anhand der einen
oder mehreren vorangehenden Bezugsmarkierungen ausgeschnitten. Das
Muster, wie es ursprünglich
definiert oder neu kartiert wurde, wird anhand der vorgegebenen
Koordinaten des Musters, die auf die globalen Koordinaten der Bezugsmarkierung
angewandt werden, über
das bahnförmige
Material überlagert.
Während
das Schneidesystem 11 anhand von vorangehenden Bezugsmarkierungen fortfährt, lokalisiert
das optische System 12 simultan oder gleichzeitig eine
oder mehrere nachfolgende Bezugsmarkierungen in dem sich bewegenden bahnförmigen Material.
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Typischerweise
wird an Block 11 das Bewegungsprofil neu berechnet. Abhängig vom
Ausmaß der
Verformung müssen
möglicherweise
auch die Schneidelinien oder der Schneidelinienweg neu berechnet
werden, um das Schneidesystem 11 optimal anzutreiben. Ein
Fall, in dem ausreichend Verformungsinformation bereitgestellt werden
kann, und deshalb von neu berechneten Schneidelinien profitiert
werden kann, ist ein Wölbungs-
und Verzerrungsszenario.
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An
Block B9, und allgemein abhängig
von der Komplexität
des Musters, erwartet das optische System das Vorhandensein weiterer
Bezugsmarkierungen F2, F3 ...Fn, welche einzelne Patch-Flächen definieren.
Die Verformung wird diskretiert und spiegelt sich in der Verformung
jeder einzelnen Patch-Fläche
wieder. Eine verformte Form wird durch Neukartieren jeder einzelnen
Patch-Fläche
neu kartiert. Dann kann der Schneidelinienweg an Block B10 neu berechnet
werden, und an Block 11 wird das Bewegungsprofil neu berechnet,
bevor ein Übergang zum
Schneiden der verformten vordefinierten Form an Block 14 stattfindet.
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Die
Verwendung von Patch-Flächen
ermöglicht
eine variable Neukartierung innerhalb einer Form. Dreieckige Patch-Flächen sind
durch drei Bezugsmarkierungen pro Patch-Fläche
definiert, wobei benachbarte Patch-Flächen sich zwei Bezugsmarkierungen
teilen. Entsprechend benötigen
zwei oder mehr Patch-Flächen
2 + 1n Bezugsmarkierungen, wobei n für die Anzahl der Patch-Flächen steht.
Auf ähnliche
Weise benötigen
rechteckige Patch-Flächen
2 + 2n Bezugsmarkierungen. Auch andere polygonal geformte Patch-Flächen können benutzt
werden. Verschiedene Neukartierungsalgorithmen können abhängig von der Geometrie der
Patch-Flächen und
dem Typ von gewünschter
Neukartierung benutzt werden. In einem einfachen Fall kann eine
ideale Patch-Fläche
rechteckig sein (x0, y0 – x3,
y3), und zu einem vierseitigen Polygon (x'0, y'0 – x'3, y'3) verformt werden.
Jede Patch-Fläche
kann die gleiche oder eine eigene Kartierungsfunktion aufweisen.
In einem solchen Fall wird jeder Punkt von einer rechteckigen Patch-Fläche zu der
nicht rechteckigen Patch-Fläche
verschoben. In einer Analyse zur linearen Wölbung und Verzerrung kann eine
Kartierungsfunktion x' =
Ax + By + Cxy + D und y' =
Ex + Fy + Gxy + H sein. Für
vier Unbekannte können
vier Gleichungen geschrieben werden, wobei eine A, B, C, D lösen kann.
Ebenso kann eine E, F, G, H lösen.
Das Aufstellen einiger Annahmen kann diese Lösung vereinfachen.
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Wie
in den 9b bis 9d gezeigt
wird, weisen bei mehreren rechteckigen Patch-Flächen benachbarte Patch-Flächen Bezugsmarkierungspaare
auf, die dieselben x-Koordinaten
aufweisen, sowie Bezugsmarkierungspaare, die dieselben y-Koordinaten
aufweisen. Ferner kann angenommen werden, dass eine ursprüngliche
Bezugsmarkierung x0, y0 der ersten Patch-Fläche dieselbe ist wie bei der verform ten
Patch-Fläche
x'0, y'0. Nun können die Gleichungen
direkt gelöst
werden. Im Zusammenhang mit dem Schneiden in der Vorbeibewegung
ist es nützlich,
Schnittgrenzen an Patch-Flächengrenzen
anzuordnen.
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Bezugnehmend
auf 11, und unter Berücksichtigung dieser Grundgedanken,
und in einer veranschaulichenden praktischen Ausführungsform, kann
das Schneidesystem 11 ein Standardlaserschneidelement des
Modells Lacent 1000 von Lacent Technologies Inc., Edmonton, Alberta,
Kanada, aufweisen, das im Wesentlichen so konfiguriert ist und so
arbeitet wie das in der US-Patentschrift 6,294,755 beschriebene
Schneideelement. Unter den Variationen der Vorrichtung gemäß der US-Patentschrift 6,294,755
ist diejenige, dass das Schneidesystem mit einem abgeschlossenen
1.000-Watt-Laser von Rofin-Sinar ausgerüstet ist. Das Schneideelement-Positionierungssystem
des Lacent 1000 ist dazu in der Lage, sich mit Geschwindigkeiten
von bis zu 1.500 mm/Sekunde bei einer Genauigkeit, welche besser
als ½ mm
ist, zu bewegen. Der Positionierer, der das Laserschneideelement
trägt,
wird durch eine Bewegungssteuerung für den Positionierer (Positioner
Motion Controller – PMC
oder PMAC) gesteuert. Das Lager der Fördervorrichtung kann sich mit
Geschwindigkeiten von bis zu 130 mm/Sekunde bewegen. Die Fördervorrichtung 16 wird
durch eine Bewegungssteuerung für
die Fördervorrichtung
(Conveyor Motion Controller – CMC)
gesteuert. Fertiggestelltes bahnförmiges Material weist eine
maximale Breite von 2,4 Metern auf und wird typischerweise auf Rollen
bereitgestellt, die bis zu 1.400 kg wiegen.
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Wie
in den 2a, 2b und 12 gezeigt
wird, ist das Schneidesystem 11 mit einem kamerabasierten
optischen System 12 ausgebildet, das dazu in der Lage ist,
eine Kontrasterfassung von bis zu sechs Bezugsmarkierungen durchzuführen, die quer über eine
effektive Material breite von 2,6 Metern verteilt sind. Das optische
System weist eine Anordnung aus vier Kameras 30, 30, 30, 30 auf,
die jeweils eine Region von etwa 0,65 mal 0,5 Metern abdecken. Vier
Kameras als Gruppe decken deshalb die effektive Breite von 2,6 Metern
mal 0,5 Metern ab. Mit einem speziellen Vorschaltgerät versehene
Leuchtstofflampen mit geringem Wartungsbedarf unterstützen die
Kameras und das optische System, indem sie eine flackerfreie Beleuchtung
bereitstellen.
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Das
System 13 bestimmt die Position jeder Bezugsmarkierung
F mit einer Genauigkeit, welche besser als 2 mm ist, während sich
das bahnförmige Material 10 fortlaufend,
aber nicht unbedingt gleichmäßig darunter
in die Schneidezone des Schneidesystems bewegt. Mit Hilfe von Kameras 30,
beispielsweise von Sony, mit einer Auflösung von 600 × 800 Pixeln
und Erfassungsraten von 60 Hz ohne Zeilensprung, und bei Fördergeschwindigkeiten
von 5 Zoll pro Sekunde (130 mm/s) ist die Bewegungsunschärfe besser
als 1/12 Zoll (2 mm). Wie in der veranschaulichenden Ausführungsform
dargestellt ist, wurde festgestellt, dass vordefinierte Formen von
bis zu 2,6 Metern Breite, die sich mit 130 mm/Sekunde bewegen, innerhalb
einer Nahtzugabe von 10 mm genau verfolgt werden können.
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Sechs
Sets von quer beabstandeten Bezugsmarkierungen F können pro ½ Meter
von bewegtem Material verarbeitet werden, das sich mit bis zu 130
mm/Sekunde bewegt. Dies lässt
mehr als eine Bezugsmarkierung pro vordefinierte Form zu, was es
dem System erlaubt, Szenarien der "Wölbung und
Verzerrung" zu kompensieren.
Die Muster, die nur durch die physikalische Größe des beispielhaften Schneidesystems
Lacent 1000 beschränkt
sind, können
bis zu 3 Metern lang sein. Bahnförmiges
Material, das mit Hilfe des vorliegenden Systems erfolgreich geschnitten wird,
kann siliziumbeschichtetes Nylon mit einem Stoffgewicht von 700
g/m2 (20,7 oz) einschließen.
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Das
optische System ist dazu in der Lage, die Koordinaten von einer
oder mehreren Bezugsmarkierungen im Material zu erfassen, zu unterscheiden
oder zu erkennen, und zu lokalisieren. Wie dargestellt, kann ein
Set von 6 quer angeordneten Bezugsmarkierungen lokalisiert werden,
und es können nachfolgende
Sets erfasst werden, während
sich das bahnförmige
Material 10 unter dem optischen System 12 fortbewegt.
Das optische System 12 verarbeitet ankommende Daten unabhängig von
dem Laserschneidesystem Lacent 1000. Das optische System erfasst
Fadenkreuzbezugsmarkierungen F, die auf oder in dem bahnförmigen Material
angeordnet sind. Die diskreten Koordinaten einer Bezugsmarkierung auf
dem bahnförmigen
Material 10 sind im Koordinatensystem des Schneidesystems 11 bekannt.
während
das Material sich an dem optischen System vorbei bewegt, werden
in bestimmten zeitlichen Abständen
Materialpositionsanzeigen empfangen und den erkannten Bezugsmarkierungen
zugeordnet. Vor allem zur leichteren Bedienung durch das Bedienungspersonal
ist eine Schnittstelle von einem Systemcodierer zu einem Pentium-basierten
Computer vorgesehen, um Positionsanzeigen bereitzustellen, die in einem Überwachungsfenster
des optischen Systems erscheinen. Ein 48-Bit-Codierer kann opto-isolierte differenzielle
Quadratursignale von 0 bis 5 V bei 4.000 Impulsen pro Zoll bereitstellen,
was bei 5''/s 20.000 Impulse
pro Sekunde entspricht. Die Koordinaten der Bezugsmarkierungen werden
ebenfalls über
eine serielle RS-422-Kommunikationsschnittstelle als digitale Folge
an das Schneideprogramm bereitgestellt. Ein Taktungsimpuls ist vorgesehen,
um eine Synchronisierung bereitzustellen, die bis auf eine Millisekunde
genau ist, wobei der Zeitpunkt angezeigt wird, an dem die Positionen
und Koordinaten gültig
waren.
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Die
Beleuchtung und die Kameras 30 sind stromaufwärts und
benachbart zu der Schneidezone des Schneidesystems 11 angeordnet.
Die Bilder von den Kameragruppen 30, 30, 30, 30 werden
von einem Bildverarbeitungssystem verarbeitet. Das Bildverarbeitungssystem
ist über
eine Schnittstelle, z. B. einen Pentium-basierten (Intel Corporation)
Computer mit einer Bedienung verbunden. Die Software des optischen
Systems kann im Echtzeitbetrieb bei einer Materialbewegung von fortlaufenden
und fortlaufend variablen Raten von bis zu 130 mm pro Sekunde arbeiten.
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Unter
Bezugnahme auf 13 sind die Kameras des optischen
Systems unbeweglich, und betrachten oder starren die effektive Breite
des bahnförmigen
Materials an, das sich vorbeibewegt. Das optische System wird von
einer Optikverwaltung oder einem Optikprogramm gesteuert, die oder
das über eine
RS-422-Verbindung Information bezüglich Bezugsmarkierungen von
dem optischen System erhält und
dann die eine oder mehreren Bezugsmarkierungen in einer Warteschlange
verwaltet. Jede Bezugsmarkierung wird analysiert, indem die Bezugsmarkierungsinformation
einer digitalen Vorlage des Musters zugeordnet wird. Durch Informationsaustausch
und Kooperation führen
das optische System und das Schneidesystem bei Bedarf eine Neukartierung
der Mustergeometrie durch und berechnen neue Schneidelinien, um
die Positionierer-PMC und die Fördervorrichtung-CMC
in der Vorbeibewegung anzuweisen. Eine Vielzahl von Bezugsmarkierungen
ermöglicht
die Erfassung einer Verformung im bahnförmigen Material.
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Wie
in 14 gezeigt wird, weist das optische System 12 Kameras 30 und
Beleuchtung 31 auf, die über eine Schnittstelle an die
Optikverwaltung oder Steuerung 21 gekoppelt sind. Das optische System 12 kommuniziert
auch mit dem Schneidesystem 11 unter folgenden Aspekten:
zum einen, um eine Beziehung zu dem Codierer des Schneidesystems
herzustellen und aufrechtzuerhalten, und von diesem etwaige Korrektur-
oder Rückstellinformationen
zu erhalten; und zum anderen, um mit der Steuerung 22 des
Schneidesystems zu kommunizieren, um Information bezüglich der
Koordinaten der Bezugsmarkierungen bereitzustellen. Das Schneidesystem
hält über die
Codierer und Bewegungssteuerungen die Steuerung der Echtzeitbewegung
des Materials und der vordefinierten Form im globalen Koordinatensystem
aufrecht.
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Das
optische System 12 kann unter Kenntnis grundlegender Merkmale
des bahnförmigen
Materials abgestimmt werden, um eine Anpassung an unterschiedliche
Bezugsmarkierungen zu erreichen und die Bezugsmarkierung von optischem
Hintergrundrauschen zu unterscheiden.
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Das
bekannte Muster P der vordefinierten Formen S ist im Speicher eines
Computersystems gespeichert, das geeignete Programme zum Durchführen einer
Echtzeitoptimierung der Schneidelinien und zum Durchführen einer
Verschiebung und Drehung der Koordinaten des Musters ablaufen lässt. Das
Muster ist typischerweise als eine Vektordatei gespeichert, die
auf einen Ausgangspunkt Bezug nimmt, wobei ein Beispiel dafür eine AutoCAD-Zeichendatei
oder eine Datei im Format Drawing eXchange (DXF) ist. Das optische
System erfasst und analysiert Bilder, die von mindestens einer Kamera angefertigt
werden. Die Kameras sind mit einem Computersystem verbunden, das
die Erfassungsanalyse durchführt.
Die Koordinaten der Kameras 30 befinden sich in einem Referenzrahmen
relativ zu den Koordinaten des Laserschneidesystems 11.
Entsprechend ist eine lokalisierte Bezugsmarkierung F in einem Koordinatensystem
des Schneidelements 13 des Schneidesystems 11 bekannt.
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Während daher
das Schneidesystem 11 eine zuvor lokalisierte vordefinierte
Form in dem fortlaufenden Strom von bahnförmigem Material 10 ausschneidet,
bestimmt das optische System 12 gleichzeitig die Referenzkoordinaten
der nächsten
Form S. Jedes Mal, wenn eine Form sich unter dem optischen System
vorbeibewegt, wird das Schneidesystem hinsichtlich der globalen
Koordinaten der sich nähernden
Form aktualisiert.
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Diese
Ausführungsform
wird typischerweise vor dem ersten Betrieb wie folgt kalibriert:
Das Bedienungspersonal befördert
das bahnförmige
Material zunächst
zu dem optischen System 12 und prüft die Position der allerersten
Bezugsmarkierung oder der Ausgangsmarkierung, die davon erkannt
wird. Zu Beginn können
eine Fehlerbearbeitung wegen versäumter oder unerwarteter Bezugsmarkierungen
und ein Eingreifen durch das Bedienungspersonal notwendig sein.
Das Bedienungspersonal bestätigt
die identifizierten Koordinaten der Bezugsmarkierung als einen Kalibrierungsausgangspunkt.
Die Fördervorrichtung
und das bahnförmige
Material werden dann zum Schneidesystem 11 befördert, um
den Ausgangspunkt mit dem Schneidelement 13 abzugleichen.
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Das
System identifiziert ein "Muster" und zugehörige Bezugsmarkierungsinformation,
die in praktischer Weise in einer computergestützten Zeichen-CAD-Datei gespeichert
werden und die beispielsweise von einem CAD-Programm AutoCAD, das
von Autodesk Inc., Cupertino, CA erhältlich ist, als AutoCAD-DXF-Format
ausgegeben würde.
Ein Programm "Linc" wird benutzt, um
die bekannte Mustergeometrie zu verarbeiten, und ferner werden:
das Muster und die Bezugsmarkierungsinformation aus der DXF-Datei
importiert; Musterbezugspositionen exportiert; Musterinformation
exportiert, die für
alle Schneidelinienvektoren zugeordnet ist; ein Materialtyp für jedes
Muster akzeptiert; und ein Versatzkorrekturcode in die PMAC und
die CMC eingefügt.
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Eine überwachende
Bewegungssteuerung läuft
entweder im Modus des Stands der Technik ab, um ein Schneiden des
Musters unabhängig
vom Material anzuwenden, oder im optischen Modus, der die Vorrichtung
und das Verfahren der vorliegenden Erfindung anwendet, wobei die
Kenntnis von vordefinierten Formen im Material vorliegt. Im optischen
Modus verwaltet die Bewegungssteuerung viele Aspekte des Betriebs,
darunter: Verfolgen des Versatzes im optischen System; Erteilen
von Anweisungen an das optische System in Bezug auf das zu verwendende Materialtypprofil;
Akzeptieren nicht angeforderter Bezugsmarkierungen vom optischen
System; fortlaufendes Zuordnen von Bezugsmarkierungen zu der digitalen
Vorlage des Musters; Durchführen
von Neukartierungen oder Anpassungen für jedes Muster, und Laden der
neu kartierten Muster in PMAC; Berechnen der angepassten Markierungslänge zum Laden
in PMAC; Anzeigen des Markierungsausgangspunkts für Bedienungspersonal
beim allerersten Betrieb oder bei einem Fehler, um eine Bezugsmarkierungskarte
zu erzeugen; und Bereitstellen der Möglichkeit verschiedener Reaktionshandlungen durch
das Bedienungspersonal.
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Wie
oben angeführt
und detaillierter in der US-Patentschrift 6,294,755 für Sawatzky
et al. erläutert
wird, wird durch eine Optimierung der Bewegung eines Werkzeugs mit
hoher Geschwindigkeit oder Beschleunigung ein erhöhter Durchsatz
erreicht, weshalb der X-Y-Positionierer für das Werkzeug dazu in der
Lage sein muss, hohe Beschleunigungen und präzise Bewegungen auszuführen.
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Die
Teile eines Musters P wurden im Allgemeinen bereits in den Satz
von Formen eingepasst (3). Bei einem Satz handelt es
sich um mehrere Formen, die in einer Zusammenstellung oder Gruppierung
so ausgelegt sind, um Materialverschwendung zu minimieren. Eine
Schnittlänge
oder -breite wird bestimmt, die maschinenabhängig und allgemein kürzer als
die Länge
eines Satzes ist. Es ist notwendig, einen Schnitt zu berechnen,
da die Längserstreckung
eines Musters P oder eines Satzes möglicherweise nicht in die Schneidezone
des Schneidesystems 11 hineinpasst. Ein Schnitt beträgt etwa
die Hälfte
der Länge
der Längserstreckung
der Schneidezone des Systems 11. Beispielsweise kann eine Schneidezone
von 44 Zoll nur einen Schnitt von 22 Zoll vorsehen.
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Eine
digitale Bewegungssteuerung und ein Computer verarbeiten die X1-,
X2- und Y-Information für
die Positionierer-Codierer und für
die Bewegung der Fördervorrichtung
des Schneidesystems. Der Computer verarbeitet die Musterinformation
und gibt optimierte Schneidebewegungen an die PMC und die CMC aus.
Die Bewegungssteuerung gibt Kommandos aus, um die Linearmotoren
für den
Positionierer und den Antrieb der Fördervorrichtung anzutreiben, um
die Bewegung der Laserdüse 13 an
dem X-Y-Positionierer und die Geschwindigkeit der Fördervorrichtung
zu koordinieren. Ein Prozess benutzt die Mustergeometrie und optimiert
die Bewegung der Laserdüse über das
bahnförmige
Material 10.
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Im Überblick
und unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm aus 15 geschieht
Folgendes, nachdem die Geometrie eines Musters P oder eines neu
kartierten Musters empfangen wurde:
- (a) an
Block 118 wird die Geometrie in maschinenabhängige Schnitte
geordnet, die in die Schneidezone 11 hineinpassen;
- (b) an Block 120 wird die Schneidesequenz in Quererstreckung
des Schnitts optimiert. Auf diese Weise wird die Geometrie als eine
Serie von fortlaufenden Schnitten aufgestellt, die durch Leerlaufbewegungen
getrennt sind;
- (c) an Block 123 wird die Geometrie der fortlaufenden
Schnitte zu mehreren diskreten Bewegungen optimiert, indem die Anzahl
von berührungsfreien Überkreuzungen
minimiert wird, die neue Bewegungen bilden, um so ineffiziente Hin-
und Herbewegungsaktivitäten
innerhalb des fortlaufenden Schnitts zu minimieren;
- (d) an Block 126 wird das Bewegungsprofil des Positionierers
bestimmt, indem das Geschwindigkeitsprofil jeder diskreten Bewegung
optimiert wird, wobei stets die Systembeschränkungen berücksichtigt werden. Kurvenbewegungen
werden auch allgemein als Bewegungen oder Kurven bezeichnet; und
schließlich
- (e) wird an Block 127 die Bewegung der Fördervorrichtung
optimiert, um eine stückweise
fortlaufende Vorwärtsgeschwindigkeit
aufrechtzuerhalten, auch sogar zwischen Schnitten, wobei die Geschwindigkeit
nicht negativ werden darf.
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Die
resultierende Geometrie wird gespeichert und die optimierten Bewegungen
werden über die
Bewegungssteuerungen CMC, PMC zum Antreiben der Fördervorrichtung 16 und
des Positionierers übermittelt,
um das Muster P auszuschneiden, mit dem die vordefinierte Form S
in diesen Ausführungsformen überlagert
wird.
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Hinsichtlich
der Optimierung kann die Bewegung der Laserdüse durch Vorausschauen auf
die nächste
Bewegung optimiert werden. Das Ziel dieses "Vorausschauprozesses" ist es, die Zeit zu minimieren, die
benötigt
wird, um eine beliebige Geometrie oder ein Muster P zu verfolgen,
wobei gleichzeitig das Überschreiten
vorgegebener maximaler Beschleunigungen und Geschwindigkeiten sowie
das Abdriften über
Abmessungstoleranzen hinaus vermieden wird.