DE69828530T2

DE69828530T2 - Auf einen wagen montierte laserdüse und verfahren zur laserpositionierungssteuerung

Info

Publication number: DE69828530T2
Application number: DE69828530T
Authority: DE
Inventors: D. Brian SAWATZKY; G. Randall ANDREWS; J. Chris WANT
Original assignee: Lacent Technologies Inc
Current assignee: Lacent Technologies Inc
Priority date: 1997-12-02
Filing date: 1998-12-02
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2018-12-03
Also published as: WO1999028798A2; WO1999028798A3; ES2235381T3; EP1044397A2; CA2312348C; CA2312348A1; US6294755B1; AU1477599A; DE69828530D1; EP1044397B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft Vorrichtung und Verfahren zum Steuern kartesischer Positionierung einer Laserdüse zum Schneiden von Mustern aus Flachmaterial. Im Besonderen umfasst die Vorrichtung X-Y-Positioner in einer H-Anordnung, die Linearmotoren zum Antrieb des Portals verwenden, und umfasst Optimierungsverfahren, wie Verbinden und Ausrunden sequenziell verbundener Bewegungsvektoren. Es erfolgt die Einbeziehung von realen Beschränkungen einschließlich Zeit und Distanz, die in diskreten ganzzahligen Inkrementen gemessen werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Ein bekanntes Verfahren des Laserstrahlzuschnitts von Mustern in Material besteht darin, eine endliche Länge von Material in eine Schnittzone hinein vorzuschieben und, während das Material stillsteht, eine Laserstrahldüse zu verwenden, die an einem X-Y-Positioner angebracht ist, um einen Laserstrahl zum Schneiden des Musters aus dem Material auszusenden.
Der numerisch gesteuerte Positioner positioniert den Laserstrahl als Reaktion auf ein vorgegebenes bekanntes Muster über dem Material. Sobald das Muster geschnitten ist, bewegt sich die Fördervorrichtung weiter, um das geschnittene Muster auszuwerfen und neues Material in die Schnittzone hinein zu bringen.
Steigerungen des Durchsatzes wurden erreicht durch Implementieren von mehrlagigem Schneiden, Erhöhen der Geschwindigkeit, mit der sich der Laser bewegt, und Verwenden schneller Fördervorrichtungsbewegung zum Auswerfen von Material.
Der Positioner, der mit der vorgenannten Fliegendschneidvorrichtung verwendet wird, setzt ein Portal ein, das die Laserdüse handhabt und positioniert. Es werden Schrittmotoren zum inkrementellen Bewegen des Portals entlang der X-Achse verwendet und ein Schrittmotor treibt die Laserdüse entlang der Y-Achse an. Ein Schrittmotor wird zur X-Achsensteuerung verwendet und befindet sich an einem Ende des Portals.
Beim Verwenden von Schrittmotoren zum Bewegen einer Laserdüse ergeben sich mehrere Probleme. Erstens stellen die Schrittmotoren nicht die hohe Auflösung bereit, die für präzise Steuerung, besonders bei hohen Geschwindigkeiten, erforderlich ist. Schrittmotoren sind relative Positioniervorrichtungen, d. h. inkrementieren drei Schritte von dieser Position. Als Folge speist die Steuerung weiter absolute Koordinaten an den Positioner, aber die Schrittmotoren könnten einen Versatz übernommen haben und sind dem Verrutschen bei hoher Geschwindigkeit ausgesetzt. Die Schrittmotoren verlieren an Effektivität, da die Nachfrage nach höherer Geschwindigkeit steigt. Die von Schrittmotoren erzeugte Kraft ist im Ruhezustand maximal und fällt ab, wenn der Schrittmotor in den Betrieb in seinem schlechtesten Arbeitsbereich gedrückt wird, bei dem geringe Kraft verfügbar ist, um schnelle Änderungen der Geschwindigkeit zu bewirken. Des Weiteren kann, wenn sich die Laserdüse an dem entgegengesetzten Ende des Portals zu dem Schrittmotor befindet, dies dann beim Antrieb der Laserdüse entlang der X-Achse zu mechanischem Nachlauf führen.
Die in dieser Referenz dargelegte Vorrichtung implementiert weder geometrische Analyse zur Minimierung von Unstetigkeiten, noch implementiert sie eine Manipulation der Laserdüsengeschwindigkeit oder eine ganzzahlenbasierte Analyse.
In der kanadischen Patentanmeldung, die in Kanada am 11. November 1991 als Anmeldungsnummer 2.016.554 veröffentlicht wurde, wird ein Verfahren offenbart, mit dem das Ziel, den Durchsatz von Schnittmustern durch Ermöglichen von Laserstrahlschneiden zu erhöhen, während sich Material kontinuierlich durch die Positioner-Laserschnittzone bewegt, teilweise erreicht wird. Dieses „Fliegendschneidverfahren" bietet zweifache Einsparungen: Es beseitigt das Beschicken und Entnehmen von Material in der Schnittzone; und es nutzt Bewegung des Schneidkopfs entlang der Achse der Fördervorrichtung sowie über die Fördervorrichtung hinweg. Die Fördervorrichtung und das Gewebe werden durch eine rechteckige (X- und Y-Achse) Schnittzone finiter Abmessungen hindurch geführt. Eine Laserdüse hängt von einem X-Y-Positioner herab. Der schwerere Laser selbst ist von dem Positioner entfernt angeordnet. Der Positioner ist in der X-Achse und der Y-Achse beweglich, um die Laserdüse und den ausgesendeten Laserstrahl in der Schnittzone zu handhaben. Ein Rechner steuert die Positionierung der Laserdüse, ihre Geschwindigkeit und ihre Beschleunigung. Die Laserdüse muss an jedem nichttangentialen Schnittpunkt von diskreten Bewegungen anhalten. Die Düse kann nicht durch eine Kurve hindurch beschleunigen.
Das Gewebe wird nach Mustern geschnitten, die in einer Datei spezifiziert sind. Die Fördervorrichtung bewegt sich kontinuierlich durch die Schnittzone. Der Laserstrahl muss das Muster schneiden, bevor das Gewebe die Schnittzone verlässt. Die Geschwindigkeit, mit der geschnittenes Gewebe erzeugt werden kann, hängt von Faktoren ab, einschließlich der Laserleistung, der physikalischen Geschwindigkeit, mit der die Laserdüse durch die Schnittzone hindurch gehandhabt werden kann, und der Optimierung der Folge der Schnitte, die erfolgt, um vergeudete (schnittlose) Bewegung zu minimieren und kontinuierliche Bewegung der Fördervorrichtung sicherzustellen. Die Genauigkeit des Schnitts und somit die Genauigkeit der Geometrie des Musters hängt von der physikalischen Auflösung des Positioners und der Art der Befehle, die dem Positioner gegeben werden, ab.
Entsprechend ist nach dem Stand der Technik bekannt, Folgendes bereitzustellen:

– einen X-Y-Achsen-Positioner, an dem die Linse und Spiegel eines Lasers aufgehängt sind, um einen Laserstrahl zum Schneiden darunter liegenden Materials auszusenden;
– inkrementelle oder kontinuierliche Fördervorrichtungsbewegung, um Material unter einer Laserschneideinrichtung her zu führen;
– Verwendung von Schrittmotoren zum Steuern von Portalbewegung;
– Verwendung eines Geometriesatzes, aus dem das Muster bestimmt wird, Schnittlinien berechnet werden und die Optimierung der Schnittfolge durchgeführt wird; und
– Verwendung eines Rechnerprogramms zum Steuern der Laserposition und Koordinieren von Laserposition und kontinuierlicher Fördervorrichtungsbewegung.

Die Problemstellungen in Verbindung mit dem Schneiden von Materialien, die sich kontinuierlich bewegen, umfassen:

a. Steuern des Positioners, um entlang sämtlicher Schnittlinien auf dem Material zu schneiden, bevor sich das Material aus der Schnittzone herausbewegt;
b. Vermeiden des mit verlorener Zeit für das Verzögern und Beschleunigen der Düse verbundenen Startens und Anhaltens der Laserdüsenbewegung; und
c. Vermeiden von hoher Geschwindigkeit während der Neupositionierung der Laserdüse, wodurch die begrenzte Leistung des Lasers bei der Fähigkeit zum Schneiden des Materials überschritten werden kann, was zu verpassten Fäden oder ungeschnittenen Bereichen führt.

Es ist bekannt, bestimmte Optimierung durchzuführen durch:

a. Minimieren der Zeit für „Trockenbewegung", das heißt, wenn der Laserstrahl nicht aktiv schneidet, sondern lediglich neu positioniert wird;
b. Planen des Schneidens von Linien zum Schneiden des Umkreises von dem Raum zwischen den Mustern im Gegensatz zu den größeren durchquerten Strecken zum Schneiden des Umkreises des Musters selbst; und
c. Vorbestimmen der optimalen Schnittfolge.

Zum Erhöhen des Durchsatzes des Systems kann die Positionerbewegung sowohl durch Minimieren des Anhaltens und Fortfahrens, Ermöglichen des Beschleunigens durch eine Kurve hindurch, Verhindern des Überschreitens von maximalen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen als auch durch Veränderung des Positioners zum Ermöglichen von hoher Beschleunigung unter Beibehaltung von genauem Positionieren weiter optimiert werden.
In dem am 14. April 1998 erteilten US-Patent Nr. 5.740.327 wird ein Verfahren in Bezug auf Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsermittlung bei der Robotersteuerung offen bart. Die Aufgabe in dieser Quelle besteht darin, sicherzustellen, dass Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsbeschränkungen an Durchgangspunkten, an denen das Roboterwerkzeug die Beschleunigungsanforderungen nicht erfüllen kann, nicht überschritten werden. Als Folge der Beschleunigungsverarbeitung werden Bewegungsgeschwindigkeiten kontinuierlich gestaltet und Beschleunigung bleibt innerhalb der Systembeschränkungen.
Zusammenfassend offenbart dieses Quelle das Folgende:

a. Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils, das die Zeit für die Bewegungsbahn minimiert;
b. Verändern einer Bewegungsbahn, um sie an einer Ecke innerhalb eines bestimmten Spurfehlers zu füllen; und
c. Verwenden verschiedener Filter und Glättungsalgorithmen.

Das in dieser Quelle dargelegte Verfahren gibt an, dass die vorgenannten Techniken weder einer Bewegungsbahn gestatten, immer innerhalb eines spezifizierten Maximalfehlers zu spuren, noch gestatten sie das Spezifizieren der Geschwindigkeit an dem Durchgangspunkt, was beides die Leistung des Werkzeugs negativ beeinflusst. Es scheint, dass die Quelle Geschwindigkeiten bei Eintritt und Verlassen der veränderten Bewegungsbahn definieren kann, aber nicht unbedingt inmitten der Bewegungsbahn. Zum Verhindern der Überschreitung einer Beschleunigungsgrenze bei einer Geschwindigkeitsdiskontinuität und zum Spezifizieren von Geschwindigkeiten entlang einer Werkzeugbewegungsbahn einer Einzelbewegung lehrt diese Quelle Folgendes:

a. Verändern der Werkzeuggeschwindigkeit dieser Durchgangspunkte und Berechnen einer neuen Bewegungsbahn;
b. dass Ausrunden akzeptabel und innerhalb eines vorgegebenen Spurfehlers definiert ist; und
c. dass Bewegungsbahnparameter in Inkrementen der Zeitabtastauflösung tabelliert werden, das heißt, ein Werkzeug besitzt eine Bewegungsbahn, die von Position A zu B zwischen Zeit t_a und Zeit t_b führt, wobei diese Zeiten Vielfache von ganzzahligen Inkrementen sind, die durch die Steuerung eingestellt werden.

Während diese Quelle Zeit in ganzzahligen Inkrementen tabelliert, scheint die Parameter bei der Berechnung als reelle Werte bestimmt zu werden. Die reellen Werte werden dann an die Bewegungssteuerung weitergegeben. Die Bewegungssteuerung, die durch ihre ganzzahlige Zeitabtastung beschränkt ist, versucht die vorgegebenen Parameter einzuhalten und die vorgegebenen Zeiten und Positionen ohne Rücksicht auf Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsprofile zu erreichen. Selbst wenn die berechneten Zeiten als ganze Zahl definiert werden, was in der Quelle nicht ausdrücklich beschrieben wird, wird ein Rundungsprozess nicht offenbart. Wenn eine Zeitberechnung abgerundet wird (zum Beispiel 2,4 ms auf 2 ms), würden die folgenden Berechnungen wahrscheinlich die Geschwindigkeits- oder Beschleunigungsbeschränkungen der Bewegung verletzen. Selbst wenn Zeit korrekt gerundet wird, nennt oder behandelt diese Quelle nicht den Inkrementversatz, der ebenfalls in ganzzahligen Schritten gemessen wird. Wird eine neue Bewegungsbahn in Bruchteilen der Messauflösung berechnet (zum Beispiel X₁ = 123,5 mm und X₂ = 130 mm, wobei die Auflösung nur der nächste mm ist), dann erzwingt die Steuerung die Bewegung ohne Rücksicht auf die anderen Systembeschränkungen einschließlich der resultierenden Neuberechnung, Beschleunigung und Geschwindigkeiten. Diese Quelle scheint lediglich Bewegungsparameter unter Verwendung eines Zeitindex zu tabellieren, aber sie erkennt und berücksichtigt nicht die Wirkung von ganzzahliger Zeit auf die Steuerung. Auch das Problem ganzzahliger Versetzung oder Position wird von dieser Quelle nicht behandelt. Des Weiteren scheint diese Quelle auf Operationen großer Bewegung, die Schweißen und Lackieren umfassen, angewendet zu werden, aber nicht bei raschen und feinen Motorbewegungen, die beim Laserstrahlschneiden von Materialien erforderlich sind.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das Minimieren des Positioneranhaltens und -fortfahrens, das Minimieren der Zeit zum Bewegen des Werkzeugs durch eine Bahn und das Maximieren von Beschleunigung er fordert verbesserte Steuerung des Positioners und eine verbesserte Positionervorrichtung.
Eine verbesserte Positionervorrichtung wird erreicht durch Bereitstellen von:

– verbesserter Positionerstruktur; und
– verbesserter Positionerrückkopplung.

Verbesserte Steuerung des Positioners wird bereitgestellt durch:

– Verändern der Werkzeugbahn zum Minimieren des Anhaltens und Fortfahrens;
– Verändern des Werkzeuggeschwindigkeitsprofils über die gesamte Bahn hinweg zum Minimieren der Zeit unter Einhaltung von Beschränkungen einschließlich maximaler Werkzeugbeschleunigung und -geschwindigkeit und Berücksichtigung von ganzzahligen Werten für Position und Zeit; und
– Steuern von Fördervorrichtungsbewegung, um kontinuierliche Bewegung und kontinuierliche Geschwindigkeit über Portionen hinweg sicherzustellen.

Das verbesserte System integriert verbesserte Optimierung von Positionersteuerung, Beseitigung von Fördervorrichtungsstillstand und eine verbesserte Positionervorrichtung, die erhöhte Auflösung, Genauigkeit und Beschleunigung bereitstellt. Alles Vorgenannte unterstützt und bewirkt erhöhten Materialdurchsatz, der gegenüber Vorrichtungen und Prozessen nach dem Stand der Technik 15 bis 20 % schneller sein kann.
Zwar wurde die Erfindung im Kontext des Schneidens von Gewebe mit einem Laser entwickelt, aber durch den verbesserten Durchsatz von Vorrichtungen, die mit den Verbesserungen ausgestattet sind, wird jedes Werkzeug, das schnell entlang einer stetigen Bahn bewegt werden muss, vorteilhaft beeinflusst.
Einfach dargestellt, wird die Positionervorrichtung verbessert, um gesteigerte Beschleunigungsreaktion und höhere Präzision zur Ergänzung der hierin offenbarten Optimie rungsroutinen bereitzustellen. Verbesserte Reaktion wird teilweise durch Bereitstellen eines Portals mit unabhängigen Antrieben und Drehenden erreicht. Lineare Servomotoren treiben unabhängig jedes der beiden Enden des Portals und das Werkzeug (Laserdüse) entlang des Portals an. Die Portalstruktur wird so optimiert, dass sie leicht ist und doch weiterhin Steifigkeit behält.
Ebenfalls einfach dargestellt, wird ein verbesserter Prozess bereitgestellt, der Optimierung und Kürzung von Vorausschauschritten umfasst, die das Anhalten und Fortfahren der Laserdüse durch einen kontinuierlichen Schnitt hindurch minimieren, das Geschwindigkeitsprofil diskreter Bewegungen optimieren und die Fähigkeiten der Positionervorrichtung maximieren. Durch dieses Vorgehen berücksichtigen der Positioner und die Prozessschritte Beschränkungen wie:

1. die Trägheitsbeschränkungen des Positioners;
2. die maximale Geschwindigkeit des Werkzeugs, die im Zusammenhang mit Laser und Gewebe durch die Beziehung von Laserleistung und Leichtigkeit, mit der Gewebe geschnitten werden kann, beschränkt wird;
3. die inkrementelle ganzzahlige Bewegungsauflösung des X-Y-Positioners; und
4. die inkrementelle ganzzahlige Zeitauflösung der digitalen Steuerung zum Verarbeiten von Positionierungssteuersignalen zum Steuern des X-Y-Positioners.

Das Geschwindigkeitsprofil der Laserdüse selbst wird optimiert, um ihre Beschleunigung zu maximieren, maximale Geschwindigkeit so schnell wie möglich zu erreichen, vorzugsweise eine maximale Geschwindigkeit zu erreichen und dann Verzögerung zu maximieren, um die Höchstgeschwindigkeitsabschnitte des Profils zu verlängern.
Bei einem breiten Verfahrensaspekt der Erfindung wird dann ein Verfahren zum Minimieren der Zeit, die für das Bewegen eines Werkzeugs entlang einer stetigen geometrischen Bahn erforderlich ist, bereitgestellt, wobei das Werkzeug an einem Portal entlang der Y-Achse bewegt werden kann und das Portal entlang der X-Achse bewegt werden kann, und die Schritte des Diskretisierens der Bahn zu einer Vielzahl von diskreten geo metrischen Bewegungen und des Bestimmens der gewünschten Mindestzeit zum Bewegen des Werkzeugs durch jede Bewegung bei gegebener maximaler Werkzeuggeschwindigkeit und maximaler Werkzeugbeschleunigung umfasst werden. Dann wird für jede Bewegung die Werkzeugbeschleunigung und -geschwindigkeit festgestellt, um einen Bereich größter und kleinster Geschwindigkeit für jede Bewegung zu bestimmen. Vorzugsweise werden Zeit und Versatz auf die nächsthöheren ganzzahligen Werte gerundet, die vorrichtungsabhängig sind.
Wenn sich der Bereich der größten und kleinsten Geschwindigkeit nicht mit dem vorhergehenden oder nachfolgenden Geschwindigkeitsbereich überschneidet, wird die Mindestzeit erhöht und neue niedrigere Geschwindigkeitsbereiche für diese Bewegung bestimmt. Die maximale Start- und Endgeschwindigkeit und Mindeststart- und -endgeschwindigkeit werden angepasst, um zu angrenzenden Geschwindigkeitsbereichen zu passen und zuletzt wird eine Geschwindigkeitskurve durch jeden Geschwindigkeitsbereich eingepasst, um die Werkzeugbewegungsparameter für das Minimieren der Zeit zum Durchlaufen der Bahn zu definieren.
Vorzugsweise werden vor Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils diskrete Bewegungen optimiert, um Anhalten und Fortfahren (an nichttangentialen Schnittpunkten) durch Verbinden nahezu paralleler benachbarter Bewegungen und Ausrunden über stärker abweichende benachbarte Bewegungen hinweg zu minimieren.
Stärker bevorzugt wird, dass nach Bestimmen eines Geschwindigkeitsprofils für eine stetige Bahn Einzelbewegungen weiter optimiert werden, falls möglich durch Unterteilen einer Bewegung in Beschleunigungs-, Konstantgeschwindigkeits- und Verzögerungsteilbewegungen. Teilbewegungen werden erzeugt, die ein Ergebnis maximaler Beschleunigung und Geschwindigkeit und ganzzahliger Zeitbeschränkungen sind und die neue Teilbewegungsgeometrie stimmt mit ganzzahligem Versatz überein.
Es wird eine verbesserte Vorrichtung bereitgestellt, die ein Werkzeug bei hohen Geschwindigkeiten entlang einer Bahn bewegen kann. Im Besonderen und bei einem breiten Aspekt umfasst die Vorrichtung ein Paar paralleler X-Schienen und ein senkrechtes Y-Portal. Ein Werkzeug kann entlang des Y-Portals bewegt werden. Das Y-Portal ist angrenzend an seine Enden durch Drehlager verbunden. Ein Translationslager an einem Ende des Y-Portals ermöglicht Längsbewegung davon. Jedes Ende des Y-Portals wird unabhängig angetrieben, vorzugsweise durch lineare Servomotoren. Das Werkzeug wird entlang des Y-Portals angetrieben, vorzugsweise durch einen linearen Servomotor öder Riemenantrieb. Positionsrückkopplung wird für jedes der Enden des Y-Portals entlang den X-Schienen und des Werkzeugs entlang des Y-Portals bereitgestellt. Eine Steuerung wird zum Lesen der Positionsrückkopplung und zum Antreiben des Werkzeugs nach den spezifizierten X- und Y-Koordinaten bereitgestellt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise überzeichnete Perspektivansicht des Inneren der Laserschneidvorrichtung, die auf einer Ausführung der Erfindung basiert. Die Ansicht zeigt eine Schnittzone, die unter einem vereinfachten X-Y-Positioner liegt, und stellt ein grundsätzliches Schema der wichtigsten Steuerelemente dar. Einzelheiten des Positioners werden in den 21 bis 25 angegeben;
2 ist ein Flussdiagramm, das den gesamten Optimierungsprozess der Erfindung zeigt;
3a stellt zwei Halbkreismuster dar, die jeweils eine stetige gerade Linie und eine stetige gekrümmte Linie umfassen;
3b stellt eine erweiterte Ansicht von einem der Muster von 3a, entsprechend Ausschnitt IIIb, dar, wobei die stetige gekrümmte Linie nun so zu sehen ist, dass sie eine Vielzahl linearer Bewegungen umfasst;
4 zeigt zwei lineare Bewegungen oder Vektoren, die mit einem neuen Vektor verbunden sind;
5 zeigt zwei lineare Vektoren, die durch eine Ausrundung oder Kurve verbunden sind;
6 ist ein Flussdiagramm, das den in 4 und 5 gezeigten Verbindungsprozess darstellt;
7a und 7b stellen das Ergebnis der Join-and-Look-Optimierungsprozesse anhand von Beispielen dar;
8 ist eine schematische Darstellung des resultierenden Datenfelds geometrisch optimierter Bewegungen;
9 ist ein Flussdiagramm, das die Positionsbewegungsprofiloptimierung zeigt;
10a bis 10c stellen die anfängliche Bestimmung einer gewünschten Mindestbewegungszeit dar. 10a stellt eine lineare Zwischenbewegung dar. 10b stellt Zeit basierend auf maximaler Beschleunigung dar. 10c stellt Zeit basierend auf einer Gleichung dritter Ordnung dar, da das vorhergehende Einpassen zu Geschwindigkeiten von mehr als V_max führte;
11 ist ein Diagramm, das einen Bereich von Geschwindigkeiten zeigt, die den Versatz durch die Bewegung hindurch darstellen;
12a bis 12d stellen die Iterationen dar, die zum Ermitteln der maximalen Geschwindigkeit in dem Bereich von 11 erforderlich sind;
13a bis 13d stellen die Iterationen dar, die zum Ermitteln der Mindestgeschwindigkeit in dem Bereich von 11 erforderlich sind.
14a stellt Geschwindigkeitsbereiche für drei benachbarte Bewegungen dar;
14b stellt die Abwärtsanpassung des Geschwindigkeitsbereichs der mittleren Bewegung zur Überschneidung mit den Bereichen der angrenzenden Bewegungen dar;
15a stellt angepasste Geschwindigkeitsbereiche für die sechs benachbarten Bewegungen einer stetigen Schnittlinie dar;
15b stellt die resultierenden abgeglichenen Geschwindigkeitsbereiche für die sechs benachbarten Bewegungen von 15a dar;
16a und 16b stellen eine Teilschnittlinie mit einer langen Bewegung und ihrem entsprechenden optimierten Geschwindigkeitsprofil stetiger Geschwindigkeit dar;
16c und 16d stellen ein ACD-optimiertes Geschwindigkeitsprofil für die Bewegung von 16a und die davon erzeugten neuen Teilbewegungen dar;
17 ist ein Flussdiagramm das die Prüfungen darstellt, die zur Feststellung angewendet wurden, ob ACD- oder AD-Optimierung angemessen ist;
18 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung von ACD-Optimierung;
19 ist ein Flussdiagramm zur Darstellung von AD-Optimierung;
20a bis 20c stellen die Bewegungsfördervorrichtungsprofiloptimierung dar;
21 ist eine Perspektivansicht der X-Schienen und des Y-Portals mit der daran angebrachten Laserdüse;
22 ist eine Perspektivansicht des Y-Portals, die den Drehlagerausschnitt und die Laserstrahlspiegel zeigt;
23 ist eine Seitenansicht der X-Schienen mit dem daran hängenden Y-Portal, wobei die Laserdüse weggelassen wurde;
24 ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht von einer der X-Schienen und der Linearmotoren für ein Ende des Y-Portals; und
25 ist eine als Querschnitt ausgeführte Ansicht des Y-Portals und des Linearmotors zum Antrieb der Laserdüse (Düse nicht gezeigt).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNG
Wie oben erwähnt, wird erhöhter Durchsatz durch Optimierung der Bewegung eines Werkzeugs erreicht, was hohe Geschwindigkeit und Beschleunigungen einbeziehen kann, und entsprechend muss der X-Y-Positioner für das Werkzeug zu hoher Beschleunigung und präzisen Bewegungen fähig sein.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit dem Bewegen eines Laserstrahls über ein Muster in Tuchmaterial beschrieben wird, ist ersichtlich, dass das Konzept gleichermaßen auf das Bewegen eines Werkzeugs über ein Muster bei anderen Anwendungen, wie einem Laserstrahl über eine Stahlplatte oder einem Fräswerkzeug über weiche Blechmaterialien, anwendbar ist.
Mit Bezug auf 1 wird ein X-Y-Positioner (1) einer Laserschneidvorrichtung (2) gezeigt, die eine X1-Schiene und X2-Schiene (die X-Schienen (X1, X2)) und ein Y-Portal (3) umfasst. Das Y-Portal kann durch die X-Achse entlang den X-Schienen bewegt werden. Ein Werkzeug oder eine Laserdüse (4) kann durch die Y-Achse entlang des Y-Portals (3) bewegt werden. Entsprechend kann die Laserdüse in kartesischen X-Y-Koordinaten bewegt werden.
Lineare Servomotoren (5a, 5b) sind jeweils an jedem Ende (X1, X2) des Y-Portals (3) und an der Laserdüse (5c) angebracht. Linearcodierer (6a, 6b, 6c) sind entlang den X-Schienen (X1, X2) bzw. des Y-Portals (3) angeordnet, um Rückkopplung zu den Positionen des Y-Portals (3) und der Düse (4) in absoluten Koordinaten bereitzustellen.
Ein Laser (7) und Spiegel (8) leiten kohärentes Licht zu der Laserdüse (4), um einen Laserstrahl (10) zu bilden. Der X-Y-Positioner (1) befindet sich über der Schnittzone (11) der Schneidvorrichtung. Der Laserstrahl (10) ist auf das Material (13) in der Schnittzone (11) fokussiert und wird so dargestellt, dass er einen Schnitt in einem Muster (12) vollzieht. Das Material (13) liegt über einer Endlosfördervorrichtung (14), deren Geschwindigkeit regulierbar ist und die entlang der Y-Achse bewegt werden kann.
Im Besonderen wird das Material (13) kontinuierlich durch die Laserschneidvorrichtung (2) hindurch bewegt. Die Bewegung des Materials (13) erfolgt längs zu der Fördervor richtung (1-4). Das Material (13) besitzt eine Breite, die vollständig in die Vorrichtung (2) hineinpasst. Die Laserdüse (4) besitzt einen Bewegungsbereich vollständig über die Breite (X-Achse) des Materials (13) hinweg, aber nur beschränkte Längsbewegung (Y-Achse). Der Bereich der Bewegung der Düse (4) gilt als in der Schnittzone (11) liegend.
Die Teile eines Musters (12) wurden im Allgemeinen bereits in etwas eingepasst, das als Verschachtelung (nicht gezeigt) bezeichnet wird. Eine Verschachtelung ist ein wiederholbares Muster (12) von Teilen, die in einer Ansammlung oder Gruppierung angeordnet sind, um Verschwendung von Material (13) zu minimieren. Es wird eine Portionslänge oder -breite bestimmt, die maschinenabhängig ist und im Allgemeinen geringer als die Länge einer Verschachtelung ist. Das Berechnen einer Portion ist erforderlich, da die Längslänge eines Musters (12) oder Verschachtelung wahrscheinlich nicht in die Schnittzone (11) der Vorrichtung (2) hineinpasst. Eine Portion ist ungefähr die Hälfte der Länge der Längsschnittzone (11). Beispielsweise könnte eine Schnittzone von 44 Inch nur eine Portion von 22 Inch liefern.
Eine digitale Bewegungssteuerung (15) und ein Rechner (16) verarbeiten die X1-, X2- und Y-Portal-Codierer (6a, 6b, 6c) und die Informationen zur Bewegung der Fördervorrichtung (14). Der Rechner (16) verarbeitet die Informationen zum Muster (12) und gibt optimierte Schnittbewegungen aus.
Die Bewegungssteuerung gibt Befehle zum Antrieb der Linearmotoren (5a, 5b, 5c) und zum Antrieb der Fördervorrichtung (14) aus, um die Bewegung der Laserdüse (4) an dem X-Y-Positioner (1) und die Geschwindigkeit der Fördervorrichtung (14) zu koordinieren.
Es wird ein Prozess beschrieben, der Geometrie nimmt und die Bewegung der Laserdüse über das Material optimiert. In der Übersicht und mit Bezug auf das Flussdiagramm von 2 wird, nachdem die Geometrie eines Musters (12) empfangen wurde:

(a) bei Block 18 die Geometrie in maschinenabhängige Portionen organisiert, die in die Schnittzone (11) hineinpassen;
(b) bei Block 20 die Schnittfolge über die Breite der Portion hinweg optimiert. Als Folge wird Geometrie als eine Serie von kontinuierlichen Schnitten (21), getrennt durch Trockenbewegungen (22), bestimmt;
(c) bei Block 23 die Geometrie der kontinuierlichen Schnitte zu einer Vielzahl von diskreten Bewegungen (24) optimiert, indem die Anzahl von nichttangentiaien Schnittpunkten (25) minimiert und neue Bewegungen (24) gebildet werden und dadurch ineffiziente Anhalt- und Fortfahraktionen innerhalb des kontinuierlichen Schnitts (21) minimiert werden;
(d) bei Block 26 das Positionerbewegungsprotil durch Optimieren des Geschwindigkeitsprofils von jeder diskreten Bewegung (24) bestimmt, wobei immer Systembeschränkungen berücksichtigt werden. Bewegungen (24) werden hierin auch als Vektoren bezeichnet. Gekrümmte Bewegungen werden auch generell als Bewegungen (24) oder als Kurven (30) bezeichnet; und zuletzt
(e) bei Block 27 die Bewegung der Fördervorrichtung (14) optimiert, um stückweise stetige Vorwärtsgeschwindigkeit selbst zwischen Portionen beizubehalten, und es wird nicht zugelassen, dass Geschwindigkeit negativ wird.

Die resultierende Geometrie wird gespeichert und die optimierten Bewegungen (24) werden durch die Bewegungssteuerung (15) gesendet, um den Positioner (1) zum Schneiden des Musters (12) anzutreiben.
Im Hinblick auf Optimierung kann man durch Vorausschau zur nächsten Bewegung (24) die Bewegung der Laserdüse (4) optimieren. Das Ziel dieses „Vorausschauprozesses (Look Ahead)" besteht darin, die zum Verfolgen einer willkürlichen Geometrie oder Musters (12) erforderliche Zeit zu minimieren, während das Überschreiten spezifizierter maximaler Beschleunigungen und Geschwindigkeiten oder das Auswandern aus Abmessungstoleranzen heraus verhindert wird.
Praktische Beschränkungen wie diskrete Zeit und Versetzung resultieren in gemessenen und ausgegebenen Werten, die entweder zu groß oder zu klein sind, wenn sie mit den berechneten theoretischen reellzahligen Werten verglichen werden. Zum Beispiel erfordert ein bestimmter Schnitt tatsächlich 1,5 ms zum Durchlaufen, während die Steuerung nur die nächstliegenden 1 oder 2 ms messen kann. Bei Anwendung dieser tatsächlich erforderlichen Zeit auf diese grobe Auflösung stellt dies dann einen Zeitfehler von 50 % dar und unter Verwendung von Gleichungen dritter Ordnung (t³) könnte die berechnete Beschleunigung in Größenordnungen liegen, die viel zu groß sind. Das Muster oder die nachfolgend berechneten Koordinaten können reellzahlige Werte diktieren, die zwischen den tatsächlichen Bewegungen in ganzzahligen Schritten liegen, die mit der Vorrichtung möglich sind.
Der Bewegungssteuerungsprozessor kann keine Befehle mit einer schnelleren Rate als er sie verarbeiten kann annehmen. Mit anderen Worten: Man kann die Laserdüse (4) nicht anweisen, sich öfter zu bewegen als die Steuerung (15) die Bewegungsdaten annehmen kann. Das definiert eine Systemmindestzeit (t_min) und sie ist bewegungssteuerungskartenabhängig. Wenn Bewegungsanweisungen schneller als t_min in die Steuerung eingespeist werden, wird ein Überwachungszeitgeber in der Steuerung (15) den gesamten Prozess abschalten, statt eine inkorrekte Bewegung durchzuführen. Bei älteren digitalen Steuerungen (15) kann die Mindestzeit, die zum Verarbeiten und Ausgeben von Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitsignalen (PVT) für eine Bewegung an den Positioner erforderlich ist, in der Größenordnung von 0,025 Sekunden oder 25 Millisekunden liegen. Sollte dementsprechend die tatsächliche Zeit, die zum Durchqueren der erforderlichen Distanz benötigt wird, 25,5 Millisekunden betragen, ist der resultierende Fehler nicht so signifikant. Bei den neueren digitalen Steuerungskarten, die eine PVT-Reaktionszeit in der Größenordnung von 5 oder weniger Millisekunden liefern und mit dem Wunsch zum Bereitstellen kleinerer inkrementeller Längen für die Schnitte verbunden sind, ist eine Abweichung von 0,5 Millisekunden sehr signifikant. Herkömmliche Algorithmen sammeln aufeinanderfolgende Bewegungen an, bis die Mindestzeit von 25 Millisekunden erreicht ist, und dann wird die Bewegung verarbeitet. Leider wird eine solche erweiterte Bewegung auf ein Mal und ohne Rücksicht auf Verletzungen von Beschleunigungs- und Geschwindigkeitsgrenzen während eines Zwischenabschnitts dieser Bewegung verarbeitet.
Eine erfolgreich eingesetzte digitale Steuerung (15) ist zum Beispiel die bei Delta Tau Data Systems, Inc., Chatsworth, Kalifornien, erhältliche PMAC2, die als Rechnererweiterungskarte erhältlich ist. Die PMAC2 ist eine Mehrachsen-Bewegungssteuerung. Die Steuerung kann kubische Spline-Einpassung durch gekrümmte Bewegungsbahnen verwenden und kann außerdem Positions-, Geschwindigkeits- und Zeitanweisungen (PVT) annehmen. PVT-Anweisungen ermöglichen ein genaueres Profil. Die Steuerung (15) muss Zeit als ganze Zahl empfangen oder andernfalls rundet die Steuerung sie auf die nächste ganze Zahl.
Die Mindestsystemzeit (t_min) hängt von Faktoren ab wie: Taktrate, die Anzahl der gesteuerten Achsen, Achsenaktualisierungsrate, Anzahl der programmierbaren Logiksteuerungen (PLC), die betrieben werden, Aktualisierungsrate der PLC, Komplexität des Programms (d. h., ob es trigonometrische Funktionen lösen muss).
Bei einer Implementierung der bevorzugten Ausführung ist eine Mindestsystembewegungszeit von etwa 5 Millisekunden akzeptabel.
Maximale Beschleunigung ist im Wesentlichen eine Trägheitsbeschränkung, die durch das Bewegen der Struktur oder des Positioners (1) beeinflusst wird. Maximale Geschwindigkeit basiert auf mechanischen und elektrischen Beschränkungen, Codiererrückkopplung und Leistung des Lasers (7). Je nach Leistung des Lasers wird die Laserdüse (4), wenn sie sich zu schnell bewegt, das Material (13) nicht sauber schneiden.
Die Geometrie des Musters basiert ursprünglich auf einer Datei rechnergestützten Zeichnens (wie sie von einem CAD-Programm AutoCAD, erhältlich bei Autodesk Inc., Cupertino, Kalifornien, ausgegeben wird). Die CAD-Datei definiert eine Serie von geometrischen Elementen: Diese Elemente umfassen Polylinien (21). Bei dieser Anwendung gelten Polylinien als Schnitte entlang des Musters, die stetig sind.
In ihrer einfachsten Form beinhaltet Optimierung im Mikrobereich das Optimieren der Bahn der Laserdüse (4) innerhalb der Portion durch Bestimmen seiner Folge. Die Folge ist lediglich eine Angelegenheit des Minimierens von Trockenbewegung (22) zwischen diskreten kontinuierlichen Schnitten (21) innerhalb einer Portion wie, bei einem übertriebenen Beispiel, das Verhindern des Schneidens am unteren Teil der Breite der Portion, dann ihres oberen Teils und dann wieder zurück zum unteren Teil. Zum Berechnen der Folge werden herkömmliche Algorithmen verwendet. Des Weiteren beinhaltet Optimierung in einem Makrobereich das Verhindern verschwenderischer Trockenbewegung (22), zu der es kommt, wenn das Schneiden von einer Portion am unteren Teil der Portion beendet wird und am oberen Teil der nächsten Portion begonnen wird.
Wie in 3b gezeigt, werden Polylinien (21) grundsätzlich als kontinuierliche Schnitte (21) definiert, die durch Trockenbewegungen (22) getrennt sind. Polylinien (21) umfassen eine Vielzahl von geraden Liniensegmenten, Vektoren oder Bewegungen (24), gefolgt von einer Trockenbewegung (22). Jede Polylinie (21) ist durch eine Startgeschwindigkeit von Null und eine Endgeschwindigkeit von Null gekennzeichnet.
Die zum Schneiden eines spezifischen Satzes von Polylinien (21) erforderliche Zeit kann durch Erhöhen der Durchschnittsgeschwindigkeit der Laserdüse minimiert werden. Das kann durch Verhindern von düsenaufhaltenden nichttangentialen Schnittpunkten (25) erreicht werden.
Optimierung von Geometrie, gemäß Block 23, beinhaltet das Bestimmen, welche Vektoren (24) sich für verbindende (Join) oder für ausrundende (Look) Vektoren eignen. Für das Bestimmen der Geometrie werden bestimmte Regeln angewendet, wozu gehört:

(a) dass die Länge eines Vektors (24) auf Grund der Beschränkungen der digitalen Steuerung (15) durch ganze Zahlen definiert werden muss;
(b) dass ein optimierter Vektor (24c), der entweder durch verbindende Vektoren (24a, 24b) oder durch Ausrunden mit Kurven (30) definiert ist, nie mehr als einen vorgegebenen Höchstbetrag (31) von den ursprünglichen linearen Vektoren (24a, 24b) abweicht; und
(c) dass die Länge für Vektoren (24), verbundene oder ausgerundete Vektoren (24c) und Kurven (30) optimiert werden, was bedeutet, dass die Geschwindigkeit der Düse (4) für die Bewegung (24) maximiert werden kann, während eine Vektordurchlaufzeit vermieden wird, die inakzeptabel geringer ist als die Mindestsystemzeit t_min.

Im Gegensatz zu den offensichtlichen Zielen leitet die Look Ahead-Optimierung einen Fehler (31) in das Muster ein, um die Schnittgeschwindigkeit zu verbessern.
Der LOOK AHEAD-Prozess wäre einfach zu lösen, außer bei realen Beschränkungen, die das Folgende umfassen:

– Bewegung des Positioners (1) wird nur in diskreten, unteilbaren inkrementellen Schritten, wie ganzzahligen Schritten von 1/1000 Inch, gemessen;
– die digitale Steuerung (15), die verstrichene Zeit für die Positionerbewegung misst, misst nur in kleinen, aber diskreten und unteilbaren Zeitscheiben, wie ganzzahligen Schritten von Millisekunden;
– die digitale Steuerung kann Daten nur mit einer maximalen Rate verarbeiten.

Werden die vorgenannten Beschränkungen nicht berücksichtigt, können hohe Beschleunigungsraten des Positioners dazu führen, dass die Fähigkeit des Positioners zum Reagieren oder zuverlässigen Schneiden des Materials (13) innerhalb der Toleranz überschritten wird und Fehler eingeleitet werden.
Des Weiteren darf eine neue optimierte Bewegung die Laserdüse (4) nicht aus der maximalen Maßtoleranz (31) für die Aufgabe herausführen. Beispielsweise ist dies ein Wert, der in Inkrementen von 0,001 Inch festgelegt ist. Es ist zu beachten, dass die Fähigkeiten des Positioners (1) diesen Wert beeinflussen. Die Fähigkeit des Positioners zur Handhabung von Beschleunigung beeinflusst die Maßtoleranz. Beispielsweise kann übermäßige Beschleunigung oder Verzögerung des Positioners (1) zu Sprüngen oder Schwingung führen, die die zulässige Toleranz (31) überschreiten können oder nicht.
Optimierungsgeometrie
Mit Bezug auf 6 werden die vorgenannten Ziele durch Handhabung von Bewegungsvektoren anhand von bestimmten Schritten erfüllt.
Kurz gesagt und mit Bezug auf 4 und 5 muss der Positioner (1) an einem nichttangentialen Schnittpunkt (25) von zwei Vektoren oder Bewegungen (24a, 24b) sowohl an der X- als auch an der Y-Achse vorübergehend anhalten. Durch Verbinden von zwei nahezu linearen Vektoren (24a, 24b) oder Hinzufügen einer Kurvenbewegung (30), die zu beiden Vektoren (24a, 24b) tangential ist, wird die Notwendigkeit dieses Anhaltens verhindert. Die Position und der Radius einer Kurve (30) wird berechnet und geprüft, um sicherzustellen, dass der maximale Maßfehler (31) nicht überschritten wird.
Im Besonderen werden bei Block 28 Vektoren verbunden. Mit Bezug auf 4 liegen zwei benachbarte Vektoren (24a, 24b) nahezu auf einer geraden Linie. Die beiden Vektoren können miteinander verbunden werden, um einen neuen linearen Vektor (24c) zu bilden, indem der Beginn des ersten Vektors (24a) direkt mit dem Ende des zweiten Vektors (24b) verbunden wird. Ob dies zulässig ist, wird durch Messen der Differenz zwischen dem Schnittpunkt (25) der beiden Vektoren (24a, 24b) und einer senkrechten Linie zu dem neuen Vektor (24c) bestimmt. Ist diese Differenz größer als die maximale Toleranz (31), darf man diese beiden Vektoren nicht verbinden. Bei rekursiver Schleifenbildung dieser Analyse besteht eine Gefahr, besonders wenn, durch nachfolgendes Umwandeln zweier Vektoren zu einem neuen Vektor, der inkrementelle Fehler stets geringer ist als die zulässige Toleranz. Bei Verwendung dieser schrittweisen Analyse könnte man sämtliche kreisbildenden Vektoren nehmen, sie nacheinander verbinden und einen einzigen linearen Vektor erzeugen. Dies ist offensichtlich inkorrekt. Entsprechend wird die Routine willkürlich auf das Verbinden von nur zwei Vektoren (24a, 24b) hintereinander begrenzt.
Bei Block 29 geht man, wenn zwei Vektoren (24a, 24b) nicht geeignet sind, verbunden zu werden, zu der Look-Routine über. Im Besonderen und mit Bezug auf 5 werden Vektoren ermittelt, die dazu geeignet sind, dass eine Ausrundung oder eine Kurve (30) basierend auf dem Winkel zwischen den beiden Vektoren daran angepasst wird. Sind sie geeignet, wird der Radius und die Länge der Kurve (30) berechnet. Als vorläufige Beschränkung wird die Länge der Kurve auf die Hälfte der Länge des kürzesten Vektors (24a oder 24b) begrenzt. Grundsätzlich bestimmt man zuerst, ob es sinnvoll ist, eine Kurve (30) anzulegen, die Kurve wird berechnet und zuletzt wird die Länge der Kurve angepasst, um eine Beschränkung der Mindestsystemzeit t_min zu verhindern. Wenn der Winkel Phi zwischen den Vektoren geringer als 2,26 rad oder 129,4 Grad ist, passt Look (29) die Kurve (30) über den Schnittpunkt ein. Die Koordinaten (x, y) der Kurve, der Radius und die Kurvenlänge werden bestimmt. Die Mitte der Kurve wird berechnet. Die beiden Vektoren werden zu drei neuen Vektoren (34a, 30, 34b) optimiert dargestellt. In ei nem globalen Koordinatensystem werden die Mitte und der Radius der Kurve (30) wie auch die Anfangs- und Endwinkel, Theta Anfang und Theta Ende, bestimmt.
Bei Block 32 wird der Fehler zwischen der neuen Kurve und beiden Vektoren mit der maximalen Toleranz verglichen. Ist die Differenz oder der Fehler geringer als die maximale Toleranz (31), dann wird die Länge der Kurve (30) geprüft. Ist die Länge der Kurve größer als ein Drittel der Summe der Längen der beiden Vektoren (24a, 24b), dann wird die Kurvenlänge auf ein Drittel der summierten Länge beschränkt. Auf der Basis dieses Drittellängenkriteriums wird eine neue Kurve berechnet. Das Drittellängenkriterium wird auferlegt, um kurze Vektoren am Beginn und am Ende der drei neuen Vektoren zu vermeiden, da diese kurzen Längen möglicherweise zu Bewegungszeiten von weniger als t_min führen könnten. Ist die Bewegung zu klein, dann könnte die Look-Optimierung tatsächlich die Schnittzeit verlangsamen, da der Positioner angewiesen werden muss, t_min abzuwarten, bevor er die nächste Bewegung oder den nächsten Vektor verarbeiten kann.
Mit Bezug auf 7a und 7b werden neun Vektoren dargestellt (A, B, C, D, E, F, G, H, I).
Die ersten Vektoren (A und B) besitzen zu große Winkel und Längen, um sich für die Join-Routine (28) zu eignen. Die Look-Routine (29) kann eine Kurve anwenden. Entsprechend werden die Vektoren (A und B) zu einem linearen Vektor (A'), einer Kurve (A'') und einem linearen Vektor (A''').
Die Vektoren B und C besitzen einen zu kleinen Winkel und sind beide weder für Join (28) noch für Look (29) geeignet. Der Schnittpunkt zwischen den Vektoren (B und C) wird ein Anhaltepunkt.
Die Vektoren C und D sind für die Look-Routine (29) geeignet und bilden neue Vektoren (C', C'' und C''').
Die Vektoren E und F sind für die Look-Routine (29) geeignet und bilden neue Vektoren (E', E'' und E'''). Der Winkel zwischen den Vektoren E''' und G ist zu klein für die Look-Routine (29). Der Schnittpunkt zwischen den Vektoren E''' und G wird ein Anhaltepunkt.
Die Vektoren G und H liegen ausreichend auf einer Linie, so dass sie für die Join-Routine (28) geeignet sind und den neuen Vektor (G') bilden.
Der Winkel zwischen den Vektoren G' und I ist sowohl für Join (28) als auch für Look (29) zu klein. Der Schnittpunkt zwischen den Vektoren G' und I wird ein Anhaltepunkt.
Es ist zu beachten, dass die neun Vektoren nun als 11 Vektoren neu definiert wurden, aber zehn (zeitaufwändige) Anhaltepunkte zu nur fünf Anhaltepunkten mit der damit verbundenen Zeitersparnis umgewandelt wurden.
Es ist außerdem zu beachten, dass Anfangs- und Endpunkt einer Polylinie (21) exakt so bleiben müssen, wie sie ursprünglich bereitgestellt wurden. Mit anderen Worten: Die absoluten Koordinaten des Anfangs- und des Endpunkts müssen dieselben bleiben, während die Zwischenkoordinaten von jedem Vektor je nach verwendeter Optimierungsroutine, entweder Join (28) oder Look (29), unterschiedlich ausfallen können.
Bei Block 33 wird jeder Schnittpunkt von zwei Vektoren (24a, 24b) geprüft und bestimmt, ob der Anfangswinkel des Schnittpunkts derselbe ist wie sein Endwinkel; ist dies der Fall, sind diese Vektoren an diesem Punkt tangential. Sind sie tangential, ist die Geschwindigkeit stetig und der Positioner muss nicht anhalten. Andernfalls wird der Punkt als Anhaltepunkt bezeichnet.
Bei Block 35 werden Einzelvektoren (24) zu dem nächsten Distanzinkrement gerundet. Ist eine Vektor- oder Bewegungslänge keine ganze Zahl in 0,001 Inch, dann summiert sich der Restfehler. Wenn der summierte Fehler ½ Inkrement überschreitet, wird er zu der nächsten Bewegung hinzu addiert. Wird eine Bewegungslänge auf Null gerundet, wird die Bewegung aus dem Feld gelöscht.
Nach der Bereinigungsroutine (35), bei der die Koordinaten gerundet wurden, können die Start- und Stoppwinkel für alle Kurven geändert worden sein. Auf der Basis der neuen Koordinaten werden die neuen Theta-Winkel neu berechnet.
Die nichtoptimierten Vektoren (24a und 24b) und die optimierten neuen Vektoren (24c oder 34a, 30 und 34b) werden zur nachfolgenden Bestimmung der Bewegungsprofile des Positioners und der Fördervorrichtung (14) in einem Datenfeld (8) platziert. Die Felddaten umfassen Versatzänderung bei X, eine Änderung bei Y, die Länge der Bewegung, den Radius einer Kurve (für eine gerade Linie als Null markiert) und die Anfangs- und Endwinkel durch eine Kurve hindurch in Theta.
Grundsätzlich wird Geometrie berechnet und optimiert, wo das Minimieren von Anhalten und Fortfahren möglich ist.
Optimieren von Positionerbewegung
Das Feld geometrisch optimierter Bewegungen nach 8 stellt die Optimierung zum Minimieren der Anzahl von Starts und Stopps der Laserdüse dar, ist aber nicht unbedingt zum Minimieren von Bewegungszeit optimiert.
Zum Minimieren von Bewegungszeit erstellt man ein Geschwindigkeitsprofil zum Definieren der Beschleunigung und Geschwindigkeiten des Werkzeugs über die gesamte Bewegung hinweg. Bei allem muss man die Beschränkungen von Zeit und Versatz berücksichtigen, die in Inkrementen von ganzen Zahlen gemessen werden. Bevor solche Fehler eingeleitet werden, muss angemessenes Runden von Zeit und Versatz zu ganzzahliger Zeit und ganzzahligem Versatz erfolgen.
Mit Bezug auf 9 wird eine Geschwindigkeitskurve für eine Polylinie bestimmt, die Geschwindigkeit maximiert und stetig ist.
Im Besonderen:

(a) wird bei Block 40 zuerst eine gewünschte Mindestzeit für jede diskrete Bewegung berechnet, wobei diese Zeit auf der schnellsten Geschwindigkeit und den maximalen Beschleunigungen, die möglich sind, basiert;
(b) werden bei Block 41 Geschwindigkeitsprofilbereiche für jede diskrete Bewegung bestimmt, die das Maximum für diese diskrete Bewegung ohne Rücksicht auf angrenzende verbindende Bewegungen darstellen;
(c) werden bei Block 42 die Geschwindigkeitsbereiche für diskrete Bewegungen mit ihren angrenzenden Bewegungen betrachtet. Bei Geschwindigkeitsbereichen, die für eine Kontinuität mit den angrenzenden diskreten Bewegungen zu groß sind, wird deren Zeit angepasst, um die erweiterte Bewegung zu vervollständigen und dadurch die Geschwindigkeitsbereiche abwärts zu korrigieren; und sobald alle diskreten Bewegungen Geschwindigkeiten aufweisen, die sich überschneiden, dann
(d) wird bei Block 43 ein Geschwindigkeitsprofil, das stetig ist, durch alle diskreten Bewegungsgeschwindigkeitsprofile hindurch eingepasst.

Bei allem wird der Positioner (1) nach bestimmten Regeln gesteuert, zu denen gehört, dass

(a) Geschwindigkeiten entlang den Vektoren oder Bewegungen stückweise stetig sind;
(b) die Lösung für Geschwindigkeiten und Beschleunigungen nicht die gegebenen Höchstwerte des Systems überschreiten;
(c) bei Bestimmen von Zeit diese als eine ganze Zahl erachtet wird, die größer als ein Mindestbetrag in Abhängigkeit von der spezifischen digitalen Bewegungssteuerung ist;
(d) sämtliche Distanzen als ganze Zahlen gemessen werden. Dies ist eine Funktion der Auflösung der Positionercodierer;
(e) sich die absolute Geschwindigkeit um eine Kurve herum ändern kann;
(f) Kurven und Vektoren zum Minimieren der Gesamtzeit diskretisiert werden können; und
(g) jeder Vektor oder jede Kurve durch zwei Gleichungen dritter Ordnung, eine Gleichung für die X-Gleichung und eine Gleichung für die Y-Richtung, beschrieben werden.

Die Erfindung ermöglicht die Verwendung von unterschiedlichen Start- und Endgeschwindigkeiten für Kurven im Gegensatz zu früheren Systemen, bei denen eine Laserdüse (10) mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegt, verzögert und dann mit einer konstanten Winkelgeschwindigkeit durch eine Kurve hindurch bewegt wurde. Verzögerung und Beschleunigung können nun, solange die Winkelbeschleunigung konstant ist, über eine gesamte Bewegung oder eine Kurve hinweg erfolgen, was zur Verringerung der zur Fertigstellung der Aufgabe benötigten Zeit beiträgt.
Da es nun einen Bereich von Startgeschwindigkeiten und einen Bereich von Endgeschwindigkeiten geben kann, ist es nun möglich und flexibler, eine Lösung für Geschwindigkeiten am Start und am Ende von jeder Bewegung, linear oder gekrümmt, zu finden.
Die Anfangs- und Endgeschwindigkeit kann bestimmt werden und für jede Polylinie (21) wird ein Geschwindigkeitsprofil gebildet. Der Bereich unter dem Profil für jeden Polylinienschnitt (21) stellt die zurückgelegte Distanz dar. Typischerweise ist die zum Durchlaufen der gegebenen Distanz erforderliche Endgeschwindigkeit (v_f) umso niedriger, je höher die Startgeschwindigkeit (v_i) ist. Umgekehrt bedeutet eine hohe Startgeschwindigkeit, dass sich eine niedrigere Endgeschwindigkeit ergibt. Dies stellt einen Bereich von Start- und Endgeschwindigkeiten oder Lösungen bereit, die die Anforderungen für die zurückgelegte Distanz erfüllen. Da Zeit, die in Millisekunden gemessen wird, eine ganze Zahl ist, ist die Anzahl von Lösungen für die Geschwindigkeitskurve endlich. Die Anfangs- und Ausstiegsbewegungsgeschwindigkeiten müssen mit den Geschwindigkeiten vorhergehender und nachfolgender Bewegungen abgeglichen werden. Ist dies nicht der Fall, dann wird eine iterative Neuberechnung sämtlicher Geschwindigkeiten durchgeführt.
Beim Optimieren der Bewegung eines Werkzeugs (der Laserdüse (4)) werden die üblichen Beschränkungen maximaler Beschleunigung und maximaler Geschwindigkeit er weitert, um die Notwendigkeit einzubeziehen, Zeit als vielfache Inkremente von ganzzahliger Zeit zu messen und Distanz als vielfache Inkremente von ganzzahliger Distanz zu messen. Eine weitere Beschränkung ist die Mindestsystembewegungszeit t_min.
Bewegungslänge wird als Inkremente von Codiererzählungen berechnet. Die Zeit zum Abschließen der Bewegung wird in Inkrementen ganzzahliger Zeit berechnet. Zeit wird oftmals als Funktion von Geschwindigkeit und Beschleunigung gemessen. Wenn der berechnete Wert für Zeit eine reelle Zahl ist, wird er auf ganzzahlige Zeit gerundet und Geschwindigkeit und Beschleunigungen werden neu berechnet. Bei Gleichungen dritter Ordnung können Zeitfehler, die sich aus der Umwandlung von reellen zu ganzen Zahlen ergeben, zu sehr großen Fehlern führen, wenn ihnen nicht Rechnung getragen wird.
Im Allgemeinen entspricht dann Zeit einem konstanten Vielfachen der Mindestgröße ganzzahligen Zeitinkrements und Versatz oder Koordinaten entsprechen einem konstanten Vielfachen der Mindestgröße ganzzahligen Versatzinkrements oder Codiererinkrements.
Grundsätzlich ist jede Bewegung mit einer Zeit zur Durchführung dieser Bewegung verbunden. Es gibt viele verschiedene mögliche Start- und Endgeschwindigkeiten mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit, die die Bewegung dieser Distanz im Verlauf der Zeit beschreiben. Der Trick besteht darin, die Start- und Endgeschwindigkeit für jede Bewegung zu finden, die sich mit jeder anderen vorhergehenden oder nachfolgenden angrenzenden Bewegung verbinden lassen (Fluss ohne Diskontinuität), ohne das gegebene Beschleunigungsmaximum oder ein gegebenes Geschwindigkeitsmaximum zu verletzen.
Gewünschte Mindestzeit t*
Zu Beginn und mit Bezug auf 10a und 10c und gemäß Block 40 wird eine gewünschte Mindestzeit t* für die Distanz, die für jede Bewegung (24) zurückgelegt werden muss, anfänglich und einfach bestimmt als die Zeit, die für das Bewegen von dem Beginn der Bewegung (24) bei ihrer Anfangsgeschwindigkeit (v_i) zu dem Ende der Bewegung unter bestimmten extremen Bedingungen (d. h. a_max oder v_max) erforderlich ist. Es werden zwei Ansätze zum Einrichten eines Geschwindigkeitsprofils probiert, wobei die resultierenden berechneten Zeiten nachfolgend zu prüfen und weiter zu optimieren sind.
Ein Abschnitt einer Polylinie (21) wird in 10a gezeigt. Ein linearer Abschnitt (44) (eine diskrete Bewegung (24)) wird zur Demonstration der Bestimmung gewünschter Zeit t* ausgewählt. Zwei mögliche Profile (45, 46) werden sequenziell angewendet (die Gleichungen für einen linearen Vektor oder Bewegung werden gezeigt. Ähnliche Gleichungen können für gekrümmte Bewegungen abgeleitet werden):

a. gemäß 10b wird ein Profil (45) unter Annahme konstanter maximaler Beschleunigung a_max vom Start bis zum Ende der Bewegung erstellt, so dass man in Kenntnis von s = v₀t + ½ a_maxt² die gewünschte Mindestbewegungszeit t^* als
lösen kann und des Weiteren v_f = v₀ + a_maxt. Wenn die zum Abschluss der Bewegung erreichte Geschwindigkeit v_f inakzeptabel höher als die maximal zulässige Geschwindigkeit v_max ist, dann wird die Beschränkung für konstante Beschleunigung aufgehoben und
b. gemäß 10c eine Gleichung dritter Ordnung angewendet, um das Profil (46) zu mit der Endgeschwindigkeit bei Maximum und ohne Überschreiten maximaler Beschleunigung zu erstellen. Somit kann man in Kenntnis von s = v₀t + ½ a_maxt² + bt³ mit
nach b auflösen und in Kenntnis von v_f = v_max = v₀ + a_maxt + 3bt² dann die gewünschte Mindestbewegungszeit t^* als
lösen kann, wobei v_max nicht überschritten wird.

Bei gekrümmten Bewegungen sind die Gleichungen ähnlich, weisen aber Winkelgeschwindigkeit, Beschleunigung und Winkel der Kurve (ω, α bzw. θ) auf, die für v, a bzw. x eingesetzt werden. Gekrümmte Bewegungen sind auf eine konstante Winkelbeschleunigung α beschränkt.
Die resultierende gewünschte Mindestbewegungszeit t^* wird auf ganzzahlige Zeit gerundet.
Wird die gewünschte Mindestbewegungszeit t^* als geringer als die Mindestsystemzeit t_min bestimmt, dann wird die Bewegungszeit t^* zurückgesetzt, damit sie t_min entspricht. Auf Grund der Art der kurzen Bewegungen bei einer typischen Aufgabe wird die gewünschte Mindestbewegungszeit t^* normalerweise als geringer als die Mindestsystembewegungszeit t_min ermittelt.
Entsprechend ist, sobald die Zeit t^* auf eine längere Mindestsystemzeit t_min zurückgesetzt wird, die erforderliche Geschwindigkeit zum Abdecken derselben Bewegungsdistanz geringer als die maximal zulässige Geschwindigkeit.
Geschwindigkeitsprofile und -bereiche
Nächstfolgend wird, wie in 11 gezeigt, ein Bereich (47) möglicher Geschwindigkeitsprofile (48a, 48b) für jede Bewegung bestimmt. Es können viele mögliche Profile bestimmt werden und somit kann jede Bewegung (24) signifikant unterschiedliche mögliche Mindestzeiten zum Abschließen ihrer diskreten Bewegung haben. Zuletzt muss, wie in 15a, 15b gezeigt, eine stetige Geschwindigkeitskurve (58) durch den für jede Bewegung (24) bestimmten Geschwindigkeitsbereich (47) hindurchgeführt werden und muss somit wenigstens eine Möglichkeit für eine gemeinsame Geschwindigkeit bei jeder benachbarten Bewegung (24) aufweisen. Entsprechend werden, wie in 14a, 14b gezeigt, nachdem Bereiche für mögliche Geschwindigkeitsprofile (48a, 48b) für jede Bewegung (24) bestimmt wurden, diese so angepasst, dass sie sich überschneiden.
Die Geschwindigkeitsprofile (48a, 48b) unterliegen weiterhin praktischen Beschränkungen wie: ganzzahlige Zeit, maximale Geschwindigkeit und maximal zulässige Beschleunigung. Entsprechend kann eine endliche Anzahl von Profilen ermittelt werden.
Zuvor wurde die gewünschte Mindestbewegungszeit t^* berechnet. Basierend auf t^* werden Geschwindigkeitsbereiche als Funktion von Zeit erzeugt.
Mit Bezug auf 15a und unter Berücksichtigung, dass eine Polylinie (21) eine oder mehrere Bewegungen (24) umfasst, beginnt die resultierende Geschwindigkeitskurve (58) eine Linie (31) mit der ersten Bewegung bei Geschwindigkeit gleich Null und der letzten Bewegung endend bei Geschwindigkeit gleich Null. Keine inkrementelle Mindestbewegungszeit darf geringer als die Mindestsystembewegungszeit t_min sein.
Unabhängige Bereiche (47) von Geschwindigkeiten werden für jede Bewegung (24) erzeugt, wobei diese oftmals zwischen benachbarten Bewegungen unstetig sind. Die Bereiche sind dadurch gekennzeichnet, dass sie Folgendes aufweisen:

– zu Beginn der Bewegung eine maximale Startgeschwindigkeit und eine Mindeststartgeschwindigkeit; und
– am Ende der Bewegung eine maximale Endgeschwindigkeit und eine Mindestendgeschwindigkeit.

Ein erstes Grenzgeschwindigkeitsprofil (48a) erstreckt sich zwischen der maximalen Startgeschwindigkeit und der Mindestendgeschwindigkeit. Entsprechend erstreckt sich das zweite Grenzgeschwindigkeitsprofil (48b) zwischen der Mindeststartgeschwindigkeit und der maximalen Endgeschwindigkeit.
Anders als die anfängliche und letzte Bewegung sind die Geschwindigkeitsbereiche (47) für eine Bewegung (24) anfänglich symmetrisch, was bedeutet, dass die maximale Startgeschwindigkeit als dieselbe gilt wie die maximale Endgeschwindigkeit, und die Mindeststartgeschwindigkeit ist dieselbe wie das Ende einer Mindestendgeschwindigkeit. Sind die Profile linear, dann hat der Bereich das Aussehen von einem „X".
Wie in 14a gezeigt, kann bei Prüfung einer diskreten Bewegung (24) und Vernachlässigen ihres Einflusses auf angrenzende (vorhergehende und nachfolgende) Bewegungen eine Vielzahl von Profilen (47) erzeugt werden.
Im Allgemeinen werden Geschwindigkeitsprofile (48a, 48b) gesucht, die nicht die maximalen Systemgeschwindigkeiten oder maximale Systembeschleunigung überschreiten. Es ist zu beachten, dass bei Prüfung auf und Verhindern von Beschleunigungen, die größer als die maximale Beschleunigung sind, die Start- (v_i) oder Endgeschwindigkeit (v_f) für diese Bewegung verändert werden könnten. Das bedeutet, dass die Endgeschwindigkeit (v_f) für die vorhergehende Bewegung negativ beeinflusst werden könnte. Entsprechend ist es erforderlich, die Analyse zu wiederholen und die Endgeschwindigkeit der vorhergehenden Bewegung neu zu berechnen und so weiter, bis die maximale Beschleunigung in der laufenden Bewegung und jeder vorhergehenden nicht verletzt wird.
Ungeachtet des resultierenden Geschwindigkeitsprofils (48a, 48b) muss der Bereich darunter der Bewegungsdistanz entsprechen.
Beschränkungen
Beim Bestimmen von Geschwindigkeitsprofilen (48a, 48b) müssen bestimmte Beschränkungen eingehalten werden. Zeit darf nur in diskreten genzzahligen Werten gemessen werden.
Offensichtlich darf, wie oben beschrieben, die Geschwindigkeit v_max nicht überschreiten oder geringer als Null sein. Des Weiteren dürfen Beschleunigungen a_max nicht überschreiten. Zu den Beschleunigungsbeschränkungen gehören sowohl positive als auch negative (Verzögerung) – a_max < a < + a_max.
Es ist zu beachten, dass maximale Beschleunigung von der verwendeten physikalischen Vorrichtung abhängt, und dies kann zwischen der X- und der Y-Achse unterschiedlich ausfallen. Entsprechend wird der Wert a_max für den Bewegungsvektor als ein Vektor bestimmt, der aus der tatsächlichen maximalen Systembeschleunigung ax_max auf der X-Achse, getrennt von dem, der entlang der Y-Achse ay_max zulässig ist, berechnet wird. Die X- und Y-Maximalwerte werden von X- und Y-Komponenten des Bewegungsvektors gewichtet, wobei der resultierende Vektor a_max die maximale Beschleunigung für den Bewegungsvektor ist.
Geschwindigkeitsprofile: Funktionen und Höchstwerte
Mit Bezug auf 12a bis 12d werden verschiedene Funktionen angewendet, um das Geschwindigkeitsprofil zu bestimmen, wobei das einfachste davon eine gerade Linie (49) (erster Ordnung für Geschwindigkeit) ist. Zusätzliche Profile (50, 51) können aus einer Geschwindigkeitsbeziehung zweiter Ordnung bestimmt werden.
Bei einem kurzen Überblick werden Profile bei gegebener Bewegungslänge (l) und einer gewünschten Mindestbewegungszeit (t^*) wie folgt bestimmt:

(a) ein lineares Profil (49) wird bei konstanter maximaler Beschleunigung angewendet;
(b) ist die Anfangsgeschwindigkeit geringer als Null, dann wird ein Polynom dritter Ordnung (50) probiert; und
(c) ist die resultierende Endbeschleunigung größer als a_max, dann wird die Endbeschleunigung auf a_max beschränkt und die Endgeschwindigkeit – die für Profil (51) geringer ist – neu berechnet.

Im Besonderen sucht man in der einfachsten Form, beginnend von der Anfangsgeschwindigkeit (Null für die erste Bewegung und wahrscheinlich Nichtnull für nachfolgende Bewegungen) und bei einer konstanten Beschleunigung mit der zulässigen maximalen Beschleunigung beschleunigend, eine lineare Beziehung, die die höchste Geschwindigkeit innerhalb der Bewegung erreicht. Die maximale Geschwindigkeit, die am Ende der Bewegung erreicht wird, kann die maximale Systemgeschwindigkeit oder höher sein.
In Kenntnis von x = v_it + ½ a_it² + bt³ lautet bei t^*die Gleichung l = x(t*) = v_it* + ½a_it*² + bt*³ und die erste Ableitung der Zeit ist v_f= v(t*) = v_i + a_it* + 3bt*². Man kann Durchschnittsgeschwindigkeit definieren als
Zusammenfassend gilt für das lineare Profil (49) und in 12a, wenn Anfangs- und Endbeschleunigung das maximal oder a_max sind, dann b = 0 und
Bei einem ersten Fall, wenn das resultierende berechnete v_i gleich oder größer als Null ist, dann ist die maximale Geschwindigkeit und Endgeschwindigkeit v_f der berechnete Wert von v_i.
Stellt sich v_i als geringer als Null heraus (inakzeptabel, 12b), dann im ersten Durchgang eine Analyse dritter Ordnung versuchen. Wahlweise kann, wie in 12c gezeigt, die lineare Beziehung neu skaliert werden (49b), um v_f zu v_max werden zu lassen; bei Drehung um t*/2 wird v_i somit steigen – wobei der Bereich unter dem Profil (49b) derselbe bleibt.
Bei einem Profil dritter Ordnung (50) gemäß 12d wird die Anfangsgeschwindigkeit v_i auf Null gesetzt und die Anfangsbeschleunigung a_i wird ebenfalls auf Null gesetzt und dann x(t*) = l = bt*³ und somit
Wenn der für a_f berechnete Wert geringer oder gleich a_max ist, dann gilt v_f als maximiert und kann berechnet werden als
Ansonsten gemäß Profil (51), auch 12d, falls a_f größer als a_max ist (inakzeptabel), dann im ersten Durchgang eine Analyse dritter Ordnung versuchen, bei der die Anfangsgeschwindigkeit v_i auf Null gesetzt wird und die Endbeschleunigung a_f auf a_max gesetzt wird, dann
Für gekrümmte Bewegungen sind die Gleichungen ähnlich, aber bei ihnen wird ω, α und θ für v, a bzw. x eingesetzt. Winkelbeschleunigung α muss konstant sein.
Geschwindigkeitsprofilfunktionen - Mindestwert
In Kürze und mit Bezug auf 13a bis 13d:

(a) wird ein lineares Profil (52) bei konstanter maximaler negativer Beschleunigung angewendet;
(b) wird dann, wenn die Anfangsgeschwindigkeit größer als maximale Geschwindigkeit ist, ein Polynom dritter Ordnung (53) probiert; und
(c) wird dann, wenn die resultierende Endbeschleunigung größer als a_max ist, die Endbeschleunigung auf –a_max und Anfangsgeschwindigkeit auf v_max beschränkt und die Endgeschwindigkeit für Profil (54) neu berechnet.

Im Besonderen für ein lineares Profil (52), wie in 13a gezeigt, beginnend von der Anfangsgeschwindigkeit der Bewegung und verzögernd bei einer konstanten zulässigen maximalen Beschleunigung (–a_max), dann b = 0 und
Solange das resultierende berechnete v_i niedriger als oder gleich v_max ist, dann entspricht die Mindestgeschwindigkeit v_f dem berechneten Wert von v_i.
Stellt sich v_i als größer als v_max heraus (inakzeptabel, 13b), dann im ersten Durchgang eine Analyse dritter Ordnung probieren. Wahlweise kann die lineare Beziehung neu skaliert werden (52b), um v_i zu v_max werden zu lassen, drehend um t*/2 wird v_i somit steigen – wobei der Bereich unter dem Profil derselbe bleibt (13c).
Bei einem Profil dritter Ordnung (53), wie in 13d gezeigt, wird die Anfangsgeschwindigkeit v_i auf Null gesetzt und die Anfangsbeschleunigung a_i wird ebenfalls auf
Null gesetzt und dann x(t*) = l = v_maxt* + bt*³ und somit
und
Ist der für a_f berechnete Wert größer oder gleich –a_max, dann gilt v_f als minimiert und kann berechnet werden als
Ansonsten gemäß Profil (54), ebenfalls in 13d gezeigt, falls a_f niedriger als –a_max ist (inakzeptabel), dann im ersten Durchgang eine Analyse dritter Ordnung probieren, bei der die Anfangsgeschwindigkeit v_i auf v_max gesetzt wird und die Endbeschleunigung a_f auf –a_max gesetzt wird, dann
Für gekrümmte Bewegungen sind die Gleichungen ähnlich, aber bei ihnen wird ω, α und θ für v, a bzw. x eingesetzt. Winkelbeschleunigung α bleibt konstant.
Der Prozess lässt sich am einfachsten beschreiben, wenn man (zu Darstellungszwecken) annimmt, dass sämtliche Bereiche (47) durch gerade Linien definiert werden. Entsprechend werden die Bereiche (47) durch symmetrische oder horizontal erweiterte X-Formen dargestellt. Wie in 14a und 14b gezeigt, werden die resultierenden Beziehungen durch „X", „X" ... dargestellt.
Das Ziel besteht darin, eine Geschwindigkeitskurve oder stetige Geschwindigkeitslinie durch jeden Bereich vom Beginn bei null Geschwindigkeit bis zum Ende bei null Geschwindigkeit zu führen. Die Geschwindigkeit muss stetig sein.
Nicht alle Bereiche (47) überschneiden sich bei der Geschwindigkeit. Entsprechend werden die Bereiche hoher Geschwindigkeit (47'') nach unten angepasst, um sich mit den Bereichen niedriger Geschwindigkeit (47') zu überschneiden.
Die einfachste erste Korrektur eines nächsten angrenzenden Bereiches hoher Geschwindigkeit (47'') besteht darin, die Mindeststartgeschwindigkeit v_i (55) für den hohen Bereich (47'') zu nehmen und sie mit der maximalen Endgeschwindigkeit v_f (56) für den vorhergehenden niedrigen Bereich (47') abzugleichen. Es ist zu beachten, dass das Verfahren zum Verringern des Geschwindigkeitsbereichs (47) darin besteht, die Zeit Δt für die Bewegung (27) zu erhöhen. Da Zeit in ganzen Zahlen des kleinsten Zeitinkrements gemessen wird, dürfte somit die resultierende Neuberechnung der Mindeststartgeschwindigkeit v_i (55) wahrscheinlich geringer sein als die maximale Endgeschwindigkeit v_f (56) der vorhergehenden Bewegung und nicht genau mit ihr übereinstimmen.
Dies ist eine rekursive Analyse, bei der jede vorhergehende Bewegung (24) nach einer Korrektur erneut geprüft werden muss.
Mit Bezug auf 14a und 14b wird dann, sobald sich sämtliche Geschwindigkeitsbereiche überschneiden, jeder Geschwindigkeitsbereich (47) für jede diskrete Bewegung (24) so angepasst, dass:

– die neue Mindeststartgeschwindigkeit dem Größeren von
– der Mindeststartgeschwindigkeit für diese Bewegung und
– der Mindestendgeschwindigkeit für die vorhergehende Bewegung entspricht; und
– die neue maximale Startgeschwindigkeit für diese Bewegung dem Niedrigeren von
– der maximalen Startgeschwindigkeit für diese Bewegung und
– der maximalen Endgeschwindigkeit für die vorhergehende Bewegung entspricht.

Entsprechend

– entspricht die neue Mindestendgeschwindigkeit dem Größeren von
– der Mindeststartgeschwindigkeit für die nächste Bewegung und
– der Mindestendgeschwindigkeit für die laufende Bewegung; und
– die neue maximale Endgeschwindigkeit für diese Bewegung entspricht dem Niedrigeren von
– der maximalen Startgeschwindigkeit für die nächste Bewegung und
– der maximalen Endgeschwindigkeit für die laufende Bewegung.

An diesem Punkt sind die Bereiche (47), die symmetrisch waren (14a, 14b, 15a), nun asymmetrisch (57) (15b).
Eine stetige Geschwindigkeitskurve (58) wird durch sämtliche Bereiche (57) aller diskreten Bewegungen (24) hindurchgeführt. Eine Kurveneinpassroutine erzeugt nicht unbedingt eine glatte Kurve und schneidet in einem ersten Durchgang einfach den Mittelpunkt des Bereichs (57) bei jedem Übergang zwischen Bewegungen (24). Die Geschwindigkeit bei jedem Bewegungsschnittpunkt (25) ist, obwohl sie denselben Wert besitzt, nicht unbedingt zu den angrenzenden Geschwindigkeitsprofilen tangential.
An diesem Punkt haben wir eine Geschwindigkeitskurve (58), die die kürzeste Gesamtzeit zum Durchlaufen dieser Polylinie (21) bereitstellt. Diese Geschwindigkeitskurve (58) kann direkt in die Bewegungssteuerung (15) gespeist werden und erreicht eine optimierte Schnittgeschwindigkeit.
Optimieren diskreter Bewegung
Mit Bezug auf 16a bis 16d kann eine weitere Optimierung verwirklicht werden durch Heraussuchen von Bewegungen, die besonders lang sind (größer als ein Vielfaches der Mindestsystembewegungszeit t_min). Jede Bewegung (24) kann analysiert werden, um zu bestimmen, ob sie in kleinere Teilbewegungen (60) unterteilt werden kann. Kleinere Bewegungen (60) ermöglichen, eher als manche Funktionen dritter Ordnung, direkteres und schnelleres Erreichen maximaler Geschwindigkeit. Beschränkungen im Hinblick auf ganzzahlige Distanz und Mindestzeit t_min gelten weiterhin und sind einzuhalten.
Bewegungszeiten werden durch Modellieren der Geschwindigkeit optimiert. Die Bewegungsgeschwindigkeit wird als quadratische oder, was noch stärker zu bevorzugen ist, durch eine stückweise differentielle (lineare) Funktion modelliert. Der erste Teil der Geschwindigkeitsfunktion ist eine Periode der Beschleunigung. Der zweite Teil der Geschwindigkeitsfunktion ist eine Periode konstanter Geschwindigkeit. Der dritte Teil der Geschwindigkeitsfunktion ist eine Periode der Verzögerung. Bei Kurven lauten die entsprechenden Teile Winkelbeschleunigung bei Eintritt in die Kurve, konstante Winkelgeschwindigkeit durch die Kurven hindurch und Winkelverzögerung bei Austritt aus der Kurve.
Eine Bewegung (24) wird in mindestens zwei Teilbewegungen (60), einen Beschleunigungs- und einen Verzögerungsabschnitt, unterteilt. Ist die Bewegungszeit geringer als das Zweifache der Mindestsystembewegungszeit t_min, ist das Durchführen einer Unterteilung sinnlos, da jede Teilbewegung nicht geringer sein darf als t_min.
Um drei Teilbewegungen (60) (16d) zum Ermöglichen von Beschleunigung, konstanter Geschwindigkeit und einer Verzögerung zu erreichen, muss die Gesamtbewegungszeit größer als das Dreifache von t_min sein.
Als Beispiel und mit Bezug auf 16a kann eine Bewegung (move_i) (24) recht lang sein, sagen wir sechs Inch, und zum Abschluss weitaus mehr als das Dreifache von t_min benötigen. Die Geschwindigkeitsbereichsoptimierung (40 bis 43) kann ein polynomes Einpassen (58) oder Profil (61), wie in 16b gezeigt, für die Bewegung (24) zur Folge gehabt haben. Es wäre also effizienter, wie in 16c gezeigt, ein Geschwindigkeitsprofil (62) zuzuweisen, das konstante maximale Beschleunigung (63) verwendet, bis maximale Geschwindigkeit erreicht ist, und dann diese Geschwindigkeitskonstante (64) im Wesentlichen für den Rest der Bewegung beibehält. Am Ende der Bewegung wird ausreichend Zeit reserviert, um maximale negative Beschleunigung (65) zu nutzen, um zu der Endgeschwindigkeit zurückzukehren, die zuvor beim optimierten polynomen Einpassen berechnet wurde.
Mit anderen Worten: Lange, unkomplizierte Bewegungen können in kürzere, zeitlich effizientere Teilbewegungen unterteilt werden (16d). Wenn die berechnete Zeit für die lange Bewegung geringer als das Zweifache der Mindestsystembewegungszeit ist, dann erfolgt eindeutig keine Aktion, da jede Teilbewegung geringer als die Mindestsystembewegungszeit wäre und dies eine ungeeignete Lösung wäre.
Mit Bezug auf 17 bis 19 wird eine Bewegung (24) anhand der Mindestsystemzeit t_min geprüft, um zu ermitteln, ob sie überhaupt zu weiterer Optimierung geeignet ist. Bei Block 66 sollte, wenn die erforderliche Zeit größer ist als das Dreifache der Systemmindestbewegungszeit, das Anwenden einer Optimierung von Beschleunigung, konstanter Geschwindigkeit und Verzögerung (ACD) probiert werden, wie in 16d gezeigt. Bei Block 67 sollte, wenn die erforderliche Zeit zwischen dem Zweifachen und dem Dreifachen liegt, nur eine Teilbewegungsoptimierung von Beschleunigung und Verzögerung (AD) probiert werden.
Mit Bezug auf 18 wird die erforderliche Zeit zum Beschleunigen von der Anfangsgeschwindigkeit auf v_max bei Block 68 berechnet. Dann wird bei Block 69 die erforderliche Zeit zum Verzögern mit maximaler Verzögerung von v_max zu v_f berechnet. Diese Zeiten werden durch Aufrunden zu ganzzahliger Zeit umgewandelt. Bei Block 70 ist dann, wenn die erforderliche Distanz zum Erreichen der vorgenannten beiden Bedingungen größer als die Bewegung selbst ist, ACD-Optimierung für diese Bewegung nicht verfügbar und man kann AD-Optimierung probieren und zu Block 72 gehen.
Ansonsten kann dann bei Block 71, wenn die berechnete Distanz geringer als die Bewegungslänge ist, ein Abschnitt konstanter Geschwindigkeit (64) eingepasst werden und die Bewegungszeit kann unter Verwendung von ACD erfolgreich verringert werden. Wird die maximale Geschwindigkeit bei Neuberechnung überschritten, dann sollte man die Anwendung nichtlinearer Geschwindigkeitsanstiegs- und -rückgangsabschnitte (63, 65) basierend auf der maximalen Geschwindigkeit v_max versuchen.
Wendet man sich zur AD-Optimierung 19 zu, wird die erforderliche Zeit zum Beschleunigen von der Anfangsgeschwindigkeit zu v_max und wieder zurück bei Block 73 bestimmt. Erneut werden diese Zeiten gemäß Block 74 Aufrunden zu ganzzahliger Zeit umgewandelt. Bei Block 75, wenn die Zeit verbessert wurde, geht man zu Block 76 weiter, um unter Verwendung konstanter Beschleunigung Geschwindigkeit zu maximieren und Zeit zu minimieren. Bei Block 77 ist zu prüfen, ob Geschwindigkeitsmaximalwerte oder Beschleunigungen überschritten werden, und wenn dies der Fall ist, sollte nichtlineares Anheben und Absenken von Geschwindigkeitsabschnitten versucht werden, wobei deren Maximum bei v_max liegt. Können Maximalwerte nicht eingehalten werden, dann scheitert die AD-Optimierung von Teilbewegungen.
Die Anfangs- und Endgeschwindigkeiten v_i, v_f, die ursprünglich bei der Geschwindigkeitsbereichsoptimierung bestimmt wurden, müssen beibehalten werden. Das neue Geschwindigkeitsprofil (62) für die neuen Teilbewegungen (60) wird neu berechnet, um zu dem ursprünglichen Bewegungsversatz zu passen.
Bei einer ACD-Optimierung (18) werden zwei neue Koordinaten oder Schnittpunkte (79) erzeugt, wobei drei Teilbewegungen (60, 60, 60) aus einer Bewegung (24) gebildet werden. Bei AD-Optimierung (19) wird eine neue Koordinate oder Schnittpunkt (79) erzeugt, wobei zwei Teilbewegungen (60, 60) aus einer Bewegung (24) gebildet werden.
Da Zeit und Versatz als ganze Zahlen gemessen werden, können in die Position der Koordinaten der neuen Teilbewegungsschnittpunkte (79) signifikante Fehler eingeleitet werden. Entsprechend werden bei Block 78 die Koordinaten der neuen Schnittpunkte (79) auf die nächste ganze Zahl gerundet. Der Rundungsprozess kann das neue Geschwindigkeitsprofil (62) entweder außerhalb der maximalen Beschleunigung oder außerhalb der maximalen Geschwindigkeit rücken. Entsprechend kann es angebracht sein, die Zeit für die Teilbewegungen (60) ausreichend zu erhöhen, so dass sie die Geschwindigkeitsbeschleunigungsbeschränkungen erfüllen. Insgesamt können unterteilte Bewegungen immer noch effektiver sein und kürzere Zeit aufweisen als die lange optimierte Bewegung. Zeitverringerung wird durch die verkürzte Zeitachse in 16c oder die in 16a dargestellt. Es ist zu beachten, dass der Bereich (D1) unter der Kurve (61) und der Bereich (D2) unter der neuen Geschwindigkeitskurve (62) dieselben sein müssen und denselben Bewegungsversatz belegen.
Erneut müssen diese neuen Koordinaten, wodurch eine Geometrieänderung signalisiert wird, auf tangentiale Stetigkeit zwischen Bewegungen (24), Teilbewegungen (60, 60 und 60) und Bewegungen (24) geprüft werden.
Gelegentlich kann eine Teilbewegung durchaus die Beschränkung maximaler Beschleunigung geringfügig verletzen. Man kann wahlweise eine Toleranz für das Überschreiten maximaler Beschleunigung festlegen. Es wird ein Beschleunigungsfehlerterm bereitgestellt, der eine Funktion von Versatz durch Zeit zum Quadrat ist. Ist der Beschleunigungsfehler übermäßig, dann wird eine Zeiterhöhung von einer ganzzahligen Zeiteinheit addiert, um den Beschleunigungsfehler zu verringern. Die Änderung von Beschleunigung ist eine Funktion von Zeit zum Quadrat mittels
Oft reicht das Addieren lediglich einer Zeiteinheit (die dann quadriert wird) aus, um den Beschleunigungsfehler in die Grenzen zu führen.
Die Philosophie besteht darin, dass man gelegentliches Überschreiten der maximalen Beschleunigung möglicherweise akzeptieren kann. Typischerweise wird dies auf 10 bis 15 Prozent von der maximalen Beschleunigung festgelegt. Die Reaktion besteht einfach in einer Erhöhung des Maßfehlers. Dies wird durch die Durchbiegung des Portals und den Schub der linearen Servomotoren (5a, 5b, 5c) verursacht.
Wenn den linearen Servomotor (5a, 5b, 5c) stark antreiben, kann er seinen Punkt überschreiten und „klingeln". Es ist zu beachten, dass die X- und Y-Koordinaten absolut sind, die Bewegung aber der Schwingung um den Sollwert unterliegt.
Nach sämtlicher Optimierung werden die Bewegungen und Teilbewegungsdaten in dem Datenfeld (8) zur Einspeisung in die Bewegungssteuerung (15) gespeichert. Die Bewegungssteuerung gibt ΔX, Zeit, Startgeschwindigkeit (normalerweise von der vorhergehenden Bewegung) und Endgeschwindigkeit aus.
Obwohl die Steuerung (15) in relativer Distanz (ΔX) operiert, verfolgt die Steuerung ständig, wie viele Codiererpunkte sie durchlaufen hat und über wie viele sie sich noch zu bewegen hat (ΔX). Wenn beispielsweise das Portal zwangsweise über den bezeichneten Codiererpunkt hinaus zu bewegen wäre, würde sie versuchen, zu diesem Punkt zurückzukehren. Wenn man Schrittmotoren verwenden müsste, die relative Positionierung ohne Positionsrückkopplung verwenden, hätten sie keinen Bezugspunkt, zu dem sie zurückkehren könnten.
Der X-Y-Positioner (1) und die Laserdüse (4) können angewiesen werden, wohin sie sich bewegen sollen, aber dies muss für schnellsten Betrieb mit der Bewegung der Fördervorrichtung (14) koordiniert werden.
Kontinuierliche Fördervorrichtungsbewegung
Nächstfolgend wird das Bewegungsprofil der Fördervorrichtung (14) bestimmt.
In einer Hinsicht ist dies recht einfach, wenn die erforderliche Zeit, um sämtliche Schnitte für diese Portion durchzuführen, bekannt ist, die Länge der Portion bekannt ist und man somit die Bewegung der Fördervorrichtung (14) bestimmen kann, die zum Verarbeiten dieser Portion erforderlich ist. Problematischer ist das Sicherstellen identischer Start- und Endgeschwindigkeit der Fördervorrichtung (14), wenn sie in eine Portion einsteigt und daraus aussteigt (Einstieg in eine Portion von der vorhergehenden Portion aus und Ausstieg aus der Portion, um in die nächste Portion einzusteigen).
Um „Rucken" oder eine Änderung der Beschleunigungsrate zu vermeiden, sollte die Startgeschwindigkeit von einer Portion dieselbe wie die Endgeschwindigkeit der vorhergehenden Portion sein. Die Geschwindigkeiten werden durch Glätten des Geschwindigkeitsprofils der Fördervorrichtung abgeglichen. Die Beschleunigungen sollten dieselben sein. Gelegentlich erzeugt das Glättungsverfahren eine negative Geschwindigkeit. Dies ist bei hochgenauem Schneiden inakzeptabel, da dadurch eine Umkehr der Fördervorrichtung (14) erforderlich wird. Umkehrspiel oder Hysterese beim Antrieb der Fördervorrichtung (14) könnten einen inakzeptablen Fehler in die Positionierung des Lasers (7) einleiten.
Entsprechend werden die Start- und Endgeschwindigkeit dieser Portion iterativ verringert, um den Bereich unter den Enden des Geschwindigkeitsprofils zu verringern, was dazu führt, dass der negative Abschnitt des Profils (auf einen positiven Wert) steigt und dadurch den Bereichsverlust ausgleicht. Das Ergebnis besteht darin, dass dieselbe durchquerte Gesamtdistanz erreicht werden soll, ohne jedoch jemals in eine negative Geschwindigkeit einzutreten. Es ist zu beachten, dass nach dieser Anpassung die Beschleunigung über die Kurve nicht mehr stetig ist.
Mit Bezug auf 20a bis 20c stellt ein Diagramm eine Geschwindigkeitskurve (80) der Fördervorrichtung (14) im Verlauf der Zeit dar. Der Bereich unter der Kurve stellt den Versatz oder die Position der Fördervorrichtung dar. 20a stellt die Durchschnittsgeschwindigkeit für drei Portionen (81, 82, 83) dar (d. h. eine Verschachtelung mit drei Portionen). Die Fördervorrichtung besitzt zu Beginn der ersten Portion (81) eine Geschwindigkeit von Null und besitzt am Ende der dritten Portion (83) ebenfalls eine Geschwindigkeit von Null. Die drei gezeigten Portionen (81, 82, 83) besitzen unterschiedliche Geschwindigkeiten an ihren Portionsschnittstellen (84, 85). Entsprechend sind die Geschwindigkeiten unstetig. Unstetigkeit führt zu einem Rucken.
Die Geschwindigkeit der Fördervorrichtung ist angepasst, um kontinuierliche Geschwindigkeit an den Schnittstellen (84, 85) sicherzustellen.
Zuerst veranlassen wir, dass sämtliche Geschwindigkeiten und Beschleunigungen an Portionsgrenzen oder -schnittstellen (84, 85) übereinstimmen.
Die Geschwindigkeit wird, um die in 20a gezeigte Kurve (80) zu bilden, unter Verwendung von Gleichungen dritter Ordnung geglättet, wobei:
Für jede Portion (81, 82, 83), dargestellt durch i bis n, wobei n die Anzahl der Portionen ist (drei werden gezeigt), an den Grenzen (84, 85), müssen P(t)_i, v(t)_i und a(t)_i dasselbe sein wie P(t)_i+1, v(t)_i+1 und a(t)_i+1. Entsprechend gibt es 3n Unbekannte. Die Gleichungen werden für die Koeffizienten A, B und C gelöst.
Die Geschwindigkeitslösung muss auf negative Geschwindigkeiten geprüft und korrigiert werden, sonst gibt es keine kontinuierlichen Beschleunigungen.
Wenn die geglättete Geschwindigkeit oder Bewegungskurve (80) der Fördervorrichtung (14) eine negative Lösung (86) (20b) aufweist, dann wird das gesamte Profil (80) überprüft und die Anfangs- und Endgeschwindigkeit von einer Portion (87, 88), die negative Geschwindigkeit besitzt, werden gesenkt. Die Glättung kann iterativ für niedrigere und niedrigere Geschwindigkeiten (87, 88) erfolgen, bis kein Punkt der Geschwindigkeitskurve (80) negativ ist (20c). Der schlimmste Fall ist eine resultierende Start- und Endgeschwindigkeit einer Portion, die Null wird. Die Regel für berichtigendes Verringern der Geschwindigkeiten ist eine Funktion, die proportional zu der bereitgestellten Geschwindigkeit ist.
Der Positioner
Mit erneutem Bezug auf 1 und außerdem auf 21 bis 25 wird im Hinblick auf das Verbessern des Positioners (1) ein leichtes Y-Achsen-Portal (3) bereitgestellt, das auf den beiden X-Achsenschienen (X1, X2) läuft. Die X-Achse verläuft quer zu der Bewegung des Materials (13) und die Y-Achse verläuft parallel. Wie in 21 gezeigt, ergibt sich, wenn sich das Y-Portal (3) etwa auf halbem Weg entlang den X-Schienen (X1, X2) befindet, eine „H-Form". Der verbesserte Positioner (1) beginnt von herkömmlichen Positionern abzuweichen, indem er das Y-Portal (3) unabhängig mit linearen Servomotoren (5a, 5b) antreibt, die sich an jedem Ende (X1, X2) des Y-Portals (3) befinden.
Ein linearer Servomotor (5c), der sich entlang des Y-Portals (3) erstreckt, treibt die Traglast der Laserdüse (4) (der Laserkopf umfasst Optik und Spiegel (8)) entlang des Portals (3) auf der Y-Achse parallel zu der Bewegung der Fördervorrichtung (14) und des Materials (13) an. Die X1- und X2-Motoren (5a, 5b) treiben das Y-Portal (3) quer zu der Be wegungsachse der Fördervorrichtung (14) an, um die Laserdüse (4) auf der X-Achse zu bewegen.
Die Verwendung von zwei unabhängigen X1- und X2-Motoren (5a, 5b) ermöglicht ihnen, unabhängig angetrieben zu werden, um Trägheitsungleichgewicht der Laserdüse (4) an den äußeren Enden des Y-Portals (3) auszugleichen. Es ist des Weiteren sehr einfach, den Positioner (1) bei Installation einzurichten und zu ermöglichen, dass digitale Versetzungen in die Steuerung (15) einprogrammiert werden können, und die Y-Achse des Y-Portals zu korrigieren, dass sie zu der Bewegung der Fördervorrichtung parallel (14) ist.
Wie in den 24 und 25 am besten zu sehen ist, umfassen lineare Servomotoren (5a, 5b, 5c) eine Magnetspur (90) und einen Spulensatz (91). Die Magnetspuren (90) werden an ihren jeweiligen X-Schienen (X1, X2) oder an dem Y-Portal (3) angebracht und sind daran ortsfest. Die Spulensätze (91) bewegen sich relativ zu ihren jeweiligen Magnetspuren (90). Jedes Ende des Y-Portals (3) an den X1- und X2-Servomotoren (5a, 5b) wird von Linearlagern (92) getragen, um relative Bewegung zwischen den X-Schienen (X1, X2) und dem Y-Portal (3) zu gestatten.
Es wurden unterschiedliche lineare Servomotoren (5a, 5b und 5c) für die X-Schienen (X1, X2) und das Y-Portal (3) verwendet. Da die mit den X-Schienen (X1, X2) verbundenen Linearmotoren (5a, 5b) nicht umherbewegt werden, können sie für maximale Leistung mit verringerter Betonung ihres Gewichts ausgewählt werden. Der Linearmotor (5c) für das Y-Portal (3) wird Teil des beweglichen Gewichts und es wird stärkere Betonung auf das Auswählen eines leichten Linearmotors (5c) gelegt.
Entsprechend umfasst das Y-Portal (3) einen Linearmotor (5c), Modell LM 210, mit einer Spulenlänge von 5,6 Inch und zwei Polen zur Erzeugung einer Spitzenkraft von 30 Pfund. Das Y-Portal (3) besitzt eine Nutzhublänge von 46 Inch bei einer Höchstgeschwindigkeit von 60 Inch pro Sekunde (ips), einer effektiven Beschleunigung von mehr als 0,8 G (maximal 1,5 G) und einer Ungenauigkeit von weniger als 0,020 Inch.
Die X1- und X2-Linearmotoren für die X-Schienen sind schwerer, wobei das Modell LM310-6P mit einer Spulenlänge von 15,2 Inch und 6 Polen verwendet wird, das auf einer LM310M-Spur läuft und eine Spitzenkraft von etwa 240 Pfund erzeugt. Die X- Schienen (X1, X2) bieten eine Nutzhublänge von 80 Inch bei einer Höchstgeschwindigkeit von 60 ips, einer effektiven Beschleunigung von mehr als 0,8 G (maximal 1,5 G) und einer Ungenauigkeit von weniger als 0,020 Inch. Die Ablenkung in dem Y-Portalträger ist bei 1,5 G geringer als 0,003 Inch. Beide Linearmotormodelle (5a, 5b und 5c) LM210 und LM310 sind bei Trilogy Systems Corp. aus Webster, Texas, erhältlich.
Da das Y-Portal (3) im Wesentlichen das einzig bewegliche Teil des Positioners (1) ist, war eine signifikante Konstruktion erforderlich, um einen leichten Träger oder Y-Portal (3) bereitzustellen, die genügend Steifigkeit aufwiesen, um die Laserstrahlschneidpräzision zu wahren.
Ungenauigkeiten sind meistens mechanisch und werden nicht durch Spiel im Regelkreis verursacht. Maßungenauigkeiten auf Grund der Durchbiegung des mechanischen Systems liegen in der Größenordnung von 0,015'', während Regelkreise lediglich 0,005'' aufweisen.
Wie in den 21 und 25 gezeigt, ist das Y-Portal (3) aus 4 × 4''-Aluminumstrukturrohren (93) mit ¼''-Wänden konstruiert. Die Oberflächen sind parallel und rechteckig gearbeitet.
Mit Bezug auf 21 und 24 umfasst jede X-Schiene (X1, X2) große Strukturelemente, im Besonderen hohle Strukturstahlrohre (94) von 10 × 4 × ½ Inch. Die Rohre (94) werden mit dem 10-Inch-Profil in der horizontalen Ebene ausgerichtet. Die bei den X-Schienen (X1, X2, 94) zu wünschende große Masse ermöglicht Absorption des durch das Y-Portal (3) erzeugten Impulses. Die Linearmotormagnetspur (90) und die Codierer sind an der unteren Fläche der X-Schienen (X1, X2) angebracht.
Da für jedes Ende des Y-Portals (3) unabhängige Linearmotoren (5a, 5b) verwendet werden, besteht für das Portal ein Potenzial zum Drehen, da ein Ende (X1 oder X2) das andere Ende (X2 oder X1) geringfügig überlaufen kann. In Verbindung mit dem Drehen ergibt sich ein Translationsproblem.
Mit Bezug auf 22 werden Drehlager (95) an jedem [Ende] des Y-Portals (3) an den X-Schienen bereitgestellt, so dass sich das Y-Portal (3) geringfügig drehen kann. Ein Translationslager (96), das sich an einem Ende (X2) des Y-Portals (3) befindet, gestattet der Drehung, ohne Längsbeschränkung fortzufahren.
Dreh- und Translationseinheiten (95, 96) müssen große Momente und Kräfte handhaben können, steif, aber trotzdem noch leicht sein.
Leider wird der Positioner (1) durch die Einführung von Dreh- und Translationslagereinheiten (95, 96) strukturell geschwächt. Auf die Lager werden große Momente ausgeübt. Für jeden Drehzapfen (95) werden große Drehlager (97) verwendet, nämlich Kreuzrollenlager der Ausführung CRBH 5013A, eingeschrumpft in eine verstärkte X-Führungsplatte (98) an dem Umfang der Lager und mit einer Wellennabe (99) in ihrer Bohrung. Die Drehlager gestatten Drehung nur in der Ebene des Materials und sind ansonsten im Wesentlichen unbeweglich.
Das Translationslager (96) ist ein Doppelschienenlagersystem zum Verringern von Bewegung. Die beiden Schienenlager sind IKO-Lager, Modell LWES20.
Steife Verbindungen oder Führungsplatten (98, 100) werden verwendet, um die X-Schienen (X1, X2) mit den Enden des Y-Portals (3) zu verbinden. Die X-Führungsplatte (98) hängt von dem Linearlager ab, das entlang der Länge der X-Schienen läuft, und ist an den Drehlagern befestigt. Die Drehlager sind mit der Wellennabe mit dem Y-Portal (32) verbunden.
Eine Y-Führungsplatte (100) befindet sich zwischen der Laserdüse und dem Y-Portal. Die Y-Führungsplatte (100) ist mit zusätzlichen Rippen (101) versteift, um sicherzustellen, dass das Durchbiegen minimiert wird. Die Y-Führungsplatte ist außerdem, wie in 25 gezeigt, signifikant versteift.
Ein Vorteil von unabhängigen Linearmotoren und Dreh- und Translationsfähigkeit des Portals besteht darin, dass nur eine X-Schiene (X1 oder X2) präzise senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Materials (13) ausgerichtet werden muss. Fehlausrichtung der zweiten X-Schiene wird durch die Dreh- und Translationsfähigkeit absorbiert und Festklemmen verhindert. Die Drehzapfen (95) entkuppeln außerdem vorteilhafterweise die beiden Motoren (5a, 5b), was eine engere Feinabstimmung ermöglicht, ohne Vorschub von einem Motor zum anderen und Neupositionierungskorrekturen und Schwingung zu verursachen. Auch das Einrichten wird vereinfacht, wobei der Winkel des Y-Portals (3) eingestellt werden kann und somit exakt parallele Ausrichtung des Y-Portals (3) zu der Bewegung der Fördervorrichtung (14) ermöglicht wird. Dies kann elektronisch in der digitalen Bewegungssteuerung (15) erfolgen.
Um die absolute Position des Laserdüsenendes (4) des Y-Portals (3) zu steuern, werden Linearcodierer (6a, 6b, 6c) (bei denen gilt, dass sie ein langes, ortsfestes Gitter und einen beweglichen Leser umfassen) zum Bereitstellen von Positionsrückkopplung verwendet. Auf Grund des eigentlichen Wunsches, die Genauigkeit des Y-Portals (3) zu erhöhen und dadurch Beschleunigungs- und Verzögerungssteuerung zu verbessern, besitzen die Codierer hohe Auflösung. Ohne hochauflösende Rückkopplungsinformation kann die Bewegungssteuerung das Portal (3) und die Düse (4) nicht genau positionieren oder Start- oder Anhaltebewegungen einleiten und es treten Quantisierungsfehler auf. Auf Grund der Wahl von magnetfelderzeugenden Linearmotoren zum Antrieb des Positioners war die Verwendung von magnetischen Codierern untersagt.
Da digitale Steuerungen (15) immer schneller werden, wird die Gegenüberstellung von reellzahliger und ganzzahliger Zeit und das Einhalten von Beschleunigungsgrenzen immer schwieriger. Ist die Geschwindigkeit zu groß, könnte das Material (13) bei einer gegebenen Leistung des Lasers (7) nicht mehr sauber geschnitten werden. Des Weiteren kann, wenn die Beschleunigung einen Maximalwert überschreitet, der Positioner seine berechneten Koordinaten überschreiten und schwingen. Entsprechend kann die Toleranz des resultierenden Schnitts nicht gewährleistet werden.
Eine Lösung besteht darin, optische Codierer (6a, 6b, 6c) einzusetzen, die eine zehn Mal größere Auflösung als magnetische Codierer besitzen.
Im Besonderen wurde ein Codierer (6a, 6b, 6c) der Ausführung MSA 6716 erfolgreich verwendet, der bei RSF Electronics, Rancho Cordova, Kalifornien, erhältlich ist. Der Codierer MSA 6716 besitzt eine Systemauflösung von 1 Mikrometer mit einer Genauigkeit von etwa 3 Mikrometer/Meter und eine Gitterrasterteilung von 20 Mikrometer. Die optischen Codierer sind abgedichtet und unterliegen keinen Reinigungsanforderungen. Das optische Raster ist leicht und ein signifikanter Faktor bei der Verwendung an dem Y-Por tal (3). Zuvor verwendete magnetische Codierer besaßen eine Auflösung von nur etwa 10 Mikrometer und mit den neuen optischen Codierern wird die Systemauflösung auf ein Mikrometer verbessert.
Ein 500-Watt-Kohlendioxidlaser (7) mit Hochfrequenzanregung wird bereitgestellt, der einen Laserstrahl (10) aussendet, der im Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums mit einer Wellenlänge von 10,6 Mikrometer strahlt. Der Laser (7) ist schwer und ist vom Portal getrennt angeordnet. Spiegel (8) lenken den Laserstrahl (10) zu der Düse. Ein erster Spiegel (8a) lenkt den Laserstrahl entlang einer X-Achse um. Ein anderer Spiegel (8b) an dem Y-Portal (3) lenkt den Laserstrahl zu der Laserdüse um. Die Düse (4) umfasst optische Einrichtungen (8c), um den Laserstrahl (10) auf das Material (13) zu lenken.
Die Laserdüse (4) ist leicht (etwa 2 Pfund) und die gesamte Traglast des Motors (5c), der Y-Führungsplatte (100) und der Laserdüse (4) (etwa 6 Pfund) ist an dem Y-Portal (3) angebracht. Solche Laserdüsen (4) und Laser (7) sind von Coherent als Modell K500 erhältlich.
Durch die Verwendung von Linearmotoren (5a, 5b) kann man ein zweites Y-Portal (3) mit Laserdüse (4) an denselben Servostatoren (X1 und X2) installieren.
Lineare Servomotoren (5a, 5b, 5c) können überhitzen, wenn sie dauerhaft Widerstandskräften über einer bestimmten Größenordnung ausgesetzt werden. Wenn das Erreichen von Geschwindigkeit das Ziel ist, sind Motorenausfälle und Stillstandszeiten eindeutig inakzeptabel. Durch herkömmliche Analyse kann man bestimmen, wann ein Motor überhitzt, wenn er im Wesentlichen kontinuierlicher Last über längere Zeit ausgesetzt wird. Wenn jedoch ein System einem breiten Bereich von Beschleunigung und Leerlaufbetrieb ausgesetzt ist, ist dies nicht so unkompliziert. Es ist zu beachten, dass man, wenn ein Schnittmuster (12) unveränderlich sein sollte, die maximale Beschleunigung bestimmen kann, um Motorschäden zu vermeiden. Wenn jedoch jedes Muster (12) unterschiedlich sein kann, ist es wahrscheinlich, dass manche Muster (12) für den Motor zur Folge haben, dass er wiederholter und dauerhafter Beschleunigung ausgesetzt wird, was den Motor überhitzen könnte. Entsprechend ist es zu bevorzugen, ein dynamisches, vorhersagendes Motorlastsystem zu implementieren.
Während der Bewegung ist die Widerstandskraft eine Funktion der Beschleunigung des Motors. Die effektive Kraft oder RMS-Kraft für jede Bewegung kann anhand der für den Motor zu erwartenden PVT-Sequenzen bestimmt werden. Kraft ist proportional zu Motorerhitzung. Die PVT für ein bestimmtes Muster (12) bestimmen die vorhergesagte Beschleunigung im Verlauf der Zeit. Derzeit wird die maximale Beschleunigung verringert, wenn der RMS-Wert überschritten wird. Wahlweise kann man bei gegebener Hitzetoleranz eines Motors unter kontinuierlicher Kraft im Verlauf der Zeit die erwartete effektive Kraft durch eine Folge von Bewegungen prüfen und die effektive Kraft mit der vorgegebenen Kraft vergleichen und dann die maximal zulässige Beschleunigung des Musters (12) anpassen (verringern) und das PVT für den Positioner anpassen, um Motorüberhitzung zu verhindern.
Es wird erwartet, dass der Linearmotor (5c) an dem Y-Portal (3) durch leichte Riemenantriebe (nicht gezeigt) ersetzt werden kann, die das Gewicht des Y-Portals (3) auf Grund des Wegfalls der Linearmotormagneten (90) um weitere 20 Pfund verringern würden. Der Vorteil eines leichteren Portals (3) ist eine Kombination der Fähigkeit zum Verringern der Versteifungsstruktur (X1, X2, 94 und 98, 100), der weiteren Verringerung des Portalgewichts und der letztendlich daraus resultierenden besseren Beschleunigung und geringeren Überschreitung.

Claims

Verfahren zum Minimieren der erforderlichen Zeit zum Bewegen eines Werkzeugs (4) entlang einer stetigen Bahn einer Vielzahl von diskreten geometrischen Bewegungen (24), wobei das Werkzeug Bewegungsparameter aufweist, die Geschwindigkeit (V) und Beschleunigung (a) umfassen und auf eine maximale Werkzeuggeschwindigkeit (V_max) und -beschleunigung (a_max) beschränkt sind, und jede Bewegung (24) einen Versatz (L) aufweist, wobei das Verfahren umfasst: (a) Bestimmen einer anfänglichen Mindestbewegungszeit (t*_i) zum Bewegen des Werkzeugs durch den Versatz (L) jeder Bewegung bei gegebener maximaler Werkzeuggeschwindigkeit (V_max) und -beschleunigung (a_max) des Werkzeugs; (b) Bestimmen eines Geschwindigkeitsgrenzbereichs (47) erster und zweiter Geschwindigkeitsprofile (48a, 48b) für jede Bewegung, die die Mindestbewegungszeit (t*_i) der Bewegung erfüllen und die maximale Geschwindigkeit (V_max) und Beschleunigung (a_max) des Werkzeugs nicht überschreiten, (i) wobei das erste Geschwindigkeitsprofil (48a) eine maximale Startgeschwindigkeit (V_i) für den Eintritt des Werkzeugs in die Bewegung (24) und eine Mindestendgeschwindigkeit (V_f) beim Verlassen der Bewegung aufweist, und (ii) das zweite Geschwindigkeitsprofil (48b) eine Mindeststartgeschwindigkeit (V_i) für den Eintritt des Werkzeugs in die Bewegung (24) und eine maximale Endgeschwindigkeit (V_f) für das Werkzeug beim Verlassen der Bewegung aufweist; (c) Erhöhen der anfänglichen Mindestzeit (t*_i) für jede Bewegung (24, m_i+1), bei der die Mindeststartgeschwindigkeit (V_i) dieser Bewegung größer ist als die maximale Endgeschwindigkeit (V_max) für eine unmittelbar vorhergehende Bewegung (24, m_i) oder die Mindestendgeschwindigkeit (V_f) dieser Bewegung (m_i+1) größer ist als die maximale Startgeschwindigkeit (V_i) für eine unmittelbar folgende Bewegung (24, m_i+2), und dann erneutes Bestimmen des Geschwindigkeitsbereichs (47) für diese Bewegung (m_i+1); (d) Bestimmen eines Geschwindigkeitsanpassbereichs (57) für jede Bewegung (24, m_i+1), so dass (i) eine angepasste Mindeststartgeschwindigkeit (55, V_i, m_i+1) dem Größeren der (Mindeststartgeschwindigkeit (Vi, m_i+1) der Bewegung und der maximalen Endgeschwindigkeit (56, V_f, m_i) einer unmittelbar vorhergehenden Bewegung entspricht, und (ii) eine angepasste maximale Startgeschwindigkeit (V_f,) dem Kleineren der maximalen Startgeschwindigkeit (Vi, m_i+1) der Bewegung und der maximalen Endgeschwindigkeit (V_f, m_i) der vorhergehenden Bewegung entspricht; und (e) Einpassen einer stetigen Geschwindigkeitskurve (58) durch die angepassten Geschwindigkeitsbereiche (57) jeder Bewegung (24), um Werkzeuggeschwindigkeit (V) und -beschleunigung (a), die die Zeit zum Durchlaufen der Bahn minimiert, zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Werkzeugbewegung durch eine Bewegungssteuervorrichtung (15) gesteuert wird, die eine Mindestsystemzeit (t_min) aufweist, die die Zeit ist, die sie zum Verarbeiten einer Bewegung (24) benötigt, des Weiteren den Schritt umfassend, Mindestzeiten (t*), die kürzer als die Mindestsystemzeit (t_min) sind, nach oben anzupassen, um der Mindestsystemzeit (t_min) zu entsprechen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Bewegungssteuervorrichtung (15) Zeit in ganzzahligen Zeitschritten misst, des Weiteren die folgenden Schritte umfassend: (a) Runden reellzahliger Mindestzeit (t*) für eine Bewegung (24) auf den nächstgrößeren ganzzahligen Zeitschritt der Steuervorrichtung; und (b) erneutes Berechnen der Bewegungsparameter Geschwindigkeit (V) und Beschleunigung (a) des Werkzeugs basierend auf der neuen ganzzahligen Bewegungszeit (t*).
Verfahren nach Anspruch 3, wobei Bewegung des Werkzeugs in kartesischen Koordinaten X und Y unter Verwendung von einem oder mehrerer X-Bewegungssensoren (6a, 6b) und einem Y-Bewegungssensor (6c) gemessen wird und jeder Sensor (6a, 6b, 6c) Bewegung in finiten ganzzahligen Schritten misst, des Weiteren folgende Schritte umfassend: (a) Runden eines reellzahligen Versatzes einer Bewegung (24) auf den nächstgrößeren ganzzahligen Schritt; und (b) erneutes Berechnen der Werkzeuggeschwindigkeit und -beschleunigungen basierend auf dem neuen ganzzahligen Versatz der Bewegung.
Verfahren nach Anspruch 4, des Weiteren umfassend Analysieren und Verändern jeder der diskreten Bewegungen der Bahn durch: (a) Kombinieren benachbarter im Wesentlichen linear verlaufender Bewegungen zum Bilden einer linear verlaufenden Einzelbewegung, solange die neue linear verlaufende Bewegung innerhalb eines spezifizierten maximalen Versatzes der Bahn liegt; und des Weiteren (b) Kombinieren angrenzender Bewegungen zum Bilden einer Einzelbewegung durch Einfügen einer Übergangsbewegung, solange die neue ge krümmte Bahn der Übergangsbewegung innerhalb eines spezifizierten maximalen Fehlers der Bahn liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend: (a) Ermitteln einer Bewegung (24, move_i) mit einem Geschwindigkeitsprofil (61) der Geschwindigkeitskurve (58), die eine Mindestzeit (t*) aufweist, die wenigstens dem Dreifachen der Mindestsystemzeit (t_min) entspricht, wobei die Bewegung (move_i) eine Anfangsgeschwindigkeit (V_i) und eine Endgeschwindigkeit (V_f) aufweist; und (b) Unterteilen der Bewegung (move_i) in wenigstens erste, zweite und dritte Teilbewegung (move_ia, move_ib, move_ic), (i) wobei die erste Teilbewegung (move_ia) die maximale Beschleunigung (a_max) aufweist, um eine maximale Geschwindigkeit (V_max) zu erreichen, (ii) die zweite Teilbewegung (move_ib) die maximale Geschwindigkeit (V_max) aufweist, und (iii) die dritte Teilbewegung (move_ic) eine maximale Verzögerung (V_max) aufweist, so dass die Mindestzeit (t*) verringert wird, während die Anfangs- und Endgeschwindigkeit (V_i, V_f) für die Bewegung beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, des Weiteren die folgenden Schritte umfassend: (a) Runden des reellzahligen Versatzes (L) einer Teilbewegung (move_ia, move_ib, move_ic) auf den nächstgrößeren ganzzahligen Schritt; und (b) erneutes Berechnen von Werkzeuggeschwindigkeit (V) und -beschleunigung (a) basierend auf dem neuen Teilbewegungsversatz (L).
Verfahren nach Anspruch 5, des Weiteren umfassend: (a) Ermitteln einer Bewegung (move_i) mit einem Geschwindigkeitsprofil (61) der Geschwindigkeitskurve (58), die eine Mindestzeit (t*) aufweist, die wenigstens dem Doppelten der Mindestsystemzeit (t_min) entspricht, wobei die Bewegung (move_i) eine Anfangsgeschwindigkeit (V_i) und eine Endgeschwindigkeit (V_f) aufweist; und (b) Unterteilen der Bewegung (move_i) in wenigstens erste und zweite Teilbewegung (move_ia, move_ib), (i) wobei die erste Teilbewegung (move_ia) die maximale Beschleunigung (a_max) aufweist, um eine maximale Geschwindigkeit (V_max) zu erreichen, und (ii) die zweite Teilbewegung (move_ib) die maximale Verzögerung (V_max) aufweist, so dass die Mindestzeit (t*) verringert wird, während die Anfangs- und Endgeschwindigkeit (V_i, V_f) für die Bewegung beibehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 8, des Weiteren die folgenden Schritte umfassend: (a) Runden eines reellzahligen Versatzes (L) einer Teilbewegung (move_ia, move_ib) auf den nächstgrößeren ganzzahligen Schritt; und (b) erneutes Berechnen von Werkzeuggeschwindigkeit (V) und -beschleunigung (a) basierend auf dem neuen Teilbewegungsversatz (L).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die anfängliche Mindestzeit (t*_i) für eine diskrete Bewegung (24) bestimmt wird durch: (a) Feststellen der Zeit zum Durchlaufen der Bewegung (24) mit einem Geschwindigkeitsprofil (45), das eine konstante maximale Beschleunigung (a_max) vom Beginn bis zum Ende der Bewegung (24) verwendet; und, wenn die Geschwindigkeit (V) am Ende der Bewegung (V_f) größer als die maximale Geschwindigkeit (V_max) ist, dann (b) Feststellen der Zeit zum Durchlaufen der Bewegung (24) mit einem neuen Geschwindigkeitsprofil (46) mit einer Beziehung dritter Ordnung, das die Endgeschwindigkeit auf Maximum (V_max) einstellt, wodurch der Zwang zur Verwendung konstanter Beschleunigung außer bei gekrümmten Bewegungen, bei denen Winkelbeschleunigung eine Konstante ist, und Nichtüberschreitung maximaler Beschleunigung (a_max) beseitigt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei, wenn die anfängliche Mindestzeit (t*_i) für eine diskrete Bewegung geringer ist als die Mindestsystemzeit (t_min), dann die anfängliche Mindestzeit (t*_i) so eingestellt wird, dass sie der Mindestsystemzeit (t_min) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite Geschwindigkeitsprofil (48b) bestimmt wird durch Anwendung: (a) eines linearen Geschwindigkeitsprofils (49) unter Verwendung maximaler Geschwindigkeit (V_max) und einer konstanten maximalen Beschleunigung (a_max) aber, wenn die resultierende Startgeschwindigkeit (V_i) geringer als Null ist; dann (b) eines Geschwindigkeitsprofils (50) dritter Ordnung unter Verwendung einer Startgeschwindigkeit (V_i) und einer Startbeschleunigung (a_i) von Null, und Verwendung variabler Beschleunigung, aber wenn die resultierende Endbeschleunigung (a_f) größer als maximale Beschleunigung (a_max) ist; dann (c) eines Geschwindigkeitsprofils (51) dritter Ordnung, das die Endbeschleunigung (a_f) zwingt, maximale Beschleunigung (a_max) zu sein.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste Geschwindigkeitsprofil (48a) bestimmt wird durch Anwendung: (a) eines linearen Geschwindigkeitsprofils (52) unter Verwendung maximaler Geschwindigkeit (V_max) und einer konstanten maximalen negativen Beschleunigung (–a_max), aber wenn die resultierende Startgeschwindigkeit (V_i) größer als die maximale Geschwindigkeit (V_max) ist; dann (b) eines Geschwindigkeitsprofils (53) dritter Ordnung unter Verwendung einer Startgeschwindigkeit (V_i) von maximaler Geschwindigkeit (V_max), einer Startbeschleunigung (a_i) und Verwendung variabler Beschleunigung (a), aber wenn die resultierende Endbeschleunigung (a_f) größer als maximale negative Beschleunigung (–a_max) ist; dann (c) eines Geschwindigkeitsprofils (54) dritter Ordnung, das die Endbeschleunigung (a_f) zwingt, maximale Beschleunigung (a_max) zu sein.