TW201417926A - 根據圖案形狀控制機器之方法，以及雷射切割機 - Google Patents

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Abstract

先決定機器沿著連接圖案上之輪廓之移出及進入點之群組軌跡之操作成本之群組。每一軌跡代表機器依該機器之動態自一個移出點以移出速度進行移出至一個以進入速度進入進入點之操作。一組軌跡包括至少一個軌跡代表沿著在對應之移出及進入點之非零速度之輪廓之操作，以及至少一軌跡，代表在對應之移出及進入點之非零速度之不同輪廓間之操作。依成本決定用於使機器追蹤圖案之操作所需之總成本最佳化之軌跡順序；而控制機器之指令組係依該順序決定。

Description

根據圖案形狀控制機器之方法，以及雷射切割機
本發明提供一種系統和方法用於產生運動規劃用於機器，尤其是關於一組依據圖案輪廓來控制機器之一組指令。
在電腦數值控制(CNC)加工，使刀具頭按照預定的圖案(pattern)對工件相對移動來執行工件的加工。該加工能夠包括各種類型的該工件的處理，如工件的切割或鑽孔。為了簡化說明並且不喪失一般性，在本件說明中乃採用一個雷射切割機的工件切割為例說明。
依照圖案從片材切割出圖形物(features)是一種常見的製造過程。一般情況下，雷射切割機的切割頭沿著垂直正交軸界定的平面轉換(translated)。這類型切割機經常被用來從例如各種厚度的塑料和金屬片材等片材材料切割出細部(discreet)的圖形物。控制雷射切割機通常是由電腦數值控制器(CNC)伴隨一組規定的指令集，有時用“數值程式碼(NC-code)”或“G碼(G-code)”來實現。
若所要切割之圖案包含不連續之輪廓，加工將包括重新定位而變化，例如，當切割一次後，機器即將刀具停止，而穿越(traverse)至新的位置後，再啟動刀具回復進行加工。機器加工之動作將以圖案為準，例如，待切割的所有輪廓的曲線圖。通常有一些代表要切割材料的形狀的曲線是封閉的。該規劃問題可以包括確定所有切割的最短時間或最小能量的途徑(tour)。這個途徑指明該切割順序。
直到最近，所有的加工特點是停止和開始的動作。在加工過程中，切割頭接近計畫切割的圖案輪廓曲線的進入點，停止，啟動刀具，然後繼續進行下一個切割動作。因此，最快的速度切割到切割穿越，也被稱為“急流(rapids)”，是直線。“停止一開始”加工的規劃問題可以包括共同找到一個切割和切割之間的最短直線穿越順序。對這樣的規劃問題的一種傳統的解決方案係採用所謂之旅行業務員問題(traveling salesman problem,TSP)的變型解決方案。見，例如，Hoeft & Palekar：“Heuristics for the Plate-Cutting TSP,”IIE Transactions vol.29,1997.
然而，假設這些動作計畫所設想的雷射刀具的“停止一啟動”行為限制了機器的生產效率。在高速切削，大量的加速和減速會造成較高的能源成本和機器耗損。
切割技術的進步現在已能使切割“快捷(on-the-fly)”的進行，即為沒有停下來使刀具啟動或停 止。這使得更快速的途徑，但也帶來了一個更複雜的規劃問題，因為快捷的直線穿越是相當不理想的。然而，直線穿越與其他類型的穿越替換是不理想的，因為這個解決方案沒有充分考慮動力性能的機器，請參見，例如，美國專利6609044。其他的解決方案涉及手繪之途徑，但顯然這不是大規劃問題的一種切實可行的方法。
因此，有需要自動生成高效，動態地最佳化的動作計劃用於依據不連續輪廓的圖案控制機器。
本發明各種實施例之目的為提供一系統和方法根據圖案輪廓設例如，一不連續輪廓的圖案定一組指令控制機器。一些實施例中提供了一種方法，用於產生包括一個或組合的加工移動的順序給快捷運算模式加工動作的計劃，像是切割或穿越無須切割，這些輪廓的進入和移出點移動，如切割或不經切割之穿越、這些動作的輪廓進入和移出點、這些退出和進入點之間的動態最佳的移動軌跡和沿動作計劃各點的速度分佈。
一些實施例是基於加工速度最佳化的實現，機器的工具頭應切線上各區段輪廓的進入和移出點進出，一方面依其彎曲率及機器之動態最佳匹配該區段的最大切割速度。這樣的實現決定了一個途徑，即，包括，例如，切割及穿越軌跡軌跡的順序，以動態最佳化追蹤圖案。例如一個機器沒有實際加工的工具頭穿越軌跡重新定位。
該穿越軌跡每一端的速度向量可由移出和 進入切割輪廓區段的形狀決定。這些向量間的最佳軌跡可根據機器的慣性動態決定，例如，機器的慣性動量、速度限制或加速度限制。一些實施例使用允許大加速度之雷射切割機之切割工件的過程。
其他實施例採用其他類型的加工，例如，雕繪(scribing)、雕刻(engraving)及繪圖(plotting)。
通常情況下最佳的穿越軌跡是彎曲的。由於機器動態，弧形穿越軌跡可以比直線穿越更快，更節能。比較複雜的是，一些刀具可能有切割頭必須在穿越時避免的“禁飛區(no-fly zones)”。例如，一個熱切割頭可能使薄的材料翹起變形，因此，所有穿越應該只越過廢料。
此外，一些實施例是基於一個特定的實現，速度向量可以被指定於圖案的輪廓的各種可能的移出和進入點上從任何途徑之一個移出點到進入點之過程之成本表示，也就是等同於，例如，將機器從以移出速度移出之點移動到以進入速度至進入之點之操作時之動態最佳軌跡之成本，這種實現可決定一組候選穿越途徑，並且使用各種最佳化技術選擇途徑。
因此，一個實施例中揭示了一種根據未連接的輪廓的圖案控制一台機器的方法。該方法確定一組代表機器操作的成本，該操作係沿著一組連接了圖案輪廓上之一組移出和進入點之軌跡，其中每個軌跡表示機器根據機器動態從以移出速度移出之點到以進入速度進入之點之過程之操作。該軌跡組可以包括至少一個軌跡表示以在對 應的移出進入點之非零速度沿著輪廓之操作，和至少一組軌跡表示以在對應的移出進入點之非零速度在不同輪廓間之操作。接著，該方法依據成本決定使機器的追蹤圖案操作之總成本最佳化之軌跡之順序，並且根據該順序決定一組用以控制該機器之指令。
另一實施例揭示了一種用於根據未連接輪廓的圖案控制雷射切割機的方法。該方法步驟包括建構一包含節點(nodes)與邊(edges)之線圓(graph)，其中節點線圓代表輪廓的進入及移出點，切割邊表示沿相鄰節點之間之輪廓之切割線，並且穿越邊(traverse-edges)代表不同切削輪廓上進入點與移出點之間的動態最佳化軌跡；該方法也決定一個途徑通過所有節點與切割邊，並且至少有一些線圖之穿越邊，使得途徑性能總成本最佳化；並且將途徑轉換為一組用於控制機器之指令。該方法的步驟是由處理器執行。
又一實施例中揭示一種雷射切割機，包括一雷射切割機根據未連接輪廓的圖案切割工件；一控制模組根據一組指令引導雷射切割機，使得該雷射切割具追蹤切割邊與穿越邊不需停止；以及運動規劃模組依據圖案產生指令集，其中該指令集係依據使追蹤圖案之雷射切割具之操作總成本最佳化的途徑而產生，其中該運動規劃模組決定一組切割邊(cut-edges)與一組穿越邊(traverse-edges)，其中該組穿越邊之軌跡為動態最佳軌跡，且其中運動規劃模組運用旅行業務員問題(TSP)解決方法而產生 途徑。
然而，另一實施例揭露決定依照具有不連接輪廓之圖案而控制機器之指令之方法。該方法包括取得不連接輪廓之圖案之步驟及機器之至少一項動態，以及依據軌跡之順序產生用以控制機器之指令集，該軌跡之順序使機器追蹤圖案之操作之總成本最佳化，該軌跡之順序包括至少一個軌跡、該軌跡代表以在對應的移出與進入點之非零速度沿著輪廓之操作，以及至少一個軌跡代表以在對應的移出與進入點之非零速度之不同輪廓間之操作。
10‧‧‧雷射切割機器、機器
15‧‧‧電腦數值控制器
22‧‧‧類似手風琴簾
24‧‧‧雷射接頭運輸帶結構
20、26、28‧‧‧雷射接頭
30‧‧‧片材
32‧‧‧床部結構
34‧‧‧點
110‧‧‧雷射
111‧‧‧工件上
112‧‧‧平台、行動系統
112’‧‧‧位置
113‧‧‧電頭
113’‧‧‧位置
115‧‧‧光束
120‧‧‧第一方向
122‧‧‧行動系統
130‧‧‧第二方向
140‧‧‧向量總和
150‧‧‧控制模組
151‧‧‧處理器
180‧‧‧行動計劃模組
190‧‧‧G-code
195‧‧‧電腦數值控制(CNC)控制器
210、212、214、216、218‧‧‧輪廓
222、224、225、226、228‧‧‧軌跡
310、320、330‧‧‧決定
315‧‧‧成本
325‧‧‧順序
335‧‧‧指令(指令組合)
340、345‧‧‧軌跡
350‧‧‧可最佳化機器(控制)
360‧‧‧機器操作(機器)
363‧‧‧輪廓之形狀
365‧‧‧機器動能(機器)
370‧‧‧代表
373‧‧‧起始速度
375‧‧‧移出
410至480‧‧‧步驟
510、520‧‧‧線
530、535‧‧‧小型開放型圓圈
540、545、550、555‧‧‧虛線箭頭
600‧‧‧途徑
610‧‧‧區段
620、630‧‧‧移出點
700‧‧‧圓形物(feature)
701至710‧‧‧點、位置
711‧‧‧輪廓
712‧‧‧最佳動能軌跡
第1A圖係為雷射切割機之概要圖，具備一些發明之實施例。
第1B圖係為雷射切割機之概要圖，具備一些發明之實施例。
第2圖係為具有不連接輪廓之圖案之範例。
第3圖係為方塊圖，依一些發明之實施例，依不連接輪廓之圖案控制機器之方法。
第4A圖係為一些實施例決定並解決旅行業務員問題(TSP)之不同方法之流程圖。
第4B圖係為一些實施例決定並解決旅行業務員問題(TSP)之不同方法之流程圖。
第5圖係為依據一些實施例之TSP圖表範例之一部分之圖。
第6圖係依一些發明之實施例，為第2圖之圖案之一部分決定途徑之範例。
第7圖係依本發明之各實施例之繞行策略之範例。
第1A圖顯示雷射切割機10之範例，適用被一些發明實施例控制之。為簡化說明且不喪失一般性，加工係以使用雷射切割機切割工件之程序為例說明之。
機器10係被配置為依與被切割成特定形狀之材料之表面平行之任何方向，移動雷射接頭20。該雷射接頭20係為非接觸式設備，當從雷射接頭頂端到要切割成特定形狀之材料之表面，其係為「向下」位置時，其通常保持距離。其他雷射接頭之類型，包括「接觸」類型之接頭亦有可能。
雷射接頭20係被安裝於一運輸帶上，而能向與雷射切割機之主台縱向垂直之方向直線移動。當雷射接頭20向垂直方向穿越，如類似手風琴之簾幕(accordion-like curtain)22，可被壓縮與擴展。雷射接頭運輸帶結構24亦可沿著機器10主軸於長度方向移動，且在雷射接頭26及28各邊類似手風琴簾幕於可被壓縮或擴展。該雷射接頭20之移動特別係被電腦數值控制器15控制之。
例如，片材製成之平面部30將被放置於特殊類似床部結構32(Bed-like structure 32)上面。類似床部結構32係由相對薄透之金屬片材製成之X-Y網柵結構做成，其係被建構成創造多數個「點」34，其可支持片材30 之底部表面。
特別是，雷射頭20的尖端和片材30的上表面之間保持著一個小的空氣間隙，當一塊片材30已切割，但沒有一路落至床32底部，有時該切出塊會懸掛在床32頂部部份。
第1B圖示出的雷射切割機100的另一個例子的方塊圖，適用於一些實施例控制雷射110產生之光束115在工件111上的位置。為了簡化說明且不失去一般性，加二例子為使用如機器10或100雷射切割機切割工件的過程，然而本發明的實施例中適合採用其他機器的變化，雷射切割機的其他變化，還有其他雷射切割機10或100可能的設計變化皆在本發明之內。
雷射切割機100可包括平台112，該平台係配置成沿著至少第一方向120移動。該平台係由動作系統112在與工件平行之平面內移動。於一(個)實施例中，動作系統122包括第一個棱柱接頭(first prismatic joint)使平台沿著第一方向120易於進行第一動作。
另外或替代之方式，雷射切割機可包括電頭113(galvano-head 113)安排，例如，於平台112上，如該平台沿著第一方向120之動作，導致電頭沿著第一方向動作。例如，電頭可包括可逆轉之DC機，輸出軸上備有鏡子，且通常具有內建凸塊停止點(bump stops)，以限制鏡子旋轉至較小之角度，一般為對中心正負20至30度。該電頭通常被配置為單一整合單位(single integrated unit)。
例如，平台之動作至位置112’使電頭移動至位置113’。另外，電頭之操作引導雷射光束沿著至少第二方向130到達工件。電頭可被安排於平台上，故第二方向130相對於第一方向120係為固定，而使引導雷射光束同時沿著第一方向及第二方向。於各種機器100之實施中，雷射光束位於工件之位置係為第一動作及第二動作之向量總和140。
控制模組150可控制平台之動作及電頭之操作。控制模組150可使用處理器151實施之。於一些實施例中，該控制模組包括電腦數值控制(CNC)控制器195。控制模組依G-code 190控制動作系統及電頭，該G-code 190定義雷射光束位置之軌跡。例如，G-code 190為X軸平台編碼位置，作為G-code X軸上之動作，Y軸臺架(gantry)係為G-code Y軸上之動作，X之恆流動作(galvano)及反映作為G-code A軸上之動作，Y之恆流動作及鏡子作為G-code B軸上之動作。前述四軸之G-code係由控制器於操作雷射切割機時解釋之。另外，該機器可包括動作控制模組180以決定一組指令集，例如，以G-code 190之形式，依圖案控制機器。
雷射切割機10及100係為技術之範例，其可使切割或其他類型之加工「快捷」，亦即是，於不停止情況下啟動或關閉切割器。此方式使途徑更加快速，但也帶來更複雜之規劃問題，因對該機器來說，直線穿越較為不理想。
第2圖顯示不連接輪廓之圖案200之範例，如輪廓210、212、214、216及218，其可用於切割工件之材料。因圖案200包括不連接輪廓，故依圖案而加工工件將隨重新定位而變更動作，例如，於切割後，機器將切割器關閉，穿越至新的位置，並重新啟動切割器持續加工。於不同實施例中，機器如雷射切割機，不會於開機及於追蹤代表不同輪廓間操作之軌跡前停止。
於是切割軌跡，例如，沿著輪廓切割之軌跡，如軌跡226，可隨移動軌跡改變，例如，不透過切割而重新定位切割器軌跡至新位置，如軌跡225。每一軌跡之移出點包括從輪廓開始之軌跡之移出點及使軌跡進入輪廓之進入點。端點係位於圖案之某一輪廓上。通常，切割軌跡之端點係位於相同輪廓上，例如軌跡226之點222及224。惟，穿越軌跡之端點通常係位於不同輪廓上，例如軌跡225之點222及228。每一端點可為移出點、進入點或兩者皆可。
切割及進入/移出點之順序未經本發明之一些實施例提供及決定。此外，一些實施例決定軌跡之形狀及沿著輪廓進行之時間，順帶控制機器穿越及切割動作之形狀及時間。另外，於一些實施例中，進入/移出點之順序、軌跡之形狀及時間係共同最佳化。該共同最佳化可對其他方法較為有利，該其他方法決定順序，有時也決定進入點，但較不理想是其會將形狀及時間留給動作控制器於稍後決定。
第3圖顯示一方塊圖，係依本發明之一些實施例所作之不連續輪廓之圖案之控制機器之方法。具體而言，一實施例決定途徑，例如，至少一些可最一些軌跡340之順序325，該順序使追蹤圖案之機器350操作之總成本最佳化，且依途徑決定一組用以控制機器350之指令335。於一些實施例中，該組指令包括依圖案加工工件之位置、速度及啟動/關閉(ON/OFF)命令訊號。
方法之步驟可依處理器301執行之。例如，方法之步驟可由控制模組50及/或依可實施之動作計畫模組180實施之，例如，控制器195之一部分。動作計劃模組可產生例如G-code 190之形式之指令335。
一些實施例就一般事實以維持高速度，機器之工具接頭應在切線上每一輪廓之區段進入與移出，而最佳地符合機器之動能及該區段所允許之最大切割速度。具體而言，每一穿越終點之速度向量可依移出及進入輪廓之區段之形狀決定之。該向量間之最佳軌跡可依機器動能決定之，例如，慣性動量、機器之速度極限及加速極限。
進一步，一些實施例是基於一特定之事實，對各種圖案輪廓上可能之移出及進入點分配一速度向量；在任一途徑自移出點進行至一進入點之成本，表示例如等同於將機器從一移出點以移出速移至以進入速度至進入點之操作之最佳動能軌跡之成本。該事實允許決定一組候選穿越軌跡，且採用各種最佳化技能以選擇途徑。
再進一步，一些實施例是基於另一特定之 事實，可有利地依一組指令控制該機器，包括一組軌跡順序使機器追蹤圖案之操作之總成本最佳化，；其中一組軌跡包括至少一軌跡代表，以在相應之移出及進入點之非零速度沿著輪廓之操作之，以及至少有一軌跡，代表以在相應之移出及進入點之非零速度在不同輪廓間之操作。
因此，本發明之一實施例之決定310一組成本315，代表機器360之操作沿著一組軌跡340連接圖案輪廓上之一組移出及進入點。每一軌跡，如軌跡345，代表依機器之動能365機器進行操作370，從一移出點以移出375速度進行，而以進入速度373至進入點。機器動能365可包括機器之最大加速度。通常一組軌跡包括至少一軌跡代表以在相應之移出及進入點之非零速度沿著輪廓之操作，如第2圖之軌跡226，以及至少有一軌跡，代表以在相應之移出及進入點之非零速度在不同輪廓間之操作，如第2圖之軌跡225。
在一些變化下，軌跡340係為最佳動能軌跡，依與相應移出及進入點有關之最佳切割速度向量決定之。每一速度向量包括機器操作之速度值及方向。例如，每一移出及進入點之速度向量可就該點位置之輪廓之形狀363，及機器365之動能決定之。例如，移出速度及進入速度可依適合加工連接移出及進入點之輪廓之區段之最大速度決定之。於另一個實施例，最佳動能軌跡係使用平滑曲線(splines)連接區段端點。
成本315代表機器依相應軌跡操作之成 本。一般來說，軌跡之成本可為其任何時間、距離及能量等之函數。例如，成本可依追蹤所需之時間、追蹤軌跡所需之能量或其他消耗品。接著，依據成本315，決定最佳化機器追蹤圖案之總操作成本之軌跡之順序325。不同實施例使用不用最佳化技能，以下說其中之一些。
順序325形成一追蹤圖案之途徑，包括先前預定排序之軌跡340之子組合。此外，由於軌跡340係依機器動能365於最最佳化程序前決定之，決定320也選擇最佳化子組合，故決定軌跡之形狀及穿越之時間。接下來，控制350機器360之指令組335可依例如儲存於記憶體或傳輸至控制器之順序而決定330。
一些實施例係就其他事實，其為決定途徑之成本最佳化問題可構成旅行業務問題(TSP)，例如，非測量TSP，其中TSP之解決方案為對軌跡組合所希求之途徑。於一些實施例，成本之計算未明確包含軌跡之計算，故可將具有龐大之穿越數據列入TSP考量中。
以有利角度來看，TSP可於實時間(real time)建置之，另可於合理時間內獲得接近最佳之解決方案，及於不同實施例使用各種第三方或依慣例解決TSP之方式。TSP解決方式包括分支定界算法(brand-and-bound algorithm)、切面法(cutting-plane method)、Lin-Kernighan方法、模擬退火演算法(simulated annealing)、基因演算法(genetid algorithm)、禁忌搜索演算法(Tabu search)、Boltzmann machine方法及其他解決方式。
例如，一些實施例建置TSP圖表，包括一組切割邊(cut-edges)及一組穿越邊(traverse-edges)，其中切割邊之端點形成圖表之節點，於一組穿越邊之軌跡係為最佳動能軌跡，其連接不同輪廓間之節點。故TSP解決方式應用於該圖表可製成最佳動能途徑。
TSP圖表係為節點-邊(node-and-edge)之圖表，每一節點代表可能的一(個)切割進入或移出點，每一邊代表一(道)非必須(optional)之移動軌跡或必須之處理動作，如切割。於本發明，該動作係稱為切割(cuts)，雖於一些本發明之實施例中，其他加工法可能應用於工件。每一圖表之邊亦指定一(個)成本，通常反映使用時間、能量或一些其他消耗品。一些實施例決定圖表中途徑之最低成本，該途徑會經過切割處之所有節點及所有邊。前述最低成本之途徑提供切割進入、移出及穿越之最佳順序。於一些實施例中，該途徑完全特定機器之動作。在其他之一些實施例中，該途徑平順動能以獲得最小能量或最低成本動作計畫。
TSP圖表包括代表切割端點之節點，及代表切割之邊，例如切割間之切割邊或穿越，例如穿越邊等。於不同實施例中，切割邊係被迫用於TSP解決方案。故，TSP解決方案另外選擇穿越邊之子組合(subset)以製成完整途徑，其包括以最佳動能移動軌跡連接之切割之最低成本排序。一些實施例使用一般TSP解決方法或設計慣例之解決方法，以決定所有切割邊組合開始之途徑。
故，於一些實施例中，動作計畫問題被減少至TSP圖表中之非測量TSP，其一些邊以以下一種或組合方式被迫用於途徑：(1)建構TSP圖表；(2)決定TSP圖表之邊之成本；(3)解決TSP圖表以決定途徑；及(4)將途徑順序轉換為具有最佳動能之物理軌跡。
決定TSP圖表
第4A圖顯示為決定TSP圖表所出之方法400之流程圖，及依一些實施例，為解決TSP圖表以決定最佳動能途徑470。第4B圖顯示依替代之實施例所作出之方法400之流程圖。已知要切割一組輪廓(步驟410)，每一輪廓被劃分為1組區段(步驟415)。每一區段之兩個端點分別提供一(個)節點於TSP圖表。該區段提供一(道)邊予TSP圖表，其連接端點之節點。該邊係代表切割。對於每一端點之節點，進入及移出速度向量係依該區段之形狀及機器於該區段之最大切割速度決定(步驟425)。於典型實施例中，向量係為切割之正切(tangential)，且向量之大小與於進入及移出點之切割之彎曲率成反比關係。於替代之實施例中，可使用代表端點之最佳速度之各種函數。例如，第4B圖之實施例，決定了代表每一端點之速度之平滑曲線組(步驟425’)。
於一些實施例中，一或兩個額外之節點被加入(步驟420)於TSP圖表內，其代表加工之開始及終了位置。開始及終了位置可不同或相同位置，例如，機器之原始位置。每一前述之節點有零速度向量，而TSP解決方法係被迫依順序通過該節點，猶如該節點是切割處之端點。
為每一對移出及進入點之穿越邊係加入TSP圖表內。於一些實施例中，對於每一圖表中之節點，依節點間之歐克里得距離(Eucldean distance)決定了位於不連續之輪廓上並物理上十分接近之一組進入或移出點之節點，(步驟430)。於該實施例中，移動軌跡僅就一對相近節點決定之，故減少計算次數。另外，一(件)實施例限制一對相近節點至可抵達但不穿越任何“禁飛區”之節點。一些實施方法，將所有節點位置輸入於k-D樹中，且就每一節點之相鄰空間執行範圍查詢或滾球查詢(ball query)，以決定前述相近之節點
對每對代表相鄰節點之端點，一些實施例依例如自以其相關之速度向量開始之一端點至以其相關之速度向量終了之另一端點所用之穿越時間或能量決定最佳動能移動軌跡。軌跡可依速度向量決定之。例如，對每對端點，最佳動能軌跡所連接之速度向量係在(步驟435)決定，如第4A圖所示。另外，穿越軌跡可依其他代表速度之函數決定之。例如：使用平滑曲線(步驟435’)，如第4B圖所示。
穿越軌跡係受限於機器之動能或動作限制之(480)，如機器之最大速度、最大加速度、機器之激動及行動範圍。機器之動能可由例如依機器規格定義。於一些實施例中，違反動作限制或越過之禁飛區之軌跡將從圖表中移除(步驟440)。
例如，於一(件)實施例中，最佳動能軌跡x(t), 0<t<Tmax即為下列之解決方法：
最佳軌跡可依CNC控制之變化決定之。例如，移動軌跡依其須達到目標速度及方向而與CNC控制決定之軌跡不同，不只是目標位置。關於這方面，動作規劃問題與控制太空船更為類似。
對於大多機器，X軸動作及Y軸動作可分別獨立控制，故最佳穿越軌跡可依X及Y方向獨立計算之。例如，如僅適用速度及加速度極限，每一維度之動作形態係為1/4二次曲線之序列(concatenation)。例如，僅將水平方向動作列入考量。如候選之穿越為向左邊之切割但向右邊進入切割時，該穿越成本係為充份減速之時間，然後最大加速度向右切入下一個切割(可能減速至符合切割速度)。
水平方向動作之最小總時間可由解決一(個)二次方程 式取得之。一般情況下，2D軌跡係為小於8度之曲線。
代表軌跡之穿越邊及其相應成本加進TSP圖表。軌跡之成本可以時間、距離、能量等之任何函數決定(步驟445)。另可有多項穿越邊連接一對進入及移出節點。
於軌跡及其相應成本決定後，應用TSP解決方案(步驟450)於由所有進入及移出節點、切割邊及穿越邊形成之圖表。切割邊(步驟455)強迫用於解決方案中，且TSP解決方案決定穿越邊之子組合，用於完成途徑(步驟460)。於一些實施例中，完成之途徑係被修善而轉換(步驟465)成用於決定最佳動能之途徑之機器指令。
第5圖顯示TSP圖表範例之一部分之圖，其圖表之節點代表輪廓之進入及移出點、切割邊代表沿鄰近節點間之輪廓之切割，穿越邊代表不同切割輪廓之節點間具有最佳動能之軌跡。粗體線，如線510及線520，係為邊緣代表必須之切割之邊。前述切割將分成不同區段(segments)。小型開放型圓圈，如530及535，表示進入及移出點，而形成區段。被分隔之輪廓，會有兩個開放圓圈代表位於共同位置之進入節點及移出節點。虛線箭頭540及545表示兩個移出速度向量。每一速度向量包括速度之大小及方向。每一進入及移出點具有該向量，惟為減少圖中之雜亂僅顯示兩個。虛線箭頭550及555係為從右下角方形之單一移出點之候選穿越軌跡之範例。
第6圖顯示途徑600之範例，決定為第2 圖之圖案200之一部分。該途徑可依本發明之不同實施例決定之，並對機器動能較為敏感，如機器之速度及加速度之極限。區段610係為軌跡之範例，代表以在相應移出點620及630進入點之非零速度在不同輪廓之間之操作。
禁飛區
於一些情況下，有一個最佳穿越軌跡跨越「禁飛區」，例如，工作之一部分，依圖案對該跨越(crossing)較為敏感。有時，前述跨越因可能造成移除部分及工具街頭之碰撞而不許可。例如，如第7圖(A)所示，先前切割之圓形物(feature)700，可能會被要切割之另一輪廓711之位置701至另一個之位置709之單一軌跡跨越。
於一些實施例中，該軌跡會被放棄或修改。例如，第7圖(B)所示，軌跡係從單一軌跡710，順著該圓形物之外形轉至一系列區段701至709。該軌跡可依下列建置之：(1)為原始快速側向移動710之圓形物，標註進入及移出位置702及708；(2)決定沿著在進入及移出位置間之圓形物進行之最短行進方向；(3)以一系列短區段取代原始快速側向區段710，該短區段模仿包括所順沿之圓形物外形之切割動作；(4)擴大該段落以遠離該圓形物之範圍，確保切割頭及先前切割圓形物之間不會產生碰撞。
惟，依上述策略所作出之軌跡未必對跨越 先前切割圓形物為最佳動作，因可能涉及多項突發動作，而動能上非最佳之策略。
如第7圖(C)所示，另一個策略將一系列之短區段裁至僅使用位置701、704、706及709。僅有必須用於避免圓形物之位置始予保留。
上述之另一策略可依下述達成，從移出點701之觀點開始，選擇位於禁飛區範圍最左邊之可見點704，然後從該點704之觀點，再選擇位於禁飛區範圍最左邊之可見點706，且重覆前述過程直到到達一個不阻擋進入點710之視線之點，並將所有這些點701、704、706及710做為該穿越之樣板。然後將該樣板遠離禁飛區，然後一面停留於704至706之擴大路徑左側之位置，以正確端點速度解決了連接701至710之最佳動能軌跡712。或者，也可以用相同程序，繞過禁飛區右側。
另一件實施例使用TSP圖表修正軌跡。例如，一件實施例為藉由重新解決最佳動作問題修正軌跡，亦即加入一項限制軌跡通過例如位於禁飛區範圍外之點704。如修正之限制亦通過禁飛區，則將會加入更多類似限制點且該問題將再次重新解決。
邊代表非當地穿越邊之穿越邊可能亦加入本圖表，例如，每一內部節點至在最外之切割面之節點之穿越，或隨機選擇節點間之少數之穿越。前述邊對TSP問題加上一些自由度，可以須更多計算之成本實現更有效之計畫。
TSP解決方案決定最低成本或通過該圖表約為最低成本之途徑。切割及穿越邊係以該途徑之邊代表之切割與穿越包括為切割接頭所作出之最佳動能全面性軌跡(dynamically optimal global trajectory)。
調整(Tuning)
不同偏好順序可編入穿越軌跡之成本中。例如，如希望所有位於關閉輪廓之區段以單一動作切割，正面價值將被列入所有與穿越邊相關之成本，代表穿越自該區段進入或移出，故不鼓勵多數進入或移出之動作。如偏好切割器沿著輪廓周圍角落切割而非移動至切割其他處，加入穿越邊，其成本反映減緩兩道鄰近之兩個切割之時間或動能成本以準確圍繞角落。
已知一套嵌入切割，通常內部切割優於外部切割。一些TSP解決方式可依在途徑出現之順序收容順序之限制。另，一些實施例確認TSP解決方案，如於崁入切割前是否完成包絡切割(enveloping cut)。如已確定TSP解決方式，將最後確認途徑，至崁入切割越過包絡切割之跨越，且於此之前變更包絡切割，剩餘材料之一部分留給最後飛越時切割之。於該實施例，須要將封閉之輪廓以單一動作切割時，則TSP圖表係被區劃為嵌套圖(nesting graphs)，每一圖將獨立解決，並以由內到外之順序切割。
一些實施例，於決定途徑中軌跡之順序後，以不同方式善修解決方案。例如，對於每一進入及移出點，將一組相近替代方案(於相同切割輪廓)列入考量。 使用TSP決定之切割順序，替代之全面最佳途徑可依動態程式設計有效辨識，另再使用穿越輪廓成本作為邊之權重。
TSP解決方案為切割頭決定最佳動能途徑 後，實施例將對切割機之控制器決定一組指令。一些控制器僅可處理線區段之排序，該線區段有時是圓弧形，故，於一(件)實施例中，TSP解決方案所選擇之軌跡係以幾何原本(geometric primitives)之順序而近似之。為將該原本(primitives)放置於曲線中，對曲線過粗部分取樣必須有取捨，這可導致動作誤差，如曲線取樣太細，控制器可能會超載並減緩整個機器。有一件實施例貪心地用最完美之取樣率決定原本，其對控制器不會有超載問題，但該實施例可能會是比較次等。替代實施例對於軌跡之弧度，適用圖元之超完備組合(overcomplete set)，故每一曲線之部分被多數重疊之圖元覆蓋。故使用動能設計或其他解決方式以尋找適用原本之子組合，該子組合最接近曲線且控制器不會超載。
上述本發行之實施例可以多種方式實施之。例如，可用硬體、軟體或其組合實施之。如以軟體實施，軟體編碼可以任何合適之處理器或處理器之組合執行之，無論係以單一電腦或分配於多項電腦實施之。該處理器可用積體電路，將單一或多個處理器組入於一個積體電路組件。惟，處理器可使用任何格式之電路實施。
此外，電腦可有任何形式，如安裝於機架之電腦、桌上型電腦、筆記型電腦、小型電腦或平板電腦。 另，電腦可有單一或多樣輸入及輸出設備。該設備可用於，除其他事宜外，作為使用者介面。例如，可用於提供使用者介面之外部設備，包括印表機或螢幕，為外部視覺圖像之呈現，及喇叭或其他產生聲音裝置，用為輸出之視訊呈現。可用於提供使用者介面之輸入設備，例如鍵盤，及點擊設備，如滑鼠、觸控板及數位繪板。另一個範例，電腦可透過語音辨識或其他聲音形式之設備接收資訊。
該電腦可依任何適合形式，以單一或多樣網路互連之，包括區域網路或廣域網路，如企業網域或網路。該網路可就依何適合之技術及可依任何合適協議(protocol)操作之，可包括無線網路、有線網路或光纖網路。
再且，本文概述之各種方法或過程可能編碼為軟體，其可於採用任何一個操作系統或平台之單一或多項處理機執行之。此外，該軟體可用於任何適當之程式語言及/或程式編輯或手寫工具，且亦可用為執行機器語言代碼或中間代碼，係於框架或虛擬機器執行之。於這方面，本發明可被實施為一(個)電腦可讀取儲存媒介或多樣電腦可讀取媒體，例如電腦記憶體，CD、光碟、數位影音光碟、磁帶及快閃記憶體。此外，除用為電腦可讀取儲存媒介外，本發明可用為電腦可讀取媒體，如傳播信號等。
電腦可執行之指令可有很多形式，如程式模組(program modules)，以單一或多個電腦或其他設備執行之。於一般情況下，程式模組包括常規(routines)、程式、物品、組件、執行特定任務或實施特定抽象數據類形之數 據結構。通常程式模組之功能可依不同實施例之所需以組合或分配之。
另外，發明之實施例可作為實施方法，亦已提出範例。已執行之行動，作為方法之一部分可依合適方式排序之。故，實施例可依執行行動以不同於所例示之順序建置之，其可包括同時執行一些行動，即使其於所示實施例中係為一序列行動。
10‧‧‧雷射切割機器、機器
15‧‧‧電腦數值控制器
22‧‧‧類似手風琴簾
24‧‧‧雷射接頭運輸帶結構
20、26、28‧‧‧雷射接頭
30‧‧‧片材
32‧‧‧床部結構
34‧‧‧點

Claims (24)

  1. 一種依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，包括以下步驟：沿著連接該圖案之該輪廓之一組移出及進入點之一組軌跡，決定代表該機器之操作之一組成本，其中每一個軌跡係代表該機器之操作係依該機器之動能，以移出速度自移出點進行至以進入速度至進入點，其中所述之一組軌跡係包括至少一代表以在相應之移出及進入點之非零速度沿著輪廓操作之軌跡，以及至少一代表以在相應之移出及進入點之非零速度在不同的輪廓間操作之軌跡；基於該些成本決定該些軌跡之順序，該些軌跡之順序係最佳化該機器用於追蹤該圖案之操作之總成本；以及依該順序決定控制該機器之一組指令，其中該方法之步驟係藉由處理器予以執行。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，復包括以下步驟：決定該組移出及進入點之每一點之速度向量，其中，係基於在該些點之每一個位置之輪廓之形狀以及該機器之該動能予以決定；以及基於相應之移出及進入點之速度向量決定成本。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，復包括以下步驟： 決定作為適合加工輪廓之一區段之最大速度之該移出速度及該進入速度，該區段係連接該退出及進入點。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，復包括以下步驟：決定該軌跡為動態最佳軌跡(dynamical optimal trajectories)。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，其中，所述之決定一組指令之步驟係包括以下步驟：配適一組過完備之動作原本(motion primitives)至該軌跡之該順序；以及由最佳化該操作之該總成本之該組動作中，使用動態程序(dynamic programming)選擇出該動作原本之一子集。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，復包括以下步驟：建構圖表，其中該圖表之節點係代表該進入及移出點，切割邊(cut-edges)係代表沿著相應之相鄰節點間之該輪廓之該軌跡，且穿越邊係代表於不同的輪廓之節點間之軌跡；決定穿越該圖表中之該些節點、該些切割邊及至少部份之穿越邊之途徑，以致於該途徑係最佳化該操作之總成本；以及 基於前述途徑決定該軌跡之順序。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，其中，每一個成本係代表沿著該輪廓之該操作之時間，且該途徑係最小化該操作之時間。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，復包括以下步驟：基於適合加工由相鄰節點形成之該切割邊之最大速度，決定該些節點之速度向量；以及決定連接於不同之輪廓之該些節點之該穿越邊，以致於連接相應之該些節點之該穿越邊係代表該機器之動能，該動能係達成相應於在該相應之節點之速度向量。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，其中，所述之該組軌跡係包括至少兩道連接相同的移出及進入節點之軌跡，其中，該至少兩道軌跡係具有不同之形狀，復包含以下步驟：共同地最佳化該組成本，以決定於該順序之該些軌跡之形狀、於該順序之該些軌跡之排序，以及依每一個軌跡進行操作之時間。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之依不連續輪廓之圖案控制機器之方法，復包含以下步驟：選擇一組替代之軌跡予於該途徑之每一個軌跡；以及依據使用動態程序之每一個軌跡之成本，使用原 始及替代之軌跡之一子集更新該途徑。
  11. 一種依輪廓之圖案控制雷射切割機之方法，包括以下步驟：建構圖表，其中該圖表之節點代表於輪廓中之進入及移出點，切割邊代表沿著相鄰節點間之該輪廓之切割(cuts)，且穿越邊代表於不同的切割輪廓之節點間之動態最佳軌跡(dynamically optimal trajectories)；決定穿過該些節點、該切割邊、及至少部份之穿越邊之途徑，以致於該途徑係最佳化執行之總成本；以及轉換該途徑至一組用以控制該機器之指令，其中，該方法之步驟係藉由處理器予以執行。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之依輪廓之圖案控制雷射切割機之方法，其中，所述之動態最佳化穿越軌跡(dynamical optimal traverse trajectories)係限制在禁飛區周圍之路線。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之依輪廓之圖案控制雷射切割機之方法，其中，該轉換包括以下步驟：適配用於途徑之一組過完備之動作原本；以及使用動態程序並依據每一個動作原本之加工成本，自該組動作原本中選擇出該動作原本之一子集。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之依輪廓之圖案控制雷射切割機之方法，其中，該圖表係為旅行業務員問題圖表(traveling salesman problem graph，TSP graph)，該方 法復包括：應用旅行業務員問題解決方法(TSP solver)至該圖表，同時使該節點及該切割邊進至解決方案(solution)以產生該途徑。
  15. 如申請專利範圍第11項所述之依輪廓之圖案控制雷射切割機之方法，其中，該建構包括以下步驟：將該圖案之該些輪廓區分成一組切割邊，其中該切割邊之端點係形成該圖表之該些節點；依據相應於節點及適合切割該切割邊之最大速度的切割邊之剖面，決定速度向量予每一個節點；以及決定連接於該些不同的輪廓之該些節點之該些穿越邊，以致於連接兩個節點之穿越邊係代表該機器之該動能，該機器之該動能係達成所述兩個節點之該速度向量。
  16. 如申請專利範圍第11項所述之依輪廓之圖案控制雷射切割機之方法，復包括以下步驟：決定該穿越邊予鄰近之節點。
  17. 如申請專利範圍第11項所述之依輪廓之圖案控制雷射切割機之方法，復包括以下步驟：決定沿著該切割邊及該穿越邊之執行成本以提出一組成本；依據一組優先順序(preferences)修改該組成本；以及共同地最佳化該組成本以決定最佳化該執行之總 成本之途徑。
  18. 一種雷射切割機，係包括：雷射切割具，用以依據圖案切割工作件；控制模組，依據一組指令引導該雷射切割具，以使該雷射切割具於不停止之狀態追蹤切割邊及穿越邊；以及動作規劃模組，用以依據該圖案產生該組指令，其中該組指令係依據最佳化追蹤該圖案之該雷射切割具之總操作成本之途徑而產生，其中該動作規劃模組係決定一組切割邊及一組穿越邊，其中於該組穿越邊之軌跡係為動態最佳化軌跡(dynamically optimal trajectory)，且其中該動作規劃模組係提供旅行業務員問題解決方法(traveling salesman problem solver，TSP solver)以產生該途徑。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之雷射切割機，其中，該穿越邊係被限制在禁飛區周圍之路線。
  20. 如申請專利範圍第18項所述之雷射切割機，其中，該組指令係依據該途徑中適配的動作原本予以決定。
  21. 一種根據不連續之輪廓之圖案決定一組指令以控制機器之方法，包括以下步驟：取得該不連續之輪廓之圖案以及至少一該機器之動態；以及根據最佳化追蹤該圖案之該機器之總操作成本之該軌跡之順序，產生一組用以控制該機器之指令，其 中該軌跡順序係包括至少一表示沿著以在相應之移出及進入點之非零速度操作之軌跡，且至少一軌跡係表示以在該相應之移出及進入點之非零速度於不同的輪廓間之操作，其中，該方法之該些步驟係藉由處理器予以執行。
  22. 如申請專利範圍第21項所述之根據不連續之輪廓之圖案決定一組指令以控制機器之方法，其中，該機器之動態(dynamics of the machine)係包括一最大的加速度。
  23. 如申請專利範圍第21項所述之根據不連續之輪廓之圖案決定一組指令以控制機器之方法，其中，該組指令係控制位置、速度及依據該圖案加工工件之開/關訊號。
  24. 如申請專利範圍第21項所述之根據不連續之輪廓之一圖案決定一組指令以控制機器之方法，其中，該機器係不會為了追蹤表示該不同的輪廓間之操作之軌跡而停止。
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