TWI755312B

TWI755312B - 智慧化視覺雷射切割專家系統及其操作流程

Info

Publication number: TWI755312B
Application number: TW110112464A
Authority: TW
Inventors: 潘忠義; 顏孟華
Original assignee: 佑昇雷射股份有限公司; 國立勤益科技大學
Priority date: 2021-04-07
Filing date: 2021-04-07
Publication date: 2022-02-11
Also published as: TW202239507A

Abstract

本發明一種智慧化視覺雷射切割專家系統及其操作流程，在結構部分包括有雷射切割機台及控制機組，而在操作流程上則是具有備料步驟、第一次檢測步驟、參數輸入步驟、優化參數生成步驟、控制切割步驟，其達到可以隨時監控雷射切割前金屬料件的正確性、雷射切割過程中金屬料件的變形、雷射切割後金屬料件的完整度；讓各種金屬料件在進行雷射切割加工上更為精準，且雷射切割臂、雷射切割部可以依照最佳的建議切割參數進行移動、加工，使雷射切割臂在移動上不會發生過多的震動，藉此節省人力上的調校，也不會造成錯誤金屬料件的放置。

Description

智慧化視覺雷射切割專家系統及其操作流程

本發明一種智慧化視覺雷射切割專家系統及其操作流程，詳指應用於雷射切割領域之技術，主要在於提供雷射機械手臂在進行切割作業前，能夠針對所要切割之物件給予最佳的切割數據，以達到最佳的切割過程及切割成品，即為一種實用性極佳之發明。

雷射切割於現今是一種極為流行的加工工法，主要是通過光學系統引導高功率雷射光器的輸出。雷射光切割採用的雷射光是可控的單色光，強度高，能量密度大，通過光學系統聚焦能產生巨大的功率密度，以CNC（計算機數字控制）引導材料或產生的雷射束，使高能雷射束照射在工件需要被加工的地方已完成雷射加工。

雷射光的光強度很高，幾乎可以加工所有的金屬和非金屬材料，不止可以加工高硬度、高熔點材料，也可以加工脆性和柔性材料，因此在許多金屬加工廠都會利用雷射切割進行相關的工藝製作；然而，雷射切割固然可以針對金屬物件進行許多高難度的加工，但是也存在著一些缺點，首先以往雷射切割作業上，必須在相應的機台上進行切割參數的設定與調教，然而此設定都必須仰賴有經驗的工作人員才行，此作法的缺失在於必須耗費較多的工作時間進行設定與調教外，對於現今科技進步的世代下，以人力的設定與調教也是增加人力成本的支出。

另外，在雷射切割的過程中，因為雷射是以單點加熱進行切割，所以有的時候因為溫度設定不夠精準，以至於受到切割的材料因為局部溫度過高會導致變形，有的時候會因為變形量過大而碰撞到雷射切割機具，造成切割跑偏、機具壞損、系統異常等問題發生；最後則是在進行雷射切割之前，一般的雷射切割作業都是以人為方式將金屬材料放到機台才進行切割，但在進行材料的放置入料時，時常會因為人為因為導致金屬材料的錯放、誤判，造成雷射切割錯誤的金屬材料。

本發明主要目的在於，能夠在進行雷射切割作業中免除了人力上的上料、參數的調教設定之作業，更重要的是可以針對任何金屬材料進行最佳的切割參數制定，以改善習知技術中所述，一般雷射切割作業中，以人力上料、設定調教參數上容易發生錯誤及人力的消耗外，在雷射加工過程中也會因雷射加工局部溫度過高問題，而造成金屬材料變形，進而碰撞到雷射切割機具等缺失。為此，本發明人極力達成前述創作之目的與功效，本發明可分為兩部分，本發明一種智慧化視覺雷射切割專家系統，其包括：一雷射切割機台，其包含一工作平台及一雷射切割臂，該雷射切割臂係組設於該工作平台的一側且具有一雷射切割部，另於該雷射切割部外周裝設一攝像組件；及一控制機組，其與該雷射切割臂電性連結，該控制機組內建一專家切割資料庫、一切割輸入單元、一切割輸出單元、一切割運算單元、一攝像檢視單元及一優化建議單元，又該專家切割資料庫內的資料係為過往實驗驗證所累積的數據，該切割輸入單元則以輸入所要切割的參數數據，該切割運算單元係計算該切割輸入單元所輸入的參數數據與該專家切割資料庫的數據之比對，該切割輸出單元則是輸入比對計算完成後之參數數據至該雷射切割臂，進而控制該雷射切割臂移動及控制該雷射切割部的雷射功率，又該攝像檢視單元係供該攝像組件所拍攝之照片顯示在該控制機組，而該優化建議單元則是匹配比對該專家切割資料庫及該切割輸入單元所輸入的參數數據後，並於該控制機組上顯示一建議切割參數；其中，在該工作平台上放置一金屬料件進行雷射切割時，以位於該雷射切割部上的攝像組件先進行檢測，判斷該金屬料件的放置是否正確，接著在於該控制機組上以該切割輸入單元針對該金屬料件進行參數數據輸入，輸入完成後再以該優化建議單元匹配該專家切割資料庫進而產生該建議切割參數，完成後以該切割運算單元計算該建議切割參數，計算完成後以該切割輸出單元輸出至該雷射切割臂，進而控制該雷射切割臂移動以及雷射切割部的雷射功率。

另一則是一種智慧化視覺雷射切割專家系統操作流程，其操作步驟包括有：備料步驟：準備要進行雷射切割的一金屬料件，並將該金屬料件放置在一雷射切割機台的一工作平台預備雷射切割加工；第一次檢測步驟：以安裝在該工作平台一側之一雷射切割臂進行移動，又該雷射切割臂的一端設有一雷射切割部，並於該雷射切割部外表面設有一攝像組件，該攝像組件係受到該雷射切割臂的移動而照攝該金屬料件，將所拍攝之照片傳送至一控制機組進行該金屬料件的正確性；參數輸入步驟：確認所要雷射切割加工的金屬料件無誤後，在該控制機組輸入該金屬料件的材質、規格、厚度、切割圖樣之數據；優化參數生成步驟：該金屬料件的各項參數輸入完成後，該控制機組會針對所輸入的參數給予最佳的一建議切割參數，而在該控制機組內建有一專家切割資料庫及一優化建議單元，該優化建議單元會根據所輸入的參數比對匹配該專家切割資料庫內的數據而生成最佳的建議切割參數；控制切割步驟：在最佳的建議切割參數顯示並予以確認無誤後，該控制機組則會以建議切割參數控制該雷射切割臂進行移動，並同時帶動該雷射切割部對該金屬料件進行雷射切割，在切割的同時，該攝像組件會同時進行拍照攝像，以確認雷射切割過程中均有依照建議切割參數進行切割。

根據上述對於本發明所述之技術，其優點在於，透過攝像組件的設置可以隨時監控雷射切割前金屬料件的正確性、雷射切割過程中金屬料件的變形、雷射切割後金屬料件的完整度；另外，以該控制機組中內建的專家切割資料庫的建置以及優化建議單元的設置，讓各種金屬料件在進行雷射切割加工上更為精準，且雷射切割臂、雷射切割部可以依照最佳的建議切割參數進行移動、加工，使雷射切割臂在移動上不會發生過多的震動，更可精準的控制雷射切割部對金屬料件的切割，藉此節省人力上的調校，也不會造成錯誤金屬料件的放置。可見本發明可說是一種相當具有實用性及進步性之技術，相當值得產業界來推廣，並公諸於社會大眾。

為了清楚說明本創作所能達成上述之目的及功效，茲搭配圖示就本創作的實施例加以詳細說明其特徵與功效。請參閱第一圖至第四圖所示，首先對本發明的結構特徵予以說明，本發明一種智慧化視覺雷射切割專家系統，其包括：一雷射切割機台10，其包含一工作平台101及一雷射切割臂102，該雷射切割臂102係組設於該工作平台101的一側且具有一雷射切割部103，另於該雷射切割部103外周裝設一攝像組件20；及一控制機組30，其與該雷射切割臂102電性連結，該控制機組30內建一專家切割資料庫301、一切割輸入單元302、一切割輸出單元303、一切割運算單元304、一攝像檢視單元305及一優化建議單元306，又該專家切割資料庫301內的資料係為過往實驗驗證所累積的數據，具有各種材料的特性等，該切割輸入單元302則是使用者輸入所要切割的參數數據，該切割運算單元304係計算該切割輸入單元302所輸入的參數數據與該專家切割資料庫301的數據之比對，該切割輸出單元303則是輸入比對計算完成後之參數數據至該雷射切割臂102，進而控制該雷射切割臂102移動及控制該雷射切割部103的雷射功率，又該攝像檢視單元305係供該攝像組件20所拍攝之照片顯示在該控制機組30，而該優化建議單元306則是匹配比對該專家切割資料庫301及該切割輸入單元302所輸入的參數數據後，並於該控制機組30上顯示一建議切割參數307；其中，在該工作平台101上放置一金屬料件40進行雷射切割時，以位於該雷射切割部103上的攝像組件20先進行檢測，判斷該金屬料件40的放置是否正確，接著在於該控制機組30上以該切割輸入單元302針對該金屬料件40進行參數數據輸入，輸入完成後再以該優化建議單元306匹配該專家切割資料庫301進而產生該建議切割參數307，完成後以該切割運算單元304計算該建議切割參數307，計算完成後以該切割輸出單元303輸出至該雷射切割臂102，進而控制該雷射切割臂102移動以及雷射切割部103的雷射功率。

而本發明的操作流程則為一種智慧化視覺雷射切割專家系統操作流程，其操作步驟包括有：備料步驟S1：使用者先準備要進行雷射切割的一金屬料件40，並將該金屬料件40放置在一雷射切割機台10的一工作平台101預備雷射切割加工；第一次檢測步驟S2：以安裝在該工作平台101一側之一雷射切割臂102進行移動，又該雷射切割臂102的一端設有一雷射切割部103，並於該雷射切割部103外表面設有一攝像組件20，該攝像組件20係受到該雷射切割臂102的移動而照攝該金屬料件40，將所拍攝之照片傳送至一控制機組30進行該金屬料件40的正確性，使用者可以在控制機組30的位置觀看此次雷射切割加工的金屬料件40是否為正確；參數輸入步驟S3：確認所要雷射切割加工的金屬料件40無誤後，從該控制機組30輸入該金屬料件40的材質、規格、厚度、切割圖樣之數據；優化參數生成步驟S4：該金屬料件40的各項參數輸入完成後，該控制機組30會針對所輸入的參數再給予最佳的一建議切割參數307，又上述所謂最佳的建議切割參數307是利用在該控制機組30內建有一專家切割資料庫301及一優化建議單元306所生成，該優化建議單元306會根據所輸入的參數比對匹配該專家切割資料庫301內的數據而生成最佳的雷射切割數據；控制切割步驟S5：在最佳的建議切割參數307顯示並予以確認無誤後，該控制機組30則會以上述最後的數據控制該雷射切割臂102進行移動，並同時帶動該雷射切割部103對該金屬料件40進行雷射切割，在切割的同時，該攝像組件20會同時進行拍照攝像，以確認雷射切割過程中均有依照最後的建議切割參數307進行切割。

根據上述說明本發明之技術，利用專家切割資料庫301以及優化建議單元306的設置下，讓初學者也可以輕鬆的按照上述步驟進行金屬料件40的雷射切割加工作業，且透過攝像組件20的設置可以全程檢視金屬料件40是否為此次所要加工的料件、雷射切割過程中金屬料件40的變形量是否合乎規範、雷射切割完成後的金屬料件40成品是否如預期，上述均可在有問題的時後立刻停止進行，隨時進行調整、修繕，比起習知在雷射切割加工上，會因為人力的問題而造成成本過高、人為因素造成金屬料件40的錯誤放置、雷射切割加工過程中所造成的金屬變形量過大而碰撞雷射切割機等問題，顯見本發明確實改善了習知技術所具有的問題存在。

又根據上述之說明後，再進一步說明本發明更細微的技術特徵，首先本發明在該工作平台101上進一步設一檢測區104，該檢測區104主要用途在於提供使用者將金屬料件40放置在檢測區104，進而控制雷射切割臂102移動，帶動位於該雷射切割部103的攝像組件20對金屬料件40予以照攝，以便將照片回傳至控制機組30內提供使用者進行查看金屬料件40的正確性，請見第一圖所示；再來則是為了提供使用者可以方便操作，該控制機組30進一步包含一顯示屏幕30A，該顯示屏幕30A主要是提供給使用者可以參考觀看操作，而該切割輸入單元302、該攝像檢視單元305及該優化建議單元306皆以實體畫面顯示在該顯示屏幕30A，又該切割輸入單元302與該優化建議單元306係顯示在同一顯示屏幕30A的同一介面，而該切割輸入單元302係包含有一材料選擇框302A、一厚度選擇框302B、一圖檔選擇框302C、一尺寸選擇框302D，另外該優化建議單元306係包含有一電射功率框306A、一移動速度框306B及一Z軸高度框306C，另外在上述介面上進一步設一預計加工時間框308及一警示顯示圖309，當使用者在該材料選擇框302A(圖中以黃銅為例)、該厚度選擇框302B(圖中以5mm為例)、該圖檔選擇框302C(圖中以DXF檔為例)及該尺寸選擇框302D(圖中以30X30為例)輸入所要加工的相關數據後，該優化建議單元306則開始匹配比對該專家切割資料庫301內的資訊，進而將建議切割參數307顯示在該電射功率框306A、該移動速度框306B及該Z軸高度框306C，並同時在預計加工時間框308內生成時間數據(上述電射功率框306A、移動速度框306B、Z軸高度框306C及預計加工時間框308均未顯示數據)，由此可見初學者只需要將相關參數數據輸入完成後，該控制機組30就會自動生成最佳的建議切割參數307提供參考使用，完全不需要具有豐富經驗的工程師也可操作，既方便又實用，請見第一至三圖所示。

接續上述說明，而在該攝像檢視單元305的使用上，同樣會呈現在顯示屏幕30A，但該攝像檢視單元305的顯示不同於該切割輸入單元302、該優化建議單元306為同一介面，又該攝像組件20係拍攝該金屬料件40於雷射切割前、雷射切割過程及雷射切割完成，並隨時顯示在該顯示屏幕30A，而在雷射切割前及雷射切割過程中發生錯誤時，該警示顯示圖309則會由綠色底圖轉為紅色底圖，藉以提供警示以中斷雷射切割作業，請見第四圖所示。

另外，本發明在操作流程步驟中，使用者除了可以參考優化建議單元306所建議切割參數307數據以外，亦可從該優化建議單元306所建議的數據進行調整修改成自身認為合適的數據，因此在該優化參數生成步驟S4之後可進一步增加除錯調整步驟S6，該除錯調整步驟S6係可於最佳建議切割參數307生成後再次進行微調修正，請見第一圖所示；最後，本發明在該切割運算單元304的使用主要是根據高斯型歸屬函數、三角形歸屬函數或梯形歸屬函數任一種函數進行參數計算，其中高斯型歸屬函數的運算式為

、三角形歸屬函數的運算式則是

、梯形歸屬函數的運算式則是

，並以模糊理論為基礎建立該專家切割資料庫301，使初學者也可輕鬆進行雷射切割的設定而進行加工作業。

10:雷射切割機台 101:工作平台 102:雷射切割臂 103:雷射切割部 104:檢測區 20:攝像組件 30:控制機組 30A:顯示屏幕 301:專家切割資料庫 302:切割輸入單元 302A:材料選擇框 302B:厚度選擇框 302C:圖檔選擇框 302D:尺寸選擇框 303:切割輸出單元 304:切割運算單元 305:攝像檢視單元 306:優化建議單元 306A:電射功率框 306B:移動速度框 306C:Z軸高度框 307:建議切割參數 308:預計加工時間框 309:警示顯示圖 40:金屬料件 S1:備料步驟 S2:第一次檢測步驟 S3:參數輸入步驟 S4:優化參數生成步驟 S5:控制切割步驟 S6:除錯調整步驟

第一圖為本發明操作流程示意圖。第二圖為本發明結構方塊示意圖。第三圖為本發明顯示屏幕上顯示切割輸入單元、優化建議單元之介面示意圖。第四圖為本發明攝像檢視單元於顯示屏幕上顯示金屬料件切割前、切割過程及切割完成之介面示意圖。

S1:備料步驟

S2:第一次檢測步驟

S3:參數輸入步驟

S4:優化參數生成步驟

S5:控制切割步驟

S6:除錯調整步驟

10:雷射切割機台

101:工作平台

102:雷射切割臂

103:雷射切割部

104:檢測區

20:攝像組件

30:控制機組

30A:顯示屏幕

40:金屬料件

Claims

一種智慧化視覺雷射切割專家系統，其包括：一雷射切割機台，其包含一工作平台及一雷射切割臂，該雷射切割臂係組設於該工作平台的一側且具有一雷射切割部，另於該雷射切割部外周裝設一攝像組件；及一控制機組，其與該雷射切割臂電性連結，該控制機組內建一專家切割資料庫、一切割輸入單元、一切割輸出單元、一切割運算單元、一攝像檢視單元及一優化建議單元，又該專家切割資料庫內的資料係為過往實驗驗證所累積的數據，該切割輸入單元則以輸入所要切割的參數數據，該切割運算單元係計算該切割輸入單元所輸入的參數數據與該專家切割資料庫的數據之比對，該切割輸出單元則是輸入比對計算完成後之參數數據至該雷射切割臂，進而控制該雷射切割臂移動及控制該雷射切割部的雷射功率，又該攝像檢視單元係供該攝像組件所拍攝之照片顯示在該控制機組，而該優化建議單元則是匹配比對該專家切割資料庫及該切割輸入單元所輸入的參數數據後，並於該控制機組上顯示一建議切割參數，該切割運算單元係根據高斯型歸屬函數、三角形歸屬函數或梯形歸屬函數任一種函數進行參數計算；其中，在該工作平台上放置一金屬料件進行雷射切割時，以位於該雷射切割部上的攝像組件先進行檢測，判斷該金屬料件的放置是否正確，接著在於該控制機組上以該切割輸入單元針對該金屬料件進行參數數據輸入，輸入完成後再以該優化建議單元匹配該專家切割資料庫進而產生該建議切割參數，完成後以該切割運算單元計算該建議切割參數，計算完成後以該切割輸出單元輸出至該雷射切割臂，進而控制該雷射切割臂移動以及雷射切割部的雷射功率。
如請求項1所述之智慧化視覺雷射切割專家系統，其中該工作平台進一步包含一檢測區，該雷射切割臂的移動帶動該攝像組件至檢測區照攝該金屬料件。
如請求項1所述之智慧化視覺雷射切割專家系統，其中該控制機組進一步包含一顯示屏幕，該切割輸入單元、該攝像檢視單元及該優化建議單元皆以實體畫面顯示在該顯示屏幕，又該切割輸入單元與該優化建議單元係顯示在同一顯示屏幕的同一介面，而該切割輸入單元係包含有一材料選擇框、一厚度選擇框、一圖檔選擇框、一尺寸選擇框，另外該優化建議單元係包含有一電射功率框、一移動速度框及一Z軸高度框，另外在上述介面上進一步設一預計加工時間框及一警示顯示圖，當使用者在該材料選擇框、該厚度選擇框、該圖檔選擇框及該尺寸選擇框輸入所要加工的相關數據後，該優化建議單元則開始匹配比對該專家切割資料庫內的資訊，進而將建議較佳之數據顯示在該電射功率框、該移動速度框及該Z軸高度框，並同時在預計加工時間框內生成時間數據。
如請求項2所述之智慧化視覺雷射切割專家系統，其中該控制機組進一步包含一顯示屏幕，該切割輸入單元、該攝像檢視單元及該優化建議單元皆以實體畫面顯示在該顯示屏幕，又該切割輸入單元與該優化建議單元係顯示在同一顯示屏幕的同一介面，而該切割輸入單元係包含有一材料選擇框、一厚度選擇框、一圖檔選擇框、一尺寸選擇框，另外該優化建議單元係包含有一電射功率框、一移動速度框及一Z軸高度框，另外在上述介面上進一步設一預計加工時間框及一警示顯示圖，當使用者在該材料選擇框、該厚度選擇框、該圖檔選擇框及該尺寸選擇框輸入所要加工的相關數據後，該優化建議單元則開始匹配比對該專家切割資料庫內的資訊，進而將建議較佳之數據顯示在該電射功率框、該移動速度框及該Z軸高度框，並同時在預計加工時間框內生成時間數據。
如請求項3或4所述之智慧化視覺雷射切割專家系統，其中該攝像檢視單元的顯示不同於該切割輸入單元、該優化建議單元，又該攝像組件係拍攝該金屬料件於雷射切割前、雷射切割過程及雷射切割完成，並隨時顯示在該顯示屏幕，而在雷射切割前及雷射切割過程中發生錯誤時，該警示顯示圖則會由綠色底圖轉為紅色底圖，藉以提供警示以中斷雷射切割作業。
一種智慧化視覺雷射切割專家系統操作流程，其操作步驟包括有：備料步驟：準備要進行雷射切割的一金屬料件，並將該金屬料件放置在一雷射切割機台的一工作平台預備雷射切割加工；第一次檢測步驟：以安裝在該工作平台一側之一雷射切割臂進行移動，又該雷射切割臂的一端設有一雷射切割部，並於該雷射切割部外表面設有一攝像組件，該攝像組件係受到該雷射切割臂的移動而照攝該金屬料件，將所拍攝之照片傳送至一控制機組進行該金屬料件的正確性；參數輸入步驟：確認所要雷射切割加工的金屬料件無誤後，在該控制機組輸入該金屬料件的材質、規格、厚度、切割圖樣之數據；優化參數生成步驟：該金屬料件的各項參數輸入完成後，該控制機組會針對所輸入的參數給予最佳的一建議切割參數，而在該控制機組內建有一專家切割資料庫及一優化建議單元，該優化建議單元會根據所輸入的參數比對匹配該專家切割資料庫內的數據而生成最佳的建議切割參數，該控制機組進一步包含一顯示屏幕，另外在該控制機組內進一步內建有一切割輸入單元及一攝像檢視單元，該切割輸入單元、該攝像檢視單元及該優化建議單元皆以實體畫面顯示在該顯示屏幕，又該切割輸入單元與該優化建議單元係顯示在同一顯示屏幕的同一介面，而該切割輸入單元係包含有一材料選擇框、一厚度選擇框、一圖檔選擇框、一尺寸選擇框，另外該優化建議單元係包含有一電射功率框、一移動速度框及一Z軸高度框，另外在上述介面上進一步設一預計加工時間框及一警示顯示圖，當使用者在該材料選擇框、該厚度選擇框、該圖檔選擇框及該尺寸選擇框輸入所要加工的相關數據後，該優化建議單元則開始匹配比對該專家切割資料庫內的資訊，進而將建議較佳之數據顯示在該電射功率框、該移動速度框及該Z軸高度框，並同時在預計加工時間框內生成時間數據；除錯調整步驟：於最佳雷射切割數據生成後再次進行微調修正；控制切割步驟：在最佳的建議切割參數顯示並予以確認無誤後，該控制機組則會以建議切割參數控制該雷射切割臂進行移動，並同時帶動該雷射切割部對該金屬料件進行雷射切割，在切割的同時，該攝像組件會同時進行拍照攝像，以確認雷射切割過程中均有依照建議切割參數進行切割，該攝像檢視單元的顯示不同於該切割輸入單元、該優化建議單元，又該攝像組件係拍攝該金屬料件於雷射切割前、雷射切割過程及雷射切割完成，並隨時顯示在該顯示屏幕，而在雷射切割前及雷射切割過程中發生錯誤時，該警示顯示圖則會由綠色底圖轉為紅色底圖，藉以提供警示以中斷雷射切割作業。