TWI775473B

TWI775473B - 材料移除系統及材料移除軌跡自動生成方法

Info

Publication number: TWI775473B
Application number: TW110120311A
Authority: TW
Inventors: 林其禹; 程永盛; 超良林
Original assignee: 迅智自動化科技股份有限公司
Priority date: 2021-06-03
Filing date: 2021-06-03
Publication date: 2022-08-21
Also published as: TW202247940A

Abstract

一種材料移除系統及材料移除軌跡自動生成方法。取得雛形模型及目標模型。雛形及目標模型分別是物件尚未經材料移除的及經材料移除後的數位立體模型。依據雛形模型及目標模型的匹配結果決定雛形模型中的待材料移除體積。待材料移除體積相關於雛形模型及目標模型之間的體積差異。將待材料移除體積分割成一個或更多個待材料移除區域。決定材料移除工具與各待材料移除區域接觸的材料移除軌跡。依據移動機構與移動機構所放置的材料移除工具或物件的空間關係，將待材料移除區域對應的材料移除軌跡轉換成移動機構的運動軌跡。運動軌跡相關於材料移除工具與物件的數個相對位置及數個相對朝向。藉此，可提升效率及準確度。

Description

材料移除系統及材料移除軌跡自動生成方法

本發明是有關於一種材料移除技術，且特別是有關於一種材料移除系統及材料移除軌跡自動生成方法。

材料移除作業(例如，研磨、水刀、噴砂或雷射)可改變固體物質的尺寸及形狀，並經常用於製作成品或零件的加工程序中。一般而言，材料移除作業相當依賴操作人員的經驗及能力。然而，以人工作業方式通常無法同時達到高準確度、高效率、和高重現性等三項標準。

有鑑於此，本發明實施例提供一種材料移除系統及材料移除軌跡自動生成方法，依據數位模型規劃材料移除軌跡，以提升效率、準確度及重現程度。

本發明實施例的材料移除軌跡自動生成方法包括(但不僅限於)下列步驟：取得雛形模型及目標模型。雛形模型是物件尚未經材料移除的數位立體模型，且目標模型是物件經材料移除後的數位立體模型。依據雛形模型及目標模型的匹配結果決定雛形模型中的待材料移除體積。這待材料移除體積相關於雛形模型及目標模型之間的體積差異。將待材料移除體積分割成一個或更多個材料移除區域。決定各待材料移除區域與材料移除工具接觸的材料移除軌跡。材料移除軌跡相關於材料移除工具與待材料移除區域接觸的順序、位置及角度中的至少一者。依據移動機構與移動機構所放置的材料移除工具或物件的空間關係，將待材料移除區域對應的材料移除軌跡轉換成移動機構的運動軌跡。運動軌跡相關於材料移除工具與物件的數個相對位置及數個相對朝向。

本發明實施例的材料移除系統包括(但不僅限於)材料移除工具、移動機構及控制裝置。材料移除工具用以移除材料。移動機構用以供材料移除工具或待材料移除的物件放置。控制裝置耦接材料移除工具及移動機構。控制裝置經配置用以取得雛形模型及目標模型，依據雛形模型及目標模型的匹配結果決定雛形模型中的待材料移除體積，將待材料移除體積分割成一個或更多個待材料移除區域，決定各待材料移除區域與材料移除工具接觸的材料移除軌跡，並依據移動機構與其所放置的材料移除工具或物件的空間關係將待材料移除區域對應的材料移除軌跡轉換成移動機構的運動軌跡。雛形模型是物件尚未經材料移除的數位立體模型。目標模型是物件經材料移除後的數位立體模型。待材料移除體積相關於雛形模型及目標模型之間的體積差異。材料移除軌跡相關於材料移除工具與待材料移除區域接觸的順序、位置及角度中的至少一者。運動軌跡相關於材料移除工具與物件的數個相對位置及數個相對朝向。

基於上述，依據本發明實施例的材料移除系統及材料移除軌跡自動生成方法，依據雛形模型與目標模型之間的差異決定雛形模型的待材料移除體積，分割待材料移除體積成為一個或更多個材料移除區域，即可規劃材料移除工具對各待材料移除區域的材料移除軌跡及移動機構的運動軌跡。藉此，可快速且準確地規劃軌跡。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10:物件

100:材料移除系統

110:材料移除工具

130:移動機構

150:控制裝置

S210~S290:步驟

IM1:雛形模型

TM1、TM2:目標模型

IC1、IC2、IC3:雛形曲面

TC1、TC2、TC3:目標曲面

RM1、RM2:待材料移除體積

FP:點

gl1~gl7:材料移除層

NV:法線向量

圖1是依據本發明一實施例的材料移除系統的示意圖。

圖2是依據本發明一實施例的材料移除軌跡自動生成方法的流程圖。

圖3A是依據本發明一實施例的雛形模型的側視圖。

圖3B是依據本發明一實施例的雛形模型的立體圖。

圖4A是依據本發明一實施例的目標模型的側視圖。

圖4B是依據本發明一實施例的目標模型的立體圖。

圖5是依據本發明一實施例的待材料移除體積的側視圖。

圖6A是依據本發明一實施例的雛形模型結合點雲資料的側視圖。

圖6B是依據本發明一實施例的雛形曲面與目標曲面的示意圖。

圖6C是依據本發明一實施例的目標模型的立體圖。

圖7是依據本發明一實施例的待材料移除體積之分割的示意圖。

圖8是依據本發明另一實施例的待材料移除體積之分割的示意圖。

圖1是依據本發明一實施例的材料移除系統100的示意圖。請參照圖1，材料移除系統100包括(但不僅限於)材料移除工具110、移動機構130及控制裝置150。

材料移除工具110可包括以磨料顆粒高速接觸為基礎的研磨拋光器具和砂帶機、以物質高速撞擊為基礎的水刀(waterjet)和噴砂(sandblasting)、以熱融化為基礎的高功率雷射、和其他任何可以在指定位置移除材料的工具。在一實施例中，材料移除工具110用以材料移除物件10(例如，由金屬、金屬複合或其他材料的零件或器具)。

移動機構130用以供物件10(即，待材料移除的物件；例如，腳踏車架、汽車零件、機械結構、高爾夫球桿頭、螺旋槳、器具或家具的零件)及/或材料移除工具110放置。例如，移動機構130夾持、抵頂、或支撐物件10或材料移除工具110。移動機構130可以是一組或更多組多軸機械手臂、多自由度機構、高度調整台、滑軌、轉台、螺桿、馬達、或汽缸等各類型可驅動連接元件移動或旋轉的機械構件或其組合，以帶動放置於其上的物件10及/或材料移除工具110升降、移動及/或旋轉。

控制裝置150有線或無線地耦接材料移除工具110及移動機構130，控制裝置150並可以是桌上型電腦、智慧型手機、平板電腦、工作站、主機等裝置。在一實施例中，控制裝置150可控制材料移除工具110及/或移動機構130的操作。例如，控制裝置150可啟動材料移除工具110、改變材料移除工具110的驅動電壓或控制移動機構130旋轉或移動。

在一些實施例中，材料移除工具110、移動機構130及控制裝置150中的至少兩者可能整合成一體或分別為獨立裝置。

為了方便理解本發明實施例的操作流程，下文中，將搭配材料移除系統100中的各項裝置、元件及模組說明本發明實施例所述之方法。本方法的各個流程可依照實施情形而隨之調整，且並不僅限於此。

圖2是依據本發明一實施例的材料移除軌跡自動生成方法的流程圖。請參照圖2，控制裝置150可取得雛形模型及目標模型(步驟S210)。具體而言，雛形模型是物件10尚未經材料移除的數位立體模型。而目標模型是物件10預期經材料移除後的數位立體模型。數位立體模型可以是點陣雲、STL、FBX、COLLADA、3DS、OBJ或其他格式的模型。

舉例而言，圖3A是依據本發明一實施例的雛形模型IM1的側視圖，且圖3B是依據本發明一實施例的雛形模型IM1的立體圖。請參照圖3A及圖3B，假設雛形模型IM1是未經材料移除的物件10。

圖4A是依據本發明一實施例的目標模型TM1的側視圖，且圖4B是依據本發明一實施例的目標模型TM1的立體圖。請參照圖4A及圖4B，假設目標模型TM1是預期經材料移除的物件10。在此範例中，雛形模型IM1和目標模型TM1的唯一體積差異是雛形模型IM1上有一個方形凸起物，其他部位皆相同。這雛形模型IM1可以代表一個物件在加工過程中的一個狀態，和目標模型TM1的唯一體積差異是雛形模型IM1上有一個方形凸起物。

圖5是依據本發明一實施例的待材料移除體積RM1的側視圖。請參照圖3A、圖4A及圖5，值得注意的是，與目標模型TM1相比，雛形模型IM1的頂側多出一個突起物，而這個體積差異就形成待材料移除體積RM1。由此可知，材料移除作業預計將這突起物移除。為了精準地將多餘的材料去除，必須準確計算出這待材料移除體積RM1的空間位置和分布。而控制裝置150取得這空間位置和分布後，才能接續安排將待材料移除體積RM1去除的序列動作。

在一實施例中，待材料移除體積可規畫成一個或複數個待材料移除區域或疊層，再安排材料去除工具110依順序跟上述待材料移除區域或疊層接觸，並同時去除這待材料移除區域或疊層內材料。

在一實施例中，雛形模型及/或目標模型是源自於物件10的電腦輔助設計(Computer Aided Design，CAD)模型。控制裝置150可經由網路下載、儲存載具(例如，隨身碟、硬碟等)輸入物件10的CAD模型或其他三維幾何圖。例如，廠商、或他人自行掃描物件10後提供模型檔案，讓其他用戶下載或使用。在一些實施例中，控制裝置150可進一步將CAD模型轉換成點雲模型，以多數個點的位置(座標)形成物件10的外圍邊界，以具體描述物件10的形狀和體積分布。

在一實施例中，控制裝置150可透過二維或三維相機、攝影機、結構光模組等影像擷取裝置、掃描儀、或其他立體成像裝置對物件10進行三維掃描，以取得物件10的表面形狀或相對距離/深度(即，掃描結果)，進而取得雛形模型。即，雛形模型是基於掃描結果所建立的三維模型。在一些實施例中，控制裝置150也可對經材料移除後的物件10掃描，以取得目標模型。雖然控制裝置150可以用來取得上述雛形模型或目標模型，但是上述雛形模型或目標模型也可以由其他系統取得或提供，並不一定需要使用控制裝置150取得。

在一實施例中，因為生產線製程所製造出的每一件產品的形狀都可能具有變異性，無法以一個固定形狀的雛形模型來代表其真實形狀，因此無法使用上述的固定形狀雛形模型和固定形狀目標模型的差異來取得待材料移除體積。因此，控制裝置150可依據實際物件的形狀來產生雛形模型，並依據該雛形模型上的一部份曲面來創造一部份虛擬曲面，並以該虛擬曲面取代雛形模型上一部份的曲面後以形成目標模型。具體而言，假設雛形模型是物件10經掃描後所生成的，但此時尚未有目標模型。在一些應用情境中，物件10經成形後有部分明顯的凸出，且這些凸出部分都是所欲材料移除的部分(如圖5所示的待材料移除體積RM1)。舉例，這凸出體積是一鑄造件上與模具脫離後模具流道上的殘餘體積。而這個殘餘體積也是接續要從這鑄造件上去除的體積。因此，若將對這包含流道上殘餘體積的鑄造件進行掃描後得到的3D點雲檔當成雛形模型，則將該流道上殘餘體積去除後的鑄造件的3D點雲檔即可作為目標模型。這個雛形模型和目標模型的體積差異就是那一個流道殘餘體積。控制裝置150可對在雛形模型上的部份雛形曲面所擷取的點雲資料進行曲面擬合(surface fitting)，以產生目標曲面。例如，控制裝置150可依據雛形曲面上的數個點在空間中的座標(形成點雲資料)決定特定曲面函數。這曲面函數代表目標曲面的數學表示式。而目標曲面是目標模型的某一塊表面。

舉例而言，圖6A是依據本發明一實施例的雛形模型IM1結合點雲資料的側視圖。請參照圖6A，雛形模型IM1包括雛形曲面IC1。控制裝置150可對雛形曲面IC1上的數個點FP進行曲面擬合。

圖6B是依據本發明一實施例的雛形曲面IC1與目標曲面TC1的示意圖。請參照圖6B，雛形曲面IC1上的數個點FP所形成的曲面可部分重疊於目標曲面TC1。

圖6C是依據本發明一實施例的目標模型TM2的立體圖。請參照圖6C，部分雛形曲面IC1及目標曲面TC1的座標點可形成目標模型TM2。簡而言之，TM2內的TC1部分原先是位在凸起物下方沒有定義幾何位置的曲面，經由針對TC1四周的數個點FP執行曲面綴合程序後形成。將建立TC1後形成的TM2就可以當成目標模型，跟雛形模型TM1進行比對(步驟S230，並待後續實施例詳述)，定義出待材料移除體積。一但待材料移除體積確認後，後續的程序(例如，步驟S250,S270,S290，並待後續實施例詳述)是相同的。

控制裝置150可依據雛形模型及目標模型的匹配結果決定雛形模型中的待材料移除體積(步驟S230)。具體而言，待材料移除體積相關於雛形模型及目標模型之間的體積差異。即是雛形模型中所欲材料移除的部分。也就是說，將雛形模型中待材料移除體積去除後，剩下的體積就是目標模型的實際體積。控制裝置150將雛形模型及目標模型兩者對準後可得出匹配(match)結果。匹配的動作就是將雛形模型和目標模型具有共同形狀的體積部分對準放在同一座標位置上，如此就可以找出非共同或差異體積。已經有許多演算法可以執行此體積匹配的動作。此非共同或差異體積就是待材料移除體積。

在一實施例中，控制裝置150可對準雛形模型及目標模型的參考部位，以得出匹配結果。雛形模型的參考部位相同於目標模型的參考部位。具體而言，控制裝置150可比較雛形模型及目標模型兩者中的相同部分(例如，曲面、邊角或中心線)，並將兩者的相同部分(做為參考部位)相互對準。當相同部分對準(即，匹配結果)時，即可確定兩模型已匹配。以圖3A及圖4A為例，假設雛形模型IM1及目標模型TM1兩者都是以中心垂直軸形成的對稱物件，除了上方突起物外，其他部位體積皆相同。控制裝置150將雛形模型IM1的軸心與目標模型TM1的軸心對齊，並據以得出圖5所示的待材料移除體積RM1。

在另一實施例中，待材料移除體積是預先定義或設定的。

控制裝置150可將待材料移除體積分割成一個或更多個待材料移除區域(步驟S250)。具體而言，依據模型的表面形狀及/或材料移除工具110的類型及規格，材料移除工具110對物件10上的同一區塊可能需要多次往返材料移除才能削切到特定深度。因此，雛形模型的表面可先分區，再視情況進一步分層。而待材料移除區域的厚度及大小可事先決定、受人為調整或反應於模型的形狀而被決定。

舉例而言，圖7是依據本發明一實施例的待材料移除體積RM1之分割的示意圖。請參照圖7，以剖面觀點而言，假設控制裝置150將待材料移除體積RM1的某一塊待材料移除區域分割成三層材料移除層gl1~gl3(即，待材料移除區域包括複數個材料移除層)。這些材料移除層gl1~gl3的厚度大致相等，且材料移除層gl1~gl3沿雛形模型的雛形曲面IC2經材料移除後預計形成的目標表面TC2的法線方向(如圖面的上下垂直方向)排列/堆疊。

須說明的是，雖然圖7所示材料移除層gl1~gl3的厚度大致相等，但在其他實施例中，全部或部分的材料移除層的厚度可能不同且材料移除層的數量可能不同。

此外，待材料移除體積的表面可能是曲面。舉例而言，圖8是依據本發明另一實施例的待材料移除體積RM2之分割的示意圖。請參照圖8，雛形曲面IC3與目標表面TC3是不同曲率的曲面。假設控制裝置150將待材料移除體積RM2分割成四層材料移除層gl4~gl7。這些材料移除層gl4~gl7沿目標表面TC3的法線向量NV排列/堆疊。

須說明的是，雖然圖7及圖8所示材料移除層gl1~gl7彼此沒有重疊(即，各層表面相鄰)，但在其他實施例中，全部或部分的材料移除層與相鄰層重疊。

如圖8所示，待移除材料RM1確定後，控制裝置150將接續設定一或多個移除層來進行移除材料程序。當目標模型TM3的目標曲面TC3係一個圓滑曲面時，控制裝置150可可以使用目標曲面TC3上表面的點計算出各點向外部延伸的法線向量NV，並藉由該些法線向量NV外延伸一定的距離的那些點座標建構出一個材料移除層的上緣面積，且該材料移除層的曲率變化將跟目標曲面接近一致。使用這種跟目標曲面幾何特性較接近的材料移除層更容易建構出後續的材料移除軌跡，以便產生更理想的目標曲面TC3。

控制裝置150可決定各材料移除層與材料移除工具110接觸的材料移除軌跡(步驟S270)。具體而言，材料移除軌跡相關於材料移除工具110與一個或更多個待材料移除區域接觸的順序、位置及角度中的至少一者。材料移除軌跡代表材料移除工具110對物件10材料移除的移動路徑。而在材料移除作業的過程中，材料移除工具110相對於材料移除層的位置及角度可能不同，且各材料移除層的形狀大小也可能不同。材料移除工具110需要經旋轉及位移來材料移除不同待材料移除區域。

控制裝置150可依據移動機構130與移動機構130所放置的材料移除工具110或物件10的空間關係，將待材料移除區域對應的材料移除軌跡轉換成移動機構130的運動軌跡(步驟S290)。具體而言，移動機構130可能夾持材料移除工具110或物件10中的任一者或兩者(另一者可能是固定的)。為了讓材料移除工具110可沿著材料移除軌跡相對於物件10移動，控制裝置150可決定移動機構130與其所連接/夾持/抓握的材料移除工具110及/或物件10的空間關係。空間關係例如是在三維空間中的位置與朝向。基於這空間關係，控制裝置150可規劃移動機構130以特定姿態移動至特定位置，或者控制裝置150可基於查表或AI推論得出材料移除工具110及/或物件10該如何運動，使材料移除工具110可移動至與物件10上的特定待材料移除區域對應的相對位置及相對朝向並可對物件10材料移除。材料移除軌跡與移動機構130的運動軌跡之間的轉換可經由查表或數學公式推算得出。運動軌跡相關於材料移除工具110與物件10的數個相對位置及數個相對朝向。即，讓移動機構130帶動材料移除工具110及/或物件10後所停留的位置及朝向可對應於材料移除軌跡。而運動過程中材料移除工具110及/或物件10的停留位置、移動方向、移動速度及/或姿態即可作為運動軌跡的內容。

接著，控制裝置150可依據運動軌跡及材料移除軌跡進一步控制移動機構130的多軸或特定軸向運動並驅動材料移除工具110進行材料移除，進而將物件10材料移除至相同於或相近於目標模型。

綜上所述，在本發明實施例的材料移除系統及材料移除軌跡自動生成方法中，比對材料移除前及材料移除後的數位模型，對模型之間的體積差異分區甚至分層，並據以形成材料移除工具的材料移除軌跡及移動機構的運動軌跡。藉此，可快速地產生軌跡，並能提升材料移除的精準度，進而讓材料移除結果更加接近目標形狀。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S210~S290:步驟

Claims

一種材料移除軌跡自動生成方法，包括：取得一雛形模型及一目標模型，其中該雛形模型是一物件尚未經一材料移除的數位立體模型，該目標模型是該物件經該材料移除後的數位立體模型，且取得該雛形模型及該目標模型的步驟包括：對該物件進行三維掃描，以取得該雛形模型；以及依據該雛形模型的一雛形曲面創造一目標曲面，以形成該目標模型，其中該目標曲面是對自該雛形曲面所擷取的點雲資料進行曲面擬合(surface fitting)所產生的；依據該雛形模型及該目標模型的一匹配結果決定該雛形模型中的一待材料移除體積，其中該待材料移除體積相關於該雛形模型及該目標模型之間的體積差異；將該待材料移除體積分割成至少一待材料移除區域；決定每一該待材料移除區域與一材料移除工具接觸的一材料移除軌跡，其中該材料移除軌跡相關於該材料移除工具與該至少一待材料移除區域接觸的順序、位置及角度中的至少一者；以及依據一移動機構與該移動機構所放置的該材料移除工具或該物件的空間關係，將該至少一待材料移除區域對應的該材料移除軌跡轉換成該移動機構的一運動軌跡，其中該運動軌跡相關於該材料移除工具與該物件的多個相對位置及多個相對朝向。
如請求項1所述的材料移除軌跡自動生成方法，其中依據該雛形模型及該目標模型的匹配結果決定該雛形模型中的該待材料移除體積的步驟包括：對準該雛形模型及該目標模型的參考部位，以得出該匹配結果，其中該雛形模型的參考部位相同於該目標模型的參考部位。
如請求項1所述的材料移除軌跡自動生成方法，其中一該待材料移除區域包括多個材料移除層，且部分或所有的該些材料移除層與相鄰層重疊。
如請求項1所述的材料移除軌跡自動生成方法，其中一該待材料移除區域包括多個材料移除層，部分或所有的該些材料移除層的厚度不同。
如請求項1所述的材料移除軌跡自動生成方法，其中一該待材料移除區域包括多個材料移除層，且該些材料移除層沿該雛形模型經材料移除後預計形成的一目標表面的法線方向排列。
一種材料移除系統，包括：一材料移除工具，用以移除材料；一移動機構，用以供該材料移除工具或待材料移除的一物件放置；以及一控制裝置，耦接該材料移除工具及該移動機構，並經配置用以：取得一雛形模型及一目標模型，其中該雛形模型是該物件尚未經一材料移除的數位立體模型，該目標模型是該物件經該材料移除後的數位立體模型，且該雛形模型是對該物件進行三維掃描所取得的，且該控制裝置更經配置用以依據該雛形模型的一雛形曲面創造一目標曲面，以形成該目標模型，該目標曲面是對自該雛形曲面所擷取的點雲資料進行曲面擬合所產生的；依據該雛形模型及該目標模型的一匹配結果決定該雛形模型中的一待材料移除體積，其中該待材料移除體積相關於該雛形模型及該目標模型之間的體積差異；將該待材料移除體積分割成至少一待材料移除區域；決定每一該待材料移除區域與該材料移除工具接觸的一材料移除軌跡，其中該材料移除軌跡相關於該材料移除工具與該至少一待材料移除區域接觸的順序、位置及角度中的至少一者；以及依據該移動機構與該移動機構所放置的該材料移除工具或該物件的空間關係，將該至少一待材料移除區域對應的該材料移除軌跡轉換成該移動機構的一運動軌跡，其中該運動軌跡相關於該材料移除工具與該物件的多個相對位置及多個相對朝向。
如請求項6所述的材料移除系統，其中該控制裝置更經配置用以對準該雛形模型及該目標模型的參考部位，以得出該匹配結果，其中該雛形模型的參考部位相同於該目標模型的參考部位。
如請求項6所述的材料移除系統，其中一該待材料移除區域包括多個材料移除層，且部分或所有的該些材料移除層與相鄰層重疊。
如請求項6所述的材料移除系統，其中一該待材料移除區域包括多個材料移除層，部分或所有的該些材料移除層的厚度不同。
如請求項6所述的材料移除系統，其中一該待材料移除區域包括多個材料移除層，且該些材料移除層沿該雛形模型經材料移除後預計形成的一目標表面的法線方向排列。