用于根據(jù)輪廓的圖案控制機(jī)器的方法和激光切割的制造方法
【專利摘要】確定了表示機(jī)器沿著連接圖案的輪廓上的一組離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)的一組軌跡的操作的一組開銷。每個軌跡表示機(jī)器根據(jù)機(jī)器的動力學(xué)從具有離開速度的離開點(diǎn)到具有進(jìn)入速度的進(jìn)入點(diǎn)的操作。該組軌跡包括表示沿著在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度的輪廓的操作的至少一條軌跡和表示在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度的不同輪廓之間的操作的至少一條軌跡?；陂_銷來確定使得機(jī)器追蹤圖案的操作的總開銷最優(yōu)的軌跡的序列，并且根據(jù)該序列確定用于控制機(jī)器的一組指令。
【專利說明】用于根據(jù)輪廓的圖案控制機(jī)器的方法和激光切割機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般地涉及一種用于為機(jī)器生成運(yùn)動計(jì)劃的系統(tǒng)和方法，并且更具體地， 涉及一種確定用于根據(jù)輪廓的圖案控制機(jī)器的一組命令的系統(tǒng)和方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 在計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)器（CNC)加工中，工具頭根據(jù)預(yù)定圖案相對于工件移動以執(zhí)行對 工件的加工。加工能夠包括對于工件的各種類型的處理，例如對工件的切割或鉆孔。為了 簡單說明并且不失一般性，在本公開中，加工被示例為使用激光切割機(jī)對工件進(jìn)行切割的 處理。
[0003] 根據(jù)圖案從片材料切割特征是通常的制造工藝。一般來說，激光切割機(jī)的切割頭 沿著正交軸在邊界面上平移。該類型的激光切割器常常用于從片材料（例如，不同厚度的 塑料和金屬片）切割分立的特征。激光切割器的控制常常由遵循有時實(shí)施為"NC代碼"或 "G代碼"的規(guī)定的一組命令的計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)器（CNC)來執(zhí)行。
[0004] 如果將要被切割的圖案包括不連續(xù)輪廓，則加工與重定位交替地進(jìn)行，例如，在切 割之后，機(jī)器關(guān)閉切割器，跨越到新的位置，并再次啟動切割器以繼續(xù)加工?；趫D案（例 如，待切割的輪廓的所有曲線的繪制）來規(guī)劃機(jī)器的運(yùn)動。通常，曲線中的一些是封閉的以 表示將要從材料中切出的形狀。規(guī)劃問題能夠包括確定所有切割的最小時間或最小能量巡 路。該巡路表不切割的順序。
[0005] 近來，所有加工的特征在于停止-啟動運(yùn)動。在加工期間，切割頭接近圖案的輪廓 的已規(guī)劃的切割曲線的進(jìn)入點(diǎn)，停止，啟動切割器，并且然后進(jìn)行下一切割運(yùn)動。因此，最快 的切割到切割跨越（也已知為"高速路"）是直線。針對"停止-啟動"加工的規(guī)劃問題能 夠包括同時找出切割的順序和切割之間的最短直線跨越。這樣的規(guī)劃問題的一個傳統(tǒng)的解 決方案使用了旅行推銷員問題（TSP)的變形。例如，參見Hoeft和Palekar'Heuristics for the plate-Cutting TSP，'，IIE Transactions 的卷 29,1997。
[0006] 然而，通過這些運(yùn)動規(guī)劃推測的激光切割器的"停止-啟動"行為限制了機(jī)器的生 產(chǎn)率。為了高速加工，大量的加速和減速導(dǎo)致了高的能量開銷并且會對機(jī)器造成損耗。
[0007] 切割技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)在使得能夠進(jìn)行"飛過"切割，即，在不停止以啟動或關(guān)閉切割 器的情況下進(jìn)行切割。這使得能夠進(jìn)行更快速的巡路，但是也導(dǎo)致了更復(fù)雜的規(guī)劃問題，這 是因?yàn)轱w過加工中的直線跨越能夠是非常次優(yōu)的。然而，將直線跨越替換為其它類型的跨 越是次優(yōu)的，這是因?yàn)樵摻鉀Q方案沒有完全地考慮機(jī)器的動力學(xué)性質(zhì)，例如，參見美國專利 6609044。其它的解決方案涉及手繪的巡路，但是顯然，這對于大的規(guī)劃問題來說是不實(shí)際 的方法。
[0008] 因此，需要自動地生成高效的動力學(xué)最優(yōu)的運(yùn)動規(guī)劃以根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案控 制機(jī)器。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的各種實(shí)施方式的目的在于提供一種用于根據(jù)輪廓的圖案（例如，不連續(xù) 輪廓的圖案）確定用于控制機(jī)器的一組命令的系統(tǒng)和方法。一些實(shí)施方式提供了一種生成 用于飛過加工的運(yùn)動規(guī)劃的方法，該方法包括下述中的一個或其組合：處理運(yùn)動（例如，切 割或不進(jìn)行切割的情況下的跨越）的排序、用于這些運(yùn)動的輪廓上的進(jìn)入點(diǎn)和離開點(diǎn)、動 力學(xué)優(yōu)化這些進(jìn)入點(diǎn)與離開點(diǎn)之間的跨越軌跡以及沿著運(yùn)動規(guī)劃的各點(diǎn)處的運(yùn)動的速度 變化圖（profile)。
[0010] 一些實(shí)施方式基于下述實(shí)現(xiàn)，為了使加工的速度最優(yōu)，機(jī)器的工具頭應(yīng)該在基于 其曲率和機(jī)器的動力學(xué)最佳地匹配用于每段輪廓的最大切割速度的同時，在切線上前進(jìn)到 每段輪廓的進(jìn)入點(diǎn)和離開點(diǎn)。該實(shí)現(xiàn)允許確定巡路（即，包括例如，切割和跨越軌跡的軌跡 序列），以動力學(xué)最佳方式追蹤圖案。跨越軌跡的示例是在沒有實(shí)際加工的情況下的機(jī)器的 工具頭的重定位。
[0011] 能夠利用正在離開和進(jìn)入的切割輪廓的段的形狀來確定跨越軌跡的每個末端處 的速度向量。能夠基于機(jī)器的動力學(xué)（例如，機(jī)器的動量、速度限制或加速度限制）來確定 這些向量之間的最優(yōu)軌跡。一些實(shí)施方式在使用允許大的加速度的激光切割機(jī)來切割工件 的處理中采用。其它實(shí)施方式在其它類型的加工（例如，劃線、雕刻和繪圖）中使用。
[0012] 最佳跨越軌跡常常是彎曲的。由于機(jī)器的動力學(xué)，彎曲的跨越軌跡能夠比直線跨 越更快并且是更能量高效的。進(jìn)一步復(fù)雜的示例是一些切割器可以具有在跨越期間必須避 開切割頭的"非飛過區(qū)"。例如，熱的頭可能會使薄的材料翹曲并且因此所有的跨越應(yīng)該近 在廢棄的材料上通過。
[0013] 此外，一些實(shí)施方式基于下述特定的實(shí)現(xiàn)，能夠?qū)τ趫D案的輪廓上的各種可能的 離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)指派速度向量，并且任意巡路中從一個離開點(diǎn)到一個進(jìn)入點(diǎn)的開銷指示 (例如等于）將機(jī)器的操作從具有離開速度的離開點(diǎn)移動到具有進(jìn)入速度的進(jìn)入點(diǎn)的動力 學(xué)最優(yōu)軌跡的開銷。這樣的實(shí)現(xiàn)允許確定一組候選跨越軌跡，并且使用各種優(yōu)化技術(shù)來選 擇巡路。
[0014] 因此，一個實(shí)施方式公開了一種用于根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案控制機(jī)器的方法。該 方法確定表示機(jī)器沿著連接圖案的輪廓上的一組離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)的一組軌跡的操作的一 組開銷，其中，每個軌跡表示機(jī)器根據(jù)機(jī)器的動力學(xué)從具有離開速度的離開點(diǎn)到具有進(jìn)入 速度的進(jìn)入點(diǎn)的操作。該組軌跡能夠包括表示沿著在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)具有非零速度 的輪廓的操作的至少一條軌跡以及表示在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)具有非零速度的不同輪 廓之間的操作的至少一條軌跡。接下來，該方法基于開銷確定使得跟蹤圖案的機(jī)器的操作 的總開銷最優(yōu)的軌跡的序列，并且根據(jù)該序列確定用于控制機(jī)器的一組命令。
[0015] 另一實(shí)施方式公開了一種用于根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案控制激光切割機(jī)的方法。該 方法包括下述步驟：構(gòu)造包括節(jié)點(diǎn)和邊緣的圖，其中，該圖的節(jié)點(diǎn)表示輪廓上的進(jìn)入點(diǎn)和離 開點(diǎn)，切割邊緣表示相鄰的節(jié)點(diǎn)之間沿著輪廓的切割，并且遍歷邊緣表示不同切割輪廓上 的進(jìn)入點(diǎn)與離開點(diǎn)之間的動力學(xué)最優(yōu)軌跡；確定通過所有節(jié)點(diǎn)與切割邊緣的巡路以及圖的 至少一些遍歷邊緣，從而巡路使得執(zhí)行的總開銷最優(yōu)；以及將巡路轉(zhuǎn)換為用于控制機(jī)器的 一組命令。該方法的步驟由處理器執(zhí)行。
[0016] 又一實(shí)施方式公開了一種激光切割機(jī)，其包括激光切割器，用于根據(jù)不連續(xù)切割 輪廓的圖案切割工件；
[0017] 控制模塊，用于根據(jù)一組命令導(dǎo)航激光切割器，從而激光切割器在沒有停止的情 況下跟蹤切割邊緣和遍歷邊緣；以及運(yùn)動規(guī)劃模塊，用于基于圖案生成一組命令，其中，該 組命令是基于使得追蹤圖案的激光切割器的操作的總開銷最優(yōu)的巡路來生成的，其中，運(yùn) 動規(guī)劃模塊確定一組切割邊緣和一組遍歷邊緣，其中，該組遍歷邊緣中的軌跡是動力學(xué)最 優(yōu)軌跡，并且其中，運(yùn)動規(guī)劃模塊應(yīng)用旅行推銷員問題（TSP)解法來產(chǎn)生巡路。
[0018] 又一實(shí)施方式公開了一種根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案確定用于控制機(jī)器的一組命令 的方法。該方法包括以下步驟：獲取不連續(xù)輪廓的圖案以及機(jī)器的動力學(xué)中的至少一個； 以及根據(jù)使得追蹤圖案的機(jī)器的操作的總開銷最優(yōu)的軌跡的序列生成用于控制機(jī)器的一 組命令，其中，軌跡的序列包括表示沿著在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度的輪廓 的操作的至少一個軌跡以及表示對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度的不同輪廓之間 的操作的至少一個軌跡。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1A是實(shí)施發(fā)明的一些實(shí)施方式的激光切割機(jī)的示意圖。
[0020] 圖1B是實(shí)施發(fā)明的一些實(shí)施方式的激光切割機(jī)的示意圖。
[0021] 圖2是不連續(xù)輪廓的示例性圖案。
[0022] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案控制機(jī)器的方法的 框圖。
[0023] 圖4A是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于確定并且解決旅行推銷員（TSP)問題的方法的 變形的流程圖。
[0024] 圖4B是根據(jù)一些實(shí)施方式的用于確定并且解決旅行推銷員（TSP)問題的方法的 變形的流程圖。
[0025] 圖5是根據(jù)一些實(shí)施方式的示例性TSP圖的一部分的圖。
[0026] 圖6是利用本發(fā)明的一些實(shí)施方式對于圖2的圖案的一部分確定的巡路的示例。
[0027] 圖7是根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施方式的迂回戰(zhàn)略的示例。

【具體實(shí)施方式】
[0028] 圖1A示出了適合于由本發(fā)明的一些實(shí)施方式控制的激光切割機(jī)10的示例。為了 說明的簡化并且不失一般性，加工被示例為使用激光切割機(jī)來切割工件的處理。
[0029] 機(jī)器10被配置為在平行于將被加工為特定形狀的片材料的表面的任意方向上移 動激光頭20。激光頭20是非接觸裝置，其通常在處于"下"位置時從激光頭的尖端到被切 割的片材料的頂表面保持一定距離。包括"接觸"型頭的其它類型的激光頭也是可能的。
[0030] 激光頭20安裝在往復(fù)臺上以能夠在垂直于激光切割機(jī)的主臺的長度方向的線性 方向上前后移動。當(dāng)激光頭20在該垂直方向上跨越時，風(fēng)琴狀簾22能夠被相應(yīng)地壓縮或 伸展。激光頭往復(fù)臺結(jié)構(gòu)24也能夠沿著機(jī)器10的主軸在長度方向上移動，并且激光頭結(jié) 構(gòu)任一側(cè)的風(fēng)琴狀簾26和28能夠相應(yīng)地壓縮或伸展。激光頭20的移動通常由計(jì)算機(jī)數(shù) 控裝置15來控制。
[0031] 例如，由片材料制成的平面部30被放置在特殊的床狀結(jié)構(gòu)32的頂部上。床狀結(jié) 構(gòu)32由相對薄的金屬片材料的X-Y網(wǎng)格結(jié)構(gòu)制成，其被構(gòu)造為創(chuàng)建支撐片材料30的底表 面的多個"點(diǎn)"34。
[0032] 通常，在激光頭20的尖端與片材料30的頂表面之間保持小的空隙。當(dāng)一個片材 料30已經(jīng)被切出但是未能掉落到床32的底部。有時，切出的部分能夠變?yōu)?掛"在床32的 頂部分上。
[0033] 圖1B示出了適合于由一些實(shí)施方式控制到工件111上由激光器110產(chǎn)生的束115 的位置的激光切割機(jī)10的另一示例的框圖。為了說明的簡化并且不失一般性，加工被示例 為使用諸如機(jī)器10或1〇〇的激光切割機(jī)來切割工件的處理。然而，適合于采用本發(fā)明的實(shí) 施方式的機(jī)器的其它變形、激光切割機(jī)的其它變形以及激光切割機(jī)10或100的設(shè)計(jì)的其它 變形都是可能的并且處于本發(fā)明的范圍內(nèi)。
[0034] 激光切割機(jī)100能夠包括被構(gòu)造為沿著至少第一方向120移動的平臺112。平臺 由用于在平行于工件的平面上移動平臺的運(yùn)動系統(tǒng)122移動。在一個實(shí)施方式中，運(yùn)動系 統(tǒng)122包括用于平臺沿著第一方向120的第一運(yùn)動的第一移動關(guān)節(jié)。
[0035] 另外或替選地，激光切割機(jī)能夠包括電動（galvano)頭113,其布置在例如平臺 112上，從而平臺沿著第一方向120的運(yùn)動引起了電動頭沿著第一方向的運(yùn)動。例如，電動 頭能夠包括可反轉(zhuǎn)DC馬達(dá)，其在輸出軸上配備有鏡，并且通常具有內(nèi)置的停止塊，以將鏡 的旋轉(zhuǎn)限制到小的角度（通常圍繞中心+/-20至30度）。電動頭常常被構(gòu)造為單個集成單 JLi〇
[0036] 例如，平臺到位置112'的運(yùn)動將電動頭移動到位置113'。而且，電動頭的操作將 激光束沿著第二方向130引導(dǎo)到工件。電動頭能夠被布置在平臺上，從而第二方向130被 相對于第一方向120固定，這允許將激光束同時沿著第一方向和第二方向引導(dǎo)。在機(jī)器100 的各種實(shí)施中，工件上的激光束的位置是第一運(yùn)動和第二運(yùn)動的向量和140。
[0037] 平臺的運(yùn)動和電動頭的操作能夠由控制模塊150來控制?？刂颇K150能夠使用 處理器151來實(shí)施。在一些實(shí)施方式中，控制模塊包括計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC)控制器195?？刂?模塊根據(jù)定義激光束的位置的軌跡的G代碼190來控制運(yùn)動系統(tǒng)和電動頭。例如，G代碼 190將用于X軸平臺的位置編碼為在G代碼軸X上的運(yùn)動，將Y軸龍門編碼為G代碼軸Y上 的運(yùn)動，將X運(yùn)動電動和鏡編碼為G代碼軸A上的運(yùn)動，并且將Y運(yùn)動電動和鏡編碼為G代 碼軸B上的運(yùn)動。該四軸G代碼在激光切割機(jī)的操作期間中由控制器來解釋。而且，機(jī)器 能夠包括運(yùn)動控制模塊180,其用于確定例如G代碼190形式的一組命令，以根據(jù)圖案控制 機(jī)器。
[0038] 激光切割機(jī)10和100是允許"飛過"（即，在不停止以啟動或關(guān)閉切割器的情況下 的）切割或其它類型的加工。這允許更快速的巡路，但是也帶來了更加復(fù)雜的規(guī)劃問題，這 是因?yàn)橛糜谶@樣的機(jī)器的直線跨越能夠是次優(yōu)的。
[0039] 圖2示出了能夠用于切割工件的材料的諸如輪廓210、212、214、216和218的不連 續(xù)輪廓的圖案200示例。由于圖案200包括不連續(xù)輪廓，因此根據(jù)圖案的工件的加工與重 定位交替進(jìn)行，例如，在切割之后，機(jī)器關(guān)閉切割器，跨越到新的位置，并且再次啟動切割器 以繼續(xù)加工。在各種實(shí)施方式中，諸如激光切割機(jī)的機(jī)器在開始以及追蹤表示不同輪廓之 間的操作的軌跡期間沒有停止。
[0040] 因此，諸如軌跡226的切割軌跡（即，沿著輪廓的切割的軌跡）能夠與跨越軌跡 (即，將切割器在沒有進(jìn)行切割的情況下重定位到新的位置的軌跡，例如軌跡225)交替。每 個軌跡的端點(diǎn)包括從輪廓開始軌跡的離開點(diǎn)和使得軌跡進(jìn)入到輪廓中的進(jìn)入點(diǎn)。端點(diǎn)位于 圖案的輪廓中的一個上。通常，切割軌跡的端點(diǎn)位于同一輪廓上，例如，軌跡226的點(diǎn)222 和224。然而，跨越軌跡的端點(diǎn)通常位于不同輪廓上，例如，軌跡225的點(diǎn)222和228。每個 端點(diǎn)能夠是離開點(diǎn)、進(jìn)入點(diǎn)或這兩者。
[0041] 本發(fā)明的一些實(shí)施方式?jīng)]有給出并確定切割和進(jìn)入/離開點(diǎn)的順序。另外，一些 實(shí)施方式確定軌跡的形狀和沿著軌跡前進(jìn)的時序，這相應(yīng)地控制形狀和機(jī)器的跨越和切割 運(yùn)動的時序。而且，在一些實(shí)施方式中，進(jìn)入/離開點(diǎn)的順序、軌跡的形狀和時序同時優(yōu)化。 該同時優(yōu)化能夠相對于其它方法（其確定順序有時確定進(jìn)入點(diǎn)，但是次優(yōu)地留下形狀和時 序以在以后由運(yùn)動控制器確定）是有利的。
[0042] 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施方式的根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案控制機(jī)器的方 法的框圖。具體地，一個實(shí)施方式確定巡路（例如，使機(jī)器350追蹤圖案的操作的總開銷最 優(yōu)的軌跡340中的至少一些的序列325)，并且確定用于根據(jù)巡路控制機(jī)器350的一組命令 335。在一些實(shí)施方式中，該組命令包括根據(jù)圖案加工工件的開/關(guān)命令信號、位置和速度。
[0043] 該方法的步驟能夠由處理器301執(zhí)行。例如，該方法的步驟能夠由控制模塊50和 /或由能夠?qū)嵤槔缈刂破?95的一部分的運(yùn)動規(guī)劃模塊180來實(shí)施。運(yùn)動規(guī)劃模塊能 夠生成例如G代碼190形式的命令335。
[0044] -些實(shí)施方式基于用于保持高速度的一般性實(shí)現(xiàn)，機(jī)器的工具頭應(yīng)該在切線上進(jìn) 入和離開輪廓的每段，最優(yōu)地匹配由機(jī)器的動力學(xué)和段的形狀允許的用于該段的最大切割 速度。具體地，跨越的每個末端處的速度向量能夠由正在離開和進(jìn)入的輪廓的該段的形狀 來確定。這些向量之間的最優(yōu)軌跡能夠由機(jī)器的動力學(xué)（例如，機(jī)器的動量、速度限制和加 速度限制）來確定。
[0045] 此外，一些實(shí)施方式基于下述具體實(shí)現(xiàn)：圖案的輪廓上的各種可能的離開點(diǎn)和進(jìn) 入點(diǎn)能夠被指派有速度向量，并且任意巡路上從一個離開點(diǎn)到一個進(jìn)入點(diǎn)的開銷指示（例 如，等于）將機(jī)器的操作從具有離開速度的離開點(diǎn)移動到具有進(jìn)入速度的進(jìn)入點(diǎn)的動力學(xué) 最優(yōu)軌跡的開銷。這樣的實(shí)現(xiàn)允許確定一組候選跨越軌跡，并且使用各種優(yōu)化技術(shù)來選擇 巡路。
[0046]此外，一些實(shí)施方式基于另外的實(shí)現(xiàn)：有利之處在于，根據(jù)包括使機(jī)器追蹤圖案的 操作的總開銷最優(yōu)的軌跡的序列的一組命令來控制機(jī)器，其中，該組軌跡包括表示沿著在 對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度的輪廓的操作的至少一條軌跡和表示對應(yīng)的離開 點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)具有非零速度的不同輪廓之間的操作的至少一條軌跡。
[0047] 因此，本發(fā)明的一個實(shí)施方式確定310表示連接圖案的輪廓上的一組離開點(diǎn)和進(jìn) 入點(diǎn)的一組軌跡340的機(jī)器360的操作的一組開銷315。每條軌跡（例如，軌跡345)表示 370機(jī)器根據(jù)機(jī)器365的動力學(xué)從具有離開速度375的離開點(diǎn)到具有進(jìn)入速度373的進(jìn)入 點(diǎn)的操作。機(jī)器365的動力學(xué)能夠包括機(jī)器的加速度。通常，該組軌跡包括標(biāo)識沿著在對應(yīng) 的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度的輪廓的操作的至少一條軌跡（例如，圖2的軌跡226) 和表示在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度的不同輪廓之間的操作的至少一條軌跡 (例如，圖2的軌跡225)。
[0048] 在一些變形例中，軌跡340是基于與對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)關(guān)聯(lián)的最優(yōu)切割速度 向量確定的動力學(xué)最優(yōu)軌跡。每個速度向量包括機(jī)器的操作的速度的方向和值。例如，能 夠基于點(diǎn)的位置處的輪廓的形狀363以及機(jī)器375的動力學(xué)來確定用于每個離開點(diǎn)和進(jìn)入 點(diǎn)的速度向量。例如，能夠基于適合于加工連接離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)的輪廓的段的最大速度來 確定離開速度和進(jìn)入速度。在又一實(shí)施方式中，動態(tài)最優(yōu)軌跡使用樣條來連接段端點(diǎn)。
[0049] 開銷315表示根據(jù)對應(yīng)的軌跡的機(jī)器的操作的開銷。更具體地，軌跡的開銷能夠 是其時間、距離、能量等等的任何函數(shù)。例如，開銷能夠基于追蹤的時間、追蹤軌跡所要求的 能量或其它可消耗項(xiàng)目。接下來，基于開銷315,確定320使機(jī)器追蹤圖案的操作的總開銷 最優(yōu)的軌跡。各種實(shí)施方式使用了各種優(yōu)化技術(shù)，下面描述其中的一些。
[0050] 序列325形成了追蹤圖案的巡路，其包括預(yù)定順序的軌跡340的子集。此外，由于 在優(yōu)化之前，基于機(jī)器的動力學(xué)365確定軌跡340,因此確定320還選擇了最優(yōu)子集，并且因 此確定軌跡的形狀和其跨越的事件。接下來，能夠根據(jù)序列來確定330用于控制350機(jī)器 360的一組命令335,并且例如將其存儲在存儲器中或者發(fā)送到控制器。
[0051] 一些實(shí)施方式基于另一實(shí)現(xiàn)：用于確定巡路的開銷最優(yōu)化問題能夠視為旅行推銷 員問題（TSP)，例如，非度量TSP，其中，TSP的解是在一組軌跡上想要的巡路。在一些實(shí)施方 式中，在沒有明確地計(jì)算軌跡的情況下計(jì)算開銷，因此在TSP中能夠考慮大量可能的跨越。
[0052] 有利的是，能夠?qū)崟r地構(gòu)件TSP，還能夠在合理量的事件內(nèi)獲得幾乎最優(yōu)的解，并 且各種實(shí)施方式能夠使用各種第三方或自定義的TSP解法。TSP解法包括分支定界算法、切 割平面算法、Lin-Kernighan方法、模擬退火算法、遺傳算法、Tabu搜索、玻爾茲曼機(jī)器和其 它解法。
[0053] 例如，一些實(shí)施方式構(gòu)造包括一組切割邊緣和一組遍歷邊緣的TSP圖，其中，切割 邊緣的端點(diǎn)形成了圖的節(jié)點(diǎn)，并且一組遍歷邊緣中的軌跡是連接來自不同輪廓的一對節(jié)點(diǎn) 的動力學(xué)最優(yōu)軌跡。因此，應(yīng)用于圖的TSP解法能夠產(chǎn)生動力學(xué)最優(yōu)的巡路。
[0054] TSP圖是其中每個節(jié)點(diǎn)標(biāo)識可能的切割進(jìn)入或離開點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)和邊緣圖，并且每個 邊緣標(biāo)識可選的跨越軌跡或要求的處理運(yùn)動（例如，切割）。在該公開中，這些運(yùn)動被稱為 切割，但是在本發(fā)明的一些實(shí)施方式中，其它處理可以應(yīng)用于工件。圖中的每個邊緣被指派 有開銷，通常反映了時間、能量或一些其它可消耗項(xiàng)目的使用。一些實(shí)施方式確定該圖上通 過表示切割的所有邊緣和所有節(jié)點(diǎn)的最小開銷巡路。該最小開銷巡路給出了切割進(jìn)入、離 開和跨越的最優(yōu)序列。在一些實(shí)施方式中，巡路完全地指定機(jī)器的運(yùn)動。在其它實(shí)施方式 中，巡路被動力學(xué)地平滑以獲得最小能量或最小開銷運(yùn)動規(guī)劃。
[0055] TSP圖包括表示切割端點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)和表示切割的邊緣（S卩，切割邊緣）或表示跨越的 邊緣（即，切割之間的遍歷邊緣）。在各種實(shí)施方式中，切割邊緣被強(qiáng)制進(jìn)入到TSP解中。 然后，TSP解法額外地選擇遍歷邊緣的一個子集以獲得完整的巡路，其包括通過動力學(xué)優(yōu)化 跨越軌跡而連接的切割的最小開銷排序。一些實(shí)施方式使用通用TSP解法或設(shè)計(jì)定制的解 法來確定以一組所有切割邊緣開始的巡路。
[0056] 因此，在一些實(shí)施方式中，通過下述中的一個或組合來將運(yùn)動規(guī)劃問題減少到一 些邊緣被強(qiáng)制進(jìn)入到巡路中的TSP圖上的非度量TSP : (1)構(gòu)建TSP圖；（2)確定TSP圖的 邊緣的開銷；（3)求解TSP圖以確定巡路；以及（4)將巡路序列轉(zhuǎn)換為動力學(xué)最優(yōu)的物理軌 跡。
[0057] 確定TSP圖
[0058] 圖4A示出了根據(jù)一些實(shí)施方式的用于確定TSP圖并且求解TSP圖以確定動力學(xué) 最優(yōu)巡路470的方法400的流程圖。圖4B示出了根據(jù)替選實(shí)施方式的方法400的流程圖。 假設(shè)一組待切割的輪廓410,每個輪廓被劃分415為一組分段。每個分段的兩個端點(diǎn)均構(gòu) 成了針對TSP圖的節(jié)點(diǎn)。分段構(gòu)成了針對TSP圖的連接端點(diǎn)節(jié)點(diǎn)的邊緣。該邊緣表示切 害IJ。對于端點(diǎn)節(jié)點(diǎn)中的每一個，根據(jù)分段的形狀和用于該分段的機(jī)器的最大切割速度來確 定425進(jìn)入或離開速度向量。在典型的實(shí)施方式中，向量相對于切割正切，并且向量的幅值 與進(jìn)入點(diǎn)或離開點(diǎn)處的切割的曲率反比例地相關(guān)。在替選實(shí)施方式中，能夠使用表示端點(diǎn) 處的最優(yōu)速度的各種函數(shù)。例如，在圖4B的實(shí)施方式中，確定425表示每個端點(diǎn)處的速度 的一組樣條。
[0059] 在一些實(shí)施方式中，一個或兩個額外的節(jié)點(diǎn)被添加420到TSP圖以表示加工的開 始和結(jié)束位置。開始和結(jié)束位置能夠是相同或不同的位置，例如，機(jī)器的待機(jī)位置（home position)。這些節(jié)點(diǎn)中的每一個具有零速度向量，并且TSP解被強(qiáng)制為按順序通過這些節(jié) 點(diǎn)，就好像它們是切割的端點(diǎn)一樣。
[0060] 對于每對離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)，遍歷邊緣被添加到TSP圖。在一些實(shí)施方式中，對于圖 中的每個節(jié)點(diǎn)，例如基于節(jié)點(diǎn)之間的歐幾里德距離來確定430位于不連續(xù)輪廓上的進(jìn)入點(diǎn) 或離開點(diǎn)的一組物理封閉的節(jié)點(diǎn)。在這些實(shí)施方式中，近對于成對的封閉節(jié)點(diǎn)確定跨越軌 跡，因此減少了計(jì)算的數(shù)目。另外，一個實(shí)施方式將成對的封閉節(jié)點(diǎn)限制為在沒有跨越任何 "禁飛區(qū)"的情況下能夠到達(dá)的封閉節(jié)點(diǎn)。一些實(shí)施方式通過將所有節(jié)點(diǎn)位置輸入到k-D樹 中并且在每個節(jié)點(diǎn)的空間鄰居中執(zhí)行范圍查詢或球查詢來確定這些封閉節(jié)點(diǎn)。
[0061] 對于表不一對封閉節(jié)點(diǎn)的每對端點(diǎn)來說，一些實(shí)施方式例如基于從以其關(guān)聯(lián)的速 度向量開始的一個端點(diǎn)到以其關(guān)聯(lián)的速度向量結(jié)束的另一端點(diǎn)的跨越的時間或能量來確 定動力學(xué)最優(yōu)的跨越軌跡。能夠基于速度向量來確定軌跡。例如，對于每對端點(diǎn)，如圖4A 中所示，確定435連接速度向量的動力學(xué)最優(yōu)軌跡。替選地，如圖4B中所示，能夠基于表示 速度的其它函數(shù)（例如使用樣條435'）來確定跨越軌跡。
[0062] 跨越軌跡受到機(jī)器480的動力學(xué)或運(yùn)動約束（例如，機(jī)器的最大速度、最大加速 度、加速度變化率和運(yùn)動范圍）的限制。機(jī)器的動力學(xué)能夠例如由機(jī)器的規(guī)格來定義。在 一些實(shí)施方式中，從圖中移除440破壞運(yùn)動約束或者跨過禁飛區(qū)的軌跡。
[0063] 例如，在一個實(shí)施方式中，動力學(xué)最優(yōu)軌跡x(t)，0〈t〈Tmax是對于下述的解：
[0064]

【權(quán)利要求】
1. 一種用于根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案控制機(jī)器的方法，所述方法包括： 確定表示所述機(jī)器沿著連接所述圖案的輪廓上的一組離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)的一組軌跡的 一組開銷，其中，每個軌跡表示所述機(jī)器根據(jù)該機(jī)器的動力學(xué)從具有離開速度的離開點(diǎn)到 具有進(jìn)入速度的進(jìn)入點(diǎn)的操作，其中，該組軌跡包括表示沿著在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)具 有非零速度的輪廓的操作的至少一條軌跡以及表示在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)具有非零速 度的不同輪廓之間的操作的至少一條軌跡； 基于所述開銷，確定使跟蹤所述圖案的所述機(jī)器的操作的總開銷最優(yōu)的軌跡的序列； 以及 根據(jù)所述序列確定用于控制所述機(jī)器的一組命令， 其中，所述方法的步驟由處理器執(zhí)行。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 基于所述一組離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)中的每個點(diǎn)的每個位置處的輪廓的形狀以及所述機(jī)器 的動力學(xué)，確定用于該點(diǎn)的速度向量；以及 基于對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)的速度向量來確定所述開銷。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 將所述離開速度和所述進(jìn)入速度確定為適合于對連接所述離開點(diǎn)和所述進(jìn)入點(diǎn)的輪 廓段進(jìn)行加工的最大速度。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 將所述軌跡確定為動力學(xué)最優(yōu)軌跡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，確定一組命令的步驟包括： 將運(yùn)動基元的過完備集擬合到所述軌跡的序列；以及 使用動態(tài)規(guī)劃從使操作的所述總開銷最優(yōu)的一組運(yùn)動中選擇運(yùn)動基元的子集。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 構(gòu)造圖，其中，所述圖的節(jié)點(diǎn)表示進(jìn)入點(diǎn)和離開點(diǎn)，切割邊緣表示沿著對應(yīng)的相鄰節(jié)點(diǎn) 之間的輪廓的軌跡，并且遍歷邊緣表示不同輪廓上的節(jié)點(diǎn)之間的軌跡； 確定通過所述圖的所述節(jié)點(diǎn)、所述切割邊緣和至少一些遍歷邊緣的巡路，使得所述巡 路使所述操作的所述總開銷最優(yōu)；以及 基于所述巡路確定所述軌跡的序列。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中，每個開銷表示沿著所述軌跡的操作的時間，并且 所述巡路使得所述操作的時間最小。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 基于適合于對由相鄰節(jié)點(diǎn)形成的所述切割邊緣進(jìn)行加工的最大速度來確定所述節(jié)點(diǎn) 的速度向量；以及 確定連接不同輪廓上的節(jié)點(diǎn)的所述遍歷邊緣，使得從而連接對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的所述遍歷邊緣 表示所述機(jī)器的在對應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處得到對應(yīng)的速度向量的動力學(xué)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述一組軌跡包括連接相同的離開節(jié)點(diǎn)和進(jìn)入 節(jié)點(diǎn)的至少兩條軌跡，其中，所述至少兩條軌跡具有不同的形狀，所述方法進(jìn)一步包括： 對所述一組開銷共同進(jìn)行優(yōu)化，以確定所述序列的軌跡的形狀、所述軌跡在所述序列 中的順序以及按照每條軌跡進(jìn)行的操作的時間。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 對于所述巡路中的每條軌跡選擇一組替選軌跡；以及 使用動態(tài)規(guī)劃，基于每條軌跡的開銷，使用原始軌跡和替選軌跡的聯(lián)合組的子集，對所 述巡路進(jìn)行更新。
11. 一種用于根據(jù)輪廓的圖案控制激光切割機(jī)的方法，所述方法包括： 構(gòu)造圖，其中，所述圖的節(jié)點(diǎn)表示輪廓上的進(jìn)入點(diǎn)和離開點(diǎn)，切割邊緣表示沿著相鄰 的節(jié)點(diǎn)之間的輪廓的切割，并且遍歷邊緣表示不同切割輪廓上的節(jié)點(diǎn)之間的動力學(xué)最優(yōu)軌 跡； 確定通過所述圖的所述節(jié)點(diǎn)、所述切割邊緣以及至少一些遍歷邊緣的巡路，使得所述 巡路使執(zhí)行的總開銷最優(yōu)；以及 將所述巡路轉(zhuǎn)換為用于控制所述機(jī)器的一組命令， 其中，所述方法的步驟由處理器執(zhí)行。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述動力學(xué)最優(yōu)跨越軌跡被約束為繞過禁飛 區(qū)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述轉(zhuǎn)換包括： 將運(yùn)動基元的過完備集擬合到所述巡路；以及 基于每個運(yùn)動基元的加工的開銷，使用動態(tài)規(guī)劃從一組運(yùn)動基元中選擇所述運(yùn)動基元 的子集。
14. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述圖是旅行商問題（TSP)圖，所述方法進(jìn)一 步包括： 將TSP解法應(yīng)用于所述圖，同時使得所述節(jié)點(diǎn)和所述切割邊緣強(qiáng)制進(jìn)入到解中，以產(chǎn) 生所述巡路。
15. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，構(gòu)造步驟包括： 將所述圖案的所述輪廓劃分為一組切割邊緣，其中，所述切割邊緣的端點(diǎn)形成了所述 圖的所述節(jié)點(diǎn)； 基于與節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的切割邊緣的分布以及適合于對所述切割邊緣進(jìn)行切割的最大速度 來確定每個節(jié)點(diǎn)的速度向量；以及 確定連接不同輪廓上的節(jié)點(diǎn)的所述遍歷邊緣，使得連接兩個節(jié)點(diǎn)的遍歷邊緣表示所述 機(jī)器的得到所述兩個節(jié)點(diǎn)的所述速度向量的動力學(xué)。
16. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 確定相鄰節(jié)點(diǎn)的遍歷邊緣。
17. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，所述方法進(jìn)一步包括： 確定沿著所述切割邊緣和所述遍歷邊緣的執(zhí)行的開銷以產(chǎn)生一組開銷； 根據(jù)一組偏好修改所述一組開銷；以及 對所述一組開銷共同進(jìn)行優(yōu)化，以確定使所述執(zhí)行的總開銷最優(yōu)的所述巡路。
18. -種激光切割機(jī)，所述激光切割機(jī)包括： 激光切割器，該激光切割器用于根據(jù)圖案切割工件； 控制模塊，該控制模塊用于根據(jù)一組命令對所述激光切割器進(jìn)行引導(dǎo)，使得所述激光 切割器在不停止的情況下跟蹤切割邊緣和遍歷邊緣；以及 運(yùn)動規(guī)劃模塊，用于基于所述圖案生成所述一組命令，其中，該組命令是基于使所述激 光切割器跟蹤所述圖案的操作的總開銷最優(yōu)的巡路來生成的，其中，所述運(yùn)動規(guī)劃模塊確 定一組切割邊緣和一組遍歷邊緣，其中，該組遍歷邊緣中的軌跡是動力學(xué)最優(yōu)軌跡，其中， 所述運(yùn)動規(guī)劃模塊應(yīng)用旅行商問題（TSP)解法來產(chǎn)生所述巡路。
19. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的激光切割機(jī)，其中，所述遍歷邊緣被約束為繞過禁飛區(qū)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求18所述的激光切割機(jī)，其中，所述一組命令是基于將運(yùn)動基元擬合 到所述巡路來確定的。
21. -種用于確定根據(jù)不連續(xù)輪廓的圖案控制機(jī)器的一組命令的方法，所述方法包 括： 獲取不連續(xù)輪廓的所述圖案以及機(jī)器的動力學(xué)中的至少一個；以及 根據(jù)使所述機(jī)器跟蹤所述圖案的操作的總開銷最優(yōu)的軌跡的序列生成用于控制所述 機(jī)器的一組命令，其中，所述軌跡的序列包括表示沿著在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非 零速度的輪廓的操作的至少一個軌跡以及表示在對應(yīng)的離開點(diǎn)和進(jìn)入點(diǎn)處具有非零速度 的不同輪廓之間的操作的至少一個軌跡， 其中，所述方法的步驟由處理器執(zhí)行。
22. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述機(jī)器的動力學(xué)包括最大加速度。
23. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述一組命令根據(jù)所述圖案控制加工工件的 位置、速度和開/關(guān)信號。
24. 根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述機(jī)器不為了跟蹤表示不同輪廓之間的操 作的軌跡而停止。
【文檔編號】G05B19/4103GK104412185SQ201380034337
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2013年5月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月27日
【發(fā)明者】M·布蘭德 申請人:三菱電機(jī)株式會社