数字切割系统的真空夹持器的夹持器头部的改进操纵

技术领域

本发明涉及一种包括切割机器和真空夹持器的数字切割系统，该真空夹持器被设计成从切割机器的工作台移除已经从片材切割出的切割部分。

背景技术

为了进行切割，可以将材料片材(诸如皮革或纸板)放置在数字切割机的工作平面上。数字切割机可以根据切割设计切割出片材的一部分，因此，切割部分具有期望的特定形状，其边界线具有特定路径。工作平面可以限定x方向和y方向。

例如在文献EP1385674B1、EP2488333B1、EP3260255A1、WO2018184677A1和EP3488983A1中描述了通用切割机器。这样的切割机器(或数字切割机)具有工作表面和工作组，所述工作表面被设计成接收一个或更多个待切割对象，所述工作组被以可移动的方式布置在所述工作表面上方并具有用于切割位于所述工作表面上的对象的刀片或另一切割装置。此外，摄像机单元可以被以以下这种方式相对于工作表面(特别是在该工作表面上方)布置，使得摄像机单元的视场包括该工作表面的至少一部分。基于在摄像机的图像中光学配准特征的位置或待切割片材上的印刷设计的识别，然后可以根据所选择的切割指令来限定切割路径(该切割路径可能已经针对在待切割材料片材中出现的二维失真进行了补偿)。

为了从工作平面自动移除切割部分，已知使用真空夹持器。这种夹持器通常被设计成从片材拾取切割部分，该夹持器具有夹持器头部和移动设备，特别是夹持器臂，使得该夹持器头部具有多个机动运动(motorized movement)自由度。机动运动通常至少包括在平行于片材的平面中的可变航向角(Ψ)和可变横向位置(x位置和y位置)，但还可以包括附加的自由度。特别地，夹持器臂可以根据任何期望的姿势定位在特定运动体积内，即，其可以根据任何期望的位置(具有三个平移运动度，例如x位置、y位置和z位置)和任何期望的取向(例如，航向角、俯仰角和滚动角)定位在所述体积内。此外，该夹持器头部可以包括具有已知几何布置的多个抽吸点。

例如在DE68903694T2、DE69008874T2、EP0348311B1、EP2720838B1和EP2911963B1中示例性地描述了根据现有技术的抽吸/真空夹持装置。

为了拾取切割部分，已知将夹持器头部(以夹持姿势)定位在切割部分上方和切割部分上，使得切割部分被夹持器头部的抽吸点的布置所覆盖。例如，抓持器头部可以以下这样的夹持姿势定位，即：使得抽吸点布置的中心或多或少地位于该切割部分的中心点上方和该中心点上。因此，为了确定夹持姿势，根据现有技术，可以计算切割部分的中心点，并且夹持器头部可以(根据夹持姿势)被定位成使其中心被定位在切割部分的中心点上方和该中心点上。另选地，根据现有技术的方法，可以确定该切割部分在x方向上的最大范围的中间x坐标以及该切割部分在y方向上的最大范围的中间y坐标，并且该矩形夹持器头部可以例如被定位成使得其头部长度的中心与该中间x坐标重合并且其头部宽度的中心与该中间y坐标重合。

发明内容

本发明的目的是改进利用抽吸夹持器从数字切割机的工作平面拾取切割部分的过程。其中，特别地，切割系统(即包括切割机和夹持器)的建造工作和物理结构受到的影响应尽可能小。

本发明涉及一种如下限定的用于切割系统的计算机实现的方法。

该切割系统包括数字切割机，该数字切割机用于根据切割设计来切割片材的一部分(即，从材料片材切割出多个部分)，该切割部分(即，已经被切出来的部分)然后具有其边界线的特定路径。

切割系统还包括用于从片材拾取切割部分的夹持器。该夹持器包括夹持器头部和移动设备，例如夹持器臂，使得该夹持器头部具有多个机动运动自由度。其中，至少以下移动性通过该移动设备提供以利用夹持器头部采用特定夹持姿势：

-在平行于片材的平面中的可变横向位置(即可变x位置和y位置，表示在平行于片材的平面中的两个线性独立方向上的平移移动性，如在平行于片材的平面中的两个正交方向，例如命名为x方向和y方向)；和/或

-可变航向角(Ψ)，表示在平行于片材的平面中的旋转移动性。

该夹持器头部还包括多个抽吸点，该多个抽吸点具有已知几何布置，使得多个抽吸点中的每一者的几何布置是已知的(该多个抽吸点的已知布置在下文中被称为“抽吸点布置”)，所述抽吸点布置限定平均网格间距。

根据本发明的思想，关于将由夹持器头部采用以夹持切割部分的夹持姿势的优化是以以下目标来执行的，即：使得抽吸点布置的以夹持姿势放在切割部分上并因此能够作用在切割部分上的抽吸点的数量最大化。通过以以下这样的方式确定和设置夹持姿势，即：使得以夹持姿势(即，当采用夹持姿势时)将放在切割部分上并由此能够作用在切割部分上的抽吸点的数量最大化，可以增加切割部分上的夹持力和夹持稳定性(即，当拾取切割部分并将其从切割机的工作表面运送到收集位置时)。

为此，更详细地，用于上述切割系统的计算机实现的方法包括：

步骤A)执行用于确定并设置夹持姿势的优化算法，切割部分将被夹持器头部以该夹持姿势夹持，所述优化算法被编程为使得抽吸点布置的将以所述夹持姿势放在所述切割部分上的面向切割部分的抽吸点的数量最大化，其中，根据本发明，所述优化算法在考虑/利用以下数据的情况下：

-第一输入数据，该第一输入数据始终表示切割部分的边界线的完整特定路径；以及

-第二输入数据，该第二输入数据与已知几何布置(即，夹持器头部的抽吸点布置的多个抽吸点的已知几何布置)有关，

对以下项进行优化：

-用于夹持姿势的航向角候选项(Ψ)，该航向角候选项在始终遍及至少90°延伸的范围内、特别是始终遍及至少180°延伸的范围内、更特别是始终遍及360°延伸的范围内；和/或

-用于夹持姿势的横向位置候选项，在亚平均网格间距范围内，即具有亚平均网格间距分辨率。

步骤B)提供所确定的夹持姿势作为输出数据。

如上所述，通过以使得面向切割部分的抽吸点的数量最大化的方式来设置夹持姿势，可以增加切割部分上的夹持力和夹持稳定性。因此，可以改进利用抽吸夹持器从数字切割机的工作平面拾取切割部分的过程，特别是几乎不需要或甚至不需要影响或重新构造切割系统(即，包括切割机和夹持器)的构建工作和物理结构。

根据本发明的另一方面，作为始终表示切割部分的边界线的完整特定路径的第一输入数据，可以例如使用切割设计数据本身(即，关于待切割部分的期望设计的设计数据)，但是也可以使用始终表示在切割过程期间由切割工具采取的完整路径的其它数据。例如，一些切割机以以下方式布置有摄像机单元(特别是布置在工作表面上方)，即：使得该摄像机单元的视场包括该工作表面的至少一部分。基于在摄像机的图像内在片材上印刷的光学配准特征的位置或基于待切割片材上的印刷设计的识别，可以确定切割路径(该切割路径可能已经针对在待切割材料片材中出现的二维失真进行了补偿)，并且该数据也可以用作第一输入数据。

因此，第一输入数据表示切割部分的整个形状(即，包括关于切割部分的形状和延伸以及面积/表面的覆盖的信息)。并且，根据本发明，切割部分的边界线的所述完整特定路径成为优化的一部分并被考虑/利用以用于优化。

根据本发明的另一方面，对用于夹持姿势的横向位置候选项进行的上述优化(特别是在亚平均网格间距范围内)可以意味着在夹持姿势的横向位置的变化(即，夹持姿势在平行于片材的平面中看到的两个方向上(即在所谓的x方向和y方向上)的位置/平移分量)下，实现面向切割部分的抽吸点的数量的最大化。因此，夹持姿势相对于片材的横向位置形成用于优化的一个优化参数。其中，夹持姿势的横向位置在包括夹持姿势的x坐标和y坐标的值的范围内/上变化，所述夹持姿势的x坐标和y坐标的值与平均网格间距一样近或比平均网格间距更近(换言之：夹持姿势的x位置分量和y位置分量以等于或高于抽吸点布置的平均网格间距的分辨率变化)。更具体地，夹持姿势的这些横向位置分量可以在夹持器头部的横向移动的整个可用/可分配范围上被连续地优化，或者可以被优化成减少到可行的横向位置分量的离散集合，该集合包括具有高于抽吸点布置的平均网格间距的分辨率的横向位置分量。然而，特别地，同样在使用可行的横向位置分量的离散集合的情况下，该集合的分辨率通常可以被选择为远高于平均网格间距(诸如，所选择的分辨率可以例如等于或高于通过移动设备定位夹持器头部的可达到的准确度)。

具体地，该可变横向位置可以是该夹持器头部在平行于该片材的平面中的可变x位置和可变y位置，并且该优化算法可以在亚平均网格间距范围内、特别是以至少毫米的分辨率，对用于夹持姿势的x位置候选项和y位置候选项进行优化。

类似地，上述对用于夹持姿势的航向角候选项的优化可以意味着在夹持姿势的航向角(即，夹持姿势在平行于片材的平面中的旋转分量，即，具有与平行于片材的平面正交的旋转轴线的旋转分量)的变化下，实现面向切割部分的抽吸点的数量的最大化。因此，夹持姿势在平行于片材的平面中的航向角可以形成用于优化的一个优化参数。其中，夹持姿势的航向角可以在至少90°的范围内连续变化，或者在夹持器头部可以采用的航向角的完全可用/可分配范围内连续变化，或者可以在航向角的离散值上进行优化，即减小到可行航向角的离散集合，该集合始终在至少90°的范围上延伸。

总而言之，根据本发明，上述优化算法的目的是最大化在夹持姿势中面向切割部分的抽吸点的数量，在考虑/利用切割部分的整个形状(即，切割部分的边界线的整个特定路径)的情况下，对用于夹持姿势的横向位置候选项和/或航向角候选项进行优化，远超过根据现有技术的夹持姿势的确定，其中仅考虑切割部分在切割机的工作表面上的总体/全局布置或位置(例如，切割部分在x方向和y方向上的延伸)来寻找或选择(即，设置/确定)夹持姿势。例如，根据现有技术，仅考虑切割部分覆盖的最小和最大x坐标以及切割部分覆盖的最小和最大y坐标来设置/确定夹持姿势。但是在现有技术中根本没有对夹持姿势进行优化，特别是没有达到使在夹持姿势中面向切割部分的抽吸点的数量最大化的目的，并且没有利用(即成优化的一部分)切割部分的边界线的完整特定路径。

根据本发明的另一方面，已知几何布置可以具有矩阵形式，其中抽吸点的固定定位形成规则矩形网格，从而在矩形网格的延伸方向上具有恒定网格间距，该恒定网格间距因此形成平均网格间距。其中，网格间距应该表示抽吸点布置内直接相邻抽吸点之间的距离。

根据本发明的另一方面，优化算法可以在始终遍及至少90°延伸的范围内以至少五度分的辨率、特别是以至少一度的分辨率对夹持姿势的航向角候选项进行优化。

根据本发明的另一方面，优化算法可以以对应于夹持器头部利用移动设备实现的可定位性的准确度的最小分辨率，始终在夹持器头部的机动运动的整个可用范围上进行优化，所述整个可用范围包括所述多个机动运动自由度中的所有可用自由度。

根据本发明的另一方面，已知几何布置可以形成不规则图案，其中以不规则分布的形式固定定位所述抽吸点，其中，每对直接相邻的抽吸点之间的平均间距形成所述平均网格间距。

根据本发明的另一方面，与已知几何布置相关的第二输入数据包括关于多个抽吸点中的每一者的固定定位的信息。

根据本发明的另一方面，多个抽吸点具有已知单独物理特性，该已知单独物理特性包括点直径(spot diameter)和抽吸强度中的至少一者，并且(作为进一步的优化目标)优化算法被编程为，

-使得由以夹持姿势覆盖切割部分的面向切割部分的抽吸点在切割部分上引起的总体抽吸效果最大化；和/或

-将总面积最大化，该总面积为以夹持姿势覆盖切割部分的面向切割部分的抽吸点的面积的总和，

所述优化算法还考虑/利用与抽吸点的已知单独物理特性有关的第三输入数据。

根据本发明的另一方面，优化算法可以(作为进一步的优化目标)被编程为使得在靠近切割部分的边界线的限定边缘区域内将以夹持姿势放在所述切割部分上的面向切割部分的抽吸点的数量最大化。例如，在夹持姿势的范围可以相等地提供最大数量的面向切割部分的抽吸点的情况下，夹持姿势在这方面还可以被优化成使得面向切割部分的抽吸点的最大数量的子集位于边界区域(即，靠近切割部分的边界线的限定边缘区域)内。这种边界区域可以例如被限定为距切割部分的边界线比预先给定的距离(例如5cm)近的区域。

根据本发明的另一方面，数字切割机可以根据相应的切割设计切割两个或更多个切割部分，两个或更多个切割部分中的每一者具有其边界线的特定路径和在片材内的特定定位。在这种情况下，优化算法可以作为进一步的优化目标被编程为使得总计将以夹持姿势放在两个或更多个切割部分上的面向切割部分的抽吸点的数量最大化。其中，然后优化算法还在考虑另一输入数据的情况下，对用于夹持姿势的航向角候选项(Ψ)和/或横向位置候选项进行优化，另一输入数据始终表示两个或更多个切割部分中的每一者的边界线的完整特定路径以及两个或更多个切割部分中的每一者在片材内的特定定位。

根据本发明的另一方面，夹持器可以被构建成使得多个抽吸点中的每一者可以通过在平行于所述片材的平面中在至少一个方向(特别是在x方向和/或y方向)上延伸所述平均网格间距的最大一半而单独地定位到所述布置内的单独的抽吸点偏转位置，使得已知几何布置是可变的。然后，优化算法还可以对用于夹持姿势的多个抽吸点中的每一者的单独的抽吸点偏转位置候选项进行优化。所确定的夹持姿势然后可以作为输出数据提供，所确定的夹持姿势包括多个抽吸点中的每一者的优化的单独的抽吸点偏转位置。

根据本发明的另一方面，所述优化算法可以基于以下项中的至少一项：

-图形化最佳拟合法；

-线性规划法，特别是单纯形算法；

-迭代法，特别是坐标下降法或牛顿法；

-全局收敛法；以及

-启发式近似法，特别是爬山技术或下山单纯形法。

根据本发明的另一方面，该夹持器头部可以是真空夹持器头部并且可以包括平坦夹持表面，在该平坦夹持表面处布置有该多个抽吸点。

根据本发明的另一方面，多个抽吸点中的每个抽吸点可以是单独地并且选择性地可控制和可激活的，其中，该自动控制器还被配置成提供关于将所确定的夹持姿势放在该切割部分上的面向切割部分的抽吸点的指示作为另一输出数据(使得该夹持器头部可以被控制成使得仅所指示的面向切割部分的抽吸点被激活以用于拾取该切割部分)。

本发明还涉及一种用作切割系统内的一部分并且在切割系统内使用的自动控制器，所述切割系统至少包括：数字切割机，所述数字切割机用于根据切割设计来切割片材的一部分；以及夹持器，所述夹持器用于从片材拾取切割部分。该夹持器包括夹持器头部和移动设备，特别是夹持器臂，使得该夹持器头部具有多个机动运动自由度，该多个机动运动自由度包括在平行于片材的平面中的可变航向角和/或可变横向位置(如x位置和y位置)。夹持器头部包括具有已知几何布置的多个抽吸点，所述布置限定平均网格间距。根据本发明，自动控制器被配置成根据如上所述的任何变化来执行如上所述的方法。

本发明还涉及一种包含指令的计算机程序产品，当该程序由计算单元执行时，该指令使计算单元根据如上所述的任何变化来执行如上所述的方法。

本发明还涉及一种计算机可读数据载体，该计算机可读数据载体存储有上述限定的计算机程序产品或承载上述限定的计算机程序产品的数据载体信号。

附图说明

仅作为示例，在下文中将参考附图更全面地描述本发明的优选实施方式，其中：

图1示出了第一实施方式中的包括数字切割机和夹持器的通用切割机系统；

图2更详细地示出了图1的夹持器头部；

图3从另一角度更详细地示出了图1的夹持器头部；

图4示出了第二实施方式中的包括数字切割机和夹持器的通用切割系统；

图5示出了图4的实施方式，其中夹持器夹持切割部分；

图6示出了第三实施方式中的包括数字切割机和夹持器的通用切割系统；

图7示出了图6的实施方式，其中夹持器夹持切割部分；

图8从上方示出了平坦工作表面以及相对于待夹持切割部分的未优化的抽吸点布置；

图9示出了图8的具有相对于待夹持切割部分的经优化的抽吸点布置的实施方式；

图10从上方示出了平坦工作表面以及相对于待夹持切割部分的未优化的抽吸点布置；以及

图11示出了图10的具有相对于待夹持切割部分的经优化的抽吸点布置的实施方式。

附图标记列表：

1切割系统

2数字切割机

3夹持器

10工作表面，该工作表面限定x方向和y方向

12切割机头部/切割机工作组，可相对于桥沿x方向移动

13数字切割机的桥/x梁，可相对于工作台沿y方向移动

14片材(材料片材)

15切割工具(例如刀具)

30自动控制器(计算机)

40切割部分

61夹持器头部

62移动设备

63抽吸点

64抽吸点布置

具体实施方式

图1示出了第一实施方式中的包括数字切割机2(即，切割机器)和夹持器3的通用切割系统1。作为平床切割机器2，其具有带平坦工作表面10的工作台，在该工作表面10上例如放置材料片材14，该材料片材14具有要从该片材切割出的多个对象40。

在工作表面10上方布置有工作组12，工作组12具有切割工具15，特别是刀片或刀具。工作组12可以相对于工作表面10以机动化方式二维地移位，以便能够接近工作表面10的任何点。为此，工作组12以沿X方向可移动的方式安装在桥/梁13上，桥/梁13又以沿Y方向可移动的方式安装在工作台上。

摄像机单元(未示出)可以布置在工作表面10的上方，从而可以记录整个工作表面10的图像。

特别地，切割机器1还可以具有振荡驱动的切割工具15和/或可以被设计成切割多壁复合板，如在EP284014B1中所描述的。

切割机器1另外具有自动控制器或控制单元30。如在此所示，该计算单元可以被实现成外部计算机，该外部计算机具有到机器1的数据连接，和/或该计算单元可以以内部控制单元的形式集成到机器1本身中。

该自动控制器或控制单元30另外控制夹持器3，该夹持器被配置成夹持从该片材切割出的切割部分40。夹持器3包括被配置成在3D中移动夹持器头部61的移动设备62，该夹持器头部61被配置成夹持切割部分40。自动控制器或控制单元30可以使用由摄像机单元(未示出)获取的工作表面10的图像，基于该图像，自动控制器或控制单元30可以控制夹持器3。

图2更详细地示出了图1的夹持器头部61。夹持器头部61附接到图1所示的移动设备62。抽吸点63附接到夹持器头部61，其中，抽吸点63被配置成夹持切割部分40。抽吸点63的不同布置是可行的，即，图2的三乘五个抽吸点布置仅是示例性的。

图3从另一角度更详细地示出了图1的夹持器头部61。抽吸点63的几何布置在图3中清楚可见。

图4示出了第二实施方式中的包括数字切割机2(即，切割机器)和夹持器3的通用切割系统1。图4中所示的实施方式与图1中所示的实施方式类似，并且与该实施方式的不同之处在于更换了夹持器3。具体地，与图1的实施方式相比，移动设备62以及夹持器头部61二者被改变了。如夹持器头部61上方的字母Ψ所示，夹持器头部61可以由移动设备62围绕轴线(例如沿着关节式机器人臂移动设备62的最后刚性段(最后旋转接头)限定的轴线)旋转。

图5示出了图4的实施方式，其中夹持器3夹持从片材14切割出的切割部分40。

图6示出了第三实施方式中的包括数字切割机2(即，切割机器)和夹持器3的通用切割系统1。图6中所示的实施方式与图1和图4中所示的实施方式类似，并且与这些实施方式的不同之处在于更换了夹持器3。具体地，与图1和图4的实施方式相比，移动设备62以及夹持器头部61二者被改变了。

图7示出了图6的实施方式，其中夹持器3夹持从片材14切割出的切割部分40。

图8从上方示出了平坦工作表面10以及相对于待夹持切割部分40的未优化的抽吸点布置64。在夹持切割部分40之前，将切割机工作组12移动到旁边。平坦工作表面10上的抽吸点布置64分别由夹持器头部61或抽吸点63(在夹持器3包括抽吸点63的情况下)相对于平坦工作表面10的取向和位置确定。在存在抽吸点63的情况下，并且特别是对于位于平坦工作表面10上的平坦切割部分40，抽吸点布置64对应于在抽吸点63(虚拟)正交投影到平坦工作表面10上的情况下首先到达平坦工作表面10的那些抽吸点63。如果所有的抽吸点63与平坦工作表面10具有相同的距离，则抽吸点布置64对应于抽吸点63在夹持器头部61上的定位。

在图8以及图9、图10和图11中，分别假设夹持器头部61或抽吸点63相对于平坦工作表面10不倾斜，即，例如所有抽吸点63与平坦工作表面10具有相同的距离。然而，当夹持切割部分40时，夹持器头部61或抽吸点63通常也可以相对于平坦工作表面10倾斜。

平坦工作表面10可以使用坐标系(例如笛卡尔坐标系)进行几何描述。可以在坐标系中描述抽吸点布置64的取向和位置，其中，例如可以使用抽吸点布置64的中心点(例如被体现为对称中心点)来描述位置，并且可以通过坐标系中的旋转角来描述取向。当夹持切割部分40时，抽吸点63中的一些抽吸点在切割部分40上施加抽吸力(图8中以黑色示出)，而其它抽吸点63不在切割部分40上施加吸力(图8中以白色示出)。

图9与图8的不同之处在于根据本发明优化了抽吸点布置64。抽吸点布置64被以以下这样的方式定位和定向，即：使得最大数量的抽吸点63在切割部分40上施加抽吸力，所述切割部分40被假设平坦地位于平坦工作表面10上。这样，可以以更牢固且稳定的方式夹持切割部分40。通常，夹持器头部可以被以以下这样的方式定位和定向，即：使得接触切割部分40的抽吸点63或抽吸孔的数量最大化。这种概括可以适用于可能从平坦工作表面10突出的待夹持切割部分，即适用于不平坦的切割部分。

图10和图11示出了与图8和图9中所示类似的情况，即相对于切割部分40的未优化和经优化的抽吸点布置64。与图10相比，图11的抽吸点布置64是根据本发明优化的，即，图11的抽吸点布置64被以以下方式定位和定向，即：使得在待夹持切割部分40上施加抽吸力的抽吸点(或例如图5和图6的夹持器头部中所示的抽吸孔)的数量最大化。

尽管上面部分地参考一些优选实施方式例示了本发明，但是必须理解，可以对实施方式的不同特征进行许多修改和组合。所有这些修改都在所附权利要求的范围内。