專利名稱：激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法
激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于激光切割技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及激光切割機(jī)尋軌路徑的優(yōu)化方法。
技術(shù)背景
鋼材切割是很多大型機(jī)械設(shè)備制造過程中最基本的工序，往往也是最先的工 序，切割效率的高低會(huì)直接影響到后續(xù)工序。隨著對(duì)數(shù)控激光切割機(jī)使用的不斷增多， 提高激光切割機(jī)的切割效率已經(jīng)成為研究的主要方向。數(shù)控激光切割機(jī)所使用程序的切 割路徑規(guī)劃的好壞會(huì)直接影響到切割的效率，對(duì)切割路徑規(guī)劃進(jìn)行優(yōu)化則可以有效提高 切割效率，路徑優(yōu)化方法是指建立有效的數(shù)學(xué)模型，從而使控制器按照此數(shù)學(xué)模型所設(shè) 計(jì)的路徑發(fā)出指令來控制激光切割機(jī)的切割頭從而達(dá)到優(yōu)化切割路徑的目的。路徑優(yōu)化 問題的解決通常是在現(xiàn)有大型設(shè)備自動(dòng)編排軟件的基礎(chǔ)上，人為介入，引入數(shù)控激光切 割手工排樣和編程技巧，進(jìn)行數(shù)控激光切割手工排樣和半自動(dòng)編程，然后生成最終的優(yōu) 化路徑，但其具有自動(dòng)化程度和定位精度不高，激光切割機(jī)的空行程過長，以及由此造 成的切割時(shí)間過長等問題。發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述激光切割機(jī)的切割路徑規(guī)劃所存在的問題，本發(fā)明提供一種激光切割 機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法，該方法能使激光切割機(jī)自動(dòng)化程度提高、定位準(zhǔn)確，最大程 度的縮短空行程，縮短切割時(shí)間。
上述激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法在數(shù)學(xué)上可以轉(zhuǎn)化為TSP問題，TSP問 題應(yīng)用廣泛，是最經(jīng)典的NP-hard組合優(yōu)化問題之一，由于其計(jì)算的復(fù)雜性較高，長期以 來，研究者一直在尋求快速、高效的近似算法，以便在合理的時(shí)間內(nèi)解決問題。為解決 TSP問題，現(xiàn)提出貪婪算法，并以貪婪算法解決尋軌路徑規(guī)劃的優(yōu)化問題。
貪婪算法所遵循的原則如下數(shù)控激光切割先內(nèi)后外的原則。首先切割各單個(gè)工件內(nèi)部的廢料(孔)，再切割工 件的輪廓邊。這樣防止先切割輪廓邊后，工件脫離板料而使工件內(nèi)部的廢料無法進(jìn)行準(zhǔn) 確無誤的定位和切割。對(duì)于兩個(gè)工件之間有公用邊的情況則應(yīng)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，慎重 考慮，必要時(shí)，應(yīng)將公用邊處理成板料的內(nèi)部線條而優(yōu)先于輪廓邊進(jìn)行切割。在實(shí)際數(shù) 控激光切割時(shí)一般很少采用公用邊的做法，盡管采用公共邊有利于減少實(shí)際切割長度， 但是不利于保持零件的完整性和不利于控制切割變形等方面的原因，故一般不采用公用 邊的做法。
數(shù)控激光切割先小后大的原則。該原則對(duì)于接觸式隨動(dòng)結(jié)構(gòu)的數(shù)控激光切割尤 為重要，往往應(yīng)用于工件內(nèi)部廢料(孔)的切割過程中。其考慮的出發(fā)點(diǎn)主要體現(xiàn)在兩 個(gè)方面一方面，先割開小的尺寸，這樣零件剛度下降較小，板料在熱變形等外力作用 下的變形小，在保證質(zhì)量要求的同時(shí)，保護(hù)隨動(dòng)割炬不因變形的板料的阻隔而損壞。另 一方面，隨動(dòng)割炬不易陷入割除廢料后形成的孔洞中，從而保護(hù)了隨動(dòng)裝置，保證了加工要求。
先線后孔的原則。該原則主要用于解決公用邊切割問題。工件之間的公用邊通 常要與輪廓線分離切割，這樣處理成線與孔兩種情形，基于上述同樣的考慮，應(yīng)考慮先 線后孔的原則。
考慮板材熱變形趨勢。進(jìn)行數(shù)控激光切割時(shí)，板料受熱程度相對(duì)增大。因此， 在路徑優(yōu)化時(shí)，應(yīng)使整個(gè)板料的受熱盡可能均勻，避免局部集中受熱引起板料變形和工 件尺寸波動(dòng)。其中，主要涉及到切割順序的安排、切割層次的劃分等問題。
路徑最短原則。路徑最短原則是所有板材切割路徑優(yōu)化的最基本的原則，是縮 短切割時(shí)間和提高生產(chǎn)率的有效途徑。數(shù)控激光切割應(yīng)在考慮上述各原則的基礎(chǔ)上兼顧 路徑最短原則。這也是我們要解決的問題。
較少打孔次數(shù)原則。一個(gè)不可忽視的影響因素就是激光割炬的打孔次數(shù)限制， 激光割炬的電極和氣體噴嘴的使用壽命隨著打孔次數(shù)的增多而急劇減少，特別是在大電 流切割時(shí)，打孔瞬間電流沖擊大，電極損傷大。此類電極和噴嘴都是一次性的，用完即 報(bào)廢，而且目前還依賴于進(jìn)口，價(jià)格高；因此從易耗品的使用經(jīng)濟(jì)性考慮要控制打孔的 次數(shù)，并盡量減少打孔的次數(shù)。
所述激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的激光切割 機(jī)在切割過程中，在X-Y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)定位，同時(shí)割炬在Z軸方向進(jìn)行上下運(yùn)動(dòng)來確定切 割的高度。一般割炬相對(duì)待割鋼板表面保持一定高度，因此割炬要隨著鋼板起伏不平而 上下運(yùn)動(dòng)，這是獨(dú)立控制的。在切割優(yōu)化中，只需要確定X-Y平面內(nèi)的坐標(biāo)即可。
將切割打孔的程序段從源程序中識(shí)別出來作為所要優(yōu)化的程序段，然后剔除其 中的切割運(yùn)動(dòng)指令，再對(duì)快速定位指令進(jìn)行分析即可得到原路徑所有線段的起點(diǎn)和終點(diǎn) 坐標(biāo)。需要說明的是在打孔的時(shí)候?yàn)榱吮苊獯蚩讜r(shí)大電流沖擊導(dǎo)致割傷零件而設(shè)置了 引割線(包括引入線和引出線)，因此打孔點(diǎn)實(shí)際上有引入端點(diǎn)和引出端點(diǎn)的區(qū)別，即“打孔點(diǎn)”實(shí)際是從引入線端點(diǎn)進(jìn)，從引出線端點(diǎn)出的。這兩個(gè)端點(diǎn)之間的距離一般不 超過50mm，不影響整體路徑的優(yōu)化程度。
貪婪程序模塊GREEDY ()程序編寫方法如下第一步，判斷含有打孔點(diǎn)信息的數(shù)組S中的特征點(diǎn)是否多于1，如果不多于1，則程 序結(jié)束，如果多于1則程序繼續(xù)；第二步，在S中尋找到數(shù)組T中最后一點(diǎn)距離最短的點(diǎn)，然后把該點(diǎn)編入T中，并 從S中刪除該點(diǎn)；第三步，回到第一步進(jìn)行判斷。
運(yùn)用所述貪婪算法編寫尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法程序的步驟如下第一步，編寫程序?qū)⑺小按蚩c(diǎn)”的信息按順序編入數(shù)組S，注意保存“打孔點(diǎn)” 所對(duì)應(yīng)的引入點(diǎn)和引出點(diǎn)，以方便在回寫程序時(shí)使用，引入點(diǎn)和引出點(diǎn)之間的距離不超 過 50mm ；第二步，判斷S中是否有足夠多的點(diǎn)要進(jìn)行貪婪優(yōu)化排序，如果少于2個(gè)點(diǎn)程序終 止，多于2個(gè)點(diǎn)程序繼續(xù)；第三步，取離劃線結(jié)束點(diǎn)距離最近的一點(diǎn)作為起始點(diǎn)，將該點(diǎn)編入數(shù)組T，從S中刪 去該點(diǎn)，生成新的S數(shù)組；第四步，調(diào)入貪婪程序模塊GREEDY O，直至貪婪方法將所有的點(diǎn)處理完成，生 成新的路徑點(diǎn)數(shù)組T ；第五步，按照數(shù)組T中的優(yōu)化過的打孔點(diǎn)順序回寫切割程序，從而得到優(yōu)化后的切 割程序。
本發(fā)明所提供的方法能使激光切割機(jī)自動(dòng)化程度提高、定位準(zhǔn)確，最大程度的 縮短空行程，縮短切割時(shí)間，提高工作效率。


圖1為本發(fā)明貪婪程序主流程圖；圖2為本發(fā)明貪婪程序模塊GREEDY0流程圖； 圖3為GOO指令用法。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明。
如圖2所示，貪婪程序模塊GREEDY0程序編寫方法如下第一步，判斷含有打孔點(diǎn)信息的數(shù)組S中的特征點(diǎn)是否多于1，如果不多于1，則程 序結(jié)束，如果多于1則程序繼續(xù)；第二步，在S中尋找到數(shù)組T中最后一點(diǎn)距離最短的點(diǎn)，然后把該點(diǎn)編入T中，并 從S中刪除該點(diǎn)；第三步，回到第一步進(jìn)行判斷；如圖1所示，運(yùn)用所述貪婪算法編寫尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法程序的步驟如下 第一步，編寫程序?qū)⑺小按蚩c(diǎn)”的信息按順序編入數(shù)組S，注意保存“打孔點(diǎn)” 所對(duì)應(yīng)的引入點(diǎn)和引出點(diǎn)，以方便在回寫程序時(shí)使用；第二步，判斷S中是否有足夠多的點(diǎn)要進(jìn)行貪婪優(yōu)化排序，如果少于2個(gè)點(diǎn)程序終 止，多于2個(gè)點(diǎn)程序繼續(xù)；第三步，取離劃線結(jié)束點(diǎn)距離最近的一點(diǎn)作為起始點(diǎn)，將該點(diǎn)編入數(shù)組T，從S中刪 去該點(diǎn)，生成新的S數(shù)組；第四步，調(diào)入貪婪程序模塊GREEDY O，直至貪婪方法將所有的點(diǎn)處理完成，生 成新的路徑點(diǎn)數(shù)組T ；第五步，按照數(shù)組T中的優(yōu)化過的打孔點(diǎn)順序回寫切割程序，從而得到優(yōu)化后的切 割程序。
前述快速定位指令說明如下若Χ,Υ，Z軸最快移動(dòng)速率為15ιη/ ι，而上位機(jī)“快速進(jìn)給率”鈕調(diào)整在 1.100%,則以最快速率15m/min移動(dòng)； 2.50%,則以 7.5m/min 移動(dòng)； 3.25%,則以 3.75m/min 移動(dòng)；4.0%，此時(shí)由參數(shù)設(shè)定之(大都設(shè)定為400mm/mte)。
只要非切削的移動(dòng)，通常使用GOO指令，如由機(jī)械原點(diǎn)快速定位至切削起點(diǎn)， 切削完后Z軸退刀及Χ,Υ軸的定位等，以節(jié)省加工時(shí)間。
現(xiàn)以圖3為例說明其用法。刀具由A點(diǎn)快速定位到B，用絕對(duì)值表示G90 GOO X92.Y35 ；用增量值表示G91 G00X62.Y-25;GOO快速定位的路徑一般皆設(shè)定成45° (又稱為非直線型定位)方式，而不以直線型 定位方式移動(dòng)。斜進(jìn)45°方式移動(dòng)時(shí)X,Y軸皆以相同的速率同時(shí)移動(dòng)，再檢測以定位至 那一軸坐標(biāo)位置后，只移動(dòng)另一軸至坐標(biāo)點(diǎn)為止。如圖3所示，若采用直線型定位方式 移動(dòng)，則每次都要計(jì)算其斜率后，再命令X軸及Y軸的移動(dòng)，如此增加計(jì)算機(jī)負(fù)荷，反 應(yīng)速度也較慢。
本發(fā)明所提供的方法能使激光切割機(jī)自動(dòng)化程度提高、定位準(zhǔn)確，最大程度的 縮短空行程，縮短切割時(shí)間，提高工作效率。
權(quán)利要求
1.激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法，包括以下步驟第一步，編寫程序?qū)⑺小按蚩c(diǎn)”的信息按順序編入數(shù)組S; 第二步，判斷S中的點(diǎn)并進(jìn)行優(yōu)化排序，如果少于2個(gè)點(diǎn)程序終止，如果多于2個(gè)點(diǎn) 程序繼續(xù)；第三步，取離劃線結(jié)束點(diǎn)距離最近的一點(diǎn)作為起始點(diǎn)，將該點(diǎn)編入數(shù)組T，并從S中 刪去該點(diǎn)，生成新的S數(shù)組；第四步，調(diào)入貪婪程序模塊GREEDY O，直至貪婪方法將所有的點(diǎn)處理完成，生 成新的路徑點(diǎn)數(shù)組T ；第五步，按照數(shù)組T中優(yōu)化過的打孔點(diǎn)順序回寫切割程序，得到優(yōu)化后的切割程序；其特征在于所述貪婪程序模塊GREEDY O的編寫方法如下 第一步，判斷含有打孔點(diǎn)信息的數(shù)組S中的特征點(diǎn)是否多于1，如果不多于1，則程 序結(jié)束，如果多于1則程序繼續(xù)；第二步，在S中尋找到數(shù)組T中最后一點(diǎn)距離最短的點(diǎn)，然后把該點(diǎn)編入T中，并 從S中刪除該點(diǎn)；第三步，回到第一步。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法，其特征在于在第一 步中保存“打孔點(diǎn)”所對(duì)應(yīng)的引入點(diǎn)和引出點(diǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法，其特征在于所述引 入點(diǎn)和引出點(diǎn)之間的距離不超過50mm。
全文摘要
本發(fā)明提供一種激光切割機(jī)尋軌路徑規(guī)劃優(yōu)化方法，包括以下步驟第一步，編寫程序?qū)⑺小按蚩c(diǎn)”的信息按順序編入數(shù)組S；第二步，判斷S中的點(diǎn)并進(jìn)行優(yōu)化排序，如果少于2個(gè)點(diǎn)程序終止，如果多于2個(gè)點(diǎn)程序繼續(xù)；第三步，取離劃線結(jié)束點(diǎn)距離最近的一點(diǎn)作為起始點(diǎn)，將該點(diǎn)編入數(shù)組T，并從S中刪去該點(diǎn)，生成新的S數(shù)組；第四步，調(diào)入貪婪程序模塊GREEDY()，直至貪婪方法將所有的點(diǎn)處理完成，生成新的路徑點(diǎn)數(shù)組T；第五步，按照數(shù)組T中優(yōu)化過的打孔點(diǎn)順序回寫切割程序，得到優(yōu)化后的切割程序。本發(fā)明所提供的方法能使激光切割機(jī)自動(dòng)化程度提高、定位準(zhǔn)確，最大程度的縮短空行程，縮短切割時(shí)間，提高工作效率。
文檔編號(hào)B23K26/36GK102023611SQ20101056879
公開日2011年4月20日 申請(qǐng)日期2010年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月2日
發(fā)明者張志剛, 張文武, 程偉, 程良倫, 薛航 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)