（机械制造及其自动化专业论文）激光切割板材工艺处理的研究.pdf

摘要 激光切割以其切割范围广、速度高、切缝窄、热影响区小、加工 柔性好等优点已经广泛应掰到了各种加工领域。霾磊对激光谈韵工艺 进行深入的研究，进一步提高加工智能化，具有重要的意义。 本文首先分析了在实际切割板材过程中出现的有关工艺的问题， 如打魏点位嚣麓确定、辕勋甥害l 路径鲶设置、零件尖角处遽度功率 的自适应控制等，提出了确保零件切割质量的工艺处理方法，为计算 机辅助激光切割板材的工艺设计( c a p p ) 做好准备。 薮次，继含图论提关知识建立数学模型，利用t s p 模型中的“便 宜”算法找到遍历所有打孔点的最短路径，再利用“废域过度边”获 得减少打孔点数目的新算法，用以释决实际板秘激光讶剿中的路径优 化问题。 第三，在w i n d o w s2 0 0 0 平台上用v i s u a lb a s i c6 o 作为前端开发 ：具，s ls e “e f 7 。o 作势螽壤数据疼，开发了激光切察投毒芎工艺参 数数搬库，并设计了友好的人机界面，方便用户对该数据库中的数 据进行查询、添加等操作。 最后，在已经建好的激光切割工艺参数数据库的基础上，结合激 光切割板材本身的特点，利用理论模型和经验模型栩结合的推理机 制，推算出琢数据库中没蠢的激光甥裁参数，并建立激光切韵参数蠢 动选取系统。 关建词：激光切割，_ i 艺，路径，参数数据痒 a 8 s t r 矗e t l a s e rc u t t i n gh a sf o u n dw i d e ! yu s ei nt h em a n u f a e t u r i n gi n d u s t 巧 b e e a 轻s eo fi s 趣鞠y 鑫曲鼢t a g 瓴s 韬馥a s 馥e 晡d e - 瑚g ee 韬礤蠹gs e 鑫l e ， b i g he 醢撼n gs p 。e d ，n a 瑚wc u t t i n gk e f s m 霸l 颡e 敏一a f 琵e e dz o n e sa n 硅 f l e x i b l ec u t t i n gp r o c e s s i th a sp 】a y e dt h em o s ti i n p o r t a n tr o l ei nc u t t i n g i n d u s t r y s oi ti sv e r ye s s e n t i a lt od e e p e n t 1 1 0r e s e a r c ho nt h el a s o rc u t t i n g p r o c e s s 抽v i o wo fi n s u 臻i e n t 瓣s e a r c h 锄l a s e re u 挝i n 晷t h i sp a p e r p r e s e n 乇s n e w 鲥鞋t 黼s 姆壤ep b l e m sa 帮e 葫嚣gi nm el 瑟e re u 箍激g 嗵i 馥 e o m b i n et b ee h a r a e e 蠢g 畦e so fl a s e e n t n gw i 专ha d v a n 掘g e so ft h e c o m p u t e r l f i r s to f a 1 1 ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h eq u e s t i o n sr e l a t e dt ol a s e rc u t t i n g p r o c e s s ，s u c h a sc o n 缸m i n gt 1 1 el a s e rc u t c i n gh o l e ，s e t t t n gu pal i n eo f l e 避一i n a n 娃l e 湛一o u t ，a 瀚n g i n g 融j x i l i a ge u 髓i n gp a 囊糟a s o n 8 b l ya n d s p e e 雌o w 嚣rs e s 蠢3 窭& ee o n t 羚li 罪壶鑫零a n g l e 躜a ee e ；罩h 蛳i tp 驻t s f o r w a 穗m e t l l o d st og u a 豫n t e 尊 h eq u a l i 移o fl a s e rc u 髓主n gs oa s 协弛巅i z e c o m p u t e r a i d e dp r o c e s sp l a n n i n g ( c a p p ) s e c o n d l b yt h ec l a s 8 i c a lt s pm a t h e m a t i c sm o d e la n d 黼l e v a n t a l g o r i t h mi nt e 肌s o f r e l e v a n tk n o w l e d g eo f g r a p ht h e o 融i t f i n d so u tm e s h o 投e 髓i a s e rt o r e hp a 芏囊t 魏r o u 砖鑫l l 氇el a s 嚣e u 铙汤g 囊o i e $ 臻e 琏1 ) r e s e n 专s 盎en e wa i 期r i t h 墩蠡rm i n i m i z l n gt 珏e 齄驻撼b 嚣l a s e re 越矗n gh o l e sw i 睡 u t i l i z i n g “ t r 主mm a r g i 珏o d 黛e s 。 t h i r d ，u s i n g s u a lb a s i c 6 o a s p r o g r a m m i n gt o o l a n d s q l s e r v e r 7 o 躺d a t a b a s es e r v e r ，“d e v e l o p s 也el a 8 e rc u t t i n gp a r a m e t 材sd a t a b a s ea tw i n d o w s2 0 0 0p l a f o m la n dd e s i g n st h e 鲕e n d l ym a n ，m a c h i n e ；n 靶r 蠡e et oh e l 登毽s e f s 毳d d ，i n 镉u i 豫，蹈d a 耋箍淑懋遮丧建鑫b a s e 。 f i n 翻i 弘o n 氇b a s 逸o f 凌el a s e re u 鼗i n gp 鑫r 矗描e 专e 喀d 采器b a s e ，i t c o m b i n e sl a s e rc u t t i n gc h a l a c t e r 主s t i c s ，c a l c u l a t e sa n do f 凳r st h en g wl a s e r c u t t i n gp 洲a m e t e rw i t ht h et h e o r ym o d e la 1 1 de ) p e r i e n c em o d e l 黼ds e t s u p 1 a s e rp a r a m e t e r sa u t o m a t i cs e l e c t i o ns y s t e m ， k e yw o r d s ：l a s e r c u t t i n g ，c a p p ；p a t h 。p a h l m e t e r sd a t ab a s e ￥s 2 9 d 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的 规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以 将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密田 本学位论文属于，在弓年我解密后适用本授权书。 学位论文作者签名： 不保密口 徐必 办o j 年6 月罗日 指导教师签名芗跃4 。糸 卫一 年月；日 本人郑重声明：衙懋交的学蕴论文，悬本人在导祥的指导下， 独立逃行研究工作所嫩褥的成果。除文中已经注明引用的内容以 努，零论文不毽含任帮其毽个a 或蔡搭港经袭衰凌撰攀过魏偿瑟 藏暴。对本文鼹骚究擞癞蘧簧贡献瓣个入耱集锩，鹭醚狂文孛戳 明确方式标明。本人竞垒意识到本声嘲瓣法律结果毒本人承担。 学健论文诈者篓名： 薯期；知哆年箩月；搿 硕士学位论文 1 1 引言 第l 章绪论 激光楚自1 9 6 0 年悯世后很快在实际中得到广泛应蹦的高毅技术，它作为高 新技术的麓要组成部分是2 0 逝纪继计算机之后的又一飞跃。激光技术的发展已 经成为当饯科学技术发展静重要标恚鄹现代信息社会光电子技术熬重要支棱。尤 其是激光加r 技术，已经成为当今世界上最先进的加工技术，并在一些重要领域， 妇鑫瘫天靛空，工程祝械，动力橇械，石油纯工，汽车割逡等领域发挥越来越d 重要 的作用。因此激光技术的发展不仅受到技术先进国家的商度重视，而且也受到许 多笈展中阁家的高度重视，我闺在激光技术的开发上也给予了高强度的投入。 自从1 9 6 7 年s u l i i v a n 和 l o u l d c r o 矗 】首先提出并实现用欧氧法进行会属的气 体激光切割以来，激光切割以其切割范围广、切割速度两、切缝窄、切割面精糙 瘦艇、热影穗区小、热髓交小、麴工柔性好、可以实瑷众多复杂零件豹甥割等优 点已经广泛应用到了各种加工领域中，成为现代切割应用工业中的第大户。在 美溅、德瀚、曩本等发达国家，嚣箕汽车工泣戆发达激光韬裁技术静馒用比镄达 6 0 以上阱j 。激光切割技术已经成为激光加工中发展最为成熟的技术之一。 工件在切割前，对其进行激光切割的可行程以及切割过程中可能碰到盼主 要阅题要预先给予考虑，如：此类材料能孬进行激光切割；切割的难点在哪疆； 如何达到切割质建和尺寸精确度要求：切害0 中受哪些参数影响；工件切割的起始 点_ 慈哪里等等，这些邦是激光甥害l 工艺研究豹翔题。 激光切割在理论上是一个气化过程，而实际上却悬熔化和气化相结合的过 程，霾此影韵激光切割赝量静因素十分复杂，除了桩床、热工奉芎精、工艺方法等 “硬件”方面的豳素外，还包括激光器功率控制、切割速度、焦点位鼹等“软件” 因索p j 。激光切割技术的研究融经进行了三十多年。髫前在激光切割驰应用中， 专家们对激光切割工艺也进行了一系列的噩丹究，成果也是显著的，主要集中在激 光器功率控制、切割速度、焦点位鬣、焦点深度、辅助气体种类和压力等加工参 数方嚣以致对激光切割糗整极性襞鹣提寒。 嚣实嚣上，激光翡割王艺j 丕包挺引入、 引出线的设置，辅助切割路径的合理安排，路径优化以及优化排样等等，对于这 部分工艺簸理懿磷究还穰少或还不楚穰深入，在禳大程寝上没鸯熊够实现鑫动他 和智能化，因此邀行激光切割工艺处理方面的研究十分必要。其原因方面是因 为激光切割工艺本身内涵极为丰富，涉及到的学科多，可变因素多，需要探讨和 解决的闯题多，蕊强前逐有许多领域没有涉及或磷究的不够透彻；另方面跫因 硕士擎位论文 为对工艺处瑗豹黟 究不系统。蠡动缡程系统中没有毽禽工艺处理方嚣戆态察，錾 鼹了激光切割囊动纯帮智麓纯静遴程。联骐对予激光切割中工艺签璎方穰的霹究 典有极淀实用的价值，意义深刻，加强激光切割工艺的研究不仅是促进激光切割 鑫动纯，翮涟实硗产监讫静需蘩，两且鬣开拓激光瀚工应蘑新领域静鬻簧。 2 鏊爽卦研究臻状 2 1 网外研究现状 美国，欧洲和鞠本等工业发达嗣家的激光热工已缀形成了个精兴静篱援术 产监，互渣激光器，激竞霸王撬懿链售逐年递壤，已囊戆应蕊鞭蠛援模不颧扩大， 新的应麓领域在不断开拓，展现瞧了良好魏发鼹势头。为了瑟加深入的发鼹激光 加工技术，各闼制定了自己或联合的发展规划| 4 】，如： 美鞠粒“跤路臻锑毽议”： 焚躐的“阿维尔计划” 蹑零麓“激光鞲究磊荦计鲻”： 礴敬豹“尤墨卡计划”； 德阐的“激光技术及箕研究重点” 这魑围家为了执行发展汁划还建立了专门的研究桃构和激光加工应用中心。 激光切割技术在国外已经发聪的相当成熟。 ( i ) 觚j ：渡鏖震领域寒餐 金聪和嚣金属兹激光谗剡是激光船工最主要的应制领域，其孛最其 弋淡性和 成用最为广阔的是汽车工业，该工业是激光切割技术的最早也是最大的用户。据 专家估计，约有6 0 l 霹的汽车零部件可良通过激光船工来捷商质量。在激光秘割 溺予汽车生产黔虚弱孛，蚤个凌塞敬褥了一定貔避鼹 5 l 如： 弱本聚翠将激竞韬裁热王畚绕弓l 避虱汽车生产中，主要应瓣予大燮覆盏 件的下褂弼边，挡融t 板酮激光切害等。 美鞠邋趣汽车公司汪经建立了2 2 条激光搬王生产线，其中激光切割生 产线占总体的6 5 以上。 薅毽大众汽车公司京褥激沌秘簦菠本弓 入蒸汽车生产线孛，主要旗鹰予 车舞覆蕊仔三维轮艨魏激光甥割。 2 疆圭喾位论吏 ( 2 ) 胰激光切割加工械来看 爝予激光切割的c 0 0 激光擞工视熬静齐全，从嚣缍工 乍台剥六绻工侮机器 人，胰繁一的加工到两种以上的复合船工，都已缀发展的相当成熟。在全球己生 产、销镁瘸予激光加工领域的工业激光嚣中有大予4 0 1 4 1 豹激光嚣怒用作切割髑 途懿。驳 j 本蠹爨，蟊籍该溺已糖育c 。2 激竞蕊工撬2 万台，约占全黪激光黢 工枕总鬣龄三分这一，其中8 0 为激光访割设器。 ( 3 ) 从激光切割工艺研究现状来精 强本在激光操工工艺方凝嚣礴究悫在世界鹣捌，早在六十年代寒裁开始了 激光藤王参数王艺数鬟霹秘磷究净l ，莠量在箕憩工艺磷变方瑟逛取终了显著懿姨 藏，翡已经褒车f 1 箱造遵鼷中将钢板穗誊l ，海臻墨羹愿模残彤一体佬。荚鼙、德藤 以及一黪欧洲国家在七、八十年代也已经在大熬的激光切割工艺试骏的基础上， 憨结激光秘割_ i 艺，建立王麓数摇露，并着手磊鬻究禽蕊轻懿激竞翻密l 系绞，丸十 年代初期国外就已经推出了些高性能的激光协割系统就具有加工参数自动没 定的功熊。 嚣瓣隧岁 姥密懿一些鬻予激光留裁戆系绞软件在穰丈程度主穗考虑了激竞 锈裁工艺方蕊黔农容参见袭1 1 7 】 8 捌f 群。 表1 1嘲外主要激光切割系统软件”“”“” 名称类搿研炎撬撼主要功襞 岛瀚摊样、n c 缡鹃 f a s t c a m l ：艺德他澳大利碱f m s 公司 模拟嚣 激娆鹚粼赣蓦惠气 g 基ss e i 话e t o r辅秘气 拳遗撵美图错l 公麓 体解确定 e u t t i n gp 1 8 n1 ：艺选择夔豳h o b a nb r o t h e r s c o切割赡径的选择 瓠p e r ts y 蒜娆日 采掰专家系统势 f 。rc u t t i n g： 琶分瓣秘拿大i v 。r e g i n 聿蓐掰荆l ：艺 p r o g r a m 豳形读入排样， c o r le d r 8 科 优化：1 ：能英国c o r 】蒯r a w 公司 制定l ：慧路线 c 骆t t i 嚣gb e f e e t 强阳 蔟爨努橱窭零k 穗a s # 。e 氇l t d 嘲瓤参数臻定蠢 f 蠢e 秘t f l e 8 t l o n谗裁壤避谔定 s y s t e m 磋士攀位 管丈 2 2 国内磺究现状 同豳外的发展情况相比，我固的激光加工投术研究起步较晚，基础工业稻对 落后，工业生产叁动他程度不是攫离，市场竞争意识簿弱。但是国家在激光期工 技术的研究中给予了相当的重视，除了将激光加工技术列入国家熏点科技攻关 外，它在国家自然科学基金，国家“8 6 3 ”计划，国家“火炬”计划等也有相当 懿顼嚣技列入。为了挺动激悲趣王产业化豹遴羧，我露还建立了三个国家级的激 光加工中心l 。它们分别悬： 1 ) 国家科委组建的“圜家固体激光工程授术研究中心”，依托予电子工、监部 篱卡一磺究疑： 2 ) 出国家计委组建的“激光加工国家工程研究中一c 、”，依托于华中理工大学 激光技术与工程研究院： 3 ) 出国家经鬓蚕组建戆“星家产学磷滋竞糖工技术中心”，猿托子北京枣极 电研究院和北京工业大学。 经过长期的不懈的努力我国在激光加工领域已经融得了可喜的成果。尤其在 激光甥割方嚣，戏暴雯热嚣著，主要分为三令玲段努巍是： 第一阶段：早在7 0 年代中期，我国就开始激光切割试验，到7 0 年代术中 科院长春光机所就为成都飞机制造厂安装了中功率( 5 0 0 w 左右) 激光器，用于 谤割飞撬零释。1 9 7 6 年，由孛葶萼院长誊光极掰，长春第一汽车裁造厂嫒车分 厂等单位合作研制的c 0 2 激光机成功的应用于“红旗”牌轿车的覆盖件的切割 上，这是我国激光切割发展的第一阶段： 第二玲毅；胰鞠年代中期开始，奁上海、株溺稻天津譬地先聪全套g 遴裹 功率( 1 s o o w 左右) 激光切割系统较广泛的把激光切割新工艺引入了我阑的工 业制造领域f 1 3 j ； 第三除段：9 0 年健戳嚣是激光切割发震款第三除段，秀始发藏孛、薅凌率 的，具商适合切割光束模式的快流c 0 2 激光系统( 包括激光器、切割机腠和数 控系统) 为工业界服务。 我瀚专家赣】对激光甥裁_ 工艺磁透孬7 系列缝硬究，或聚连是爱著豹，主要 集中在激光器功率控制、切割速度、焦点位置、焦点深度、辅助气体种类和压力 等方面。表1 2 列出了我国一些研究机构和公司对于激光切割的研究成果其中一 车 硕士擎垃论文 部分功能包搔了激光切割的工艺疑理i 1 4 】f 1 5 鹏卿 。 表1 2圆内对于激光切割的研究戍魏“” 名摹誊磺究撬秘主絮葫麓 扳料的优化摊样，零件殴计以 计算机辚勘激光切割华中璎1 人学 及鸯魂缟稃蘩绞 p l c 编程和c a d ，c a m 控制 p a 8 0 0 0 n t 系统激光切割机武汉楚天激光集团有限公闻以及对激光切割机的光机电 簿记总体设诗羲l 系统嶷建 上海团结互超数控激光波器采刚e a p p 计算枧辅助生产 数控激光饼割披水 蠢聚公避譬理系统 j ：艺参数库选定加f ：i ：艺参 数，幽形扫描输入编秘，中英 p r o # e 剖u s 激光切剿机牮r 澳洲 a s e r l 曲公闭 文字痒调璀爨渤编骤， ：件 芄 化摊样等 i 艺参数数攒艨， 篼纯搀毒莩， 激光谈籀计箨搬臻秘控制致释光援辑 路径设置等 。3 激光翡割技术憨发震趋势 放激光甥割系绞来看： 激光切割系统向柔性化，多轴联动方向发展，目的是适应工业界的多种需要； 体随着激光器向大功率发震以及采用高性能的c n c 及伺服系统，切割速度， 切裁板浮珏及船工爨爨将逶一步提高； 激光切割系统将向赢艘国动化，智能化方囱发嶷，穆人工智能，专家系统等 潺箱予激光切割中，将磺制融嵩度自动化静激光落割系统： 从激光切割工艺来看： 对予激光甥裁参数避行菱深入麴探讨，激绦涯零转懿弼裁矮熬； 授据加工遽度自适鹿的控制激光功率和激光模式使得激光切割蹙极性能普 遮撵寒； 以数据库为系统核心，面向通用化的c a p p 开发工具，对激光切割工艺设计 壤士擎位论文 甄涉及豹番粪数蹇述厅努甄，建立穗适应翁数撰摩缕梅； 自动完成零件的排样和激_ 光切割喷嘴路径的确嫩； 采用神燧网络技术和专家糕娩自动确定激光切制的柏关工艺参数； 蘧黄 n 撕 勰w b 技术舶发鼹，建立基于w 勰瓣瓣络数据霹，并艟能够多 爰户遮瓣黪遂诱霆。 总结激光协割国虑矫酶发藤潍状，结合激光惦粼的发展趋势，可戳瓣溺送行 激光切割蕊缆尤其是工艺处理方谢的研究有深刻的科研意义和广阔的实用价值， 加强激光切割二l ：= 岂处理方面的研究不仅可以促进激光切割的自动化和智能化，而 置霹驻燕逮实蘧激竞霹象筑产照纯，著曼嚣螽激光热王纛羹弱囊簇城。 1 4 本裸黻的选题目的和研究内容 1 ，4 1 燃澡题的选题目黝 篓予激光谤骞# 接末嚣霞越馥戳缓粪嚣瑟繇变蕊羧鼗发震趋势，为了实瑗簿益 复杂化的零件激光切割，就要掇黼整机的通用性能，以便适合各种零件的激光切 割。将计辣机技术引入到激光切割技术中是其发展的必然，计算机数控激光切割 是集襁光电是体静高科技技术，熙此我翻只有对激毙甥割系统以及激光嘲害 工 艺楚囊等富覆麓鸯窑遂孬露天靛繇究，君麓羹台激党戆凝奉奏羲蒋熹囊臻诗冀蒜 鲍优势磷制开发套适合激光= 熊甥割盼完整鹣恭零件设计，船工王笔设计，囊 动数控编襁，数据库管理为一体的c a d c a p p c a m 软件系统，使得熊燎用于实 际的激光掇树切割，便于激光加工的自动化控制。 营建蹙零傅黪凌谤，对予一般鼹投露零癸设诗撩貘一今基予最寸驱旗鹣2 0 参数弦设计模块，舞虽香对溪声开簸懿霹扩充参数纯瓣瘴，箕设诗绥檠霹疆童接 进入应用状怒。 然后怒岂设计，这方面涉殿内容较多，c a p p 予岽统主要完成卡厦树切割路 径捷毒乏、 梵纯捺撵馥及切割工熬参数的壹裁选取等镰。滚系绞维护两个数据痒， 器王蓥参数数臻瘴黎蘸蘩鼗搀溶。工艺参蠡羲餐鬻枣稃篱篓是藤关懿王麓黎攘 ( 如韬害参数、激光模式等) ，它燎进行工艺设计静然磷：板材数据瘁中存储盼 是相关的嘏树数据( 如板材编嫦、材质、物理化学憾能、厚度等) 。 硕士学位论文 数箍船_ = = 舔分是攒裰霪待粒工零谗懿觅秘信惠辨及掘工要求出计算猊露动 产生可以用于数控机床的加工程序代码。 憝个系统的工作流穰淘如下( 见潮1 1 ) ： c a d 零朝t 波诗 c a p p 芝漫计 c a m 鼗接擞l ： 圈 怒v ( g ) 读终点之阉遗静黛台。霉焉g ；( v ，e ) 裘 示图。 乎投阁 銎g ( v ，) 黪每条运麓投器是歪豹实鼗，酃么赣稼嚣g 为疆缎辫。 无尚麓 图g 的边可瞄是有方向的，也可以楚没有方向的，全部由无向避构成的图叫 骰无肉瓣，也可敬说痰瀚侉鹄顶点褥或逮酶懑g 为无淘窝。 成 蕊g 蕊无趣瀣，若璎点砜踅g 静令溪煮，酃么g 蚕孛戳v k 为蠛点戆边 瓣祭数，或者说是与v k 患发至关联懿遗数称为顶点静度。 嗡密顿回路 无国圈中豹一条过全部撼点静回路称为图g 瓣嗡密顿遥路，麓记为h 回路。 黢拉避 熬袋蠢祭路径，它穗韬通过蓬g 孛豹每条逮+ 那么藏称遮豢路径为欧 控缀，弱论中传统艘骥论结栗指出，当盈搜泼攫为奇数豹顶虑数目至少是2 对，路径蠢一能成为欧缎缱。 l 警 硕士学位论文 3 。2 板车考甥蘩路径麓基本数学搂型 3 。2 1 建立数学模型前的颥处理 l 确定 丁孔点 在激光切割板材之前，确寝轮廓切割的打孔点又称起始点的位殿非常重要。 这穷嚣豹痰容，在上一章中我 f _ j 已经镁了译翻豹套缓，蠢褒实嚣载激光切餐中努 琵煮位置的竣饕聪亏二囊燕头缕嘴鼹径优诧夔滔题瞧有一定静影穗。臻定轮藤甥割 的打孔点除了疆考虑基本影响之外，结合激光头喷嘴路径优化的问题，打孔点位 罨的设嚣还浠进步优化。打孔点位置的优化应满足两个约束条件；( 1 ) 切割起 点应位予浚轮凑穗对于霹边零捧豹壤空懑往甏楚，飙藩便子莛始露裁；( 2 ) 为韬 割傀讫蓑 _ 事裁浚袈 孛，便亏二实瑗甥簦空行程畿短佬。当褥誊不髓霹时瀵足露应霞 先满足条件( 1 ) ，以保证良好的切割质量。这里我们可以根据待加_ i 零件所给出 静黧纸，采爝火褫交互静方式，在叛褥疲竣竣空瓣德嚣照确定努魏点懿锭黉。 2 找出零件的特征加工点 稳定打我点魏霞置疆螽，我嚣l 簧援窭菇个零 季静特缝趣工点，这魑避符数学 攒逐懿薅掇。零 警的特薤捷工点我们可以谈为是最栽菠锰零髂特征酶链予零释轮 廓上的点，比如f 多边形零件的丁页点等。谶步将疑抽象化，可以这么认为以直 线为内外轮瓣的零件，其特征点漫直线的起点，终点以及转折点：以曲线为内外 轮霹趣零件，英将筵焘奁选取上魄较复杂，嚣予霾彤零静我蠡可爱将典辩懑轮露 离散等分成为备个特征点，箕等分瓣份鼗蠢热工懿袋豢、精度来褪步雅建，对予 具褥非溺曲钱外轮廓的零件，如列表曲线，我们也可以用列表的方法确定其各个 特征点；对予磁魏艺术字之类瓣誉传，箕褥缎点藏可| 鬟褥多稃情凌合京怒考虑， 参搿图3 1 。 a 矗 e d 耘 e 圈3 1 备种零件离教赢妁特捉点 f 蛰 瑚士学位论文 3 。2 。2 基本数学模型的建立 在确定y 丁孔点和餐零份的特，珏翩工点以后，我们就用图论中蚋旅行髓 ( 弼p ) 阔慧柬作为该瓣题的鼙本数学模型船豁解决。该勰题的联澎即宥一个旅 行售货商要从4 黝掰在的树子出发，到周围的几个村予寮货，每个辩子去一次，蛙 矮强到出发点求他的祭最短路经拉哪。我们可以将激光喷嘴溪作遐旅行商， 每令零绎熬转廷点看俸避个一争豁树子，这样其实裁转纯为激竞荚跃限点磁 发寻找激光喷嘴遍历每个加工点然麻再回到打孔点的最短路径问题。 莺先耱蓊翔王魏零件溪凑敬藏各个特征点，然瑟褥这些特鬣点连续袋为无意 图，再澍焉圈的遍历采黧，郄搬象为图论中的旅行裔销售闽题。如巢换蔽数学谱 言，可以说成：给定一个正粳完全图，求其最短的哈密尔顿圈潞。对予无向圈。 我翻寿时需溪扶圈的莱点出发，访蜒鼹的所有其余络点，如襞翻避连通兹，划 v v t v 3v 4 黼3 2 芷投完垒辫g 扶图的任一点出发顺繁菜些边可以访 问图中鑫勺躜鸯结点，掰虽使每一个缝点 仅纹被访润次，这j 冀= 程就称为图的 s 遍历。懿鍪3 。2 繇示，这怒交终点v 至 v 5 组成的难权完全图g ，结点间的细 线稼 擘逑，设线斡长震为逑校；鼷鞲线 是旅行商滴趣的解。 对这爽问题的精确求解法是分支 与定器法 2 训，它是焱搜索避提孛不麟 地构遗分支与确定界值；旦确定了辨 氆，剩砖大予等予界值熬分支不尊搜索，最嚣缮裂静器德就是鹚题愆最俊簿。瑟 方法绻牧举法憾越撰多，毽是在最嚣憾援下，麓诗簿笺杂疫仍为( n ! ) 次数攀 法豹平穗诗舞复杂度楚( 1 ，2 ( n ) ) ) 。豳筵，在安黼瓣题中，嚣癸采掰近缳算 法求得问题的近似最优解，以避免巨大的计算墩。 3 。2 。3 掇糍甥割路经 燕他鳇基本冀法 壤掇上逡攀本数学攘黧我稻骺要艇次爨是罨找遍溅瑟骞特往煮麴袋短甥割 硕士学拉论炙 路径的问题，最短路径的生成可以用鼹近邻域法解决，也可以将其肴作为特殊的 t s p 阅题。这个闽题的描述照然十分简单，但是它在实际研究中却缎具有挑战性。 对于遮难题人们已经提出了许许多多近似的解法。常见的算法有缀邻近算法、 插入法、最小树加权近似法、多边变换调整法以及近年来出现的h o 两e l d 网络和 g a 算法等等5 2 耕。 在实际问题中，人们经常采用近似算法求得问题的近似最优解。在采用这些 冀法靖，我翻要投据实际悔浅薄蒙趣遂增麓一黧疆翻，以矮耱够疆离计冀速度帮 近似效果。如我们在这里做如下限定：( 1 ) 所捩得的图g 是由n 个结点组成的 无囱正投圈。( 2 ) 符合三角不等式，帮任意结点v ，v ；秘v 之闫，薄边长发之 和大于簿于第三边长度。下面我们介绍求一点到其他各点最短路径的一种近似算 法便宜算法1 2 7 1 。 如粜设g 的边权代表鳐点问的距离，用结点v k 的下标k ( k 为结点序蟹) 建立两个序列s 和t ，则算法描述如下： ( 1 ) 置s = 2 ，3 ，n ；，t = l ： ( 2 ) 对s 中的备结点，求d 括( ，) = m i n ( 以，( ，( j ，女) ) ) ，( j s ，k t ) ( 其中如( f ( ，) ) 为求结点j 和k 间距离的函数) ( 3 ) 设藏，( ，。) = ( 珏( f ( 掰。 ) ) ，( m gs ，n t ) 若c 如( ，( 柙7 ，”一1 ) ) 一( 由( ，( ，胛一1 ) ) 挑( ，( m ，胛+ 1 ) ) 一d 打( ，( ”，门一1 ) ) ，贝m 插入 妥t 懿撞l 、疆之闼，否裁，m 捶入戮零豹珏、n + l 之淹。 在s 中将m 的位置置为零； 善s = 枣，缝慕；否雯 | 转第f 2 ) 步。 t 慰个不断扩充的初级回路，最初只有一个结点。结点m 插入的原则摄寻 找插入鼷对总路穰荧麸小舱位置。如果旅行袁闽题的最捷髅为q ，“蠖宣”箕法 的解是t ，则可以证明吖q ot h e n a d d t b ee d g e ( t l ，w ) t o p u ； i f w 0t h e n f w eh a v ef o u n dt h eo t h e re n do f t h ep a t h m e 唱ep u w i t h p w ； g e t 撑 h ec o m p l e t e dp a 也s ； w = 0 e l s e d e l e t e u a n d t h e e d g e ( u w ) f r o m t ， u 州t 霉t h e c o 州泓p a 氇s = 目 由此葵法我们利用废域过度边将图3 。l o 中的5 条切割路径减少到2 条，路 径懿其体撼述参看表3 2 帮麓3 1 2 。这祥裁减少抒兹点，节省了攘工时褥撵燕 了工作效率。 硕士学位论文 袁3 2 使用废域过度边詹获得的路径描述 路径矮点 p a t h1 v i - v 2 6 一v 2 5 一v 1 9 一v 2 * v 2 0 v 5 v 4 一v 3 - v l - v 2 4 一v 2 3 - v 1 8 一v 6 v 7 v 3 一e - v l o v 9 - v 3 p a t h2 v 6 一v 二l v 2 2 一v 1 3 一v 8 - v ，e 2 - v 9 一v i5 一v l o v i l v 1 2 一v 1 5 一v 1 7 * v 1 6 一v 1 4 * v 1 5 - e 3 一v 1 4 一v 1 3 圈3 1 2 使用废域过度边后获得的路径描述幽 在上文的讨论中假设图g 是连通的，将g = g 1 u g 2 u g 女这熙每个饼是 图g 中最大的连通部分。在上面的例子中，连接两个独立连通部分g i 和g 的 路径冒潋减少打魏点兹数嚣，这摹我镌是谖仪当g 羟g 不含毒瓷顼点蟊尊这耱 情况才发生。举例来讲，如果g f 中含有奇顶点，那么用g f 中的奇顶点作为打 孔点是必要的，而减少打孔点数目的唯一方法是通过有效过度边来造接两个不连 通鲍独立的秘分。这藏是此摹孛算法的独到之处，不翅考虑g 图是磷连通均可班 使用。 警& 稔g 都不包含奄璜点，这耱渍滋下我我程震2 令奇顼点确定一个努 孔点的事实，用一条路径将酝和国连接，当奇顶点的数嗣增加对，从两个独 立的部分合并成一个部分的打孔点数目就明显减少了，参见闰3 1 3 。 磺士擎茬论文 b c 蕊 阁3 ，1 3 合并无奇顶点的g 图 原来的图g 1 与阉g 2 楚不连通的且不舍蠢奇顶 点的两个圈，我们用一条 过度逮将箕连成一锩，这 。 样我们在加工时，就可以 只努一次魏，甥裁颓彦为 a 。b c a 。过度边一d e f g ，d 。 因此对于一个不连通的g 图，我们首先运用该算法尽可能减少奇顶点，然 后在任何一对没育奇顶点的部分之间，从过度边中任意找条路径将它们遗接起 来，这鼙的过发边往往是在排样时就已经给出的分布在板材废域上的边，这样就 可以获得更加实用的板材切割路径。 3 3 4 一次性连续切割 对于无奇顶点连通图这样的特例，我们还可以利用上文所描述的算法获得仅 打一次孔连续切割的路径。我们酋先证明在幽零件图抽象成的封闭的g 图上这 样鲍路径是存旋的，其 奉获得该路经的算法可潋出证翳赢接得到；英次我们不仅 要证明这种路径的存在，而且要证明可以从边界的任意顶点开始，这一点可以在 最小敬拉链炎缀设基稿上进行萝j 纳。其髂这部分内容熬涯秘程羯缡，鑫予搏喾戆 水平和时间有限，没有做更加深入的讨论，麓本思路可以参看图3 1 4 。 豳3 1 4 次性连续切割的特例 硕士拳拉论文 因此，在无奇顶点连通湖这样的特例中保证切割顺序，只需打一次点就可 以连续完成全部零 牛轮廓切割黝算法适用予经 可激光头的喷嘴路径。魏提是板材 的零件图可以抽象成封闭静g 图或是欧按链。这乖申切害l 路径尤其适用于薄板的 切割中，因为簿板切割热变形非常明显，用一次性连续切割由于减少了打孔时对 板材的熔损，切割时用进入稳定状态的激光连续不停顿的切割，提赢了零件的加 工餍璧。 3 4 考虑零 牛排样的切割路径优化 在实际的激光切割板材路径设置的过程中不但要考虑零件本身的形状，还要 考虑零件在板材上的排样问题。所谓零件排样是指一个溅多个不同形状的零件在 凳粕王板秘上懿匆嚣方式鄂零馋在叛毒葶上瓣赫敖方法f 3 2 】。在激光切裁叛榜中， 它怒影响材料利用率以及生产周期的关键，同时也是影响喷嘴切割路径的重要因 素。随着计算机技术的发展，零件排样已缀由过去低效率的手工排样袋展成为高 效豹鑫动舞 撵，囊动捺撵不仅大大疆毫了檬秘款裂爱率，_ 蘩；豆楚生产掰鞠大大续 短，目前有很多的自动排样系统都得到了广泛的应用。 对于零件排样问题，国内外学者已经进行了长期的、深入的研究，目前对二 臻爨麓饶诧鬟 榉撬窭了攫多实瓣熬算涟，魏久撬交互法、瓣撰丞数法、惠发式覆 索滋和两步法等【3 3 j 。结合激光切割板材类零件的特点和实用要求，在综合分析 评价上述排样算法的基础上，华中理工大学研究的“广义矩形包络法”，采 矮凳舅羹台理款蓑 撵算法，笼不溺零箨豹攘撵鞠蘧最终羟绫为大，l 、不等鹣矩形往纯 布局问题，来解决激光切割扳材的排样问题已经取得了很大的成效，并且在实际 切割中得到了应用。、， 在往佬舞 梯避程串还应该考惠簿释鼷羚遴、韬割臻径、秘裁效搴簿阉蘧，茏 其对于喷嘴路径的设置更加_ i 藏该将零件排样问题考虑在内。这是因为激光力工的 成本较高，有时候不合理的喷嘴切割路径所耗费的时间和能量比利用排样优化算 法掰簿低酶盛本还要毒，瑟零俘饶诬捧榉豹瓣戆是餐毫投耱搴l 霉率，缀短生产滔 期，降低零件生产成本，这样一来不合理的切割路径将使得优化排样失去了其本 身的意义，发挥不了它的作用，因此在基于优化排样基础上的喷嘴路径的优化问 题羽菱鸯叠舂实蠲价篷。 矮士学往论文 下面我们就来讨论将零件排样和路径优化两个问题结合在一起考虑的几个 例子： 多零件连续切割的路径设置 ( 一( 日) 蹦3 ，i5 多零件连续切割的路径设嚣 对于多零件的连续切割参觅图3 。1 5 ，f a ) 图的掩祥充分秘露了李葶瓣，没有考 虑切割路径的优化问题，激光切割图中的零件时需要在每个零件上确定打孔点且 激光光阑在熬个加工中也簧时开时关，阂此为使激光头喷嘴路径优化，提高切割 效率，改善因激光头频繁抬起而缩短喷嘴使用寿命，在优化摊祥鞋雩应按照一定娥 则将小零件1 、2 、3 尽可能地排列在起并且有利于多个零件的连续切割如阁 ( b ) ，这样激光头嚷螓只经过一次捻越就可以将多个零孛 连续切割下来，具体 路径为a b c d e f g 一 一l j k l h g e d a 如图中翁 头所示，虽然在d e 段g h 段激光束来回切割两次，但是由于这两段连线位于掇 李毒的废域上不会影稠零件的甥裁质量。 多零件共边切割的路径设置1 3 5 l 翻3 i 6 多零件共边切割的路径设薰 硕士擘位论文 对予多零绺黝共边切割参见圈3 1 6 ，则主要考虑的是怎样最大娥度的节雀材 料，同时避免激光头的重复来回切割，缩短切割路径，提高加工效率。在优化排 撑时按照一定规则将具有长边的零件尽可能按长边对长边的方式排列在一起，如 图中的l 、2 、3 、4 四个零件，因j 龟在生成切割路径时，对这些零件岁 轮廓的公 共边部分只进行一次切割从而达到减少喷嘴重整运动缩短切割路径的目的。 考虑零件套排问题的路径设鬣 在实际激光切割板材中，为了节翁板材，撼楼时常常耀小型零件放置于内轮 廓切割零件的板材废域上，即采用零件套排的形式来进一步提高板材利用率，对 于这种摊好样的板材零件的切割，合理的切割路径设置应避从里到外以防止出于 板材变形而导致加工质量受影响。在切截封 礤大小不一斡零件板材上，我们应先 切割小件，后切割与其相邻的大件，目的也是为了防止板材变形，参看图3 1 7 。 蚕中要切害l 静有效零件如蛰中裁落线所示，讶裁时为了遂薨薄辍瓣变形，麸 罩向外从小到大切割，顺序为a b c a d e f g h i d j k l 。一m j 。 图3 1 7 考虑零件套排时的路径设置 考虑零件排样的激光切窨0 路径优化阿题有很实用的价值，只有将优化排样号 路径优化相结合才能真正提离板材利用率，缩缎生产周期，降低零件生产成本， 由于作鬻水平和时间有限对于本问题没有能够进行更进一步的探讨，因此在赢续 的研究工作中应将这部分内容作为重点。 磺士掌位论文 3 。5 考虑热效应对路强的影响 激光切割中零件质爨的好坏还受到热效戚的影响，尤其是在薄板切割和尖角 处豹铷割过程中，由于切豢时热爨鬃中两嚣敬切割矮量严重下降的现象更加明 显。餐予此，在没置激光头暌蠛翅割路径晴我们瞧要考懑热效痘辩蹒径设鬣翡影 酶，送行耩癍豹_ i 艺楚毽，穗褥在绦话零 孛秘割餍鳖豹蘸撬下蘩缮最经静秘割路 径。这一优亿的路径不仅糕霞 刃割行程尽可熊缀( 台空行程) ，瓣越还应该考虑 在该路径下切割的过程中产生的工件热量的影响，尽可能的使加工过程中产生热 量懿影蛹矮小，凝，l 、热交形簸 鑫予过燕磊引起的缀挺掇密。只畜婚遮瓣方磷要求 有羧滤缝合在一起考虑，扶_ 题获褥套效魏激毙头唆噍錾穗裁爨经孝愚黢鸯实蠲徐 蓬静。如黼3 ，j 8 澎j 爨示，麓3 。1 8 ( 1 ) 中没有考惑热效应对留砉g 鼹较翁影蹶，虽 然切洲路径较短，但是不能获得较好的加工脯爨，而图3 1 8 ( 2 ) 中游虑了热效 应对锶澍鼹经麴影响，娥小了热变形，强 正了起盎孑的熟工质量。 ( 1 ) 来考虑热效应影响的切割路径( 2 ) 考虑热效应影响的切割路径 翻3 。1 8 热散应对埂割鼹挫豹影响 慈之，雀激光锈害| | 蔽毒季瓣鼹经撬毽闲嚣中，凌予甥爨路径懿台骥与秀楚壹接 影璃翱工成本窥麓工时间酌一个缀霪要豹嚣索，掰默我嚣j 对这个阅越避行了详鳃 的研究。通过上文的叙述我们已经知道了获得黻糠路径的方法以及朋躐少数目打 孔赢程摊好群静扳材上找缝瑕您豹甥割路径鹣舞滋，嚣在实骣的切澍道程中还有 穰多麓影峨激素需要遂一步考虑，始结合攘群熬路径揽讫、霹予零件嬲尖蕊等难 韬裁辩分静喷灞鼹径设嚣、考惑空行程最蘧并傻激光头喷曦不下落滚艘损坏疆及 切割时的热效应影响等簿。遥魑内容我们要夜考虑切割中的实际约柬祭件下进一 步优化，获得最佳的激光头喷嘴路径，因此还需攒进行更加深入的研究和探讨。 硕士孝位论文 本蓬小结 本章的主要内容是对激光甥割板材的喷嘴路径问题进行深入的硬究，此阀题 是激光切割板材工艺静一个难点，也是国肉辨专家磅究的热点。在这羹我们曹先 将激光切割板材的问题抽象成为一个可以用图论的相关知识描述的数学问题，然 后利用t s p 模型中的“便宜”簿法找到遍历所有打孔点的最短的切割路径，再 秘爝“废域过度边”依话图论的现有定律寻找到了减小打孔点数萤的路径优化算 法，并且加以应用。最后，讨论了激光切割扳材路径优化中的一些其他相关问题， 如与优化摊样楣结合的激光头喷嘴切割路径，考虑热效废影响的激光头喷嘴切割 路径等等。研究喷嘴路径优化盼整个过程综合考虑了激光切割本身的特点，僵是 若要获得最佳零件切割质量的喷嘴路径还需要进一步探讨诸如热效应影响等方 面的翊题。优化的激光头喷嘴切割路径可以降低零件热工成本提高零 牛加工效 率，并且还可以为激光切割自动化和智能化提供良好的条件。 磺圭参技穗文 第4 章激光切割工蕊参数数据瘁 对予激怒甥割工艺参数数撼瘁魏磺究也是激光翅割板材工麓磷炎的主要内 容之，瓣照它对子实或激毙糖工嚣鑫溪毽垒产意义羹夫。晷努窜在七、，专擎 代藏已蹬在大量的激光蠕藩豇艺实验静藜穑土，。祷缀激光韬裁工憨，建立工艺鼗 据库，并着手研究高性能的激光切割系统。而网内遮部分研究起步较晚，因此网 嚣急需惑嚣激光切割工艺，遽立激光热工工艺数撰霹，它是蔹激毙擞王系统向囊 露霓寿两发壤戆墓疆。 在建立激光韬蘩工兹参数数据霹之藩，我们先浓了熊一下关予数爨霹约基本 始识。 4 ， 数螺库的基本知淤f 隧攀黪谖数据库藏蘧一释襻竣数攥麓“食瘁”。只不适一骚我稍精表稽薅鼗 错存放在纸丽上，而数据库怒根据不同的需要，在计算机的硬盘上域软盘上建立 类似我们敝在纸上的那种淡格，存放各种数掘。 记录( r e c o 棚) 黼4 _ j数据瘴逻辑慕繇燃 毒l 硕士学位论文 要建立一个数据库，简雌来说只要将堆数据全部都塞进一个文件，或是 把多个文件集台越寒，就可以将这样豹一壤数据称之为数据库，但是这样杂嚣无 章的数据库，熊够提供的信患缀有限，因此建立一个有维织的数据瘁才能真正的 提供给我们更多鼹实用的信息。个有组织的数据库( d a t a b a s e ) ，参见图4 1 ， 遥露建由一个或多令表格( 砭b l e ) 赣组成，嚣袭牾又是壹条或多条记泶( r e e o f d ) 所缀合而成，至于一条记录的组成，则是由一个或数个字段( f i e l d 或c o l u m ) 所组成的一个数据集。一个有组织的数据库除了要有这些必要的组织成分之外， 还癸有一个良好躲数搀瘴管聪方法。 各个数掘对象以及他们之间存在的相互关系的集合称为数据模溅。数据模 型般分为关系模型、层次模型和网络模烈，并以关系型模型最为常用。关系型 数据瘴藏是投豢愆户斡试识，延穆诲诲多多浆表疆集会在一超繇穆或熬数握疼系 统。在关系数掘库中，其数掘库中的数据怒基于关系进行逻辑组织的。也可以说 关系型数据库是由许许多多的表格组成，而这些表格之间存在着一对一、一对多、 多露或是多对多躲关系。在关系数据瘁系统中，哥骏邋过数据接述谬言露其数 据库中的各种关系进行描述。 4 。2 激光切粼王艺参数 4 2 1 激光切割板材的影响因素 建立激光切害l 工艺数据瘁懿誉静是为了能雳预先存储在数据库中的参数信 息指导实际切割，在实际加工中要根据实际加工情况不断充实参数数据库，从而 奄剩予搬工质量的不叛提高瓤嬲王的自动化进程。数据黪中的信息