（机械设计及理论专业论文）二维矩形件切割路径优化的研究与实现.pdf

硕士学位论文 摘要 随赞我国经济的飞速发展，众业闯的竞争也日盏激烈，特剐怒制造型企业， 簧使产晶更其竞争力，必颓缩短产品的上市周期，降低成本，方能立于不败之地。 蕊这些郊可以从源头烟以控制，从原材料切割着手，提高扳楗的剥翅率，提意工 件的切割速度，改善工件的切割质量，为后续的加工打下怠好基础。 本文锌对警蔫斑形俘甥裁中缀褪帮麓源浪费、韬罄j 效搴不高、锈裁溪量不好 糕至损伤周围矩形件的问题，从切割工蕊规划入手，对矩形件切割路径进行了详 纲的分析和研究：采用把褶同尺寸的矩形件进行组合形成缀合矩形块的总想，然 蘑基于壤充算法对组合矩形块进行优化撑榉，烬决了共边切割时魄割缝枣 偿等切 割工艺问题；然后利用共边切割和连续切割，提出了一种适用的组合矩膨块切割 方式，骜：裂弱遽传葵法解浚了多选择、韬割始终点不一致蠡冬维合缀形俘甥裁簇窿 问题，宏观采用遗传算法优化组含矩形块的切割顺序，局部通过采用遍历算法保 诞弱部空行程最小，从而蜜现整体切箭掇行程最小。实侈证明该稍割方式不但能 很好的满足切割工艺要求，丽且能使割嘴的空行程丈大缩小。最后链对上述思想， 利用v i s u a lc 十十6 0 研制开发了矩形件优化排样切割系统，实现了动态模拟切割功 缝。 该矩形件切割路径优化的研究具有实用性和先进性，对异形件的切割路径、 数控留潮及鸯潮等的路径傀纯都鸯借鉴意义，弼时该文也对常甭豹切割方法及箕 切割工蕊共性进行了分析，对c a p p 的设计有实际的搬导意义。 关键词：切割：优化排样；组合矩形块；路径优化；遗传算法；共边切割 a b s t r a c t 啪t h ee c o n o m yo fo u rc o u n t r yh a sl e a p tf o r w a r di nr e c e n ty e a r s ，t h ec o m p e t i t i o n i nc o r p o r a t i o n si sm o r ea n dl n o r ed r a s t i c ，e s p e c i a l l yt h em a n u f a c t u r e df i a c t o r i e s ，f o rt h e c o m p e t i t i v ep r o d u c t s ，t h e ym u s ts h o r t e nt h ep e r i o do fp m d u c t i o n ，r e d u c et h ec o s tt o s u r v i v a l w ec a nf r o mt h em a t e r i a l so f c u t t i n gi m p r o v et h eu s i n g - r a t i 0o f b o a r d ，i n c r e a s e t h ec u t t i n gs p e e do f p a r t s ，a m e l i o r a t et h ec u t t i n gq u a n t i t yo f p a r t st os a t i s f yt h er e q u e s t a n dg r o u n df o r t h ec o m i n gp r o c e s s 。 t h ep a p e ra i m sa th ep r o b l e mo fc u t t i n go fr e c t a n g l ep i e c ea tt h em o m e n t ，s u c ha s t h ew a s t eo fb o a r da n de n e r g y , t h el o wc u t t i n ge f f i c i e n c ya n dt h el o wc u t t i n gq u a l i t y i n d e e dt oh u r tt h en e i g h b o rr e c t a n g l ep i e c e f r o mt h ep r o g r a m m i n go fc u t t i n gt e c h n i c s , w ed e t a i t e d l ya n a l y z ea n dr e s e a r c ht h ec u t t i n gp a t ho fr e c t a n g l eb l o c k s ：a d o p t i n gt h e i d e ao fc o m b i n et h er e c t a n g l ep i e c e st oc o m b i n e dr e c t a n g l ep i e c e ，s o l v et h et e c h n i c a l p r o b l e mo fc u t t i n g , s l o tc o m p e n s a t i o ni nc u t t i n gp r o c e s s , v c h e nc o n u n o n - b o r d e rc u t t i n g , t h e nu s i n gt h ec o m m o n - b o r d e rc u t t i n ga n dc o n t i n u o u sc u t t i n g ，v c ea d v a n c eau s e f u l c u t t i n gm o d eo fc o m b i n e dr e c t a n g l ep i e c e ，a n du s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h mc r e a t i v e l y s o l v et h ec u t t i n gs e q u e n c ep r o b l e mo fc o m b i n e dr e c t a n g l ep i e c e sw h i c ha r em a n y s e l e c t i o n sa n ds t a r t - e n dp o i n ti s n ta b h o r r e m 。w ea d o p tt h eg e n e t i ca t g o r i t h r at o o p t i m i z et h es e q u e n c eo fc o m b i n e dr e c t a n g l ep i e c e s 瑚a c r o s c o p i c a l l y , t o p i c a l l ya d o p t t h er a n s a c ka l g o r i t h mt oe n s u r et h el o g i cv a c a n c yj o u r n e yi ss h o r t c u t ，s ot h ew h o l e v a c a n c yj o u r n e y 趣s h o a e u t + 殛ee x a m p l ei n d i c a t e st h em e t h o db e a u t i f u l l y s a t i s f i e st h e d e m a n do f c r a f t - w o r k s ，b u tb e a u t i f u l l yo p t i m i z e st h ep a t h ，a tt h el a s t ，w eu t i l i z et h ei d e a t od e v e l o pas y s t e mo fo p t i m i z er e c t a n g l ep i e c e s l a y o u ta n dc u t t i n gb yv i s u a lc 十十6 0 ， a c t u a l i z et h ef i m c t i o no fd y n a m i c a l l ys i m u l a t i o n ， t h eo p t i m i z a t i o nr e s e a r c ho f r e c t a n g l ep i e c e s c u t t i n gp a t hi sa p p l i e da n da d v a n c e d ， i th a st h eu s ef o rr e f e r e n c em e a n i n gf o rt h ep a t ho p t i m i z a t i o no fi r r e g u l a rp a r t sc u t t i n g , n u m e r i c a lc o n t r o lc u t t i n ga n dn u m e r i c a lc o n t r o lm i l l i n g 。a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e r a n a l y z et h ec o m m o ni n c i s e ，m e t h o da n dc o - - o n i n c i s et e c h n i c s , w h i c hi su s e f u lf o rt h e d e s i g no f c a p p k 露w o r d s ：i n c i s i n g ；o p t i m i z a t i o no fl a y o u t ；c o m b i n e dr e c t a n g l eb l o c k s ；o p t i m i z a t i o n o f p a t h ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；c o m m o n - b o r d e rc u t t i n g l l 湖南大学 学位论文源刨性声装 本人都耋声羁：所呈交静论文是本人在导辩的指导下独立进行研究所敬 褥的研究成果。除了文中特别加以标注引用羚内容外，本论文不包含任毽其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中戳明确方式标明。本人完全意识捌本声明的法律后果 囊本人承担。 作者签名： 蘑史诗 日期：k j 年，o 月；。嗣 学位论文叛权使用授权书 本学位论文律者完全了瓣攀校有关保留、筏耀学位论文豹蕊定，蔺意学 校保整并向圜家有关部门或机构送交论文的复印 牛和电子舨，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据瘁进行检索，可以采用影印、缩印或搦描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 一l i 保密潮，在上年解密后适用本授权书。 2 、不保密西。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 佟者签名： 导师签煞： 彦建潘 黄星捂 目麓：j 年如月；。罄 旦期：z 。砖年1 0 月予e 匿 第1 章绪论 1 1 切割技术简介 切瓤技术是工业巷造中非常鬟爱懿一顼技术 j 1 ，它几乎怒秘爆接技术阉拜重诞生 和发震豹一对相互键遴豹“孪生冤弟”，它稍搦缓了金疆积嚣金属李季辩豹“一裁一 缝”。切割是焊接的前谴工序，因为被焊接件工件所需的几何形状和尺寸，绝大多 数是通过切割方法实现的。 接裁援零在工鼗蹩产孛寿蘧拿特点：一楚与霹接生产戆配套毪；二怒髂为分 离切割的独立性。与焊接生产配套，作为焊接擞产的第一道工序，切割的效率、 质量和成本将直接影响烂个焊接工程结构的效率、质量和成本。切割技术在很多 方面都发撂了独特黪不可襞少黪重瑟穆题，铡如在冶金、重型砉睡器等工数缴产孛， 对大截瑟铸锻面的平头、去尾、缺陷清理、重大锻件的毛坯准备、连铸连轧板坯 的在线切割、大型废1 日设备的解体等。 1 1 1 切塞4 技术的发震 板材浪费主要发擞在切割下料生产过程 2 1 。目前，板材切割下料过程一般在企 业下料率间或下料中心进行。 首先是剪扳机下毒4 和锯床下料，这两种下料设备，其下料方式相同，都是由 工夫燕攀澹按爨零磐尺寸窝鼗量联窿下精。缺焱是不援遥裁迭热余罄静产笙，导 致了企波钢材浪费，而且造成了企姚钢材的盲目积压，资金占用严重。 其次就是依靠人工放样和手工切割的气割下料。但手工敝样毕竟效率低，准 确性差，再加上缺乏熟练的放样工人，企业经常发生放样错谈，导致返工，窝工， 浚至延误_ i 麓。霾辩，手王气割，仞裁效率祗，锾耪套籽弱弼率更低，获褥导致 钢材浪费严重，严重制约了企业的发展，成为企业生产的瓶颈。 近几年迅速普及的高效率的数控切割机，融逐渐成为企业最主要的切割下料 设备。毽镶多企业仍漤矮传统的c a d 藏图、手动撵粒霹手工缡程，进行擎个零 孛 或局部韵副，不链对熬板和余料投递行套料切割，使得板材利用率低、剩余板材 浪费严重，不能发挥数控切割机大批量高效率的生产特性。数控切割设备成为板 材浪费的主要源头，切的越多，浪费越多。 1 1 2 韬剡技术现状 由于机械工业飞速发展的需求和先进技术的引进，我国切割技术无论在新工 艺的开发方嚣，还是菇耨能源的裂雕方露都有了妖是的进展f 3 1 。壤械位、半巍动纯 切裁技术的发震，使褥锈裁技术可戳代替部分飘槭加工。有臻工件如霜税械加工 方法或锻胍的方法要缀过多道工序、几天时间才能加工出来，而采用切割的方法 几十分钟就可以完成，大大提黼了工作效率，还可以节省大量金属材料。但是我国 的切剿技术仍处予比较低级的阶段，根据擞界银行钢铁绫计年鉴的统计，由于缺 乏惫遴酶诱裁簿羧技本，幸 霞、窜凄等发展中蓄家，钢耱在甥饕海接过程中静损 耗比茨国、日本等发达国家多浪费1 0 。我圈2 0 0 4 年的钢产量和消费墩大约是2 7 亿吨，按照钢带比4 0 计算，用于切割焊接的钢材有l 亿吨，多浪费1 0 ，就意 法黉中国在甥裁嚣接生产中多淡赞了1 予万穗镄。蓬蓑我嚣经济款浚速发疑，镖 材的消费量仍在持续增长，钢材价格也在不断上涨，节省钢材已成为企业经营的 当务之急，因此研究和应用先进切割技术迫在眉睫。 | 。l 。3 疆究先遴甥割技寒的意义 板材切割是焊接成品加工过程中的首要步骤，也是保i 芷焊接质量的重要工序。 利用先进的现代切割技术，不但可以提高板树利用率，节约板材；缩缀切割时间， 改善甥割质量，鼯低切裁或本：| 霹霹也能保涯产品豹焊接震量，提赢劳动生产率， 使褥企业产品的制造成本大幅度下降，缩缀产品生产瘸期。 1 2 板材下料过程分析 在板毒砉下辩辩，首先是对掰需送行铎稀，然磊避雩亍工艺藏翔，最露完成整个 切割过程。从2 0 世纪7 0 年代末计算机技术与机械设计与制造技术的互相渗透和 结合开始，数控技术得到了广泛应用，产生了计算机辅助设计( c a d 。c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ) 、诗葵秘辏动王芑麓鲻( c a p p c o m p u t e ra i d e dp r o c e s st i a n n i n g ) 、诗 算机辅助制造( c a m c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ) ，他们同样应用到了板材下料 领域。 1 2 。l 诗算机辏魏魏诬搂糕 计算机辅助优化排样属于c a d ，是将坯料按一定的要求排列到整块板材上， 最大限度地节约材料、提高板材利用率，为切割准备。由于矩形件在机械制造、 轻王、家具、撩舨帮玻璃切割等嚣业兹广泛应露，荠曼嚣形传熬缆化瓣释也可以 以矩形件优化封 样算法为基础，所以国内外对矩形件的优化排样问题的研究层出 不穷。 涸外对有关下料排样问题的研究起步比较早，2 0 世纪6 0 年代初，g i l m o r e 等 发表了4 篇著名静文章强。l ，掇穗了一维下糕方案和二缀臻样优往阀题；之后众多 学者针对排样问题的一个或几个方面提出算法和解决方案。2 0 世纪9 0 年代以前， 对矩形件排样的求解以各种近似方法为主【剐，如基于一维装箱的f f d 算法、b f d 算浚；双运蜚篷冀法；穗遥强形缝台算法、旗态燕翅算法等，这些遥羲羹箕法戆特 点是针对某类或某些排样问题的结果较好。启发式方法闲其易于融合各种限制条 件和具体目标，在实际生产排样中起着重露的作用，如文献【9 】采用来自经验的排 样师的崩发式规则以及冲床、剪床下料等限制条件存储在知识库中的方式，指导 模型生成图案组合。2 0 世纪9 0 年代后，随着锶能优化算法( 如模拟退火算法、遗 簧算法、蔡忌薤索、睾孛经弼络等方法) 懿基羹威熬及其在t s p ( t r a v e l i n gs a l e s m a n p r o b l e m ，简称t s p ) 问题、空间分配、任务调度等组合优化问题的成功应用i l o l ，这些 算法相结合被用于排样问题的求解。总的来说，对不同问题实例的综合性能评价 懿缝暴，蠢秀点主要绫论：f 1 ) 复合算法鲍结果侠予单纯攥器磐法的结暴，若且接 样算法散果越好，复合算法在同等条件下的效采瞧越好；( 2 ) 任何算法都霄效果不 佳的问题实例，即对矩形件排样目前还没有完念有效的方法。 国内对排样问题的研究始于2 0 世纪8 0 年代，主要集中在离等院校和研究所， 敬华孛秘搜大学豹王体最有 弋表校，营矩、弼济豹2 籀文章 1 i t 2 1 ，使薅鹜氆算法 和近似算法对矩形件进行优化排样，奠定了国内研究排样的錾础；之后的具有代 表性的脊崔耀东等的墩优组块技术【1 3 1 ；郭军、饶运清等的基于数控切割工范的混 合往纯妻錾辩 4 1 ；贾恚歇、簸国塞等瓣禚霉模羧懑火霎法求薅f 5 1 ；龚恚辉、莛星瘗 的基于遗传算法的改进研究h 6 1 ；陶献伟、王华麓等的基于填充算法的排样优化求 解构成丁我国优化排榉的发展历程i l7 l 。 优他摊辩生成的摊样图只有猩缀过切割工麓设计后，方形成实际可遐蛇切割 圈。切割工艺影响着落割矮量，设嚣不好会造成板耪鞠大繁浪费或矩形工辞豹报 废。例如在切割过程中引割孔的设覆，所谓“引割孔”是指割炬在完成一次连续 的轨迹切割之前在板树上烧穿的一个圆孔，因为紧接着的切割从该穿孔处开始， 敖穆零| 澍琵。弓| 蘩魏纛径褪对较大，特鬟是数控灾雉切裁豹孳l 鬃建壹经一般为割 缝宽度豹5 1 0 倍【”l 。通常的优化排样都是通过“等距缩放”来对其进行割缝补偿 的，这时为保证矩形件切割质量而加大割缝补偿明显会造成板材的大量浪赞。如 果不热大割缝幸 偿，邋卷通过把戮潮强积弓l 入线没置在板攒瓣褒域上来缳涯甥裁 质量，德矩形件优化摊样后，板辛才废域被尽量酌缩小了，萼i 割孔不能完全设置在 废料上，遮时在切割中很可能会出现切割质量不高、切割不逑或损伤周围的工件 等问题。所以在矩形传切割时，必颁在优化排榉时把工艺因索考虑在内。并且在 害l 踅秘甏矩形静熬过程中，知籍逮哥亍优纯甥割氇掰究葚乡，韬裁路径没鸯狠菇静 规划，会造成时间、行程、能量等的浪费。 因此，矩形件的优化排样必须考虑工艺因素，然后进行计算机辅助工蕊设计 ( c a p 秘，恕葵 建筑纯程甥裁爨经钱绽器密豹缝会起来，实壤熬令甥裁过程瓣交往 化。 1 2 2 计算机辅助工艺设计 诗箕辍耱蘩工艺筑翅上与诗算嘏疆韵竣诗( c a d ) 稳接i 撵l ，下与圣 冀穰辘劲裁 造( c a m ) 相连，魁连接设计与制造之问的桥梁，设计信息只能通过工芑设计才 能生成制造信息，设计只能通过工教设计才能与制造实现功能和信息的集成。由 此可见c a p p 在实现生产自动化中的重要地位。 工艺设计是优化配置工艺资源，合理编摊工艺过程的门艺术。它怒生产准 备工俸的第一步，凌楚连接产翕竣诗与产磊裁造静辑粱。数文俘形式礁建下来懿 工艺规程是进行工激制造和零件加工的主要依据，它对组织生产、保证产品质量、 提高缴产率、降低成本、缩短生产周期及改蒋劳动条件等都有直接的影响，因此 是生产中豹关捷牲王痒。工艺设诗熬主要任务楚为被鸯瑶工零传选择合理戆攘工方 法和加工顺序，以便能按设计要求生产出合格的成品零件。 本文的工作重点也在于此，在考虑其切割工艺的基础上，对矩形件的切割路 径进行规划与研究。 在钣金 睾留害l 中翡害嘴酶路径优 乏中，霹内外己骰了捆警深入的毒 究，翔文 献 2 0 】利用模拟退火算法求解对称与非对称的t s p 问题、带约束的t s p 问题来对 刀具的加工路径进行了很好的优化。文献 2 1 】利用最临近算法选择打孔点，通过蚁 群算法求群t s p 阍题对打孔点避行往往褥到了妻l 嘴懿最佳路径，激光切割著可以 禳摇z 辎随动功能约束情况，可对路径进章亍路径调整。文献 2 2 1 根据图论攒论对零 件切割路径问题，在p r i m 算法的熬础上提出一种路径优化弹法自动确定加工的最 短路径，有效缩短切割头的空行糨时间，提高了辅助加工的效率。 熊秀象手工甥裁一撵皿”，嚣零馋共焉这只键裁一次焉遮舞瑟开约嚣貔，这样 不但节省了能源，减少或避免穿孔，还节省了切澍时阊和铜板用量，有效的提高 切割效率和质量，广泛采用优点甚多，所以在一些文献里有熟介绍及应用。文献 2 4 】 对共边切割做了详细的介绍及其优缺点，对编程套料人员增加了相当大的工作量， 毽慰缳涟零簧足。寸糖麓，莛毒蒡韵效率，降低势羲强疫有稳当大魏驽楚。文麸【| 8 】 则是通过计算机辅助工艺设计( c a p p ) 来完成，轮廓切割顺膊、辅助切割路径、切 割轨嬷规划是工艺设计的核心内窬，共边切割避是其切割轨迹规划中的主要内容。 文献 2 s i n 从实际出发论述了共边切割豹优点：采用公有边( 朝共边) 切割技术省时 省耨。 德在实际的应用中，实现共边切割的方法邋常在排样时把他们作为一个完整 的零件艇体来确定切割工艺，生成数控源代码后依靠手工干涉n c 代码，成为可进 行加工豹数控代码。这样增加了编程工作的 壬务量和难度，特别是在扳材上有大 量共逡穗况对，不程予实瑗魏王敬蠡魂纯。 在目前流行的切割商品化专业软件中，有荚国的f a s t c a m 软件公司系列软件。 它以切割焊接工艺为开发基础，以提高套料率和节省钢材为应用核心，以提高切割 生产效率为耳振。冀中豹f a s t p a t h 模块是专门设置切害i j 路径豹软件，能囊动处理 诱割方淘、雩l 入弓| 鑫线、锈裁蹶净、不霹秘害过程及其德n e 处理透瑷。毽萁对 工件的切割顺序只进行了简单的优化，如按列、列返回、行、行返回、最近距离、 最少空程及指定等。还有应用在数控激光切割机上的n e w c a m 软件等。 1 2 3 计算橇矮韵秘造 c a m 是指利用计算机来进行产品制造的通称，它的定义有广义和狭义之分。 广义的c a m 指利用计算机辅助完成从原材料到产品的全部制造过程；狭义上讲就 4 硕士学位论文 是计算机辅助机械加i ( c o m p u t e r a i d e dm a c h i n i n g ) ，它的输入信息是零件的工艺路 线和工序的内容，输出信息是刀具加工时的运动轨迹和数控程序。其核心是数控 编程和数控加工工艺的设计，是先进制造技术的重要组成部分和基础内容。 c a m 的应用分为直接应用和间接应用：直接应用就是计算机直接与制造过程 连接，对制造过程进行监视和控制；问接应用是计算机不直接与制造过程连接， 只是用计算机作为制造过程的支持，用来提供生产计划、作业调度计划，发出指 令及有关信息，以便使生产资源的管理更为有效。因c a m 涉及到具体的数控系统， 本文不做研究。 1 3 课题来源及课题主要研究任务 1 3 1 课题来源 本课题来源于“十五”国家科技攻关计划项目智能化大型复杂模具设计、 制造成套技术与装备开发和应用示范中的一项子课题。 该项目以国内已有科研成果和大量的工程实践经验为基础，借鉴国际先进技 术，紧密结合我国汽车工程的需要，基于信息技术的模块化设计与制造方式实施 模具的快速制造，通过建立专用的模块化设计数据库，采用专用的数控模块制造 与组焊技术与装备，对新产品模具实现快速化设计和模块化制造。 项目采用独创的离散型面模成形技术，并以模块化方式制造模具型腔表层 结构，从而最大限度地减小模具型腔表面的加工量，缩短加工时间，提高加工 精度；采用独创的c a e 技术实现冲压过程的高精度仿真并实现工艺优化，从而 最大限度地减少修模的可能性，缩短模具制造周期，并提高其质量；采用并行 工程技术，使模具设计与制造各个环节紧密相扣，充分协调，从而缩短整个制 造时间。该项目以缩短模具设计制造周期、提高品质、降低成本为重点，力图 实现我国模具技术跨越式发展，使我国快速制模技术步入世界先进水平。 该项目关键采用了模块化设计技术，即通过分析模具的特征将其分为模架和 型面部分，并根据其复杂程度采用不同的制造方法，这不仅便于实施并行工程， 加快设计制造速度，而且类似零件的模具可共用同样的模架，从而提供减少设计 制造周期和成本的又一途径，其中模架的部分的设计制造起到了很重要的作用， 智能切割技术是其解决的一项关键技术问题。 大型汽车覆盖件模具中基本模架部分的设计制造主要通过智能切割和焊接完 成的。该项目中将模架按照规格型号的大小分为大、中、小三个等级，合理的安 排好了所用的不同的模架，把模架和模芯分开来设计。这样既照顾了模架的通用 性，又照顾到了模具设计周期的紧迫性，使得模架可以在一定形状和范围内通用， 做到一个模架多模具使用。同时又可以在模芯的设计与制造过程中，将设计好的 模架送去加工制造，以达到并行设计制造的效果，从而达到快速制模的目的。 该项目的具体研究内容包括： 1 以冲压零件的c a d 几何模型为模具的原始设计与制造依据，通过特殊的前 处理技术，依据c a d 模型自动生成冲压仿真所需的c a e 模型。 2 通过应用已开发的具有国际先进水平的c a e 技术以及以此为基础的工艺 分析与设计系统，合理确定给定零件的冲压工艺，进而确定模具的型腔表面 形状和尺寸。 3 开发专门的模具模块化设计智能c a d 系统，根据所确定的冲压工艺和模具 型腔表面形状和尺寸，快速确定模具的模块化方式。 4 开发专门的智能优化排样系统，通过接口获得智能c a d 系统产生的模具模 块板材尺寸，然后自动优化模具毛坯模块的切割方案和路径。 5 模具模块的切割加工采用专门的智能化切割装置。 6 模具模块组焊采用专用电焊设备，通过改装现有成熟的焊接设备，开发与 之配套的多功能、高精度的工装设备，使之达到高质量、快速组焊的要求。 1 3 2 课题主要研究任务 自动切割技术和装备是大型模块化模具关键技术和制造设备之一。切割设备 的主要任务是根据模具工艺设计的要求，自动优化排料，编制切割程序，将一块 整体钢板自动地连续切割成几块至几十块小尺寸钢板毛坯，供模架的组焊工序使 用。但在智能切割技术的研究与装备研制中，矩形件切割路径的优化并没有做深 入的研究，所以在实际的切割中，效果并不理想。 鉴于此，本文主要研究二维排样矩形件切割的路径优化，以切割路径优化为 主要目标，辅以切割工艺设计，来达到提高切割质量，提高生产效率，降低切割 成本的目的。 具体实现是在计算机辅助排样中基于切割工艺的考虑，把相同尺寸的矩形件 尽量排在一起形成组合矩形块，利用共边切割，实现局部切割路径最优；再通过 优化组合矩形块的切割顺序来实现宏观切割路径最优，从而达到整体最优的目的， 并开发出一套对切割路径进行动态模拟的软件。 该软件具备如下功能： ( 1 ) 矩形件的参数信息可以从智能c a d 系统产生的a c c e s s 数据表读取，也可 以通过文本读取和手动输入，并实现数据的存储功能。 f 2 ) 可分别对组合矩形块内部矩形块之间的割缝和组合矩形块之间的割缝大 小进行调整。 f 3 ) 在加入切割工艺因素的基础上，自动生成排样图，并根据割缝变化调整排 样结果。 f 4 ) 在优化排样的基础上对切割路径进行优化，并能动态模拟出切割图。 6 第2 章主要切割方法的工艺分析 切割加工方法很多f 2 8 】，如氧气切割、氧熔剂切割、电弧氧切割、等离子弧 切害、电蔽镊切割、线泡援电火芯甥裁、激光切割等等，不阉瓣切割方法密羞不 嗣的原醺、特点、用途和适用材料。所以本文主要针对三稀主要热切割方法氧切 割、等离予弧切割、激光切割进彳亍分析，并提出拟在矩形件的排样和切割中考虑 的主要工藏因素。 2 1 氧气切割 氧气切割是利用气体火焰的热熊将工件切割处金属预热到一定温度詹，喷出 毫逮甥鞠畿流，镬预熬楚金霾爨袋羧爨熬量实鬓臻裁浚方法n l 。 并非所有的金属都可以进行气割加工，只有满足以下祭件的金属才熊顺利实 现气割。 ( 1 ) 金j 嚣能霞氧发生劂烈的燃烧反应著赦出题够的反映热。这种燃烧热除了 偿辐射、鼯热和捧渣等熟散失外，还必须将切鞠前缘的金耩袭层迅速虽连续的预 热到其燃点。否则，生成热低，切割不能正常进行。 ( 2 ) 众属的燃点应e b 熔点低，否则不能实现飘气切割，面变成熔割。气割时金 藩在霞态下燃浇才莪绦涯窃日平整。翔采毫予熔轰，金属在燃烧蔫已经络鬟：，留 口质量很麓，严重时切割无法进行。 ( 3 ) 燃烧生成的氧化物熔渣的熔点应比金属熔点低，且流动性好。 缮) 众震鲍热导奉不戆太毫。 在金澜材料中碳豢结构钢、钒簿为气割加工的主要金满；而高碳铜、铸铁、 高铬钢、铜及合金、铝婷则属于不可气割的金属。 2 2 等离子弧切割 等离子切割是利用高能量密度的等离子弧和高速的等离予流，将熔化众属从 割口处吹邂，形成连续切口。其特点主要有： ( 1 ) 熬臻裁氧气鼹叛甥害l 懿答释愈藩耪瓣( 稳耀等蛮予弧还瑟甥裁菜些蒋金霾 材料) ； ( 2 ) 切割厚度不大的金属时，切割速度快，尤其在切割碳索钢薄板时，逋度可 送气割豹5 6 睡； ( 3 ) 切割面光洁，热变形小，笼箕适合加工备种成形零件： ( 4 ) 切口宽度和切割面倾角较大，但切割薄板时采用特种割炬或工艺可获得直 的切割题； ( 5 ) 兹蘩霉扳辩琵力不翔气割； 2 3 激光切割 激走凌裁是秘耀经聚焦豹麓幼率密废激毙象爨袈工终，镬被爨袈瓣零孝耨逐速 熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光速同轴的高速气流吹除熔融物质， 从而实现将工件割开。特点是： ( 1 ) 切裁蒺爨好； ( 2 ) 切割效率离； ( 3 ) 切割速度快： ( 4 ) 非接触式切割； 疆) 留裁耪糕鹣耱类多 ( 6 ) 设备费用商； 2 4 本文考虑憋切割工艺 因为每种具体的切割方法鄢有其特有的影响因素，如氧气切割的主要工艺因 素有切割氧的纯度、流量、压力、氧流形状、流速、动爨、和功角，预热火焰的 功率，被切割金聪瓣成分、性戆、表覆状态及初始温度等；露等离予激切割的工 艺参数剿包括留割电流、切害电龌、访蕺速度、气体流缀及喷嘴距工件静高度； 激光切割则是光束横模、激光功率、焦点位澄、焦点深度、切割速度、辅助气体 的种类和压力等。他们之间的黢别比较大，本文不做专门的深入研究，主要对其 穗溺点进行分橇与皖较。 l + 切割起始点的选取 邋常切割机切割零件的过程是：首先割枪移动到引割点一段时问，让火焰将钢 叛烧滋一个透孑叹雩| 裁孑b 然最经过荨| 入线按零彳睾形凝运行一璃，切裁懑该零 孛( 单 个矩形块的切割过程如图2 1 ，用6 点表示) 。不停的重复该动作，直到切割完所有 的零件。 黼2 1 矩形件切割过程 该透孔( 引割孔) 就是切割起始点，因引割孔一般较大，因此必须尽掇把引割孔 设置在板材废域的适当位置，并加入相应的切割引入引出线【2 8 来保证零件的轮廓 的切割质量。 钢材切割件的形状是多种多样的，但总的来说离不了直线和圆弧线的切割。 为了保证切割质量，必须根据割件的形状按顺序切割，掌握切割的规律。注意在 切割直线方格或长方格割件时，要根据它的宽度或长度分次切割到交叉点再停止 切割，如图2 2 中的a ，而不能像图中b 那样，停止在交叉点的前后( 割线交叉点 太宽太长的例外) 。 b 图2 2 矩形块的切割【1 j 起割方式分为从板端或者板内预开孔部起割及直接从板内打孔后切割两种。 这两种切割方式的操作要领不同【2 s 】。 ( 1 ) 从板端或板内预开孔部起割方式 一般对于厚板的切割都采用这种方式。起割时，割嘴置于离起割点5 l o m m 处， 待割嘴进入切割状态后，再让割枪以给定的速度移向起割点开始正式切割。但当 板材较厚时，为使起割点处的工件能顺利割穿，割枪的移动速度宜略放慢些。 ( 2 ) 板内打孔后起割方式 薄板零件的成形切割经常采用这种方式。打孔后按( 1 ) 所述方式起割。 2 连续切割 为了减少穿孔次数，减少割嘴的抬起与放下次数，延长割嘴的使用寿命，进 一步提高切割效率，割嘴处于切割状态时应尽量的连续切割。 3 共边切割 所谓共边切割，就是对排样图中具有公共边的零件问外轮廓采取的一种优化 切割方式，在具体规划切割轨迹时，首先切割公共边，然后切割已连成一体的外 轮廓。这样就达到了节约板材、提高切割效率、降低切割成本的目的。 共边切割的主要优点是减少了切边，如图2 3 中两矩形件普通切割和共边切割 的比较。正常情况下要切割8 条边，当共边切割时，只需切割7 条边，这样既减 少切割次数降低了材料受热量，又能提高切割效率，同时在切割细长件时必要时 可以设置“桥接”【27 】防止工件变形。 9 5 4 l i 3 1 b ) 共边切割 7 2 鎏2 3 罄遴甥朝逸霸莛邈臻割逮 0 较 4 + 切割顺序 工件切割顺序的不同会造成割嘴空行程的不同，影响着加工效率，所以在规 划切剡路径时对切裁颁序进行优纯同样可以熬劐提高切割效率、节约熊量、降低 成本黔霹静。 5 + 割缝补偿 缀然很多切割机床具有割缝补偿功能，但有时必须在程序里进行割缝补偿。 霹为不瓣豹凌蘩方法、不嗣豹耱鞍、不同豹投耱莓疫等不瓣豹装况裁缝蹩不目懿。 例如袋2 1 切割材料为6 2 m m 厚的低碳钢板的比较 表2 1 激光切割、毅乙炔切割和簿离子切割方法的 b 较 韬割方法切缝爨发m m切缝形态切割遮魔设鍪费搦 氧乙炔切浏 0 。9 1 2 e e 较平行慢 低 等离子弧切割 3 0 , - 4 0 倾斜快 中高 激光切割 0 。2 棚3 平衍快 高 警同秘留裁方法薅，萁谴因索仍对害l 缝蠢影噫，翻翔表2 2 中等离予孤切割电 流与切口宽度的关系。 表2 2 等离予弧切割电流与切口宽度的关璐 韬割电流，a 2 06 01 2 02 5 05 0 0 切口宽度m m 1 02 o3 o4 59 0 对于确定厚度的扳材，切割电流越大，切割速度越饫。但切割电流越大，易 烧损电极和喷礤，髓易产生双弧，因此一定黥嘏极税喷罐黉对应一个会逶的窀流。 切割电流也影响切割速度和切口宽度，切割电流增大会使弧柱变粗，致使切口变 宽，易形成v 形割弱。 本文繇皴裁缝毒 偿戆箕体攥佟冤第5 章臻纯撵样穗裁系绞魏署发中熬5 4 繁。 6 防止热变形 由于在当前的切割中，主要为热切割：氧气切割、等离子切割、激光切割等， 它们錾热影噻区域楚不霹豹。表2 3 出切割碳豢镄嚣热影嚷送宽度熬实验数据及对 比资料，由表可见，氧气切割的热影响区宽度约为激光叨割的1 0 - - - 1 2 倍，另外随 着板厚的增大，热影响区也扩大，会影响工件的切割质量。 1 0 亨 硕士学位论文 表2 3 三种主要热切割法的热影响区宽度( ”神 2 7 1 热影响区宽度 切割方法 板厚l o板厚6板厚3 氧气切割 o 80 60 5 等离子弧切割 0 5o 40 3 激光切割 0 0 7 5o 0 50 0 5 切割套料零件时，合理选择起割点、起割顺序和切割进行方向，可使变形减 小，是获得良好切割精度的有效方法之一。切割顺序的选择取决于钢板上套料的 情况和零件形状。总的原则是尽可能将废边、余料等保持封闭状态，来限制其内 部零件的变形和移动。具体的要领【2 7 】是： ( 1 ) 先从板的内部切割尺寸小、外形复杂及精度要求高的零件，后割尺寸大、 形状简单的零件。 ( 2 ) 先切割零件内部的开孔，后切割外形。 ( 3 ) 把钢板上套料零件切割完后再将周围的废边切断。 7 切割速度 切割速度是切割过程中割炬与工件间的相对移动速度，是切割生产率高低的 主要指标。切割速度对切割质量有较大的影响，合适的切割速度是切口表面平直 的重要条件。在切割功率不变的情况下，提高切割速度使切口变窄，热影响区减 小，但速度太快不能割穿工件。切割速度太慢，生产率降低，并造成切口表面粗 糙不平直，使切口底部熔瘤增多，清理较难，同时热影响区及切口宽度增加。具 体选择切割速度参考相关工具书。 2 5 选择合适的切割方法 在具体选择切割方法和切割设备时需考虑各种因素”1 ，其中主要的有： ( 1 ) 切割对象。包括切割材料( 碳素钢、低合金钢还是不锈钢、有色金属) 、零 部件形状( 复杂或简单) 和尺寸、同形零件的批量以及材料的厚度等。 ( 2 ) 对切割质量的要求。包括切割面质量、热影响区材质的变化、零件的尺寸 精度，是成形切割零件还是一般的下料切割等。 ( 3 ) 切割效率。包括切割速度、切割后的处理作业量、多割炬同时切割的可能 性等。 ( 4 ) 加工工作量的大小。包括一天的切割工作量和年总加工量。 ( 5 ) 切割设备投资和日常切割成本( 易损零部件的价格和寿命，气体和水、电 成本，工时费用等) 。 ( 6 ) 对环境的影响。包括烟尘、有害气体、噪声和弧光等对工作环境的影响。 ( 7 ) 适应自动化鄹无入化切割的可行性。 魏井有露需要考虑对柔往生产系统的逶魔习镤。区l 上可躲，透露翻朗方法及 相应设备，需结合工厂实际情况，综合分析后才能确定，不能盲目的追求新颖和 所谓“先进”，不顾及切割加工对象和工厂的实际情况而引进新的方法或相应的设 蓉，班笼强技末力繁不是、鸯嚣工= 终量不平德或易耗零终徐貉裹等乐爨簿致设墨 经常闲簧或有故障不能修复而停用，既浪费资金，又影响嫩产或使操作成本大大 增加等。 缀然飙发震趋势窳看，氧气织裂将继续被等离子弧切割或激光切割掰代替丽 进一步缩小萁应用魏围，僵英设餐简单、徐裕低( 特剐是裁矩的价格低廉) 。所以 目前在世界各国厚度5 m m 以上的碳素钢的切割中，氧气切割的比重仍占8 0 以上。 氧气切割在以下集中应用场合仍具有一定的优姆： ( 1 ) 在淳度l o o m m 整上钢誊孝懿翡割中，灵有氧气甥割方法l 礁任，筵毽熬秘 割方法难以与之竞争。 ( 2 ) 经常使用多割炬同时切割同形状零件和含公共切割线的矩形零件的场合 ( 热疑大张钢援土切褰l 扳条) ，爨其骞良好的经滂牲。 ( 3 ) 适于切割焊接坡口和各稀型材。 等离子弧切割脬度2 5 3 0 m m 以下碳素钢是有利的，厚2 5 r a m 以下的碳素钢 切割时，等离子弧切割比氧一乙炔切割快5 倍左右，面对大予2 5 m m 的擞切割时， 氧一乙炔速度抉些酬。 激光切割具有热变形和热影响区小、切割精度高、适合于柔性生产簿特点， 另外，激光切割还具有噪声小、无污染等优点。随着人们环保意识的不断增强， 燕之激光源潮造藏本戆下簿，遨搀激壳接裁技零毯势更为突出。裁趱激毙凌裁技 术将成为今后切割披术发展的一个趋势。在加工各种金属和非金属高精发零件中 应用豳益增多，目前应用最多的行业是汽车制造业。 在矩形 牛的切割时，应该投凝不同的情援选爆相应的切割方法，选择相应的 裁缝牵 徭和切割速发等。在浚谦越中，穰其禳綮所需要静镄投矩形俘毛坯要求厚 度尺寸是2 0 3 0 m m ，切割速度怒1 0 0 8 0 0 m m m i n ，切割尺寸精度是o 2 r n m ，开 发的镏能化自动切割装备可根掇优化石的排料方案将一块糕体钢板切割成所要求 貔小足薯钢投毛坯。本文经过分瓣试为，该装餐魏切裁方法采蘧数搀簿舞子孤切 割是缀合适的，它媳有优质、离效、低成本的优势，不但切割时比氧一乙炔的热 影响隧城要小，减小工件变形，而且切割速殿要比氧一乙炔高，并且智能化精细 密等燕子弧切割是未来切割发矮熬个趋势，现在精细等离子切割技术在材料的 切割波面质量方丽已接近了激光协割的质量，毽成本却远低于激光切割，未来它 的切割精度将会进一步提高。 硕士学位论文 第3 章计算机辅助排样 最大限度地节约材料、提高材料利用率是生产中降低成本，提高经济效益的 一个重要手段，由于排样问题的广泛存在，如钣金下料、报刊排版、服装裁剪等， 都需要在可接受的时间里得到最优或近似最优解，因而研究它具有深远的理论意 义和现实意义。并且传统的排样采用的是手工排样，即利用c a d 系统的图形功能， 人工平动或旋转所选择的坯料，这种方法主要针对坯料形状简单、品种单一且数 量较少的情况。在多种尺寸的坯料进行排样的情况下，由于手工排样自动化程度 低，工作强度大，且排样的优劣很大程度依赖于排样操作人员本身的经验，传统 的手工排样远远不能满足要求了，随着计算机的飞速发展，由计算机来代替人做 这项工作应运而生。 3 1 计算机辅助排样概况 计算机辅助排样实质上是一种目标函数优化排样方法，其核心是用某一种排 样优化算法根据实际坯料块的形状、大小及数目构造一定的目标函数，围绕目标 函数按一定的运算规则不断进行迭代，当达到设定的精度或设定的迭代次数之后 即停止迭代，将停止迭代时所得到的参数作为最后参数并以此进行排样。由于实 际加工过程中，坯料块的形状可能非常复杂，品种可能非常多，这样就使得优化 排样的算法非常复杂【2 9 1 。同时，从理论上看，该类问题属于具有最高计算复杂性 的优化计算问题：n p 完全问题。对于这类问题，以目前已成熟的计算理论和算法， 要么根本无法求解，要么求解的计算量是爆炸性的。在实际的应用中，大多数研 究者都采用最小包络矩形的方法对不规则零件进行简化预处理转变为矩形零件的 排样，简化了其解空间，实现了计算机辅助排样。 3 2 二维矩形件优化排样 由于切割图都是从排样图加入工艺规划后转化而来，所以对于切割路径的优 化和排样图的优化有着密切的联系，如何使它们协调起来，达到整体最优化，使 得切割成本最小，是一个值得研究的问题。 因为矩形件在很多都行业有着广泛应用，国内外对矩形件优化排样的问题已 做了相当深入的研究，应用s a 、g a 、t s 、h o p f i e l d 等算法或之问的结合开发 出了相当多的矩形件优化排样系统，提高了板材利用率、缩短了排样时间。但由 于优化排样问题是具有最高复杂性的n p 完全问题，同时其具有几何特性，