[发明专利]激光切割机寻轨路径规划优化方法

说明书

技术领域

本发明属于激光切割技术领域，尤其涉及激光切割机寻轨路径的优化方法。

背景技术

钢材切割是很多大型机械设备制造过程中最基本的工序，往往也是最先的工序，切割效率的高低会直接影响到后续工序。随着对数控激光切割机使用的不断增多，提高激光切割机的切割效率已经成为研究的主要方向。数控激光切割机所使用程序的切割路径规划的好坏会直接影响到切割的效率，对切割路径规划进行优化则可以有效提高切割效率，路径优化方法是指建立有效的数学模型，从而使控制器按照此数学模型所设计的路径发出指令来控制激光切割机的切割头从而达到优化切割路径的目的。路径优化问题的解决通常是在现有大型设备自动编排软件的基础上，人为介入，引入数控激光切割手工排样和编程技巧，进行数控激光切割手工排样和半自动编程，然后生成最终的优化路径，但其具有自动化程度和定位精度不高，激光切割机的空行程过长，以及由此造成的切割时间过长等问题。

发明内容

针对上述激光切割机的切割路径规划所存在的问题，本发明提供一种激光切割机寻轨路径规划优化方法，该方法能使激光切割机自动化程度提高、定位准确，最大程度的缩短空行程，缩短切割时间。

上述激光切割机寻轨路径规划优化方法在数学上可以转化为TSP问题，TSP 问题应用广泛，是最经典的NP-hard 组合优化问题之一，由于其计算的复杂性较高,长期以来,研究者一直在寻求快速、高效的近似算法,以便在合理的时间内解决问题。为解决TSP问题，现提出贪婪算法，并以贪婪算法解决寻轨路径规划的优化问题。

贪婪算法所遵循的原则如下：

数控激光切割先内后外的原则。首先切割各单个工件内部的废料（孔），再切割工件的轮廓边。这样防止先切割轮廓边后，工件脱离板料而使工件内部的废料无法进行准确无误的定位和切割。对于两个工件之间有公用边的情况则应根据零件结构特点，慎重考虑，必要时，应将公用边处理成板料的内部线条而优先于轮廓边进行切割。在实际数控激光切割时一般很少采用公用边的做法，尽管采用公共边有利于减少实际切割长度，但是不利于保持零件的完整性和不利于控制切割变形等方面的原因，故一般不采用公用边的做法。

数控激光切割先小后大的原则。该原则对于接触式随动结构的数控激光切割尤为重要，往往应用于工件内部废料（孔）的切割过程中。其考虑的出发点主要体现在两个方面：一方面，先割开小的尺寸，这样零件刚度下降较小，板料在热变形等外力作用下的变形小，在保证质量要求的同时，保护随动割炬不因变形的板料的阻隔而损坏。另一方面，随动割炬不易陷入割除废料后形成的孔洞中，从而保护了随动装置，保证了加工要求。

先线后孔的原则。该原则主要用于解决公用边切割问题。工件之间的公用边通常要与轮廓线分离切割，这样处理成线与孔两种情形，基于上述同样的考虑，应考虑先线后孔的原则。

考虑板材热变形趋势。进行数控激光切割时，板料受热程度相对增大。因此，在路径优化时，应使整个板料的受热尽可能均匀，避免局部集中受热引起板料变形和工件尺寸波动。其中，主要涉及到切割顺序的安排、切割层次的划分等问题。

路径最短原则。路径最短原则是所有板材切割路径优化的最基本的原则，是缩短切割时间和提高生产率的有效途径。数控激光切割应在考虑上述各原则的基础上兼顾路径最短原则。这也是我们要解决的问题。

较少打孔次数原则。一个不可忽视的影响因素就是激光割炬的打孔次数限制，激光割炬的电极和气体喷嘴的使用寿命随着打孔次数的增多而急剧减少，特别是在大电流切割时，打孔瞬间电流冲击大，电极损伤大。此类电极和喷嘴都是一次性的，用完即报废，而且目前还依赖于进口，价格高；因此从易耗品的使用经济性考虑要控制打孔的次数，并尽量减少打孔的次数。

所述激光切割机寻轨路径规划优化方法是通过以下技术方案实现的：激光切割机在切割过程中，在X-Y 平面内运动定位，同时割炬在Z 轴方向进行上下运动来确定切割的高度。一般割炬相对待割钢板表面保持一定高度，因此割炬要随着钢板起伏不平而上下运动，这是独立控制的。在切割优化中，只需要确定X-Y 平面内的坐标即可。

将切割打孔的程序段从源程序中识别出来作为所要优化的程序段，然后剔除其中的切割运动指令，再对快速定位指令进行分析即可得到原路径所有线段的起点和终点坐标。需要说明的是：在打孔的时候为了避免打孔时大电流冲击导致割伤零件而设置了引割线（包括引入线和引出线），因此打孔点实际上有引入端点和引出端点的区别，即“打孔点”实际是从引入线端点进，从引出线端点出的。这两个端点之间的距离一般不超过50mm，不影响整体路径的优化程度。