钣金激光切割工艺优化方法及应用研究

张海露 乌鹏涛

摘 要：激光切割因精度高且价格逐渐降低受到了企业的青睐，因此本文着重研究钣金激光切割工艺优化技术。

关键词：钣金激光；切割工艺；优化

1.钣金激光切割工艺优化技术的应用现状

钣金的下料问题应用范围非常广泛，如重型机械、船舶、服装、玻璃等行业，提高板材利用率能够降低企业的生产成本，给企业带来可观的经济效益。所以，板材下料问题的研究具有重要的经济价值，因此它得到了国内外研究人员的很大关注，并取得了一定的成果。在研究理论的同时，伴随着优化技术和计算机技术的快速发展，众多研究者也开发了一些排样软件，并在实际生产中得到了应用，钣金优化排样系统也在伴随着优化排样算法和切割工艺优化技术研究的深入而不断地发展。国外在钣金激光切割工艺优化方面的研究开发比较早，并取得了很不错的成果。

2.激光切割的工艺路径优化方法研究

2.1常规共边切割方法

2.1.1共边切割的概念

共边切割就是在优化排样时按照一定规则将具有长边的零件尽可能以长边对长边的方式排列在一起，在生成切割指令时对这些零件外轮廓的公共边部分只进行一次切割。共边切割已被认为是提高切割效率、节省切割成本的重要措施，本文提出了基于图论理论的“一笔画”共边切割方法和针对阵列矩形的“阶梯形”共边切割方法，并与常规的共边切割方法进行了比较。通过比较，本文所提出的方法在切割路径上有了很大的优化。

2.1.2常規共边切割方法

设共边排料图有 n 个零件组成，已经按最短路径的原则排好切割顺序，每个零件记为 P1，P2，...Pn.常规共边切割方法步骤如下：

步骤 1：首先切割 P1，并找出 P1 与 P2 的公共边 E12；

步骤 2：以零件 P1 和零件 P2 的公共边 E12 的两个端点中任一个端点为起点，进行切割零件 P2。然后找出 P2 和 P3 的公共边 E23；

步骤 3：重复以上类似的步骤，直到切割完最后一个零件 Pn 为止。常规共边切割方法实际上就是按着零件的排列顺序进行逐一切割，公共边只切割一次，这种方法简单且容易算法实现。

2.2钣金激光切割

通过调研情况分析，企业对切割工艺优化系统的需求主要可以归纳为以下几个方面：

2.2.1系统具有自动排样功能：在往系统输入要下料的零件图形后，在给定的板材上系统能够尽可能密地自动排列好。自动排样功能是板材下料系统的核心功能，在实际的下料系统产品中，通常情况下自动排样功能的好与差直接影响着这个产品的优劣。在零件的加工过程中，排料是一个很重要的环节，排料的好坏直接影响着板材的利用率，也就关系到了企业的生产成本问题。因此企业一般对排料非常重视，通常都会设有专门的技术人员负责此事。传统的模式都是专门的技术人员手工排样，这种方式主要是依靠人们的经验，当零件的种类比较少时，这种方式也能达到比较好的效果，然而当零件的种类比较多时，其工作量是相当大的。当前企业的竞争异常激烈，产品的更新换代很快，因此提高工作效率以及节约成本成为企业在未来生存的法宝。而一个好的系统的自动排样功能不仅能提高企业的生产效率，还能够通过提高板材的利用率而节约企业的成本。

图1.钣金切割示意图

2.2.2系统具有激光切割工艺设计的功能：在激光切割零件时，需要对零件的切割路径、打孔点位置、切割方向、切割引线等工艺进行设计，以保证切割效率和切割零件的质量。在零件排样完后需要对零件进行切割，二维零件图形排样算法的应用使材料利用率得到了很大提高，然而在零件排样完后对零件进行的后续切割若不能保证有效地切割零件、保证零件质量及提高生产率，则排样算法的研究在材料利用率上获得的收益将丧失。因此，必须对零件的切割工艺进行优化以达到企业实际生产要求。激光切割工艺优化主要涉及到切割路径规划、打空点数、零件的变形、尖角处理等。

2.2.3系统要支持零件库管理：能对要下料的零件按分类进行入库并能对零件进行统一管理。现在的产品变化日新月异，零件的种类也是千变万化，如何对要加工的零件进行管理是企业制造过程中遇到的一个很重要的问题。因此系统支持零件的管理能够方便企业的生产管理人员很方便的按零件的分类进行管理，如按产品的种类、生产日期、订单日期、交货日期以及切割设备等。

2.3“一笔画”共边切割算法实现

图论中有一种特殊的图——欧拉图，它有一条很重要的性质，从欧拉图的任一顶点出发都能求得一条欧拉回路，即可无重复边一笔绘出。其中如果图 G（V，E）中各顶点的度数均为偶数，则 G 图一定是个欧拉图。另外如果 G 图中除两个顶点vi ， vj 的度数为奇数外，其他顶点的度数均为偶数，则一定存在从 vi 到 vj 的一条路径，它经过了 G 各边一次且无重复边，条路径称为欧拉通路。这个问题不难理解，连接vi ， vj 补加一条新边，则此时 G 图变成各顶点的度数都是偶数，即构成了欧拉回路，求得欧拉回路后，再去掉 vi 与 vj 间补加边即得到 vi 到 vj 的欧拉通路。显然欧拉通路也仅需一个打孔点且一次切割中无空行程。因此我们可以利用欧拉图的原理对共边排样零件进行共边切割，对于欧拉图由于割嘴只需打一次孔，所以对这种方法的共边切割简称“一笔画”共边切割。图 2. 所示是一个欧拉图，它可以无重复边一笔绘出，其遍历轨迹为： 1 → 2→3→4→2→5→3→6→7→4→1。

图2. 欧拉图的遍历轨迹

在实际切割中，有相当多的共边排样件组成的图不是欧拉图，对于这种情况我们应当设法把非欧拉图转化为欧拉图然后利用“一边画”共边切割。由图论知：在任何图 G = （ V ， E） 中，奇度顶点的个数为偶数，因此对于一般非欧拉图 G，设 G 图中奇度顶点的个数为 2K（K 为自然数）。根据欧拉图性质， 对于一个奇度顶点为 2K 的连通图 G，有 K 个不变子图，这些子图包含了图 G 的所有边，并且每个子图都是一条欧拉通路。

参考文献：

[1]佟德刚. 二维不规则形状排料算法研究与实现：[硕士学位论文].沈阳：沈阳工业大学， 2005

[2]李祥友，曾晓雁，刘勇.激光精密切割不锈钢薄板的工艺研究[J].中国激光，2001，28：35-39