少無廢料激光板材切割技術

　　應用激光少無廢料激光板材切割技術馮愛新1殷蘇民1周建忠1張永康1戴峰澤1謝華錕2（1.江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮(zhèn)江212013；2.成都工具研宄所，四川成都，610056）提要采用少無廢料激光板材切割技術，可以大幅度地提高材料利用率，縮短切割時間，提高生產(chǎn)效率。激光切割路徑優(yōu)化算法和板材的無搭邊排樣技術是少無廢料激光板材切割的關鍵技術問題。文章研宄了少無廢料激光切割路徑優(yōu)化原則，在此基礎上，研宄了少無廢料激光切割編程技巧，并結(jié)合紡機板材的激光切割實踐，進行了少無廢料激光板材切割技術研宄，結(jié)果表明，采用少無廢料激光切割技術，材料利用率可10%~30%，切割長度可減少5%~10%.國家自然科學基金資助（50405035）江蘇省研宄生創(chuàng)新計劃項目（XM04-24）2004年11月20日收稿在工業(yè)生產(chǎn)的全部激光加工應用中，激光切割所占比例大約為70%以上。是激光加工行業(yè)中最重要的一項應用技術。

　　激光切割與傳統(tǒng)的切割方法相比，具有高速高效、高精度和高適應性的特點，同時還具有割縫細、熱影響區(qū)小、切割面質(zhì)量好、切割時無噪音、加工成本低、切割過程容易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點11-3.激光切割鋼板時，不需要模具，可以替代一些需要采用復雜大型模具的沖切加工方法，能大大縮短生產(chǎn)周期和降低成本。因此，目前激光切割己廠泛地應用于汽車、機車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子石油和冶金等工業(yè)部門中141.用零搭邊切割、混料切割、異種零件嵌套、同種零件組合切割技術進行少無廢料激光板材切割，大幅度提高材料利用率，縮短切割時間，提高生產(chǎn)率。

　　激光切割路徑優(yōu)化算法和板材的無搭邊排樣技術是少無廢料激光切割技術的關鍵技術問題和技術難點。本文將就該問題作初步探討。

　　激光切割路徑優(yōu)化技術研究激光切割路徑優(yōu)化算法是進行少無廢料激光切割技術的關鍵技術難點之一，其直接影響激光切割的產(chǎn)品質(zhì)量和激光切割加工的生產(chǎn)效率。一方面，切割路線的安排直接決定了空行程的長度，從而影響著切割加工時間，另一方面，由于采用搭邊切割、混料切割、異種零件嵌套、同種零件組合等少無廢料激光切割技術，單個零件之間的搭邊值很小或為0，切割路徑直接影響著切割進程能否正常進行和切割加工的質(zhì)量。切割路徑不當，甚至會造成切割設備故障，尤其對于接觸式隨動，往往導致切割頭故障損傷和板料移位，使切割工作無法進行。

　　激光切割路徑優(yōu)化通常應遵循下列原則：激光切割先內(nèi)后外的原則首先切割各單個工件內(nèi)部的廢料，最后切割工件的輪廓邊。這樣防止先切割輪廓邊后，工件脫離板料而使其內(nèi)部的廢料無法去除。對兩個工件之間的公用邊，應根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點，慎重考慮，必要時，應將公用邊處理成板料的內(nèi)部線條而優(yōu)先于輪廓邊進行切割。

　　激光切割先小后大的原則該原則對于接觸式隨動結(jié)構(gòu)的激光切割尤為重要，往往應用于工件內(nèi)部廢料的切割過程中。其考慮的出發(fā)點主要體現(xiàn)在2個方面。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，保護隨動不因變形的板料的阻隔而損壞。另一方面，隨動頭不易陷入小尺寸處的孔洞中，從而保護了隨動，保證了加工要求。

　　該原則主要用于解決公用邊切割問題時，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（異形孔見多）兩種情形，基于上述同樣的考慮，應考慮先線后孔的原則。

　　進行少無廢料激光切割時，板料受熱程度相對大。因此，在路徑優(yōu)化時，應使整個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。其中，主要涉及到切割順序的安排、切割層次的劃分等問題。

　　路徑最短原則是所有激光板材切割路徑優(yōu)化的最基本的原則，是縮短切割時間和提高生產(chǎn)率的有效途徑。對少無廢料激光切割，由于其中涉及到零搭邊情形下的切割過程和切割質(zhì)量控制問題，應在考慮上述各原則的基礎上兼顧路徑最短原則。

　　少無廢料激光切割編程技巧由于少無廢料激光切割的工藝要求和質(zhì)量控制問題，目前的國內(nèi)通用的自動編程軟件有時無法滿足這一要求5-71.這要求我們從兩方面著手解決問題：其一，在現(xiàn)有軟件的基礎上，人為介入，引入少無廢料激光切割手工排樣和編程技巧，進行激光切割手工排樣和半自動編程；其二，在此基礎上，開發(fā)適用于少無廢料激光切割的自動排樣優(yōu)化軟件模塊和自動編程軟件模塊。

　　一體化編程技術一體化編程是在整個板料范圍內(nèi)綜合考慮所有零件的切割路徑優(yōu)化問題。首先，將整個排樣后的工件的外輪廓處理成輪廓線，而將各工件間的公共邊和其他內(nèi)部輪廓線轉(zhuǎn)化為內(nèi)部線條，然后將公共邊和其他內(nèi)部輪廓線處理成線條段和封閉線，可見，封閉線的內(nèi)部為廢料，最后，對經(jīng)過處理的圖形進行路徑優(yōu)化，并在此基礎上進行程序生成。

　　一體化編程技術將整個板件看成一個復雜的零件進行編程，切割效率高。但在編程前的圖象處理工作量較大，另外，對復雜零件，在路徑優(yōu)化后有時還要參照上述路徑優(yōu)化原則，進行必要的路徑修改。

　　路經(jīng)修改編程技術對排樣后的圖形進行自動路線優(yōu)化后，按照上述少無廢料激光切割路線優(yōu)化原則，進行手工路經(jīng)修改，按照修改后的切割路線，生成激光切割程序。

　　路線修改編程技術前期圖象處理工作量不大，但路徑優(yōu)化后的切割路徑修改的工作量較大且繁瑣，通常適用于較簡單工件的少無廢料激光切割編程。

　　多步編程技術適用于復雜的板件排樣的少無廢料激光切割編程，其基本思路如下：首先，對排樣后的激光切割圖樣進行層次劃分處理，切割層次劃分的原則即為切割路徑優(yōu)化原則，然后，對每一層次圖樣分別進行自動切割程序編制，最后，根據(jù)路徑優(yōu)化原則，將各層次的激光切割程序進行有序組合，生成最終的激光切割程序。

　　多步編程技術指導思想清晰，程序編制簡單，但是圖樣的層次劃分是關鍵，并且目前主要依靠編程人員的工程實踐經(jīng)驗。另外，在最后的程序組合時，各層次圖樣程序的數(shù)據(jù)兼容問題（即各層次間相互尺寸數(shù)值關系）是多步編程技術的關鍵。

　　少無廢料激光切割編程工程實踐紡織機械加強筋板零件如所示，該零件主要用于紡織機械墻板之間的聯(lián)結(jié)，用量較大，利用紡機墻板切割過程中的640X 480割下料。在該零件的切割過程中，筆者進行了同種零件組合的少無廢料激光切割技術工程實踐。

　　板料排樣方式的優(yōu)化排樣方式?jīng)Q定了切割時間和材料利用率，在該零件切割實踐中，研究了如所示的4種排樣方式。根據(jù)零件的結(jié)構(gòu)特點，采用4個零件一組，組內(nèi)零件無搭邊，圖a為組間直排有搭邊；圖b為組間斜排有搭邊；圖c為組間直排無搭邊；圖d為組間斜排無搭邊。對應的材料利用率和切割長度見表1.可見，無搭邊排樣的材料利用率較有搭邊排樣提高10%~30%，其工藝廢料可控制在5 %以內(nèi)，同時切割長度減少5%~10%.顯然，圖d是相對最優(yōu)的板料排樣方案。

　　將d所示的無搭邊排樣分成如所示的四個層次，第一層次為內(nèi)部直線段（a）第二層次為組內(nèi)方孔（b）第三層次為組間方孔和多邊表1板料排樣方式的優(yōu)化比較方案工藝廢料材料利用率結(jié)構(gòu)廢料材料利用率平均切割長度切割長度減少百分比a：直排有搭邊b斜排有搭邊c斜排無搭邊d直排無搭邊形孔（c）第四層次為外部四周輪廓線（d）。

　　這四個層次即激光切割路徑優(yōu)化后的切割步驟。

　　少無搭邊激光切割技術包括零搭邊切割、混料切割、異種零件嵌套、同種零件組合等切割技術具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高的優(yōu)點，是一項具有廣闊工程應用前景的工程應用技術，無搭邊排樣技術和切割路徑優(yōu)化算法是少無廢料激光切割技術的關鍵問題。

　　對紡機加強筋板零件，運用激光切割路徑安排原則進行路徑優(yōu)化和排樣優(yōu)化，并采用多步編程技巧進行少無廢料激光切割程序編制，結(jié)果表明，材料利用率提高可達30%以上，切割長度減少可達近10%，經(jīng)濟效益和社會效益顯著。

　　基于少無搭邊激光切割技術的自動排樣、自動編程及技術經(jīng)濟性評估軟件模塊的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義和工程背景，有待進行深入研究與開發(fā)。