應(yīng)用激光少無(wú)廢料激光板材切割技術(shù)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(xué)機(jī)械工程學(xué)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(wú)廢料激光板材切割技術(shù)，可以大幅度地提高材料利用率，縮短切割時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。激光切割路徑優(yōu)化算法和板材的無(wú)搭邊排樣技術(shù)是少無(wú)廢料激光板材切割的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。文章研宄了少無(wú)廢料激光切割路徑優(yōu)化原則，在此基礎(chǔ)上，研宄了少無(wú)廢料激光切割編程技巧，并結(jié)合紡機(jī)板材的激光切割實(shí)踐，進(jìn)行了少無(wú)廢料激光板材切割技術(shù)研宄，結(jié)果表明，采用少無(wú)廢料激光切割技術(shù)，材料利用率可10%~30%，切割長(zhǎng)度可減少5%~10%.國(guó)家自然科學(xué)基金資助（50405035）江蘇省研宄生創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)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(yīng)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(xiàng)應(yīng)用技術(shù)。

　　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(yīng)性的特點(diǎn)，同時(shí)還具有割縫細(xì)、熱影響區(qū)小、切割面質(zhì)量好、切割時(shí)無(wú)噪音、加工成本低、切割過(guò)程容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)11-3.激光切割鋼板時(shí)，不需要模具，可以替代一些需要采用復(fù)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(yīng)用于汽車、機(jī)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(shù)進(jìn)行少無(wú)廢料激光板材切割，大幅度提高材料利用率，縮短切割時(shí)間，提高生產(chǎn)率。

　　激光切割路徑優(yōu)化算法和板材的無(wú)搭邊排樣技術(shù)是少無(wú)廢料激光切割技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和技術(shù)難點(diǎn)。本文將就該問(wèn)題作初步探討。

　　激光切割路徑優(yōu)化技術(shù)研究激光切割路徑優(yōu)化算法是進(jìn)行少無(wú)廢料激光切割技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)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(zhǎng)度，從而影響著切割加工時(shí)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(wú)廢料激光切割技術(shù)，單個(gè)零件之間的搭邊值很小或?yàn)?，切割路徑直接影響著切割進(jìn)程能否正常進(jìn)行和切割加工的質(zhì)量。切割路徑不當(dāng)，甚至?xí)斐汕懈钤O(shè)備故障，尤其對(duì)于接觸式隨動(dòng)，往往導(dǎo)致切割頭故障損傷和板料移位，使切割工作無(wú)法進(jìn)行。

　　激光切割路徑優(yōu)化通常應(yīng)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(gè)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(wú)法去除。對(duì)兩個(gè)工件之間的公用邊，應(yīng)根據(jù)零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，慎重考慮，必要時(shí)，應(yīng)將公用邊處理成板料的內(nèi)部線條而優(yōu)先于輪廓邊進(jìn)行切割。

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

　　該原則主要用于解決公用邊切割問(wèn)題時(shí)，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(yīng)考慮先線后孔的原則。

　　進(jìn)行少無(wú)廢料激光切割時(shí)，板料受熱程度相對(duì)大。因此，在路徑優(yōu)化時(shí)，應(yīng)使整個(gè)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(dòng)。其中，主要涉及到切割順序的安排、切割層次的劃分等問(wèn)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(shí)間和提高生產(chǎn)率的有效途徑。對(duì)少無(wú)廢料激光切割，由于其中涉及到零搭邊情形下的切割過(guò)程和切割質(zhì)量控制問(wèn)題，應(yīng)在考慮上述各原則的基礎(chǔ)上兼顧路徑最短原則。

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

　　一體化編程技術(shù)一體化編程是在整個(gè)板料范圍內(nèi)綜合考慮所有零件的切割路徑優(yōu)化問(wèn)題。首先，將整個(gè)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(duì)經(jīng)過(guò)處理的圖形進(jìn)行路徑優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行程序生成。

　　一體化編程技術(shù)將整個(gè)板件看成一個(gè)復(fù)雜的零件進(jìn)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(duì)復(fù)雜零件，在路徑優(yōu)化后有時(shí)還要參照上述路徑優(yōu)化原則，進(jìn)行必要的路徑修改。

　　路經(jīng)修改編程技術(shù)對(duì)排樣后的圖形進(jìn)行自動(dòng)路線優(yōu)化后，按照上述少無(wú)廢料激光切割路線優(yōu)化原則，進(jìn)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(shù)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(jiǎn)單工件的少無(wú)廢料激光切割編程。

　　多步編程技術(shù)適用于復(fù)雜的板件排樣的少無(wú)廢料激光切割編程，其基本思路如下：首先，對(duì)排樣后的激光切割圖樣進(jìn)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(duì)每一層次圖樣分別進(jìn)行自動(dòng)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(jìn)行有序組合，生成最終的激光切割程序。

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

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

　　板料排樣方式的優(yōu)化排樣方式?jīng)Q定了切割時(shí)間和材料利用率，在該零件切割實(shí)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(diǎn)，采用4個(gè)零件一組，組內(nèi)零件無(wú)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(wú)搭邊；圖d為組間斜排無(wú)搭邊。對(duì)應(yīng)的材料利用率和切割長(zhǎng)度見表1.可見，無(wú)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(shí)切割長(zhǎng)度減少5%~10%.顯然，圖d是相對(duì)最優(yōu)的板料排樣方案。

　　將d所示的無(wú)搭邊排樣分成如所示的四個(gè)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(zhǎng)度切割長(zhǎng)度減少百分比a：直排有搭邊b斜排有搭邊c斜排無(wú)搭邊d直排無(wú)搭邊形孔（c）第四層次為外部四周輪廓線（d）。

　　這四個(gè)層次即激光切割路徑優(yōu)化后的切割步驟。

　　少無(wú)搭邊激光切割技術(shù)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(shù)具有生產(chǎn)效率高、材料利用率高的優(yōu)點(diǎn)，是一項(xiàng)具有廣闊工程應(yīng)用前景的工程應(yīng)用技術(shù)，無(wú)搭邊排樣技術(shù)和切割路徑優(yōu)化算法是少無(wú)廢料激光切割技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。

　　對(duì)紡機(jī)加強(qiáng)筋板零件，運(yùn)用激光切割路徑安排原則進(jìn)行路徑優(yōu)化和排樣優(yōu)化，并采用多步編程技巧進(jìn)行少無(wú)廢料激光切割程序編制，結(jié)果表明，材料利用率提高可達(dá)30%以上，切割長(zhǎng)度減少可達(dá)近10%，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。

　　基于少無(wú)搭邊激光切割技術(shù)的自動(dòng)排樣、自動(dòng)編程及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估軟件模塊的開發(fā)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程背景，有待進(jìn)行深入研究與開發(fā)。