引言

在全球競(jìng)爭(zhēng)日益加劇的今天,我國(guó)機(jī)械制造業(yè)面臨著世界先進(jìn)水平的挑戰(zhàn),制造理論、加工方式、優(yōu)化理論等對(duì)于制造業(yè)都有著重要影響。近些年,激光切割加工工業(yè)發(fā)展迅速,在制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用,與傳統(tǒng)的切割工藝相比,激光切割質(zhì)量好、切口光潔、速度快、熱影響小,且可以隨意切割成任何形狀。目前,該技術(shù)正朝著數(shù)控化、智能化的方向發(fā)展,與計(jì)算機(jī)、數(shù)控、機(jī)器人技術(shù)等組合成多功能、自動(dòng)化的加工中心,可以完成自動(dòng)化、復(fù)雜形狀的切割,大大提高了切割的靈活性,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了機(jī)械、電子、輕工紡織等各個(gè)領(lǐng)域。但現(xiàn)有的激光切割加工系統(tǒng)中,一般是憑借經(jīng)驗(yàn)或基于專家系統(tǒng)來(lái)解決工藝參數(shù)選取和切割路徑選擇的問(wèn)題,隨著加工對(duì)象的增加,工藝數(shù)據(jù)越來(lái)越復(fù)雜,傳統(tǒng)的以經(jīng)驗(yàn)選擇的方式已經(jīng)不能滿足目前的生產(chǎn)需要,并且在使用過(guò)程中,激光切割加工有大量的空行程,當(dāng)工件上加工輪廓較復(fù)雜時(shí),如何保證工件質(zhì)量好、時(shí)間花費(fèi)少成為目前亟需解決的問(wèn)題,已經(jīng)超出了傳統(tǒng)優(yōu)化方法的計(jì)算范圍[2]?；谏鲜龃嬖诘膯?wèn)題,提出改進(jìn)蟻群算法下激光切割加工工藝的優(yōu)化方法設(shè)計(jì)。

1改進(jìn)蟻群算法下激光切割加工工藝優(yōu)化方法設(shè)計(jì)

1.1激光切割加工工藝參數(shù)選擇

制造業(yè)中,需要進(jìn)行加工的零件非常多,不同材料的熔點(diǎn)和汽化點(diǎn)不同,所需的激光熱量[3]也不同,對(duì)激光能量吸收率的要求也不一樣。同時(shí),不同厚度的工件需要不同的激光功率、加工速度、焦點(diǎn)位置等,所以在使用激光切割加工工藝時(shí),要重點(diǎn)對(duì)激光切割加工工藝參數(shù)進(jìn)行選擇[4]:并選擇接近額定功率時(shí)的光斑模式,所以在工作時(shí)選擇較大的功率:此外,焦點(diǎn)位置對(duì)工件的加工質(zhì)量也有很大影響?；谶@些在加工時(shí)需要注意的參數(shù),提出變量算法,根據(jù)工件的材質(zhì)和厚度,對(duì)激光的加工工藝參數(shù)進(jìn)行選擇,首先將參數(shù)引入變量算法中[5],計(jì)算公式如下:

式中,sF代表參數(shù)代入因子:Zo代表激光工藝相關(guān)參數(shù):i代表材料基本參數(shù)。此次計(jì)算不做定向分析。

通過(guò)上述公式計(jì)算,將參數(shù)引入變量算法中,在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行激光切割加工工藝選擇,計(jì)算公式如下)

式中,8F代表變量因子:Jk代表工藝選擇因子:mc代表引入的相關(guān)參數(shù)。此次計(jì)算不做定向分析。

通過(guò)上述公式計(jì)算得出激光切割加工工藝參數(shù),確定激光工藝的工作狀態(tài),根據(jù)相關(guān)材料的加工要求及激光的工作狀態(tài),根據(jù)不同材料的工件材質(zhì)和具體的加工要求,對(duì)激光的切割速度和打孔時(shí)間等進(jìn)行確定,保證激光切割的質(zhì)量。

1.2激光切割加工路徑確定

在確定激光切割加工路徑之前,要先確定穿孔點(diǎn),選取環(huán)上的任意一個(gè)頂點(diǎn)作為穿孔點(diǎn),采用最鄰近算法對(duì)穿孔位置進(jìn)行確定,保證該位置上有且只有一個(gè)穿孔點(diǎn),計(jì)算公式如下:

式中,/代表臨近算法參數(shù):k代表材料基本形態(tài):Zy代表穿孔點(diǎn)位置選擇參數(shù)。此次計(jì)算不做定向分析。

在上述公式計(jì)算完成的基礎(chǔ)上,從編程的零點(diǎn)出發(fā),當(dāng)切割頭移動(dòng)到編程零點(diǎn)附近的內(nèi)環(huán)點(diǎn)時(shí),將該點(diǎn)設(shè)置為當(dāng)前點(diǎn),并找到距離最近的圓環(huán)上的點(diǎn),重復(fù)上述步驟,直到所有的內(nèi)環(huán)被確定唯一一個(gè)穿孔點(diǎn),在此基礎(chǔ)上,從當(dāng)前點(diǎn)查找距離外環(huán)上最近的點(diǎn),從當(dāng)前點(diǎn)做一條圓心的連線,這條線與圓的交點(diǎn)即為點(diǎn)到圓的最近距離。

在確定穿孔點(diǎn)的基礎(chǔ)上,對(duì)切割加工路徑進(jìn)行選擇,引用蟻群算法,首先對(duì)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置,載入材料信息,啟動(dòng)蟻群算法,計(jì)算螞蟻所走路徑的長(zhǎng)度,計(jì)算公式如下)

式中,N(i)代表螞蟻算法因子:代表每只螞蟻所走路徑:m代表螞蟻所走路徑時(shí)間。此次計(jì)算不做定向分析。

通過(guò)上述公式計(jì)算出每只螞蟻找到的路徑的長(zhǎng)度,將每只螞蟻已行走的路徑節(jié)點(diǎn)[5]進(jìn)行保存,該計(jì)算中設(shè)置了最大迭代次數(shù),如果迭代次數(shù)沒(méi)有達(dá)到該值,螞蟻必須重新從當(dāng)前位置尋找新的路徑,選擇出最短路徑,計(jì)算公式為)

式中,wu代表計(jì)算迭代次數(shù):Zp代表時(shí)間計(jì)算參數(shù):Vb×i代表螞蟻所走的路徑節(jié)點(diǎn)。此次計(jì)算不做定向分析。

通過(guò)上述計(jì)算確定激光切割加工路徑,通過(guò)此次選擇的路徑能夠減少激光器在每個(gè)加工輪廓之間移動(dòng)所需要的時(shí)間,并且通過(guò)蟻群算法能夠更快得到最優(yōu)加工路徑,以此完成基于改進(jìn)蟻群算法的激光切割加工工藝優(yōu)化。同時(shí),為了保證該優(yōu)化方法的有效性,將在下一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。

2實(shí)驗(yàn)論證分析

上述分析只是從理論上證明了此次設(shè)計(jì)的有效性,為了證明此次設(shè)計(jì)的方法具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義,下面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)論證。同時(shí),為了保證實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性,將傳統(tǒng)方法與本文設(shè)計(jì)的激光切割加工工藝優(yōu)化方法進(jìn)行對(duì)比,主要對(duì)比兩種加工方法的加工時(shí)間,實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)對(duì)比圖能夠看出,改進(jìn)前的激光工藝加工時(shí)間較長(zhǎng),因?yàn)楦倪M(jìn)前的方法不能尋找到最優(yōu)解,并且空行程路徑較多,而本文設(shè)計(jì)的改進(jìn)后的激光加工工藝明顯比改進(jìn)前的加工速度快,因?yàn)樵摲椒軌驅(qū)Σ牧系膮?shù)進(jìn)行有效選擇,根據(jù)參數(shù)對(duì)激光切割工藝進(jìn)行設(shè)置,同時(shí)利用蟻群算法尋找到切割的最優(yōu)路徑。實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明,改進(jìn)后的激光切割加工工藝所需要的加工工藝時(shí)間明顯減少,空行程減少,基本能夠證明改進(jìn)后的激光切割加工工藝比改進(jìn)前的工藝效果好,具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

3結(jié)語(yǔ)

綜上所述,隨著全球化發(fā)展,制造業(yè)的環(huán)境也在改變,消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品個(gè)性化、多樣化的需求日益增加,面對(duì)這種趨勢(shì),提高制造業(yè)的制造水平非常重要。本文通過(guò)選擇激光切割加工工藝參數(shù)與確定激光切割加工路徑實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光切割工藝的改進(jìn),實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果證明,改進(jìn)后的激光切割工藝在切割速度上有了明顯提升,空行程明顯減少。希望此次設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法對(duì)激光切割工藝的發(fā)展有一定幫助,能夠推動(dòng)切割工藝的發(fā)展,促進(jìn)我國(guó)制造業(yè)的進(jìn)步。