改進(jìn)蟻群算法下激光切割加工工藝優(yōu)化研究

引言

在全球競爭日益加劇的今天,我國機(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,與計算機(jī)、數(shù)控、機(jī)器人技術(shù)等組合成多功能、自動化的加工中心,可以完成自動化、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)驗或基于專家系統(tǒng)來解決工藝參數(shù)選取和切割路徑選擇的問題,隨著加工對象的增加,工藝數(shù)據(jù)越來越復(fù)雜,傳統(tǒng)的以經(jīng)驗選擇的方式已經(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,如何保證工件質(zhì)量好、時間花費少成為目前亟需解決的問題,已經(jīng)超出了傳統(tǒng)優(yōu)化方法的計算范圍[2]?；谏鲜龃嬖诘膯栴},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。

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

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,不同材料的熔點和汽化點不同,所需的激光熱量[3]也不同,對激光能量吸收率的要求也不一樣。同時,不同厚度的工件需要不同的激光功率、加工速度、焦點位置等,所以在使用激光切割加工工藝時,要重點對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的光斑模式,所以在工作時選擇較大的功率:此外,焦點位置對工件的加工質(zhì)量也有很大影響。基于這些在加工時需要注意的參數(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)。此次計算不做定向分析。

通過上述公式計算,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)。此次計算不做定向分析。

通過上述公式計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,對激光的切割速度和打孔時間等進(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,選取環(huán)上的任意一個頂點作為穿孔點,采用最鄰近算法對穿孔位置進(jìn)行確定,保證該位置上有且只有一個穿孔點,計算公式如下:

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

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

在確定穿孔點的基礎(chǔ)上,對切割加工路徑進(jìn)行選擇,引用蟻群算法,首先對參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置,載入材料信息,啟動蟻群算法,計算螞蟻所走路徑的長度,計算公式如下)

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間。此次計算不做定向分析。

通過上述公式計算出每只螞蟻找到的路徑的長度,將每只螞蟻已行走的路徑節(jié)點[5]進(jìn)行保存,該計算中設(shè)置了最大迭代次數(shù),如果迭代次數(shù)沒有達(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,計算公式為)

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

通過上述計算確定激光切割加工路徑,通過此次選擇的路徑能夠減少激光器在每個加工輪廓之間移動所需要的時間,并且通過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,為了保證該優(yōu)化方法的有效性,將在下一步進(jìn)行實驗論證。

2實驗論證分析

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

通過上述實驗對比圖能夠看出,改進(jìn)前的激光工藝加工時間較長,因為改進(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,因為該方法能夠?qū)Σ牧系膮?shù)進(jìn)行有效選擇,根據(jù)參數(shù)對激光切割工藝進(jìn)行設(shè)置,同時利用蟻群算法尋找到切割的最優(yōu)路徑。實驗對比結(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,具有一定的實際應(yīng)用意義。

3結(jié)語

綜上所述,隨著全球化發(fā)展,制造業(yè)的環(huán)境也在改變,消費者對于產(chǎn)品個性化、多樣化的需求日益增加,面對這種趨勢,提高制造業(yè)的制造水平非常重要。本文通過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現(xiàn)了對激光切割工藝的改進(jìn),實驗對比結(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)計的改進(jìn)方法對激光切割工藝的發(fā)展有一定幫助,能夠推動切割工藝的發(fā)展,促進(jìn)我國制造業(yè)的進(jìn)步。