基于微機(jī)的開(kāi)放式多功能四軸三聯(lián)動(dòng)激光加工數(shù)控系統(tǒng)，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)二維激光切割、平而或回轉(zhuǎn)體激光焊接和激光表而改性等多種激光加工作業(yè)。該系統(tǒng)采用工控微機(jī)加PMAC;伺服控制片等通用硬件和標(biāo)準(zhǔn)的Windows軟件平臺(tái)。與傳統(tǒng)專用的CNC比較，它具有開(kāi)放性和很高的性能價(jià)格比，這種開(kāi)放性使系統(tǒng)中各個(gè)模塊能夠力一便地?cái)U(kuò)展、更換，以便增加功能，提高性能。

　　在激光加工數(shù)控系統(tǒng)中，軟件是系統(tǒng)的靈魂，它管理著蔡套硬件的工作流程、處理用戶的輸入、輔助用戶進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)等。所研制的該套軟件將DCOM技術(shù)應(yīng)用到激光數(shù)控加工系統(tǒng)中，提高了系統(tǒng)的柔性、網(wǎng)絡(luò)性和擴(kuò)展性。該軟件還利用基于遺傳基因算法的人工智能力一法，綜合考慮了激光切割質(zhì)量和切割效率，優(yōu)化切割軌跡，成功地解決了激光切割的軌跡規(guī)劃問(wèn)題。下而主要介紹這套激光加工數(shù)控軟件系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)及其算法。

　　數(shù)控軟件的結(jié)構(gòu)

　　由于該系統(tǒng)采用的是微機(jī)與PMAC伺服控制片相結(jié)合的硬件結(jié)構(gòu)，因此軟件從結(jié)構(gòu)上可以分成控制片監(jiān)控軟件和微機(jī)軟件兩大部份，如圖1所示。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)框圖

　　1.控制片監(jiān)控軟件

　　控制片監(jiān)控軟件運(yùn)行在PMAC伺服控制片的DSP處理器上，它主要完成數(shù)控系統(tǒng)中硬件狀態(tài)的監(jiān)視(即PLC監(jiān)控)、伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制和G代碼轉(zhuǎn)換等任務(wù)。

　　PLC監(jiān)控模塊利用DSP運(yùn)算速度快的特點(diǎn)，采用DSP循環(huán)掃描的軟件力一式實(shí)現(xiàn)。這能與PMAC;控制硬件很好結(jié)合，避免使用專用的PLC硬件，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)、降低成本、提高控制性能。伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制模塊根據(jù)光碼盤反饋的位置信號(hào)，采用標(biāo)準(zhǔn)的PID算法計(jì)算出伺服電機(jī)的速度，最終控制整套機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。PMAC;控制片采用一套獨(dú)特的宏指令進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制，而口前最常用的加工控制力一式是采用G代碼指令。為了使PMAC控制片兼容G代碼指令，專門開(kāi)發(fā)了G代碼轉(zhuǎn)換模塊，該模塊利用PMAC中子程序調(diào)用的特點(diǎn)，通過(guò)G代碼子程序列表，在G代碼裝載過(guò)程中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)翻譯。這個(gè)模塊使PMAC控制片能夠直接接受傳統(tǒng)的G代碼，大大提高該控制片的開(kāi)放性和兼容性。

　　2.微機(jī)數(shù)控軟件

　　微機(jī)數(shù)控軟件是一組基于Windows操作系統(tǒng)的軟件組件，可以完成用戶交互、遠(yuǎn)程控制、文件輸入輸出、系統(tǒng)配置和計(jì)算機(jī)輔助工藝設(shè)計(jì)等任務(wù)。

　　該軟件是基于微軟公司開(kāi)發(fā)的DCOM(分布式組件對(duì)象模型)基礎(chǔ)上研制的。形象地說(shuō)， DCOM就像電源插座，不管電器是如何設(shè)計(jì)的，只要該電器的插頭符合電源插座規(guī)范，都可以接到插座上。在該數(shù)控軟件系統(tǒng)中，定義了一組適合激光數(shù)控加工的軟件接口規(guī)范，包括圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)接口規(guī)范、圖形加工數(shù)據(jù)接口規(guī)范、硬件輸入/輸出接口規(guī)范等，強(qiáng)迫不同的軟件組件模塊實(shí)現(xiàn)相同的通信接口，降低各個(gè)模塊之間的禍合性，提高系統(tǒng)的柔性。其中圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)接口規(guī)范被定義為加工零件的拓?fù)湫畔ⅲ醇庸ち慵妮喞?、尺寸精度和表而粗糙度等。這主要來(lái)源于兩個(gè)力一而:一力一而是通過(guò)用戶輸入?yún)?shù)，軟件計(jì)算得到的;另一力一而是通過(guò)轉(zhuǎn)換現(xiàn)存的CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))圖形文件得到的。

　　用戶輸入的數(shù)據(jù)是由用戶交句_模塊計(jì)算成圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)的。這里的用戶交句_模塊不同于一般數(shù)控軟件的模塊，它實(shí)際上是一組符合同一軟件規(guī)范的軟件組件，這些組件采用不同的力一式實(shí)現(xiàn)不同的用戶交句_界而。例如，有的組件實(shí)現(xiàn)G代碼編輯界而，有的組件實(shí)現(xiàn)圖形編輯界而，有的組件則實(shí)現(xiàn)零件庫(kù)選擇界而。這些組件雖然實(shí)現(xiàn)力一式和效果千差萬(wàn)別，但它們都符合圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)接口規(guī)范，能夠通過(guò)DCOM技術(shù)力一便地集成在一起，組成一個(gè)模塊。這種實(shí)現(xiàn)力一式比傳統(tǒng)的做法優(yōu)越得多，它可以根據(jù)用戶的個(gè)人愛(ài)好任意選擇自已喜歡的界而;也可以使用戶界而模塊運(yùn)行在與本系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的任意微機(jī)上而;用戶自已還可根據(jù)圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)接口規(guī)范實(shí)現(xiàn)新的用戶交句_組件，添加新的加工操作力一式。

　　CAD圖形文件是通過(guò)文件轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)的，它與用戶交句_模塊類似，也是一組實(shí)現(xiàn)圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)接口規(guī)范的軟件組件。不同的組件可以轉(zhuǎn)換不同類型的文件，例如有的可以轉(zhuǎn)換DXF文件，有的可以轉(zhuǎn)換BMP文件。用戶還可以自已編寫新的轉(zhuǎn)換組件，實(shí)現(xiàn)對(duì)所需格式文件的轉(zhuǎn)換。從以上兩個(gè)模塊可以看出，該數(shù)控加工軟件具有良好的柔性和可擴(kuò)展性。它不僅提供了各種功能，還提供了框架服務(wù)。用戶在這個(gè)框架下只要完成自已特定的工作，就可任意改進(jìn)蔡套加工軟件的功能。

　　硬件輸入/輸出接口規(guī)范定義軟件應(yīng)該如何控制硬件，如何從硬件讀取狀態(tài)信息。它通過(guò)定義規(guī)范隔離了軟件和硬件，使軟件脫離具體的硬件，使蔡套加工控制系統(tǒng)即使在定型后也能力一便地更改大多數(shù)硬件或添加新的硬件，而不會(huì)影響絕大多數(shù)軟件模塊。例如，不同的加工力一式需要不同的輔助硬件，激光切割需使用水閥、氣閥等硬件，而激光焊接則需要焊縫跟蹤傳感器，在本系統(tǒng)中可以根據(jù)加工需要隨時(shí)更換這些硬件設(shè)備，更換硬件設(shè)備時(shí)只需要更改系統(tǒng)的設(shè)置即可，而不需改變軟件。

　　在硬件輸入/輸出接口規(guī)范基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的虛擬加工控制終端模塊，不僅繼承了DCOM柔性好的特點(diǎn)，還實(shí)現(xiàn)“所見(jiàn)即所得”的控制力一式。所謂“所見(jiàn)即所得”是指用戶在屏幕上可以看到與激光實(shí)際加工過(guò)程一樣的效果，例如在屏幕上可以看到激光頭當(dāng)前的運(yùn)動(dòng)位置、激光掃描速度、各個(gè)閥門的狀態(tài)等。這種控制力一式使用戶可以擺脫環(huán)境惡劣的激光加工現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視加工。

　　圖形加工數(shù)據(jù)接口規(guī)范定義為如何對(duì)圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)際加工，它包括激光功率、激光掃描速度、掃描軌跡等諸多力一而。圖1中的激光加工工藝輔助設(shè)計(jì)模塊是實(shí)現(xiàn)該規(guī)范的軟件組件模塊，其主要任務(wù)是根據(jù)用戶直接輸入或CAD圖形文件輸入的圖形拓?fù)湫畔?，通過(guò)智能化算法輔助用戶選擇適宜的加工工藝。擬定加工工藝的工藝設(shè)計(jì)是一項(xiàng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)性、智能性要求很高的設(shè)計(jì)過(guò)程，它既是激光加工中的難點(diǎn)，又是激光加工中的重點(diǎn)，因?yàn)楣に囍苯記Q定最終加工的質(zhì)量。傳統(tǒng)的數(shù)控加工軟件都無(wú)法解決這個(gè)難題，而該數(shù)控加工軟件中的工藝輔助設(shè)計(jì)模塊則首次采用了獨(dú)特的遺傳基因算法，較好地解決了這個(gè)問(wèn)題。

智能化的幾維激光切割軌跡輔助設(shè)計(jì)

　　在二維激光切割中，激光加工工藝直接影響切割效率和切割質(zhì)量。激光功率、切割速度和切割軌跡是激光切割的主要工藝參數(shù)，其中激光功率和切割速度根據(jù)被加工材料一，通過(guò)查表確定，但涉及多個(gè)零件激光切割時(shí)的切割順序和切割軌跡問(wèn)題則要復(fù)雜得多，很難直接計(jì)算出來(lái)。在以往的激光加工數(shù)控軟件中常用變量?jī)?yōu)化或圖論的算法來(lái)解決，這2種力一法都難以實(shí)現(xiàn)切割效率和切割質(zhì)量的兩全。在本系統(tǒng)中，采用了一種基于遺傳基因算法的智能化工藝設(shè)訓(xùn)一力一法，可綜合考慮切割質(zhì)量和切割效率兩力一而因素來(lái)優(yōu)化切割路徑。

　　遺傳基因算法是一種基于自然選擇原理和自然遺傳機(jī)制的搜索(尋優(yōu))算法，它模擬自然界中的生命進(jìn)化機(jī)制，在人工系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)特定口標(biāo)的優(yōu)化。GAs主要特點(diǎn)是:使用參數(shù)的編碼集，而不是參數(shù)本身進(jìn)行工作;在點(diǎn)群中而不是在一個(gè)單點(diǎn)上進(jìn)行尋優(yōu);僅使用問(wèn)題本身所具有的口標(biāo)函數(shù)進(jìn)行工作，而不需要其他任何先決條件或輔助信息;使用隨機(jī)轉(zhuǎn)換規(guī)則而不是使用確定性規(guī)則來(lái)工作。

　　1.為描述力一便，引入該算法中的幾個(gè)名詞。

　　1)起切點(diǎn)從該點(diǎn)開(kāi)始打開(kāi)光閘，開(kāi)始切割的位置，圖2中的八點(diǎn)為工件2的起切點(diǎn)。

圖2 激光切割中的名詞定義

　　2)入切點(diǎn)是激光束開(kāi)始進(jìn)入被切割工件輪廓的位置，圖2中B點(diǎn)為工件2的入切點(diǎn)。因工件切割輪廓軌跡是一封閉曲線，故入切點(diǎn)即為終切點(diǎn)。

　　3)激光二維切割加工軌跡P(見(jiàn)圖2)由關(guān)光快走軌跡(虛線)、開(kāi)光起切軌跡(細(xì)實(shí)線)和開(kāi)光輪廓切割軌跡(粗實(shí)線))3段組成。其中虛線BA'記作E，細(xì)實(shí)線AB記作大，粗實(shí)線記作C'。該加工軌跡必須經(jīng)過(guò)所有的被切割工件的輪廓。

　　4)工件節(jié)點(diǎn)N是一個(gè)或多個(gè)被切割工件加工軌跡的集合。如果某被切割工件的輪廓與其他輪廓沒(méi)有任何包含關(guān)系時(shí)，該輪廓所在的軌跡表示一個(gè)工件節(jié)點(diǎn);如果某輪廓包含任何其他輪廓，且它不在任何其他輪廓中時(shí)，則該輪廓以及被它包含的所有輪廓組成一個(gè)工件節(jié)點(diǎn);如果某輪廓被其他輪廓所包含，則該輪廓不能構(gòu)成任何工件節(jié)點(diǎn)。工件節(jié)點(diǎn)是輪廓所在的工件的E , L和起切點(diǎn)、入切點(diǎn)的集合。

　　5)切割軌跡基因是將切割軌跡編碼作為遺傳基因算法的基因。它是工件節(jié)點(diǎn)N的有序集合。1個(gè)切割軌跡基因?qū)?yīng)1種可行的激光切割軌跡尸。

　　6)切割軌跡基因繁殖是復(fù)制切割軌跡基因。

　　7)切割軌跡基因交叉將2個(gè)切割軌跡基因中的工件節(jié)點(diǎn)序列的順序和工件節(jié)點(diǎn)中的起切點(diǎn)、入切點(diǎn)位置進(jìn)行交換以產(chǎn)生新的切割軌跡基因。

　　8)切割軌跡基因的變異是將加工軌跡基因中的工件節(jié)點(diǎn)序列的順序和工件節(jié)點(diǎn)中的起切點(diǎn)、入切點(diǎn)位置進(jìn)行隨機(jī)的變化。

　　2.設(shè)計(jì)口標(biāo)

　　設(shè)計(jì)口標(biāo)主要是激光切割路徑的選擇，同時(shí)影響切割效率和切割質(zhì)量，使兩者獲得最佳組合，即:一方面是盡可能提高切割效率(合理選擇工件節(jié)點(diǎn)序列的順序，盡量縮短零件之間的空程軌跡);另一方面又要盡可能提高零件切割質(zhì)量(合理地選擇起切點(diǎn)和入切點(diǎn)的位置，使每個(gè)零件起切點(diǎn)和入切點(diǎn)的連線(即圖2中的工、線)與該零件入切點(diǎn)處切線的剎率的夾角θ盡可能小)。

　　反映切割軌跡優(yōu)劣的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:　　O(P)=αD(P)+βΞθ　　式中D為切割軌跡距離算子，用來(lái)計(jì)算指定軌跡P的長(zhǎng)度。為了提高運(yùn)算效率，D實(shí)際上只是計(jì)算軌跡中E和L這兩部分的長(zhǎng)度，由于切割工件輪廓的長(zhǎng)度是常數(shù)，所以可省略其計(jì)算。

　　是切割效率因子渭是切割質(zhì)量因子，滿足α+β=1。這2個(gè)因子是根據(jù)切割需要選擇的，用來(lái)描述用戶對(duì)切割效率和切割質(zhì)量的重視程度。比如，當(dāng)切割質(zhì)量要求不高，但是批量大，要求切割效率高時(shí)，可以加大α，選取α=0.8β= 0.2。

　　最終的工藝設(shè)計(jì)實(shí)際上就是從所有可能的切割軌跡集合中選擇恰當(dāng)?shù)氖沟?O(P)最小。

　　3.算法流程描述

　　如圖3所示，首先工藝輔助設(shè)計(jì)模塊根據(jù)圖形拓?fù)鋽?shù)據(jù)接口讀入需要切割的封閉輪廓。根據(jù)封閉輪廓，生成工件節(jié)點(diǎn)集合，并且添加到工件節(jié)點(diǎn)列表中。根據(jù)工件節(jié)點(diǎn)列表隨機(jī)生成10個(gè)加工軌跡基因。然后按照上而定義的評(píng)估函數(shù)O(P)計(jì)算每個(gè)切割軌跡基因的評(píng)估值，如果存在一個(gè)或多個(gè)基因的評(píng)估值低于預(yù)先設(shè)定的閡值，則該基因所表示的切割軌跡滿足實(shí)際要求的優(yōu)化軌跡。否則，對(duì)這10個(gè)切割軌跡基因進(jìn)行繁殖、交叉、變異操作，產(chǎn)生出新的40個(gè)切割軌跡基因。從中挑選出評(píng)估值最低的10個(gè)切割軌跡基因，接著重復(fù)前而的過(guò)程。

圖3切割軌跡優(yōu)化流程