改进蚁群算法下激光切割加工工艺优化研究

引言

在全球竞争日益加剧的今天,我国机械制造业面临着世界先进水平的挑战,制造理论、加工方式、优化理论等对于制造业都有着重要影响。近些年,激光切割加工工业发展迅速,在制造业中得到了广泛的应用,与传统的切割工艺相比,激光切割质量好、切口光洁、速度快、热影响小,且可以随意切割成任何形状。目前,该技术正朝着数控化、智能化的方向发展,与计算机、数控、机器人技术等组合成多功能、自动化的加工中心,可以完成自动化、复杂形状的切割,大大提高了切割的灵活性,已经被广泛应用到了机械、电子、轻工纺织等各个领域。但现有的激光切割加工系统中,一般是凭借经验或基于专家系统来解决工艺参数选取和切割路径选择的问题,随着加工对象的增加,工艺数据越来越复杂,传统的以经验选择的方式已经不能满足目前的生产需要,并且在使用过程中,激光切割加工有大量的空行程,当工件上加工轮廓较复杂时,如何保证工件质量好、时间花费少成为目前亟需解决的问题,已经超出了传统优化方法的计算范围[2]。基于上述存在的问题,提出改进蚁群算法下激光切割加工工艺的优化方法设计。

1改进蚁群算法下激光切割加工工艺优化方法设计

1.1激光切割加工工艺参数选择

制造业中,需要进行加工的零件非常多,不同材料的熔点和汽化点不同,所需的激光热量[3]也不同,对激光能量吸收率的要求也不一样。同时,不同厚度的工件需要不同的激光功率、加工速度、焦点位置等,所以在使用激光切割加工工艺时,要重点对激光切割加工工艺参数进行选择[4]:并选择接近额定功率时的光斑模式,所以在工作时选择较大的功率:此外,焦点位置对工件的加工质量也有很大影响。基于这些在加工时需要注意的参数,提出变量算法,根据工件的材质和厚度,对激光的加工工艺参数进行选择,首先将参数引入变量算法中[5],计算公式如下:

式中,sF代表参数代入因子:Zo代表激光工艺相关参数:i代表材料基本参数。此次计算不做定向分析。

通过上述公式计算,将参数引入变量算法中,在此基础上,进行激光切割加工工艺选择,计算公式如下)

式中,8F代表变量因子:Jk代表工艺选择因子:mc代表引入的相关参数。此次计算不做定向分析。

通过上述公式计算得出激光切割加工工艺参数,确定激光工艺的工作状态,根据相关材料的加工要求及激光的工作状态,根据不同材料的工件材质和具体的加工要求,对激光的切割速度和打孔时间等进行确定,保证激光切割的质量。

1.2激光切割加工路径确定

在确定激光切割加工路径之前,要先确定穿孔点,选取环上的任意一个顶点作为穿孔点,采用最邻近算法对穿孔位置进行确定,保证该位置上有且只有一个穿孔点,计算公式如下:

式中,/代表临近算法参数:k代表材料基本形态:Zy代表穿孔点位置选择参数。此次计算不做定向分析。

在上述公式计算完成的基础上,从编程的零点出发,当切割头移动到编程零点附近的内环点时,将该点设置为当前点,并找到距离最近的圆环上的点,重复上述步骤,直到所有的内环被确定唯一一个穿孔点,在此基础上,从当前点查找距离外环上最近的点,从当前点做一条圆心的连线,这条线与圆的交点即为点到圆的最近距离。

在确定穿孔点的基础上,对切割加工路径进行选择,引用蚁群算法,首先对参数进行初始化设置,载入材料信息,启动蚁群算法,计算蚂蚁所走路径的长度,计算公式如下)

式中,N(i)代表蚂蚁算法因子:代表每只蚂蚁所走路径:m代表蚂蚁所走路径时间。此次计算不做定向分析。

通过上述公式计算出每只蚂蚁找到的路径的长度,将每只蚂蚁已行走的路径节点[5]进行保存,该计算中设置了最大迭代次数,如果迭代次数没有达到该值,蚂蚁必须重新从当前位置寻找新的路径,选择出最短路径,计算公式为)

式中,wu代表计算迭代次数:Zp代表时间计算参数:Vb×i代表蚂蚁所走的路径节点。此次计算不做定向分析。

通过上述计算确定激光切割加工路径,通过此次选择的路径能够减少激光器在每个加工轮廓之间移动所需要的时间,并且通过蚁群算法能够更快得到最优加工路径,以此完成基于改进蚁群算法的激光切割加工工艺优化。同时,为了保证该优化方法的有效性,将在下一步进行实验论证。

2实验论证分析

上述分析只是从理论上证明了此次设计的有效性,为了证明此次设计的方法具有一定的实际应用意义,下面进行实验论证。同时,为了保证实验的严谨性,将传统方法与本文设计的激光切割加工工艺优化方法进行对比,主要对比两种加工方法的加工时间,实验对比结果如图1所示。

通过上述实验对比图能够看出,改进前的激光工艺加工时间较长,因为改进前的方法不能寻找到最优解,并且空行程路径较多,而本文设计的改进后的激光加工工艺明显比改进前的加工速度快,因为该方法能够对材料的参数进行有效选择,根据参数对激光切割工艺进行设置,同时利用蚁群算法寻找到切割的最优路径。实验对比结果表明,改进后的激光切割加工工艺所需要的加工工艺时间明显减少,空行程减少,基本能够证明改进后的激光切割加工工艺比改进前的工艺效果好,具有一定的实际应用意义。

3结语

综上所述,随着全球化发展,制造业的环境也在改变,消费者对于产品个性化、多样化的需求日益增加,面对这种趋势,提高制造业的制造水平非常重要。本文通过选择激光切割加工工艺参数与确定激光切割加工路径实现了对激光切割工艺的改进,实验对比结果证明,改进后的激光切割工艺在切割速度上有了明显提升,空行程明显减少。希望此次设计的改进方法对激光切割工艺的发展有一定帮助,能够推动切割工艺的发展,促进我国制造业的进步。