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1、华中科技大学 硕士学位论文 钣金激光切割工艺优化方法及应用研究 姓名：吕亚军 申请学位级别：硕士 专业：工业工程 指导教师：饶运清 2011-01-17 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 钣金下料优化问题在制造业的应用范围非常广泛如工程机械、船舶等行业，提 高板材利用率必然降低企业生产成本并带来显著经济效益。激光切割因精度高且价 格逐渐降低受到了企业的青睐， 因此研究钣金激光切割工艺优化技术显得愈发重要。 本论文以钣金激光切割工艺优化问题为研究对象，重点从钣金优化排样技术和 激光切割工艺优化方法两个方面进行了深入研究。
2、对于钣金优化排样问题，分别提 出了最小矩形包络算法和真实形状排样的临界多边形算法求解二维不规则零件图形 排样。最小矩形包络算法的重点是求取多边形的最小包络矩形，本文在常规方法的 求取上进行了进一步的优化，使带有空洞的零件能够进行二次填充排样，提高了排 样率。临界多边形算法是真实形状排样效果比较好，利用临界多边形进行旋转排样 定位时，本文提出了以最大包络率为目标对象，在固定角度旋转处和多边形顶点处 进行计算的方法，提高了计算速度。最后结合实例验证了两种方法的有效性。 针对激光切割的工艺路径优化主要提出了基于欧拉图论的“一笔画”共边切割 算法和基于矩形阵列的“阶梯形”共边切割算法，并分别与常规共边
3、切割方法进行 了对比，结果表明这两种方法在激光打孔点数和空行程方面有了很大的优化。同时 还研究了在废料区域利用连续切割减小激光打孔点数方法和激光切割时对零件尖角 部位的处理方法，并取得了很好的效果。 最后利用钣金优化排样技术和激光切割工艺优化方法的理论成果，对钣金激光 切割优化系统进行了开发，并结合应用实例验证了系统的有效性。 关键词关键词：下料优化，临界多边形，共边切割，激光切割 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Sheet metal nesting and cutting optimization tec
4、hnology is used extensively at manufacturing feild such as Construction Machinery,Shipping and so on.Improving the utilization of sheet will inevitably reduce enterprise production cost and bring significant economic benefits to the enterprise. Laser cutting is becoming more and more popular because
5、 of its high precise and cheap price.Therefore, the study of laser cutting for sheet metal cutting optimization is quite necessary. In this thesis,sheet metal laser cutting process optimization problem is proposed as the research objective.Sheet metal nesting optimization and laser cutting process o
6、ptimization are the two mainly aspects of this objective.The smallest rectangular envelope algorithm and the true shape nesting algorithm are proposed for solving the sheet metal nesting optimization problem.The smallest rectangular envelope algorithm means to find out the smallest envelope which ca
7、n strike the polygon.In this paper, in order to raise the nesting rate,regular method is used first to obtain some results and then go into further optimization so that the parts with holds can be filled as the second nesting.The true shape nesting algorithm is using the rotating polygon to ensure t
8、he position and calculate the maximum rate of the envelope when it is at a fixed angle of rotation and at the vertices of thepolygon. Finally, experiments are carried out to find out the effectiveness of the two methods. The one cut common line cutting algorithm based on Euler graph theory and The s
9、teppedcommon line cutting algorithm based on rectangular array are proposed for solving laser cutting process optimization problem.The results of the two methods are compared with those of regular methods.The results show that the two methods can greatly optimize the results in laser drilling and ai
10、r travel. The method of continuous cutting in the waste area to decrease the number of drilling points and the threament method on angular position when cutting are also studied in this paper in order ot aid to achieve better results. Finally, sheet metal nesting optimization theory and laser cuttin
11、g process optimization theory are used for developing the sheet metal laser cutting optimization system.Experiments are combined to certificate the effectiveness of the system. Keywords: Nesting and Cutting Optimization, No Fit Polygon(NFP), Common Line Cutting, Laser Cutting 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在
12、导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和 集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本
13、论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 1.1 课题来源、目的和意义课题来源、目的和意义 本课题来源于江苏省科技支撑计划（工业）项目： “板材下料优化与生产管控系 统” 。 钢材是国民经济最重要的原材料之一，钢材切割下料环节是制造业的基础。板 材下料优化问题在制造业的应用范围非常广泛（如工程机械、矿山机械、压力容器、 钢结构、船舶、家具、服装等行业） ，提高钢板的利
14、用效率肯定会降低加工企业的生 产成本，并给它们带来显著的经济效益。所以，下料问题的研究具有重要的经济价 值，它得到了国内外研究人员的很大关注1。以钢板的排样优化利用情况为例，根 据国家统计局和切割与焊接行业及世界银行钢铁统计年鉴的统计，中国年均生产和 消费钢材 4 亿吨，占世界钢产量和消费量的 30%，由于缺乏计算机优化套料技术和 管理技术中国、巴西、印度等发展中国家使钢材在切割焊接中的损耗和浪费要比美 国、德国、日本等发达国家多浪费 10%。近年来，中国的制造业得到了迅速崛起， 板材切割已从手工切割、机械切割快速跨入到了现在的数控切割，但由于数控切割 所需要的优化排样技术和切割工艺技术严重匮
15、乏短缺，导致了板材的下料利用率和 切割效率明显降低，造成了钢材的浪费严重。 从发达国家的发展轨迹我们可以看到，目前我国薄板材的消费量正处于快速上 升的阶段，汽车制造、轻工、仪器仪表、机电等行业将会大规模的应用钣金件。而 这些行业目前在我国又发展非常迅速，如汽车行业，从中国加入世界贸易组织后， 汽车工业进入了快速增长期， 汽车产量从2001年的200多万辆增加到2009年的1300 万辆，目前中国已成为世界最大新车消费市场和第一大汽车生产国。 当前，板材的数控切割主要可分为火焰切割、等离子切割、水刀切割和激光切 割。相对而言，在板材的切割应用中，前三种切割特别是火焰切割和等离子切割由 于价格低廉
16、包括一些中小企业都能负担的起得到了比较广泛的应用，但是这两种的 切割精度比较差些，属于粗加工的范畴。激光加工是属于高精度加工，加工质量高， 在一些要求加工精度高的行业里受到了很高的青睐，但是由于价格的原因，激光切 割的应用并不太广泛。然而近年来，随着我国经济的持续发展，中国已成为世界的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 制造中心，因此人们对产品的制造水平提出了更高的要求，高精密制造已成为未来 的发展趋势。与此同时，伴随着科技水平的不断提高，激光切割机的价格也变得越 来越低，企业也不再受制于价格问题而对激光切割机望而却步。所以激光切割机未 来在板材的数控切割中所占的比例会越来越大，然而针对钣金激光切割工艺优化系 统却比较少，主要原因是之前应用范围相对比较少，人们对其研究也相应比较少， 另外由于激光切割加工属于精密加工，对工艺的要求比较高，有一定
