应用激光少无废料激光板材切割技术冯爱新1殷苏民1周建忠1张永康1戴峰泽1谢华锟2（1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013；2.成都工具研宄所，四川成都，610056）提要采用少无废料激光板材切割技术，可以大幅度地提高材料利用率，缩短切割时间，提高生产效率。激光切割路径优化算法和板材的无搭边排样技术是少无废料激光板材切割的关键技术问题。文章研宄了少无废料激光切割路径优化原则，在此基础上，研宄了少无废料激光切割编程技巧，并结合纺机板材的激光切割实践，进行了少无废料激光板材切割技术研宄，结果表明，采用少无废料激光切割技术，材料利用率可10%~30%，切割长度可减少5%~10%.国家自然科学基金资助（50405035）江苏省研宄生创新计划项目（XM04-24）2004年11月20日收稿在工业生产的全部激光加工应用中，激光切割所占比例大约为70%以上。是激光加工行业中最重要的一项应用技术。

　　激光切割与传统的切割方法相比，具有高速高效、高精度和高适应性的特点，同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪音、加工成本低、切割过程容易实现自动化控制等优点11-3.激光切割钢板时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割己厂泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子石油和冶金等工业部门中141.用零搭边切割、混料切割、异种零件嵌套、同种零件组合切割技术进行少无废料激光板材切割，大幅度提高材料利用率，缩短切割时间，提高生产率。

　　激光切割路径优化算法和板材的无搭边排样技术是少无废料激光切割技术的关键技术问题和技术难点。本文将就该问题作初步探讨。

　　激光切割路径优化技术研究激光切割路径优化算法是进行少无废料激光切割技术的关键技术难点之一，其直接影响激光切割的产品质量和激光切割加工的生产效率。一方面，切割路线的安排直接决定了空行程的长度，从而影响着切割加工时间，另一方面，由于采用搭边切割、混料切割、异种零件嵌套、同种零件组合等少无废料激光切割技术，单个零件之间的搭边值很小或为0，切割路径直接影响着切割进程能否正常进行和切割加工的质量。切割路径不当，甚至会造成切割设备故障，尤其对于接触式随动，往往导致切割头故障损伤和板料移位，使切割工作无法进行。

　　激光切割路径优化通常应遵循下列原则：激光切割先内后外的原则首先切割各单个工件内部的废料，最后切割工件的轮廓边。这样防止先切割轮廓边后，工件脱离板料而使其内部的废料无法去除。对两个工件之间的公用边，应根据零件结构特点，慎重考虑，必要时，应将公用边处理成板料的内部线条而优先于轮廓边进行切割。

　　激光切割先小后大的原则该原则对于接触式随动结构的激光切割尤为重要，往往应用于工件内部废料的切割过程中。其考虑的出发点主要体现在2个方面。一方面，先割开小的尺寸，这样零件刚度下降较小，板料在热变形等外力作用下的变形小，在保证质量要求的同时，保护随动不因变形的板料的阻隔而损坏。另一方面，随动头不易陷入小尺寸处的孔洞中，从而保护了随动，保证了加工要求。

　　该原则主要用于解决公用边切割问题时，工件之间的公用边通常要与轮廓线分离切割，这样处理成线与孔（异形孔见多）两种情形，基于上述同样的考虑，应考虑先线后孔的原则。

　　进行少无废料激光切割时，板料受热程度相对大。因此，在路径优化时，应使整个板料的受热尽可能均匀，避免局部集中受热引起板料变形和工件尺寸波动。其中，主要涉及到切割顺序的安排、切割层次的划分等问题。

　　路径最短原则是所有激光板材切割路径优化的最基本的原则，是缩短切割时间和提高生产率的有效途径。对少无废料激光切割，由于其中涉及到零搭边情形下的切割过程和切割质量控制问题，应在考虑上述各原则的基础上兼顾路径最短原则。

　　少无废料激光切割编程技巧由于少无废料激光切割的工艺要求和质量控制问题，目前的国内通用的自动编程软件有时无法满足这一要求5-71.这要求我们从两方面着手解决问题：其一，在现有软件的基础上，人为介入，引入少无废料激光切割手工排样和编程技巧，进行激光切割手工排样和半自动编程；其二，在此基础上，开发适用于少无废料激光切割的自动排样优化软件模块和自动编程软件模块。

　　一体化编程技术一体化编程是在整个板料范围内综合考虑所有零件的切割路径优化问题。首先，将整个排样后的工件的外轮廓处理成轮廓线，而将各工件间的公共边和其他内部轮廓线转化为内部线条，然后将公共边和其他内部轮廓线处理成线条段和封闭线，可见，封闭线的内部为废料，最后，对经过处理的图形进行路径优化，并在此基础上进行程序生成。

　　一体化编程技术将整个板件看成一个复杂的零件进行编程，切割效率高。但在编程前的图象处理工作量较大，另外，对复杂零件，在路径优化后有时还要参照上述路径优化原则，进行必要的路径修改。

　　路经修改编程技术对排样后的图形进行自动路线优化后，按照上述少无废料激光切割路线优化原则，进行手工路经修改，按照修改后的切割路线，生成激光切割程序。

　　路线修改编程技术前期图象处理工作量不大，但路径优化后的切割路径修改的工作量较大且繁琐，通常适用于较简单工件的少无废料激光切割编程。

　　多步编程技术适用于复杂的板件排样的少无废料激光切割编程，其基本思路如下：首先，对排样后的激光切割图样进行层次划分处理，切割层次划分的原则即为切割路径优化原则，然后，对每一层次图样分别进行自动切割程序编制，最后，根据路径优化原则，将各层次的激光切割程序进行有序组合，生成最终的激光切割程序。

　　多步编程技术指导思想清晰，程序编制简单，但是图样的层次划分是关键，并且目前主要依靠编程人员的工程实践经验。另外，在最后的程序组合时，各层次图样程序的数据兼容问题（即各层次间相互尺寸数值关系）是多步编程技术的关键。

　　少无废料激光切割编程工程实践纺织机械加强筋板零件如所示，该零件主要用于纺织机械墙板之间的联结，用量较大，利用纺机墙板切割过程中的640X 480割下料。在该零件的切割过程中，笔者进行了同种零件组合的少无废料激光切割技术工程实践。

　　板料排样方式的优化排样方式决定了切割时间和材料利用率，在该零件切割实践中，研究了如所示的4种排样方式。根据零件的结构特点，采用4个零件一组，组内零件无搭边，图a为组间直排有搭边；图b为组间斜排有搭边；图c为组间直排无搭边；图d为组间斜排无搭边。对应的材料利用率和切割长度见表1.可见，无搭边排样的材料利用率较有搭边排样提高10%~30%，其工艺废料可控制在5 %以内，同时切割长度减少5%~10%.显然，图d是相对最优的板料排样方案。

　　将d所示的无搭边排样分成如所示的四个层次，第一层次为内部直线段（a）第二层次为组内方孔（b）第三层次为组间方孔和多边表1板料排样方式的优化比较方案工艺废料材料利用率结构废料材料利用率平均切割长度切割长度减少百分比a：直排有搭边b斜排有搭边c斜排无搭边d直排无搭边形孔（c）第四层次为外部四周轮廓线（d）。

　　这四个层次即激光切割路径优化后的切割步骤。

　　少无搭边激光切割技术包括零搭边切割、混料切割、异种零件嵌套、同种零件组合等切割技术具有生产效率高、材料利用率高的优点，是一项具有广阔工程应用前景的工程应用技术，无搭边排样技术和切割路径优化算法是少无废料激光切割技术的关键问题。

　　对纺机加强筋板零件，运用激光切割路径安排原则进行路径优化和排样优化，并采用多步编程技巧进行少无废料激光切割程序编制，结果表明，材料利用率提高可达30%以上，切割长度减少可达近10%，经济效益和社会效益显著。

　　基于少无搭边激光切割技术的自动排样、自动编程及技术经济性评估软件模块的开发具有重要的现实意义和工程背景，有待进行深入研究与开发。