基于微機的開放式多功能四軸三聯動激光加工數控系統，可同時實現二維激光切割、平而或回轉體激光焊接和激光表而改性等多種激光加工作業。該系統采用工控微機加PMAC;伺服控制片等通用硬件和標準的Windows軟件平臺。與傳統專用的CNC比較，它具有開放性和很高的性能價格比，這種開放性使系統中各個模塊能夠力一便地擴展、更換，以便增加功能，提高性能。

　　在激光加工數控系統中，軟件是系統的靈魂，它管理著蔡套硬件的工作流程、處理用戶的輸入、輔助用戶進行工藝設計等。所研制的該套軟件將DCOM技術應用到激光數控加工系統中，提高了系統的柔性、網絡性和擴展性。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量和切割效率，優化切割軌跡，成功地解決了激光切割的軌跡規劃問題。下而主要介紹這套激光加工數控軟件系統中的關鍵技術及其算法。

　　數控軟件的結構

　　由于該系統采用的是微機與PMAC伺服控制片相結合的硬件結構，因此軟件從結構上可以分成控制片監控軟件和微機軟件兩大部份，如圖1所示。

圖1 軟件結構框圖

　　1.控制片監控軟件

　　控制片監控軟件運行在PMAC伺服控制片的DSP處理器上，它主要完成數控系統中硬件狀態的監視(即PLC監控)、伺服電機的運動控制和G代碼轉換等任務。

　　PLC監控模塊利用DSP運算速度快的特點，采用DSP循環掃描的軟件力一式實現。這能與PMAC;控制硬件很好結合，避免使用專用的PLC硬件，以簡化硬件結構、降低成本、提高控制性能。伺服電機的運動控制模塊根據光碼盤反饋的位置信號，采用標準的PID算法計算出伺服電機的速度，最終控制整套機械系統的運動。PMAC;控制片采用一套獨特的宏指令進行運動控制，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，專門開發了G代碼轉換模塊，該模塊利用PMAC中子程序調用的特點，通過G代碼子程序列表，在G代碼裝載過程中實現動態翻譯。這個模塊使PMAC控制片能夠直接接受傳統的G代碼，大大提高該控制片的開放性和兼容性。

　　2.微機數控軟件

　　微機數控軟件是一組基于Windows操作系統的軟件組件，可以完成用戶交互、遠程控制、文件輸入輸出、系統配置和計算機輔助工藝設計等任務。

　　該軟件是基于微軟公司開發的DCOM(分布式組件對象模型)基礎上研制的。形象地說， DCOM就像電源插座，不管電器是如何設計的，只要該電器的插頭符合電源插座規范，都可以接到插座上。在該數控軟件系統中，定義了一組適合激光數控加工的軟件接口規范，包括圖形拓撲數據接口規范、圖形加工數據接口規范、硬件輸入/輸出接口規范等，強迫不同的軟件組件模塊實現相同的通信接口，降低各個模塊之間的禍合性，提高系統的柔性。其中圖形拓撲數據接口規范被定義為加工零件的拓撲信息，即加工零件的輪廓、尺寸精度和表而粗糙度等。這主要來源于兩個力一而:一力一而是通過用戶輸入參數，軟件計算得到的;另一力一而是通過轉換現存的CAD(計算機輔助設計)圖形文件得到的。

　　用戶輸入的數據是由用戶交句_模塊計算成圖形拓撲數據的。這里的用戶交句_模塊不同于一般數控軟件的模塊，它實際上是一組符合同一軟件規范的軟件組件，這些組件采用不同的力一式實現不同的用戶交句_界而。例如，有的組件實現G代碼編輯界而，有的組件實現圖形編輯界而，有的組件則實現零件庫選擇界而。這些組件雖然實現力一式和效果千差萬別，但它們都符合圖形拓撲數據接口規范，能夠通過DCOM技術力一便地集成在一起，組成一個模塊。這種實現力一式比傳統的做法優越得多，它可以根據用戶的個人愛好任意選擇自已喜歡的界而;也可以使用戶界而模塊運行在與本系統聯網的任意微機上而;用戶自已還可根據圖形拓撲數據接口規范實現新的用戶交句_組件，添加新的加工操作力一式。

　　CAD圖形文件是通過文件轉換模塊轉換成圖形拓撲數據的，它與用戶交句_模塊類似，也是一組實現圖形拓撲數據接口規范的軟件組件。不同的組件可以轉換不同類型的文件，例如有的可以轉換DXF文件，有的可以轉換BMP文件。用戶還可以自已編寫新的轉換組件，實現對所需格式文件的轉換。從以上兩個模塊可以看出，該數控加工軟件具有良好的柔性和可擴展性。它不僅提供了各種功能，還提供了框架服務。用戶在這個框架下只要完成自已特定的工作，就可任意改進蔡套加工軟件的功能。

　　硬件輸入/輸出接口規范定義軟件應該如何控制硬件，如何從硬件讀取狀態信息。它通過定義規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即使在定型后也能力一便地更改大多數硬件或添加新的硬件，而不會影響絕大多數軟件模塊。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，在本系統中可以根據加工需要隨時更換這些硬件設備，更換硬件設備時只需要更改系統的設置即可，而不需改變軟件。

　　在硬件輸入/輸出接口規范基礎上實現的虛擬加工控制終端模塊，不僅繼承了DCOM柔性好的特點，還實現“所見即所得”的控制力一式。所謂“所見即所得”是指用戶在屏幕上可以看到與激光實際加工過程一樣的效果，例如在屏幕上可以看到激光頭當前的運動位置、激光掃描速度、各個閥門的狀態等。這種控制力一式使用戶可以擺脫環境惡劣的激光加工現場，通過網絡實現遠程控制和監視加工。

　　圖形加工數據接口規范定義為如何對圖形拓撲數據進行實際加工，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計模塊是實現該規范的軟件組件模塊，其主要任務是根據用戶直接輸入或CAD圖形文件輸入的圖形拓撲信息，通過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計是一項對經驗性、智能性要求很高的設計過程，它既是激光加工中的難點，又是激光加工中的重點，因為工藝直接決定最終加工的質量。傳統的數控加工軟件都無法解決這個難題，而該數控加工軟件中的工藝輔助設計模塊則首次采用了獨特的遺傳基因算法，較好地解決了這個問題。

智能化的幾維激光切割軌跡輔助設計

　　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，其中激光功率和切割速度根據被加工材料一，通過查表確定，但涉及多個零件激光切割時的切割順序和切割軌跡問題則要復雜得多，很難直接計算出來。在以往的激光加工數控軟件中常用變量優化或圖論的算法來解決，這2種力一法都難以實現切割效率和切割質量的兩全。在本系統中，采用了一種基于遺傳基因算法的智能化工藝設訓一力一法，可綜合考慮切割質量和切割效率兩力一而因素來優化切割路徑。

　　遺傳基因算法是一種基于自然選擇原理和自然遺傳機制的搜索(尋優)算法，它模擬自然界中的生命進化機制，在人工系統中實現特定口標的優化。GAs主要特點是:使用參數的編碼集，而不是參數本身進行工作;在點群中而不是在一個單點上進行尋優;僅使用問題本身所具有的口標函數進行工作，而不需要其他任何先決條件或輔助信息;使用隨機轉換規則而不是使用確定性規則來工作。

　　1.為描述力一便，引入該算法中的幾個名詞。

　　1)起切點從該點開始打開光閘，開始切割的位置，圖2中的八點為工件2的起切點。

圖2 激光切割中的名詞定義

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

　　3)激光二維切割加工軌跡P(見圖2)由關光快走軌跡(虛線)、開光起切軌跡(細實線)和開光輪廓切割軌跡(粗實線))3段組成。其中虛線BA'記作E，細實線AB記作大，粗實線記作C'。該加工軌跡必須經過所有的被切割工件的輪廓。

　　4)工件節點N是一個或多個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有任何包含關系時，該輪廓所在的軌跡表示一個工件節點;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，則該輪廓以及被它包含的所有輪廓組成一個工件節點;如果某輪廓被其他輪廓所包含，則該輪廓不能構成任何工件節點。工件節點是輪廓所在的工件的E , L和起切點、入切點的集合。

　　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。它是工件節點N的有序集合。1個切割軌跡基因對應1種可行的激光切割軌跡尸。

　　6)切割軌跡基因繁殖是復制切割軌跡基因。

　　7)切割軌跡基因交叉將2個切割軌跡基因中的工件節點序列的順序和工件節點中的起切點、入切點位置進行交換以產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點序列的順序和工件節點中的起切點、入切點位置進行隨機的變化。

　　2.設計口標

　　設計口標主要是激光切割路徑的選擇，同時影響切割效率和切割質量，使兩者獲得最佳組合，即:一方面是盡可能提高切割效率(合理選擇工件節點序列的順序，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量(合理地選擇起切點和入切點的位置，使每個零件起切點和入切點的連線(即圖2中的工、線)與該零件入切點處切線的剎率的夾角θ盡可能小)。

　　反映切割軌跡優劣的數學表達式為:　　O(P)=αD(P)+βΞθ　　式中D為切割軌跡距離算子，用來計算指定軌跡P的長度。為了提高運算效率，D實際上只是計算軌跡中E和L這兩部分的長度，由于切割工件輪廓的長度是常數，所以可省略其計算。

　　是切割效率因子渭是切割質量因子，滿足α+β=1。這2個因子是根據切割需要選擇的，用來描述用戶對切割效率和切割質量的重視程度。比如，當切割質量要求不高，但是批量大，要求切割效率高時，可以加大α，選取α=0.8β= 0.2。

　　最終的工藝設計實際上就是從所有可能的切割軌跡集合中選擇恰當的尸，使得 O(P)最小。

　　3.算法流程描述

　　如圖3所示，首先工藝輔助設計模塊根據圖形拓撲數據接口讀入需要切割的封閉輪廓。根據封閉輪廓，生成工件節點集合，并且添加到工件節點列表中。根據工件節點列表隨機生成10個加工軌跡基因。然后按照上而定義的評估函數O(P)計算每個切割軌跡基因的評估值，如果存在一個或多個基因的評估值低于預先設定的閡值，則該基因所表示的切割軌跡滿足實際要求的優化軌跡。否則，對這10個切割軌跡基因進行繁殖、交叉、變異操作，產生出新的40個切割軌跡基因。從中挑選出評估值最低的10個切割軌跡基因，接著重復前而的過程。

圖3切割軌跡優化流程