人造板材锯切排样算法及数控程序设计与实现

摘要

人造板锯切优化排样和排样方案数控程序的生成对提高我国板式家具制造业中人造板材锯切排样加工的生产效率，降低企业生产成本具有重要的理论意义和实际价值。为解决现有国产排样系统基于整体套排思路而生成的排样方案使裁板锯在工作过程中锯路变化繁琐、降低切割效率的问题，本文在中国林业科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务专项资金“人造板优化排样关键技术研究示范”的资助下，以人造板材锯切矩形零件优化排样为例，研究锯切排样优化算法及数控程序接口文件。
　　(1)人造板材锯切排样数学建模及遗传算法实现的探索试验研究。根据板式家具锯切排样的生产工艺，设计以面积为决定因素的分组降维启发式规则，将大规模矩形零件的排样转化为每组不大于3种零件的组内排样和组间顺序承接问题;建立锯切排样数学模型，从而将组内矩形零件的排样方案转化为5个设计变量的解，即基材板上每种零件的横排行数、竖排行数、横排时每行零件数、竖排时每行零件数和排放方式;采用内点法和外点法相结合的惩罚函数方法处理约束条件，并构建二进制编码的遗传算法对数学模型进行求解;通过实例验证方法的可行性，分析数学模型和算法的改进空间。
　　(2)锯切排样数学模型和求解算法的优化试验研究。提出人造板材锯切排样问题求解的两种改进思路。其一是面向基材板的数学模型，利用4个参数描述组内矩形零件的排样方案，即基材板需求量;每张基材板所排行数;每一行上每种零件的排样个数和排样方式。经参数编码分析该模型遗传算法实现的可行性。其二是面向零件的排样模型，制定基于配合尺寸的分组降维启发式规则，并建立面向零件的锯切排样数学模型，统一考虑本组内所有零件，通过4个参数描述排样方案，即第几个零件排样在第几张基材板的第几行和排放方式。分析该模型遗传算法的整数编码方式、约束条件处理方法，并设计惩罚因子自适应算法，实例验证该方法的可行性。
　　(3)人造板材锯切排样方案与数控裁板锯的数控程序接口文件研究。分析DXF文件写入和读取以及NC代码生成方法。为完成DXF文件写入和读取，首先研究DXF文件结构和对应段的编码技术;然后以面向零件的锯切排样数学模型及其遗传求解为对象，针对具体实例分析排样参数矩阵与优化多段线（LWPOLYLINE）图元顶点坐标值的对应关系，并研究顶点坐标值的计算方法;进一步完成MATLAB下锯切排样方案的DXF文件写入;最后使用VC＃读取DXF文件代码对，并分析DXF文件打开、数据读取和图形绘制方法，从而实现排样方案的图形可视化。以DXF文件建立和读取为基础，研究NC代码生成方法。首先分析人造板材数控锯切NC代码结构及格式;然后从刀具路径设计和计算、定位基准选择、工序划分和切削用量的确定等四个角度分析人造板材数控锯切加工工艺;最后，详细分析NC代码生成方法和流程，设计NC代码生成器并佐以实例。
　　(4)采用可视化的面向对象方法，基于MATLAB和VC＃混合编程设计人造板材锯切排样和数控程序接口系统。构建系统总体功能框架并划分系统的基本功能，包括信息输入、求解和运算以及输出和结果显示。分析各基本功能模块的具体实现方法，建立手动排样、系统初始化界面和帮助系统。
　　(5)锯切排样及数控程序接口系统应用检测。采用两种板式家具排样数据对人造板材锯切优化排样算法的良好性能以及排样和数控程序接口系统的可行性进行试验。检测系统接收排样参数信息、运算求解及包括排样方案生成和可视化、接口文件生成等功能实现上的性能。试验结果表明，该系统具有比较稳定的工作性能，可适应板式家具备料工段的优化排样要求。
　　本文针对大规模人造板材矩形零件锯切优化排样问题，首次提出了基于配合尺寸的分组降维启发式规则，并建立了面向零件的锯切排样数学模型和基于遗传算法的求解算法;所建立的DXF文件和NC代码为实现排样方案与数控裁板锯的对接奠定了基础。研究结果可为板式家具的下料提供技术支持，具有良好的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 人造板材锯切优化排样问题的特点和计算复杂性

1．1．1 “一刀切”的切割方式

1．1．2 人造板材锯切优化排样的NP完备问题

1．2 矩形件锯切优化排样国内外理论研究综述

1．2．1 数学规划算法

1．2．2 迭代算法

1．2．3 现代优化算法

1．3 矩形件锯切优化排样系统的开发研究现状

1．4 我国人造板行业和板式家具制造业锯切排样问题

1．5 研究内容

1．6 技术路线

第二章 人造板材锯切排样数学模型建立及遗传算法研究

2．1 人造板材锯切排样算法开发流程

2．2 大规模矩形零件分组降维锯切排样的启发式规则

2．3 分组降维锯切排样的数学建模

2．3．1 问题描述

2．3．2 数学建模

2．4 遗传算法求解

2．4．1 遗传算法概述

2．4．2 遗传算法的模板理论和积木块假设

2．4．3 锯切排样算法流程

2．4．4 算法描述

2．4．5 混合惩罚函数法

2．5 计算实例

2．6 结论与讨论

2．7 本章小结

第三章 人造板材锯切排样数学模型改进及算法优化

3．1 人造板材矩形件锯切优化排样的基本原则

3．2 基于配合尺寸的分组降维启发式规则

3．3 锯切排样模型改进思路

3．3．1 面向基材板的锯切排样思路

3．3．2 面向零件的锯切排样思路

3．4 面向零件的锯切排样数学建模

3．5 面向零件的锯切排样模型遗传算法求解

3．5．1 染色体编码和初始种群的生成

3．5．2 基于惩罚函数的适应度函数建立

3．5．3 惩罚因子自适应算法

3．5．4 遗传操作

3．5．5 排样矩阵输出

3．6 应用实例

3．7 结论与讨论

3．8 本章小结

第四章 人造板材锯切排样方案与数控裁板锯的接口设计

4．1 DXF文件结构解析

4．1．1 DXF文件结构组成

4．1．2 锯切排样方案DXF图元编码研究

4．2 基于MATLAB的锯切排样方案DXF接口文件设计

4．2．1 锯切排样方案DXF组码信息

4．2．2 DXF文件写入

4．3 基于VC#的DXF锯切排样方案文件读取

4．3．1 DXF文件打开

4．3．2 数据读取

4．3．3 图形绘制

4．4 人造板材数控锯切NC代码结构及格式

4．5 人造板材数控锯切加工工艺分析

4．5．1 刀具锯切路径设计和计算

4．5．2 定位基准选择

4．5．3 工序划分

4．5．4 切削用量确定

4．6 基于DXF文件的NC代码自动生成程序

4．6．1 DXF文件生成NC代码流程

4．6．2 基于VC#的NC代码生成

4．6．3 实例应用

4．7 本章小结

第五章 人造板材锯切排样和数控程序接口系统开发

5．1 系统开发方法和开发工具的选择

5．2 MATLAB与VC#混合编程

5．3 系统总体设计

5．3．1 总体功能框架设计

5．3．2 主界面的设计

5．4 各功能模块的设计与实现

5．4．1 排样信息输入模块

5．4．2 求解和运算模块

5．4．3 输出和结果模块

5．5 手动排样

5．6 系统包装及帮助

5．6．1 初始化界面的制作

5．6．2 帮助系统的制作

5．7 本章小结

第六章 锯切排样及数控程序接口系统应用实例

6．1 实例1

6．1．1 排样零件和基材板数据

6．1．2 遗传运算和排样方案

6．1．3 数控程序接口生成和排样方案可视化

6．2 实例2

6．2．1 排样零件和基材板数据

6．2．2 遗传运算和排样方案

6．2．3 数控程序接口生成和排样方案可视化

6．3 本章小结

第七章 结论与讨论

7．1 结论

7．2 本研究创新点

7．3 讨论

参考文献

在读期间的学术研究

致谢