基于分步优化的钢板件激光切割路径规划方法及系统

本发明涉及生产切割，特别是涉及一种基于分步优化的钢板件激光切割路径规划方法及系统。

背景技术：

1、工业生产中，一个订单往往需要大量不同大小的钢板件，为了减少材料浪费，这些钢板件需要合理布置在原材料母板上，然后进行板材下料，从母板材料中切割出来。在大规模批量生产的现代制造业中，这样的形式能够减少材料的浪费，提高材料的利用率。

2、切割路径规划是指在进行切割加工时，通过算法和软件来规划最优的切割路径，以提高生产效率和减少废料的产生。在工业生产中，切割路径规划是非常重要的一环，在切割速度一定的情况下，路径的选择将直接影响激光加工时间，合理的切割路径可以使切割过程更加高效和精准。

3、由于路径规划问题可以归纳为旅行商问题，属于np-hard问题，很难求得精确解。智能算法通常被应用于求解路径规划问题，通过对钢板件及其顶点编号，进行整体组合编码，然后按照一定的策略对可能的路径进行迭代搜索，最终选择搜索的最短路径作为切割路径。然而在大规模批量生产中，一次性切割的钢板件数目多，钢板件顶点数目不确定，问题的解的空间十分庞大。采用整体组合编码的方式会进行很多无效搜索，导致求解时间长、解的质量不高，最终路径规划不合理。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于分步优化的钢板件激光切割路径规划方法及系统，能够减少切割路径，提高运行效率，缩短生产周期和提高产线自动化水平。

2、一种基于分步优化的钢板件激光切割路径规划方法，其包括：

3、s1，确定钢板件的最优切割顺序：

4、s11，对钢板件排样结果图中的每个钢板件进行编号，将每个钢板件抽象为一个点，然后计算所有钢板件之间的距离矩阵；

5、s12，基于距离矩阵，采用自适应大范围邻域搜索的模拟退火算法，随机生成初始切割顺序，并将钢板件的编号按照初始切割顺序进行编码，初始化搜索算子的权重wdestroy和wrepair，初始化搜索算子的得分destroyscore和re pairscore；

6、s13，采用轮盘赌的方法，基于wdestroy和wrepair，选择搜索算子，生成新的切割顺序，采用metropolice准则更新顺序编码同时对新的顺序编码进行评分以更新destroyscore和repairscore；

7、s14，根据更新后的destroyscore和repairscore更新搜索算子的权重wde stroy和wrepair，更新退火温度和当前最优切割顺序；

8、s15，重复执行s13-s14，直至达到设定的迭代次数，得到钢板件的最优切割顺序；

9、s2，确定钢板件的最优切割起点：

10、s21，将每个钢板件的所有顶点作为一个集合，对集合中的每个顶点进行编号；

11、s22，运用遗传算法，按照钢板件的最优切割顺序选取每个钢板件中的一个顶点的编号进行组合编码，记为初始切割起点集，随机生成多个初始切割起点集；

12、s23，对于每个初始切割起点集，利用交换算子生成新的切割起点集，采用metropolice准则更新所有初始切割起点集；

13、s24，重复执行s23，直至达到设定的迭代次数，得到最优的切割起点集，即每个钢板件的最优切割起点；

14、s3，基于钢板件的最优切割顺序和每个钢板件的最优切割起点得到切割路径。

15、可选地，自适应大范围邻域搜索的模拟退火算法的邻域搜索通过destroy算子和repair算子的组合实现，destroy算子包括randomdestroy和maxdestr oy；repair算子包括greedyinsert和randominsert；destroy算子和repair算子的初始权重设置为相同，destroy算子的得分destroyscore和repair算子的得分repairscore初始化为0。

16、可选地，s13具体为：

17、基于轮盘赌的方法，结合wdestroy和wrepair，选取一种destroy算子和一种repair算子，形成一种destroy算子和repair算子的组合对初始切割顺序进行邻域搜索，得到新的切割顺序；并基于新的切割顺序更新初始切割顺序；

18、采用metropolice准则更新顺序编码同时对新的顺序编码进行评分，若评分大于全局最优解的评分，则令w＝w1，如果评分大于当前最优解的评分，则令w＝w2，如果评分小于或等于当前最优解的评分，则以概率p接受新的切割顺序,若接受，则令w＝w3，否则令w＝w4，其中，w1>w2>w3>w4；w表示算子的得分；

19、destroyscore和repairscore更新公式为：

20、destroyscore[destroyoperatorindex]+＝w；

21、repairscore[repairoperatorindex]+＝w；

22、式中：destroyoperatorindex为destroy算子的索引，repairoperatorindex为repair算子的索引。

23、可选地，s14中，wdestroy和wrepair的更新公式为：

24、wdestroy[destroyoperatorindex]＝wdestroy[destroyoperatorindex]*b+

25、(1-b)*(destroyscore[destroyoperatorindex]/destroyusetimes[destroyoperatorindex])；

26、wrepair[repairoperatorindex]＝wrepair[repairoperatorindex]*b+

27、(1-b)*(repairscore[repairoperatorindex]/repairusetimes[repairoperatorindex])；

28、式中：destroyusetimes为destroy算子执行的次数，repairusetimes为re pair算子执行的次数，b为常数系数。

29、可选地，s22中，x＝[x1,x2,...,xn]为钢板件的最优切割顺序，组合编码为[v1,v2,...,vn]，表示切割路径为从原点出发由钢板件x1的v1顶点开始对钢板件x1进行切割，完成后继续切割零件x2，切割起始点为零件x2的v2顶点，以此类推，最终从零件xn的vn顶点返回原点完成切割过程。

30、可选地，s23具体为：对于每个初始切割起点集，随机选择若干个切割起点，用同一钢板件的其余顶点的编号进行替换，得到新的切割起点集。

31、本发明还提供了一种基于分步优化的钢板件激光切割路径规划系统，其包括：

32、钢板件切割顺序模块，用于确定钢板件的最优切割顺序：

33、编号距离单元，用于对钢板件排样结果图中的每个钢板件进行编号，将每个钢板件抽象为一个点，然后计算所有钢板件之间的距离矩阵；

34、初始化单元，用于基于距离矩阵，采用自适应大范围邻域搜索的模拟退火算法，随机生成初始切割顺序，并将钢板件的编号按照初始切割顺序进行编码，初始化邻域搜索算子的权重wdestroy和wrepair，初始化邻域搜索算子的得分destroyscore和repairscore；

35、顺序更新单元，用于采用轮盘赌的方法，基于wdestroy和wrepair，选择搜索算子，生成新的切割顺序，采用metropolice准则更新顺序编码同时对新的顺序编码进行评分以更新destroyscore和repairscore；

36、权重更新单元，用于根据更新后的destroyscore和repairscore更新邻域搜索算子的权重wdestroy和wrepair，更新退火温度和当前最优切割顺序；

37、第一重复单元，用于重复执行顺序更新单元至权重更新单元，直至达到设定的迭代次数，得到钢板件的最优切割顺序；

38、钢板件切割起点模块，用于确定钢板件的最优切割起点：

39、编号单元，用于将每个钢板件的所有顶点作为一个集合，对集合中的每个顶点进行编号；

40、组合编码单元，用于运用遗传算法，按照钢板件的最优切割顺序选取每个钢板件中的一个顶点的编号进行组合编码，记为初始切割起点集，随机生成多个初始切割起点集；

41、起点更新单元，用于对于每个初始切割起点集，利用交换算子生成新的切割起点集，采用metropolice准则更新所有初始切割起点集；

42、第二重复单元，用于重复执行起点更新单元，直至达到设定顶点迭代次数，得到最优的切割起点集，即每个钢板件的最优切割起点；

43、切割路径模块，用于基于钢板件的最优切割顺序和每个钢板件的最优切割起点得到切割路径。

44、本发明还提供了一种电子设备，其包括：处理器和存储器，存储器中存储有至少一条计算机指令，指令由处理器加载并执行上述的基于分步优化的钢板件激光切割路径规划方法中所执行的步骤。

45、本发明还提供了一种计算机可读存储介质，存储介质中存储有至少一条计算机指令，指令由处理器加载并执行上述的基于分步优化的钢板件激光切割路径规划方法中所执行的步骤；计算机可读存储介质包括ram存储器、磁驱动器、光驱动器和软磁盘。

46、本发明的效果如下：

47、本发明基于分步优化的钢板件激光切割路径规划方法，首先采用自适应大范围邻域搜索的模拟退火算法得到钢板件的最优切割顺序，将激光头在零件之间转移的空行程尽量降低；然后采用遗传算法得到每个钢板件的最优切割起点，最后基于钢板件的最优切割起点的和每个钢板件的最优切割起点得到切割路径，通过分步优化解决大规模下料的路径规划问题，求解效率高，有利于减少切割时间、缩短生产周期和提高自动化水平。