基於Petri網的多橫梁水切割走刀路徑優選方法

2023-04-28 19:00:16

專利名稱：基於Petri網的多橫梁水切割走刀路徑優選方法
技術領域：
本發明涉及數控水射流切割加工領域，具體地說，涉及大型工件的多橫梁式水射流切割工具機的走刀路徑的優選方法。
背景技術：
水射流切割(簡稱水切割)是一種冷態的點切割技術，因無熱變形和附加應力變形、切割材料無選擇性、切割速度快，以及無汙染等特點，明顯優於其他切割技術，如硬質刀具切割、雷射切割、電火花切割、等離子切割等。水切割技術如今已被廣泛應用於建築、裝飾、機械、航空航天、傳播、汽車、化工、食品等行業，切割多達500多種類型材質，如鋼材、 鈦、合金、複合材料、大理石、皮革等。近年來航空航天、裝備製造、石化、食品加工等行業中大型工件(4_12m乃至更長) 水切割需求迅猛增長，應運而生了兩種大型水切割工具機方案，即單橫梁水切割系統與多橫梁式水切割系統。單橫梁水切割系統具有單一橫梁及安裝其上的水刀頭以及長的導軌和工作檯，但切割效率較低。多橫梁式水切割系統由多個水切割橫梁、導軌、切割臺拼接組合而成，各橫梁系統可以並行地切割。多橫梁系統的切割效率顯著較高，又具備伸縮性與可擴展性，已成為大型水切割的首選方案。然而，多橫梁式水切割系統為保證銜接部分無切割死區，必須做到相鄰兩兩橫梁系統的加工區域存在一定的重疊。在沒有任何措施的情況下，一旦相鄰兩橫梁系統在重疊區的時段具有交集，則儘可能發生幹涉和碰撞，導致系統的損毀。 因此對於多橫梁系統，首要考慮的問題是如何協調多個平行且相互存在約束的切割過程之間的協調，避免幹涉。對此，目前存在離線和在線兩種協調策略。離線的協調方法，大體思想是將多橫梁水切割工具機的位置幹涉問題轉變為時間幹涉問題，預先安排相鄰切割過程中各橫梁系統位於幹涉區的時序，並將這種協調策略固化到NC代碼。在線協調策略根據在線檢測到的相鄰橫梁的位置信息，動態決定橫梁的前進與暫停狀態和進入幹涉區的先後順序。在線的協調控制方法將直接操控各橫梁的CNC控制器。無論選擇離線協調策略還是在線協調策略，都需要先對給定的大型工件的切割加工任務進行走刀路徑的設置。然而，不同的走刀路徑所引發的後續的協調各相鄰橫梁系統的次數也不同，所需的協調次數越大，則意味著系統中的碰撞的可能性越大，也越易於導致系統的可靠性大大降低，而若能從不同的走刀路徑設置中找出一個最優的，即引發的後續的協調相鄰橫梁系統的次數最少乃至為零的那個，則在這樣的優選的走刀路徑設置下，無論採用哪種協調策略，都會使得發生碰撞的可能降到最小，從而大大提高系統的可靠性。從這個意義來說，提供一種多橫梁式水切割走刀路徑優選方法顯得非常重要，但目前尚未有這類方法出現。

發明內容
本發明的目的在於提供一種基於Petri網的多橫梁水切割走刀路徑優選方法，所述多橫梁式水切割是由多橫梁式水射流切割系統實現的，所述的多橫梁式水射流切割系統包括n個橫梁系統且n個橫梁系統沿導軌方向依次排列並記為第I橫梁系統、第2橫梁系統、…、第i橫梁系統、…、第n橫梁系統，n為多橫梁式水射流切割系統中的橫梁系統總數，n GO +且n彡2，□+為正整數的集合，i G [l，n]各個橫梁系統含一個設有水刀頭的橫梁及計算機數字控制CNC系統，其特徵在於，該方法包括以下步驟A.對多橫梁式水切割系統的加工區域進行劃分分別將第I橫梁系統、第2橫梁系統、…、第i橫梁系統、…、第n橫梁系統中的各橫梁運動所覆蓋的最大區域，作為第I可達區、第2可達區、…、第i可達區、…、第nl 可達區，nl =n，將相鄰的第j可達區和第j+1可達區的重疊部分作為第j重疊區，j G [I, n-1]，第j重疊區沿導軌方向的兩條邊界線，分別稱為第j重疊區的左重疊線與右重疊線， 分別將第I重疊區、第2重疊區、…、第n2-l重疊區的兩側沿導軌各增加一個橫梁的寬度， 形成第I幹涉區、第2幹涉區、…、第n2-l幹涉區，n2 = n，將第I幹涉區、第2幹涉區、…、 第n2-l幹涉區沿導軌方向的兩條邊界線，分別稱為第I幹涉區左幹涉線與右幹涉線、第2 幹涉區左幹涉線與右幹涉線、…、第n2_l幹涉區左幹涉線與右幹涉線。B.以計算機輔助設計CAD文件的形式輸入給定的大型工件切割任務，按照以下情況進行切割輪廓的分解和分配，形成各橫梁系統的切割部分的CAD子文件BI.如果待切割輪廓完全位於第j重疊區內，j G [I, n-1]，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統或第j+1橫梁系統；如果待切割輪廓位於第j可達區內的第j重疊區之外的區域，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統；如果待切割輪廓位於第j可達區內且待切割輪廓始於第j重疊區內、止於第j重疊區外，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統；B2.對於連續跨越第j重疊區、第j+1重疊區、…、第j+k-1重疊區的待切割輪廓， j，k G [I, n-1]且i+k G [2，n]，k G □ +代表跨越的重疊區個數，以待切割輪廓跨越的各重疊幹涉區的中心線為界，將待切割輪廓沿導軌方向分割成第j段、第j+1段、…、第j+k-1 段、第j+k段，分割後的各待切割輪廓段分別分配給第j橫梁系統、第j+1橫梁系統、…、第 j+k-1橫梁系統、第j+k橫梁系統；C.將上述的各CAD子文件導入水切割計算機輔助製造CAM軟體，設置各橫梁系統的水刀頭的走刀路徑即刀頭的啟動點、水刀頭的終止點、各輪廓的切入點與切出點、快進路線、各輪廓加工的先後順序，以及輸入切割準備時間、切割速度、快進速度、水與磨料閥開與關的耗時參數；D.將分配給各個橫梁系統的輪廓中跨越幹涉線的每條輪廓和每條快進路徑，以幹涉線為界分段並標記，將所有輪廓按照加工的先後順序標記成幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段兩類，將分配給第i橫梁系統的幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段分別記為/巧、 OP1p A<a <m\A< (3 <m\ ,m\、分別為分配給第i橫梁系統的幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的總數，再將各個橫梁系統的所有快進路徑按照加工的先後順序標記成幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段兩類，將第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段分別記為/麼、oe；,i<^</；,i<r</；,/；\ /丨分別為第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的總數；E.根據切割準備時間、切割速度、快進速度、水與磨料閥開與關的耗時參數，計算第i橫梁系統的刀頭啟動過程耗時TOi與刀頭終止過程耗時TEi,走刀路徑中幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的執行時間分別記為Hg、TOP;，TIP-TOP1/丹別與IP^ OP;一一對應，以及第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的執行時間分別記為 77 、TOQ;，TIQ1x、TOQy丹別與IQ^rOQ;一一對應；F.建立多橫梁系統水切割過程的Petri網模型①對第i橫梁系統的刀頭啟動過程與刀頭終止過程分別建模為啟動庫所Pu與終止庫所Pi,E，啟動庫所包含一個令牌，重複本步驟，依次取i = I □ n ;②對分配給第i橫梁系統的幹涉區內叫個輪廓段//I與幹涉區<個外輪廓段的切割過程，以及第i橫梁系統的幹涉區內//個快進路徑段/01與幹涉區外/丨個快進
路徑段的快進過程，分別建模為叫個區內切割庫所、< 個區外切割庫所、/丨個區內快進庫所及個區外快進庫所並按照橫梁刀頭行進的先後順序分別記為Pu，Pi,2，...，Pi, s， s = m\ +m'2 +V1 +V2，重複本步驟,依次取i = I □ n ;將第i橫梁系統的刀頭啟動過程耗時TO1、刀頭終止過程耗時TEi,分別賦予啟動庫所Pu、終止庫所Pu，幹涉區內輪廓段的執行時間np』與幹涉區外輪廓段的執行時間
巧，以及幹涉區內快進路徑段的執行時間與幹涉區外快進路徑段的執行時間，稱為令牌保持時間，分別賦予Pu，Pi,2，...，Pi, s中對應的庫所，重複本步驟，依次取 i = I □ n ;③添加s+1個變遷ty，tij2, . . .，tijS, \,3+1，然後由Pi,0引出一條有向弧指向ty， tia引出一條有向弧指向Pu，Pu再引出一條有向弧指向、,2，ti,2再引出一條有向弧指向 Pi,2,依次類推,直到Pi, s引出一條有向弧指向tUs+1, tijS+1再引出一條有向弧指向Pi,E,重複本步驟，依次取i = I □!!，變遷表示上一個過程的結束與下一個過程的開始，所有有向弧上的權重賦為I,得到計時Petri網模型；④將n-1個幹涉區分別建模為n-1個資源庫所並分別標記為Pl，p2，. . . ,Plri，並各放置一個令牌，將第i橫梁系統的任一幹涉區的所有區內切割庫所及區內快進庫所中的每個庫所的後置變遷引出一條有向弧指向所述任一幹涉區的資源庫所，然後再由這一資源庫所分別引出一條有向弧指向所述任一幹涉區的所有區內切割庫所及區內快進庫所中的每個庫所的前置變遷，重複本步驟，依次取i = 1,2,…，n，形成中間Petri網模型，然後將得到的中間Petri網模型中每個包含資源庫所的自迴路的所有有向弧刪除，最終形成多切割過程的Petri網模型；G.利用步驟F得到的多切割過程的Petri網模型，進行仿真並計算上述給定走刀路徑下所需的相鄰橫梁系統的協調次數①將多切割過程的Petri網模型中的資源庫所Pl，P2, , Plri中各添置一個新令牌，使得令牌數目為2;②對新得到的Petri網模型,播放各啟動庫所Pi,。、資源庫所P1, P2, , Plri中的令牌，所述的令牌播放規則，如下其一、令牌播放由變遷的觸發驅動，先檢查所有變遷找出滿足以下觸發條件的變遷條件一變遷的各前置庫所中的令牌數目均大於等於I ;條件二 變遷的各前置庫所中令牌的持有時間已經大於等於賦予的令牌保持時間；其二、滿足觸發條件的變遷將觸發，觸發將會使得這一變遷的各前置庫所失去一個令牌，同時這一變遷的所有後置庫所中添加一個令牌，實現令牌的一步播放；達到新的標識即新狀態之後，重複地按照以上的令牌播放規則，一步步地動態仿真切割過程，直至所有的終止庫所Pi,E都獲得令牌；③計算協調次數，若一個資源庫所中的令牌數目變為0，則表明競爭這一資源庫所所對應的幹涉區的分別屬於相鄰橫梁系統的兩個切割過程或者兩個快進過程或者一是快進過程另一個為切割過程，同時佔有這一幹涉區，發生碰撞的次數為1，分別對各資源庫所中令牌數目變0的情景的次數進行累加，得到各幹涉區發生衝突的次數，也就是需要動態協調避免衝突的次數，再累加得到所需的多橫梁系統的協調總次數；H.如果得到的多橫梁走刀路徑的數目小於10，則對於上述給定的大型工件切割任務，返回步驟C，重新設置各橫梁系統的走刀路徑，然後再次執行步驟D G ;否則，比較得到每次設置的多橫梁走刀路徑下所需的多橫梁系統的協調總次數，選擇多橫梁系統的協調總次數數值最小的多橫梁走刀路徑作為最優路徑。與現有技術相比，本發明具有如下優點及顯著效果(I)本發明提供了是一種多橫梁式水切割走刀路徑優選方法，用於多橫梁式水射流切割系統中的各橫梁系統的走刀路徑的優選。使用本方法使用者可以設置多組不同的走刀路徑，並從中選擇出所需的後續的仲裁、協調相鄰橫梁系統的次數最少乃至為零的那一組，按照這樣的走刀路徑設置生成可執行的NC代碼，無論用戶接著採用在線的還是離線的協調策略，都會使得發生碰撞的可能降到最小，從而大大提高系統的可靠性。(2)本發明提供的方法可以結合不同的協調策略，如在線的協調策略和離線的協調策略，但不依賴於具體的協調策略。通過本方法優選出的一組走刀路徑可以進一步用於生成NC代碼，生成的NC代碼可以用於實施不同的多橫梁系統協調方案。(3)本發明提供的走刀路徑優選方法採用了圖形形的Petri網手段，方法簡單、直觀，實施方便。對給定的切割加工任務的走刀路徑設置，本發明提供了其對應的Petri網模型的生成方法，並可變換為計時Petri網，藉助了 Petri網的令牌播放功能，模擬多橫梁系統的切割過程，計算出需要的協調次數，分析不同走刀路徑下所需的協調次數，從而可以輕鬆地判斷出的走刀路徑的優劣。


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圖10第2橫梁系統另一種走刀路徑設置。
具體實施例方式以下對本發明的具體實施方式
作詳細說明，藉此更加清晰地表明本發明所述的和其他的目的、特徵和優勢。本發明提及一種用於大尺寸工件的多橫梁式水切割過程的走刀路徑優選方法，所述的多橫梁式水切割過程是由多橫梁式水射流切割系統實現的，這裡的大尺寸工件通常指長度在3-12米的待切割工件，也包括那些長度大於12米的工件，但工件的寬度必須小於等於多橫梁系統的寬度。水射流切割指的是利用高壓超高壓水集束的侵蝕力進行工件切割的過程。每個水切割過程由一個橫梁系統(橫梁及安裝其上的水切割頭或稱噴嘴)執行，多橫梁式水切割系統就是一個由多個水切割橫梁系統、導軌、切割臺拼接組合而成，各相鄰橫梁系統可以並行切割，但銜接處有重疊加工區。每個橫梁系統都由一個CNC控制器來控制。本發明所述的多橫梁系統的水切割過程的走刀路徑優選方法的總體流程由圖I 給出，首先應對給定的待切割工件CAD文件進行分割，形成的CAD子文件導入CAM軟體生成相應的數控NC加工代碼，進行切割過程的Petri網建模，經過仿真分析驗證之後，對給定的切割加工任務得到協調次數最少的走刀路徑。本發明所述的多橫梁式水射流切割系統包括n個橫梁系統且n個橫梁系統沿導軌方向依次排列並記為第I橫梁系統、第2橫梁系統、…、第i橫梁系統、…、第n橫梁系統， n為多橫梁式水射流切割系統中的橫梁系統總數，n e □ +且n > 2，□ +為正整數的集合， i G [l，n]各橫梁系統含一個設有水刀頭的橫梁及計算機數字控制CNC系統，其特徵在於， 該方法包括以下步驟A.對多橫梁式水切割系統的加工區域進行劃分分別將第I橫梁系統、第2橫梁系統、…、第i橫梁系統、…、第n橫梁系統中的各橫梁系統運動所覆蓋的最大區域，作為第I可達區、第2可達區、…、第i可達區、…、第nl 可達區，nl =n，將相鄰的第j可達區和第j+1可達區的重疊部分作為第j重疊區，j G [I, n-1]，分別將第I重疊區、第2重疊區、…、第n2-l重疊區的兩側沿導軌各增加一個橫梁的寬度，形成第I幹涉區、第2幹涉區、…、第n2-l幹涉區，n2 = n，將第I幹涉區、第2幹涉區、…、第n2-l幹涉區的沿導軌方向的兩條邊界線，分別稱為第I幹涉區左幹涉線與右幹涉線、第2幹涉區左幹涉線與右幹涉線、…、第n2_l幹涉區左幹涉線與右幹涉線。圖2給出了一個雙橫梁系統水切割系統的例子，包含第I橫梁系統和第2橫梁系統，各橫梁上設有一個水刀頭。按照步驟A，雙橫梁系統的可達區分別標記為第I可達區和第2可達區，而重疊區和幹涉區都只有一個，標記為重疊區I和幹涉區I，幹涉區I存在左右兩條幹涉線。B.以計算機輔助設計CAD文件的形式輸入給定的大型工件切割任務，按照以下情況進行切割輪廓的分解和分配，形成各橫梁系統的切割部分的CAD子文件BI.如果待切割輪廓完全位於第j重疊區內，j G [I, n-1]，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統或第j+1橫梁系統；如果待切割輪廓位於第j可達區內的第j重疊區之外的區域，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統；
如果待切割輪廓位於第j可達區內且待切割輪廓始於第j重疊區內、止於第j重疊區外，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統；B2.對於連續跨越第j重疊區、第j+1重疊區、…、第j+k-1重疊區的待切割輪廓， j，k G [I, n-1]且i+k G [2，n]，k G □ +代表跨越的重疊區個數，以待切割輪廓跨越的各重疊幹涉區的中心線為界，將待切割輪廓沿導軌方向分割成第j段、第j+1段、…、第j+k-1 段、第j+k段，分割後的各待切割輪廓段分別分配給第j橫梁系統、第j+1橫梁系統、…、第 j+k-1橫梁系統、第j+k橫梁系統；圖3給出了一待切割工件的CAD圖，需要切割輪廓分別編號為1、2、3、4，按照步驟 Bll所提及的原則判斷，輪廓I位於第I可達區內的第I重疊區之外的區域，應分配給第I 橫梁系統；輪廓2位於第I可達區內且待切割輪廓始於第I重疊區內、止於第I重疊區外， 應分配給第I橫梁系統；而輪廓3跨越第I重疊區，則以其跨越的重疊幹涉區的中心線為界，將其沿導軌方向分割成第I段、第2段分別分配給第I橫梁系統、第2橫梁系統；另外， 輪廓4完全位於第I重疊區內，則輪廓4既可以分配給第I橫梁系統又可以分配給第2橫梁系統，這裡指定分配給第2橫梁系統。這樣可以將原先的CAD分割成兩個CAD子文件，參見圖4、圖5。C.將上述的各CAD子文件導入水切割計算機輔助製造CAM軟體，設置各橫梁系統的水刀頭的走刀路徑即刀頭的啟動點、水刀頭的終止點、各輪廓的切入點與切出點、快進路線、各輪廓加工的先後順序，以及輸入切割準備時間、切割速度、快進速度、水與磨料閥開與關的耗時參數；支持水切割的計算機輔助製造CAM軟體，如NewCAM、CATIA，都有設置輸入切割準備時間、切割速度、快進速度、水與磨料閥開與關的耗時這些工藝參數的接口，還提供了平面繪圖功能，可以可視化地設置水刀頭的啟動點、水刀頭的終止點、各輪廓的切入點與切出點、各輪廓加工的先後順序，圖4、圖5中分別給出了第1、2橫梁系統的一種走刀路徑，sa、ea 與sb、eb分別為第1、2橫梁系統的刀頭的啟動點、終止點，帶箭頭的虛線ai(i = 1,2, , 4)、bj(j = 1,2,3)分別代表第1、2橫梁系統的快進路徑，對於封閉的輪廓，切入點和切出點相同，如輪廓1，而對於開放的輪廓則不同，如輪廓3的左半部分3a，其切入點在有向線段a3 的終點，切出點在有向線段a4的起點。這些信息都在CAM部分設定。例如圖4的切割任務， 可以設置以下的走刀路徑首先，從Sa開始快進段，到達輪廓I的切入點後封閉切割輪廓 1，切完後由切出點(同切入點)退出，並快進％段，直到輪廓2的切入點封閉切割輪廓2， 切完後由同一點退刀，然後快進a4段到輪廓3a的切入點，開始切割開放的輪廓3a直至切割完，然後由3a的末點(切出點)快進到水刀頭的終止點ea(同啟動點sa)，這樣第I橫梁系統的走刀路徑設置完成，對於第2橫梁系統的走刀路徑可以按照同樣的方法設置，如圖5 所示，sb-快進Id1-切割輪廓4-快進b2-切割輪廓3b (輪廓3的右半部分)-快進b3_eb。由於本發明涉及到Petri網，在此我們給出Petri網的相關概念定義I =Petri網結構定義為四元式N= (P，T，F，W)，其中P為有限的庫所集，庫所由圓圈(〇)表示，T為有限的變遷集，變遷粗橫(一)表示，使得PU7V0且pnr = 0， F[(Pxr)u(rxP)為有向弧(流關係)的集合，以及w:f (非負整數集)為權重函數，若(口，*) G F，則 w( 口，*) > 0，若，則 w( 口，*) = 0，這裡(口，*)為庫所和變遷(或變遷和庫所)的對，。N稱為平凡，若它的所有弧的權重為1，此時N可簡記為N =( ，1'，的，其中？(？\1') U (TXP) — {0,1} o變遷t G T的前置庫所集(後置庫所集)定義為『t = {p G p|w(p, t) > 0} (t'= {p G p|w(t,p) > 0}),相似地,庫所 P G P 的前置變遷集(後置變遷集)定義為 P = {t G T IW (t, P) > 0} (p = {p G P IW (P，t) > 0})。定義2 :標記Petri網定義為二元式G = (N，Mtl)，其中N為Petri網結構，M0為初始標識。N的標識M為G的|p|維的標識，m:p—□且分量m(p)代表庫所p所含令牌數，圖示則由相應數目的「 」或者直接由數字表示。定義3 :標記 Petri 網 G 中庫所和變遷的序列 Pit1Pat2--- V1PnPn^tn) 稱為P1到PnU1到tn)的有向路徑，若對於(e只 且ti G -pi+1 ( P1 4且Pi e ti+1)，其中 I ^ i ^n-I0若有向路徑中不存在重複的節點，則稱該路徑為基本有向路徑，若基本有向路徑的首尾結點相同，則稱該基本有向路徑為基本有向迴路，若基本有向迴路中只有一個庫所和變遷，則稱其為自迴路。定義4 =Petri網的動態性表現為令牌播放，即令牌在庫所中的流動，令牌的基本播放由以下規則決定I)變遷t在某個標識下被授權，若且唯若M(p) ^ w(p, t) ,Vpef ；2)被授權的變遷可以觸發，在標識M下授權的變遷t的觸發將引發新的標識M'， 其中 M' (p) = M(p)-w(p, t)+w(t, p) ,/peP o令牌的播放規則可以根據實際情況擴展。令牌播放可以模擬事件的發生或者操作的執行，因此Petri網可以用於分析被建模系統的動態行為。值得指出的是，上述的令牌播放規則只適用上述的經典Petri網，隨著應用的不同，若需對Petri網進行擴展，例如對變遷或者庫所賦予時間，則令牌播放規則的將會有所調整。本發明中將Petri網及其令牌播放原理對多橫梁系統切割過程的進行建模、仿真和分析，檢驗走刀路徑設計的合理性和協調控制策略的正確性。D.將分配給各個橫梁系統的輪廓中跨越幹涉線的每條輪廓和每條快進路徑，以幹涉線為界分段並標記，將所有輪廓按照加工的先後順序標記成幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段兩類，將分配給第i橫梁系統的幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段分別記為 K、OFp,\<a<m\,\<p<m\ m\, <分別為分配給第i橫梁系統的幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的總數，再將各個橫梁系統的所有快進路徑按照加工的先後順序標記成幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段兩類，將第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段分別記為/ 、OQ; A<x<i[A<r<i^i^ /丨分別為第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的總數；步驟D中對於某個橫梁系統而言，其輪廓最多只能跨越一條幹涉線，因為位於該橫梁系統的可達區內只有一條幹涉線。按照步驟D，將第I橫梁系統的切割與快進路徑按照加工的先後順序以幹涉區I的左幹涉線I1為界進行分割標記，如圖7所示，幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段分別標記為ES 0/ , I ^ a ^ 4,1 ^ ^彡3，其中TP11代表輪廓I 的切割路徑，/巧、OP；, /P31是輪廓2切割路徑的分段標記，/P21與/P31為幹涉區內部分，而Og 為幹涉區外部分，類似，OP21、/P41是輪廓3a的切割路徑的分段標記，第I橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段分別標記為設i、OQl,I ^ X ^4,1^ Y彡2; 同理，如圖7，以幹涉區I的右幹涉線，可將第2橫梁系統的幹涉區內切割路徑段與幹涉區外快切割徑段分別標記為巧2與Oif,OP22,OP32，將第2橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段分別標記為/G1Ve22與oa2,oe22,Og32。E.根據切割準備時間、切割速度、快進速度、水與磨料閥開與關的耗時參數，計算第i橫梁系統的刀頭啟動過程耗時TOi與刀頭終止過程耗時TEi,走刀路徑中幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的執行時間分別記為 ^』、TOP；,分別與/P』、OP;一一對應，以及第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的執行時間分別記為 TIQx^ TOQ;，TIQ1x、TOQ丨分別與 IQ^rOQ1r一一對應；對於本步驟，刀頭啟動過程的耗時即切割準備時間加上水與磨料的開啟耗時，刀頭終止過程耗時取為水與磨料的關閉耗時；設某一快進路徑長度為d，而切割輪廓長度為 f，在已知快進速度為Vf，切割速度為V。，則有快進執行時間tf和切割執行時間t。由下式計算
d ftf = —，tc=—
vC依此，可以分別建立第I橫梁系統的刀頭啟動過程耗時TO1與刀頭終止過程耗時TE1，走刀路徑中幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的執行時間分別記為HP〗、TOP;，
a ^4,1^ ^ d，TIP'a、TUPj分別與/Pj、，以及第I橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的執行時間分別記為、TOQ17,1 ^ X ^4,1^ Y ^2, TIQz' TOg/丹別與IQir OQ7一一對應；同樣可以確立第2橫梁系統的刀頭啟動過程耗時與刀頭終止過程耗時，走刀路徑中幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的執行時間，以及幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的執行時間。F.建立多橫梁系統水切割過程的Petri網模型①對第i橫梁系統的刀頭啟動過程與刀頭終止過程分別建模為啟動庫所Pi,0與終止庫所Pi,E，啟動庫所包含一個令牌，重複本步驟，依次取i = I □ n ;②對分配給第i橫梁系統的幹涉區內叫個輪廓段/<與幹涉區<個外輪廓段的切割過程，以及第i橫梁系統的幹涉區內/；個快進路徑段與幹涉區外/丨個快進路徑段的快進過程，分別建模為叫個區內切割庫所、<個區外切割庫所、/丨個區內快進庫所及個區外快進庫所並按照橫梁系統的刀頭行進的先後順序分別記為Pu，Pu，. . .，Pu， S = m\ +m'2 +I11 +V2，重複本步驟,依次取i = I □ n ;將第i橫梁系統的刀頭啟動過程耗時TO1、刀頭終止過程耗時TEi,分別賦予啟動庫所Pm、終止庫所Pi,E，幹涉區內輪廓段/g的執行時間r/g與幹涉區外輪廓段的執行時間
巧，以及幹涉區內快進路徑段的執行時間與幹涉區外快進路徑段的執行時間 T0Q；，稱為令牌保持時間，分別賦予Pu，Pi,2，...，Pi, s中對應的庫所，重複本步驟，依次取 i = I □ n ;③添加s+1個變遷ty，tij2, . . .，tijS, \,3+1，然後由Pi,0引出一條有向弧指向ty， tia引出一條有向弧指向Pu，Pu再引出一條有向弧指向、,2，ti,2再引出一條有向弧指向 Pi,2,依次類推,直到Pi, s引出一條有向弧指向tUs+1, tijS+1再引出一條有向弧指向Pi,E,重複本步驟，依次取i = I □!!，變遷表示上一個過程的結束與下一個過程的開始，所有有向弧上的權重賦為I,得到計時Petri網模型；④將n-1個幹涉區分別建模為n-1個資源庫所並分別標記為Pl，p2，. . . ,Plri，並各放置一個令牌，將第i橫梁系統的任一幹涉區的所有區內切割庫所及區內快進庫所中的每個庫所的後置變遷引出一條有向弧指向所述任一幹涉區的資源庫所，然後再由這一資源庫所分別引出一條有向弧指向所述任一幹涉區的所有區內切割庫所及區內快進庫所中的每個庫所的前置變遷，重複本步驟，依次取i = 1,2,…，n，形成中間Petri網模型，然後將得到的中間Petri網模型中每個包含資源庫所的自迴路的所有有向弧刪除，最終形成多切割過程的Petri網模型；按照步驟F，對圖3所示的切割任務，可以逐步建立雙橫梁系統水切割過程的 Petri網模型首先，將第I橫梁系統與第2橫梁系統的刀頭啟動與刀頭終止過程，分別建模為啟動庫所P1, 0與終止庫所P1, E，啟動庫所P2, 0與終止庫所P2, E，啟動庫所P1, O、P2, 0各包含一個令牌，如圖，8所示；然後，對圖6和圖7所示的第i橫梁系統的幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的切割過程，以及幹涉區內快進路徑段/01與幹涉區外快進路徑段0 的快進過程，逐
一地建模為庫所，並按照橫梁系統的刀頭行進的先後順序分別記為Pu，Pi,2，...，Pi,s這裡 i分別取1，2，各庫所的含義已由表I給出表I雙橫梁系統水切割過程的Petri網模型中庫所及其意義
權利要求
1.一種基於Petri網的多橫梁水切割走刀路徑優選方法，所述多橫梁式水切割是由多橫梁式水射流切割系統實現的，所述的多橫梁式水射流切割系統包括n個橫梁系統且n個橫梁系統沿導軌方向依次排列並記為第I橫梁系統、第2橫梁系統、…、第i橫梁系統、…、 第n橫梁系統，n為多橫梁式水射流切割系統中的橫梁系統總數，neD +且11>2，口 +為正整數的集合，i e [l，n]，各橫梁系統含一個設有水刀頭的橫梁及計算機數字控制CNC系統，其特徵在於，該方法包括以下步驟A.對多橫梁式水切割系統的加工區域進行劃分分別將第I橫梁系統、第2橫梁系統、…、第i橫梁系統、…、第n橫梁系統中的各橫梁運動所覆蓋的最大區域，作為第I可達區、第2可達區、…、第i可達區、…、第nl可達區， nl =n，將相鄰的第j可達區和第j+1可達區的重疊部分作為第j重疊區，j G [l，n-l]，第 j重疊區沿導軌方向的兩條邊界線，分別稱為第j重疊區的左重疊線與右重疊線，分別將第 I重疊區、第2重疊區、…、第n2-l重疊區的兩側沿導軌各增加一橫梁的寬度，形成第I幹涉區、第2幹涉區、…、第n2-l幹涉區，n2 = n，將第I幹涉區、第2幹涉區、…、第n2_l幹涉區沿導軌方向的兩條邊界線，分別稱為第I幹涉區左幹涉線與右幹涉線、第2幹涉區左幹涉線與右幹涉線、…、第n2_l幹涉區左幹涉線與右幹涉線，B.以計算機輔助設計CAD文件的形式輸入給定的大型工件切割任務，按照以下情況進行切割輪廓的分解和分配，形成各橫梁系統的切割部分的CAD子文件BI.如果待切割輪廓完全位於第j重疊區內，j G [I, n-1]，則將待切割輪廓分配給第 j橫梁系統或第j+1橫梁系統；如果待切割輪廓位於第j可達區內的第j重疊區之外的區域，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統；如果待切割輪廓位於第j可達區內且待切割輪廓始於第j重疊區內、止於第j重疊區外，則將待切割輪廓分配給第j橫梁系統；B2.對於連續跨越第j重疊區、第j+1重疊區、…、第j+k-1重疊區的待切割輪廓，j， k G [1，n-1]且i+k G [2，n]，k G □ +代表跨越的重疊區個數，以待切割輪廓跨越的各重疊幹涉區的中心線為界，將待切割輪廓沿導軌方向分割成第j段、第j+1段、…、第j+k-1 段、第j+k段，分割後的各待切割輪廓段分別分配給第j橫梁系統、第j+1橫梁系統、…、第 j+k-1橫梁系統、第j+k橫梁系統；C.將上述的各CAD子文件導入水切割計算機輔助製造CAM軟體，設置各橫梁系統的水刀頭的走刀路徑即刀頭的啟動點、水刀頭的終止點、各輪廓的切入點與切出點、快進路線、 各輪廓加工的先後順序，以及輸入切割準備時間、切割速度、快進速度、水與磨料閥開與關的耗時參數；D.將分配給各個橫梁系統的輪廓中跨越幹涉線的每條輪廓和每條快進路徑，以幹涉線為界分段並標記，將所有輪廓按照加工的先後順序標記成幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段兩類，將分配給第i橫梁系統的幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段分別記為/巧、OFp, \<a<m\,\<(3<m\ ,m\、m\:分別為分配給第i橫梁系統的幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的總數，再將各個橫梁系統的所有快進路徑按照加工的先後順序標記成幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段兩類，將第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段分別記為設1、OQrA<x<i\^<r<i\A^ /丨分別為第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的總數；E.根據切割準備時間、切割速度、快進速度、水與磨料閥開與關的耗時參數，計算第i 橫梁系統的刀頭啟動過程耗時TOi與刀頭終止過程耗時TEi,走刀路徑中幹涉區內輪廓段與幹涉區外輪廓段的執行時間分別記為np』、TOP；,分別與/P』、op；一一對應，以及第i橫梁系統的幹涉區內快進路徑段與幹涉區外快進路徑段的執行時間分別記為 77 、TOQ;，TIQ1x、TOQy丹別與IQ^rOQ;一一對應；F.建立多橫梁水切割過程的Petri網模型①對第i橫梁系統的刀頭啟動過程與刀頭終止過程分別建模為啟動庫所Pi,0與終止庫所Pi,E，啟動庫所包含一個令牌，重複本步驟，依次取i = I □ n ;②對分配給第i橫梁系統的幹涉區內叫個輪廓段/g與幹涉區外<個輪廓段的切割過程，以及第i橫梁的幹涉區內//個快進路徑段與幹涉區外/丨個快進路徑段0 的快進過程，分別建模為叫個區內切割庫所、< 個區外切割庫所、/丨個區內快進庫所及個區外快進庫所並按照橫梁刀頭行進的先後順序分別記為Pu，Pi,2，...，Pi,= <+<+/丨+/〖，重複本步驟，依次取i = I □ n ;將第i橫梁系統的刀頭啟動過程耗時TO1、刀頭終止過程耗時TEi,分別賦予啟動庫所 Pi, p終止庫所Pi, E，幹涉區內輪廓段/g的執行時間r/<與幹涉區外輪廓段的執行時間 %巧，以及幹涉區內快進路徑段的執行時間與幹涉區外快進路徑段的執行時間 T0Q；，稱為令牌保持時間，分別賦予Pu，Pi,2，...，Pi, s中對應的庫所，重複本步驟，依次取 i = I □ n ;③添加S+1個變遷tu,tij2, . . . , tijS, ti.w,然後由Pi,0引出一條有向弧指向tu, tia 引出一條有向弧指向PiYPu再引出一條有向弧指向ti,2, tij2再引出一條有向弧指向Pi,2， 依次類推，直到Pi,s引出一條有向弧指向ti.M, tijs+1再引出一條有向弧指向Pi,E，重複本步驟，依次取i = I □!!，變遷表示上一個過程的結束與下一個過程的開始，所有有向弧上的權重賦為1，得到計時Petri網模型；④將n-1個幹涉區分別建模為n-1個資源庫所並分別標記為P1，P2，.. .，pn_i，並各放置一個令牌，將第i橫梁系統的任一幹涉區的所有區內切割庫所及區內快進庫所中的每個庫所的後置變遷引出一條有向弧指向所述任一幹涉區的資源庫所，然後再由這一資源庫所分別引出一條有向弧指向所述任一幹涉區的所有區內切割庫所及區內快進庫所中的每個庫所的前置變遷，重複本步驟，依次取i = 1,2,…，n，形成中間Petri網模型，然後將得到的中間Petri網模型中每個包含資源庫所的自迴路的所有有向弧刪除，最終形成多切割過程的Petri網模型；G.利用步驟F得到的多切割過程的Petri網模型，進行仿真並計算上述給定走刀路徑下所需的相鄰橫梁系統的協調次數①將多切割過程的Petri網模型中的資源庫所Pl，P2,, Plri中各添置一個新令牌， 使得令牌令牌數目為2;②對新得到的Petri網模型，播放各啟動庫所Pi,p資源庫所Pi，P2，...，Plri中的令牌， 所述的令牌播放規則，如下其一、令牌播放由變遷的觸發驅動，先檢查所有變遷找出滿足以下觸發條件的變遷 條件一變遷的各前置庫所中的令牌數目均大於等於I ;條件二 變遷的各前置庫所中令牌的持有時間已經大於等於賦予的令牌保持時間； 其二、滿足觸發條件的變遷將觸發，觸發將會使得這一變遷的各前置庫所失去一個令牌，同時這一變遷的所有後置庫所中添加一個令牌，實現令牌的一步播放；達到新的標識即新狀態之後，重複地按照以上的令牌播放規則，一步步地動態仿真切割過程，直至所有的終止庫所Pi,E都獲得令牌；③計算協調次數，若一個資源庫所中的令牌數目變為0，則表明競爭這一資源庫所所對應的幹涉區的分別屬於相鄰橫梁系統的兩個切割過程或者兩個快進過程或者一是快進過程另一個為切割過程，同時佔有這一幹涉區，發生碰撞的次數為1，分別對各資源庫所中令牌數目變0的情景的次數進行累加，得到各幹涉區發生衝突的次數，也就是需要動態協調避免衝突的次數，再累加得到所需的多橫梁系統的協調總次數；H.如果得到的多橫梁走刀路徑的數目小於10，則對於上述給定的大型工件切割任務， 返回步驟C，重新設置各橫梁系統的走刀路徑，然後再次執行步驟D G ;否則，比較得到每次設置的多橫梁走刀路徑下所需的多橫梁系統的協調總次數，選擇多橫梁系統的協調總次數數值最小的多橫梁走刀路徑作為最優路徑。
全文摘要
一種基於Petri網的多橫梁水切割走刀路徑優選方法，用Petri網的令牌播放功能，模擬多橫梁系統的切割過程，優選出所需要的協調兩兩相鄰橫梁系統的總次數最少的走刀路徑設置方案，方法步驟輸入待切割的大型工件的計算機輔助設計CAD文件，分解成各橫梁系統的待切割部分的CAD子文件；將CAD子文件進一步導入計算機輔助製造CAM軟體，設置各橫梁系統的走刀路徑，對於同一加工任務，可以設置若干種可能的走刀路徑；由各種走刀路徑方案對應地生成若干多切割過程的Petri網模型，並藉助令牌播放計算各走刀路徑給定的多切割過程所需的協調次數，選出所需要的協調兩兩相鄰橫梁系統的總次數最少的走刀路徑，用於生成數控代碼。
文檔編號B24C7/00GK102601744SQ20111043577
公開日2012年7月25日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者孫維, 戴先中, 李俊, 李正權, 郭濤 申請人:東南大學