The productivity of laser cutting machines can be significantly improved by use of micro-computer based CAD/CAM systems. Furthermore, the part nesting and torch path planning are crucial steps in the development of CAD/CAM system for laser cutting process. In this research, three main subjects are studied for constructing an integrated CAD/CAM system in the 2D laser cutting process.
Since a large portion of the complexity of the part nesting problem stems from the overlap computation, the geometric representation is one of the most important factors to reduce the complexity of the problem. The proposed part representation method can easily handle parts and raw materials with widely varying geometrical shape by using the part decomposition technique. This considerably reduces the amount of processed data and consequently the run time of the computer.
Nesting of two-dimensional part on a given raw material has applications in a number of industries. It is a common problem often faced by designers in the shipbuilding, garment makng, blanking die design, glass and wood industries. This research presents a new two-stage layout approach for nesting two-dimensional part by using the self-organization assisted layout(SOAL) and simulated annealing(SA). The proposed nesting approach consists of two stages: initial layout stage and layout improvement stage. This heuristic algorithm generates a good initial layout by using the SOAL and then improves the layout by using the SA. The SOAL process is based on the learning algorithm of the neural networks proposed by Kohonen, called the self-organization, and uses the fuzzy membership values from the fuzzy c-means(FCM) as the learning rates. The SA process is based on the probabilistic state transition, which makes transitions out of a local minimum possible. Because of this, SA is introduced to find a near-optimal layout without greatly destroying the initial layout. Therefore, the layout solution was obtained from the combination of the SOAL's very fast learning ability and SA's excellent searching ability. For the purpose of increasing the layout efficiency and the usefulness of the raw material remainder. the leftmost-lowest layout is implemented. Additionally, the raw material with irregular boundaries and internal defects which must be avoided during the nesting procedure is also investigated in the research. To achieve more efficient nesting and database management, the flexible part classification module is introduced by using the adaptive resonance theory(ART). The classification procedure is used to group the identical and similar parts into the part families based on their geometric shapes.
For solving the torch path planning problem, the SA technique is adopted. The objective is to traverse the cutting contours with a minimum path length, and at the same time to minimize the effect of heat on the cutting path sequence. One of the main features of the proposed algorithm is that heat effect is incorporated into the cost function. For this purpose a conductive heat transfer in contour laser beam cutting is analyzed by using a transient two-dimensional finite difference model(FDM), and the result is combined with a simple analytical model. From the calculation results, the correlation between workpiece temperature and opening angles at a corner in contour cutting is derived. As a result a modified analytical solution is developed to predict if an excessive workpiece heating occurs. To efficiently apply the modified analytic model in the torch path planning, the critical temperature which should be avoided during the cutting sequence is derived using a simple lumped heat capacity equation. Since every piercing point of parts is not fixed in advance, the algorithm solves a relaxed optimization problem for the constraint, which is one of the main features of the main proposed algorithm. For more fast and excellent torch path planning, an efficient generation mechanism of neighborhood structure and an annealing schedule are introduced. In this way, a global solution can be obtained in a reasonable time.
Developed algorithms through this research are implemented in a system called LASCUT. The system is a PC based MS-windows application and two-dimensional integrated CAD/CAM system. The main functions of the LASCUT are the part analyzing, manual and semi-automatic nesting, torch path generation and cutting simulation, part program generation and editing. The developed CAD/CAM system can effectively automate part programming for laser cutting process, considerably improve the productivity, and consequently lower the production costs.
본 연구에서는 레이저 절단공정의 자동화를 위한 자동배치와 최적 절단경로의 생성에 관한 새로운 방법을 제시하였다.
2차원 패턴의 네스팅은 조선, 의류, 블랭킹 금형, 종이, 유리, 목재 등의 생산 시스템에서 필수적인 작업공정이며, 최근 일부 분야의 CAD/CAM 시스템에서는 이러한 배치공정을 위한 모듈이 도입되고 있다. 넓은 의미에서 배치문제는 회로 설계 분야에서의 셀배치(cell placement) 로부터 플랜트 레이아웃(plant layout)과 창고, 콘테이너 혹은 화물선 등에서의 물품적재등 3차원 배치에 이르기까지 넓은 응용분야를 가지며, 특히 2차원 절단 분야에서의 패턴 배치 알고리즘을 네스팅 알고리즘(nesting algorithm)이라 부른다. 이러한 배치 문제들은 NP-complete 문제로 분류되며 현실적인 시간 안에 최적의 해를 구하기가 불가능한 조합 최적화 문제로 알려져 있다. 이로 인해 지난 20여년간 발표된 연구결과들은 주로 rectangular packing에 관련된 접근방법들이 주류를 이루고 있으며 최근에는 80년대 이후로 개발되어 대규모 최적화 문제를 다루는데 각광을 받고 있는 Genetic algorithm, Simulated algorithm, Neural Network 등이 일부 분야에서 실험적으로 적용이 되고 있다. 그러나 여전히 문제점으로 남아있는 것은 우수한 해를 얻을 수 있음에도 불구하고 계산시간의 방대함으로 개선의 여지가 남아있는 실정이다.
본 연구에서 제안된 배치전략은 빠른 시간 안에 전체적인 배치윤곽을 생성하는 초기배치단계와 주어진 초기배치에서 출발하여 더 나은 상세배치를 시도하는 배치개선단계로 이루어진 2단계로 구성되어있다. 초기배치는 자율조직신경 회로망의 하나인 Kohonen 모델의 학습규칙과 학습속도를 결정하기 위해 퍼지 c-means 알고리즘의 소속함수를 결합해 개발한 SOAL(self-organization assisted layout) 배치 알고리즘에 의해 구현한다. 배치개선단계에서는 모의어닐링법 (simulated annealing: SA)에 의한 배치기법을 이용하여 SOAL로 부터 얻은 초기배치의 해로부터 전역적인 최적해를 구하게 된다. 최적의 배치해를 얻기위해 본 연구에서 제안하는 배치전략은 SOAL이 가지고 있는 빠른 학습능력과 SA의 우수한 탐색능력을 결합하는 2단계 접근법이다. 본 nesting 알고리즘의 가장 중요한 기여는 임의의 복잡한 부재형상의 효율적인 근사표현법과 겹침판별법에 의해 내부홀을 포함한 불규칙적인 원자재의 경계를 효과적으로 다룰 수 있다는 점이다.
이 밖에도 절단공정을 위한 nesting 작업시 효율적인 부재관리 및 배치결과를 얻기 위해 부재의 기하학적 유사성에 따라 자동 분류하는 모듈을 rasterizing 알고리즘 및 adaptive resonance theory(ART) 라는 신경회로망을 도입하여 개발하였다.
레이저 가공 시스템에서 생산성 증대, 작업시간의 단축과 러닝코스트 및 재료의 절감을 위한 노력의 일환으로 이루어지고 있는 중요한 연구분야로 자동 네스팅 이외에 절단 경로계획(cutting path planning) 시스템의 개발을 들 수 있다. 최근 많은 상업용 CAD/CAM 패키지는 절단경로의 생성을 제공하여 화염절단, 플라즈마 절단, 레이저 절단 등에 적용되고 있다. 그러나 이들 대부분의 시스템에서는 작업자의 경험에 의존하는 대화식을 채택하거나 최적경로와는 무관한 CAD 데이터에 따른 순차적인 토치경로를 생성하는 것이 일반적이다. 뿐만 아니라 레이저 절단과 같은 열가공에서는 부재의 형상 및 적단경로에 따라 동일한 가공 조건이라 하더라도 열적인 영향이 달라져 일정한 가공품질을 얻기가 어려운 것이 현실이다. 이러한 열영향은 레이저 가공시 판재에서 일어나는 열전도에 따른 결과이다. 따라서 최상의 절단경로를 얻기 위해서는 가공시간의 최소화와 더불어 열영향을 최소화시키는 것이 중요하다.
본 연구에서는 2차원 레이저 절단공정에서 절단경로를 최적화하기 위해 토치경로의 최소화와 열영향의 최소화를 동시에 만족하는 해를 얻고자 하였으며, 이와 같은 해를 효과적으로 탐색하기 위해 Simulated Annealing 알고리즘을 기반으로 하는 토치 경로 알고리즘을 개발하였다.
복잡한 부재형상에 대한 절단 경로상에서의 온도분포를 효과적으로 구하기 위해서는 유한요소법(FEM)이나 유한차분법(FDM)과 같은 수치해석을 수행하는 것이 가장 좋은 방법이지만 방대한 계산시간으로 인해 비현실적이다. 그렇다고 해서 간단한 이론해를 적용하기에는 경계조건 및 모델의 상이함으로 인해 무리가 있다. 따라서 본 연구에서는 2차원 레이저 절단에서 다양한 절단각도에 따른 온도분포를 2차원 유한차분 모델을 이용하여 구한 다음 절단각도에 따른 온도의 상승효과를 규명하고 그 상관관계를 간단한 이론해와 결합하여 경로 최적화 알고리즘에 포함시켰다.
제시된 토치경로 알고리즘은 확률론적인 방법을 채택하고 있기 때문에 기존의 결정론적인 탐색법에 비해 보다 더 전역해에 도달할 수 있는 가능성을 가지고 있다. 토치경로 문제와 같은 대규모 최적화 문제를 효과적으로 해결하기 위해 효율적인 이웃해의 생성방법을 도입 적용하였으며 부재의 절단순서 뿐만 아니라 피어싱점의 위치까지 탐색하는 구속조건을 완화시킨 최적화 문제로 모델링하였다.
본 연구를 통해 개발된 알고리즘들은 PC 상의 MS-Windows 환경하에서 실행되는 레이저 절단용 CAD/CAM 소프트웨어로 구현하였다. 부재의 형상, 배치결과 및 절단경로 데이터는 DXF 파일 및 시스템 내부 데이터 형식으로 저장이 가능하다. 이밖에 마우스 및 도구상자를 이용한 대화식 배치모듈을 개발하였으며 부재간 겹침발생시 오류를 자동 판별하여 사용자에게 다음 행동을 유도하는 오류 검사 기능을 구현하였다. 생성된 절단경로는 그래픽 시뮬레이션으로 검정이 가능하며 오류가 없을 시에는 입력된 절단조건과 함께 CNC 파트 프로그램을 자동 생성하게된다.
본 연구에서 제시한 자동배치 및 토치경로 알고리즘과 소프트웨어로 구현된 CAD/CAM 시스템은 레이저 절단가공분야에서의 생산성 향상과 생산단가의 감소에 크게 기여하게 될 것으로 사료된다.
