三割炬H型钢机器人切割装备系统软件研究Word文件下载.docx

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与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

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２２。

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五Ｊ虱艨签字日期：

∞ＩＤ年６月Ｊ宕日签字日期：

２汐／ｐ年∥月，粤日

摘要

Ｈ型钢切割装备作为Ｈ型钢专用加工设备，在海洋平台等大型框架结构建筑中得到广泛应用。

本文以在海洋石油工程（青岛）有限公司资金支持下由天津大学机械学院研制的三割炬Ｈ型钢切割装备为基础，对Ｈ型钢切割系统软件结构的构建进行研究，针对Ｈ型钢加工要求对切割机器人进行轨迹规划及优化，并讨论参

岫数化数控程序生成方法，取得的成果如下：

。

ｊ口分析了用户对于Ｈ型钢切割系统的功能需求，利用ＵＭＬ建立了用户案例，Ⅵ并从案例中抽象中关键域类，分别建立了用户界面和型钢切割过程的事件流

模型及其类图、顺序图和协作图。

然后讨论了ＣＯＭ组件技术的优势及其实现方法，最终构建出系统软件的组件图。

口介绍了Ｈ型钢坡口特点，以五自由度切割机器人为例构造数学模型，并进行

运动学正解和逆解分析。

将加工过程分成切割过程和辅助过程，对于切割过程在笛卡尔坐标下进行轨迹规划，对于辅助过程在关节空间进行轨迹规划，并利用基于精英保护策略的遗传算法对轨迹进行时间最短优化。

口对Ｈ型钢坡口进行了建模。

在增强用户体验的目的下，归纳出需要存取的数

据，并介绍了基于ＣＯＭ的数据库组件实现方法及ＳＱＬ在其中的应用。

建立了数据库ＣＯＭ组件。

讨论了双向链表的优点并利用其介绍了数控程序参数化生成方法。

口设计Ｈ型钢切割系统软件测试实验，验证了软件结构的合理性及本文结论的

正确性。

关键词：

Ｈ型钢切割，轨迹规划，组件设计，ＵＭＬ

●ＡＢＳＴＲＡＣＴＡｓｔｈｅｓｐｅｃｉａｌｅｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅＨ－ｂｅａｍｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，Ｈ—ｂｅａｍｃｕｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｐｏｐｕｌａｒｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｂｕｉｌｄｉｎｇｏｆｌａｒｇｅ—ｓｉｚｅｄｆｉ＇ａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＨ—ｂｅａｍｃｕｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｂｙｔｈｅｓｃｈｏｏｌｏｆｍｅｃｈａｎｉｃａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｏｆＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＯｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣＯ．，ＬＴＤ，ｗｅａｒｅａｉｍｅｄｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｓｏｔｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｉｔ，ｐｌａｎａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｒｏｂｏｔｓａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｃｒｅａｔｉｎｇｔｈｅｎｃｐｒｏｇｒａｍ．Ｗｅｈａｖｅｇｏｔｔｈｅｆｏｌｌｏｗｉｎｇｃｒｅａｔｉｖｅｗｏｒｋｄｏｎｅ：

口ＴｈｅｄｅｍａｎｄｓｆｏｒｔｈｅＨ－ｂｅａｍｃｕｔｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．ＷｉｔｈＵＭＬｔｈｅＵｓｅｃａｓｅｄｉａｇｒａｍｗａｓｂｕｉｌｔ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅＵＳｅｃａｓｅｄｉａｇｒａｍｔｈｅｃｌａｓｓｄｉａｇｒａｍ，ｓｅｑｕｅｎｃｅｄｉａｇｒａｍａｎｄｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｗｅｒｅｂｕｉｌｔｔｏｏ．ＴｈｅｎｔｈｅＣＯＭ’Ｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｄｉａｇｒａｍｗａｓｂｕｉｌｔａｔｌａｓｔ．口ＴｈｅＨ—ｂｅａｍｇｒｏｏｖｅｓ’ｃｈａｒａｃｔｅｒｓｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅｉｎｖｅｒｓｅａｎｄｆｏｒｗａｒｄｋｉｎｅｍａｔｉｃｍｏｄｅｌｗａｓａｎａｌｙｚｅｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅ５－ａｘｉｓｒｏｂｏｔｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ．Ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｗａｓｄｉｖｉｄｅｄｉｎｔｏｔｗｏｐａｒｔｓ：

ｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓａｎｄａｓｓｉｓｔｐｒｏｃｅｓｓ．ＴｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｏｆｔｈｅｃｕｔｔｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓＷａｓｐｌａｎｎｅｄｉｎｃａｒｔｅｓｉａｎｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓａｎｄｔｈｅａｓｓｉｓｔｐｒｏｃｅｓｓｉｎｊｏｉｎｔｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ．Ａｌｓｏｔｈｅｅｌｉｔｉｓｔ—ｐｒｏｔｅｃｔｅｄＧＡｗａｓｕｓｅｄｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｉｅｓ．口ＴｈｅＨ?

ｂｅａｍｇｒｏｏｖｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌＷａｓｂｕｉｌｔ．ＤａｔａｂａｓｅａｎｄＳＱＬｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｏｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｓｔｏｒｅｔｈｅｄａｔａａｎｄｔｏｅｎｈａｎｃｅｔｈｅｃｌｉｅｎｔｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅ．Ｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｄｏｕｂｌｅｌｉｎｋｅｄｌｉｓｔｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｈｏｗｔｏｃｒｅａｔｅｔｈｅｎｃｐｒｏｇｒａｍｗａｓｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．口ＴｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｕｓｅｄｔｏｔｅｓｔｓｏｆｔｗａｒｅＷａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄｗｉｔｈｗｈｉｃｈｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏＤＳｏｆｔｈｅＣＯｎｔｅｎｔｓｗｅｒｅｖｅｒｉｆｉｅｄ．

ＫＥＹＷＯＲＤＳ：

Ｈ．ｂｅａｍｃｕｔｔｉｎｇ，ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｐｌａｎｎｉｎｇ，Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｄｅｓｉｇｎ，ＵＭＬⅡ

目录

中文摘要…………………………………………………………………………．ＩＡＢＳＴＲＡＣＴ………………………………………………………………………………………………ＩＩ

第一章绪论……………………………………………………………………ｌ

１．１课题的提出及研究意义……………………………………………………ｌ１．２国内外研究状况…………………………………………………………。

３

１．２．１Ｈ型钢机器人切割装备……………………………………………．３１．２．２基于组件的软件开发………………………………………………．４１．２．３轨迹规划……………………………………………………………５１．３课题的研究内容…………………………………………………………．７

第二章基于组件的Ｈ型钢切割系统软件ＵＭＬ建模……………………………８

２．１弓Ｉ言………………………………………………………………………………………………．８２．２Ｈ型钢切割系统结构特点…………………………………………………８

２．２．１Ｈ型钢切割系统机械结构……………………………………………８２．２．２Ｈ型钢切割系统电气结构…………………………………………１０２．３基于组件的Ｈ型钢切割系统软件ＵＭＬ建模…………………………．１２

２．３．１Ｈ型钢切割过程分析………………………………………………１２２．３．２用户案例模型……………………………………………………。

１２２．３．３用户案例的事件流和类图………………………………………．．１２２．３．４顺序图和协作图…………………………………………………。

１５２．３．５状态转换图………………………………………………………．．１８２．３．６ＣＯＭ组件的实现…………………………………………………。

ｌ９２．４／』、结……………………………………………………………………………………………．．２１

第三章切割机器人运动学分析及轨迹规划……………………………………２２

３．１引言……………………………………………………………………………………………。

２２３．２Ｈ型钢切割工艺研究……………………………………………………一２２

３．２．１Ｈ型钢坡口类型特点………………………………………………２２３．２．２切割机器人工艺路径规划………………………………………。

２３３．３五自由度切割机器人建模及正运动学分析……………………………．２５

３．３．１数学模型建立……………………………………………………。

２５３．３．２正运动学分析………………………………………………………２７ＩＨ

３．４五自由度切割机器人逆运动学分析……………………………………．２８

３．４．１逆运动学分析………………………………………………………２８３．４．２逆运动学仿真………………………………………………………２９３．５轨迹规划…………………………………………………………………３０

３．５．１切割过程轨迹规划………………………………………………．．３０３．５．２基于时间最优的辅助过程轨迹规划………………………………３１３．６Ｍａｔｌａｂ编程仿真…………………………………………………………３７３．７小结……………………………………………………………………………………………。

３９

第四章系统软件数控加工程序生成方法………………………………………４０

４．１引言……………………………………………………………………………………………．．４０４．２Ｈ型钢坡口类型建模……………………………………………………。

４０

４．２．１Ｈ型钢的标准化……………………………………………………４０４．２．２Ｈ型钢坡口类型及其特点…………………………………………４１４．２．３坡口数学模型的建立……………………………………………一４２４．３基于ＣＯＭ的数据库组件建立…………………………………………．４５

４．３．１数据库与ＳＱＬ……………………………………………………．４５４．３．２数据库ＣＯＭ组件的建立…………………………………………４５４．３．３ＳＱＬ在数据组件的应用……………………………………………４８４．３．４数据存储…………………………………………………………。

４９４．４双向链表及数控程序生成………………………………………………４９４．５小结……………………………………………………………………………………………．．５２

第五章Ｈ型钢切割系统软件的测试和实验……………………………………．５３

５．１引言……………………………………………………………………………………………．．５３５．２实验条件及设备…………………………………………………………５３５．３实验内容…………………………………………………………………５４５．４小结……………………………………………………………………………………………．．５７

第六章结论与展望………………………………………………………………．５８

６．１结论……………………………………………………………………………………………．．５８６．２展望……………………………………………………………………………………………．．５８参考文献…………………………………………………………………………５９发表论文和参加科研情况说明…………………………………………………．．６３致｛射…………………………………………………………………………………………………．６４ＩＶ

第一章绪论

１．１课题的提出及研究意义

自动化成套装备一般指以机器人技术为核心，通过信息与网络技术将各种设备有机地组装成的大型生产线，是自动化技术的典型应用。

装备的自动化水平成为衡量一个国家制造力的重要标准【１】。

而装备的数控系统是影响自动化水平的关键【２】。

目前数控系统向开放式数控系统发展，开放式数控系统具有的可移植性、可互换性、可派生性、可扩展性、模块化等优点很好地解决了传统数控系统的封闭性、刚性，打破了传统数控系统的技术垄断，实现了资源共享，促进了自动化技术发剧引。

国外对于开放式数控系统的研究始于１９８１年，美国提出“下一代控制器”ＮＧＣ（Ｎｅ）（ｔＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＷｏｒｋｓｔａｔｉｏｎ／ＭａｃｈｉｎｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）计划１３１。

ｌ９９４年，美国通用、福特、克莱斯勒三大汽车公司启动了“开放式、模块化体系结构控制器”ＯＭＡＣ［４，５１计划。

欧洲也提出了“自动化控制体系中的开放式体系结构”ＯＳＡＣＡ【０１（ＯｐｅｎＳｙｓｔｅｍＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｗｉｔｈｉｎＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｙｇｅｍ）的概念。

国内对于开放式数控系统的研究也有较多成果。

具体可分为基于软件芯片的开放式数控系统【７】；

基于数字伺服现场总线技术的开放式数控系统【明；

基于Ｌｉｎｕｘ的开放式数控系统【９】：

基于ＷＩＮｇＸ／ＮＴ的开放式数控系统［１０，１１］。

图１．１海上石油钻井平台及桥梁数控系统向着开放式数控系统发展对应用软件的开发也提出了挑战，开放式

数控系统的特点对应用软件提出了多任务性、实时性和易升级维护性等要求，ＶＣ、Ｄｅｌｐｈｉ、Ｃ撑等高级语言的出现，实现了实时通讯可视化的人机交互功能，但此时的软件还不支持升级维护，意味着硬件的稍许更改或软件功能的添加，就要对整个系统进行编译，造成资金和时间浪费［１２，１３１。

软件工程学提出了软件复用的概念，软件复用指将软件看成是由不同功能的“组件”所组成的有机体【１４】。

软件复用的思想改变了软件开发的流程，缩短了开发周期，并且使软件易于维护。

作为软件开发的思路性工具ＵＭＬ（ＵｎｉｆｉｅｄＭｏｄｅｌｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅ）统一建模语言，是一种面向对象的建模语言，它的主要作用是帮助用户对软件系统进行面向对象的描述和建模（建模是通过将用户的业务需求影射为代码，保证代码满足这些需求，并能方便地回溯需求的过程），它可以描述这个软件开发过程从需求分析直到实现和测试的全过程，同时其对复用也有良好的支持【ｌ卯。

基于Ｈ型钢设计的大型结构框架，被广泛应用于各种建筑领域，如陆地或海上石油钻井平台、船体、大型超市和体育场馆、桥梁以及电视或通讯信号塔等，如图１－１示Ｉｌ引。

为了拼接精度，在框架搭建前往往需要在Ｈ型钢端头切出适合焊接的接头，比如在Ｈ型钢的一个腹板和两个翼板３个平面上完成：

切割直线、曲线、圆弧、工艺孔、坡口等。

在海洋工程大型钢结构上部模块的多层结构建造中，各种规格型钢搭接结构件的建造部分占到大型钢结构建造总工作量的７５％一８０％，其重量占到大型钢结构总重量的７０％左右。

对于Ｈ型钢的自动化切割装备国内外都做了较多研究。

目前切割装备大部分采用火焰切割ｆ１７＇１８】，采用将割炬固定在切割装备末端的形式。

现今市场上的Ｈ型钢自动化切割装备存在的主要问题：

单割炬切割，效率低下；

多割炬切割，割炬自由度不能满足要求。

为此，对于复杂坡口的仍要人工切割【１９】。

为此天津大学液压与数控技术研究所与海洋石油工程（青岛）有限公司合作，研制出带有结构光检测的三割炬Ｈ型钢双端自动切割系统，不但实现了多割炬，而且多自由度为各种坡口形状的切割提供保障。

怎样在较短的时间内针对以上切割系统开发软件系统，实现以往开发经验的复用，并为之后的产品化开发可复用组件［２０，２１］成为继硬件系统之后的重要研究内容。

轨迹规划也是开发切割系统中的重要研究内容，涉及具体加工要求，正确规划机器人在操作空间中的避障轨迹、速度和加速度，同时通过机器人模型求解关节变量进行插补计算，实现实时位置追踪。

通过遗传算法实现轨迹优化。

研究切割系统的软件可复用开发，轨迹规划，具有重要的理论意义和工程实用价值。

１．２国内外研究状况

１．２．１Ｈ型钢机器人切割装备

目前美国、日本、荷兰等国对于Ｈ型钢切割设备的研究已经有相当的成果，国外著名厂家的产品主要有：

荷兰ＫｒａｎｅｎｄｏｎｋＰｒｏｄｕｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓＢＶ生产的ＣｏｍｐａｃｔｃｕｒｉｎｇＣｅｌｌｔ２２１，采用单割炬火焰切割技术，它拥有Ｈ型钢尺寸误差检测补偿装置。

美国ＦＭＣ公司的生产型钢加工设备ＢＢＳＷｌ２３］系列，采用机械（锯条）切割方式，运用ＰＬＣ控制锯条的上下与倾斜运动。

同时其具有锯条保护装置，激光定位装置。

图１．２为ＣｏｍｐａｃｔｃｕｔｔｉｎｇＣｅｌｌ和ＢＢＳＷｌ２５０。

图１－２ＣｏｍｐａｃｔｃｕｔｔｉｎｇＣｅｌｌ和ＢＢＳＷ１２５０

图１－３美国ＡＭＴＥＫ公司的Ｈ型钢切割装备和日本大东精机株式会社产品

此外美国ＡＭＴＥＫ公司生产的Ｈ型钢加工设备能切割出一定数量坡口类型：

日本大东精机株式会社也研制了自己的型钢加工设备。

如图１．３示。

国内对于Ｈ型钢切割设备的研究也有诸多成果。

上海建设焊割机具厂自主研发的ＣＧｌ．２型Ｈ型钢切割机【２４Ｊ，它专用于切割Ｈ型钢、槽钢等，可进行斜线切割、开坡口等，其结构紧凑、装拆方便。

２００６年，广东海洋大学为中海油南海西部工程公司专门研制出一种Ｈ型钢端头数控火焰切割下料专用设备【２５１，主要采用直角坐标结构形式，能够实现三把割枪同时切割Ｈ型钢端头，但其机械结构刚性较差，切割类型较为单一，不能对Ｈ型钢两端头进行切割，且坡口角度调整只能手动调节为３０。

、４５。

和６０。

，使用上受到一定的局限性。

如图１．４示。

图１－４ＣＧｌ．２型Ｈ型钢切割机和』一东海洋大学Ｈ型钢切割机

１．２．２基于组件的软件开发

组件（Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）是具有一定功能的类的对象，是对外提供完备接口的合成单元，并且能够被独立运行并部署【２引。

组件具有自包含的属性，其内部构造和特征不可见【２７】。

ＥＪＢ、ＣＯＭ和ＣＯＲＢＡ等是主要的组件模型，其有利于大粒度组件的使用，在生产中，被广泛应用［２８１。

得益于组件技术的优势，诸多软件提供了对组件技术的支持，如Ａｕｔｏｄｅｓｋ公司的Ａｕｔｏｃａｄ软件对ＣＯＭ技术具有良好的支持性，这为自身提供了功能多样的二次开发能力［２９－３２］。

基于组件的软件开发极大的促进了软件复用技术的发展。

传统的软件开发过程，如瀑布模型，按照软件生命周期，从需求分析到设计、编码、测试、发布直至维护，分阶段地进行开发，这种过程开发周期长，软件难维护和升级，而基于组件的开发过程则在需求分析的基础上，首先考虑现有的组件，从这些组件中查找、选择出合适的组件，或直接创建新的组件，然后通过适配组装成新的系统，在维护阶段通过替换具有相同接口的组件来实现软件的更新【１４１。

二者开发过程如图１．５示。

组件克服了类的一些缺点，已经成为最重要的软件复用实现技术，Ｉｖａｒ４

Ｊａｅｏｂｓｏｎ等人认为组件推动着应用系统开发的革命【３３】。

Ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ母ＤｅｓｉｇｎＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ

１Ｈ］吐）ＴｅｓｔＲｅｌｅａｓｅＭａｉｎｔａｉｎａｎｃｅ

—．一

３Ｃｒｅａｔｅ

图１．５瀑布模型和ＣＢＳＤ组装模型比较

将软件复用思想用于数控软件的开发成为当前研究的热点。

易凡，徐华等提出了开放式工业自动化控制系统的软件框架ＯＣＳＩＡ，它从低到高依次为基础驱动层、核心控制层和监管应用层，属于最高层次设计模式【３４】。

ＯＣＳＩＡ总体层次如图１－６。

ＯＣＳＩＡ

软件框架

图１－６ＯＣＳＩＡ总体层次图

１．２．３轨迹规划

在切割机器人起点和终点之间用曲线来“逼近”或“内插”给定的路径，并沿时间轴选取一系列控制点，供切割机器人控制之用的方法称为轨迹规划。

轨迹规划可以在关节空间进行，也可以在笛卡尔空间进行，无论采用哪种方法，都要保证轨迹平滑连续，机械臂运动平裂”Ｊ。

此时常采用的方法有样条函数、多项式法等。

非均匀有理Ｂ样条对所有的样条函数都有统一的表达式，而得以广泛应用，但是它的表达式复杂【３引。

Ｌｉｎ用三次样条曲线规划机器人轨迹，但当控制点增加时，计算量增大迅速【３刨。

多项式插

值方法比较常用，但是其系数较多，求解繁琐，精度不高。

在规划的同时为了优化某些性能，机器人某些性能优化指标成为轨迹规划一个重要方面。

系统能量最优和时间最优是常见的指标。

目前，对于时间最优的轨迹优化问题研究较多。

ＶｏｌｐｅＲ等人在考虑了机器人速度、加速度、加加速度的约束后，使用高次多项式曲线通过空间控制点来得到预想的轨迹，但是由于算法搜索的局限，结果受初始条件影响很大【３７１。

遗传算法是近年发展的一种新型参数优化方法，Ｒｕｄｏｌｐｈ等人提出了用它进行轨迹规划，对于遗传算法在轨迹规划中的应用［３８，３９１，Ｓ．Ｒａｍａｂａｌａｎｔ等人针对有障碍的时间最优轨迹规划对多目标优化算法ＮＳＧＡ．ＩＩ和ＭＯＤＥ进行了比较，在进行关键点插值时，同样在考虑了速度、加速度及加加速度的条件下，使用三次样条连接各关键点，得到的轨迹，速度平滑，加速度连续，满足轨迹规划要求【４０１。

如图１．７示，为基于精英保护策略的遗传算法流程图，与普通遗传算法相比，增加查找替换适应度最差个体的过程。

并且普通遗传算法是不收敛的，而基于精英保护策略的遗传算法是全局收敛的【４ｌ】。

害

图１．７基于精英保护策略的遗传算法流程图

基于精英保护策略的遗传算法主要步骤如下：

１、确定目标函数：

确定待优化变量，并找出变量约束，优化指在解空间中找到一组解，使目标函数最小或最大。

２、确定编码方式、适应度函数；

确定选择策略、杂交算子与变异算子。

３、精英个体的保护［４２，４３］。

在经过杂交和变异操作后的群体中搜索适应度最差个体，用上一代的最优个体替换掉目前群体中搜索到的最差个体（替换个体要根据群体中个体数量而定）。

这样遗传算法就得到了一个新的种群。

针对新种群，重复上面的过程，直至

６

第一‘章绪论

满足预设的收敛条件，就可以得到需要的结果。

１．３课题的研究内容

在海洋石油工程（青岛）有限公司的资金支持下，天津大学已经设计制造出Ｈ型钢切割系统的工程样机，并通过专家组验收。

本文旨在研究Ｈ型钢切割系统软件，以实现软件组件化、操作自动化、程序参数化等。

本文利用ＵＭＬ对系统软件进行建模，并实现软件组件化；

对切割机器人的运动学正解及逆解进行分析，然后进行轨迹规划，并利用基于精英保护策略的遗传算法对轨迹进行优化；

分析切割系统加工过程，对加工程序生成方法进行研究，提出参数化编程。

全文内容编排如下：

第一章阐述课题的研究背景和意义，综述国内外相关领域的研究成果以及存在的问题，提出主要研究内容。

第二章综合分析Ｈ型钢切割系统软件功能和功能划分，提出构成软件关键部分的类。

然后利用ＵＭＬ（ＵｎｉｆｉｅｄＭｏｄｅｌｉｎｇＬａｎｇｕａｇｅ）的案例图、类图、顺序图、协作图、状态转换图对软件建模，最终建立软件组件图。

第三章分析切割机器人结构，结合Ｈ型钢加工特点。

构建切割机器人数学模型，并对其运动学正解、逆解进行分析，在模型基础上对切割机器人进行轨迹规划。

第四章分析Ｈ型钢坡口特点，对坡口进行建模，提出参数加工程序生成方法，并阐述利用到的数据库、链表技术。

第五章介绍Ｈ型钢切割系统软件的测试和实验，验证软件体系结构的正确性。

第六章课题的结论与展望。

第二章基于组件的Ｈ型钢切割系统软件ＵＭＬ建模

２．１引言

要想设计开发出好的型