數控強化研磨噴射路徑自動生成系統的開發*

盧永焰，陳燦平，黃宇星，覃鎮波，陶建華（廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州　510006）

數控強化研磨噴射路徑自動生成系統的開發*

盧永焰，陳燦平，黃宇星，覃鎮波，陶建華
（廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州510006）

摘要：為解決當前強化研磨設備加工過程中研磨時間長，自動化程度低、勞動強度大等問題，建立了數控強化研磨噴射路徑自動生成系統。文章先從原理上闡述強化研磨加工方法對工件表面質量的影響，然后介紹了在Visual Basic上運用PowerMill的二次開發功能，結合模塊化理念進行開發的方法，并著重介紹HUST數控系統后處理器的制作過程。實例研究結果表明通過設定強化研磨相關工藝參數，該系統能夠自動生成滿足工藝要求的噴射路徑，產生相應G代碼，提高加工效率。

關鍵詞：強化研磨；二次開發；噴射路徑

*廣州市科技計劃項目（編號：2013J4300009）；國家級大學生創新訓練項目（編號：201411078015）

0　引言

強化研磨技術是一種基于復合加工方法的使金屬材料具有抗疲勞、抗腐蝕、抗磨損特性的精密加工技術，集強化塑性加工和研磨微切削于一體的“強化研磨加工”新方法[1]，具有耗能少，成本低，效益高等優點。強化研磨技術的工作原理是通過噴頭把混有強化鋼丸的高壓射流與工件表面進行隨機等概率碰撞。其中噴丸使其表面層發生彈塑性變形，并產生殘余壓應力，同時，噴丸對工件表面進行初次磨削；研磨粉在高壓作用下與工件表面產生橫向作用力，對工件表面進行微切削；并伴隨有強化液的懸浮、冷卻、清洗及潤滑等一系列復雜作用，能夠對模具表面進行強化和研磨，從而提高模具的強度和耐磨性。針對當前強化研磨設備存在著如研磨時間長，勞動強度大等問題，設計一款適用于強化研磨加工方法的數控設備。

數控強化研磨設備是在數控自動化生產技術與強化研磨新方法結合的基礎上，以提高強化研磨加工效率和加工精度為目的的自動化設備。該設備以HUST控制器作為控制核心，內置PLC，提供了良好的PLC編程環境——HUST PLC-Editor。該控制系統接收導入到控制器中的數控CNC程序，然后對高壓噴頭的運動軌跡進行控制。

1　系統開發

1.1PowerMill簡介

PowerMill是英國Delcam公司開發的一款基于Windows平臺的、面向工藝特征的、符合工程化概念的新一代數控加工編程軟件系統，它功能強大，提供了十分豐富的刀具路徑生成策略，包括高效粗加工、高速精加工和自動避讓五軸加工等智能加工策略，可快速、準確地生成，能最大限度發揮CNC數控機床生產效率的，無過切的粗加工和精加工刀具路徑，確保生產出高質量的零件和工模具[2]。

PowerMill軟件平臺為編程人員二次開發提供了兩種方式：（1）Visual Basic；（2）宏指令。利用VB與宏指令結合使用的方式可以實現數控加工的自動編程。本系統開發在VB.net與PowerMill平臺下實現，但是要實現兩者連接，必須先加載PowerSolutionDOTNetOLE.dll作為開發控件，才能在VB.net程序中調用PowerSolutionDOTNetOLE.dll的相關函數[3]。

1.2數控強化研磨噴射路徑自動生成系統的建立

主要針對新研發的數控強化研磨機，開發出能夠適應噴射軌跡自動生成的軟件系統，并對基本樣件加工生成噴射路徑和模擬仿真。開發過程如下：

（1）研究強化研磨精密加工技術的原理和噴頭噴射加工過程與相關工藝。根據已有實驗得出的數據結論，了解影響強化研磨加工質量的因素有：噴射壓力、噴射速度、噴射距離等，利用以上結論來分析并設置本系統人機交互界面的輸入參變量。

（2）研究PowerMill提供的加工策略，與數控強化研磨噴射路徑相對比，建立符合強化研磨設備的噴射路徑。PowerMill本身自帶的刀具路徑策略有2～2.5維加工、三維粗精加工和其他特種加工方式。發現2維平面銑削的刀具路徑與設定的強化研磨噴射路徑十分相似，因此在PowerMill平面銑削策略的基礎上，研究強化研磨噴射路徑。

（3）利用PM-Post自帶的特定系統NC程序格式選項文件定制后處理器。定制適用于特定控制器的后處理器是實現自動編程的關鍵一步。

2　噴射路徑自動生成系統的功能與界面規劃

2.1系統功能的確定

圖1為噴射系統的工作流程圖，該系統開發采用模塊化理念，將本系統分為三個模塊：批量重命名模塊、噴射路徑生成模塊、繼承已有噴射路徑模塊和代碼自動生成模塊。

圖1　噴射系統工作流程

（1）批量重命名模塊

強化研磨噴射路徑影響因素眾多，任何一個參數修改都會對新生成的噴射路徑產生影響，在刀路數量過多情況下，容易造成刀路名混亂，因此對于眾多新生成的路徑要對其批量重新命名為一個編程人員容易理解的噴射路徑名，而且可以方便編程人員作后續修改。

（2）噴射路徑生成模塊

該模塊主要是基于PowerMill提供的二維面銑削刀具路徑策略，利用Print Formvalue命令提取面銑削界面的相關參數，結合強化研磨實際加工中的相關工藝參數來設定。

（3）繼承已有噴射路徑模塊

對于已經生成的噴射路徑，在下一次生成的時候可以利用上一次生成噴射路徑的相關參數而無需再一次設定相關參數，這樣有助于提高加工效率。

（4）代碼自動生成模塊

后處理完成后，使用PowerMill中的宏功能，錄制加載后處理文件的過程，通過PowerSolution?DOTNetOLE.dll的Execute函數，開發噴射G代碼自動生成模塊。

2.2界面參數介紹

圖2是本噴射路徑自動生成系統噴射路徑生成模塊的部分參數設置，結合強化研磨噴射加工的相關工藝參數，對部分工藝參數進行如下介紹。

圖2　噴射路徑部分參數設置

噴射范圍：面Z位置是指噴頭下降到的最低平面的最對坐標的Z值；XY延伸是把噴頭的加工范圍延伸，保證加工區域的表面質量。

保存試驗時間2014年9月9日至2015年1月14日。保存試驗材料，按D配方生產羊全混合顆粒飼料D1～D3，D1、D2在湖北天越牧業有限公司羊場采用平模制粒，D1直接冷制粒（KL-150型顆粒機，壓縮比6∶1）；D2冷制粒（KL-150型顆粒機，壓縮比4.7∶1），適當加水調質（由少到多逐漸增加水分）到成型效果良好，眼觀不到明顯粉料。D3委托羊場周邊某規模飼料廠制粒（年單班產量10萬噸以上，420型環模制粒機，蒸汽調質）。選擇育肥豬商品料D4(與D3加工方式相同)和某公司送場試用的全混合顆粒飼料D5(加工方式不清楚)作對照。

噴射數據：噴射路徑角度是指噴射路徑與工件的角度；噴頭安全角度指噴頭每次加工完成返回的Z值；噴射深度是指噴頭縱向移動的相對距離，其中噴射深度與縱向噴射步距決定了噴射加工的次數。

3　后處理

用PM-Post的安裝目錄自帶的各種數控系統的NC程序格式選項文件，可以定制出特定系統的后處理文件。表1是HUST控制系統的部分G指令碼，由于HUST系統跟FANUC系統在代碼指令上十分相似，同時數控強化研磨機為3軸控制，因此能夠基于FANUC系統的三軸機床的后處理文件進行HUST后處理器的開發。

表1　HUST控制系統部分G指令碼[4]

在PM-Post中，后處理器的程序開發過程如下。

（1）程序頭

選取任務樹中的HUST.pmopt-命令-Start Pro?gram項，選取右邊圖形窗口中強化研磨加工程序中不需要的部分，點擊上方刪除圖標將其刪除。例如程序段“G91G28X0Y0Z0”等。

（2）程序尾

選取任務樹中的HUST.pmopt-命令-Finish Program項，刪除程序尾中的“G91G28Z0”和“G28X0Y0”機床回參考點選項。

由于強化研磨采用噴頭進行加工，加工質量（例如表面粗糙度）主要取決于噴射壓力，因此不需要換刀程序。右鍵點擊“Load First Tool”和“Change Tool”，在快捷鍵中選中“Deacti?vate”以關閉換刀程序。

（4）關閉第4軸

數控強化研磨機采用3軸控制，因此需要在任務樹窗口中的“HUST.pmopt-設置-機床運動學”項目中把運動模式選擇為3軸。

（5）刪除各種注釋

刪除程序頭部分、換刀部分等的注釋。

（6）設定行號

選取任務樹中的“HUST.pmopt-設置-全局常數”選項，將圖形窗口中“輸出行號”的值設置為Yes以顯示行號。“行號增量”默認值為10，可根據需要自行修改。

圖3　PM-Post的編輯窗口

通過以上對比PM-Post自帶的后處理文件“FANUC.pmopt”，重新定制的HUST.pmopt程序代碼更加簡潔和高效，同時符合系統的要求；對于制作完成后的HUST后處理文件，需要結合Power?mill自帶的宏錄制功能，在選擇機床選項文件的時候選擇HUST.pmopt文件，結合VB.net進行調用，每次調用，都會使用HUST.pmopt后處理文件，這樣強化研磨生成的噴射路徑刀路文件就可以經后處理器自動高效地生成加工所需的G代碼[5]。

4　噴射系統實例測試

以下是本實例涉及的相關參數設定：工件大小140 mm×80 mm×10 mm，噴頭內徑?8，公差0.01，徑向噴射步距3.5，縱向噴射步距5，面Z位置20，XY延伸5，噴射路徑角度0°，噴射安全角度40，噴射深度20。將以上參數輸入圖2界面，點擊自動生成按鈕，便可自動生成圖4的噴射路徑，通過檢查噴射路徑，發現自動生成的噴射路徑正確；便可通過制作的HUST系統后處理器，快速地輸出G代碼進行數控強化研磨加工。

圖4　噴施路徑實例

5　結束語

（1）建立了由計算機、數控強化研磨設備組成的自動強化研磨系統，實現了噴射刀路的自動生成和強化研磨加工。

（2）實現了HUST控制系統后處理器的制作，對于用該系統的設備進行刀路文件的后處理具有較大作用。

（3）該系統可為強化研磨工藝參數的研究實驗提供軟件系統的支持，提高強化研磨加工效率，并且對于實際模具的批量精加工也有很大的參考價值。

參考文獻：

［1］陶建華，包佑文，劉華，等.強化研磨加工中噴射壓力對工件表面粗糙度的影響［J］.軸承，2013（11）：30-33.

［2］楊書榮，趙炎，梁恒.PowerMill數控編程應用教程—基礎篇［M］.北京：機械工業出版社，2013.

［3］何軒.PowerMill二次開發教程［Z］.廣州市德慷軟件有限公司，2012.

［4］HUST H6數控器操作手冊［Z］.億圖實業股份有限公司，2009.

［5］廖海平，曾翠華.基于PowerMILL的后處理及其設置方法［J］.制造技術與機床，2007（08）：114-117.

(編輯：向飛)

The Development of Automatic Generation System of Strengthening and Polishing Jet Path

LU Yong-yan，CHEN Can-ping，HUANG Yu-xing，QIN Zhen-bo，TAO Jian-hua
（Institute of Mechanical and Electrical，Guangzhou University，Guangzhou510006，China）

Abstract:When there is many problems of the current strengthening and polishing equipment，such as long grinding time，low degree of automation and high labor intensity，should be thought about; thus this paper developed numerical control strengthening and polishing Jet path automatic generation system.Firstly this paper elaborated from the principle of strengthening and polishing effect on the quality of the workpiece surface，and then introduced the application of the two secondary development function of PowerMill on the Visual Basic，combined with the method of modular concept for development，and emphatically introduced the production process of HUST postprocessor.The results of the example indicate that the system can automatically generate the jet path meeting process requirements，generate the corresponding G code，and improve processing efficiency by setting the related strengthening and polishing parameters.

Key words:strengthening and polishing；secondary development；jet path

通訊作者：陶建華，男，1965年生，湖南人，碩士，副教授。研究領域：強化研磨加工、數控技術。

作者簡介：第一盧永焰，男，1992年生，廣東廣州人，碩士研究生。研究領域：數字化設計與制造。

收稿日期：2015－06－17

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.039

中圖分類號：TH164

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 (2015 ) 08－0137－04