数控强化研磨喷射路径自动生成系统的开发*

卢永焰，陈灿平，黄宇星，覃镇波，陶建华（广州大学机械与电气工程学院，广东广州　510006）

数控强化研磨喷射路径自动生成系统的开发*

卢永焰，陈灿平，黄宇星，覃镇波，陶建华
（广州大学机械与电气工程学院，广东广州510006）

摘要：为解决当前强化研磨设备加工过程中研磨时间长，自动化程度低、劳动强度大等问题，建立了数控强化研磨喷射路径自动生成系统。文章先从原理上阐述强化研磨加工方法对工件表面质量的影响，然后介绍了在Visual Basic上运用PowerMill的二次开发功能，结合模块化理念进行开发的方法，并着重介绍HUST数控系统后处理器的制作过程。实例研究结果表明通过设定强化研磨相关工艺参数，该系统能够自动生成满足工艺要求的喷射路径，产生相应G代码，提高加工效率。

关键词：强化研磨；二次开发；喷射路径

*广州市科技计划项目（编号：2013J4300009）；国家级大学生创新训练项目（编号：201411078015）

0　引言

强化研磨技术是一种基于复合加工方法的使金属材料具有抗疲劳、抗腐蚀、抗磨损特性的精密加工技术，集强化塑性加工和研磨微切削于一体的“强化研磨加工”新方法[1]，具有耗能少，成本低，效益高等优点。强化研磨技术的工作原理是通过喷头把混有强化钢丸的高压射流与工件表面进行随机等概率碰撞。其中喷丸使其表面层发生弹塑性变形，并产生残余压应力，同时，喷丸对工件表面进行初次磨削；研磨粉在高压作用下与工件表面产生横向作用力，对工件表面进行微切削；并伴随有强化液的悬浮、冷却、清洗及润滑等一系列复杂作用，能够对模具表面进行强化和研磨，从而提高模具的强度和耐磨性。针对当前强化研磨设备存在着如研磨时间长，劳动强度大等问题，设计一款适用于强化研磨加工方法的数控设备。

数控强化研磨设备是在数控自动化生产技术与强化研磨新方法结合的基础上，以提高强化研磨加工效率和加工精度为目的的自动化设备。该设备以HUST控制器作为控制核心，内置PLC，提供了良好的PLC编程环境——HUST PLC-Editor。该控制系统接收导入到控制器中的数控CNC程序，然后对高压喷头的运动轨迹进行控制。

1　系统开发

1.1PowerMill简介

PowerMill是英国Delcam公司开发的一款基于Windows平台的、面向工艺特征的、符合工程化概念的新一代数控加工编程软件系统，它功能强大，提供了十分丰富的刀具路径生成策略，包括高效粗加工、高速精加工和自动避让五轴加工等智能加工策略，可快速、准确地生成，能最大限度发挥CNC数控机床生产效率的，无过切的粗加工和精加工刀具路径，确保生产出高质量的零件和工模具[2]。

PowerMill软件平台为编程人员二次开发提供了两种方式：（1）Visual Basic；（2）宏指令。利用VB与宏指令结合使用的方式可以实现数控加工的自动编程。本系统开发在VB.net与PowerMill平台下实现，但是要实现两者连接，必须先加载PowerSolutionDOTNetOLE.dll作为开发控件，才能在VB.net程序中调用PowerSolutionDOTNetOLE.dll的相关函数[3]。

1.2数控强化研磨喷射路径自动生成系统的建立

主要针对新研发的数控强化研磨机，开发出能够适应喷射轨迹自动生成的软件系统，并对基本样件加工生成喷射路径和模拟仿真。开发过程如下：

（1）研究强化研磨精密加工技术的原理和喷头喷射加工过程与相关工艺。根据已有实验得出的数据结论，了解影响强化研磨加工质量的因素有：喷射压力、喷射速度、喷射距离等，利用以上结论来分析并设置本系统人机交互界面的输入参变量。

（2）研究PowerMill提供的加工策略，与数控强化研磨喷射路径相对比，建立符合强化研磨设备的喷射路径。PowerMill本身自带的刀具路径策略有2～2.5维加工、三维粗精加工和其他特种加工方式。发现2维平面铣削的刀具路径与设定的强化研磨喷射路径十分相似，因此在PowerMill平面铣削策略的基础上，研究强化研磨喷射路径。

（3）利用PM-Post自带的特定系统NC程序格式选项文件定制后处理器。定制适用于特定控制器的后处理器是实现自动编程的关键一步。

2　喷射路径自动生成系统的功能与界面规划

2.1系统功能的确定

图1为喷射系统的工作流程图，该系统开发采用模块化理念，将本系统分为三个模块：批量重命名模块、喷射路径生成模块、继承已有喷射路径模块和代码自动生成模块。

图1　喷射系统工作流程

（1）批量重命名模块

强化研磨喷射路径影响因素众多，任何一个参数修改都会对新生成的喷射路径产生影响，在刀路数量过多情况下，容易造成刀路名混乱，因此对于众多新生成的路径要对其批量重新命名为一个编程人员容易理解的喷射路径名，而且可以方便编程人员作后续修改。

（2）喷射路径生成模块

该模块主要是基于PowerMill提供的二维面铣削刀具路径策略，利用Print Formvalue命令提取面铣削界面的相关参数，结合强化研磨实际加工中的相关工艺参数来设定。

（3）继承已有喷射路径模块

对于已经生成的喷射路径，在下一次生成的时候可以利用上一次生成喷射路径的相关参数而无需再一次设定相关参数，这样有助于提高加工效率。

（4）代码自动生成模块

后处理完成后，使用PowerMill中的宏功能，录制加载后处理文件的过程，通过PowerSolution⁃DOTNetOLE.dll的Execute函数，开发喷射G代码自动生成模块。

2.2界面参数介绍

图2是本喷射路径自动生成系统喷射路径生成模块的部分参数设置，结合强化研磨喷射加工的相关工艺参数，对部分工艺参数进行如下介绍。

图2　喷射路径部分参数设置

喷射范围：面Z位置是指喷头下降到的最低平面的最对坐标的Z值；XY延伸是把喷头的加工范围延伸，保证加工区域的表面质量。

保存试验时间2014年9月9日至2015年1月14日。保存试验材料，按D配方生产羊全混合颗粒饲料D1～D3，D1、D2在湖北天越牧业有限公司羊场采用平模制粒，D1直接冷制粒（KL-150型颗粒机，压缩比6∶1）；D2冷制粒（KL-150型颗粒机，压缩比4.7∶1），适当加水调质（由少到多逐渐增加水分）到成型效果良好，眼观不到明显粉料。D3委托羊场周边某规模饲料厂制粒（年单班产量10万吨以上，420型环模制粒机，蒸汽调质）。选择育肥猪商品料D4(与D3加工方式相同)和某公司送场试用的全混合颗粒饲料D5(加工方式不清楚)作对照。

喷射数据：喷射路径角度是指喷射路径与工件的角度；喷头安全角度指喷头每次加工完成返回的Z值；喷射深度是指喷头纵向移动的相对距离，其中喷射深度与纵向喷射步距决定了喷射加工的次数。

3　后处理

用PM-Post的安装目录自带的各种数控系统的NC程序格式选项文件，可以定制出特定系统的后处理文件。表1是HUST控制系统的部分G指令码，由于HUST系统跟FANUC系统在代码指令上十分相似，同时数控强化研磨机为3轴控制，因此能够基于FANUC系统的三轴机床的后处理文件进行HUST后处理器的开发。

表1　HUST控制系统部分G指令码[4]

在PM-Post中，后处理器的程序开发过程如下。

（1）程序头

选取任务树中的HUST.pmopt-命令-Start Pro⁃gram项，选取右边图形窗口中强化研磨加工程序中不需要的部分，点击上方删除图标将其删除。例如程序段“G91G28X0Y0Z0”等。

（2）程序尾

选取任务树中的HUST.pmopt-命令-Finish Program项，删除程序尾中的“G91G28Z0”和“G28X0Y0”机床回参考点选项。

由于强化研磨采用喷头进行加工，加工质量（例如表面粗糙度）主要取决于喷射压力，因此不需要换刀程序。右键点击“Load First Tool”和“Change Tool”，在快捷键中选中“Deacti⁃vate”以关闭换刀程序。

（4）关闭第4轴

数控强化研磨机采用3轴控制，因此需要在任务树窗口中的“HUST.pmopt-设置-机床运动学”项目中把运动模式选择为3轴。

（5）删除各种注释

删除程序头部分、换刀部分等的注释。

（6）设定行号

选取任务树中的“HUST.pmopt-设置-全局常数”选项，将图形窗口中“输出行号”的值设置为Yes以显示行号。“行号增量”默认值为10，可根据需要自行修改。

图3　PM-Post的编辑窗口

通过以上对比PM-Post自带的后处理文件“FANUC.pmopt”，重新定制的HUST.pmopt程序代码更加简洁和高效，同时符合系统的要求；对于制作完成后的HUST后处理文件，需要结合Power⁃mill自带的宏录制功能，在选择机床选项文件的时候选择HUST.pmopt文件，结合VB.net进行调用，每次调用，都会使用HUST.pmopt后处理文件，这样强化研磨生成的喷射路径刀路文件就可以经后处理器自动高效地生成加工所需的G代码[5]。

4　喷射系统实例测试

以下是本实例涉及的相关参数设定：工件大小140 mm×80 mm×10 mm，喷头内径ϕ8，公差0.01，径向喷射步距3.5，纵向喷射步距5，面Z位置20，XY延伸5，喷射路径角度0°，喷射安全角度40，喷射深度20。将以上参数输入图2界面，点击自动生成按钮，便可自动生成图4的喷射路径，通过检查喷射路径，发现自动生成的喷射路径正确；便可通过制作的HUST系统后处理器，快速地输出G代码进行数控强化研磨加工。

图4　喷施路径实例

5　结束语

（1）建立了由计算机、数控强化研磨设备组成的自动强化研磨系统，实现了喷射刀路的自动生成和强化研磨加工。

（2）实现了HUST控制系统后处理器的制作，对于用该系统的设备进行刀路文件的后处理具有较大作用。

（3）该系统可为强化研磨工艺参数的研究实验提供软件系统的支持，提高强化研磨加工效率，并且对于实际模具的批量精加工也有很大的参考价值。

参考文献：

［1］陶建华，包佑文，刘华，等.强化研磨加工中喷射压力对工件表面粗糙度的影响［J］.轴承，2013（11）：30-33.

［2］杨书荣，赵炎，梁恒.PowerMill数控编程应用教程—基础篇［M］.北京：机械工业出版社，2013.

［3］何轩.PowerMill二次开发教程［Z］.广州市德慷软件有限公司，2012.

［4］HUST H6数控器操作手册［Z］.亿图实业股份有限公司，2009.

［5］廖海平，曾翠华.基于PowerMILL的后处理及其设置方法［J］.制造技术与机床，2007（08）：114-117.

(编辑：向飞)

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

通讯作者：陶建华，男，1965年生，湖南人，硕士，副教授。研究领域：强化研磨加工、数控技术。

作者简介：第一卢永焰，男，1992年生，广东广州人，硕士研究生。研究领域：数字化设计与制造。

收稿日期：2015－06－17

DOI:10.3969/j.issn.1009-9492.2015.08.039

中图分类号：TH164

文献标识码：A

文章编号：1009－9492 (2015 ) 08－0137－04