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[摘 要]基于CATIA V5软件运动模拟模块，通过对自动化喷丸加工系统的三维建模，设计了一种喷丸加工可视化平台，为喷丸数字化制造提供了一种有效便捷的工艺设计及管理工具，并在喷丸生产中进行了实际应用，缩短了新零件的生产周期，提高了喷丸零件质量的可控性。
[关键词]自动化喷丸 CATIA 可视化管理 数字化制造
中图分类号：TM863 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0361-01
1 、引言
喷丸是通过大量高速弹丸球撞击金属零件表面，使材料表面发生塑性变形，形成残余压应力场，从而改变零件内外部的应力分布状态及表层组织结构[1]。喷丸在航空、造船、汽车、兵器等行业都有着广泛的应用，其中喷丸强化可以提高金属的疲劳强度，而喷丸成形已发展为机翼整体壁板的主要加工手段之一。
喷丸作为一种特种工艺，需要对其工艺实施全过程进行有效控制，以保证零件的表面应力状态及组织结构达到设计要求。随着自动化喷丸相关的工艺技术与数控设备不断发展与完善，生产过程就需求一种更加高效的可视化管理方法进行质量控制[2]。
隨着数控机床和工程软件行业的发展，许多数控机床都实现了依据数模的加工轨迹可视化功能，并在数控加工、喷漆、3D打印等领域实现了工程应用。国外喷丸企业也研发了可视化计算模拟软件，实现了自动化生产与离线编程等功能[3]，但此类软件成本高，生产应用局限性大。随着零件数模的应用，利用CATIA软件，实现喷丸工艺可视化设计及离线编程具有一定的工程意义和应用价值。
2、 喷丸加工可视化平台设计
基于CATIA软件的喷丸加工可视化平台，其主要目的是实现弹丸流相对零件运动轨迹的可视化，这就需求喷丸加工系统的三维模型，再通过特定的装配与约束关系，使零件与喷丸加工系统模型的相对运动可视化。
2.1 喷丸加工系统的模型设计
自动化喷丸设备主要系统包括多轴联动数控平台、弹丸筛选循环系统、空气循环系统、气压流量监测装置等，就实现可视化而言则需对其简化，仅需保留直接与零件接触或相对运动的结构。模型设计基于喷丸间的实际测量尺寸，按1：1的比例还原相关结构，包括工作平台及其定位孔、喷丸嘴及其定位固定工装等，同时简化对可视化没有影响的其他部分，包括喷丸间墙壁及地面、运动导轨等。
设备模型分为三部分，包括喷丸间、工作台以及喷丸主轴模型。喷丸间模型包括了喷丸间的地面、工作台导轨及喷丸间顶棚。工作台模型为喷丸加工时放置及定位零件的平台，按实际情况还原了平台上的定位孔尺寸及位置。喷丸主轴模型按实际情况还原了喷嘴的固定及定位工装。同时还有一些辅助模型，如“喷丸区域”模型，是沿喷嘴出口向外拉伸出的柱面，一般为200mm至250mm，用来模拟喷丸的有效距离。
2.2 喷丸加工可视化方法
喷丸加工系统与零件空间位置的可视化是基于CATIA装配功能实现，而加工中相对运动可视化是基于CATIA运动模块。此模块位于“数字化装配”中的“DMU运动机构”，主要涉及的功能有“运动接合点”、“固定零件”、“装配约束转换”、“分析机械装置”及“模拟”等。
其中“运动接合点”功能主要是基于装配文件，将各个具有相对运动关系的组件进行约束，例如，相对旋转的组件可以沿特定的轴线进行“旋转结合”。同时，不运动的组件可以进行“固定零件”。除了以上在“运动机构”模块中手动对运动接合点进行设定外，还可以利用“装备约束转换”功能，将装配文件中已有的约束转换成运动接合点。在完成运动接合点及相关运动命令的设定后，可以通过“分析机械装置”功能对设定的自由度进行分析，最后通过“模拟”功能对各组件的可控相对运动进行仿真模拟。
3、 可视化平台的生产应用
应用喷丸加工可视化平台的流程如3-1所示。
以五坐标自动化喷丸设备的运动接合点约束为例，其运动命令共有5个，其中“菱形结合”3个，“旋转结合”2个，分别模拟设备X、Y、Z、A及B轴的运动，同时添加“驱动”命令，使五轴运动为主动的可控运动，其他加工系统组件运动为从动运动，并设置各轴运动行程。在完成运动接合点及运动驱动设置后，对此机械装置进行分析，若“带有命令时的自由度”为0，则表明此运动结构可以进行仿真模拟。
根据零件喷丸加工方案及固定位置，确定设备在喷丸加工中的各轴位置及相应坐标，利用仿真功能中的“编辑模拟”及“运动模拟”，调节五轴驱动命令的坐标值，则可实现对不同喷丸加工位置的模拟。同时在调节至恰当的加工位置时，可插入零件与喷丸加工系统的相对位置帧。在确定完所有典型喷丸加工位置后，可对整个加工过程进行模拟运行，并生成数控程序。将此可视化平台的实施方法，在铰链类零件喷丸强化生产中进行应用，基本满足了喷丸加工的相关技术要求，验证了喷丸加工可视化平台的可行性和实用性。
4、 结束语
加工路径是喷丸强化工艺过程的重点，基于CATIA的喷丸加工可视化平台，通过喷丸加工系统及零件的三维模型，模拟了喷丸加工轨迹，既为生产前的工艺设计及离线编程提供手段，也为喷丸生产中的质量控制提供支持。同时，由于其与零件模型较好的兼容性与交互性，适用于多样的喷丸生产需求。该平台改善了工艺准备及生产加工的流程，提高了质量可控性，为喷丸加工提供了一种可视化管理方法。
参考文献
[1] 宋颖刚，高玉魁，陆峰.TC21合金喷丸强化后表面强化层组织与性能变化[J].航空材料学报，2010，30（2）：40-44.
[2] 张咏红，杨小民，张刚.数控/自动化特种工艺质量控制程序化管理[J].信息技术，2009，7：181-183.
[3] 唐乾伟.数控喷丸强化与数字化喷丸成形加工技术的应用[J].航空制造技术，2007，5：54-55.
[关键词]自动化喷丸 CATIA 可视化管理 数字化制造
中图分类号：TM863 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）25-0361-01
1 、引言
喷丸是通过大量高速弹丸球撞击金属零件表面，使材料表面发生塑性变形，形成残余压应力场，从而改变零件内外部的应力分布状态及表层组织结构[1]。喷丸在航空、造船、汽车、兵器等行业都有着广泛的应用，其中喷丸强化可以提高金属的疲劳强度，而喷丸成形已发展为机翼整体壁板的主要加工手段之一。
喷丸作为一种特种工艺，需要对其工艺实施全过程进行有效控制，以保证零件的表面应力状态及组织结构达到设计要求。随着自动化喷丸相关的工艺技术与数控设备不断发展与完善，生产过程就需求一种更加高效的可视化管理方法进行质量控制[2]。
隨着数控机床和工程软件行业的发展，许多数控机床都实现了依据数模的加工轨迹可视化功能，并在数控加工、喷漆、3D打印等领域实现了工程应用。国外喷丸企业也研发了可视化计算模拟软件，实现了自动化生产与离线编程等功能[3]，但此类软件成本高，生产应用局限性大。随着零件数模的应用，利用CATIA软件，实现喷丸工艺可视化设计及离线编程具有一定的工程意义和应用价值。
2、 喷丸加工可视化平台设计
基于CATIA软件的喷丸加工可视化平台，其主要目的是实现弹丸流相对零件运动轨迹的可视化，这就需求喷丸加工系统的三维模型，再通过特定的装配与约束关系，使零件与喷丸加工系统模型的相对运动可视化。
2.1 喷丸加工系统的模型设计
自动化喷丸设备主要系统包括多轴联动数控平台、弹丸筛选循环系统、空气循环系统、气压流量监测装置等，就实现可视化而言则需对其简化，仅需保留直接与零件接触或相对运动的结构。模型设计基于喷丸间的实际测量尺寸，按1：1的比例还原相关结构，包括工作平台及其定位孔、喷丸嘴及其定位固定工装等，同时简化对可视化没有影响的其他部分，包括喷丸间墙壁及地面、运动导轨等。
设备模型分为三部分，包括喷丸间、工作台以及喷丸主轴模型。喷丸间模型包括了喷丸间的地面、工作台导轨及喷丸间顶棚。工作台模型为喷丸加工时放置及定位零件的平台，按实际情况还原了平台上的定位孔尺寸及位置。喷丸主轴模型按实际情况还原了喷嘴的固定及定位工装。同时还有一些辅助模型，如“喷丸区域”模型，是沿喷嘴出口向外拉伸出的柱面，一般为200mm至250mm，用来模拟喷丸的有效距离。
2.2 喷丸加工可视化方法
喷丸加工系统与零件空间位置的可视化是基于CATIA装配功能实现，而加工中相对运动可视化是基于CATIA运动模块。此模块位于“数字化装配”中的“DMU运动机构”，主要涉及的功能有“运动接合点”、“固定零件”、“装配约束转换”、“分析机械装置”及“模拟”等。
其中“运动接合点”功能主要是基于装配文件，将各个具有相对运动关系的组件进行约束，例如，相对旋转的组件可以沿特定的轴线进行“旋转结合”。同时，不运动的组件可以进行“固定零件”。除了以上在“运动机构”模块中手动对运动接合点进行设定外，还可以利用“装备约束转换”功能，将装配文件中已有的约束转换成运动接合点。在完成运动接合点及相关运动命令的设定后，可以通过“分析机械装置”功能对设定的自由度进行分析，最后通过“模拟”功能对各组件的可控相对运动进行仿真模拟。
3、 可视化平台的生产应用
应用喷丸加工可视化平台的流程如3-1所示。
以五坐标自动化喷丸设备的运动接合点约束为例，其运动命令共有5个，其中“菱形结合”3个，“旋转结合”2个，分别模拟设备X、Y、Z、A及B轴的运动，同时添加“驱动”命令，使五轴运动为主动的可控运动，其他加工系统组件运动为从动运动，并设置各轴运动行程。在完成运动接合点及运动驱动设置后，对此机械装置进行分析，若“带有命令时的自由度”为0，则表明此运动结构可以进行仿真模拟。
根据零件喷丸加工方案及固定位置，确定设备在喷丸加工中的各轴位置及相应坐标，利用仿真功能中的“编辑模拟”及“运动模拟”，调节五轴驱动命令的坐标值，则可实现对不同喷丸加工位置的模拟。同时在调节至恰当的加工位置时，可插入零件与喷丸加工系统的相对位置帧。在确定完所有典型喷丸加工位置后，可对整个加工过程进行模拟运行，并生成数控程序。将此可视化平台的实施方法，在铰链类零件喷丸强化生产中进行应用，基本满足了喷丸加工的相关技术要求，验证了喷丸加工可视化平台的可行性和实用性。
4、 结束语
加工路径是喷丸强化工艺过程的重点，基于CATIA的喷丸加工可视化平台，通过喷丸加工系统及零件的三维模型，模拟了喷丸加工轨迹，既为生产前的工艺设计及离线编程提供手段，也为喷丸生产中的质量控制提供支持。同时，由于其与零件模型较好的兼容性与交互性，适用于多样的喷丸生产需求。该平台改善了工艺准备及生产加工的流程，提高了质量可控性，为喷丸加工提供了一种可视化管理方法。
参考文献
[1] 宋颖刚，高玉魁，陆峰.TC21合金喷丸强化后表面强化层组织与性能变化[J].航空材料学报，2010，30（2）：40-44.
[2] 张咏红，杨小民，张刚.数控/自动化特种工艺质量控制程序化管理[J].信息技术，2009，7：181-183.
[3] 唐乾伟.数控喷丸强化与数字化喷丸成形加工技术的应用[J].航空制造技术，2007，5：54-55.