韓睿聰，郭鐘寧，羅紅平，連海山，張 偉（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

基于LabVIEW的三軸微銑削加工控制系統(tǒng)設(shè)計與研究

韓睿聰，郭鐘寧，羅紅平，連海山，張 偉
（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

設(shè)計開發(fā)了一套微細(xì)銑削加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)裝硬件設(shè)備采用超精密三軸微動平臺和轉(zhuǎn)速可調(diào)電主軸；軟件系統(tǒng)是基于LabVIEW圖形化編程語言自主設(shè)計開發(fā)的運動控制系統(tǒng)，具有定位對刀、讀取G代碼、三軸聯(lián)動加工和運動軌跡顯示的功能，并用該系統(tǒng)進行了微細(xì)銑削加工實驗。

微小型機床；微細(xì)銑削；運動控制系統(tǒng)；LabVIEW

0 引言

近年來，隨著制造技術(shù)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品的高品質(zhì)和小型化已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢。與之對應(yīng)的精密微細(xì)加工技術(shù)亦是當(dāng)前機械制造科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點[1]。精密制造技術(shù)是現(xiàn)代高科技產(chǎn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)，是現(xiàn)代制造科學(xué)的發(fā)展的重要方向之一。在眾多的微制造技術(shù)中，微細(xì)銑削加工技術(shù)因具有加工材料的多樣性和能實現(xiàn)三維曲面加工的獨特優(yōu)勢，并以其加工精度高、成形能力強的優(yōu)點在微加工制造領(lǐng)域受到越來越廣泛的關(guān)注[2]。由于它在未來的電子、汽車、模具、國防等行業(yè)具有明顯的應(yīng)用前景，越來越受到國內(nèi)外廣泛關(guān)注[3]。因此設(shè)計開發(fā)具有很高精度并能實現(xiàn)各種復(fù)雜二維和三維結(jié)構(gòu)加工的微細(xì)銑削加工裝備具有重要的科研和現(xiàn)實意義。

設(shè)計開發(fā)了一套微細(xì)銑削加工裝備。硬件結(jié)構(gòu)由超精密三軸微動平臺和轉(zhuǎn)速可調(diào)電主軸組成，軟件系統(tǒng)則基于LabVIEW圖形化編程語言自主設(shè)計開發(fā)，具有定位對刀、讀取G代碼、三軸聯(lián)動加工和運動軌跡顯示的功能，并利用該系統(tǒng)進行了微細(xì)銑削加工實驗，驗證了該套裝備的加工性能。

1 裝備硬件結(jié)構(gòu)

該裝備硬件結(jié)構(gòu)分為加工和控制兩大部分。加工部分由三軸微動平臺和轉(zhuǎn)速可調(diào)電主軸兩個核心部件組成。三軸運動平臺采用德國PI公司的超高精度三維微動平臺，能實現(xiàn)X、Y、Z三個方向上的自由移動，軸的內(nèi)部使用超精密滾珠絲杠導(dǎo)軌，具有精度高、效率高、壽命長、磨損系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點[4]，使得運動定位精度可達1 μm，而雙向重復(fù)定位精度。加工主軸采用日本NSK電主軸，氣動冷卻，油脂潤滑。采用內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，它把電機到主軸的傳動鏈縮短為0，結(jié)構(gòu)簡單、回轉(zhuǎn)精度高、運行穩(wěn)定；電機由變頻器驅(qū)動，主軸轉(zhuǎn)速在1 000～80 000 r/min區(qū)間可調(diào)，能夠滿足不同加工狀態(tài)下對刀具轉(zhuǎn)速的需求。控制部分則由工業(yè)用控制主機和運動控制卡組成。工控機用于實現(xiàn)控制軟件與運動控制卡之間的連接和人機交互界面的顯示，而運動控制卡則通過驅(qū)動三軸平臺的伺服電機，實現(xiàn)對微動平臺的運動控制[5]。此外，該裝備硬件結(jié)構(gòu)還配備了CCD機和圖像采集卡以完成對加工過程和加工狀態(tài)的檢測。

圖1 加工裝備硬件結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體控制框架設(shè)計

該套設(shè)備的運動控制方案選用目前應(yīng)用較廣的“PC機+運動控制卡”的模式。這種控制模式在當(dāng)前具有很大的優(yōu)勢——可以減少體積，節(jié)省配線，使配線成本降到最低；可以實現(xiàn)高速伺服控制和高速的實時插補，提高了機器的加工速度，使得位穩(wěn)定時間降低；開放性很高，可以根據(jù)不同需要開發(fā)具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)，靈活多變[6]。控制框架的主體部分包括PC機、伺服電機、運動控制卡、驅(qū)動器和執(zhí)行部件。筆者設(shè)計的控制方案即為使用編程軟件，經(jīng)過外部接口調(diào)用運動控制卡的動態(tài)鏈接庫DLL中的功能函數(shù)，運動控制卡配備了功能強大的庫函數(shù)，主要包括：板卡初始化函數(shù)、軸初始化函數(shù)、單軸運行函數(shù)、I/O控制函數(shù)、停止運行函數(shù)、各軸映射函數(shù)、回原點檢測函數(shù)以及軸停止函數(shù)等，通過對這些初始功能函數(shù)的調(diào)用實現(xiàn)運動控制卡的二次開發(fā)[7]，從而設(shè)計出滿足微銑削加工需求的加工控制系統(tǒng)。

2.2 基于LabVIEW的軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)的設(shè)計基于LabVIEW編程開發(fā)環(huán)境。LabVIEW是一種全新的圖形化的編程語言，有別于傳統(tǒng)的文本類編程語言，具有簡單直觀、速度快、效率高的優(yōu)點，因此也被成為G語言（Graphical lan?guage）。在以PC機為基礎(chǔ)的測量和工控軟件中，LabVIEW的市場普及率僅次于C++和C語言。LabVIEW能夠為用戶提供簡明、直觀、易用的圖形化編程方式[8-9]，能夠?qū)⒎爆崗?fù)雜的語言編程簡化成為以菜單提示方式的選擇功能，并且用線條將各種功能連接起來，十分省時、簡便，而且深受用戶青睞，與傳統(tǒng)的編程語言相比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開發(fā)時間，其運行速度卻幾乎不受任何影響，極大地提高了開發(fā)效率。LabVIEW軟件同時支持多種外部接口技術(shù)，如動態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE、動態(tài)鏈接庫DDL、應(yīng)用編程接口，CIN接口技術(shù)等。LabVIEW還可以基于串行IPO、GPI、IPO通信協(xié)議對儀器對象實施控制[10]，而且它具備的高級分析軟件庫可以完成數(shù)據(jù)分析、信號處理、曲線擬合等工作。LabVIEW的前面板提供了豐富的形式多樣、功能齊全的控件，非常利于開發(fā)人性化的人機交互界面[11]。該控制系統(tǒng)的軟件界面包括四大核心模塊，分別為初始化設(shè)置模塊，運動定位模塊，G代碼加工模塊。軟件的工作流程如圖3所示。

圖2 整體控制框架

2.2.1 初始化模塊的設(shè)計

通過接口函數(shù)Inerface setup進行板卡的初始化，設(shè)置參數(shù)為RS232串口和9600比特率，建立與硬件平臺的連接并創(chuàng)建用戶ID。連接建立后，選擇軸的控制器型號，其中X軸、Y軸的控制器型號為M_L03K008，Z軸的控制器型號M_L03K009，通過軸控制器連接函數(shù)使三根軸分別與相應(yīng)的控制器通信，然后利用初始化函數(shù)對三根軸進行初始化操作，最后使它們分別回到機械原點，初始化過程完成。初始化模塊同時具備錯誤檢測功能的功能，如果硬件設(shè)備連線有誤或是出現(xiàn)接觸不良，以及再選擇軸的控制器型號或設(shè)置其他參數(shù)出現(xiàn)錯誤時均會報錯并中止程序，避免因上述失誤而對平臺造成不必要的損害。

圖3 軟件工作流程

2.2.2 運動定位模塊的設(shè)計

其設(shè)計以DLL函數(shù)庫中的速度、絕對位移和相對位移函數(shù)為核心，采用三根并行運動的控制方式，即三根軸可以獨立按照設(shè)定的不同速度和不同目標(biāo)位置同時移動，相互之間不產(chǎn)生干擾。該模塊設(shè)計了絕對坐標(biāo)運動和相對坐標(biāo)運動相結(jié)合的方式，可以同時滿足工件粗對刀時較大行程快速進給和精對刀時精密進給的要求。通過運行指示燈和軸實時坐標(biāo)反饋讀取的設(shè)計，可以準(zhǔn)確檢測軸的運行狀態(tài)。該模塊設(shè)計了軟限位的保護程序，使得在輸入絕對路徑和相對路徑時均無法輸入超出每根軸量程的數(shù)值，且當(dāng)有任意一根軸達到量程位置時程序會報錯并立刻停止運行，在硬件平臺硬限位的基礎(chǔ)上，充分保證運動和對刀過程中的安全性。

圖4 定位對刀部分程序

2.2.3 G代碼處理模塊

主要針對微銑削加工中最常用的定位、直線、圓弧、刀具補償、退刀等G代碼語句設(shè)計。加工代碼可以導(dǎo)入文本或手動輸入，利用標(biāo)準(zhǔn)G代碼語句格式標(biāo)準(zhǔn)的特點，先將文本格式的G代碼文件轉(zhuǎn)換成字符串格式，然后將轉(zhuǎn)換后的字符串再轉(zhuǎn)換成二維字符串?dāng)?shù)組，利用LabVIEW的數(shù)組索引和字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)將G00、G01等代碼名存入加工狀態(tài)數(shù)組，將加工坐標(biāo)存入目標(biāo)位置數(shù)組，再通過選擇結(jié)構(gòu)和循環(huán)結(jié)構(gòu)，順序執(zhí)行每條G代碼語句[12]。在執(zhí)行G代碼前，設(shè)計了一個G代碼的預(yù)處理程序，能對輸入或?qū)氲腉代碼的格式和目標(biāo)位置是否超程進行檢測，以免造成破壞。加工過程中一旦發(fā)現(xiàn)運動出現(xiàn)不合理情況也可以通過程序隨時暫停運動，經(jīng)過調(diào)整后可恢復(fù)運行。

直線聯(lián)動函數(shù)利用運動學(xué)分運動和和運動的原理，由于每根軸可以實現(xiàn)同時相互不干擾的運動，首先根據(jù)目標(biāo)位置計算XYZ三個方向上的位移的比例，將位移的比例轉(zhuǎn)化為速度的比例，設(shè)定X方向上的速度為基準(zhǔn)速度，另外兩個方向上的速度根據(jù)速度的比例便可算得，然后讓相應(yīng)坐標(biāo)軸按照相應(yīng)的速度運動即可實現(xiàn)任意兩點間的直線運動。實現(xiàn)聯(lián)動運動，提高加工精度和效率。圓弧插補則依據(jù)經(jīng)典的圓弧插補方式，引用焦作大學(xué)學(xué)報上楊慶友的《四象限圓弧統(tǒng)一插補》，該算法通過引入一個符號signx，通過相關(guān)計算使它的值在相應(yīng)情況下在-1，0，1之間變化，然后與默認(rèn)的X、Y正方向上的步距位移相乘，既是實際所需的進給方向。這種方法極大地簡化了圓弧插補中對于進給方向和過象限的判別，簡化了插補的過程，提高了加工的效率[13]。

圖5 軟件系統(tǒng)人機界面

3 微細(xì)銑削加工實驗

實驗采用刀頭直徑0.6 mm的鎢鋼銑刀，刀柄直徑4 mm，刀具幾何參數(shù)如表1。

表1 微細(xì)銑削刀具參數(shù)

工件材料選用硬鋁2A12，刀具轉(zhuǎn)速60 000 r/ min，進給速度0.1 mm/s，吃刀量20 μm，該裝備加工的五角星圖案和GDUT字母字樣如下。從圖中可以看出，加工的結(jié)構(gòu)輪廓清晰，具有很高精度。

圖6 GDUT加工字樣

圖7 五角星加工圖樣

圖8 立方臺加工圖樣

4 結(jié)論

該套微銑削加工控制裝置硬件結(jié)構(gòu)精密穩(wěn)定，軟件系統(tǒng)界面美觀實用，可實現(xiàn)微銑削加工所需的粗對刀和精對刀操作，同時可以按照標(biāo)準(zhǔn)G代碼語句進行數(shù)控加工。實驗結(jié)果表明，程序運行流暢高效，所有既定功能均可實現(xiàn)，加工試樣軌跡清晰，精度較高。使用該設(shè)備可以進行各種微細(xì)銑削加工實驗，并可對微銑削的加工機理、加工工藝的優(yōu)化和微銑削刀具損耗等的研究提供了一個可靠的實驗平臺。

［1］魏昕.晶片材料的超精密加工技術(shù)現(xiàn)狀［J］.組合床與自動化加工技術(shù)，2004（3）：75-79.

［2］Friedrich，C.R.；Coane，P.J.；Micromilling develop?ment and applications for microfabrication.Microelectron?ic Engineering，367-72，F(xiàn)eb.1997.

［3］曹自洋.微細(xì)銑削機床、刀具與加工機理的基礎(chǔ)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

［4］莫秉華，郭鐘寧.三維微細(xì)電解加工裝備的研制與開發(fā)［J］.機床與液壓，2007（10）：37-40.

［5］張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［6］田桂祥.開放式三軸微銑削機床數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

［7］張衛(wèi)星，趙峰.基于LabVIEW的運動控制系統(tǒng)的研究［J］.工業(yè)控制計算機，2008（4）：26-28.

［8］張千峰.淺談LabVIEW在語言程序?qū)崿F(xiàn)中的優(yōu)勢［J］.機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2010（3）：119-121.

［9］魯智安，楊鐵牛，黃李輝，等.基于LabVIEW的雙銑刀數(shù)控機床控制系統(tǒng)［J］.機電工程，2012（10）：1198-1201.

［10］王華，袁中凡.VisualC++，LabVIEW，LabWindows與MAT-LAB接口技術(shù)的研究［J］.計算機應(yīng)用研究，2007（2）：281-286.

［11］高瑞，苗長云，王中偉.基于LabVIEW的多軸運動控制系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)［J］.天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008（6）：58-61.

［12］陳魁.微銑削機床的研制及微銑削實驗研究［D］.沈陽：東北大學(xué)，2008.

［13］李長有，盧寶生.四象限圓弧插補的統(tǒng)一編程［J］.組合機床與自動化技術(shù)，1996（12）：43-48.

Design and Experimental Study of the Three-Axis Micro-Milling Control System Based on Labview

HAN Rui-cong，GUO Zhong-ning，LUO Hong-ping，LIAN Hai-shan，ZHANG Wei
（School of Electromechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

Design and develop a set of micro milling systems.A ultra-precision three-axis micro-platform is used as the hardware of this device，and the software system，which is independently designed and developed and based on Labview，the graphical programming language，has several major founctions as locating and tool presetting，G-code reading，three-axis machining and trajectory display，and several micro-milling experiments were carried out with the system designed by myself.

micro machine tool；micro milling；motion control system；LabVIEW

TG547

A

1009－9492(2014)05－0040－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.009

韓睿聰，男，1988年生，河南人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：微細(xì)銑削數(shù)控技術(shù)。

(編輯：阮 毅)

2014－03－18