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

基于LabVIEW的三軸微銑削加工控制系統(tǒng)設計與研究

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

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

微小型機床；微細銑削；運動控制系統(tǒng)；LabVIEW

0 引言

近年來，隨著制造技術的不斷發(fā)展，產品的高品質和小型化已經成為一種發(fā)展趨勢。與之對應的精密微細加工技術亦是當前機械制造科學與技術領域的前沿和熱點[1]。精密制造技術是現代高科技產業(yè)和科學技術的發(fā)展基礎，是現代制造科學的發(fā)展的重要方向之一。在眾多的微制造技術中，微細銑削加工技術因具有加工材料的多樣性和能實現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)點在微加工制造領域受到越來越廣泛的關注[2]。由于它在未來的電子、汽車、模具、國防等行業(yè)具有明顯的應用前景，越來越受到國內外廣泛關注[3]。因此設計開發(fā)具有很高精度并能實現各種復雜二維和三維結構加工的微細銑削加工裝備具有重要的科研和現實意義。

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

1 裝備硬件結構

該裝備硬件結構分為加工和控制兩大部分。加工部分由三軸微動平臺和轉速可調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X、Y、Z三個方向上的自由移動，軸的內部使用超精密滾珠絲杠導軌，具有精度高、效率高、壽命長、磨損系數小、結構緊湊等特點[4]，使得運動定位精度可達1 μm，而雙向重復定位精度。加工主軸采用日本NSK電主軸，氣動冷卻，油脂潤滑。采用內裝式電動機直接驅動，它把電機到主軸的傳動鏈縮短為0，結構簡單、回轉精度高、運行穩(wěn)定；電機由變頻器驅動，主軸轉速在1 000～80 000 r/min區(qū)間可調，能夠滿足不同加工狀態(tài)下對刀具轉速的需求?？刂撇糠謩t由工業(yè)用控制主機和運動控制卡組成。工控機用于實現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動三軸平臺的伺服電機，實現對微動平臺的運動控制[5]。此外，該裝備硬件結構還配備了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 加工裝備硬件結構

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 整體控制框架設計

該套設備的運動控制方案選用目前應用較廣的“PC機+運動控制卡”的模式。這種控制模式在當前具有很大的優(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，可以根據不同需要開發(fā)具有相應功能的系統(tǒng)，靈活多變[6]?？刂瓶蚣艿闹黧w部分包括PC機、伺服電機、運動控制卡、驅動器和執(zhí)行部件。筆者設計的控制方案即為使用編程軟件，經過外部接口調用運動控制卡的動態(tài)鏈接庫DLL中的功能函數，運動控制卡配備了功能強大的庫函數，主要包括：板卡初始化函數、軸初始化函數、單軸運行函數、I/O控制函數、停止運行函數、各軸映射函數、回原點檢測函數以及軸停止函數等，通過對這些初始功能函數的調用實現運動控制卡的二次開發(fā)[7]，從而設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)設計

軟件系統(tǒng)的設計基于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]，能夠將繁瑣復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，如動態(tài)數據交換DDE、動態(tài)鏈接庫DDL、應用編程接口，CIN接口技術等。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據分析、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 初始化模塊的設計

通過接口函數Inerface setup進行板卡的初始化，設置參數為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使三根軸分別與相應的控制器通信，然后利用初始化函數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，如果硬件設備連線有誤或是出現接觸不良，以及再選擇軸的控制器型號或設置其他參數出現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 運動定位模塊的設計

其設計以DLL函數庫中的速度、絕對位移和相對位移函數為核心，采用三根并行運動的控制方式，即三根軸可以獨立按照設定的不同速度和不同目標位置同時移動，相互之間不產生干擾。該模塊設計了絕對坐標運動和相對坐標運動相結合的方式，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反饋讀取的設計，可以準確檢測軸的運行狀態(tài)。該模塊設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值，且當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代碼語句設計。加工代碼可以導入文本或手動輸入，利用標準G代碼語句格式標準的特點，先將文本格式的G代碼文件轉換成字符串格式，然后將轉換后的字符串再轉換成二維字符串數組，利用LabVIEW的數組索引和字符串至數值轉換函數將G00、G01等代碼名存入加工狀態(tài)數組，將加工坐標存入目標位置數組，再通過選擇結構和循環(huán)結構，順序執(zhí)行每條G代碼語句[12]。在執(zhí)行G代碼前，設計了一個G代碼的預處理程序，能對輸入或導入的G代碼的格式和目標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)現運動出現不合理情況也可以通過程序隨時暫停運動，經過調整后可恢復運行。

直線聯動函數利用運動學分運動和和運動的原理，由于每根軸可以實現同時相互不干擾的運動，首先根據目標位置計算XYZ三個方向上的位移的比例，將位移的比例轉化為速度的比例，設定X方向上的速度為基準速度，另外兩個方向上的速度根據速度的比例便可算得，然后讓相應坐標軸按照相應的速度運動即可實現任意兩點間的直線運動。實現聯動運動，提高加工精度和效率。圓弧插補則依據經典的圓弧插補方式，引用焦作大學學報上楊慶友的《四象限圓弧統(tǒng)一插補》，該算法通過引入一個符號signx，通過相關計算使它的值在相應情況下在-1，0，1之間變化，然后與默認的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，刀具幾何參數如表1。

表1 微細銑削刀具參數

工件材料選用硬鋁2A12，刀具轉速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，加工的結構輪廓清晰，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 結論

該套微銑削加工控制裝置硬件結構精密穩(wěn)定，軟件系統(tǒng)界面美觀實用，可實現微銑削加工所需的粗對刀和精對刀操作，同時可以按照標準G代碼語句進行數控加工。實驗結果表明，程序運行流暢高效，所有既定功能均可實現，加工試樣軌跡清晰，精度較高。使用該設備可以進行各種微細銑削加工實驗，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。

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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。研究領域：微細銑削數控技術。

(編輯：阮 毅)

2014－03－18