基于LabVIEW的三軸微銑削加工控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)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(jì)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(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

設(shè)計(jì)開(kāi)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(dòng)平臺(tái)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(yǔ)言自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，具有定位對(duì)刀、讀取G代碼、三軸聯(lián)動(dòng)加工和運(yùn)動(dòng)軌跡顯示的功能，并用該系統(tǒng)進(jìn)行了微細(xì)銑削加工實(shí)驗(yàn)。

微小型機(jī)床；微細(xì)銑削；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；LabVIEW

0 引言

近年來(lái)，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(shì)。與之對(duì)應(yīng)的精密微細(xì)加工技術(shù)亦是當(dāng)前機(jī)械制造科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)[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(shí)現(xiàn)三維曲面加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并以其加工精度高、成形能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)在微加工制造領(lǐng)域受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注[2]。由于它在未來(lái)的電子、汽車(chē)、模具、國(guó)防等行業(yè)具有明顯的應(yīng)用前景，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注[3]。因此設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有很高精度并能實(shí)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(shí)意義。

設(shè)計(jì)開(kāi)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(dòng)平臺(tái)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(yǔ)言自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，具有定位對(duì)刀、讀取G代碼、三軸聯(lián)動(dòng)加工和運(yùn)動(dòng)軌跡顯示的功能，并利用該系統(tǒng)進(jìn)行了微細(xì)銑削加工實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)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(dòng)平臺(tái)和轉(zhuǎn)速可調(diào)電主軸兩個(gè)核心部件組成。三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用德國(guó)PI公司的超高精度三維微動(dòng)平臺(tái)，能實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的自由移動(dòng)，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(zhǎng)、磨損系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)[4]，使得運(yùn)動(dòng)定位精度可達(dá)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(dòng)冷卻，油脂潤(rùn)滑。采用內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，它把電機(jī)到主軸的傳動(dòng)鏈縮短為0，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、回轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)行穩(wěn)定；電機(jī)由變頻器驅(qū)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)速在1 000～80 000 r/min區(qū)間可調(diào)，能夠滿(mǎn)足不同加工狀態(tài)下對(duì)刀具轉(zhuǎn)速的需求?？刂撇糠謩t由工業(yè)用控制主機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制卡組成。工控機(jī)用于實(shí)現(xiàn)控制軟件與運(yùn)動(dòng)控制卡之間的連接和人機(jī)交互界面的顯示，而運(yùn)動(dòng)控制卡則通過(guò)驅(qū)動(dòng)三軸平臺(tái)的伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制[5]。此外，該裝備硬件結(jié)構(gòu)還配備了CCD機(jī)和圖像采集卡以完成對(duì)加工過(guò)程和加工狀態(tài)的檢測(cè)。

圖1 加工裝備硬件結(jié)構(gòu)

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體控制框架設(shè)計(jì)

該套設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制方案選用目前應(yīng)用較廣的“PC機(jī)+運(yùn)動(dòng)控制卡”的模式。這種控制模式在當(dāng)前具有很大的優(yōu)勢(shì)——可以減少體積，節(jié)省配線，使配線成本降到最低；可以實(shí)現(xiàn)高速伺服控制和高速的實(shí)時(shí)插補(bǔ)，提高了機(jī)器的加工速度，使得位穩(wěn)定時(shí)間降低；開(kāi)放性很高，可以根據(jù)不同需要開(kāi)發(fā)具有相應(yīng)功能的系統(tǒng)，靈活多變[6]?？刂瓶蚣艿闹黧w部分包括PC機(jī)、伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制卡、驅(qū)動(dòng)器和執(zhí)行部件。筆者設(shè)計(jì)的控制方案即為使用編程軟件，經(jīng)過(guò)外部接口調(diào)用運(yùn)動(dòng)控制卡的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)DLL中的功能函數(shù)，運(yùn)動(dòng)控制卡配備了功能強(qiáng)大的庫(kù)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(yùn)行函數(shù)、I/O控制函數(shù)、停止運(yùn)行函數(shù)、各軸映射函數(shù)、回原點(diǎn)檢測(cè)函數(shù)以及軸停止函數(shù)等，通過(guò)對(duì)這些初始功能函數(shù)的調(diào)用實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制卡的二次開(kāi)發(fā)[7]，從而設(shè)計(jì)出滿(mǎn)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(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于LabVIEW編程開(kāi)發(fā)環(huán)境。LabVIEW是一種全新的圖形化的編程語(yǔ)言，有別于傳統(tǒng)的文本類(lèi)編程語(yǔ)言，具有簡(jiǎn)單直觀、速度快、效率高的優(yōu)點(diǎn)，因此也被成為G語(yǔ)言（Graphical lan?guage）。在以PC機(jī)為基礎(chǔ)的測(cè)量和工控軟件中，LabVIEW的市場(chǎng)普及率僅次于C++和C語(yǔ)言。LabVIEW能夠?yàn)橛脩?hù)提供簡(jiǎn)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(yǔ)言編程簡(jiǎn)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(lái)，十分省時(shí)、簡(jiǎn)便，而且深受用戶(hù)青睞，與傳統(tǒng)的編程語(yǔ)言相比較，LabVIEW圖形編程方式能夠節(jié)省85%以上的程序開(kāi)發(fā)時(shí)間，其運(yùn)行速度卻幾乎不受任何影響，極大地提高了開(kāi)發(fā)效率。LabVIEW軟件同時(shí)支持多種外部接口技術(shù)，如動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換DDE、動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)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(duì)儀器對(duì)象實(shí)施控制[10]，而且它具備的高級(jí)分析軟件庫(kù)可以完成數(shù)據(jù)分析、信號(hào)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(kāi)發(fā)人性化的人機(jī)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(yùn)動(dòng)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(jì)

通過(guò)接口函數(shù)Inerface setup進(jìn)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(tái)的連接并創(chuàng)建用戶(hù)ID。連接建立后，選擇軸的控制器型號(hào)，其中X軸、Y軸的控制器型號(hào)為M_L03K008，Z軸的控制器型號(hào)M_L03K009，通過(guò)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(duì)三根軸進(jìn)行初始化操作，最后使它們分別回到機(jī)械原點(diǎn)，初始化過(guò)程完成。初始化模塊同時(shí)具備錯(cuò)誤檢測(cè)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(hào)或設(shè)置其他參數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)均會(huì)報(bào)錯(cuò)并中止程序，避免因上述失誤而對(duì)平臺(tái)造成不必要的損害。

圖3 軟件工作流程

2.2.2 運(yùn)動(dòng)定位模塊的設(shè)計(jì)

其設(shè)計(jì)以DLL函數(shù)庫(kù)中的速度、絕對(duì)位移和相對(duì)位移函數(shù)為核心，采用三根并行運(yùn)動(dòng)的控制方式，即三根軸可以獨(dú)立按照設(shè)定的不同速度和不同目標(biāo)位置同時(shí)移動(dòng)，相互之間不產(chǎn)生干擾。該模塊設(shè)計(jì)了絕對(duì)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的方式，可以同時(shí)滿(mǎn)足工件粗對(duì)刀時(shí)較大行程快速進(jìn)給和精對(duì)刀時(shí)精密進(jìn)給的要求。通過(guò)運(yùn)行指示燈和軸實(shí)時(shí)坐標(biāo)反饋?zhàn)x取的設(shè)計(jì)，可以準(zhǔn)確檢測(cè)軸的運(yùn)行狀態(tài)。該模塊設(shè)計(jì)了軟限位的保護(hù)程序，使得在輸入絕對(duì)路徑和相對(duì)路徑時(shí)均無(wú)法輸入超出每根軸量程的數(shù)值，且當(dāng)有任意一根軸達(dá)到量程位置時(shí)程序會(huì)報(bào)錯(cuò)并立刻停止運(yùn)行，在硬件平臺(tái)硬限位的基礎(chǔ)上，充分保證運(yùn)動(dòng)和對(duì)刀過(guò)程中的安全性。

圖4 定位對(duì)刀部分程序

2.2.3 G代碼處理模塊

主要針對(duì)微銑削加工中最常用的定位、直線、圓弧、刀具補(bǔ)償、退刀等G代碼語(yǔ)句設(shè)計(jì)。加工代碼可以導(dǎo)入文本或手動(dòng)輸入，利用標(biāo)準(zhǔn)G代碼語(yǔ)句格式標(biāo)準(zhǔn)的特點(diǎn)，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(guò)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(yǔ)句[12]。在執(zhí)行G代碼前，設(shè)計(jì)了一個(gè)G代碼的預(yù)處理程序，能對(duì)輸入或?qū)氲腉代碼的格式和目標(biāo)位置是否超程進(jìn)行檢測(cè)，以免造成破壞。加工過(guò)程中一旦發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)不合理情況也可以通過(guò)程序隨時(shí)暫停運(yùn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)調(diào)整后可恢復(fù)運(yùn)行。

直線聯(lián)動(dòng)函數(shù)利用運(yùn)動(dòng)學(xué)分運(yùn)動(dòng)和和運(yùn)動(dòng)的原理，由于每根軸可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)相互不干擾的運(yùn)動(dòng)，首先根據(jù)目標(biāo)位置計(jì)算XYZ三個(gè)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(gè)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(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)間的直線運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，提高加工精度和效率。圓弧插補(bǔ)則依據(jù)經(jīng)典的圓弧插補(bǔ)方式，引用焦作大學(xué)學(xué)報(bào)上楊慶友的《四象限圓弧統(tǒng)一插補(bǔ)》，該算法通過(guò)引入一個(gè)符號(hào)signx，通過(guò)相關(guān)計(jì)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(shí)際所需的進(jìn)給方向。這種方法極大地簡(jiǎn)化了圓弧插補(bǔ)中對(duì)于進(jìn)給方向和過(guò)象限的判別，簡(jiǎn)化了插補(bǔ)的過(guò)程，提高了加工的效率[13]。

圖5 軟件系統(tǒng)人機(jī)界面

3 微細(xì)銑削加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(tái)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(shí)用，可實(shí)現(xiàn)微銑削加工所需的粗對(duì)刀和精對(duì)刀操作，同時(shí)可以按照標(biāo)準(zhǔn)G代碼語(yǔ)句進(jìn)行數(shù)控加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，程序運(yùn)行流暢高效，所有既定功能均可實(shí)現(xiàn)，加工試樣軌跡清晰，精度較高。使用該設(shè)備可以進(jìn)行各種微細(xì)銑削加工實(shí)驗(yàn)，并可對(duì)微銑削的加工機(jī)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(gè)可靠的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

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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(lǐng)域：微細(xì)銑削數(shù)控技術(shù)。

(編輯：阮 毅)

2014－03－18