韩睿聪，郭钟宁，罗红平，连海山，张 伟（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

基于LabVIEW的三轴微铣削加工控制系统设计与研究

韩睿聪，郭钟宁，罗红平，连海山，张 伟
（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

设计开发了一套微细铣削加工系统。该系统装硬件设备采用超精密三轴微动平台和转速可调电主轴；软件系统是基于LabVIEW图形化编程语言自主设计开发的运动控制系统，具有定位对刀、读取G代码、三轴联动加工和运动轨迹显示的功能，并用该系统进行了微细铣削加工实验。

微小型机床；微细铣削；运动控制系统；LabVIEW

0 引言

近年来，随着制造技术的不断发展，产品的高品质和小型化已经成为一种发展趋势。与之对应的精密微细加工技术亦是当前机械制造科学与技术领域的前沿和热点[1]。精密制造技术是现代高科技产业和科学技术的发展基础，是现代制造科学的发展的重要方向之一。在众多的微制造技术中，微细铣削加工技术因具有加工材料的多样性和能实现三维曲面加工的独特优势，并以其加工精度高、成形能力强的优点在微加工制造领域受到越来越广泛的关注[2]。由于它在未来的电子、汽车、模具、国防等行业具有明显的应用前景，越来越受到国内外广泛关注[3]。因此设计开发具有很高精度并能实现各种复杂二维和三维结构加工的微细铣削加工装备具有重要的科研和现实意义。

设计开发了一套微细铣削加工装备。硬件结构由超精密三轴微动平台和转速可调电主轴组成，软件系统则基于LabVIEW图形化编程语言自主设计开发，具有定位对刀、读取G代码、三轴联动加工和运动轨迹显示的功能，并利用该系统进行了微细铣削加工实验，验证了该套装备的加工性能。

1 装备硬件结构

该装备硬件结构分为加工和控制两大部分。加工部分由三轴微动平台和转速可调电主轴两个核心部件组成。三轴运动平台采用德国PI公司的超高精度三维微动平台，能实现X、Y、Z三个方向上的自由移动，轴的内部使用超精密滚珠丝杠导轨，具有精度高、效率高、寿命长、磨损系数小、结构紧凑等特点[4]，使得运动定位精度可达1 μm，而双向重复定位精度。加工主轴采用日本NSK电主轴，气动冷却，油脂润滑。采用内装式电动机直接驱动，它把电机到主轴的传动链缩短为0，结构简单、回转精度高、运行稳定；电机由变频器驱动，主轴转速在1 000～80 000 r/min区间可调，能够满足不同加工状态下对刀具转速的需求。控制部分则由工业用控制主机和运动控制卡组成。工控机用于实现控制软件与运动控制卡之间的连接和人机交互界面的显示，而运动控制卡则通过驱动三轴平台的伺服电机，实现对微动平台的运动控制[5]。此外，该装备硬件结构还配备了CCD机和图像采集卡以完成对加工过程和加工状态的检测。

图1 加工装备硬件结构

2 控制系统设计

2.1 整体控制框架设计

该套设备的运动控制方案选用目前应用较广的“PC机+运动控制卡”的模式。这种控制模式在当前具有很大的优势——可以减少体积，节省配线，使配线成本降到最低；可以实现高速伺服控制和高速的实时插补，提高了机器的加工速度，使得位稳定时间降低；开放性很高，可以根据不同需要开发具有相应功能的系统，灵活多变[6]。控制框架的主体部分包括PC机、伺服电机、运动控制卡、驱动器和执行部件。笔者设计的控制方案即为使用编程软件，经过外部接口调用运动控制卡的动态链接库DLL中的功能函数，运动控制卡配备了功能强大的库函数，主要包括：板卡初始化函数、轴初始化函数、单轴运行函数、I/O控制函数、停止运行函数、各轴映射函数、回原点检测函数以及轴停止函数等，通过对这些初始功能函数的调用实现运动控制卡的二次开发[7]，从而设计出满足微铣削加工需求的加工控制系统。

2.2 基于LabVIEW的软件系统设计

软件系统的设计基于LabVIEW编程开发环境。LabVIEW是一种全新的图形化的编程语言，有别于传统的文本类编程语言，具有简单直观、速度快、效率高的优点，因此也被成为G语言（Graphical lan⁃guage）。在以PC机为基础的测量和工控软件中，LabVIEW的市场普及率仅次于C++和C语言。LabVIEW能够为用户提供简明、直观、易用的图形化编程方式[8-9]，能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单提示方式的选择功能，并且用线条将各种功能连接起来，十分省时、简便，而且深受用户青睐，与传统的编程语言相比较，LabVIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间，其运行速度却几乎不受任何影响，极大地提高了开发效率。LabVIEW软件同时支持多种外部接口技术，如动态数据交换DDE、动态链接库DDL、应用编程接口，CIN接口技术等。LabVIEW还可以基于串行IPO、GPI、IPO通信协议对仪器对象实施控制[10]，而且它具备的高级分析软件库可以完成数据分析、信号处理、曲线拟合等工作。LabVIEW的前面板提供了丰富的形式多样、功能齐全的控件，非常利于开发人性化的人机交互界面[11]。该控制系统的软件界面包括四大核心模块，分别为初始化设置模块，运动定位模块，G代码加工模块。软件的工作流程如图3所示。

图2 整体控制框架

2.2.1 初始化模块的设计

通过接口函数Inerface setup进行板卡的初始化，设置参数为RS232串口和9600比特率，建立与硬件平台的连接并创建用户ID。连接建立后，选择轴的控制器型号，其中X轴、Y轴的控制器型号为M_L03K008，Z轴的控制器型号M_L03K009，通过轴控制器连接函数使三根轴分别与相应的控制器通信，然后利用初始化函数对三根轴进行初始化操作，最后使它们分别回到机械原点，初始化过程完成。初始化模块同时具备错误检测功能的功能，如果硬件设备连线有误或是出现接触不良，以及再选择轴的控制器型号或设置其他参数出现错误时均会报错并中止程序，避免因上述失误而对平台造成不必要的损害。

图3 软件工作流程

2.2.2 运动定位模块的设计

其设计以DLL函数库中的速度、绝对位移和相对位移函数为核心，采用三根并行运动的控制方式，即三根轴可以独立按照设定的不同速度和不同目标位置同时移动，相互之间不产生干扰。该模块设计了绝对坐标运动和相对坐标运动相结合的方式，可以同时满足工件粗对刀时较大行程快速进给和精对刀时精密进给的要求。通过运行指示灯和轴实时坐标反馈读取的设计，可以准确检测轴的运行状态。该模块设计了软限位的保护程序，使得在输入绝对路径和相对路径时均无法输入超出每根轴量程的数值，且当有任意一根轴达到量程位置时程序会报错并立刻停止运行，在硬件平台硬限位的基础上，充分保证运动和对刀过程中的安全性。

图4 定位对刀部分程序

2.2.3 G代码处理模块

主要针对微铣削加工中最常用的定位、直线、圆弧、刀具补偿、退刀等G代码语句设计。加工代码可以导入文本或手动输入，利用标准G代码语句格式标准的特点，先将文本格式的G代码文件转换成字符串格式，然后将转换后的字符串再转换成二维字符串数组，利用LabVIEW的数组索引和字符串至数值转换函数将G00、G01等代码名存入加工状态数组，将加工坐标存入目标位置数组，再通过选择结构和循环结构，顺序执行每条G代码语句[12]。在执行G代码前，设计了一个G代码的预处理程序，能对输入或导入的G代码的格式和目标位置是否超程进行检测，以免造成破坏。加工过程中一旦发现运动出现不合理情况也可以通过程序随时暂停运动，经过调整后可恢复运行。

直线联动函数利用运动学分运动和和运动的原理，由于每根轴可以实现同时相互不干扰的运动，首先根据目标位置计算XYZ三个方向上的位移的比例，将位移的比例转化为速度的比例，设定X方向上的速度为基准速度，另外两个方向上的速度根据速度的比例便可算得，然后让相应坐标轴按照相应的速度运动即可实现任意两点间的直线运动。实现联动运动，提高加工精度和效率。圆弧插补则依据经典的圆弧插补方式，引用焦作大学学报上杨庆友的《四象限圆弧统一插补》，该算法通过引入一个符号signx，通过相关计算使它的值在相应情况下在-1，0，1之间变化，然后与默认的X、Y正方向上的步距位移相乘，既是实际所需的进给方向。这种方法极大地简化了圆弧插补中对于进给方向和过象限的判别，简化了插补的过程，提高了加工的效率[13]。

图5 软件系统人机界面

3 微细铣削加工实验

实验采用刀头直径0.6 mm的钨钢铣刀，刀柄直径4 mm，刀具几何参数如表1。

表1 微细铣削刀具参数

工件材料选用硬铝2A12，刀具转速60 000 r/ min，进给速度0.1 mm/s，吃刀量20 μm，该装备加工的五角星图案和GDUT字母字样如下。从图中可以看出，加工的结构轮廓清晰，具有很高精度。

图6 GDUT加工字样

图7 五角星加工图样

图8 立方台加工图样

4 结论

该套微铣削加工控制装置硬件结构精密稳定，软件系统界面美观实用，可实现微铣削加工所需的粗对刀和精对刀操作，同时可以按照标准G代码语句进行数控加工。实验结果表明，程序运行流畅高效，所有既定功能均可实现，加工试样轨迹清晰，精度较高。使用该设备可以进行各种微细铣削加工实验，并可对微铣削的加工机理、加工工艺的优化和微铣削刀具损耗等的研究提供了一个可靠的实验平台。

［1］魏昕.晶片材料的超精密加工技术现状［J］.组合床与自动化加工技术，2004（3）：75-79.

［2］Friedrich，C.R.；Coane，P.J.；Micromilling develop⁃ment and applications for microfabrication.Microelectron⁃ic Engineering，367-72，Feb.1997.

［3］曹自洋.微细铣削机床、刀具与加工机理的基础研究［D］.南京：南京航空航天大学，2009.

［4］莫秉华，郭钟宁.三维微细电解加工装备的研制与开发［J］.机床与液压，2007（10）：37-40.

［5］张伯霖.高速切削技术及应用［M］.北京：机械工业出版社，2002.

［6］田桂祥.开放式三轴微铣削机床数控系统的研究与开发［D］.南京：南京航空航天大学，2009.

［7］张卫星，赵峰.基于LabVIEW的运动控制系统的研究［J］.工业控制计算机，2008（4）：26-28.

［8］张千峰.浅谈LabVIEW在语言程序实现中的优势［J］.机电产品开发与创新，2010（3）：119-121.

［9］鲁智安，杨铁牛，黄李辉，等.基于LabVIEW的双铣刀数控机床控制系统［J］.机电工程，2012（10）：1198-1201.

［10］王华，袁中凡.VisualC++，LabVIEW，LabWindows与MAT-LAB接口技术的研究［J］.计算机应用研究，2007（2）：281-286.

［11］高瑞，苗长云，王中伟.基于LabVIEW的多轴运动控制系统的设计与开发［J］.天津工业大学学报，2008（6）：58-61.

［12］陈魁.微铣削机床的研制及微铣削实验研究［D］.沈阳：东北大学，2008.

［13］李长有，卢宝生.四象限圆弧插补的统一编程［J］.组合机床与自动化技术，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

韩睿聪，男，1988年生，河南人，硕士研究生。研究领域：微细铣削数控技术。

(编辑：阮 毅)

2014－03－18