《基于labview的三维微细铣削加工设备的研制及试验研究硕士学位论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于labview的三维微细铣削加工设备的研制及试验研究硕士学位论文.doc（83页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）三维微细铣削加工设备的研制及试验研究韩睿聪二一四年五月分类号：TP23 学校代号：11845UDC： 密级： 学 号：2111101096广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）三维微细铣削加工设备的研制及试验研究韩睿聪指导教师姓名、职称： 郭钟宁（教授） 专业 或 领域 名称： 机械工程 学 生 所 属 学 院： 机电工程学院 论 文 答 辩 日 期： 二零一四年五月 A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology for the Degree of Master of Profes
2、sional（Master of Engineering）Development and experimental study of three-dimensional micro-milling equipmentCandidate: Han RuicongSupervisor: Prof. Guo ZhongningMay 2014Faculty of Electromechanical EngineeringGuangdong University of TechnologyGuangzhou, Guangdong, P.R.China, 510006摘要摘要近年来,随着科学技术的不断发
3、展，许多领域如机械工程、生物工程、电工电子、医学以及航空航天等,产品小型化已成为一种必然趋势,而微加工技术则成为加工领域的迫切需求。微细加工领域方法可谓多种多样，每种加工方法各有优劣，而在众多加工方法中，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。微细铣削加工作为微细加工领域中的一项重要制造技术，成为研究的热点。本论文主要负责设计开发一套微细铣削加工设备，包括硬件设备的选择和软件系统的设计，以及通过自行开发的设备对微铣削加工中相关加工参数对粗糙度和毛刺的影响进行了试验研究。主要研究工作为：根据微细
4、铣削对加工精度的需求，选取具有超高定位精度的三轴精密微动平台，并完成该平台的连线和调试工作。该平台XYZ方向运动轴均采用伺服电机驱动滚珠丝杠，因此具有超高精度并可实现反馈控制。铣削刀具采用日本NSK电主轴驱动，转速为5000r/min-80000r/min，该电主轴采用调油脂润滑和气动冷却的方式。依据微铣削机床的加工需求，设计了基于PC机+运动控制卡的整体控制方案，利用与微动平台配套的运动控制卡，通过调用该运动控制卡提供的动态链接库DLL实现对微动平台实时、精确的控制。这是运动控制领域常用的一种二次开发的方式，这种开发方式具有效率高和灵活性强的优点。基于Labview编程语言在运动控制领域的独
5、特优势，设计了基于Labview的三维微细铣削加工控制系统，该系统主要包括初始化模块、定位对刀模块、G代码加工模块、实时显示模块和限位控制模块。该软件系统能够满足微铣削加工所需的全部主要功能，如精确对刀过程中的匀速微进给，如按照G代码语句自动进行微铣加工，如实时显示加工过程中轴的坐标和加工轨迹等。通过设计的系统进行了微细铣削正交试验，研究了刀具半径、刀具转速、进给量对铣削加工粗糙度和毛刺的影响，并进行了微细二维、三维结构的加工试验，验证了系统功能的实用性和完整性。关键词：精密装备；运动控制；Labview；微铣削试验IAbstractABSTRACTIn recent years, with
6、the continuous development of science and technology, product miniaturization has become an inevitable trend in many fields such as mechanical engineering, biological engineering, electronics, medical science and aerospace, etc., and micro machining technology is urgently demanded in processing fiel
7、d. There is a variety of processing methods in micro machining field, with each having its advantages and disadvantages. While, among these processing methods, micro milling technology gets more and more attention in the field of micro manufacturing because of its unique advantages of the processing
8、 ability of diversified materials and the realization of three-dimensional surface machining, and also its high machining precision and strong formability. As an important manufacturing technology in micro machining field, micro milling has become a research hotspot. This paper is primarily responsi
9、ble for the design and development of a set of micro milling processing equipment, and includes the selection of hardware devices and design of software systems, as well as, through this self-developed equipment, conducts an experimental study of the impacts of related machining parameters in micro
10、milling on roughness and burrs.The study mainly involves the following aspects:(1) According to micro millings demand for machining precision, selectsa triaxial micro-positioning platform with ultra-high positioning accuracy, and completes the connection and debugging of the platform. All XYZ axes o
11、f motion of this platform adopt servo motor to drive ball screw, and thus have ultra-high precision and can realize feedback control. Milling cutter adopts Japan NSK motorized spindle drive, with an adjustable speed of 5000r/min 80000r/min and with the method of grease lubricating and air cooling.(2
12、) Based on the processing demands of micro milling machine tool, designs an overall control solutions on the basis of PC-machine + motion control card, and makes use of the motion control card which matches the micro-positioning platform. By calling the dynamic linking library DLL which is provided
13、by the motion control card, realizes a real-time and precise control of the micro-positioning platform. It is commonly used as a secondary development of motion control mode,which approach with high efficiency and flexibility advantages.(3) With the unique advantage of Labview programming language i
14、n the field of motion control, designs a three-dimensional micro milling control system on the basis of Labview, this system mainly includes initialization module, positioning and tool setting module, G code processing module, real-time display module and limit control module. This software system c
15、an meet the main demand of micro milling,such as micro uniform feed during precise tool setting and automatic micro milling in accordance with G code statements and real-time display of coordinate and track of axis during the machining process.(4) Conducts a micro milling orthogonal experiment throu
16、gh the designed system, studies the impacts of tool radius, tool speed and feed on millings roughness and burrs, carries out processing experiments of two-dimensional and three-dimensional structures, and verifies the utility and integrity of the systems functions.Keywords:precision equipment; motio
17、ncontrol; Labview; micro milling experiment13目录目录摘 要IABSTRACTII目 录IVCONTENTSVI第一章 绪论11.1课题的研究背景及意义11.2课题的来源与研究内容21.2.1本课题来源21.2.2主要研究内容31.3微小型机床的国内外研究状况31.3.1国外微型机床研究状况31.3.2国内微型机床的发展状况61.4微小型机床控制系统发展趋势81.5微铣削基础理论91.5.1最小切削厚度91.5.2微细切削的表面粗糙度12第二章 微铣削机床硬件系统设计142.1微铣削机床硬件设备142.1.1微进给伺服系统模块142.1.2刀具主轴模
18、块192.1.3显微观测模块202.1.4光栅测量反馈装置212.1.5硬件辅助设备222.2硬件系统整体结构232.3本章小结23第三章 控制方案设计243.1控制策略选择243.2运动控制核心组件263.2.1运动控制器263.2.2动态链接库DLL293.3控制系统开发环境293.3.1虚拟仪器简介293.3.2编程语言的选择323.4本章小结34第四章 微铣削机床软件系统设计364.1软件系统结构框架364.2 控制系统界面设计374.3数控系统主模块设计384.3.1初始化模块384.3.2定位对刀模块394.3.3 G代码处理模块414.3.4显示模块454.4插补运动设计454.
19、4.1插补原理概述454.4.2直线插补设计474.4.3圆弧插补算法设计484.5本章小结49第五章 微铣削机床试验研究515.1试验设计方法515.1.1单因素试验设计515.1.2正交试验设计515.2试验设备525.3实验材料和方法525.4单因素试验研究535.4.1刀具半径对表面粗糙度的影响535.4.2主轴转速对表面粗糙度的影响545.4.3进给速度对表面粗糙度的影响545.4.4轴向切深对表面粗糙度的影响555.5正交试验研究565.6微铣削加工工艺试验585.7本章小结60总结与展望61参考文献63攻读学位期间发表的论文66学位论文独创性声明67学位论文版权使用授权声明67致
20、谢68ContentsCONTENTSAbstract(Chinese)IAbstract(English)IIContents(Chinses)IVContents(English)VIChapter 1 Introduction11.1The background and significance of the subject11.2Source and the main research of the subject21.2.1Source of the subject21.2.2The main research of the subject31.3Development and re
21、search status of the micro machine31.3.1Research status of foreign micro machine31.3.2Research status of domestic micro machine61.4Development trends of micro machine control system81.5Basic theory of micro-milling91.5.1Minimum cutting thickness91.5.2Surface roughness of micro-milling12Chapter 2 Har
22、dware system design of micro-milling machine142.1Hardware of micro-milling machine142.1.1Micro Servo System Module142.1.2Tool spindle module192.1.3Microscopic observation module202.1.4Grating measurement feedback devices212.1.5Auxiliary equipment222.2Overall architecture of hardware system232.3Summa
23、ry23Chapter 3 The design of control scheme243.1Select of control Strategy243.2Core component of motion control263.2.1Motion controller263.2.2Dynamic link library293.3 Development environment of control System293.3.1Introduction of Virtual Instrument293.3.2Select of programming language323.4Summary34
24、Chapter 4 Software system design of micro-milling machine364.1Structural frame of software system364.2Interface design of software system374.3Master module design of CNC system384.3.1Initialization module384.3.2Positioning of the knife block module394.3.3G-code processing module414.3.4Display Module
25、454.4 Interpolation motion design454.4.1Interpolation principle Overview454.4.2Linear interpolation design474.4.3Circular interpolation algorithm design484.5Summary49Chapter 5 Experimental study on micro-milling machine515.1Experimental design method515.1.1Single factor experimental design515.1.2Ort
26、hogonal design515.2Test Equipment525.3Materials and methods525.4Single-factor experimental study535.4.1Influence of tool radius on surface roughness535.4.2Influence of spindle speed on surface roughness545.4.3Influence of feed speed on surface roughness545.4.4Influence of axial depth of cut on surfa
27、ce roughness555.5 Orthogonal experimental study565.6 Micro-milling process test585.7Summary60Conclusions and Outlook61Reference63Publication during Postgraduate Study66Declaration67Thesis Statement Copyright License67Acknowledge68第一章 绪论第一章 绪论1.1课题的研究背景及意义在航空航天、汽车自动化、信息技术、现代医学1、精密仪器2和生物技术等领域，微型仪器设备如小
28、型的电动机、微小型的模具、微小型的传感器等,都在发挥着巨大的作用并产生着深远的影响。从产品的特性来看，产品一旦能够发展的小型化或者甚至微型化，那么就会大大降低能量和资源的消耗，并且会变得精巧美观，对于使用和运输都会提供很大便利。因此微型化是产品发展的一个重要方向，而许多领域如机械工程、生物工程、电工电子、医学以及航空航天等，随着研究的深入，对微小型化产品的需求也日益强烈3。因此对微小型化产品生产制造技术的研究已成为制造领域的一大热点，探索能制造既具有体积小、质量轻的优点，同时又具有较高精度和较好机械性能的微细尺寸结构器件的微加工技术，成为目前加工领域的迫切需求。常用的微细加工方法主要有超声波加
29、工、激光束加工、湿法刻蚀和干法刻蚀加工、平版印刷加工、电火花加工、电化学加工和微细车削、铣削加工等方法4。随着国防和民用等领域对各种微小型化产品的需求不断增加，对微小零部件的材料特性、结构复杂程度、制造精度等要求也越来越高，从而使得特征尺寸在微米级到毫米级的精密三维微小零件的切削加工技术的需求日益迫切。而微细切削因具有加工材料范围广和能实现复杂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，已成为微细加工领域的重要技术，在微加工制造领域受到越来越广泛的关注。微细铣削加工技术是一种高效率、高精度和低成本的微机械加工工艺，可以应用于不同的复杂二维和三维结构的小型工件加工，工件材料包括多
30、种金属合金以及复合材料、塑料、陶瓷等非金属材料5,6。该技术可以提供多种类型产品,在航空航天、模具制造、汽车制造和精密机械等工业领域得到应用。实践证明，对于复杂的微型二维和三维结构等的加工制作上，常规的切削方法仍具有不可替代的优势，这些优势包括运行的环境相对比较简单，一次性的投资较小，并且既能适应于微型机械的中等批量生产，又可以与模具加工、注塑、电铸等方法结合从而实现大批量的生产。机床的微小型化还有利于多种误差的减小。例如，物体由于受热变形的性质而不可避免产生的与体积有关的误差则会随着机床体积的大幅缩小而缩小，机床的移动、旋转等运动精度却不会因机床自身体积的缩小而受影响；机床执行机构的微型化，
31、又使得机床某些部分的惯性减小，从而更容易实现高速加工，这又会在一定程度上提高加工精度和加工质量，并能提高生产效率7-9。因此，近年来，生产系统中对微小型化设备和系统的需求越来越迫切。为了对微细铣削这一具有独特优势的加工技术的加工机理进行深入研究，设计研制具有微细铣削加工装备和实现各种复杂二维和三维结构加工的配套控制系统具有重要的科研和现实意义10。图1-1 微结构的的加工示意图Figure.1-1 The schematic structure of the micro-processing1.2课题的来源与研究内容1.2.1本课题来源本课题来源为广东工业大学机电工程学院国家211学科重点建设
32、项目“多功能复合加工微机床”。本课题提出“模块化”概念，通过将不同的加工方法设计为独立的功能模块，并与主轴进行配合，使不同的功能模块集合在一起，从而实现即可独立完成微细电火花、微细电化学、微细超声和微细铣削、车削加工，又可实现多种微细加工方法复合的多功能微细加工微机床试验平台。该试验平台的研制创造性地将各种微细加工方法模块化地集合起来，为各种微细加工和复合加工方法的试验研究奠定了坚实的基础。1.2.2主要研究内容本论文主要针对多功能微加工试验平台的微铣削加工模块部分进行设计和研发。本论文在查阅相关的微铣削加工的文献资料和技术资料的基础上,针对微铣削加工对机床硬件设备的要求以及微细铣削加工的特点
33、,设计和构建微细铣削机床，并针铝合金材料进行微细铣削加工的试验研究,主要工作如下：(1) 根据微细铣削对加工精度的需求，选取具有超高定位精度的三轴精密微动平台，并完成该平台的连线和调试工作。该平台XYZ方向运动轴均采用伺服电机驱动滚珠丝杠，因此具有超高精度并可实现反馈控制。铣削刀具采用日本NSK电主轴驱动，转速为5000r/min-80000r/min可调。(2) 依据微铣削机床的加工需求，设计了基于PC机+运动控制卡的整体控制方案，利用与微动平台配套的运动控制卡，通过调用该运动控制卡提供的动态链接库DLL实现对运动控制卡的二次开发，实现对三轴微动平台实时、精确的控制。(3) 基于Labvie
34、w编程语言在运动控制领域的独特优势，设计了基于Labview的三维微细铣削加工控制系统，该系统主要包括初始化模块、定位对刀模块、G代码加工模块、实时显示模块和限位控制模块。(4) 通过设计的系统进行了微细铣削正交试验，研究了刀具半径、刀具转速、进给量对铣削加工粗糙度和毛刺的影响，并进行了微细二维、三维结构的加工试验，验证了系统功能的实用性和完整性。1.3微小型机床的国内外研究状况1.3.1国外微型机床研究状况在国际上，日本、美国和欧洲等发达国家于机床的小型化开展了广泛的研究，并陆续研制成功了很多样式各异可用于不同各种微型零件加工的微型精密机床；但是最初研制的微型机床只是将常规的精密和超精密的机
35、床的外形和尺寸进行了适当的缩小，并不能满足生产微小型零件时所需要的柔性，并且成本较高，同时效率也较低，无法进行微小零件的较大批量生产。研制能够真正意义上满足微小型尺寸零件加工需求的微型化机床和与机床意见系统配套的控制系统，一直是各国在微型化机床研究领域的重点。微型机床的这一概念首先是由Dutta等人在1970年提出来的，当时提出这一概念只是用作硅微细制作的小型电机的一种应用，但在当时这一概念还没有被广泛接受。直到1990年，日本工业技术研究领域的工程试验室又提出了以一种将微小型化的机床设备和配套的操作器组合起来，组成微型化工厂的概念11。到1996年，这个试验室终于成功研制出了世界上第一台微型
36、化车床，其尺寸为 32mm25mm30.5mm，重量只有100g，主轴最高转速10000r/min，驱动电机的额定功率是1.5W，其实物图如图1-1所示，这一成果开创了微小型化机床研究领域的新天地。该微型车床的控制系统经过了研究者的数字化改造，利用微型编码器并结合小型的数控装置，设计出分辨率达到0.1m的反馈控制系统，提高了该机床的加工能力和加工精度，并且是目前世界上体积最小的数控车削机床。图1-2 微型化车床Figure.1-2 Miniature lathe1999 年，日本国家先进工业科技学会( AIST)研制出一台数控铣床，该铣床只有桌面尺寸大小，采用了高速的主轴，最高转速可达2000
37、00r/min，直线工作台的进给速度很高，最大速度达到50mm/s。控制系统采用的是全闭环的数字控制系统，分辨率高达0.1m12。图1-3 高速主轴铣床Figure.1-3 High-speed spindle milling machine2001年美国科学基金会赞助了Micro/Meso-Scale Machine Tool Systems研究计划，这一计划的目的是促进微型化机床相应的控制系统的研究，提出以并行方式组成微型化机床的制造系统，使得配备这些系统的微型化机床具有类似于计算机系统的特性，既能够即插即，独立完成加工工作，又可以在原先的机床上集成更加复杂功能更多的系统，具有很高的可扩展
38、性。这样一来，这些机床就可以满足微米级和中间尺度零件的大规模加工生产的目的，满足生产加工的需求。图1-4a为在该计划下研制的尺寸为250150200mm的微小型铣削机床试验台9，它的主轴转速最高达到150000r/min，图1-4b同为该计划下设计研制的另一台机床试验台，其尺寸为6090100mm，主轴最高转速为320000r/min。两台机床都采用的是闭环反馈控制系统，且都装备了用于测量加工过程中的切削力的测量装置。利用它们对相应材料的加工试验表面，均可以很好的满足加工精度的要求。 （a） (b)图1-4 中间尺度机床Figure.1-4 Intermediate-scale machine
39、2007年韩国Tae Jo Ko等人设计开发了一台可用于单晶硅等脆性材料塑性加工的微型铣削机床。该机床的运动进给平台使用的是压电陶瓷材料，并配备数字转速计对运动速度进行测量；主轴则使用的是气动涡轮主轴，转速达到130000r/min，主轴被设计在气垫上面以减小主轴旋转时的震动。 图1-5 韩国研制的微铣削机床Figure.1-5 Micro-milling machine in Korea其他的微型化机床，如美国麻省理工学院（MIT）和北卡罗来那州立大学（UNC）联合设计研制了利用磁悬浮的六个自由度的超精密微细运动平台，定位精度在水平方向达到0.6nm，在竖直方向上达到1.2nm，其使用了四个
40、交流直线电机作为驱动机构，行程范围是25mm25mm0.1mm，另外该运动平台还配备了反馈控制装置，由三个电容式传感器和激光干涉仪构成。还有墨西哥的Kussul等人应用微型工厂的概念，提出使用低成本的微型化装备制造的微型装置，并通过并行的生产方式来达到了批量生产的目的，1997年研制出第一台样机，2000年又在第一台样机的基础上进行了升级改造13。1.3.2国内微型机床的发展状况国内的微型机床的研究起步较晚，目前与发达国家还有较大的差距。但随着中国的各项高新技术行业的蓬勃发展，尤其是在航天航空和宇航事业方面取得的重大成就，极大地促进了仪器设备往精密化和小型化方向的发展,越来越多的国内大学和研究
41、机构开展了对实现微型尺寸零件加工的研究和微细铣削加工机理方面的研究，也研制出了很多具有自主知识产权的微型化机床，取得了一系列的成果。在2005，三轴卧式微型数控铣床，300mm150mm165mm外部尺寸，诞生在哈尔滨工业大学精密机械研究所13。该机床竖直方向的进给行程为30mm，水平方向的进给形成则为25mm，加工主轴采用日本NSK气动涡流主轴，该主轴最高转速140000r/min，并且转速可调，通过调节空气的压力可以对转速进行相应调节。该机床还配备了一系列的辅助设备，如三维测力传感器和CCD像机，可以进行直槽、薄壁、圆等结构的微细铣削试验。 图1-6 哈工大精密研究所研制微铣削机床Figu
42、re.1-6 Micro-milling machine developed by Harbin Institute of Technology上海交通大学和美国密西根大学吴贤铭等人在分析了微细铣削加工要求和成形条件的基础上，设计研制了一台微观尺度的三轴微型铣削机床，如图4 所示。外部尺寸为270mm190mm220mm，水平和竖直方向的加工量程均为30mm。其定位精度达1.62m，最高转速为120000r/min。图1-7 上海交通大学研制的微铣床Figure.1-7 Micro machine tool by Shanghai Jiaotong University2008年，南京航空航天
43、大学研制成功了一台微细铣削机床，该机床采用龙门结构，运动轴有无刷直线伺服电动机进行驱动，水平工作行程范围为0150mm，竖直进给行程范围0100mm，相对较大的进给行程使得该机床既能用于微小零件的加工，又可进行整体结构大但局部尺寸相对较小的零件的加工14。图1-8 南京航空航天大学研制的微铣削机床Figure.1-8 Micro-milling machine tool developed by Nanjing University of Aeronautics and Astronautics1.4微小型机床控制系统发展趋势早期的运动控制器无需另外的处理器和操作系统的支持，就能独立完成运动控
44、制功能，是可以独立运行的专用的控制器。这类运动控制器一般已根据应用行业工艺要求设计了相关的功能，所以不能离开其特定的工艺要求而跨行业应用，用户也不能根据应用要求来重组自己的运动控制系统。这种运动控制器结构封闭，功能单一，软件移植性、组网通讯能力差，不能满足现代工业和社会发展的要求。针对这种情况，1987年起，世界各国开始研究一种开放式体系结构的数字运动控制系统，即系统要具有互换性、可伸缩性、可移植性、互操作性和可扩展性。首先是美国空军在美国政府资助下发表了著名的下一代控制器NGC(Next Generation Workstation Machine Controller)研究计划，该计划重要
45、内容之一便是提出了“开放系统体系结构标准规格(OSACA)”，目的是要建立一种开放式的控制系统标准，使不同的设计人员可依据规范开发具有互换性和互操作性的控制器部件，打破少数制造商的技术垄断，加快控制系统的发展步伐。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中影响较大的有美国的开放式模块化结构控制器等计划15。“八五”期间，我国广大科研工作者成功地开发了两种数控平台和华中I型、蓝天I型、航天I型、中华I型等4种数控系统，这些系统采用模块化、嵌入式的软、硬件结构。其中以华中I型较具代表性，它采用工业PC机上插接口卡的结构，运行在DOS平台上，具有较好的模块化、层次化特点，具有一定的扩展和伸缩性
46、。但从整体上来说，这些系统还不具备开放性系统的本质特征。近年来，随着运动控制技术的不断进步和完善，运动控制器作为一个独立的工业自动化控制类产品，已经被越来越多的产业领域接受，并且已经达到一个引人瞩目的市场规模。我国在运动控制器及运动控制系统开发方面相对滞后，1999年固高科技有限公司开始开发、生产开放式运动控制器及运动控制系统，随后，国内又有其他几家公司相继进入该领域，如摩信、北京东方嘉宏等16,17。由此可见，我国在运动控制技术的研究和应用方面与美国等发达国家相比还有较大差距。1.5微铣削基础理论1.5.1最小切削厚度（1）最小切削厚度的概念微细切削的切削厚度极小，导致刀具的刃口半径在微细切削的过程中的作用不能忽视，由于工件和刀具之间存在的弹性变形，以及工件材料本省的特性，导致刀具的名义切割厚度与实际切割厚度之间存在差异，也造成了微切削特殊的现象，也即最小切削厚度的存在。（2）最小切削厚度的范围最小切削厚度是指微细铣削的