DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機及控制系統(tǒng)

DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機及控制系統(tǒng),dk7732,數(shù)控,高速,電火花,切割機,控制系統(tǒng) 南華大學機械工程學院畢業(yè)設計（論文） 引言 本次畢業(yè)設計從2005年2月28號開始到本年的六月中旬結束，長達四個月。畢業(yè)設計是一名在校大學生最后的一次也是最重要的一次設計，說其重要主要是因為它將檢驗你在大學生活中所學知識的扎實程度，期間你必須復習所學過的一些課程，學習一些要用到的新的知識，它還將練習你的動手能力，思考能力，創(chuàng)新能力，是你在大學學習生活的一次升華，是一個提升階段，更是走向工作崗位的一次練兵，因此我們都對此極為重視，更是投入了極大的熱情與努力來更好的完成它。 本次設計在顏競成教授的悉心指導下分四個階段按部就班的有條不紊的進行。第一階段是搜集整理階段。在本階段主要是搜集足夠的資料信息并對設計題目進行分析和實地調查，做到心中清楚。本設計其實從2004年元旦就開始了，截止到2004年3月份第一張外觀圖繪制成功為止。第二階段是機械部分設計階段，本階段主要應用大學里面所學到的餓專業(yè)知識來進行運絲機構設計和坐標工作臺的橫向和縱向進給機構設計。另外還要進行儲絲筒的三維零件設計。本階段主要是從三月份到五月份。五月份到六月份則是第三階段：控制系統(tǒng)設計階段。主要進行電器電路設計，包括步進電機驅動設計和脈沖功率放大電路設計。本階段也是一個學習的階段，對自己不太熟悉的領域的一次學習。六月份開始就是最后一個階段：整理復習階段，主要從事前幾個階段的整理溫習，寫說明書。以及畢業(yè)答辯前的各項具體細節(jié)的準備。 所以說每個階段都是十分緊張而有難度的，有些問題是由于設計的難度，有些還是因為自己知識上的欠缺和基礎不扎實造成的?？梢哉f這次畢業(yè)設計是個查缺補漏的機會。尤其是在同學的協(xié)助下，特別是在顏教授的指導下，遇到困難不逃避，主動請教，主動學習，獨立思考提出新方案，困難一個個的解決，才有了本次設計的成功。這次畢業(yè)設計鍛煉了我團體協(xié)作精神和獨立作業(yè)的能力。專業(yè)設計基礎，對自己將來都是一次具有深遠影響的事情。 一、 總體方案設計 (一)總體方案的擬定 1．電火花線切割機床具有定位、縱向和橫向的直線插補功能；還能要求暫停，進行循環(huán)加工等。因此，數(shù)控系統(tǒng)選取連續(xù)控制系統(tǒng)。 2．電火花線切割機床屬于經濟型數(shù)控機床，在保證一定的加工精度的前提下，應簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)應采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 3．根據(jù)電火花線切割機床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和經濟性要求，一般采用8位微機。在8位微機中，MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾能力強，具有很高的性能價格比。因此，可以選擇MCS-51系列單片機擴展系統(tǒng)。 4．根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機控制系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器，I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器；包括光隔離電路和步進電機驅動電路。此外，系統(tǒng)中還應該包括脈沖發(fā)生電路和其它輔助電路。 5．縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲桿螺母副組成，起傳動比應滿足機床所要求的。 6．為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲桿螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙。齒輪副也應有消除齒側間隙的餓機構。 7．采用滾動道軌可以減少道軌見的摩擦阻力，便于工作臺實現(xiàn)精確和微量移動，且潤滑方法簡單。 在上述的基礎上，有條件的還可以進一步實現(xiàn)鉬絲的角度調節(jié)，使加工過程更加細致。 （二）主要技術參數(shù)的確定 技術參數(shù)主要包括運動參數(shù)，尺寸參數(shù)和動力參數(shù)。DK7732電火花線切割機床的主要技術參數(shù)如下： 工作臺行程/mm 500*320 最小切削厚度/mm 30（可調） 加工表面粗糙度Ra/μm 2.5 切割速度/mm/min 100 加工精度/mm 0.015 切割工件最大厚度/mm 300 電極絲移動速度 1.1m/s 電極絲直徑 φ0.1~φ0.2mm 二、 儲絲走絲部件結構設計 （一）儲絲走絲部件運動設計 運絲機構的運動是由絲筒電機正反轉得到的餓。電極通過聯(lián)軸節(jié)與絲筒連接，絲筒裝有齒輪，通過過度齒輪與絲桿上的齒輪齒合。絲桿固定在拖板上，螺母固定在底座上，拖板與底座采用裝有滾珠的V形滾動導軌連接，這樣絲筒每轉一周拖板直線移動相應的距離，因此機床工作前應根據(jù)零件厚薄和精度要求可在0.12mm到0.25mm之間調節(jié)。 1．對高速走絲機構的要求 （1）高速走絲機構的儲絲筒轉動時，還要進行相應的軸向移動，以保證極絲在儲絲筒上整齊排繞。 （2）儲絲筒的徑向和軸向竄動量要小。 （3）儲絲筒要能夠正反向旋轉，電極絲的走絲速度在7~12m/s范圍內無級或有級可調，或恒速轉動。 （4）走絲機構最好與床身相互絕緣。 （5）傳動齒輪副、絲桿副應具備潤滑措施。 2、高速走絲機構的結構及特點 高速走絲機構由儲絲筒組合件、上下拖板、絲桿副、齒輪副、換向裝置和絕緣件等部分組成，如下圖2.1所示 圖2.1DK7732機床的儲絲走絲系統(tǒng)機構結構圖 儲絲筒由電動機通過聯(lián)軸器帶動實現(xiàn)正反向轉動。儲絲筒另外一端通過二對齒輪減速后帶動絲桿。儲絲筒、電動機、齒輪都安裝在兩個支架上。支架及絲桿則安裝在拖板上，調整螺母安裝在底座上，拖板在底座上來回運動。螺母具有消除間隙的副螺母和彈簧，齒輪及絲桿螺距的搭配為設旋轉一圈拖板移動0.25mm，所以該儲絲筒適用于φ0.25mm以下的鉬絲。 儲絲筒運轉時應平穩(wěn)，無不正常振動。滾筒外圓振擺應小于0.03mm，反向間隙應小于0.05mm，軸向竄動應完全徹底消除。 高頻電源的負端通過碳刷送到儲絲筒的尾部，然后傳到鉬絲上，碳刷應保持良好接觸，防止機油或其它贓物進入。 儲絲筒本身作為高速正反向轉動，電機、滾筒及絲桿的軸承應定期拆洗并加潤滑脂，換油期限可根據(jù)使用情況具體決定。其余中間軸、齒輪、三角導軌及絲桿、螺母等每班應注油一次。 （1）儲絲筒旋轉組合件 儲絲筒旋轉組合件主要由儲絲筒、聯(lián)軸器和軸承組成。 ①儲絲筒 儲絲筒是電極絲穩(wěn)定移動和整齊排繞的關鍵部件之一，一般用45號鋼制造。為了減少轉動慣量，筒壁應盡量薄，按機床規(guī)格的不同，選用的范圍一般為1.5~5mm。為進一步降低轉動慣量，也可選用鋁鎂合金材料制造。儲絲筒壁厚要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般R為0.8μm。為保證絲筒組合件動態(tài)平衡，應嚴格控制內孔、外圓對支撐部分的同軸度。儲絲筒與主軸裝配后的徑向跳動量應不大于0.01mm。一般裝配后，以軸的兩端中心孔定位，重磨儲絲筒外圓和與軸承配合的軸徑。 ②聯(lián)軸器 走絲機構中運動組合件的電極軸與儲絲筒中心軸，一般不采用整體的長軸，而是利用聯(lián)軸器將二者聯(lián)在一起。由于儲絲筒運轉時頻繁換向，聯(lián)軸器瞬間會受到正反向的剪切力，但由于這個力不大，且儲絲筒中心軸與電極軸有較高的同軸度要求。所以本設計采用YLD6剛性聯(lián)軸器。 （2）上下拖板 走絲機構的上下拖板一般有下面二種滑動導軌。 ①燕尾型導軌，這種結構緊湊，調整方便。旋轉調整桿帶動塞鐵，可改變導軌副的配合間隙。但該結構制造和檢驗比較復雜，剛性較差，傳動中摩擦損失也較大。 ②三角、矩形組合式導軌，如下圖所示。導軌的配合間隙由螺釘和墊片組成的調整環(huán)節(jié)來調整。本設計采用三角、矩形組合式導軌。如下圖2.2 圖2.2 三角矩形組合式導軌 由于儲絲筒走絲機構的上拖板一邊裝有運絲電動機，儲絲筒軸向兩邊負荷差較大。為保證上拖板能平穩(wěn)的往復移動，應把下拖板設計的較長以使走絲機構工作時，上拖板部分可始終不滑出下拖板，從而保證拖板的剛度、機構的穩(wěn)定性及運動精度。 （3）齒輪副和絲桿副 走絲機構上拖板的傳動鏈是由2級減速齒輪副和一組絲桿副組成，它使儲絲筒在轉動的同時，作相應的軸向位移，保證電極絲整齊的排繞在儲絲筒上。 在本次設計線切割機中，走絲機構是常是通過配換齒輪來改變儲絲筒的排絲筒的排絲距離，以適應徘繞不同直徑的電機絲的要求。 絲桿副一般采用軸向調節(jié)法來消除螺紋配合間隙。為防止走絲電機換向裝置的失靈，導致絲桿副和齒輪副的損壞，在齒輪副中，可選用尼龍代替部分金屬齒輪。這不但可以在電機換向裝置失靈時，由于尼龍齒輪先損壞，保護絲桿副與走絲電機，還可以減少噪聲。但是由于要照顧專業(yè)知識的復習，所以決定選用傳統(tǒng)的金屬材料制造。 （4）線架、導輪部件結構 線架與走絲機構組成了電極絲的運動系統(tǒng)。線架的主要功能是在電極絲按給定線速度運動時，對電極絲起支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺平面保持一定的幾何角度。對線架的要求是： ①具有足夠的剛度和強度，在電極絲運動（特別是高速走絲）時，不應出現(xiàn)震動和變形； ②線架的導輪有較高的運動精度，徑向偏擺和軸向竄動不超過0.005mm； ③導輪與線架本體、線架與床身之間有良好的絕緣性能； ④導輪運動組合件有密封措施，可防止帶有大量放電產物和雜質的工作液進入導輪軸承； ⑤線架不但能保證電極絲垂直于工作臺面，在具有錐度切割功能的機床上，還具有能使電極絲按給定要求保持與工作臺平面呈一定角度的功能。 線架按功能可以分為固定式、升降式和偏移式三種類型：按結構可分為懸臂式和龍門式兩種類型。 懸臂式固定線架主要由線架本體、導輪運動組合件及保持器等組成。 （1） 線架本體結構 中、小型線切割機床的線架本體常采用單拄支撐、雙臂懸梁式結構。由于支撐電極絲的導輪位于懸臂的端部，同時電極絲保持一定張力，因此應加強線架本體的剛度和強度，使線架的上下懸臂在電極絲運動時不致振動和變形。 為了進一步提高剛度和強度，在上下懸臂間增加加強筋結構。有的機床的線架本體有的采用龍門結構。這時，工作臺拖板只沿一個坐標方向運動，另一個坐標方向的運動通過架在橫梁上的線架拖板來實現(xiàn)。 此外，針對不同厚度的工件，還有采用絲臂張開高度可調的分離式結構，如下圖2.3所示。活動絲臂在導軌上滑動，上下移動的距離由絲桿副調節(jié)。松開固定螺釘時，旋轉絲桿帶動固定于上絲臂體的絲母，使上絲臂移動。調整完畢后擰緊固定螺釘，上絲臂位置固定下來。為了適用線架絲臂張開高度的變化，在線架上下部分應增設副導輪，如下圖2.4所示： 圖2.3 可調式線架本體結構 圖2.4 可移動絲臂 （2） 導輪部件結構 1）導輪是本機床關鍵零件，關系到切割質量，對導輪運動組合件的要求如下。 ?、賹л哣形槽面應有較高的精度，V形槽底的圓弧半徑必須小于選用的電極絲半徑，保證電極絲在導輪槽內運動時不產生軸向移動。 ②在滿足一定強度要求下，應盡量減輕導輪的質量，以減少電極絲換向時的電極絲與導輪間的摩擦。導輪槽工作面應有足夠的硬度，以提高其耐磨性。 ③導輪裝配后轉動應輕便靈活，應盡量減少軸向竄動和徑向跳動。 ④進行有效的密封，以保證軸承的正常工作條件。 2）導輪運動組合件的結構 導輪運動組合件的結構主要有三種；懸臂支撐結構、雙支撐結構和雙軸尖支撐結構。 懸臂支撐結構簡單，上絲方便。但是因為懸臂支撐，張緊的電極絲運動的穩(wěn)定性較差，難于維持較高的運動精度，同時也影響導輪和軸承的使用壽命。 雙支撐結構為導輪居中，兩端用軸承支撐，結構復雜，上絲麻煩。但是此種結構的運動穩(wěn)定性較好，剛度較高，不容易發(fā)生變形及跳動。 雙軸尖支撐結構。導輪兩端加工成30錐形軸尖，硬度在RC60以上。軸承由紅寶石或錫磷青銅制成。該結構易于保證導輪運動部件的同軸度，導輪軸向竄動和徑向跳動量可以控制在較小的范圍內。缺點是軸尖運動副摩擦力大，易于發(fā)熱和磨損。為補償軸尖運動副的磨損，利用彈簧的作用力使運動副良好接觸。 通過比較以上三種結構的特點，可以看出第二種結構比較適合作為DK7732高速走絲電火花線切割機床的導輪結構。 3）導輪的材料 為了保證導輪軸徑與導向槽的餓同軸度，一般采用整體結構。導輪要求使用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以選用硬質合金或陶瓷材料制造導輪的鑲件來增強導輪V形工作面的耐磨性和耐蝕性。 4）導輪組合件的裝配 導輪組合件裝配的關鍵是消除滾動軸承中的問題，避免滾動體與套杯工作表面在負荷作用下產生彈性變形，以及由此引起的軸向竄動和徑向跳動。因此，常用對軸承施加預負荷來解決。通常是在兩個支撐軸承的外環(huán)間放置一定厚度的定位環(huán)來獲得預負荷。預加負荷必須選擇得當，若軸承受預加負荷過大，在運轉時會產生急劇磨損。同時，軸承必須清洗得很潔凈，并在顯微鏡下檢查滾道內是否有金屬粉末、炭化物等，軸承經清洗、干燥后，填以高速潤滑脂，起潤滑和密封作用。 （二）儲絲走絲部件主要零件強度計算 1．齒輪傳動比的確定 鉬絲絲距選擇0.25mm，儲絲筒每轉一周，拖板帶動儲絲筒移動0.25mm，絲桿螺距選擇為3mm。 所以儲絲筒與絲桿見齒輪的傳動比為： u==1：12； 采用二級齒輪傳動，取u=1：4；u=1：3。 （1）齒輪齒數(shù)的確定 取Z=15；由于齒輪齒根與軸上鍵的距離不能為零。 即-（d+t）>2m 由d=16mm查設計手冊得： t=2.3mm； 而d=-2h =（Z-2ha-）m =（15-2-0.5）m =12.5m 代入上式得：12.5/2m-（16+2.3）/2>2m 取m=2； 又有Z=4Z=60 所以 =mZ=2×15=30mm =mZ=2×60=120mm 取Z=25；同理可得： 取m=3； 又有Z=3Z=75 所以 =mZ=3×25=75 =mZ=3×75=225 齒輪1，2中心距 a=（30+120）/2=75mm 齒輪3，4中心距 a=（75+225）/2=150mm 參考書籍《機械設計》 取 b=0.5d=0.5×30=15mm 其他數(shù)據(jù)如下 da=（Z＋2ha）m =（15+2×1）×2 =34mm da=124mm da=81mm da=231mm dr=（Z－2ha－2c）m =（15-2×1－2×0.25）×2 =25mm dr=115mm dr=67.5mm dr=217.5mm 1）傳動件的估算 根據(jù)公式 d=91mm 其中 N——該傳動軸的輸入功率 N=N 其中 N——電機頜定功率 η——從電機到該轉動軸之間傳動件的傳動效率的乘積 n——該轉動軸的計算轉速r/min 計算轉速n是傳動件能傳遞全部功率的最低轉速 [φ]——每米長度上允許的扭轉角（deg/m） 取　η=0.995，N=0.55kw N= Nη =0.55×0.995 =0.54725kw n=1390r/min d=91 =10.2mm 4.齒輪模數(shù)估算 齒輪彎曲疲勞估算： m32 =32× =1.039mm 齒面點蝕估算： A370 =370 =49.28mm 其中n為該轉動軸的計算轉速r/min，A為齒輪中心距 中心距A及齒數(shù)Z、Z求出模數(shù) m= = =1.31 取較大的那個模數(shù)，在這個設計中，第一對齒輪傳動取 m=2mm 第二對齒輪傳動取 m=3mm 5.齒輪模數(shù)的驗算 根據(jù)接觸疲勞計算齒輪模數(shù)公式為 m=16300mm 式中： N——計算齒輪傳遞的頜定功率 N=ηNkw n——計算齒輪（小齒輪）的計算轉速r/min ψ——齒寬系數(shù)，ψ=b/m，ψ常取6～10 Z——計算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動中最小的齒輪的齒數(shù) ——大小齒輪的齒數(shù)比 =，“+”用于外齒合，“-”用于內齒合； k——壽命系數(shù)，k=； ——工作期限系數(shù)，= 齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的疲勞曲線指數(shù)m和基準循環(huán)次數(shù)C n——齒輪的最低轉速r/min T——預定的齒輪工作期限，中型機床推薦T=15000～20000h ——轉速變化系數(shù) ——材料強化系數(shù)，幅值低的交變載荷可使用金屬材料的晶粒邊界強化，起著阻止疲勞細縫擴展的作用； ——功率利用系數(shù) ——工作情況系數(shù) ——載荷系數(shù) ——齒向載荷分布系數(shù) Y——齒形系數(shù) [σ]、[σ]——許用彎曲接觸能力 查表可得：=1.2，=1.2，=1.15 = = =×0.78×0.51×0.60 =0.91 N=0.54725kw，ψ=10，[σ]=600MPa 則 =16300mm =1.625mm 根據(jù)彎曲疲勞計算齒輪計算模數(shù)公式為： =275mm =275 =0.063mm = = =×0.89×0.70×0.75 =0.554 所以m=2符合要求 同理m=3也符合要求 （三）儲絲走絲部件主要零件強度驗算 1．齒輪強度的驗算 齒輪危險截面的彎曲強度條件公式 σ= k——載荷系數(shù) k= φ——齒寬系數(shù)，取0.5 k——使用系數(shù)，取1 k——載荷系數(shù)，取1.05 ——齒間載荷分配系數(shù)，=1.0，=1.0 ——齒向載荷分布系數(shù) ——小齒輪傳遞的轉距 =95.5×10 =95.5×10×0.55/1390 =3.78×10N·mm =1.11+0.18（1+6.7）+0.15×10b =1.11+0.18（1+6.7×0.25）×0.25+0.15×0.001×0.5 =1.23045 K=1×1.05×1.0×1.6 =1.218 查得：b/h=23/4.5 =5.11 =1.16 ——載荷作用與齒頂時齒形系數(shù) ——載荷作用與齒頂時應力校正系數(shù) 查表得：=2.69，=1.575 則 = =18.4MPa N=60njL =60×1390×1×20000 =1.668× s——疲勞強度安全系數(shù) s=～1.5 K——壽命系數(shù) （） ——齒輪的疲勞強度 =340MPa =520MPa [=272MPa 所以 其中： Z——區(qū)域系數(shù) Z——彈性影響系數(shù) K=1×1.05×1.0×1.23045 =1.29 =259.89 []=520MPa 所以 因此，所設計的齒輪1、2也滿足齒面接觸疲勞強度要求 同理也可得到所設立的齒輪3、4也滿足齒面接觸疲勞強度要求 齒輪設計合格 2．主軸的驗算 按彎扭合成應力校核軸的強度： 根據(jù)軸的結構圖作出軸的計算簡圖，如圖2.5（a）。并分別作出水平方向和垂直方向的彎矩圖，如圖（b），（c），以及扭矩圖，如圖（d）。 軸的結構圖與彎矩圖 先計算軸上的載荷： N·m 齒輪的分度圓直徑為： 252N 從軸的結構圖以及彎矩和扭矩圖中可以明顯的看出截面B是危險截面。先將計算出的截面C處的及M的值列于下表2.1 表2.1 應力計算表 載荷 水平面H 垂直面V 支反力F 彎矩M 總彎矩 扭矩 軸的計算應力： 如表2.1中數(shù)值得： 前已經選定的軸的材料為45號鋼，調質處理 查得 因此 ，故安全 （四）主軸組件結構設計 1．軸承的配置形式 一般來說數(shù)控機床的主軸結構的軸承有以下幾種配置形式： （1）前后支承均采用雙列短圓柱磙子軸承來承受徑向載荷，安裝在前斷的兩個推力球軸承來承受前后方向的軸向負載。這種結構能承受較大的負載（特別是軸向負載），可適應強力切削，但主軸轉速不能太高，軸承在高轉速時容易發(fā)熱。由于推力球軸承軸承安裝在主軸的前端，當主軸旋轉時前軸承和后軸承溫度差較大，熱變形對主軸精度影響也較大。前軸承溫度高，主軸前端升高量大，后軸承溫度低，主軸末端升高量小，因此，這種機構目前應用較小。 （2）前后支承用雙列短圓柱磙子軸承來承受徑向負荷，用安裝在主軸前端的雙向向心推力球軸承來承受軸向負載。這種結構剛性較好。 （3）前軸承用單列向心推力球軸承，背靠背安裝，由2到3個軸承組成一套，用以承受徑向和軸向負載；后軸承用雙列短圓柱磙子軸承。這種結構適應較高轉速、較重切削負載，主軸精度較好。但所承受的軸向負載較前兩種結構小。 （4）前后支承采用成組單列向心推力球軸承，用以承受徑向和軸向負載。這種結構適應高轉速，中等負載的數(shù)控機床。在中、小規(guī)格的數(shù)控機床上采用這種機構較多。 本設計主軸所采用的軸承支承方式為第四種。 2．主軸組件的調整和預緊 滾動軸承的預緊是采用適當?shù)姆椒ㄊ菨L動體和內外套圈之間產生一定的預變形而帶伏負游隙運行。預緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉精度，延長軸承壽命。 按預載荷的方向可分為軸向預緊和徑向預緊。 而角接觸球軸承主要是軸向預緊，這可明顯提高軸向剛度。 三、進給傳動設計 （一）進給傳動運動設計 1．脈沖當量和傳動比的確定 （1）脈沖當量的確定 目前，常用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。步進電機每轉一轉傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，每個脈沖代表電機一定脈沖，每個脈沖代表電機一定的轉角。步進電機是一種電脈沖控制的特種電機，對于每一個電脈沖步進電機都將產生一個恒定的步進角位移，每一個脈沖或每步的轉角稱為步進電機的步距角，可由選用的步進電機型號從技術數(shù)據(jù)表中查出。 因此，每脈沖代表電機一定的轉角，這個轉角經齒輪副和滾珠絲桿使工作臺移動一定的距離。每個脈沖所對應的執(zhí)行件（如工作臺0的移距，稱為脈沖當量或分辨率，記為，單位mm/脈沖。 應根據(jù)機床或工作臺進給系統(tǒng)所要求的定位精度來選定脈沖當量?？紤]到機床傳動系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當量必須大于定位精度值。此次設計的電火花成型機床定位精度的設計要求是，根據(jù)該精度要求可確定脈沖當量為。 （2）傳動比的確定 設傳動副的餓傳動比為，若為一級傳動，則， 為主動齒輪的轉速和齒數(shù)，為從動齒輪的轉速和齒數(shù)。若為多級傳動，則為總傳動比。 對于步進電機，當脈沖當量確定，并且滾珠絲桿導程（mm）和電機步距角都也以初步選定后，則可用下式計算主軸系統(tǒng)的傳動比 = =1 （二）滾珠絲桿螺母副的型號選擇和滾珠絲桿的選型和校核 1．滾珠絲桿螺母副的型號選擇 （1）最大工作載荷計算 滾珠絲桿上的工作載荷是指滾珠絲桿副在驅動工作臺時滾珠絲桿所承受的軸向力，也叫做牽引力。它包括滾珠絲桿的走刀抗力及與移動體中立和作用于道軌上的其它切削分力相關的摩擦力，可用下列實驗公式進行計算。 對于矩形道軌 式中： ——工作臺進給方向載荷 ——工作臺垂直載荷 ——工作臺橫向載荷 G——移動部件的重力 K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù) F——考慮顛覆力矩影響的摩擦系數(shù) 對于滾動導軌；f=0.0025～0.005 由于電火花線切割是電極絲放電進行加工，可以認為近似為零 所以； 取 Kg（估算） =fG=10000.005=5 (2)最大動載荷C的計算及主要尺寸初選 滾珠絲桿應根據(jù)斷定動載荷選用，最大動載荷計算原理與滾動軸承相同。 滾珠絲桿的最大動載荷應用下式計算： 式中：L——工作壽命，單位10 n——絲桿轉速，單位r/min v——最大切削力條件下進給速度，單位m/min ——絲桿基本導程，單位mm t——頜定使用壽命，單位h，可取t=15000h ——運轉狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1～1.2，一般情況1.2～1.5 所以 = =11.96 n=1000v/ =1000×100×0.001/5 =20r/min L=60nt/ = =105.12（） C= = =33 根據(jù)以上計算選取CBM3205—5（《機械設計師手冊》上） 2．滾珠絲桿的選型和校核 滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結構，在根據(jù)載荷、轉速等條件選定合適的尺寸型號并向有關廠家訂購。此次設計中，滾珠絲桿被三次選用，故在這里只選取其中最重要的主軸傳動中德望滾珠絲桿加以設計和校核。其步驟如下： 首先對于一些參數(shù)說明如下： 軸向變載荷（N），其中表示第個工作載荷，=1、2、3、4…n； 第個載荷對應的轉速（r/min） 第個載荷對應的工作時間（h）； 絲桿副最大移動速度； 絲桿預期壽命； （1）型號選擇 1）根據(jù)使用和結構要求 選擇滾道截面形狀，查得螺母的循環(huán)方式和預緊方式； 2）計算滾珠絲桿副的主要參數(shù) ①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0，系數(shù)=1.5； ②計算當量轉速 = =2000 ③計算當量載荷 =2333N ④初步確定導程 = =2.5mm 取 ⑤計算絲桿預期工作轉速 =120000 ⑥計算絲桿所需的頜定載荷 =1×2333×10 =1151N 3）選擇絲桿型號 ①根據(jù)初選的和計算的，選取導程為5mm，頜定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預緊、導珠管埋入式系列滾珠絲桿。 ②臨界轉速校核 =12× =12× =5970r/min 而最大工作轉速 =4000<0.8=4776 校核合格。 ③滾珠絲桿的預緊 預緊力（）一般取當量載荷的三分之一或頜定動載荷的十分之一。即： =778N 其相應的預緊轉矩 = =0.16N (三)步進電機的選用 步進電動機又稱為脈沖電動機，是一種把電脈沖信號轉換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點：①轉速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負載能力允許的范圍內，不因電源電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調，能夠快速啟動、制動和反轉；④定位精度高、同步運行特性好。 數(shù)控電火花成型機的動力系統(tǒng)要求電動機定位精度高，速度調節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且頜定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進電動機為反應式步進電動機，具備以上的所有條件，我們選用的型號90BF004的電動機作為主運動的動力源。 選用時主要有以下幾個步驟： 1．根據(jù)脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號 （1）步距角 初選步進電機型號，并從手冊中查到步距角，由于 綜合考慮，我初選了可滿足上式的要求。 （2）矩頻特性 步進電機最大靜轉矩是指電機的定位轉矩。步進電機的名義啟動轉矩與最大靜轉矩的關系是； 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算： 式中： ——空載啟動力矩； ——空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩； ——空載時折算到電機軸上的摩擦力矩； ——由于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩； 而且初選電機型號時，應滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電動機名義啟動轉矩，即： 計算的各項力矩如下： ①加速力矩 = =1.8×10 = =0.519N/m ②空載摩擦力矩 =0.6 ③附加摩擦力矩 = = =0.519+0.6+1.222 =2.341 =0.951×25 =23.775 2．啟動矩頻特性校核 步進電機有三種工況：啟動、快速進給運動、工進運行。 前面提出的，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。 突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少見。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。 （四）進給機構的支承設計 1.絲桿的支承形式 滾珠絲桿的支承和支承方式將影響絲桿副的剛度，因此，對運動精度要求高時應審慎的加以選擇。常見的支承形式有以下幾種： ①絲桿一端安裝兩個深溝球軸承或者角接觸軸承或者圓錐滾子軸承的稱為固定支承；螺母相當于固定支承。 ②安裝一個深溝球軸承或者角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承的鉸支承；因此絲桿的支承方式有兩端固定；一端固定，一端鉸支；一端固定，一端自由等幾種； 本設計采用的是兩端固定的支承。 2.螺桿的支承方式 螺桿的支承方式有以下四種： （1）雙推自由支承： 將兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承裝在一端，另一端自由。 特點：適用于短螺桿。 （2）雙推支承 將兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承裝在一端，另一端裝一個或兩個深溝球軸承。 特點：螺桿水平安裝時，可減少或避免因自重產生的彎曲或高速運轉時，自由端的晃動。 適用于長螺桿。 （3）單推單推或雙推單推 兩端各安裝一個方向相反的推力球軸承和一個深溝球軸承或一端裝兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承，另一端裝一個推力球軸承。 特點：可預拉伸螺桿，以減少或消除螺桿水平安裝時，因自重產生的彎曲，當軸承預緊力大于螺桿載荷的1/3時，螺桿拉壓剛度可提高四倍，且不會承受壓力，無失穩(wěn)現(xiàn)象。 （4）雙推雙推 兩端各安裝兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承。 特點：優(yōu)點與單推單推式相同，當超過預計溫度時，不會因螺桿伸長使軸承產生間隙。 缺點：調整較復雜。 四 電氣系統(tǒng)控制 電氣系統(tǒng)主要由高頻脈沖電源、直流電源和電氣控制系統(tǒng)組成。高頻脈沖電源是進行線電極切割的能源。直流電源主要是24v直流源驅動步進電機用。電氣控制系統(tǒng)主要是控制工作液泵電機和儲絲筒電機等用。 （一）高頻脈沖電源 高頻脈沖電源又稱脈沖電源，其作用是把工頻50Hz的交流電轉換成幾百赫茲的高頻的單向脈沖電源，為高速旋轉的線切割機提供一系列不同脈寬的矩形脈沖。 線切割機床電子控制系統(tǒng)主要是高頻脈沖電源電路，它是線切割機床的重要部分，用高頻脈沖使得電極絲與工件產生火花放電，對工件進行電腐蝕加工。通過調節(jié)高頻脈沖使工件滿足加工精度的要求。高頻脈沖電源整流電路、主振電路、脈寬調節(jié)電路、功率放大電路等組成。主振電路中有數(shù)字振蕩電路和模擬振蕩電路及分立元件電路。新型機床的功率放大電路主要是在功率管選取上有改進，從普通的三極管功放到大功率、低功耗管和場效應管及功率模塊均有不同，但是實際加工生產用的機床大多數(shù)采用的還是早期的電路，技術改造也著重在控制器部分，均采用具有微機控制系統(tǒng)、輸入鍵盤器和數(shù)控顯示器LED或LCD的設備。 DK77型線切割機床脈沖電源原理。 該電源主要是由整流電路、主振電路和功放電路組成。整流電路由變壓器將三相380v電壓轉變?yōu)槿?2v和三相7v電壓，通過二極管進行整流。電路形式是三相全波整流電路，為脈沖電源提供100v直流電壓和10v直流電壓，功給功放電路和工作電路電源。 （二）數(shù)字控制系統(tǒng)設計 數(shù)控系統(tǒng)總體方按的擬定 機電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對象主要包括各種機床，如車床、銑床等等?？刂葡到y(tǒng)的基本組成如下圖4.1所示 機 床 步進電機 步進電機 微 機 通信接口 開關量控制電路 軟件 主軸電動機 主運動驅動電路 圖4.1控制系統(tǒng)框圖 具體微機控制系統(tǒng)是一MCS-51系列高檔八位單片機為核心，采用8032cpu芯片。存儲器也采用了較大的容量的存儲器，用來存放控制程序及擴展程序的EPEOM采用了256k容量27256芯片，用來存放輸入加工圖形程序的RAM采用了256k容量的62256芯片，以增強微機的功能。接口電路使用了可編程并行接口電路芯片8255，顯示部分采用了數(shù)碼管來顯示參數(shù)，鍵盤輸入和輸出顯示由鍵盤/顯示接口電路芯片8279來控制。具體系統(tǒng)組成圖如下圖4.2： 圖4.2線切割機微機控制系統(tǒng)組成 (三)數(shù)控系統(tǒng)硬件的電路設計 1.單片機設計 單片機通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生產的，在它上面集成的是一些作為基本組成部分的運算電路、控制器電路、存儲器、中斷系統(tǒng)、定時器/計數(shù)器以及輸入/輸出口電路等。但一個單片機芯片并不能把計算機的全部電路都集成到其中，有些元件如復位電路的石音晶體、電阻、電容等只能以散件的形式出現(xiàn)。此外，在實際的控制應用中，常常需要擴展外圍電路和外圍芯片。 通常所說的單片記系統(tǒng)都是為實現(xiàn)某一控制應用需要由用戶設計的，是一個圍繞單片機芯片而組建的計算機應用系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)中， 單片機處于核心地位，是構成單片機系統(tǒng)的硬件和軟件基礎。 （1）MCS-51系列單片機的設計 MCS-51系列單片機的所有產品都含8051除程序存儲器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源。（程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、i/o口、定時/計數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設計中，我們采用的是8031，8031可尋址64kb字節(jié)程序存儲器和64kb字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器。內部沒有程序存儲器，必須外接EPROM程序存儲器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分三部分。 1）電源及時鐘引腳 此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時鐘引腳XTAL1、XTAL2。 電源引腳接入單片機的工作電源。 Vcc（40腳）：接+5v電源。 Vss（20腳）：接地。 時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內的反相器構成一個振蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。 XTAL1（19腳）：接外不晶體的一個引腳。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端。當采用外接晶體振蕩器時，此引腳應接地。 XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機內部接至反相放大器的輸入端。若采用外部振蕩器時，該引腳受振蕩器的信號，即把信號直接接至內部時鐘發(fā)生器的輸入端。 2）控制引腳 它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此內引腳提供控制信號，有些引 RST/VPD（9引腳）：當振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的高電平將使單片機復位（RST）。復位后使此引腳電平為≤０.５v的低電平，以保證單片機正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（vpd）以保持內部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當Vcc于規(guī)定值，而VPD定的電壓范圍內((5±０.５))時，ＶＰＤ就向內部提供電源。 3）輸入/輸出管腳 P0.0~0.7(32~39腳) p0是個8位漏極開路型雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它是分時多路轉換的地址和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內部的上拉電阻。在EPROM編程時，它接收指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。Po能以吸收電流的方式驅動8個LSTTL輸入。 P1.0~p1.7(1~8腳) p1是個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O接口。對EPROM編程2的證時，它接收低8位地址。P1能驅動4個LSTTL輸入。在8032/8052中，p1.0還相當于專用功能端T2，即定時器記數(shù)觸發(fā)輸入端。P1.1還相當于專用功能端T2EX，即定時器T2 的外部控制端。 P2.0~p2.7（21~28腳）p2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O接口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗證期間，它接受高位地址。P2可以驅動4個LS TTL輸入。 P3.0~p3.7 （10~17腳）p3是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O接口。在MCS-51中，這8個管腳還用于專門功能，p3能驅動4個LSTTL輸入。 (2)MCS-51單片機的時鐘電路 時鐘電路是計算機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。MCS-51片內有一個反相放大器，XTAL1、XLAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構成了一個自激振蕩器，產生的時鐘送去單片機內部的各個部件。單片機的時鐘產生方式有內部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多單片機應用系統(tǒng)采用內部時鐘方式。 最常用的內部時鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振器回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同，如下圖所示： MCS-51單片機允許的振蕩晶體可在1.2MHz～24MHz之間可以選擇，一般取11.0592MHz。電容C1、C2的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20pF～100pF之間選擇，一般當外接晶體時典型取值為30pF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47Pf，取60F～70pF時振蕩器有 XTAL2 MCS51 XTAL1 內部時鐘方式的時鐘電路 較高的頻率穩(wěn)定性。 在設計印刷電路板時，晶體或陶瓷諧振器和電容應盡量靠近單片機XTAL1、XTAL2引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠工作，為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用NPO電容。 （3）MCS-51單片機的復位電路 計算機在啟動運行時都需要復位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS-51單片機有一個復位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當振蕩器起振后，該引腳出現(xiàn)兩個機器周期（即24個時鐘周期）以上的高電平，使器件復位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復位狀態(tài)。此時ALE、、P0、P1、P2、P3口都輸出高電平。RST變低電平后，退出復位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復位操作不影響片內的內容。 MCS-51單片機通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。通常因為系統(tǒng)運動等的需要，常常需要人工按鈕復位，如下圖： +5V RST MCS-51 GND 上電按鈕復位電路 對于CMOS型單片機因RST引腳的內部有一個拉底電阻，故電阻可不接。單片機在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個機器周期以上的高電平（因為振蕩器從起振到穩(wěn)定大約要10ms），就能使單片機有效復位。當晶體振蕩頻率為12MHz時，RC的典型值為。簡單復位電路中，干擾信號易串入復位端，可能會引起內部某些寄存錯誤復位，這時可在RST引腳上接上一去耦電容。 上圖那上電按鈕復位只需將一個常開按鈕開關并聯(lián)于上電復位電路，按下開關一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機復位。 2．系統(tǒng)擴展 系統(tǒng)擴展包括存儲器的擴展、輸入輸出接口芯片的擴展。其中存儲器的擴展包括數(shù)據(jù)存儲器的擴展和程序存儲器的擴展。 （1）程序存儲器的擴展 MCS-51系列單片機的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間是相互獨立的。程序存儲器尋址空間為64kb（000H~0FFFFH）,其中8051、8751片內有4kbROM或EPROM，8031片內不帶ROM .當片內ROM 不夠或采用8031芯片時，需擴展程序存儲器。用作程序存儲器的器件是EPROM和EEPROM,常采用EPROM。 MCS-51單片機擴展外部程序存儲器的硬件電路。如下圖4.3 圖4.3 MCS-51單片機程序存儲器的擴展原理圖 由于MCS-51單片機的p0口是分時復用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進行程序存儲器擴展時，必須用地址瑣存器瑣存地址信號。通常地址瑣存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282，也可用帶清除端的八D鎖存器74LS273，常用74LS373。當用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存端G可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進行地址鎖存。 根據(jù)應用系統(tǒng)存儲器容量要求的不同，常用的擴展芯片包括EPROM2716 、2732A。等。以上均為單一+5v供電，維持電流為35A~40mA，工作電流為75mA~100mA，讀出時間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0~A15是地址線，不同的芯片可擴展的存儲器容量的大小不同，因此提供高八位地址的p2端口線的數(shù)量各不同，故2716為A0~A10，D0~D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。 根據(jù)程序存儲器擴展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373對8031單片機進行程序存儲器擴展，其連接圖見下圖4.4 圖4.4 8031擴展EPROM2764A的連接圖 因為2764A 是8kb容量的EPROM，故選用到了13根地址線，A0~A12。由于系統(tǒng)中只擴展一片程序存儲器EPROM，故可將片選端CE接地。同時，8031運行所需要的程序指令來自2764A，要把其EA端接地。否則，8031將不會運行。 電擦除可編程只讀存儲器EEPROM是新推出來的產品。其主要的特點是能在計算機系統(tǒng)中進行在線修改，并且在斷電的情況下保持修改結果。因此，自從EEPROM出現(xiàn)來，它得到了廣泛的應用。 （2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展 8031單片機內部有128字節(jié)RAM存儲器。CPU對內部具有豐富的操作指令。但在用于實時數(shù)據(jù)采集和處理時