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畢業(yè)設計（論文）任務書
學 院： 機械工程學院
題 目： DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切
割機及控制系統(tǒng)設計
起止時間： 2005年2月18日至2005年6月18日
學 生 姓 名：方繼武
專 業(yè) 班 級：機械設計制造及其自動化011班
指 導 老 師：顏競成（教授）
教研室主任：
院 長：
2005年2月18日
（一） 設計內(nèi)容：
1. 調(diào)查研究電火花線切割機的加工特點，確定新設計電火花線切割機的主要技術參數(shù)。
2. 進行數(shù)控電火花線切割機總體方案及控制系統(tǒng)總體方案設計。
3. 完成電火花線切割機的機械結構設計。
4. 完成控制系統(tǒng)硬件和軟件。
（二） 任務和要求：
1. 根據(jù)總體設計方案，繪制出數(shù)控電火花線切割機總圖一張（A0手工圖）。
2. 進行運絲系統(tǒng)的運動計算、強度計算和動力計算，繪制出運絲系統(tǒng)機構結構圖一張（A0計算機圖）。
3. 進行坐標工作臺的運動和強度計算，繪制出坐標工作臺縱向（X方向）、橫向（Y方向）或運絲拖板（U、V）進給機構部裝圖一張（A1計算機圖一張）。
4. 根據(jù)控制系統(tǒng)總體設計方案，繪制出控制系統(tǒng)電路圖一張（A0計算機圖）。
5. 繪制出線切割機電器電路圖一張（A0計算機圖）
6. 繪制出儲絲筒或滾珠絲杠零件圖一張（A1三維計算機圖）。
7. 科技譯文（不少于3000漢字）
8. 編寫畢業(yè)設計說明書一套（不少于一萬字，有英文摘要，有程序清單、全部用計算機打出）。
摘 要：我國工業(yè)技術飛速發(fā)展的新形勢下急需大力發(fā)展模具加工技術，而數(shù)控線切割加工技術正是模具加工工藝領域中的一種關鍵技術。采用數(shù)控線切割方法可直接切割出零件，大大縮短了研制周期，并降低了成本。數(shù)控線切割加工技術是一項跨越機械、電子及計算機應用等多個學科的新技術。線切割加工是采用電極絲與工件之間進行脈沖放電，在放電通道中以高溫蝕除應切割的材料。同時工件在工作臺上以步進電機在單片機的控制下按指定的程序格式運行從而加工出不同形狀的零件。固然數(shù)控線切割機床總體必由多個部件組成：機械走絲部件、工作臺運轉(zhuǎn)部件、脈沖電源發(fā)生部件、微機控制部件、顯示部件，最后是任何機床具有的潤滑系統(tǒng)。
關鍵詞：單片機、脈沖電源、脈沖放電、走絲。
（論文）開題報告
設計（論文）題目
DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機及控制系統(tǒng)
設計（論文）題目來源
自選課題
設計（論文）題目類型
工程設計類
起止時間
2005年2月28日至2005年6月9日
一、 設計（論文）依據(jù)及研究意義：
數(shù)控高速走絲電火花線切割加工是一種直接利用電能進行加工的新工藝。這一技術已廣泛應用于加工淬火鋼，不銹鋼、硬質(zhì)合金等難加工材料；已成為切削加工的重要補充和發(fā)展。
我們的設計的數(shù)控高速走絲電火花線切加工機床是一個改進設計，我們設計的橫向縱向進給系統(tǒng)是用步進電機控制的，提高生產(chǎn)效率。
我們這次畢業(yè)設計是對大學四年專業(yè)知識的綜合運用。通過這次設計，更好的掌握了專業(yè)知識，對其也有更深入的理解，這對我們將來的工作、學習都是一個莫大的幫助，我們受益匪淺
二、 設計（論文）主要研究的內(nèi)容、預期目標：（技術方案、路線）
1、 調(diào)查研究電火花線切割機的加工特點，確定新設計電火花線切割機的主要技術參數(shù)。
2、 進行數(shù)控電火花線切割機總體方案及控制系統(tǒng)總體方案設計。
3、 完成電火花線切割機的機械結構設計。
4、 完成控制系統(tǒng)硬件和軟件設計。
三、設計（論文）的研究重點及難點：
在這次設計中，數(shù)控高速走絲電火花線切割加工機床的控制系統(tǒng)部分是重點，也是難點。由于可參考的資料非常少，所學的單片機的知識有限，這也加大了我們的設計難度。
步進電機驅(qū)動電路是數(shù)控高速走絲電火花線切割加工機床的一個重點，它是通過8031芯片的擴展，經(jīng)過光電耦合電路，功率放大電路驅(qū)動步進電機。
脈沖電源電路又是一個重點，也是難點。我采用的是高低壓復式脈沖電源，它是由晶體管和分立元件組成的電路，輸出高低壓復式脈沖，可以同時供給兩個放電間隙加工，提高加工生產(chǎn)率。由于時間倉促，對這部分設計還不夠完善，下步工作可深入研究。
四、 設計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：
研究方法：1：參考各種設計手冊
2：通過網(wǎng)絡，查閱各種相關資料
3：在設計過程中遇到問題向指導老師請教，直到解決問題
研究步驟：1：查閱資料，選擇相關書籍，寫開題報告。
2：根據(jù)技術要求，確定原始參數(shù)。
3：根據(jù)原始參數(shù)，通過計算，確定大致尺寸。
4：校核計算結果，開始總體結構設計。
5：以鉸接機構，車架的重載能力為重點進行設計。
6：確定具體尺寸，選用標準件
7：繪制圖紙，準備答辯。
我們所安排的進度如下：
完成日期 內(nèi) 容 圖 號
2/9-2/23 1.數(shù)控電火線切割加工機床的外觀圖 A0（手工）
2/24-3/10 2.數(shù)控電火花線切割加工機床的儲絲筒機構設計 A0（計算機）
3/11-3/26 3.數(shù)控電火花線切割加工機床的橫向進給系統(tǒng)設計 A0（計算機）
3/27-4/17 4.數(shù)控電火花線切割加工機床的線架設計 A0（計算機）
4/19-5/8 6.步進電機驅(qū)動電路圖 A0（計算機）
5/9-5/23 7.脈沖電源電路圖 A0（計算機）
5/24-6/3 8.數(shù)控電火花線切割加工機床設計的說明書
6/4-6/14 9.審圖后的返工和修改
五、 進行設計（論文）所需條件：
這四個月的設計中，我們多次去機械工程學院的數(shù)控實驗室去參觀CNC電火花線切割加工機床。了解它的基本結構，工作原理。對CNC電火花線切割加工機床有了一個整體的概念以后，我們多方面收集資料，在原有的基礎上進行創(chuàng)新，這花費了我們不少時間。
機械結構的設計暫告一個段落后，我們開始研究電火花線切割加工機床的控制系統(tǒng)部分。我們查閱了許多數(shù)控機床控制部分設計的資料，又結合了電火花線切割加工機床的控制系統(tǒng)，進行了步進電機驅(qū)動電路和脈沖電源電路的設計。
運用AUTOcad, Protel, Solidworks軟件畫圖。
設計者：方繼武 05年 月 日
六、 指導教師意見：
簽名： 05 年 月 日
南 華 大 學
畢業(yè)設計（論文）任務書
學 院： 機械工程學院
題 目：DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切
割機及控制系統(tǒng)設計
起止時間： 2005年2月18日至2005年6月18日
學 生 姓 名：方繼武
專 業(yè) 班 級：機械設計制造及其自動化011班
指 導 老 師：顏競成（教授）
教研室主任：李必文（教授）
院 長： 張春良（教授）
2005年6月 1日
（一） 設計內(nèi)容：
1. 調(diào)查研究電火花線切割機的加工特點，確定新設計電火花線切割機的主要技術參數(shù)。
2. 進行數(shù)控電火花線切割機總體方案及控制系統(tǒng)總體方案設計。
3. 完成電火花線切割機的機械結構設計。
4. 完成控制系統(tǒng)硬件和軟件。
（二） 任務和要求：
1. 根據(jù)總體設計方案，繪制出數(shù)控電火花線切割機總圖一張（A0手工圖）。
2. 進行運絲系統(tǒng)的運動計算、強度計算和動力計算，繪制出運絲系統(tǒng)機構結構圖一張（A0計算機圖）。
3. 進行坐標工作臺的運動和強度計算，繪制出坐標工作臺縱向（X方向）、橫向（Y方向）或運絲拖板（U、V）進給機構部裝圖一張（A1計算機圖一張）。
4. 根據(jù)控制系統(tǒng)總體設計方案，繪制出控制系統(tǒng)電路圖一張（A0計算機圖）。
5. 繪制出線切割機電器電路圖一張（A0計算機圖）
6. 繪制出儲絲筒或滾珠絲杠零件圖一張（A1三維計算機圖）。
7. 科技譯文（不少于3000漢字）
8. 編寫畢業(yè)設計說明書一套（不少于一萬字，有英文摘要，有程序清單、全部用計算機打出）。
摘 要：我國工業(yè)技術飛速發(fā)展的新形勢下急需大力發(fā)展模具加工技術，而數(shù)控線切割加工技術正是模具加工工藝領域中的一種關鍵技術。采用數(shù)控線切割方法可直接切割出零件，大大縮短了研制周期，并降低了成本。數(shù)控線切割加工技術是一項跨越機械、電子及計算機應用等多個學科的新技術。線切割加工是采用電極絲與工件之間進行脈沖放電，在放電通道中以高溫蝕除應切割的材料。同時工件在工作臺上以步進電機在單片機的控制下按指定的程序格式運行從而加工出不同形狀的零件。固然數(shù)控線切割機床總體必由多個部件組成：機械走絲部件、工作臺運轉(zhuǎn)部件、脈沖電源發(fā)生部件、微機控制部件、顯示部件，最后是任何機床具有的潤滑系統(tǒng)。
關鍵詞：單片機、脈沖電源、脈沖放電、走絲。
Ⅰ
Abstract ：Being badly in need of below the fresh condition that our country industry technique is speedily developed develops the pattern process technology vigorously ，But digital control string the cutting process technology is being one kind of key technique in the pattern process technology territory 。Adoping the digital control string to cut the means may directly cut out the spare parts ，Cut down the development cycle enormously ，Moreover cut down the cost 。Digital control string the cutting process technology is the machine leaing over 、Fresh technique of much branches of learning such as electron and computer utility and so on 。String cutting process is adoping carrying on impulsive discharge between electrode silk together with the work ，Being living in the discharge passageway corrodes except for the stuff which ought to be cut with high temperature 。Simultaneous work be living , and work with stepper motor be living that thereby isomorph shape spare parts is come out not in the oneboard computer control standard geting off according to assigns order operation process on stage 。Admittedly the digital control string cuts that the machine tool total certainly consists of much components ：The machine is goed away components 、The work stage turns round the components 、The components happen the impulse power source 、Microcomputer control block 、Display component ，It finally is the lubricious system that whatever machine tool havees 。
Keyword ：Oneboard computer 、Impulse power source 、Impulsive discharge 、Go away silk 。
Ⅱ
目錄
引言………………………………………………………………………1
第一章總體方案設計…………………………………………………2
一．線切割機床的現(xiàn)狀簡介……………………………………………2
1. 線切割機床加工的特點………………………………………………3
二．線切割機床總體方案的擬訂………………………………………3
三．具體各部件的組成…………………………………………………4
1）、機械系統(tǒng)……………………………………………………………4
2）、傳動系統(tǒng)……………………………………………………………7
3）、機床潤滑及工作液系統(tǒng)……………………………………………8
第二章 機械系統(tǒng)設計………………………………………………10
一、 同步帶的傳動設計 ……………………………………………10
1. 計算設計功率 ……………………………………………………10
2.選擇帶的型號 ………………………………………………………10
3.確定帶輪齒數(shù)z與直徑d ……………………………………………11
4.選擇帶長Lp…………………………………………………………13
5..實際傳動中心距離A 的確定………………………………………14
6.選擇帶寬bs…………………………………………………………14
二、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………16
Ⅲ
1.滾珠絲杠螺母副類型選擇…………………………………………17
2. 主要參數(shù)及代號…………………………………………………17
3. 最大工作載荷的計算……………………………………………18
4. 最大動負載荷的計算……………………………………………19
5. 傳動效率的計算…………………………………………………21
6. 剛度的驗算………………………………………………………21
7. 壓桿穩(wěn)定性的驗算………………………………………………23
三、 選型與計算…………………………………………………25
1.滾動導軌……………………………………………………………25
四、儲絲筒旋轉(zhuǎn)組合件的選擇………………………………………27
1. 儲絲筒………………………………………………………………27
2. 聯(lián)軸器………………………………………………………………28
五、步進電機的選用…………………………………………………29
六、進給機構的支承設計……………………………………………32
1. 絲桿的支承形式……………………………………………………32
2. 螺桿的支承方式……………………………………………………33
第三章電氣系統(tǒng)控制………………………………………………34
一、 DK77型線切割機脈沖電源原理………………………………34
二、數(shù)字控制系統(tǒng)設計………………………………………………35
1.數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬訂…………………………………………35
二、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計…………………………………………36
Ⅳ
1. 單片機的設計………………………………………………………35
2. MCS-51系列單片機的設計………………………………………37
3. 系統(tǒng)擴展……………………………………………………………38
4. 顯示器接口設計……………………………………………………49
5. 步進電機控制電路設計……………………………………………50
6. 光電隔離電路設計…………………………………………………56
7. 部分控制程序………………………………………………………57
8. 3B代碼的實現(xiàn)………………………………………………………70
Ⅴ
產(chǎn)品簡介：
產(chǎn)品信息型號： DK7732 規(guī)格： 320×400×200 mm
機床參數(shù)： 工作臺面尺寸（長×寬）：630×400 mm
工作臺行程（X×Y）：320×400 mm
最大切割厚度： 200 mm
最大切割斜度/工作厚度：±1.5°/50mm
最大切割速度： 100 m㎡/min
最大加工電流：6 A
加工表面粗糙度：Ra≦2.25 μm
電極絲直徑范圍：0.13～0.25 mm
走絲速度：變頻調(diào)速 11.6 m/sec或5.8 m/sec
工作臺承載重量：400 kg
工作液：線切割專用工作液工作液箱容量：50 L
機床供電電源：AC 3N 380V±10% 50Hz
機床消耗功率：2 KVA
機床外形尺寸（長×寬×高）：1720×1322×1800 mm
機床重量：2200 kg
可選用控制機類型：BKDC
具體產(chǎn)品外觀與安裝簡圖
摘要: 電火花線切割加工（wire-EDM）是一種基于電火花加工技術的適應性流程加工技術，它可以被用在具有二維到三維復雜形狀的而且是導電的原材料的加工上。電火花線切割加工最常見的應用是在壓模、擠壓模、粉末冶金的鑄模和標準摸板的裝配工中。這樣就可以加工出以往依靠花費很高磨床或昂貴的傳統(tǒng)意義上的電火花的電極來進行加工的工件。由于電火花線切割加工技術是機電一體化技術，是機械、電工、電子、數(shù)控、自動控制、計算機應用等多門學科、專業(yè)知識的綜合運用。
我的設計課題是DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機及控制系統(tǒng)設計。DK為數(shù)控電加工機床，77為電火花線切割機床，32為機床工作臺寬度。
此次設計包括機床的總體布局設計，橫向進給、縱向進給設計，其中還包括齒輪的強度計算，滾珠絲桿較核，軸承壽命的驗算?？刂葡到y(tǒng)部分包括步進電機控制電路和脈沖電源電路，這是數(shù)控電火花加工機床的重點設計部分，也是難點。步進電機電路設計包括硬件電路設計和軟件系統(tǒng)設計。詳細說明了芯片的擴展、鍵盤顯示器接口的設計等等。脈沖電源電路采用高低壓復式脈沖電源，它是由晶體管及分立元件組成的電路，輸出高低壓復式脈沖，可以同時供給兩個放電間隙加工，提高生產(chǎn)效率。
關鍵字：數(shù)控高速電火花線切割加工、主軸運動、步進電機、脈沖電源。
Abstract: Wire electrical-discharge machining(wire-EDM) is an adaptation of the basic EDM process, which can be use for cutting complex two-and-three-dimensional shapes through electrically conducting materials. Wire-EDM is most commonly used for the fabrication of press stamping dies, extrusion dies, powder composition dies, profile gages, and templates. Complicated cutouts can be made in difficult-to-machine metals without the need for high-cost grinding or expensive shaped EDM electrodes, Because the technology of wire electrical-discharge machining is the technology of mechatronics, and it is the integrate application of many subjects and professional knowledge, for example mechanism, electrician, electron, numerical control, auto control and computer application.
My design subject is DK7732 numerical control electrical-discharge perforation molding machining tool. DK means numerical control machining tool. 77 means wire electrical-discharge perforation molding machining tool. 32 means the width of tool’s worktable.
The design contains collectivity distribution design, landscape orientation feed design, portrait feed design, circumgyrate worktable design. It still includes intension calculation of gear wheel, the checking of ball bearing pole and the calculation of axis gearing life-span. The controlling system part contains the circuit of step-by-step electromotor control and the circuit of pulse electrical source. This part is the most important part of numerical control electrical-discharge machining tool, and it is very hard for me. The design of step-by-step electromotor control includes hardware circuit design and software system design. It explains the enlarging of CMOS chip and the design of keyboard display interface. The circuit is composed by transistor and unattached elements, it exports high and low voltage pulse, which can apply with two electrical-discharge interval and improve productivity.
Key words: Numerical control wire electrical-discharge machining, principle axis motion, step-by-step electromotor, pulse electrical source
目錄
引言………………………………………………………………………………（1）
一 總體方案設計……………………………………………………………（2）
（一） 總體方案的擬定…………………………………………………………（2）
（二） 主要技術參數(shù)的確定……………………………………………………（2）
二 儲絲走絲部件結構設計………………………………………………（3）
（一） 儲絲走絲部件運動設計…………………………………………………（3）
1．對高速走絲機構的要求………………………………………………………（3）
2．高速走絲機構的結構及特點…………………………………………………（4）
（二） 儲絲走絲部件主要零件強度計算………………………………………（10）
1．齒輪傳動比的確定……………………………………………………………（10）
2．齒輪齒數(shù)的確定………………………………………………………………（10）
3．傳動件的估算…………………………………………………………………（12）
4．齒輪模數(shù)估算…………………………………………………………………（13）
5. 齒輪模數(shù)的驗算………………………………………………………………（14）
（三） 儲絲走絲部件主要零件強度驗算………………………………………（16）
1．齒輪強度的驗算………………………………………………………………（16）
2．主軸的驗算……………………………………………………………………（19）
（四） 主軸組件結構設計………………………………………………………（21）
1．軸承配置形式…………………………………………………………………（21）
2．主軸組件的調(diào)整和預緊………………………………………………………（22）
三 進給傳動設計……………………………………………………………（22）
（一） 進給傳動運動設計………………………………………………………（22）
1． 脈沖當量和傳動比的確定……………………………………………………（22）
（二）滾珠絲桿螺母副的型號選擇和滾珠絲桿的選型和校核…………………（23）
1． 滾珠絲桿螺母副的型號選擇…………………………………………………（23）
2． 滾珠絲桿的選型和校核………………………………………………………（25）
（三）步進電機的選擇……………………………………………………………（28）
1．根據(jù)脈沖當量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機型號…………………………………(28)
2．啟動矩頻特性校核……………………………………………………………(30)
（四）進給機構支承設計…………………………………………………………（31）
1． 螺桿的支承形式………………………………………………………………（31）
2． 螺桿的支承方式………………………………………………………………（31）
四 數(shù)控系統(tǒng)設計……………………………………………………………（32）
（一）高頻脈沖電源………………………………………………………………（32）
（二）數(shù)字控制系統(tǒng)設計………………………………………………………（33）(三)控系統(tǒng)硬件的電路設計……………………………………………………（34）
1． 單片機設計……………………………………………………………………（34）
2． 系統(tǒng)擴展………………………………………………………………………（38）
3． I/O 口的擴展…………………………………………………………………（42）
4． 顯示器的接口設計……………………………………………………………（48）
5． 步進電機控制電路設計………………………………………………………（50）
6． 光電隔離電路設計……………………………………………………………（57）
7． 部分控制程序…………………………………………………………………（58）
8． 其他接口電路設計……………………………………………………………（70）
參考文獻…………………………………………………………………………（）
謝辭………………………………………………………………………………（）
南華大學機械工程學院畢業(yè)設計
前言
畢業(yè)設計可謂是大學四年對所學知識綜合的一次大的考驗也是在走向工作崗位的一次練兵，更進一步鍛煉了自己的動手能力和團隊的合作能力，真正做到了理論聯(lián)系實際教與學的一次有理結合。
數(shù)控電火花線切割機的設計具體的說來應該包括走絲設計，X、Y坐標工作臺設計，脈沖電源的設計，控制部分的設計等。按照設計的任務書，首先要了解該機床調(diào)查研究電火花線切割機的加工特點，確定DK7732線切割機床的具體技術參數(shù)，從而在第一階段我們在衡冶進行了實地的參觀測繪，初步確定參數(shù)，對照已有的院數(shù)控中心DK7725型線切割機更進一步確定具體的設計參數(shù)，根據(jù)已有的參數(shù)再對機床總體方案及控制系統(tǒng)總體方案進行確定。具體到設計時對各個方案再進行點對點的修改。接下來就是進行必要的設計與計算選型工作，就是將整體機床的設計又分為幾個部分各個去突破大體就是機械部分和電氣部分。再具體到各個組件或零件。
雖說設計是個人的行為，但由于自己的知識欠缺且設計的內(nèi)容跨越比較大包括電子技術、計算機技術、機械設計，很多地方肯定是難以具到，當然有在顏竟成教授的悉心指導下，很多不懂的地方這正是我們要學的地方，同時在多方面有同學們的提示才得將設計順利進行。這畢竟是一個學習階段的畢業(yè)設計很多方面都是在邊學邊用中進行的，或者說很多方面的設計還是停留在模仿的階段比如電氣部分，控制部分都不是很成熟的設計。
第一章 總體方案設計
一、線切割機床的現(xiàn)狀簡介
我國數(shù)控線切割機床的擁有量占世界首位，技術水平與世界先進水平差距也逐漸縮小。尤其近年來，計算機技術的應用和線電極電火花加工技術的結合。實現(xiàn)了各種復雜形狀的模具和零件加工的 自動化，其控制精度可達1μm，實際加工精度可達±0.01mm。表面粗糙度可達1.25~2.5μm。數(shù)控線切割機床是精密金加工線切割加工技術是線電極電火花加工技術，是電火花加工技術中的一種類型，簡稱線切割加工。圖1.1中是線切割機床加工的工作原理示意圖
圖1.1 線切割機工作原理示意圖
線切割機床采用鉬絲作為電極絲。被切割的工件為工件電極，電極絲為工具電極。脈沖電源發(fā)出連續(xù)的高頻脈沖電壓，加到工件電極和工具電極上（電極絲）。在電極絲與工件之間加有足夠的、具有一定絕緣性能的工作液。當電極絲與工件間的距離小到一定的程度時，工作液介質(zhì)被擊穿，電極絲與工件之間形成瞬時火花放電，產(chǎn)生瞬時間高溫，生成大量的熱，使工件表面的金屬局部熔化，甚至汽化；再加上工作液體介質(zhì)的沖洗作用，是得金屬被蝕除下來。這就是線切割機床的加工原理。工件在機床坐標工作臺上，按數(shù)控裝置或微機程序控制下的預定軌跡進行加工最后得到所需要的形狀的工件。
1.數(shù)控線切割加工的主要特點如下：
1）；線切割加工可以用于一般切削方法難以加工或者無法加工的形狀復雜的工件加工，如沖模、凸輪、樣板、外形復雜的精密零件及狹窄的縫隙。尺寸精度可以達到0.01-0.02mm，表面粗糙度值Ra可達到1.25μm。
2）；先切割加工可以用于對一般切削方法難以加工或者無法加工的金屬材料和半導體材料的工件進行加工，如淬火鋼、硬質(zhì)合金鋼、高硬度金屬等，但無法實現(xiàn)對非金屬導電材料的加工。
3）；線切割加工直接利用線電極電火花進行加工，可以方便的調(diào)整加參數(shù)，如調(diào)節(jié)脈沖寬度、脈沖間隔、加工電流等，提高線切割加工精度，也可通過調(diào)節(jié)實現(xiàn)加工過程的自動化控制。
4）；線切割加工的效率低，成本較高，不適合于加工形狀簡單的批量零件。
二、 線切割機床的總體方案的擬定
線切割機床具體加工過程為：加工者根據(jù)圖紙中的工件尺寸，編制成一定的程序，并且通過鍵盤或光電機等輸入設備將程序輸入到控制器中去。在控制系統(tǒng)接受到輸入的程序后，將其存入存儲器中。點火花先切割機在收到命令后，就開始運行程序，通過微機控制系統(tǒng)進行插補運算。每運算一次，發(fā)出一個進給脈沖，然后經(jīng)過功放驅(qū)動步進電機，使機床工作臺按預定的軌跡進行加工。運絲系統(tǒng)由運絲電機傳動給儲絲筒，通過行程開關使儲絲筒作往復運動，從而使得鉬絲運動。鉬絲經(jīng)過機架上的導輪與工件相接近，小到一定的距離。乳化液泵即工作液將線切割機專用乳化液通過噴嘴噴入工作切口上，高頻脈沖電源產(chǎn)生的連續(xù)高頻脈沖被分別加到鉬絲與工件之間的間隙進行檢測，檢測信號的大小送入變頻電路，再由變頻電路產(chǎn)生的頻率大小來控制微機的進給速度。當間隔增大時就加快進給速度，當間隙減小時，就減慢進給速度，以保持均衡的放電間隙，從而也維持了一定的加工電流。
1）；電火花線切割機床屬于經(jīng)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)。
2）；為了保證進給伺服系精度和平穩(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(cè)間隙的機構統(tǒng)的傳動。
3）；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(qū)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
4）；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)。
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，傳動比應滿足機床所要求的。
6）；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。
7）；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(jīng)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)。
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(diào)節(jié)，使加工過程更加細致。
三、具體各部件的組成介紹
線切割機床主要由機械系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和微機控制系統(tǒng)組成。其主體結構由床身、坐標工作臺、線架、運絲裝置、工作液箱、機床電器、夾具、保護罩及機床附件等部分組成。
1）；機械系統(tǒng)
機械系統(tǒng)主要由床身。坐標工作臺、線架及運絲裝置等組成。
機床床身是箱形結構的鑄件，是安裝坐標工作臺、線架及運絲裝置的基礎，要有較好的剛性，以保證機床的加工精度。床身既能起支撐和連接坐標工作臺、運絲機構和線架等部件的作用，又起安裝機床電器、存放工作液的作用。
坐標工作臺主要由工作臺上拖板、中拖板、下拖板、絲趕和齒輪變速箱等部件組成。拖板的縱向和橫向運動是采用“一V一平”滾動導軌結構。如下圖所示
圖1.2 線切割機坐標工作臺
圖1.2中是線切割機坐標工作臺的結構。坐標工作臺用于安裝并且?guī)庸ぜ诠ぷ髋_平面內(nèi)作x、y兩個方向的移動。坐標工作臺分為上下兩層，分別與x、y軸絲杠相連。由兩個步進電機通過兩對消隙齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)兩個方向的運動。步進電機每接收到微機發(fā)出的一個脈沖信號，其輸出軸就轉(zhuǎn)動一個步距角。通過消隙齒輪變速帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使工作臺在相對應的方向上移動0.001mm。坐標工作臺的有效行程就是步進電機驅(qū)動絲杠的轉(zhuǎn)動對應的移動距離。絲杠前端采用兩只角接觸軸承來消除間隙，可調(diào)整予緊力，使間隙接近零，具有轉(zhuǎn)動靈活、精度高、壽命長等優(yōu)點而被采用。由于控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，機床加工精度主要由坐標工作臺的運動精度來確定。
線架安裝在儲絲筒與工作臺之間。為了滿足不同厚度工件的要求，機床采用可變跨距結構的線架，以確保上下導輪與工件的最佳距離，減小電極絲的抖動，提高加工精度。線架采用鑄件結構，提高線架的剛性對加工精度有很大的影響。線架的下懸臂固定在立柱上，上懸臂可沿立柱導軌做上下升降。導輪置于線架懸臂的前端采用密封結構組成裝在懸臂上。下圖為先切割機床的線架部件結構。
圖1.3 線架部件結構
運絲裝置由儲絲筒、儲絲筒拖板及傳動系統(tǒng)組成。儲絲筒由薄壁管制成，具有重量輕、慣性小、耐腐蝕等優(yōu)點。儲絲筒主軸通過。聯(lián)軸器中裝有耐油橡膠墊片，對電機換向瞬間產(chǎn)生的沖擊起到機械緩沖作用，以減少振動，從而延長傳動軸的使用壽命。如下頁圖所示，它是線切割機床運部件結構，儲絲筒主軸裝有兩對變速齒輪，帶動傳動絲桿，使儲絲筒與拖板作往復運動使鉬絲有規(guī)律的等距離排列在儲絲筒上。拖板儲絲筒的頻繁換向是采用行程開關控制來實現(xiàn)的，它具有控制簡單，動作靈敏、換向噪聲小、震動輕、使用壽命長等優(yōu)點。左右撞塊間的距離可以調(diào)節(jié)，一般根據(jù)鉬絲的長短來確定。鉬絲兩端留有一定的余量，當行程開關失靈時，可切斷電機電源，確保機床的安全。
圖1.4運絲部件結構
2）；傳動系統(tǒng)
傳動系統(tǒng)由工作臺、運絲裝置和線架所組成。傳動系統(tǒng)包括工作臺傳動系統(tǒng)、運絲裝置傳動系統(tǒng)和電極絲運轉(zhuǎn)系統(tǒng)。工作臺傳動系統(tǒng)主要是x軸和y軸方向傳動，下頁圖是工作臺傳動系統(tǒng)圖。
圖1.5工作臺傳動系統(tǒng)示意圖
X軸向傳動路線如下?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出進給脈沖，x軸步進電機接收到這個進給脈沖信號，其輸出軸就轉(zhuǎn)動一個步距角，通過一對齒輪變速帶動絲杠轉(zhuǎn)動。兩齒輪嚙合變速后帶動絲杠，通過螺母帶動拖板，使工件實現(xiàn)x軸向移動。Y軸向傳動路線與x軸類似。
運絲裝置的傳動系統(tǒng)主要是機床行程開關。運絲裝置機構帶動電極絲以一定的線速度運動，并將電極絲整齊的盤繞在儲絲筒上。行程開關控制儲絲筒的正反轉(zhuǎn)向。下圖是線切割機床運絲裝置傳動系統(tǒng)圖
圖1.6運絲裝置傳動系統(tǒng)
運絲裝置的傳動路線是：電動機轉(zhuǎn)動，通過聯(lián)軸器帶動儲絲筒按一定的速度運動旋轉(zhuǎn)。同軸上一對齒輪嚙合傳動再傳給另外一對齒輪。經(jīng)兩對齒輪的變速傳動，帶動絲杠、螺母后驅(qū)動拖板移動，并使電極絲整齊地盤繞在儲絲筒上。
電極絲運轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要是由儲絲筒旋轉(zhuǎn)，帶動電極絲做正反向交替運動。排絲導輪保持電極絲整齊排列在儲絲筒上，經(jīng)過線架作來回高速移動（線速度為8m/s），進行切割加工。電極絲傳動路線是由儲絲筒經(jīng)過排絲輪，再經(jīng)過導電輪，由上導輪切割工件，在經(jīng)下導輪后，回儲絲筒進行往復盤繞。
3）；機床潤滑及工作液系統(tǒng)
線切割機床有機床潤滑系統(tǒng)和工作液系統(tǒng)。
機床潤滑系統(tǒng)對線切割機床各個運動副進行潤滑，以保證機床各個運動部件靈活可靠。手搖工作臺做縱橫向移動應輕松靈活，撥動儲絲筒、導輪均應旋轉(zhuǎn)自如，輕便靈活。工作臺各部位的運動副潤滑，重點是絲杠、螺母和齒輪箱及拖板滑道等。一般要求加油時間為每周一次。運絲部件各部位的運動副潤滑，重點是齒輪、絲杠、螺母和拖板導軌等。一般要求加油時間為每周一次。
工作液系統(tǒng)由工作液、工作液箱、工作液泵和循環(huán)導管組成。工作液起截緣、排屑、冷卻等作用。工作液一般采用（7~10）%的植物皂化或DX-1油酸鉀乳化液水溶液。工作方式由工作液泵供給工作液循環(huán)噴注的壓力進行工作。每次脈沖放電后，工件與電極絲之間必須迅速恢復截緣狀態(tài)，這是靠工作液的絕緣作用實現(xiàn)的。工作液噴注在切口中，使得脈沖放電不能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定持續(xù)的電弧放電，否則會影響加工質(zhì)量和精度。在加工過程中，工作液的噴煮壓力會將加工過程中產(chǎn)生的金屬小顆粒迅速從電極之間沖走，保證正常加工。工作液還可以起冷卻作用，冷卻受熱的電極和工件，防止工件變形。
第二章 機械系統(tǒng)設計
一．同步帶傳動的設計計算
同步帶傳動設計計算的主要內(nèi)容是根據(jù)傳遞的名義功率、轉(zhuǎn)速、速度筆及工況來正確選擇同步帶的型號、帶長、帶寬及帶輪的齒數(shù)和直徑。計算步驟如下。
1. 計算設計功率
pd=(k+k1+k2)pm(kw)
式中：pm為同步帶傳遞的名義功率（kw）由電機的選擇名義功率為1.1kw,以知設計參數(shù)；k0為載荷修正系數(shù)參考機電綜合設計表2-14為輕負荷傳遞功率且工作時間為普通使用每日8h-10h所以k0取1.5。
k1為使用張緊輪修正系數(shù)見表1，由表可取k1=0.1；k2為增速傳動修正系數(shù)見表2，此處為減速傳動所以k2=0。
表2.1 使用張緊輪修正系數(shù) k1 表2.2 增速傳動修正系數(shù)k2
壓緊輪的位置 系數(shù) 增速比 系數(shù)
松邊內(nèi)側(cè) 0 1.00-1.24 0
松邊外側(cè) 0.1 1.25-1.74 0.1
緊邊內(nèi)側(cè) 0.1 1.75-2.49 0.2
緊邊外側(cè) 0.2 2.50-3.49 0.3
所以 pd=（k0+k1+k2）pm=（1.5+0.1+0）pm=1.6×1.1kw=1.76kw
2．選擇帶的型號
由設計功率pd=1.76kw和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由下圖選出同步帶的型號并由機械設計手冊查到對應的節(jié)距pd（mm）。
電極絲額定移動速度為11m/s。
儲絲筒的直徑由前面確定為D=146mm
n×π×D=11m/s n=11/0.146×3.14m/s=24r/s=1440r/min
由同步帶選型圖易知對應點選擇小帶輪為L型同步帶輪對應的節(jié)距 pb=9.525mm 基準寬度為25.4mm。
周節(jié)制梯形同步帶輪又稱標準同步帶輪梯形同步帶輪的齒廓形狀可以采用漸開線齒型前者用漸開線輪刀具范成法加工而成其齒形取決于刀具。此處采用的漸開線齒形。
圖2.1 同步帶選型圖
3.確定帶輪齒數(shù)z與直徑d
由前面所選絲杠D=24mm p導程=3mm
由儲絲筒運絲原理即轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一圈儲絲筒整體向左或向右移動一個電極絲的直徑。
由電極絲的直徑D絲=0.2mm而按照相關規(guī)定儲絲筒整體移動的距離應該在一個電極絲直徑范圍內(nèi)且誤差不應該超過0.05mm才不會出現(xiàn)斷絲的現(xiàn)象。
即可取S距=0.25mm （為誤差范圍以內(nèi)）
由S距=i×p絲=0.25mm
所以I=0.25/3=0.0833=1/12
即絲杠每轉(zhuǎn)一圈儲絲筒轉(zhuǎn)12圈
由帶輪最少許用齒數(shù)表查之小帶輪最少許用齒數(shù)為14此處選用16齒稍大2齒比較合理從而大帶輪的齒數(shù)為
Z2=Z1×I=12×16=192齒
由Z2=192查手冊 GB11361-89易知無可選用的帶輪且選用的話直徑將超過400mm故不易裝配從而應選擇另一方按。
為了將同步帶輪的直徑減小可采用二級傳動由傳動比的計算：
表2.3 帶輪最少許用齒數(shù)
小帶輪轉(zhuǎn)速 帶型號
n1/（r/min） MXL XXL XL L H XH X
帶輪最少許用齒數(shù)
＜900 -- -- 10 12 14 22
900-＜1200 12 12 10 12 16 24
1200-＜1800 14 14 12 14 18 26
1800-＜3600 16 16 12 16 20 30
3600-＜4800 18 18 15 18 22 --
可采用Z1=16 Z2=48 Z3=18 Z4=72
即Z1/Z2× Z3/Z4=0.0833
從所查小帶輪與基準寬度：
小帶輪直徑d1=PbZ1/π=9.525×16/3.14=48.53mm
第二帶輪直經(jīng)d2=PbZ2/π=9.525×48/3.14=145.60mm
第三帶輪直經(jīng)d3=PbZ3/π=9.525×18/3.14=54.60mm
第四帶輪直徑d4=PbZ4/π=9.525×72/3.14=218.40mm
4.選擇帶長Lp
根據(jù)以知中心距A（mm）的要求或初選中心距A，計算帶長Lp
以知中心距A1=182mm
A2=193mm
Lp1=2Acosφ1+π（d1+d2）/2+πφ（d2－d1）/180（mm）
=2×182×cos30.9+π（218.4+48.53）/2+π30.9 (218.4－48.53)/180
=321.9+304.78+91.54
=718.22mm
其中φ1=arcsin(d2－d1)/2A1
=arcsin(218.40－48.53)/182=30
Lp2 =2Acosφ2+π（d3+d4）/2+πφ（d4－d3）/180（mm）
=2×193×cos15.5+π（145.6+54.6）/2+π15.15(145.6－48.53)/180
=375.12+314.31+15.23=704.66
其中φ2=arcsin(d4－d3)/2A2
=arcsin(145.6－48.3)/2×193
=15.15
按手冊查選擇最接近計算帶長值的標準帶長（節(jié)線長）及相應長度代號，并查出該帶的齒數(shù)zb。
按GB11616-89 為了使皮帶有一定的張緊力度故可選擇長度代號為270的L型同步帶
其齒數(shù)為72齒節(jié)線長685.8mm in27 極限偏差±0.61 in±0.024
5.實際傳動中心距離A的確定
根據(jù)所選的標準帶長求出實際中心距A。
A≈M+
M1=Pb/8(2Zb－Z1－Z2)
M2=Pb/8(2Zb－Z3－Z4)
M1=9.524/8(2×160－16－72)=276.196
M2=9.524/8(2×160－48－18)=302.38
所以A1≈276.196+ 276.196－1/8[9.524(72－16)/ π]
≈545
A1≈302.387+ 302.387－1/8[9.524(48－18)/ π]
≈602.387
在z1/z2之值很大時，還有一個精確中心距計算公式。但是，通常同步帶傳動中心距是可以調(diào)整的，以邊獲得同步帶傳動必須有的適當?shù)膹埦o力。
6.選擇帶寬bs
帶寬的選擇準則是限制作用在同步帶寬上的拉力，以保證同步帶的強度和使用壽命，工作是不發(fā)生失效。
1）；根據(jù)帶型、小帶輪齒數(shù)z1及轉(zhuǎn)速由手冊查的對應的同步帶的基準寬度bs。及基準額定功率p。（kw）。
查得帶型為L型 小帶輪齒數(shù)為16齒 且轉(zhuǎn)速為1440r/min 另一小帶輪齒數(shù)為18齒 轉(zhuǎn)速為320r/min。 對應同步帶的基準寬度bs0為25.4mm p。=1.1kw。
2）；計算同步帶傳動的嚙合齒數(shù)zm。
Zm1=ent[Z1/2－PbZ1/(2πA)×(Z2－Z1)]
=ent[16/2－9.542×16/2π545×(72－16)]
=ent[7.21]=7＞6
Zm2=ent[Z3/2－Pbz2/(2πA)×(Z3－Z4)]
=ent[18/2－9.542×16/2ππ545×(48－18)]
=ent[8.14]=8＞6
3)；計算嚙合齒數(shù)系數(shù)Kz。
當Zm≥6時，Kz=1；當Zm＜6時 Kz=1－0.2（6－zm）
故Kz1=1 Kz2=1
4）；確定帶寬系數(shù)Kw
Kw=（bs/bs。）1.14
當帶寬bs尚未確定，可由該式建立帶寬bs與基準帶寬bs0的關系
5）；確定額定功率p
p≈KzKwP。(kw) ≈1.1kw
6)；選擇帶寬bs
根據(jù)設計要求，同步帶傳動的設計功率應小與所選型的額定功率P，即Pd≤P。根據(jù)此條件，導出帶寬bs的計算公式。同步帶帶寬值
bs≥bs。（Pd/KzP。）1/1.14（mm）=25.4（9.524/1×1.1）1/1.14=16.8（mm）
根據(jù)表4，選擇標準帶寬bs及代號，并且要考慮到標準帶寬bs值應大于計算帶寬值。
表2.4 XL L H XH XXH 型標準帶寬bs/mm
XL L H XH XXH
代號 帶寬 代號 帶寬 代號 帶寬 代號 帶寬 代號 帶寬
025 6.4 050 1 2.7 075 19.1 200 50.8 200 50.
031 7.9 075 19.1 100 25.4 300 76.2 300 76.2
037 9.5 100 25.4 150 38.1 400 101.6 400 101.6
此處選擇 L型標準帶寬 代號為075 帶寬為19.1 的同步帶一對。
二．滾珠絲杠螺母副的選型和校核
1.滾珠絲杠螺母副類型選擇
滾珠絲杠螺母副有專門工廠制造，當類別、型號選定和校核后，可以外購。滾珠絲杠副的類別主要從三個方面考慮：循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預緊方式。
鋼珠在絲杠與螺母之間的滾動是一個循環(huán)閉路。根據(jù)回珠方式，可分為兩類：內(nèi)循環(huán)，回珠器處在螺母之內(nèi)。外循環(huán)，插管式回珠器位于螺母之外。
鋼珠每一個循環(huán)閉路內(nèi)所含導程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個螺母有2列，3列，4列，5列等幾種，每列只有一圈。外循環(huán)每列有1.5圈，2.5圈，3.5圈等幾種，剩下的半圈作回珠。外循環(huán)滾珠絲杠的每個螺母有1列2.5圈，一列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等種類較多。
為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的剛度，可以預加載荷，使它在過盈的條件下工作，稱為預緊。常用的滾珠絲杠副預緊方法有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊等。預緊后的剛度可提高到為無預緊時的2倍。但是，預加載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲杠在出廠時，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預加載荷，并且預加載荷往往與絲杠副的額定動載荷有一定的比例關系。預緊方式見下頁表。
2.主要參數(shù)及代號
1）；滾珠絲杠副的參數(shù)
1.1、公稱直徑dm，公稱直徑即滾珠絲杠的名義直徑，dm越大，承載能力越大。數(shù)控機床常用的進給絲杠的公稱直徑dm為φ30mm到φ80mm。
2.2、基本導程L0。絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2πrad時，螺母的軸向位移。與進給系統(tǒng)脈沖當量的要求有關。
3.3、精度等級。滾珠絲杠副按其使用范圍及要求可分為7個精度等級。
表2.5 滾珠絲杠副的預緊方式
類別 調(diào)整方法 特點
調(diào)整墊片厚度，使螺母 結構簡單，裝卸方便，剛度
產(chǎn)生軸向位移 高；但調(diào)整不便，滾道有磨
墊片式 損時，不能隨時消除間隙和
和預緊。適用于高剛度重載
荷。
螺紋式 調(diào)整端部的圓螺母使螺母 結構緊湊，工作可靠，調(diào)整
產(chǎn)生軸向位移 方便但準確性差，且易松動
用于剛度要求不高或需隨
時調(diào)節(jié)預緊力的傳動
齒差式 兩螺母在凸緣上有外齒分別 能夠精確的調(diào)整預緊力，
緊固在螺母座兩端的內(nèi)齒圈 但結構尺寸較大，裝配
嚙合。 調(diào)整較復雜，宜用于高精
度的傳動機構。
3.最大工作載荷的計算
滾珠絲杠上的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所乘受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削力相關的摩擦力。
Fm由以下經(jīng)驗公式。
矩形導軌 Fm＝KFl+f1（Fv+Fc+G）
燕尾導軌 Fm＝KFl+f1（Fv+２Fc+G）
三角形或綜合導軌 Fm＝KFl+f1（Fv+G）
式中：Fl,Fv,Fc分別為工作臺進給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（N）；G為移動部件的重力；K和f1分別為考慮顛覆力矩的影響的實驗系數(shù)和導軌上的摩擦系數(shù)隨導軌型式不同而不同。
對于矩形導軌 K=1.1,f1=0.15
燕尾導軌 K=1.4, f1=0.2
三角形或綜合導軌 K=1.15, f1=0.18~0.18
而滾動導f1＝0.0025~0.005
由線切割機床坐標工作臺 可初選擇
K=1.15 f1=0.015 Fv=200×10=2000N
G=Fv+G臺重＝(200+200)×10=4000N
所以Fm=1.15×0+f1(2000+4000)=0.15×6000=900N
4.最大動負載c的計算及主要尺寸初選
滾珠絲杠應根據(jù)額定動載荷Ca選擇用，最大動載荷計算原理與滾動軸承相同。
滾珠絲杠最大動載荷C可用下式計算
C= fmFm
式中：L為工作壽命，單位為1000000r,L=60nt/1000000;
由t＝150000h 即額定使用壽命（h），n＝1000v/L。；v為最大切削力條件下的進給速度（m／min），可取最高速度的1/2~1/3；L。為絲杠的基本導程（mm），計算時，可根據(jù)快進速度vmax和絲杠最大轉(zhuǎn)速nmax初選一個數(shù)值（L?！?000max/nmax）,待剛度驗算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t＝15000h；fm為運轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊取１～１.２，一般情況取1.2~1.5,有沖擊振動取1.5~2.5；Fm為滾珠絲杠工作載荷（N）。
由n=1000v/L。
=1000×0.1/5
=20 其中v進給速度由機床給定參數(shù)
L。為絲杠導程取L。=5mm
L=60nt/1000000
=60×20×15000/1000000=18000000r
C=fmFm =×1.2×900
=2830N
其中fm=1.2為運轉(zhuǎn)系數(shù)取1.2
Fm=900N 為工作載荷
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應的額定動載荷Ca不得小于最大動載荷C：Ca>C。
初選絲杠副尺寸規(guī)格
CLM3205-3.5-P3
λ=251‘為絲杠的螺旋升角
Ca=16100N 滾珠絲杠額定動載荷
Coa=52750N 滾珠絲杠額定靜載荷
由Coa=16100>C
且Coa/Fm=16100>2830=5.6>3 所以符合標準
當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速運轉(zhuǎn)（n≤10r/min）下工作并受載荷，那么還要考慮其另一種失效形式——滾珠接觸面上的朔性變形。即考慮滾珠絲杠的額定靜載荷Coa是否充分的超過了滾珠絲杠的工作載荷Fm，一般使Coa/Fm=2~3。滾珠絲杠的Ca和Coa值由手冊查之為上
面的取值。
5.傳動效率的計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率η
η=tgλ/tg(λ+φ)
式中：λ為絲杠的螺旋生角，可根據(jù)初選型號查出為以上值；
φ為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004,
其摩擦角傳動效率較高約等于10。
滾珠絲杠副的傳動效率較高一般為0.8~0.9之間。
由給定值η=tgλ/tg(λ+φ)
=tg251‘/tg(2。51‘、+10、)
=0.04/0.047
=0.85
所以其傳動效率符合給定的標準值。
6.剛度的驗算
滾珠絲杠的軸向變形將引起絲杠導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對縱向的影響更小，可忽略不記。絲杠軸承的軸向接觸變形計算方法可參考機械設計手冊。可供滾珠絲杠支撐使用的滾動軸承種類很多一般有接觸叫為60度的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對面的組配，此處采用角接觸球軸承以反向安裝。
因此，其實只要滾珠絲杠的支撐的剛度設計的好，軸承的軸向接觸變形在此可以不予考慮。
1 ）；滾珠絲杠的拉壓變形量δ1
滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量
δ1=±FmL/EA(mm)
式中：δ1為在工作載荷Fm作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量（mm）；Fm為絲杠的工作載荷(N);L為滾珠絲杠在支撐間的受力長度(mm)；E為材料的彈性模量，對剛E=206000Mpa;A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm）；“+”號用與拉伸，“—”好用與壓縮。也可以從工廠的滾珠絲杠樣本的圖表中查出單位長度軸向拉伸壓縮變形量，然后求出支撐間受力長度的變形量。
δ1=±FmL/EA(mm)
=±900x578/803.84x206000
=±0.0031mm
即拉伸與壓縮在不同的受力情況下都可出現(xiàn)
其中L=578mm由選形確定 E=206000Mp
A=π×16×16=803.84mm
2）；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關，即與滾珠總數(shù)量有關，與滾珠絲杠的長度無關?？蓮墓S的產(chǎn)品樣本中查出，或用下式計算
無予緊力時δ1=0.0038 （mm）
有予緊力時δ2=0.0013Fm/ （mm）
式中：Dw為滾珠直徑（mm）；Z∑滾珠總數(shù)量Z∑=Zx圓數(shù)x列數(shù)；Z為一圈的滾珠數(shù)，Z=πdm/Dw(外循環(huán))，
Z=（πdm/Dw）-3（內(nèi)循環(huán)）
dm為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）；Fyj 為予緊力（kgf,1kgf=9.8N）;Fm為滾珠絲杠工作載荷（kgf,1kgf=9.8N）。
當滾珠絲杠有予緊力時，且予緊力為軸向工作載荷的1/3時，δ2值可減少到一半左右。
此坐標工作臺采用無予緊力無予緊力時
δ1=0.0038 （mm）
=0.0038 （mm）
=0.0074mm
Dw=3.175mm
Z∑= Z×圓數(shù)×列數(shù)=31×3×2=186
Z=πdm/Dw=3.14×32/3.175=31
3）；滾珠絲杠副剛度的驗算
絲杠的總變形量δ=δ1+δ2應小于允許的變形量。一般δ值不應大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半?；蛘?，有絲杠精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應長度上的變形兩應比它小。否則，應考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠副。
7.壓桿穩(wěn)定性驗算
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk為
Fk=fzπ2EI/L2(N)
式中E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.6×104Mp;I為截面慣性矩，對絲杠圓截面I=πd14/64(mm4)(d1為絲杠底徑)；L為絲杠最大工作長度（mm）；fz為絲杠支撐方式系數(shù)，參考下圖與下表
圖2.2 滾珠絲杠常用的支撐方式
滾珠絲杠的支撐方式系數(shù)表
方式 一端固定一端自由 一端固定一端簡支 兩端固定 兩端簡支
fz 0.25 2.0 4.0 1.0
圖中第一個為一端軸向固定一端自由，常用于短絲杠和樹直安裝的絲杠。圖中第二個為一端固定一端簡支，常常用于較長的臥式絲杠。圖中第三個為兩端固定常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高精度、高強度的地方。
臨界載荷Fk與絲杠工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定安全系數(shù)nk,如果nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[nk]，則該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓竿穩(wěn)定條件為
n k=Fk/Fm≥[nk]
一般取[nk]=22.5~4,考慮到絲杠自重對水平滾珠絲杠的影響可取
[nk]≥4
由Fk=fzπ2EI/L2(N)
其中 fz取4.0
E=2.0x104Mp
I=πd14/64=3.14×304/60=42390
L=490mm
固Fk=4.0×9.8596×20.6×104×42390/240100
=1434358.675N
所以 nk＝Fk/Fm=1434358.675/900＞[nk]
所以滾珠絲杠副的壓桿穩(wěn)定性符合要求。
三、導軌的選型與計算
導軌的功用是是導向和承載。例如車床的溜板和床身導軌是屬于進給導軌，進給運動導軌的動導軌與支承導軌之間的相對運動速度較低。滾動導軌在兩導軌面間裝有球、滾子或滾針等滾動元件，具有滾動磨擦性質(zhì)，廣泛地用于進給運動導軌。貼塑導軌也具有良好的減摩擦、抗撕傷能力強低速不易出現(xiàn)爬行、但是，因為塑料剛度低，會產(chǎn)生較大的彈性變形和接觸變形，局部壓強大是會影響運動的精度。綜合兩種導軌的優(yōu)缺點，在這里DK7732線切割機床初步選用SGDSWC1Ⅱ2x1000D.滾動導軌。
1、滾動導軌
1）；滾動導軌的結構及配置
直線運動支撐中，有滾動體不作循環(huán)運動的直線滾動導軌和滾動體做循環(huán)運動的直線滾動導軌，后者叫做直線滾動導軌副（塊）組件。
直線滾動導軌副包括導軌條和滑塊兩部分。導軌通常為兩根，裝在支撐件上，每根導軌條上有兩個滑塊，固定在移動件上。如移動件較長，也可在一跟導軌條上裝3個或3個以上滑塊。如移動件較寬，也可以用3根或3根以上的導軌條。如果移動件的剛度較高，則少裝為好。在兩條導軌中，一條為基準導軌上有基準面A，滑塊上有基準面B ；另一條為從動導軌。
2）；滾動導軌的予緊
直線滾動導軌副分為整體型直線滾動導軌副和分離型直線滾動導軌副。整體型的直線滾動導軌副有制造廠用選配不同直線剛球的
辦法來決定間隙或予緊?？筛鶕?jù)要求的予緊訂貨，不需自己調(diào)整。分離型直線滾動導軌副，應由用戶根據(jù)需要，按規(guī)定的間隙進行調(diào)整或予緊。
3）；線滾動導軌副的計算
直線滾動導軌副的計算與滾動軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支撐不發(fā)生蝕點為依據(jù)。這個載荷稱為滾動導軌的額定動載荷Ca，可從產(chǎn)品樣本中查到。以上海組合夾具廠兩種型號（SGDA和SGDB）直線滾動導軌副的主要參數(shù)，其中Ca為額定動載荷，Coa為額定靜載荷（kN）。這個行走的距離稱為滾動導軌的距離額定壽命，它可根據(jù)滾動導軌的額定動載荷Ca用于下列公式進行計算。
滾動體為球時 L=50(CafHftfc/Ffw)3
滾動體為滾子時 L=100(CafHftfc/Ffw)10/3
式中：L為滾動導軌副的距離額定壽命（km）；Ca為額定動載荷（N）,初選滾動導軌型號后，可從樣本中查出；F為每個滑塊上的工作載荷（N）；fH=0.8.為50HRC時fH=0.53；fT為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過100度時，fT=1；fc為接觸系數(shù)，每根導軌條上裝有二個滑塊 fc=0.81，裝三個滑塊時fc=0.72，裝四個滑塊時fc=0.66；fw為載荷/速度系數(shù)，無沖擊振動或v≤15m/min時fw=1~1.5，輕沖擊振動或15m/min
60m/min時fw=2.0~3.5。
由初步選定的結果查手冊知道
導軌的Coa=86 Ca=54 (KN)
fH=0.8 fT=1
fc=0.81 fw=1.5
F=1/4×6000N=1500N
所以L=50(5.4×104×0.8×1×0.81/1500×1.5)3
=3761Km
如果把距離額定壽命L換算成為小時額定壽命Lh，則
Lh=L×103/2ns×60=3761×103/2×3×0.4×60
=2.6×104h
=2.9年 即為期望值
式中：S為移動件行程長度（m）；n為移動件每分鐘往復次數(shù)（min-1）。
從產(chǎn)品樣本中選定的滾動導軌副的型號，由查出的額定動載荷Ca，由計算距離額定壽命L或小時額定壽命Lh，若L或Lh大于滾動導軌的期望壽命定為50km，滾子導軌的距離期望壽命為100km。
但是如果滾動導軌的工作速度較低，靜載荷較大，則選擇滾動導軌時應考慮相應的額定靜載荷Coa不小于工作載荷的2倍。額定靜載荷Coa也可以從樣本中查出。
4）；滾動導軌的潤滑與防護
滾動導軌采用潤滑脂潤滑。常用的牌號為ZL-2里基潤滑脂。（GB7324-87，2號）。它的優(yōu)點是不會泄露，不需經(jīng)常加油；缺點是進塵屑后易磨損導軌。可采用專門的防護方式。
四．儲絲筒旋轉(zhuǎn)組合件的選擇
儲絲筒組合件主要是由儲絲筒、聯(lián)軸器軸承座組成
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鋼制成。為減小轉(zhuǎn)動慣量，筒壁應該盡量薄，按機床規(guī)格的不同，選用范圍為1.5~5mm。為進一步降低轉(zhuǎn)動慣量，也可選用鋁鎂合金材料制造。
儲絲筒壁厚度要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般Ra為0.8μm。為保證絲筒組合件動態(tài)平衡，應嚴格控制內(nèi)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不應大于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動機軸與儲絲筒中心軸，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。由于儲絲筒運行時頻繁的換向，聯(lián)軸器瞬間受到正反剪切力很大，因此多用彈性聯(lián)軸器和磨擦錐式聯(lián)軸器。
1）；彈性聯(lián)軸器見圖 。
圖2.3彈性聯(lián)軸器
彈性聯(lián)軸器結構簡單，慣性力矩小，轉(zhuǎn)向較平穩(wěn)，無金屬撞擊聲，可減小對儲絲筒中心軸的沖擊。彈性材料采用橡膠、塑料或皮革。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點是，容許電動機軸與儲絲筒軸有不同心和不平行（如最大不同心允許為0.2~0.5mm，最大不平行為1度），缺點是由它聯(lián)結的兩根軸在傳遞扭矩時會有相對轉(zhuǎn)動。
2）；磨擦錐式聯(lián)軸器
摩擦錐式聯(lián)軸器可帶動轉(zhuǎn)動慣量較大的大、中型機床儲絲筒旋轉(zhuǎn)組合件。此種聯(lián)軸器可傳遞較大的扭矩，同時在傳動負荷超載時，摩擦面之間的滑動還可起到過載保護作用。因為錐形摩擦面會對對電動機和儲絲筒產(chǎn)生軸向力，所以在電機主軸的滾動支撐中，應選用向心止推軸承和單列圓錐磙子軸承。另外，還要正確選用彈簧規(guī)格。彈力過大，會增大軸向力，影響中心軸的正常轉(zhuǎn)動。
綜合上所概括的兩種聯(lián)軸器的特點，在這里可以選擇彈性聯(lián)軸器作為這里聯(lián)結所用。
五．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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)，不因電源電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；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(diào)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(zhuǎn)矩初選電機型號
2.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。
3.矩頻特性
步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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
4）；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(zhuǎn)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。
六、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(chǎn)生的彎曲或高速運轉(zhuǎn)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(chǎn)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(chǎn)生間隙。
缺點：調(diào)整較復雜。
第三章 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(qū)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、 DK77型線切割機床脈沖電源原理。
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(zhuǎn)換成幾百赫茲的高頻的單向脈沖電源，為高速旋轉(zhuǎn)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(chǎn)生火花放電，對工件進行電腐蝕加工。通過調(diào)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(diào)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(chǎn)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。
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(zhuǎn)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
1．數(shù)控系統(tǒng)總體方按的擬定
主軸電動機
軟件
主運動驅(qū)動電路
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)的基本組成如下圖所示：
步進電機
微
機
通信接口
步進電機
機
床
開關量控制電路
圖3.1 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3.2 線切割機微機控制系統(tǒng)組成
二、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(chǎn)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。
2.MCS-51系列單片機的設計
MCS-51系列單片機的所有產(chǎn)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(nèi)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