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)
不完整測量數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)
王壽宏，王海
摘要： 對資料挖掘來說，未經(jīng)加工的調(diào)查數(shù)據(jù)通常是不完整的。資料挖掘中缺失數(shù)據(jù)的問題在知識發(fā)現(xiàn)過程中常被忽略。這篇文章介紹了在不完整調(diào)查數(shù)據(jù)中資料挖掘的基礎(chǔ)概念，以及計劃知識發(fā)現(xiàn)中的咨詢過程，和在調(diào)查資料挖掘咨詢功能在概念解釋上的發(fā)展趨勢。這篇文章通過一個事例，論證了通過使用人工智力工具譬如自組織映射，不完整數(shù)據(jù)的概念解釋可以完成。
1.引言
數(shù)據(jù)挖掘就是分析數(shù)據(jù)以圖從中找出有用模型的過程。而數(shù)據(jù)挖掘與傳統(tǒng)的
統(tǒng)計分析有所不同，因為數(shù)據(jù)挖掘的目的是找出對數(shù)據(jù)所有者或數(shù)據(jù)挖掘員有價
值而又確定的關(guān)系。鑒于數(shù)據(jù)的維數(shù)和數(shù)據(jù)量本身的巨大，傳統(tǒng)的的統(tǒng)計分析方
法在數(shù)據(jù)挖掘時有其局限性。為滿足數(shù)據(jù)挖掘的最新需要，在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域里面
已經(jīng)廣泛采用基于人-機互動技術(shù)的人工智能技術(shù)。
數(shù)據(jù)挖掘時有很多非統(tǒng)計技術(shù)。基于Kohonen神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自組織映射(SOM)法是其中一種比較有前途的方法?；诩杭夹g(shù)的SOM法對其他方法來說有優(yōu)勢。通常數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)處理一些十分高維的數(shù)據(jù)，也就是說做數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)據(jù)庫通常是由很多變量決定的?！熬S數(shù)災(zāi)難”使得對數(shù)據(jù)關(guān)系的統(tǒng)計分析變得毫無意義，這也使得統(tǒng)計方法變得無能為力了。然而SOM方法并不依賴任何假定的統(tǒng)計測試，因而被認為是處理多維數(shù)據(jù)的有效方法。更為重要的是SOM方法提供了多維可視化數(shù)據(jù)串的基礎(chǔ)。這種特色是其他任何數(shù)據(jù)分析方法都不具備的。它允許數(shù)據(jù)挖掘者分析該問題域中的集群。
測量只是數(shù)據(jù)采集中的一種普通數(shù)據(jù)獲取方法。在數(shù)據(jù)挖掘的中，我們得到的調(diào)研數(shù)據(jù)集通常很難滿足每個變量都有填寫完全的觀測結(jié)果。一般地，被調(diào)查者只部分地完成調(diào)研和問卷調(diào)查的內(nèi)容。當(dāng)事實上我們無法再次面向被調(diào)查者完成調(diào)研和問卷調(diào)查的全部內(nèi)容時，我們并不知道缺失數(shù)據(jù)的嚴重性,但這是數(shù)據(jù)掘中有待發(fā)現(xiàn)的最重要部分之一。事實上，在知識工程領(lǐng)域缺失數(shù)據(jù)是一個重要而具有爭議的問題。
通過集群分析在挖掘由不完整數(shù)據(jù)構(gòu)成的調(diào)查數(shù)據(jù)庫過程中，缺失數(shù)據(jù)的類
型及缺失數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)挖掘的潛在影響是一門學(xué)問。例如，數(shù)據(jù)挖掘者通常希望能
知道集群分析的可信程度；一些有價值的類型通常是什么時候和怎樣丟失的；以
及丟失有價值數(shù)據(jù)的時候哪些變量與之有關(guān)系。這些有價值東西在缺失數(shù)據(jù)集部
分被充分發(fā)掘之后才能發(fā)現(xiàn)。
這篇文章討論了知識發(fā)現(xiàn)中在發(fā)掘調(diào)研數(shù)據(jù)庫過程中數(shù)據(jù)缺失的問題，并介
紹了概念解釋的概念基礎(chǔ)，以及建議設(shè)立基于SOM數(shù)據(jù)挖掘概念解釋查詢功能。以下部分是這樣安排的：第二部分討論數(shù)據(jù)缺失與數(shù)據(jù)挖掘的關(guān)系問題；第三部分介紹數(shù)據(jù)挖掘中SOM的概念解釋；第四部分說明了挖掘不完整數(shù)據(jù)的4個概念的知識發(fā)現(xiàn)；并提供了應(yīng)用SOM挖掘不完整數(shù)據(jù)的概念解釋的圖解。第五部分建立用于操控SOM的概念解釋查詢工具。第六部分介紹一個例子，該例子應(yīng)用咨詢工具對一個學(xué)生判斷測量的數(shù)據(jù)集進行熟練操作SOM系統(tǒng)的概念建構(gòu)。最后，第七部分作了結(jié)束語。
2 數(shù)據(jù)缺失問題
不完整數(shù)據(jù)集普遍存在于數(shù)據(jù)挖掘中。數(shù)據(jù)缺失的解決辦法有許多種,其中對付不完整數(shù)據(jù)的一種方便辦法是將那些已記錄沒有價值的數(shù)據(jù)集排除掉。然而這忽略了這些記錄中潛在的有用信息。萬一缺失數(shù)據(jù)的比重較大，從篩選過的數(shù)據(jù)中得出的結(jié)論就會有偏頗或引起誤導(dǎo)。
另一種處理丟失數(shù)據(jù)的簡單方法是用一類通用的“未知”來代替所有丟失數(shù)
據(jù)項。數(shù)據(jù)挖掘中，不確定的“未知”通常在丟失數(shù)據(jù)項中引起混亂和誤解。
對付缺失數(shù)據(jù)的第三種辦法是排除數(shù)據(jù)域中沒有價值的數(shù)據(jù)。對于時序數(shù)列，可觀察到的相鄰數(shù)據(jù)點可以插補。一般情況下，數(shù)據(jù)域中預(yù)期值可用于統(tǒng)計測量。然而，數(shù)據(jù)挖掘中，調(diào)研數(shù)據(jù)類型通常是隊、類，有多項選擇的，二進制的。這些例子中，插補及特殊缺失數(shù)據(jù)變量的使用通常是不夠的。更為重要的是，
研究表明，解決缺失數(shù)據(jù)的有效辦法應(yīng)該總是獨立于問題之外去研究。
新近，發(fā)現(xiàn)損缺失數(shù)據(jù)集的合計概念方向有了精確的方法。這些方法與傳統(tǒng)
逼近法處理缺失數(shù)據(jù)截然不同，它著眼于缺失數(shù)據(jù)的整體，而不是個別缺失的價
值。這些方法的這個高級特征使不完整數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘得以加強。然而這些統(tǒng)計
方法有其局限性。首先，得假定缺失價值存在于隨機方式或者新遵循一定的分配
儀式。這些關(guān)于數(shù)據(jù)分配嚴格假定通常是無效的，特別對不完善數(shù)據(jù)的測定。第
二，這些數(shù)學(xué)模型通常是數(shù)據(jù)驅(qū)動，而不是“問題領(lǐng)域驅(qū)動”。實際上，由于數(shù)
據(jù)挖掘的目標(biāo)常常與具體問題域有關(guān)聯(lián)，一個單獨普通概念建構(gòu)算法不足以應(yīng)付
數(shù)據(jù)挖掘的多樣目標(biāo)。
數(shù)據(jù)庫的知識發(fā)現(xiàn)是鑒別有效的、新奇的、有潛在作用并最終可以理解的數(shù)
據(jù)模式的有實際意義的過程。根據(jù)這個定義，這項研究強調(diào)利用不完整數(shù)據(jù)進行
數(shù)據(jù)挖掘概念構(gòu)建的兩個方面。首先，利用不完整數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)挖掘中，有效、
新奇、有用的標(biāo)準(zhǔn)隨問題而定。那就是，一個數(shù)據(jù)模式不單獨依賴于該模式估計
的統(tǒng)計力，也依賴于數(shù)據(jù)挖掘者。第二，通過對建立于計算機和人類認識理論的
組合空間的啟發(fā)式研究，可以完成基于不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)。人機協(xié)作進行概
念建構(gòu)就是在數(shù)據(jù)挖掘者和計算機之間發(fā)掘出新奇、似是而非、有用的、相關(guān)的
和有趣味性與缺失數(shù)據(jù)相關(guān)的知識的人機交互式過程。
照我們看來，數(shù)據(jù)挖掘與傳統(tǒng)統(tǒng)計在處理缺失數(shù)據(jù)方面有很多不同。
(1)數(shù)據(jù)挖掘試圖從數(shù)據(jù)中去發(fā)掘出無疑的、潛在的有用模式，是由于數(shù)據(jù)挖掘者的新奇目標(biāo)在于缺失數(shù)據(jù)而不在于估計個別缺失數(shù)據(jù)的價值。
(2)數(shù)據(jù)挖掘是人類知識發(fā)現(xiàn)環(huán)道中心環(huán)節(jié)工具,該過程是通過人機交互而認
識到由集合水平上缺失數(shù)據(jù)引起的沖擊，更甚于僅用基于未經(jīng)證實的假設(shè)的數(shù)學(xué)
方法得出的結(jié)論。
3.概念建構(gòu)的工具：自映射組織（SOM）
假如有一個很大多維集調(diào)研的例子，通常就會有很大一部分觀察資料丟失
價值，然而并非所有的缺失數(shù)據(jù)都引起數(shù)據(jù)挖掘者的興趣。因此，對于一個有巨
大數(shù)據(jù)來說，任何簡單的強力搜索缺失數(shù)據(jù)的方法都是不可行，而且，當(dāng)數(shù)據(jù)挖
掘者通過數(shù)據(jù)挖掘僅為了找出問題或者發(fā)展概念時該方法是沒有用的。為明確問
題或創(chuàng)建概念，數(shù)據(jù)挖掘者需要一種工具來觀察可利用數(shù)據(jù)與缺失數(shù)據(jù)的確定模
式。
由于自映射組織（SOM）比流行的k-群集算法在計算方面更有效率，因此在群集分組中廣泛應(yīng)用。更為重要的是，SOM為數(shù)據(jù)挖掘者提供數(shù)據(jù)的可視化，用來觀察多維數(shù)據(jù)。研究表明，SOM在數(shù)據(jù)挖掘中鑒別未可懷疑的數(shù)據(jù)模式中很有效。特別是，SOM可用在多變量測量數(shù)據(jù)的集群分析。這個研究更進一步，把SOM作為有關(guān)缺失數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)的工具。不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)是為了研究缺失數(shù)據(jù)的模式，如同這些缺失數(shù)據(jù)對基于完整數(shù)據(jù)的挖掘結(jié)果的潛在沖擊。下面例子說明，SOM提供一種人機協(xié)作從缺失價值的數(shù)據(jù)中建構(gòu)概念的機制。
SOM能輸入模式中,通過無人監(jiān)督（競爭的）學(xué)習(xí)過程,學(xué)會一定有用的特征，
以及把多維數(shù)據(jù)繪制到低維圖片，這樣數(shù)據(jù)挖掘者可觀測到集群圖片。圖1描述了研究中應(yīng)用二層SOM的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。低層節(jié)點（輸入節(jié)點）通過采樣數(shù)據(jù)點接收輸入數(shù)值。高層節(jié)點（輸出節(jié)點）在無人監(jiān)督學(xué)習(xí)后回饋輸入的組織映象。每個低層節(jié)點都經(jīng)過一個可變聯(lián)接權(quán)量，聯(lián)結(jié)到每個高層節(jié)點。
SOM無人監(jiān)督學(xué)習(xí)過程可簡要如下所述。開始時聯(lián)結(jié)承載較小隨機數(shù)學(xué)。輸入節(jié)點接收由采樣數(shù)據(jù)點引入的輸入代表向量。輸入向量經(jīng)過聯(lián)接傳送到輸出節(jié)點。激活的輸出節(jié)點依賴于輸入。在勝者通吃的競爭制度中，與輸入向量有最相似的權(quán)量的輸出節(jié)點被激活。在學(xué)習(xí)階段，權(quán)量依照Kohonen的學(xué)習(xí)規(guī)則更新。
權(quán)量更新僅存在于激活的輸出節(jié)點以及拓撲鄰點（如圖1）。在這種一維空間輸出事例中，我們假定了一個線性鄰域。該鄰域開始很大，尺寸隨時間慢慢減小。因為學(xué)習(xí)速度將趨于零，學(xué)習(xí)進程也將最終集于一點。
引入足夠的輸入向量后，權(quán)量將指定群集以便本地群集密度函數(shù)趨于接近輸
入向量的密度函數(shù)。由于共享相似拓撲的節(jié)點對相似輸入敏感，所以權(quán)量得組織。因而SOM的輸出節(jié)點要組織，同時，在預(yù)先并不了解聚類中心的情況下，也體現(xiàn)真實自映射組織聚類。讀者可到12章中看更詳細內(nèi)容。
4、不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)
這篇文章中，不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)通過兩個階段來完成的。首先，SOM應(yīng)用于完整數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集中，顯示了引入聚類的數(shù)據(jù)的不同尋常的模式?；谶@些聚類，數(shù)據(jù)挖掘者能鑒別出明確的數(shù)據(jù)模式，并清晰說清楚問題。其次，與正被討論的聚類有關(guān)聯(lián)的缺失價值的不完整數(shù)據(jù)，構(gòu)造出新概念。這一段中，數(shù)據(jù)挖掘者估計了缺失數(shù)據(jù)對問題鑒別以及發(fā)展與缺失數(shù)據(jù)相關(guān)的知識的沖擊。第一階段的任務(wù)跟大部分SOM在聚類鑒別的應(yīng)用一樣。這篇文章集中目標(biāo)于第二階段，并計劃了不完整數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的概念建構(gòu)的方法。下一步，我們建造四個概念作為不完整數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)挖掘的知識發(fā)現(xiàn)。如同本文后面所講的，通過人協(xié)作和基于SOM的可視化數(shù)據(jù)，這些概念能夠建造出來。
4.1 可靠性
依照正被調(diào)查的問題，可靠性概念顯示了缺失數(shù)據(jù)的范圍。有兩個指數(shù)應(yīng)用
于該概念。
C1：/ 是缺失價值數(shù)據(jù)采樣的數(shù)量，是使用的聚類鑒定的完整價值的數(shù)據(jù)采樣的數(shù)量。顯然，/的值越高，聚類的觀測可靠性越低。
C2:(i)/(i) (i)是變量i的缺失數(shù)值，(i)是使用的聚類鑒定的采樣變量i的數(shù)值。再則，根據(jù)變量i，(i)/(i)的值越大，聚類的觀測可靠性越低。
4.2 隱匿
隱匿的概念揭示一次觀測結(jié)果的值在一定范圍內(nèi)變化意味著將在另一個變量中丟失價值。
C3: (i)|x(j)=(a,b) (i)是變量i的漏測值，x(j)是變量j的值，而（a,b）是x(j)的值的范圍。
索引揭示了測量疑問的不確定答案的程度，例如“未知”和“中立的”，或者組織缺失數(shù)據(jù)的意圖，例如“不想告訴”。
4.3 反求運算
反求運算的概念揭示了變量同時更可能缺失值。
C4:(i,j)/(i) (i,j)是變量i和j的漏測值, (i)是變量i的漏測值。C4這個概念揭示兩個變量的漏測值的相互關(guān)系。(i,j)/(i)的值越大，漏測值之間的相互關(guān)系越緊密。
4.4、條件效應(yīng)
條件效應(yīng)這個概念揭示了聚類鑒別的潛在變化，若缺失價值已完成。
C5: |=k是數(shù)據(jù)挖掘者感覺到的聚類的變化量，代表變量i的所有漏測值，而k是測量中可能出現(xiàn)的可能值。特別地，k={max,min,p}，max是刻度的最大值，min是刻度的最小值，而p是隨機變量在完整數(shù)據(jù)中的同種分布函數(shù)的值。對漏測值來說，賦予k不同的值，數(shù)據(jù)挖掘者可能觀測到聚類的變化，然后重新限定問題。
簡言之，不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)是一門學(xué)問的發(fā)展過程。不完整數(shù)據(jù)中建造一個新概念，需要數(shù)據(jù)挖掘者去明確建構(gòu)中的特別問題。漏測值的四個概念是可靠性、隱匿性、求反運算及條件效應(yīng)。下一步我們逐步展開不完整數(shù)據(jù)概念建構(gòu)中的質(zhì)疑。我們質(zhì)疑的目的是使數(shù)據(jù)挖掘者能夠通過使用SOM來操作實驗過程，從而建造出新的與問題相關(guān)的概念。
5、概念建構(gòu)的詢問處理
結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）這種查詢工具具有特征，這種標(biāo)準(zhǔn)查詢語言常用于相關(guān)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。對于數(shù)據(jù)挖掘，由于數(shù)據(jù)庫信息檢索的最終目標(biāo)是通過應(yīng)用多變技術(shù)的明確表達的知識，創(chuàng)造一種單純的標(biāo)準(zhǔn)查詢語言能滿足數(shù)據(jù)挖掘的各個目的是不太可能的。然而，為了維持人機協(xié)作高效運轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)挖掘中可視化詢問處理很必要。這個研究通過基于SOM的聚類分析，發(fā)展一套查詢函數(shù)來幫助數(shù)據(jù)挖掘者建造與缺失數(shù)據(jù)相關(guān)的概念。
基于SOM數(shù)據(jù)挖掘的計算環(huán)境是微軟的Excel。這使資料庫、SOM程序與詢問處理有可能整合為一個單純環(huán)境。應(yīng)用微軟的Excel，依靠電子表格，數(shù)據(jù)得以儲存；通過宏指令（VBA）SOM程序得以執(zhí)行；圖形函數(shù)支持數(shù)據(jù)可視化；宏指令也使得查詢處理函數(shù)能夠運行。圖2描述了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的技術(shù)細節(jié)。解決了基于PC的軟件問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得簡單而易于執(zhí)行。然而，從實際應(yīng)用的觀點來看，軟件系統(tǒng)限制了數(shù)據(jù)挖掘中數(shù)據(jù)庫的規(guī)模。
七組查詢函數(shù)已發(fā)展起來，對應(yīng)于上一節(jié)所描述數(shù)據(jù)挖掘中的四個概念以及一般操作函數(shù)。通過圖形用戶界面，數(shù)據(jù)挖掘者使用詢問處理系統(tǒng)。
5.1 獲得完整數(shù)據(jù)的聚類
數(shù)據(jù)挖掘者使用查詢函數(shù)來觀測聚類及鑒定不用懷疑的完整價值數(shù)據(jù)集模式?；谀切┚垲?，數(shù)據(jù)挖掘者明確問題所在。數(shù)據(jù)挖掘者能夠選擇適合SOM數(shù)據(jù)庫的變量，并設(shè)置拓撲和SOM參數(shù)便于管理的聚類的號碼。聚類的數(shù)量非常依賴于自然數(shù)據(jù)和SOM參數(shù)間的復(fù)雜關(guān)系。然而，通過減少SOM輸出節(jié)點的數(shù)量及調(diào)整巨大的學(xué)習(xí)率和初始化領(lǐng)域，數(shù)據(jù)挖掘者通常能夠減少聚類的數(shù)量；反之亦然。
應(yīng)用這個查詢函數(shù)，數(shù)據(jù)挖掘者能夠描繪所查詢的SOM聚類。由于一個聚類的邊界線在圖中通常是模糊不清的，對聚類的描繪只能基于他或她對聚類的感知。在內(nèi)部，對應(yīng)觀測采樣，輪廓與聚類的SOM輸出節(jié)點相關(guān)。這使電腦程序追溯聚類到數(shù)據(jù)成為可能。查詢函數(shù)返回該聚類的變量的值的范圍。
5.2 SOM的保存和更正
查詢是為了保存和更正的SOM的一般操作，如同設(shè)置數(shù)據(jù)樣值的參數(shù)、變量。數(shù)據(jù)挖掘者能夠把一系列的SOM結(jié)果與不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)相比較。
5.3 查明 C1:/
通過SOM選定變量和確認聚類后，數(shù)據(jù)挖掘者想知道的是觀測到的聚類的可靠性如何。這個查詢允許數(shù)據(jù)挖掘者去查明/中SOM培訓(xùn)所用變量。如果/的值大，數(shù)據(jù)挖掘者能夠發(fā)現(xiàn)個別變量的可靠性，如下面所述的。
5.4 查明C2： (i)/(i)
數(shù)據(jù)挖掘者可能對某一變量感興趣。應(yīng)用這個查詢，他能夠根據(jù)這個別的變量來核查聚類的觀測是否可靠。
5.5 查明C3： (i)/x(j)=(a,b)
該查詢函數(shù)能夠讓數(shù)據(jù)挖掘者查明一個變量的缺失值與別一變量的值的范圍之間的相互關(guān)系。這種關(guān)系提供如數(shù)值什么時候會丟失之類的信息。應(yīng)用該查詢，數(shù)據(jù)挖掘者詳細查明兩個變量如缺失值之間可能的相互關(guān)系、已一個變量知值的范圍及在其他變量中發(fā)現(xiàn)有缺失值的觀測的數(shù)量。
5.6 查明C4： (I,j)/(i)
該查詢函數(shù)能夠讓數(shù)據(jù)挖掘者找出兩個變量間缺失值的相互聯(lián)系。應(yīng)用該查詢，數(shù)據(jù)挖掘者首先選擇兩個與問題相關(guān)的變量進行調(diào)查，然后查明這兩個變量可能總共多久一次丟失值。
5.7 查明C5：=k
該查詢函數(shù)允許數(shù)據(jù)挖掘者用假定值代替缺失值，及觀察聚類的變化。假定值可能是最大與最小值中間的任何數(shù)。與返回詳細數(shù)據(jù)不同，查詢函數(shù)返回多樣的映射以便數(shù)據(jù)挖掘者用不同的k值比較聚類。基于假定分析試驗，數(shù)據(jù)挖掘者能夠在感知缺失值在確定問題中的沖擊。
6、用一個例子來學(xué)習(xí)概念建構(gòu)
這一節(jié)中我們用一個例子來闡明不完整測量數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)中基于SOM的查詢系統(tǒng)的應(yīng)用。學(xué)生的教師調(diào)查法在大學(xué)中廣泛應(yīng)用于估評教授的教學(xué)質(zhì)量。研究中沿用的數(shù)據(jù)來自加拿大大學(xué)一個學(xué)生對教師調(diào)查法（附件A）。在這個例子中二十一個問題描述了一個教師的表現(xiàn)特征。每個問題都有五個等級的答案讓學(xué)生回答。一個問題得高分表明問題的答案是積極的。這些問題的加權(quán)平均數(shù)由聯(lián)系于評價教學(xué)效果的多種數(shù)據(jù)組成。學(xué)校教學(xué)中心的一個任務(wù)是了解教學(xué)中的問題，以便采取相應(yīng)方法（例如，教學(xué)研究會及研究所）去攻克這些問題。
由于二十個問題與一個班級學(xué)期教學(xué)效果評估相關(guān)，二十個變量組成SOM的多維數(shù)。最后一個問題與教師分級相關(guān)。研究中，該變量用于與低效教學(xué)相關(guān)的選擇，而這些教學(xué)基于該問題全部測量數(shù)據(jù)的中間值。
表1
概念建構(gòu)的例子
聚類
（采樣%）
問題相關(guān)變量
基于完整數(shù)據(jù)的問題鑒別
不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)
1 (24.8)
V16,v18
學(xué)生測試結(jié)果需要更
多令人信服的解釋
測試和分配不能夠?qū)?
學(xué)生提供反饋作用
對即時分級不滿意的學(xué)生，
通常對他們能否得到對
工作有益注解漠不關(guān)心
2 (26.6)
V14
應(yīng)該更好規(guī)劃測試和分配
對課程學(xué)習(xí)經(jīng)驗忽略看法
的學(xué)生通常對適當(dāng)測試或
者布置規(guī)劃漠不關(guān)心
3 (12.7)
V1,v20
不能很好描述困難概念；特
別是，課本沒有給出太多幫
助時
雖然v20的缺失值率最高，
缺失值對問題鑒定不具
嚴重沖擊
收集3823個無效教學(xué)質(zhì)量觀測采樣數(shù)據(jù)后可確認這個學(xué)校的教學(xué)問題。這些數(shù)據(jù)中，2788個是完整的。
SOM聚類分析方法應(yīng)用于預(yù)先確認完整數(shù)據(jù)中的問題。使用300個SOM輸出節(jié)點、200個初始化領(lǐng)域節(jié)點后，初始學(xué)習(xí)率是0.01，2000個學(xué)習(xí)疊代后，SOM顯示四出聚類。一個聚類表明有一組存在低值，該值在進一步分析后排除幾乎所有變量后得出的。三個聚類有蘊含意義。
根據(jù)聚類分析，發(fā)現(xiàn)接收到低值的變量v1,v14,v16,v18和v20比較特別，與無效教學(xué)有關(guān)，如表1中前三行所述。
然后不完整數(shù)據(jù)用于建造該問題的新概念。
6.1 C1:/
雖然觀測資料的不完整率達對整個測量來說高達37%，根據(jù)關(guān)系密切的變量（v1,v14,v16,v18和v20），/是5.2%，這說明最初識別的問題通常有效的。
6.2 C2:(i)/
在這五個變量中，缺失值率最高是v20，達8.6%,這說明這變量（例如，無用的課本和教學(xué)材料）指示的無效教學(xué)的可靠性可能不如其他相關(guān)變量可靠。
6.3 C3:=(a,b)
v16的缺失值率是2.2%。然而，52.1%的缺失值來自觀測函數(shù)x(v15)=[1,3]。這說明不滿意即時分級通常對他們能否收到對他們工作有益意見漠不關(guān)心。
6.4 C4:
v14的缺失值率是3.7%。然而v14與v10由式子=33.6%緊密相聯(lián)在一塊。這說明忽略課程學(xué)習(xí)經(jīng)驗的看法的學(xué)生，通常對測試或分配要適當(dāng)計劃漠不關(guān)心。
6.5. C5: =k
這個例子中，v20缺失值最高(達8.6%)。數(shù)據(jù)挖掘者可能想了解缺失數(shù)據(jù)的潛在沖擊。在完整數(shù)據(jù)中，V20的最小值是1，最大值是5，v20的概率分布是{0.11|v20=1，0.16|v20=2，0.21|v20=3，0.28|v20=4，0.24|v20=5}。設(shè)置好v20的缺失值的這些值之后，新的試驗數(shù)據(jù)用來為SOM繪制示意圖。在完整數(shù)據(jù)中應(yīng)用相同的SOM拓撲，假定分析試驗是引導(dǎo)。 如圖3所示，這個例子的全部的結(jié)論是，v20的缺失值對問題鑒定不具嚴重沖擊。
這個例子中，缺失值新的概念建構(gòu)在表1的第四欄中總結(jié)出來了。
這個例子闡述了被提議的概念建構(gòu)方法的使用，并提供一個提議方案的實驗試驗。容易看出，這個例子研究的數(shù)據(jù)挖掘的數(shù)值范圍相當(dāng)小。一般來說，比起這個例子來，數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用于在規(guī)模和維數(shù)大得多的數(shù)據(jù)集。
7. 結(jié)論
在數(shù)據(jù)挖掘領(lǐng)域，不完整數(shù)據(jù)通常受到不公正對待。這篇文章提議不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)，并提及了四個種類的缺失值概念。對于問題鑒別、數(shù)據(jù)隱藏意圖、兩個變量的缺失值求反運算以及缺失數(shù)據(jù)的條件效應(yīng)，這些是可靠的。由于SOM在聚類和數(shù)據(jù)可視化方面的優(yōu)勢，而被選作概念建構(gòu)的工具?；赟OM聚類分析，這篇文章接著建議七類查詢函數(shù)來建構(gòu)不完整數(shù)據(jù)概念。使用這些查詢函數(shù)，數(shù)據(jù)挖掘者能夠建構(gòu)與數(shù)據(jù)挖掘問題鑒別相關(guān)的新的概念。雖然與真實事例不同，但它已被證明，概念建構(gòu)的模式能更好用在知識發(fā)現(xiàn)方面。
知識發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)庫是個正在成長的領(lǐng)域。一般來說，知識發(fā)現(xiàn)開始于原始的問題鑒別。然而問題鑒別典型地證實為數(shù)據(jù)庫和一般統(tǒng)計算法力所不及的。在知識發(fā)現(xiàn)過程中，必須建造新的概念使數(shù)據(jù)不那么神秘。總之，不完整數(shù)據(jù)的概念建構(gòu)為知識發(fā)展提供有效的技術(shù)，因而，基于數(shù)據(jù)細節(jié)問題領(lǐng)域和挖掘者的對缺失數(shù)據(jù)的感知，他能夠說明數(shù)據(jù)挖掘的結(jié)果。以后的工作包括在數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主機上執(zhí)行軟件系統(tǒng)，并進一步評估被提議在更大范圍的數(shù)據(jù)集的方法。
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
南 華 大 學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書
學(xué) 院： 機 械 工 程 學(xué) 院
題 目： DK 7732 數(shù) 控 高 速 走 絲 電 火 花
線 切 割 機 及 控 制 系 統(tǒng)
起址時間： 2005 年 2 月 28 日 至 2005 年 6 月 12 日
學(xué)生姓名： 劉 建 榮
專業(yè)班級： 機 械 011 班
指導(dǎo)老師：
教研室主任：
院 長：
2005 年 6 月 12 日
設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求:
(一) 設(shè)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(shè)計電火花線切割機的主要技術(shù)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(shè)計。
3．完成電火花線切割機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。
4．完成控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。
(二)任務(wù)和要求：
1．根據(jù)總體方案設(shè)計，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(gòu)結(jié)構(gòu)圖一張（A0計算機圖）。
3．進行坐標(biāo)工作臺德望運動和強度計算，繪制出坐標(biāo)工作臺縱向（X方向）、橫向（Y方向）或運絲拖板（U、V）進給機構(gòu)部裝圖一張（A1計算機圖）。
4．根據(jù)控制系統(tǒng)總體設(shè)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．繪制出貯絲筒或滾珠絲桿零件圖一張（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(shè)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）。
指導(dǎo)老師： 2005年2月28日
南華大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告
設(shè)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(shè)計（論文）題目來源
自選課題
設(shè)計（論文）題目類型
工程設(shè)計類
起止時間
2005年2月28日至2005年6月12日
一、 設(shè)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(shù)已廣泛應(yīng)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(shè)計的數(shù)控高速走絲電火花線切加工機床是一個改進設(shè)計，我們設(shè)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(shè)計是對大學(xué)四年專業(yè)知識的綜合運用。通過這次設(shè)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(xué)習(xí)都是一個莫大的幫助，我們受益匪淺
二、 設(shè)計（論文）主要研究的內(nèi)容、預(yù)期目標(biāo)：（技術(shù)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(shè)計電火花線切割機的主要技術(shù)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(shè)計。
3、 完成電火花線切割機的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。
4、 完成控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。
三、設(shè)計（論文）的研究重點及難點：
在這次設(shè)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(xué)的單片機的知識有限，這也加大了我們的設(shè)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(fù)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(fù)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(shè)計還不夠完善，下步工作可深入研究。
四、 設(shè)計（論文）研究方法及步驟（進度安排）：
研究方法：1：參考各種設(shè)計手冊
2：通過網(wǎng)絡(luò)，查閱各種相關(guān)資料
3：在設(shè)計過程中遇到問題向指導(dǎo)老師請教，直到解決問題
研究步驟：1：查閱資料，選擇相關(guān)書籍，寫開題報告。
2：根據(jù)技術(shù)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(jié)果，開始總體結(jié)構(gòu)設(shè)計。
5：以鉸接機構(gòu)，車架的重載能力為重點進行設(shè)計。
6：確定具體尺寸，選用標(biāo)準(zhǔn)件
7：繪制圖紙，準(zhǔn)備答辯。
我們所安排的進度如下：
完成日期 內(nèi) 容 圖 號
2/28-3/15 1.數(shù)控電火花線切割加工機床的外觀圖 A0（手工）
3/16-3/26 2.數(shù)控電火花線切割加工機床的儲絲走絲部件設(shè)計
A0（計算機）
3/27-4/27 3.數(shù)控電火花線切割加工機床的工作臺設(shè)計 A0（計算機）
4/28-5/8 4.數(shù)控電火花線切割加工機床的線架、導(dǎo)輪設(shè)計
A0（計算機）
5/8-5/12 5.數(shù)控電火花線切割加工機床的主軸設(shè)計 A1（計算機）
5/12-5/19 6.步進電機驅(qū)動電路圖 A0（計算機）
5/12-5/23 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(shè)計的說明書
6/4-6/12 9.審圖后的返工和修改
五、 進行設(shè)計（論文）所需條件：
這四個月的設(shè)計中，我們多次去機械工程學(xué)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(jié)構(gòu)，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(chǔ)上進行創(chuàng)新，這花費了我們不少時間。
機械結(jié)構(gòu)的設(shè)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(shè)計的資料，又結(jié)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(shè)計。
運用AUTOcad, Protel, Solidworks軟件畫圖。
設(shè)計者：劉建榮 05年 6 月 12日
六、 指導(dǎo)教師意見：
簽名： 05 年 月 日
設(shè)計（論文）內(nèi)容及要求：
指導(dǎo)老師： 年 月 日
摘要: 電火花線切割加工（wire-EDM）是一種基于電火花加工技術(shù)的適應(yīng)性流程加工技術(shù)，它可以被用在具有二維到三維復(fù)雜形狀的而且是導(dǎo)電的原材料的加工上。電火花線切割加工最常見的應(yīng)用是在壓模、擠壓模、粉末冶金的鑄模和標(biāo)準(zhǔn)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(shù)是機電一體化技術(shù)，是機械、電工、電子、數(shù)控、自動控制、計算機應(yīng)用等多門學(xué)科、專業(yè)知識的綜合運用。
我的設(shè)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(shè)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(shè)計包括機床的總體布局設(shè)計，橫向進給、縱向進給設(shè)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。控制系統(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(shè)計部分，也是難點。步進電機電路設(shè)計包括硬件電路設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計。詳細說明了芯片的擴展、鍵盤顯示器接口的設(shè)計等等。脈沖電源電路采用高低壓復(fù)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(fù)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(guān)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
南華大學(xué)機械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）
引言
本次畢業(yè)設(shè)計從2005年2月28號開始到本年的六月中旬結(jié)束，長達四個月。畢業(yè)設(shè)計是一名在校大學(xué)生最后的一次也是最重要的一次設(shè)計，說其重要主要是因為它將檢驗?zāi)阍诖髮W(xué)生活中所學(xué)知識的扎實程度，期間你必須復(fù)習(xí)所學(xué)過的一些課程，學(xué)習(xí)一些要用到的新的知識，它還將練習(xí)你的動手能力，思考能力，創(chuàng)新能力，是你在大學(xué)學(xué)習(xí)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(shè)計在顏競成教授的悉心指導(dǎo)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(shè)計題目進行分析和實地調(diào)查，做到心中清楚。本設(shè)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(shè)計階段，本階段主要應(yīng)用大學(xué)里面所學(xué)到的餓專業(yè)知識來進行運絲機構(gòu)設(shè)計和坐標(biāo)工作臺的橫向和縱向進給機構(gòu)設(shè)計。另外還要進行儲絲筒的三維零件設(shè)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(shè)計階段。主要進行電器電路設(shè)計，包括步進電機驅(qū)動設(shè)計和脈沖功率放大電路設(shè)計。本階段也是一個學(xué)習(xí)的階段，對自己不太熟悉的領(lǐng)域的一次學(xué)習(xí)。六月份開始就是最后一個階段：整理復(fù)習(xí)階段，主要從事前幾個階段的整理溫習(xí)，寫說明書。以及畢業(yè)答辯前的各項具體細節(jié)的準(zhǔn)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(shè)計的難度，有些還是因為自己知識上的欠缺和基礎(chǔ)不扎實造成的?？梢哉f這次畢業(yè)設(shè)計是個查缺補漏的機會。尤其是在同學(xué)的協(xié)助下，特別是在顏教授的指導(dǎo)下，遇到困難不逃避，主動請教，主動學(xué)習(xí)，獨立思考提出新方案，困難一個個的解決，才有了本次設(shè)計的成功。這次畢業(yè)設(shè)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(shè)計基礎(chǔ)，對自己將來都是一次具有深遠影響的事情。
一、 總體方案設(shè)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(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定的加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)應(yīng)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(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)。
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(qū)動電路。此外，系統(tǒng)中還應(yīng)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(yīng)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(yīng)有預(yù)緊機構(gòu)，以提高傳動剛度和消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的餓機構(gòu)。
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(chǔ)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。
（二）主要技術(shù)參數(shù)的確定
技術(shù)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(shù)參數(shù)如下：
工作臺行程/mm 500*320
最小切削厚度/mm 30（可調(diào)）
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(jié)構(gòu)設(shè)計
（一）儲絲走絲部件運動設(shè)計
運絲機構(gòu)的運動是由絲筒電機正反轉(zhuǎn)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(dǎo)軌連接，這樣絲筒每轉(zhuǎn)一周拖板直線移動相應(yīng)的距離，因此機床工作前應(yīng)根據(jù)零件厚薄和精度要求可在0.12mm到0.25mm之間調(diào)節(jié)。
1．對高速走絲機構(gòu)的要求
（1）高速走絲機構(gòu)的儲絲筒轉(zhuǎn)動時，還要進行相應(yīng)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(zhuǎn)，電極絲的走絲速度在7~12m/s范圍內(nèi)無級或有級可調(diào)，或恒速轉(zhuǎn)動。
（4）走絲機構(gòu)最好與床身相互絕緣。
（5）傳動齒輪副、絲桿副應(yīng)具備潤滑措施。
2、高速走絲機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點
高速走絲機構(gòu)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(gòu)結(jié)構(gòu)圖
儲絲筒由電動機通過聯(lián)軸器帶動實現(xiàn)正反向轉(zhuǎn)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(diào)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(shè)旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時應(yīng)平穩(wěn)，無不正常振動。滾筒外圓振擺應(yīng)小于0.03mm，反向間隙應(yīng)小于0.05mm，軸向竄動應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)動，電機、滾筒及絲桿的軸承應(yīng)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(dǎo)軌及絲桿、螺母等每班應(yīng)注油一次。
（1）儲絲筒旋轉(zhuǎn)組合件
儲絲筒旋轉(zhuǎn)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(guān)鍵部件之一，一般用45號鋼制造。為了減少轉(zhuǎn)動慣量，筒壁應(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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應(yīng)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(gòu)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(zhuǎn)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(shè)計采用YLD6剛性聯(lián)軸器。
（2）上下拖板
走絲機構(gòu)的上下拖板一般有下面二種滑動導(dǎo)軌。
①燕尾型導(dǎo)軌，這種結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿帶動塞鐵，可改變導(dǎo)軌副的配合間隙。但該結(jié)構(gòu)制造和檢驗比較復(fù)雜，剛性較差，傳動中摩擦損失也較大。
②三角、矩形組合式導(dǎo)軌，如下圖所示。導(dǎo)軌的配合間隙由螺釘和墊片組成的調(diào)整環(huán)節(jié)來調(diào)整。本設(shè)計采用三角、矩形組合式導(dǎo)軌。如下圖2.2
圖2.2 三角矩形組合式導(dǎo)軌
由于儲絲筒走絲機構(gòu)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(fù)移動，應(yīng)把下拖板設(shè)計的較長以使走絲機構(gòu)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(gòu)的穩(wěn)定性及運動精度。
（3）齒輪副和絲桿副
走絲機構(gòu)上拖板的傳動鏈?zhǔn)怯?級減速齒輪副和一組絲桿副組成，它使儲絲筒在轉(zhuǎn)動的同時，作相應(yīng)的軸向位移，保證電極絲整齊的排繞在儲絲筒上。
在本次設(shè)計線切割機中，走絲機構(gòu)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(yīng)徘繞不同直徑的電機絲的要求。
絲桿副一般采用軸向調(diào)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(dǎo)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(fù)習(xí)，所以決定選用傳統(tǒng)的金屬材料制造。
（4）線架、導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu)
線架與走絲機構(gòu)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(yīng)出現(xiàn)震動和變形；
②線架的導(dǎo)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(dǎo)輪與線架本體、線架與床身之間有良好的絕緣性能；
④導(dǎo)輪運動組合件有密封措施，可防止帶有大量放電產(chǎn)物和雜質(zhì)的工作液進入導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)輪運動組合件及保持器等組成。
（1） 線架本體結(jié)構(gòu)
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(jié)構(gòu)。由于支撐電極絲的導(dǎo)輪位于懸臂的端部，同時電極絲保持一定張力，因此應(yīng)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(jié)構(gòu)。有的機床的線架本體有的采用龍門結(jié)構(gòu)。這時，工作臺拖板只沿一個坐標(biāo)方向運動，另一個坐標(biāo)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(diào)的分離式結(jié)構(gòu)，如下圖2.3所示?；顒咏z臂在導(dǎo)軌上滑動，上下移動的距離由絲桿副調(diào)節(jié)。松開固定螺釘時，旋轉(zhuǎn)絲桿帶動固定于上絲臂體的絲母，使上絲臂移動。調(diào)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(yīng)增設(shè)副導(dǎo)輪，如下圖2.4所示：
圖2.3 可調(diào)式線架本體結(jié)構(gòu)
圖2.4 可移動絲臂
（2） 導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu)
1）導(dǎo)輪是本機床關(guān)鍵零件，關(guān)系到切割質(zhì)量，對導(dǎo)輪運動組合件的要求如下。
①導(dǎo)輪V形槽面應(yīng)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(dǎo)輪槽內(nèi)運動時不產(chǎn)生軸向移動。
②在滿足一定強度要求下，應(yīng)盡量減輕導(dǎo)輪的質(zhì)量，以減少電極絲換向時的電極絲與導(dǎo)輪間的摩擦。導(dǎo)輪槽工作面應(yīng)有足夠的硬度，以提高其耐磨性。
③導(dǎo)輪裝配后轉(zhuǎn)動應(yīng)輕便靈活，應(yīng)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(dǎo)輪運動組合件的結(jié)構(gòu)
導(dǎo)輪運動組合件的結(jié)構(gòu)主要有三種；懸臂支撐結(jié)構(gòu)、雙支撐結(jié)構(gòu)和雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。
懸臂支撐結(jié)構(gòu)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(dǎo)輪和軸承的使用壽命。
雙支撐結(jié)構(gòu)為導(dǎo)輪居中，兩端用軸承支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上絲麻煩。但是此種結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。導(dǎo)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(jié)構(gòu)易于保證導(dǎo)輪運動部件的同軸度，導(dǎo)輪軸向竄動和徑向跳動量可以控制在較小的范圍內(nèi)。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(jié)構(gòu)的特點，可以看出第二種結(jié)構(gòu)比較適合作為DK7732高速走絲電火花線切割機床的導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)。
3）導(dǎo)輪的材料
為了保證導(dǎo)輪軸徑與導(dǎo)向槽的餓同軸度，一般采用整體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)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(zhì)合金或陶瓷材料制造導(dǎo)輪的鑲件來增強導(dǎo)輪V形工作面的耐磨性和耐蝕性。
4）導(dǎo)輪組合件的裝配
導(dǎo)輪組合件裝配的關(guān)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(chǎn)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(yù)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(yù)負荷。預(yù)加負荷必須選擇得當(dāng)，若軸承受預(yù)加負荷過大，在運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)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(nèi)是否有金屬粉末、炭化物等，軸承經(jīng)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(zhuǎn)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)動軸之間傳動件的傳動效率的乘積
n——該轉(zhuǎn)動軸的計算轉(zhuǎn)速r/min
計算轉(zhuǎn)速n是傳動件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速
[φ]——每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動軸的計算轉(zhuǎn)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(shè)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(zhuǎn)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(nèi)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(zhǔn)循環(huán)次數(shù)C
n——齒輪的最低轉(zhuǎn)速r/min
T——預(yù)定的齒輪工作期限，中型機床推薦T=15000～20000h
——轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yīng)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(shè)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(shè)立的齒輪3、4也滿足齒面接觸疲勞強度要求
齒輪設(shè)計合格
2．主軸的驗算
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度：
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)力：
如表2.1中數(shù)值得：
前已經(jīng)選定的軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理
查得
因此 ，故安全
（四）主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計
1．軸承的配置形式
一般來說數(shù)控機床的主軸結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)能承受較大的負載（特別是軸向負載），可適應(yīng)強力切削，但主軸轉(zhuǎn)速不能太高，軸承在高轉(zhuǎn)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(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)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(gòu)目前應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)適應(yīng)較高轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)適應(yīng)高轉(zhuǎn)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(gòu)較多。
本設(shè)計主軸所采用的軸承支承方式為第四種。
2．主軸組件的調(diào)整和預(yù)緊
滾動軸承的預(yù)緊是采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菨L動體和內(nèi)外套圈之間產(chǎn)生一定的預(yù)變形而帶伏負游隙運行。預(yù)緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉(zhuǎn)精度，延長軸承壽命。
按預(yù)載荷的方向可分為軸向預(yù)緊和徑向預(yù)緊。
而角接觸球軸承主要是軸向預(yù)緊，這可明顯提高軸向剛度。
三、進給傳動設(shè)計
（一）進給傳動運動設(shè)計
1．脈沖當(dāng)量和傳動比的確定
（1）脈沖當(dāng)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(zhuǎn)一轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)生一個恒定的步進角位移，每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)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(shù)數(shù)據(jù)表中查出。
因此，每脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角，這個轉(zhuǎn)角經(jīng)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(yīng)的執(zhí)行件（如工作臺0的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為，單位mm/脈沖。
應(yīng)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(dāng)量?？紤]到機床傳動系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量必須大于定位精度值。此次設(shè)計的電火花成型機床定位精度的設(shè)計要求是，根據(jù)該精度要求可確定脈沖當(dāng)量為。
（2）傳動比的確定
設(shè)傳動副的餓傳動比為，若為一級傳動，則， 為主動齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)，為從動齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)。若為多級傳動，則為總傳動比。
對于步進電機，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)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(qū)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(guān)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(dǎo)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(yīng)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(yīng)用下式計算：
式中：L——工作壽命，單位10
n——絲桿轉(zhuǎn)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(dǎo)程，單位mm
t——頜定使用壽命，單位h，可取t=15000h
——運轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，在根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)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(shè)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(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）
第個載荷對應(yīng)的工作時間（h）；
絲桿副最大移動速度；
絲桿預(yù)期壽命；
（1）型號選擇
1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，查得螺母的循環(huán)方式和預(yù)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(dāng)量轉(zhuǎn)速
=
=2000
③計算當(dāng)量載荷
=2333N
④初步確定導(dǎo)程
=
=2.5mm
取
⑤計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)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(dǎo)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(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。
②臨界轉(zhuǎn)速校核
=12×
=12×
=5970r/min
而最大工作轉(zhuǎn)速 =4000<0.8=4776
校核合格。
③滾珠絲桿的預(yù)緊
預(yù)緊力（）一般取當(dāng)量載荷的三分之一或頜定動載荷的十分之一。即：
=778N
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)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(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(yīng)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(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)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(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(guān)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(yù)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(yīng)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
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(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。
（四）進給機構(gòu)的支承設(shè)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(yīng)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(dāng)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(shè)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(yù)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(dāng)軸承預(yù)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(dāng)超過預(yù)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(fù)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(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）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(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(yīng)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(shù)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(shè)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(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(shè)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(guān)量控制電路
軟件
主軸電動機
主運動驅(qū)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(shè)計
1.單片機設(shè)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(fù)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(yīng)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(yīng)用需要由用戶設(shè)計的，是一個圍繞單片機芯片而組建的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機系統(tǒng)中，
單片機處于核心地位，是構(gòu)成單片機系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)。
（1）MCS-51系列單片機的設(shè)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(shè)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）：外接晶體時與片內(nèi)的反相器構(gòu)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(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。
XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機內(nèi)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(nèi)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(nèi)引腳提供控制信號，有些引
RST/VPD（9引腳）：當(dāng)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(fù)位（RST）。復(fù)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(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc于規(guī)定值，而VPD定的電壓范圍內(nèi)((5±０.５))時，ＶＰＤ就向內(nèi)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(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)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(qū)動8個LSTTL輸入。
P1.0~p1.7(1~8腳) p1是個帶有內(nèi)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(qū)動4個LSTTL輸入。在8032/8052中，p1.0還相當(dāng)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(dāng)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(nèi)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(qū)動4個LS TTL輸入。
P3.0~p3.7 （10~17腳）p3是一個帶內(nèi)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(qū)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(nèi)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(gòu)成了一個自激振蕩器，產(chǎn)生的時鐘送去單片機內(nèi)部的各個部件。單片機的時鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種，大多單片機應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式。
最常用的內(nèi)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(dāng)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(nèi)部時鐘方式的時鐘電路
較高的頻率穩(wěn)定性。
在設(shè)計印刷電路板時，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)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(yīng)采用NPO電容。
（3）MCS-51單片機的復(fù)位電路
計算機在啟動運行時都需要復(fù)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(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)的，MCS-51單片機有一個復(fù)位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)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(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復(fù)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(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)的內(nèi)容。
MCS-51單片機通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)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(fù)位，如下圖：
+5V RST
MCS-51
GND
上電按鈕復(fù)位電路
對于CMOS型單片機因RST引腳的內(nèi)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(fù)位。當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時，RC的典型值為。簡單復(fù)位電路中，干擾信號易串入復(fù)位端，可能會引起內(nèi)部某些寄存錯誤復(fù)位，這時可在RST引腳上接上一去耦電容。
上圖那上電按鈕復(fù)位只需將一個常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機復(fù)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(nèi)有4kbROM或EPROM，8031片內(nèi)不帶ROM .當(dāng)片內(nèi)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(fù)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(dāng)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(yīng)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(chǎn)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(jié)果。因此，自從EEPROM出現(xiàn)來，它得到了廣泛的應(yīng)用。
（2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展
8031單片機內(nèi)部有128字節(jié)RAM存儲器。CPU對內(nèi)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
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