DK7732數控高速走絲電火花線切割機及控制系統(tǒng).doc

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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．齒輪齒數的確定………………………………………………………………（10） 3．傳動件的估算…………………………………………………………………（12） 4．齒輪模數估算…………………………………………………………………（13） 5. 齒輪模數的驗算………………………………………………………………（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．根據脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號…………………………………(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 數控系統(tǒng)設計……………………………………………………………（32） （一）高頻脈沖電源………………………………………………………………（32） （二）數字控制系統(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………………………………………………………………………………（） 前言 本設計包括論文說明書字數在15000字左右，圖紙量3張A0大小左右，還有部分其他資料. 本畢業(yè)設計論文資料均為近幾年一本二本院校答辯通過的設計資料,圖紙清晰準確,有極高的參考價值. 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，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，對照已有的院數控中心DK7725型線切割機更進一步確定具體的設計參數，根據已有的參數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、線切割機床的現狀簡介 我國數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，工作液介質被擊穿，電極絲與工件之間形成瞬時火花放電，產生瞬時間高溫，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、硬質合金鋼、高硬度金屬等，但無法實現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，可以方便的調整加參數，如調節(jié)脈沖寬度、脈沖間隔、加工電流等，提高線切割加工精度，也可通過調節(jié)實現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，然后經過功放驅動步進電機，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濟型數控機床，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間隙的機構統(tǒng)的傳動。 3）；根據系統(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，擴展數據存儲器，I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數據和機床狀態(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 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，便于工作臺實現精確和微量移動，且潤滑方法簡單。 7）；根據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)。 在上述的基礎上，有條件的還可以進一步實現鉬絲的角度調節(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 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容是根據傳遞的名義功率、轉速、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；k0為載荷修正系數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見表1，由表可取k1=0.1；k2為增速傳動修正系數見表2，此處為減速傳動所以k2=0。 表2.1 使用張緊輪修正系數 k1 表2.2 增速傳動修正系數k2 壓緊輪的位置 系數 增速比 系數 松邊內側 0 1.00-1.24 0 松邊外側 0.1 1.25-1.74 0.1 緊邊內側 0.1 1.75-2.49 0.2 緊邊外側 0.2 2.50-3.49 0.3 所以 pd=（k0+k1+k2）pm=（1.5+0.1+0）pm=1.61.1kw=1.76kw 2．選擇帶的型號 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 小帶輪轉速 帶型號 n1/（r/min） MXL XXL XL L H XH X 帶輪最少許用齒數 ＜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=9.52516/3.14=48.53mm 第二帶輪直經d2=PbZ2/π=9.52548/3.14=145.60mm 第三帶輪直經d3=PbZ3/π=9.52518/3.14=54.60mm 第四帶輪直徑d4=PbZ4/π=9.52572/3.14=218.40mm 4.選擇帶長Lp 根據以知中心距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） =2182cos30.9+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） =2193cos15.5+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)/2193 =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 其齒數為72齒節(jié)線長685.8mm in27 極限偏差0.61 in0.024 5.實際傳動中心距離A的確定 根據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(2160－16－72)=276.196 M2=9.524/8(2160－48－18)=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整的，以邊獲得同步帶傳動必須有的適當的張緊力。 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）；根據帶型、小帶輪齒數z1及轉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 小帶輪齒數為16齒 且轉速為1440r/min 另一小帶輪齒數為18齒 轉速為320r/min。 對應同步帶的基準寬度bs0為25.4mm p。=1.1kw。 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)列數與圈數、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。根據回珠方式，可分為兩類：內循環(huán)，回珠器處在螺母之內。外循環(huán)，插管式回珠器位于螺母之外。 鋼珠每一個循環(huán)閉路內所含導程數稱為圈數。內循環(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，就已經由制造廠調好預加載荷，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.主要參數及代號 1）；滾珠絲杠副的參數 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 調整方法 特點 調整墊片厚度，使螺母 結構簡單，裝卸方便，剛度 產生軸向位移 高；但調整不便，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 調整端部的圓螺母使螺母 結構緊湊，工作可靠，調整 產生軸向位移 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 能夠精確的調整預緊力， 緊固在螺母座兩端的內齒圈 但結構尺寸較大，裝配 嚙合。 調整較復雜，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和導軌上的摩擦系數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=20010=2000N G=Fv+G臺重＝(200+200)10=4000N 所以Fm=1.150+f1(2000+4000)=0.156000=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，可根據快進速度vmax和絲杠最大轉速nmax初選一個數值（L。≥1000max/nmax）,待剛度驗算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t＝15000h；fm為運轉系數，無沖擊?。薄?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。 =10000.1/5 =20 其中v進給速度由機床給定參數 L。為絲杠導程取L。=5mm L=60nt/1000000 =602015000/1000000=18000000r C=fmFm =1.2900 =2830N 其中fm=1.2為運轉系數取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（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 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 其中L=578mm由選形確定 E=206000Mp A=π1616=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、圈數有關，即與滾珠總數量有關，與滾珠絲杠的長度無關?？蓮墓S的產品樣本中查出，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∑滾珠總數量Z∑=Zx圓數x列數；Z為一圈的滾珠數，Z=πdm/Dw(外循環(huán))， Z=（πdm/Dw）-3（內循環(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圓數列數=3132=186 Z=πdm/Dw=3.1432/3.175=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=20.6104Mp;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，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nk,如果nk大于許用穩(wěn)定性安全系數[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=3.14304/60=42390 L=490mm 固Fk=4.09.859620.610442390/240100 =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，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爬行、但是，因為塑料剛度低，會產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。可根據要求的予緊訂貨，不需自己調整。分離型直線滾動導軌副，應由用戶根據需要，按規(guī)定的間隙進行調整或予緊。 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。這個載荷稱為滾動導軌的額定動載荷Ca，可從產品樣本中查到。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，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，當工作溫度不超過100度時，fT=1；fc為接觸系數，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，無沖擊振動或v≤15m/min時fw=1~1.5，輕沖擊振動或15m/min60m/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=1/46000N=1500N 所以L=50(5.41040.810.81/15001.5)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=L103/2ns60=3761103/230.460 =2.6104h =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（min-1）。 從產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，不需經常加油；缺點是進塵屑后易磨損導軌?？刹捎脤ｉT的防護方式。 四．儲絲筒旋轉組合件的選擇 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動。 2）；磨擦錐式聯(lián)軸器 摩擦錐式聯(lián)軸器可帶動轉動慣量較大的大、中型機床儲絲筒旋轉組合件。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換成與脈沖數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.根據脈沖當量和最大靜轉矩初選電機型號 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 = =1.810 = =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 =0.95125 =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。 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、數字控制系統(tǒng)設計 1．數控系統(tǒng)總體方按的擬定 主軸電動機 軟件 主運動驅動電路 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，顯示部分采用了數碼管來顯示參數，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。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、數據存儲器、i/o口、定時/計數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)數據存儲器。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中的數據不丟失。當Vcc于規(guī)定值，而VPD定的電壓范圍內((5０。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據總線，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。 對于下頁的線路，6264的地址范圍為6000H-7FFFH，共8Kb。 3）；I/O口的擴展 在MCS-51應用系統(tǒng)中，單片機本身提供給用戶使用的輸入，輸出口線并不多，只有p1口和部分p3口線。因此，在大部分單片機應用系統(tǒng)設計中都不可避免的要在單片機外部擴展I/O端口。由于MCS-51的外部數據存儲器RAM和I/O口的是統(tǒng)一編址的，因此用戶可以把外部64kb的數據存儲器空間的一部分接口作為擴展外圍I/O的地址空間。這樣單片機就可以像訪問外部RAM存儲器一樣訪問外部接口芯片，對其進行讀/寫操作。 MCS-51單片機屬于Intel公司產品，其公司常用的外圍器件如表所示。 表3.1 Intel公司常用外圍器件 器件型號 器件名稱 8255A 可編程外圍并行接口 8155/8156 可編程RAM/IO擴展接口 8243 I/O擴展接口 8279 可編程鍵盤/顯示接口 8251 可編程鍵盤 8253 可編程定時/計數器 1.0 8255A可編程外圍并行I/O接口 8255A是可編程外圍輸出接口芯片，它具有三個八位的并行I/O口，具有三種工作方式，可通過程序改變其功能，因而使用方便，通用性強，可作為單片機與多種外圍設備連接時的中間電路。 在8031單片機的I/O口上擴展8255芯片，其接口邏輯相當簡單，如下圖所示 圖3.7 8031擴展8255的連接圖 圖中8255的片選信號CS 及口地址選擇線A0、A1分別由8031的p2.7和p0.0、p0.1經鎖存器鎖存后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為FF7CH。FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的復位端與8031的復位端相連，都接到8031的復位電路上。 在實際的應用系統(tǒng)中，必須根據外圍設備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應的控制字寫入操作口。舉例說明8255的編程方法。其各端口地址如下； A口地址：FF7CH B口地址：FF7DH C口地址：FF7EH 控制口地址：FF7FH 假設要求8255工作在方式0，A口輸入，B口，C口作為輸出，則工作程序如下： mov a, #90H; 方式0, A口輸入，B口、C口輸出 mov dptr, #0FF7FH; 控制寄存地址 dptr movx @dptr, a ;方式寄存器 控制寄存器 mov dptr , #0FF7CH; A 口地址 dptr movx a, @dptr ; 從A口讀數據 mov dptr， #0FF7DH；B口地址 dptr mov a, DATA1; 要輸出的數據DATA1 A movx @dptr, a ;將DATA1送B口輸出 mov dptr ，# 0FF7EH；C口地址 dptr mov a， DATA2 ；DATA2 A movx @dptr， a； 將DATA2送C口輸出 對8255的C口8位中的任一位均可用指令來置位或復位。例如，如果把c口的第六位PC5置1，相應的控制字為：00001010B=0BH，程序如下： mov dptr，#0FF7FH；控制口地址 dptr mov a， #0BH； 控制字 A movx @dptr , a;控制字 控制口；PC5=1 如果把C口的第六位PC5復位，相應的控制字為：00001010B=0AH,程序如下： mov dptr， #0FF7FH；控制口地址 dptr mov a， #0AH；控制字 A movx