电火花切割机床X-Y工作台系统的设计【原创含7张CAD图】
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电火花
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电火花切割机床X-Y工作台系统的设计【含7张CAD图】
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I电火花切割机床 X-Y 工作台系统的设计摘 要电火花切割机床 X-Y 工作台系统作为一种精密制造技术，在模具行业和航空航天制造业中得到了广泛的应用，我国模具行业的迅速崛起和航空航天制造业的飞速发展，推动了电火花切割机床 X-Y 工作台系统的进步，开发具有自主知识产权的电火花切割机床 X-Y 工作台系统目前已成为国内电加工业的共识。本次设计的电火花切割机床 X-Y 工作台系统主要由步进电机、传动齿轮、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、轴承、平台等组成。本文首先，通过对电火花切割机床 X-Y工作台结构及原理进行分析，在此分析基础上提出了总体方案；接着，对主要技术参数进行了计算选择；然后，对各主要零部件进行了设计与校核；最后，通过 AutoCAD制图软件绘制了电火花切割机床 X-Y 工作台装配图及主要零部件图。通过本次设计，巩固了大学所学专业知识，如：机械原理、机械设计、材料力学、公差与互换性理论、机械制图等；掌握了普通机械产品的设计方法并能够熟练使用AutoCAD 制图软件，对今后的工作于生活具有极大意义。关键词：电火花切割，X-Y 工作台，滚珠丝杠，直线滚动导轨IIAbstractEDM cutting machine XY table system as a sophisticated manufacturing technology in the mold industry and aerospace manufacturing has been widely applied, the rapid rise and rapid development of the aerospace manufacturing industry Chinas mold industry, and promote the EDM cutting Machine XY table system progress and development with independent intellectual property rights of EDM cutting machine XY table system has become the consensus of the domestic electrical industry.The design of the cutting EDM machine XY table system mainly Rolling Guide stepping motor, gear, ball screw, linear bearings, platforms and other components. Firstly, by EDM cutting machine XY table structure and principle are analyzed, based on the analysis presented in this overall program; then, the main technical parameters were calculated selection; then, for all major components were designed and check; and finally, drawn by AutoCAD drawing software EDM cutting machine XY stage assembly drawing and major components Fig.Through this design, the consolidation of the university is the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerances and interchangeability theory, mechanical drawing and the like; mastered the design of general machinery products and be able to skillfully use AutoCAD mapping software on the future work of great significance in life.Keywords: EDM cutting, XY Table, Ball screws, Linear motion guideIII目 录摘 要 .IIAbstract.III第一章 绪论 .11.1 选题目的和意义 .11.2 研究现况 .11.3 电火花加工的原理及应用范围 .2第二章 总体方案设计 .32.1 设计参数选定 .32.2 方案设计 .32.2.1 系统总体方案 .32.2.2 结构结构方案 .4第三章 X 向结构及传动设计 .53.1 X 向滚珠丝杆副的选择 .53.1.1 导程确定 .53.1.2 确定丝杆的等效转速 .63.1.3 确定丝杆的等效负载 .63.1.4 确定丝杆所受的最大动载荷 .63.1.5 精度的选择 .73.1.6 选择滚珠丝杆型号 .73.2 校核计算 .73.2.1 临界压缩负荷验证 .83.2.2 临界转速验证 .83.2.3 丝杆拉压振动与扭转振动的固有频率 .93.3 步进电机的选择 .93.3.1 电机轴的转动惯量 .93.3.2 电机扭矩计算 .103.3 齿轮传动机构设计 .113.3.1 传动比的确定 .113.3.2 齿轮结构主要参数的确定 .113.4X 轴轴承选择 .123.5 消隙与预紧 .123.5.1 消隙方法 .123.5.2 预紧 .14第四章 Y 向结构及传动设计 .15IV4.1Y 向滚珠丝杠副的选择 .154.1.1 选型 .154.1.2 强度计算 .154.1.3 传动效率计算 .174.2 轴滚动导轨副的选择 .174.2.1 静安全系数计算 .174.2.2 根据额定静载荷初选导轨 .184.2.3 导轨校核计算 .194.3 步进电机的选择 .194.3.1 惯性负载的计算 .194.3.2 启动力矩的计算 .204.3.3 最高工作频率 .214.4Y 轴轴承选择 .21第五章 控制系统设计 .235.1 确定机床控制系统方案 .235.2 主要硬件配置 .235.2.1 主要芯片选择 .235.2.2 主要管脚功能 .235.2.3 EPROM 的选用 .245.2.4 RAM 的选用 .245.2.5 89C51 存储器及 I/O 的扩展 .255.3 总体程序控制 .265.3.1 流程图 .265.3.2 主程序 .265.4 步进电机接口电路及驱动 .27总 结 .30参考文献 .31致 谢 .321第一章 绪论1.1 选题目的和意义数控 X-Y 工作台是实现高精密加工的核心部件，其传动部件的加工精度及定位精度直接影响传动系统的传动精度及定位精度，从而也间接影响了产品的加工精度。在X-Y 工作台传动部件的设计中将采用滚珠直线导轨和滚珠丝杠螺母副做支撑及传动，从而大大提高 X,Y 向传动精度，以致达到小于等于 0.015 的加工精度及 Ra2.5 的表面粗糙度等技术要求。通过本设计，培养学生对所学机械专业知识的综合运用，对机械结构的设计、参数设计和绘制计算机图纸的能力，检验所学习专业知识的综合利用能力，为今后工作打好基础。1.2 研究现况电火花切割机床 X-Y 工作台系统作为一种精密制造技术，在模具行业和航空航天制造业中得到了广泛的应用，我国模具行业的迅速崛起和航空航天制造业的飞速发展，推动了电火花切割机床 X-Y 工作台系统的进步，开发具有自主知识产权的电火花切割机床 X-Y 工作台系统目前已成为国内电加工业的共识。根据对电极丝运动轨迹的控制形式不同，电火花线切割机床又可分为三种：一种是形模仿形控制，其在进行线切割加工前，预先制造出与工件形状相同的形模，加工时把工件毛坯和形模同时装夹在机床工作台上，在切割过程中电极丝紧紧地贴着形模边缘作轨迹移动，从而切割出与形模形状和精度相同的工件来；另一种是光电跟踪控制，其在进行线切割加工前，先根据零件图样按一定放大比例描绘出一张光电跟踪图，加工时将图样置于机床的光电跟踪台上，跟踪台上的光电头始终追随墨线图形的轨迹运动，再借助于电气、机械的联动，控制机床工作台连同工件相对电极丝做相似形的运动，从而切割出与图样形状相同的工件来；再一种是数字程序控制，采用先进的数字化自动控制技术，驱动机床按照加工前根据工件几何形状参数预先编制好的数控加工程序自动完成加工，不需要制作模样板也无需绘制放大图，比前面两种控制形式具有更高的加工精度和广阔的应用范围，目前国内外 95以上的电火花线切割机床都已采用数控化。国内外电火花线切割加工机床的主要区别是：（1）电极丝我国采用钨钼合金丝,国外采用黄铜丝；（2）我国采用皂化工作液,国外采用去离子水；（3）我国的走丝速度为 11 左右，国外为 35 ；（4）我们的电极丝是重复利用的直到断丝为至，国外是走过后不再重用；5.我们加工出的产品精度不如国外高。21.3 电火花加工的原理及应用范围（1）加工原理电火花加工的原理是基于工具和工件（正、负电极）之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。电腐蚀现象早在 20 世纪初就被人们发现，例如在插头或电器开关触点开、闭时，往往产生火花而把接触表面烧毛，腐蚀成粗糙不平的凹坑而逐渐损坏。长期以来，电腐蚀一直被人们认为是一种有害的现象，人们不断地研究电腐蚀的原因并设法减轻和避免电腐蚀的发生。但事物都是一分为二的，只要掌握规律，在一定条件下可以把坏事转成好事，把有害变为有用。1940 年前后，前苏联科学院电工研究所拉扎连柯夫妇的研究结果表明，电火花腐蚀的主要原因是：电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热，达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、汽化而被蚀除掉，形成放电凹坑。这样，热门在研究抗电腐蚀办法的同时，开始研究利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工，终于在 1943 年拉扎连柯夫妇研制出利用电容器反复充电放电原理的世界上第一台使用化的电火花加工装置。电火花成型机就是利用这一电腐蚀原理进行加工的。它还可以先进行工具电极的成型加工，再利用工具电极对其他金属导电材料的工件进行电火花仿行加工，使得工件与工具电极成相似型或相同，从而完成对各种各样的复杂模具和复杂零件的放行加工。（2）适用范围a.适合与于难切削材料的加工。由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的，材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点（气化点） 、比热容、导热系数、电阻率等，而几乎与其力学性能（硬度、强度等）无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制，可以实现用软的工具加工硬韧的工件，甚至可以加工像聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨，因此工具电极较容易加工。b.可以加工特殊及复杂形状的零件。由于加工中工具电极和工件不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上，因此特别适用于复杂表面形状工件的加工，如复杂型腔模具加工等。数控技术的采用使得用简单的电极加工复杂形状零件也成为可能。c.易于实现加工过程自动化。由于是直接利用电能加工，而电能、电参数较机械量易于数字控制、适应控制、智能化控制和无人化操作等。d.可以改进结构设计，改善结构的工艺性。例如可以将拼镶结构的硬质合金冲模，改为用电火花加工的整体结构，减少了加工工时和装配工时，延长了使用寿命。又如喷气发动机中的叶轮，采用电火花加工后可以拼镶、焊接结构改为整体叶轮，既大大提高了工作可靠度，又大大减少了体积和质量。3第二章 总体方案设计2.1 设计参数选定本设计的 XY 工作台的参数定为：工作台行程：横向 320mm，纵向 450mm工作台最大尺寸（长宽 高）：600500250mm工作台最大承载重量：120Kg脉冲当量：0.001mm/pluse进给速度：60mm/min表面粗糙度：0.81.6设计寿命：15 年2.2 方案设计2.2.1 系统总体方案参考数控电火花切割机床的有关技术资料，确定系统总体方案如下：采用 89C51 主控芯片对数据进行计算处理，由 I/O 接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图2-1。控制器驱动器驱动器步进电机步进电机X 向工作台Y 向工作台4图 2-1 系统总体原理图2.2.2 结构结构方案根据上述选定的系统总体方案，本次单方向选用如下图 2-2 所示传动方案，因此XY 两个方向组合后得到如下图 2-3 所示电火花切割机床 XY 平台总体结构。图 2-2 单方向传动方案示意图 方 向 传 动 机 构方 向 传 动 机 构电 机步 进 电 机步 进 电 机微机控制图 2-3 电火花切割机床 XY 平台总体结构方案示意图5第三章 X 向结构及传动设计3.1 X 向滚珠丝杆副的选择滚珠丝杆副就是由丝杆、螺母和滚珠组成的一个机构。他的作用就是把旋转运动转和直线运动进行相互转换。丝杆和螺母之间用滚珠做滚动体，丝杠转动时带动滚珠滚动。设 X 向最大行程为 320mm,最快进给速度为 60mm/min,工作台大概质量为 100kg,移动部件大概质量为 50kg，工作台尺寸为 500mm300mm。表 3-1 滚珠丝杆副支承支承方式 简图 特点一端固定一端自由结构简单，丝杆的压杆的稳定性和临界转速都较低设计时尽量使丝杆受拉伸。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度底，仅仅适用于短丝杆。一端固定一端游动需保证螺母与两端支承同轴，故结构较复杂，工艺较困难，丝杆的轴向刚度与两端相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的较高，丝杆有膨胀余地，这种安装方式一般用在丝杆较长，转速较高的场合，在受力较大时还得增加角接触球轴承的数量，转速不高时多用更经济的推力球轴承代替角接触球轴承。两端固定只有轴承无间隙，丝杆的轴向刚度为一端固定的四倍。一般情况下，丝杆不会受压，不存在压杆稳定问题，固有频率比一端固定要高。可以预拉伸，预拉伸后可减少丝杆自重
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