（机械制造及其自动化专业论文）三轴联动数控电火花成型加工机设计研究.pdf

曹亚光：二轴联动数控电火花成型加1 ：机没计研究 摘要 电火花成形加工技术在制造业领域占有重要地位，是实现难加工材料、复杂零件精密 加工的有效手段。近年来，随着模具工业和计算机技术的发展，促进了多轴联动电火花加 工技术的进步。采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，以适应 不同种类工件的加工要求，扩大了数控电火花加工的加工范围，提高其在精密加工方面的 比较优势和技术效益。数控电火花加工机床可利用多轴联动加工，很方便地实现传统电火 花机床难以加工的复杂型腔模具或微小零件的加工。 本课题根据企业的实际生产需求，将多轴联动控制技术应用于生产实际，通过对数控 电火花机床机械系统功能进行分析，完成了电火花成型机床总体结构和进给系统的设计： 同时，基于多轴联动控制的要求，在机床主要的加工成形运动基础上引入多种直线运动协 调组合的复合运动方式，以满足工件加工要求，并在此基础上完成了控制系统的硬件设计 和软件控制。 电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破，一个重要 的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。本课题的研究，是对电火花成型加 工发展方向的一次有益尝试，通过改进电火花加工机床的伺服系统、控制系统、机床结构 等，在保证加工精度的前提下提高了加工效率；通过开放式的控制系统，提高了电火花成 型加工过程的自动化。 经过生产实践表明，该机床具有稳定性好、生产效率高、可维护性好和成本低等优点。 关键词：电火花加工三轴联动结构分析伺服系统控制设计 扬州大学硕十学位论文 a b s t r a c t e d m t e c h n o l o g yi nt h em a n u f a c t u r i n gs e c t o ro c c u p i e sa ni m p o r t a n tp o s i t i o n ，i st oa c h i e v e d i f f i c u l tt op r o c e s sm a t e r i a l s ，p r e c i s i o nm a c h i n i n go fc o m p l e xp a r t so ft h ee f f e c t i v em e a n s i n r e c e n ty e a r s ，w i t ht h em o l di n d u s t r ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y , h a sc o n t r i b u t e dt om u l t i a x i s e d mt e c h n o l o g y u s eo fm u l t i a x i sr o t a r ys y s t e mw i t hav a r i e t yo fl i n e a rm o t o rc o o r d i n a t i o n c o m b i n e di n t oav a r i e t yo fc o m p l e xm o v e m e n tp a t t e r nt os u i tt h ed i f f e r e n tt y p e so fw o r kp i e c e s ， a n de x p a n di t sr a n g eo fc n cm a c h i n i n ge d mt oi m p r o v ei t sp r e c i s i o np r o c e s s i n go ft h e c o m p a r a t i v ea d v a n t a g e s a n dt e c h n i c a l e f f i c i e n c y c n ce d mm a c h i n ec a nm a k eu s eo f m u l t i a x i ss i m u l t a n e o u sm a c h i n i n g ，i ti se a s yt oa c h i e v et h et r a d i t i o n a le d mh a r dt op r o c e s st h e c o m p l e xc a v i t ym o l d so rt i n yp a r t sp r o c e s s i n g ? t h i st o p i cn e e d so ft h ee n t e r p r i s e sa c t u a lp r o d u c t i o nw o u l db em u l t i a x i sc o n t r o lt e c h n o l o g y a p p l i e dt op r o d u c t i o np r a c t i c e ，t h r o u g ht h em e c h a n i c a ls y s t e mf e a t u r e sc n ce d ma n a l y s i so f t h ee d mm a c h i n et oc o m p l e t et h eo v e r a l ls t r u c t u r ea n df e e ds y s t e md e s i g n ；t h es a m et i m e ，b a s e d o nm u l t i a x i sc o n t r o lr e q u i r e m e n t s ，i nt h em a c h i n ep r o c e s s i n go ff o r m i n gt h em a i nc a m p a i g nt o i n t r o d u c eav a r i e t yo fl i n e a rm o t i o no nt h eb a s i so ft h e c o o r d i n a t i o no fc o m p l e xm o v e m e n t p a t t e r nc o m b i n a t i o n st om e e tt h ew o r kp i e c em a c h i n i n gr e q u i r e m e n t s ，a n do nt h i sb a s i s ，t h e c o m p l e t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e mh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ec o n t r 0 1 e d ms h o u l db ei nt h ep r o c e s s i n ga c c u r a c y , p r o c e s s i n ge f f i c i e n c y , p r o c e s s i n ga n do t h e r a s p e c t so ft h es c o p eo fam a j o rb r e a k t h r o u 曲，a ni m p o r t a n td i r e c t i o no fd e v e l o p m e n t i st h er i g h t t o o lf o r m i n gm o v e m e n tp a t t e mo fi n n o v a t i o na n dd i v e r s i f i c a t i o n t h es t u d yo ft h i st o p i ci sa d i r e c t i o no fd e v e l o p m e n to fe d mm a c h i n i n gau s e f u la t t e m p t ，b yi m p r o v i n ge d ms e r v os y s t e m s ， c o n t r o ls y s t e m s ，m a c h i n et o o ls t r u c t u r e ，g u a r a n t e et h ep r o c e s s i n gp r e c i s i o nu n d e rt h ep r e m i s eo f i m p r o v i n gt h ep r o c e s s i n ge f f i c i e n c y ；t h r o u g ho p e nt h ec o n t r o ls y s t e mt oi m p r o v et h ee d m p r o c e s sa u t o m a t i o n a f t e rp r o d u c t i o np r a c t i c es h o w st h a tt h em a c h i n eh a sag o o ds t a b i l i t y , h i g hp r o d u c t i o n e f f i c i e n c y ，m a i n t a i n a b i l i t y ，g o o da n dl o w c o s t k e y w o r d s ：e d m t h r e e a x i sl i n k a g e s t r u c t u r a la n a l y s i ss e r v o c o n t r o ld e s i g n 曹亚光：三轴联动数控电火花成型加一l ：机设计研究 6 1 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研究成果。 除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果。对本 文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：嘞易也 签字日期：硼o 年y 月砷日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关 部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人授权扬州大 学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录 到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 学位论文作者签名：c 鸶沥易 签字日期： 沙知年譬月讲日 导师签名： 问芭等 签字日期：2 t 。f o 年f 月w 日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 曹弧光：三轴联动数控电火花成型加j l _ ：机设计研究 第一章绪论 1 1 课题的研究背景 随着电子技术、计算机技术、精密模具制造技术、材料科学等尖端科学技术的飞速发 展，对零件的精度、性能、寿命的要求越来越高。因此在设计上采用了许多新技术、新材 料、新结构，导致零件的结构、形状复杂，如薄壁深孔零件，这类零件出于精度、寿命等 因素考虑，常采用高温合金、硬质合金、耐热钢淬火钢等材料，且加工精度、表面粗糙度 要求高，传统的机械加工方法实现困难、成本高。作为基础工业的机械制造业，其发展的 核心问题之一就是如何进一步提高机械加工的精度和质量，同时降低经济成本。 图1 1 所示零件为南通中远船务海上石油钻井平台钻杆卡夹，该零件材料为镍基高温 合金材料g h 4 1 6 9 ，图纸要求在零件的毛坯件上) j n - r 出四个异型孔。这四个异型孔的尺寸精 度和位置精度要求均较高：加工后孔壁要求无微裂纹，无内应力；表面粗糙度要求也很高。 需要加工的异 子l ( a ) 零件毛坯 ( b ) 加工成型的零件 图1 1 海上石油钻井平台钻杆卡夹 由于零件材料为镍基高温合金材料g h 4 1 6 9 ，普通切削方法很难加工，同时由于异型孔 的圆角很小( 0 5 6 m m ) ，深度也较深( 4 2 m m ) ，如果采用常规加工方法，必须用小尺寸刀 具进行加工，加工过程中很容易产生偏刀、断刀现象。而该工件又是一薄壁零件，常规加 工方法加工夹紧时容易产生变形：在切削过程中，也易产生振动，进而影响工件的尺寸精 度、形状、位置精度和表面粗糙度。根据该零件的技术要求，考虑采用电火花来加工此异 型孔，作为一种特种加工技术，电火花加工不受材料硬度影响，可适用于任何硬度的金属 材料，因此，设计一款电火花成型 o n z i ：机，以及与此异型孔相配的电极就可以满足该零件 2 扬，l , f 大学硕十学位论文 的加工要求。 1 2 电火花加工概述 1 2 1电火花加工基本原理 电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) 是在一定介质中，利用两极( 工具电 极与工件电极) 之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象对材料进行加工，以达到一定的形状 尺寸和表面粗糙度要求的加工方法。这种方法也被称为“放电加工 或“电蚀加工”n 1 。 电火花加工的基本原理如图1 2 所示。工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸 入工作液中。工具电极在间隙自动调节系统的控制下向工件进给，当两电极间的间隙减小 到一定值时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电，并形成火花放电通 道，此时，放电电压瞬间降至火花维持电压，一般约2 5 v 左右，而放电电流增加至所设定 的值。由于受到放电时磁场力箍缩效应和周围液体介质压缩效应的作用，放电通道的扩张 受到限制，使放电能量集中于很小的范围内，因而通道电流密度极高，通道内的温度及压 力亦相当高。 图1 2 电火花加工基本原理示意图 放电通道一旦建立，电源就开始通过放电通道释放能量，将电能转换为热能、动能、 磁能、光能、声能、及电磁波辐射能等，其中大部分转换为热能，用于加热两极放电点和 间隙通道，使两极放电点局部熔化或气化，同时使通道中的介质气化或热裂分解。电极材 料气化及介质气化的过程中，产生很大的热爆炸力，使被加热至熔化状态的材料挤出或溅 出。部分熔融材料抛出后，剩余的部分在电极表面重新凝固，形成放电痕。脉冲放电结束 后，须有一间隔时间，使间隙介质消电离，恢复问隙中液体介质的绝缘强度，以待下次脉 冲击穿放电心1 。 放电总是发生在两电极之间介电强度最弱处，放电结束后，部分材料被去除，电极表 面留下相应的蚀除凹坑，当下次脉冲到来之时，该处不再是介电强度最弱处，因而又会在 曹弧光：三轴联动数控电火花成型加：【：机设计研究3 满足介电强度最弱条件的另外一处发生放电。经过无数次放电叠加后，整个加工表面才会 全部参与放电，电极的形状才会完整地“复印 在工件上，最终完成加工。 1 2 2 电火花加工分类、特点和适用范围 1 ) 电火花加工的类别 按电极和工件相对运动方式和用途的不同，电火花加工大致可分为： ( 1 ) 电火花穿孔成形加工： ( 2 ) 电火花线切割； ( 3 ) 电火花磨削和锉磨： ( 4 ) 电火花同步共扼回转加工； ( 5 ) 电火花高速小孔加工： ( 6 ) 电火花表面强化与刻字。 前五类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法：第六类则 属于表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。 2 ) 电火花加工的特点 电火花加工方法与传统机械加工方法相比特种加工的优点： ( 1 ) 加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热 或高熔点金属以及非金属材料； ( 2 ) 不产生切削力，易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件； ( 3 ) 易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小； ( 4 ) 各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用； ( 5 ) 自动化程度高，操作方便，加工周期短，成本低。 电火花加工优点突出，也存在一些缺点： ( 1 ) 只能用于加工金属等导电材料，不能加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料； ( 2 ) 加工速度一般比较慢，因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量，然后 再进行电火花加工，以求提高生产率； ( 3 ) 存在电极损耗，由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且 电极损耗多集中在尖角或底面，影向成形精度； ( 4 ) 加工后的表面由无数小凹坑组成，粗中加工时较毛糙，且表面有一薄的变质层。 3 ) 电火花加工的适用范围 ( 1 ) 加工各种会属及其合金材料，导电超硬材料( 如聚品金刚石、立方氮化硼、金属 4 扬州大学硕士学位论文 陶瓷、硬质合金等) ，特殊的热敏材料，半导体和非导体材料； ( 2 ) 加工各种复杂形状的型孑l 和型腔工件，包括加工圆孔、方孔、多边孑l 、异形孑l 、 曲线孔、螺纹孔、微孔、深孔等型孔工件，及各种型面的型腔加工。例如加工从数微米的 孔、槽到数米的超大型模具和零件； ( 3 ) 各种工件与材料的切割，包括材料的切断、特殊结构零件的切断，切割微细窄缝 及微细窄缝组成的零件( 如金属栅网、异形孔喷丝板、激光器件等) ； ( 4 ) 加工各种成型刀、样板、工具、量具、螺纹等成型零件； ( 5 ) 工件的磨削，包括小孔、深孔、内圆、外圆、平面等磨削和成型磨削； ( 6 ) 刻写、打印铭牌和标记； ( 7 ) 表面强化和改性，如金属表面高速淬火、渗碳、涂覆特殊材料及合金化等； ( 8 ) 辅助用途，如去除折断在零件单的丝锥、钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。 由于电火花加工具有能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状、加工时无 切削力、不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷、工具电极材料无需比工件材料硬等特点，因此， 在具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件的加工，各种硬、脆材料的加工，各种深细孔、 异形孔、深槽、窄缝加工，各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具的制造中得到广 泛应用。 1 3 电火花加工技术及电火花成型机床国内外研究现状和发展情况 自前苏联科学院拉扎连柯夫妇在1 9 4 3 年研制出世界上第一台实用化电火花加工装置 以来，电火花加工技术得到了飞速的发展，电火花成型机床也不断地发展，电火花成形加 工设备向数控化方向发展是一个不可逆转的趋势。瑞士的阿奇公司、夏米尔公司、日本的 三菱集团、沙迪克集团和牧野集团等一直领导着电火花机床的发展潮流。目前，瑞士、日 本等国家的电火花成型加工机床技术上处于领先地位，电火花加工技术正不断向精密化、 自动化、智能化、高效化等方向发展d 1 。 1 3 1 电火花加工技术发展现状 1 ) 精密化 电火花加工的精密核心主要体现在对尺寸精度、仿形精度、表面质量的要求。时下数 控电火花机床加工的精度已有全面提高，尺寸加工要求可达2 3um 、底面拐角r 值可小 于0 0 3 r a m ，最佳加工表面粗糙度可低于r a o 3 | lm 1 。通过采用一系列先进加工技术和工艺 方法，可达到镜面加工效果且能够成功地完成微型接插件、i c 塑封、手机、c d 盒等高精 密模具部位的电火花加工。 曹弧光：二轴联动数控电火花成型9 1 ； - 机设计研究5 2 ) 智能化 智能控制技术的出现把数控电火花加工推向了新的发展高度。新型数控电火花机床采 用了智能控制技术。专家系统是数控电火花机床智能化的重要体现，它的智能性体现在精 确的检测技术和模糊控制技术两方面。专家系统采用人机对话方式，根据加工的条件、要 求，合理输入设定值后便能自动创建加工程序，选用最佳加工条件组合来进行加工。在线 自动监测、调整加工过程，实现加工过程的最优化控制。 3 ) 自动化 目前最先进的数控电火花机床在配有电极库和标准电极夹具的情况下，只要在加工前 将电极装入刀库，编制好加工程序，整个电火花加工过程便能自动运转，几乎无需人工操 作。 4 ) 高效化 现代加工的要求为数控电火花加工技术提供了最佳的加工模式，即要求在保证加工精 度的前提下大幅提高粗、精加工效率。如手机外壳、家电制品、电器用品、电子仪表等领 域，都要求将大面积( 例如1 0 0 1 0 0 m m ) 工件的放电时间大幅缩短，同时又要降低粗糙度。 从原来的r a 0 8pm 改进到r a 0 2 5um ，使放电后不必再进行手工抛光处理。 1 3 2 电火花成型机床研究现状 电火花加工技术日新月异的发展，至使机床生产厂家纷纷对生产技术予以了改进。目 前数控电火花机床在伺服系统和脉冲电源的改进上取得了重大成果，大大的提高了数控电 火花加工的质量、加工效率。 1 ) 机床伺服系统的改进 精密的机床伺服系统对电火花加工具有重要的意义。日前开发出的直线电机驱动的数 控电火花加工设备，使加工性能获得明显改善。在驱动轴上配置直线电机从而实现了高响 应、平滑的驱动，提高了机械系统的稳定性，避免了动作滞后。数控电火花机床主轴采用 直线电机的高速抬刀技术，使加工屑的排出性能进一步提高，进而提高了加工性能，实现 免冲液加工。直线电机驱动的机床，由于高响应性伺服产生的良好跟踪性，能把加工深度 误差控制在最小限度达到高精度加工。直线伺服系统的应用在深窄、微小型腔加工方面具 有明显的技术优势。 2 ) 机床脉冲电源的改进 脉冲电源对提升加工速度、降低电极损耗、确保加工精度及提高表面质量中扮演着极 其重要的作用。各种脉冲电源对高速、高品位的加工作出了较大贡献。超精加工电源用于 6 扬州i 大学硕士学位论文 电火花精密、微细加工中，这类电源具有极小的单个脉冲能量( 纳秒级脉冲宽度) ，在电 路上通过其它措施解决了加工速度慢、电极损耗大与低脉宽的工艺矛盾。智能型自适应电 源采用微机数字化控制技术，自选加工规准，自适应调节加工中相关脉冲参数，从而达到 高生产率的最佳稳定放电状态。 1 3 3 电火花加工工艺的新发展 电火花加工工艺是实现加工目的直接手段。目前已经开发出了多种电火花加工工艺， 并在生产中取得了一定的经济效益。 1 ) 标准化夹具实现快速精密定位 数控电火花加工为保证极高的重复定位精度且不降低加工效率，采用快速装夹的标准 化夹具。目前有瑞士的e r o w a 和瑞典的3 r 装置可实现快速精密定位。这类装置的原理是 电极在制造时，是集电极与夹具为一体的组件在装有同数控电火花机床上配备的工艺定位 基准附件相同的加工设备上完成的。工艺定位基准附件都统一同心、同位，并且各数控机 床都有坐标原点。因此电极在制造完成后，直接取下电极和夹具的组件，装入数控电火花 机床的基准附件上，无需再进行纠正调节。加工过程中如需插入一“急件”加工，同样可 以将正在加工的半成品卸下，待急件加工完后再继续快速装夹加工。1 标准化夹具，是 种快速精密定位的工艺方法，它的使用大大减少了数控电火花加工过程中的装夹定位时 间，有效地提升了企业的竞争力。 2 ) 混粉加工方法实现镜面加工效果 在放电加工液内混入粉末添加剂，以高速获得光泽面的加工方法称之为混粉加工。该 方法主要应用于复杂模具型腔，尤其是不便于进行抛光作业的复杂曲面的精密加工。可降 低零件表面粗糙度值，省去手工抛光工序，提高零件的使用性能( 如寿命、耐磨性、耐腐 蚀性、脱模性等) 。其加工原理主要是电火花工作液中加入一定比例的导电粉末，放电间 隙增大，电极间的寄生电容和电流密度减少；使放电点分散、放电集中现象减少。混粉方 法加工镜面主要技术要求有：电火花机床具有镜面精加工电路( 具有极小的单个脉冲能 量) ；选择合适的粉末添加剂；进行粉末添加剂的浓度管理；利用扩散装置来消除浓度的 误差；采用无冲液处理方式1 。混粉加工技术的发展，使精密型腔模具镜面加工成为现实。 3 ) 摇动加工方法实现高精度加工 电火花加工复杂型腔时，在不同方向上的加工难度和加工面积相差很大，会引起加工 屑局部集中，触发加工不稳定、放电间隙不均匀等情况。为了保证高效率下放电问隙的一 致性、维持高的稳定加工性，可以在加工过程中采用电极不断摇动的方法。加工中采用摇 曹亚光：三轴联动数控电火花成型加r 1 l 设计研究7 动的方法可获得侧面与底面更均匀的表面粗糙度，更容易控制加工尺寸。摇动加工选用是 根据被加工部位的摇动图形、摇动量的形状及精度的要求而定。采用摇动的加工方法能能 很好解决这些问题且能保证高精度、高质量的加工。 4 ) 多轴联动加工方法实现复杂加工 近年来，随着模具工业和计算机技术的发展，促进了多轴联动电火花加工技术的进步。 采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，以适应不同种类工件的 加工要求，扩大了数控电火花加工的加工范围，提高其在精密加工方面的比较优势和技术 效益。数控电火花加工机床可利用多轴联动很方便地实现传统电火花机床难以加工的复杂 型腔模具或微小零件的加工，如三维螺旋面、微细齿轮、微细齿条等。目前模具企业采用 数控电火花加工基本采用成型电极的轴向伺服加工，但也可以巧用多轴联动的方法来提高 加工性能，如清角部位在加工可行的情况下采用x 、y 、z 三轴联动的方法，即斜向加工， 避免了因加工部位面积小而发生放电不稳定的现象盯8 1 。 1 4 本课题的研究意义及主要任务 1 ) 本课题的研究意义 本课题根据企业的实际生产需要，利用电火花成型机床最新研究成果的一个技改课题。 通过该课题的研究，将电火花加工技术及加工机床的最新发展成果应用于企业的生产实 际，设计的机床具有三轴数控联动功能，既实现了研究成果向生产力的转化，又为企业节 约了大量的资金，具有重大的经济价值和现实意义。 3 ) 本课题的主要任务 本课题在对电火花成型机原理分析研究基础上，研究设计机床的结构系统、驱动控制、 结构的动态分析与优化等。其主要内容如下： ( 1 ) 了解电火花成型机的机械结构系统，根据零件加工要求，设计机床整体结构； ( 2 ) 设计机床的进给系统，优化系统结构； ( 3 ) 对机床运动进行运动学分析和参数优化； ( 4 ) 对进给系统进行控制部分设计。 1 5 本章小结 本章主要介绍了电火花加工技术特点和作用，分析了电火花成型加工技术及机床在国 内外的研究现状和发展方向，结合企业实际需求，将电火花成型加工机床的最新研究成果 进行转化，明确了本课题的研究目的意义和主要内容。 扬州大学硕十学位论文 第二章三轴联动电火花成型机床总体结构设计 21 电火花成型加工机床的构成及结构形式 电火花成形加工机床主要包括土机、电源箱、工作液循环过滤系统及附件等，如图2l 所示为机床外观。主机用于支承、固定1 i 具电极，实现电极在加工过程中稳定的伺服进给 运动。主机毛要由床身、立杆、主轴头、工作台驶工作液槽等部分组成。电源箱包括脉冲 电源、伺服进给系统和其他电气控制系统。工作液循环过滤系统包括供液泵、过滤器，各 种控制阀、管道等。 重 日奇夏米尔数控电火花成形机上海木也牛头堆* 电火花成型机 图2l 电火花成型加上机床 211 电火花成型机的类别 1 ) 电火花成型机的类别 电火花成形加工机床己形成系列产品，按不同的定义其分类方法也不同。 按国家标准： ( 1 ) 单立柱机床( 十字工作台型和固定工作台型) ： ( 2 ) 双立柱机床( 移动主轴头型和十字工作台型) 。 按机床主参数尺寸： ( 1 ) 小型机床工作台宽度 1 2 5 0 r r _ _ l ( d 7 1 1 2 5 以上) 。 按数控程度： ( 1 ) 普通手动机床， 曹亚光：三轴联动数控电火花成瞿 o j n i ：机设计研究9 ( 2 ) 单轴数控机床： ( 3 ) 多轴数控机床。 按精度等级： ( 1 ) 标准精度机床； ( 2 ) 高精度机床； ( 3 ) 超精密机床。 按伺服系统类型： ( 1 ) 液压进给； ( 2 ) 步进电机进给； ( 3 ) 直流或交流伺服电机进给； ( 4 ) 直线电机进给驱动。 2 ) 我国电火花成形加工机床的型号命名规则与参数 自1 9 8 5 年起我国把电火花成形j j n - r 机床命名为d 7 1 系列，见行业标准特种加工机 床型号编制方法( j b t7 4 4 5 2 - 1 9 9 8 ) 。 其型号表示方法如下： 如d k 7 1 4 0 ，其含义为工作台宽度为4 0 c m 的数控电火花成型j o n - r _ 机床 卜电加工机床( 如为数控电加工机床，则在d 后加k ) ； 7 l 成形加工机床； 4 0 一机床工作台宽度( 以c m 表示) 。 目前电火花机床的型号命名往往加上本单位名称的拼音代号及其他代号。 3 )机床各部分的名称 为统一名词术语，便于沟通，国家标准对电火花成形加工机床各部分的名称进行了规 定，如表2 1 所示。 1 0 扬州i 大学硕士学位论文 表2 1 机床各部分名称 j - in 。j ”1 j i ；l i ：- ：i ii 1 j o t l j 。 i ：， j f j ：j j一： 1 、!i ；a l i，、，l k i 二 ( 。l dl l n l n2 i t( i h i n l n jf 1 ；。x ! i l。i a h k x - x i h 3j ， l j j x 州l ，s 扎i l i i , i x u x 沁 ijjh 、肄” s ：i l i l i i c l 、。一；i x i ，- _ i ij o 。! i i 、 r i l l l 1 i y - - , x i sinj ： j ：、j i ki o l l k5l ，1 1i r ：i h k i1 1 | ：、纠j jii c ；i l i i “：i 、h i1f 1 ；k l ； i、1 l i ；i n l ? i 油z ! 西l , ) u i l h 一n x 沁i ? l - 2 1 1 1 ：f 竹! i t r , ii c ；i l i 。、 j x i h kl t i _ k ：l ：i c c l n 刈cp la k n8 i - i t l z ；i 1 1 ) ( , , ) u i l h z - 4 x j s i 哆 ! 迁i i l l7 fj s p i n d l c i ( 。一a x h ， t 毡ktk k l ：i c c m t l p l , l l c n i”lzl 峙l ：l o o l i 、1 l kii )嘘 0 d li c 。- 1 1 1 ) s p i n d l c i c - a x i i：乜 l l i i c c i i o l k 2 1 2 电火花成型机的结构形式、特点、使用场合 1 ) 电火花成型机的结构形式、特点、使用场合 电火花成型加工机床结构有多种形式，根据不同j n t 对象，常见的结构有“c ”形结 构、龙门式结构、牛头滑枕式结构、摇臂式结构和台式结构。 埘 l- ，p it l ：l 图2 2“c ”形结构 1 床身2 立柱3 主轴头4 工作台 “c ”形结构如图2 2 所示。j n - 时，工作台实现x 轴和y 轴伺服进给运动，主轴头实 现z 轴伺服进给运动。此类机床的结构特点是：床身、立柱、主轴头、工作台构成一“c ” 字形。这种结构的优点是：结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，操作者可以从 前、左、右三面充分靠近工作台。缺点是：工件装卸不方便，每次安装、检测工件都必须 开门放油，然后再关门上油。“c ”形结构较适合中、小型机床，国内机床大部分采用此种 结构形式阳1 。 曹亚光：三轴联动数控电火花成型加：机设计研究 可 l l ； l 图2 3 牛头滑枕式结构 1 一床身；2 立柱：3 一滑座；4 主轴头；5 工作液槽 牛头滑枕式结构如图2 3 所示。这种结构形式类似金属切削机床中的牛头刨床。工作 台固定不动或实现x 方向移动，主轴头通过滑枕实现y 方向移动或x ，y 方向的移动。这 种结构的优点是：装卸、检测工件十分方便，此结构为设计、安装可升降式工作液槽提供 方便；当可升降工作液槽下降时，工件完全暴露出来，可以方便地对工件进行安装、检测， 完毕后只需将工作液槽升起即可重新加工，提高了工作效率。缺点是：结构较复杂，制造 成本较高。牛头滑枕式结构比较适合数控化程度较高的机床。 搿 r i 一。i l：i 图2 4 龙门式结构 1 床身2 立柱3 一主轴头4 工作台 龙门式结构如图2 4 所示。此类机床的结构特点是：主轴头悬挂在一“门 式结构的 横梁上，类似金属切削机床中的龙f t n 床。工作台一般都固定在床身上，而主轴头可在横 梁上做x 方向的移动，工作台或龙门做y 方向的移动。这种结构的优点是：机床刚性好， 精度高，稳定性好。缺点是：制造成本高，操作不太方便，占地面积大。龙门式结构适合 大、中型机床采用。 1 2 扬州大学硕十学位论文 6 图2 5 摇臂式结构 1 一床身：2 。立柱；3 转座；4 主轴头；5 一摇臂；6 工作液槽、工作台 摇臂式结构如图2 5 所示。该类机床的特点是：主轴头装在可绕固定轴转动的摇臂上， 并可在摇臂上移动，工作台固定不动。优点是：操作十分方便，主轴头可以迅速移开加工 区，使操作者能够从前、左、后面及上面充分接近工件，方便地完成工件的装卸和检测。 大模块可直接用吊车装卸。缺点是：机床的刚性差、精度差。摇臂式结构机床只适用于精 度要求不高的模具或零件( 如锻造模具) 的加工。 图2 6 台式结构 卜底座；2 一工作液槽、工作台；3 一立柱；4 一主轴头；5 一电源箱 台式结构如图2 6 所示。该类机床的结构特点是：床身和立柱连为一体，且主机和电 源全部置于一“写字台”式的底座上。优点是：易保证较高的刚度和精度，结构紧凑、占 地面积小，容易实现机电一体化。台式结构机床只适用于小型机床或小型精密机床“们。 2 ) 电火花成型加工机主机传动轴的名称与运动方向 电火花成形加工机床主机一般有x ，y ，z 三轴传动系统。当z 轴用电机伺服驱动，x ， y 轴为手动时称为普通机床或单轴数控机床。当x ，y ，z 三轴同时用电机伺服驱动时称为 曹亚光：三轴联动数控电火花成型加：【：机设计研究 1 3 三轴数控机床。c 轴为旋转伺服轴n 。各传动的名称与方法定义见图2 7 j 嘉 0 ，蒸 ! 汐 14 扬州人学硕士学位论文 构。 2 2 2 机床的总体方案的拟定 根据零件的加工工艺要求，结合系统的运动功能分析，经多种方案比较分析后，确定 机床的总体结构设计如下： ( 1 ) 机床的整体结构型式采用牛头式结构：电火花成型加工属于精密加工，考虑到工 件重量以及定位精度，故机床整体采用牛头式结构； ( 2 ) 双机头) j n i 方式：根据工件的加工要求，为提高加工效率，在z 轴采用双机头结 构减少加工时间，可以加工一个零件，也可同时加工两个零件； ( 3 ) 控制方式采用三轴联动：为避免常见机床功能单一，总体精度不稳定，机床震动 大，装配工艺繁琐等缺陷，控制方式采用三轴联动控制方式，机床可实现自动定位、复位， 并有滚珠丝杆的齿隙、螺距补偿功能。 ( 4 ) 进给伺服系统采用滚珠丝杠螺母副机构：为了保证进给伺服系统的传动精度和平 稳性，选用磨擦小，传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和 消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。 妫) 导向机构采用直线滚动导轨：采用滚动导轨可以减少导轨是的磨擦阻力，便于工 作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。 ( 6 ) 系统控制选用o m r o n 公司的紧凑型p l cc 2 0 0 h 控制系统：欧姆龙( o m r o n ) 公司 是日本生产可编程序控制器的主要厂家之一，c 2 0 0 hp l c 是小型p l c ，它采用模块式结构， 功能较齐全、运算速度快。所以本系统用c 2 0 0 hp l c 控制。 2 2 3 机床主要技术参数及精度指标 1 ) 机床主要性能指标如表2 2 所示。 表2 2 机床主要性能指标 工作台尺寸 7 0 0 4 0 0 ( m m )机床功率 8 k v a x 、y 、z 行程 4 5 0 3 5 0 3 0 0 ( m m ) 测量分辨率 0 5 9 m 工作液槽尺寸 1 2 0 0 x7 2 0 4 2 0 ( m m ) 位置增量 1 i t m 油箱尺寸1 4 0 0 x8 0 0 x4 8 0 ( m m ) 机床精度误差8 1 t m 机床外形尺寸 1 4 5 0 1 7 2 0 2 2 8 0 ( m m )c 轴转角 3 6 0 0 工件最大尺寸i1 5 0 x7 0 0 x3 0 0 ( m m ) 最大加t 电流 7 0 a 2 ) 机床传动系统精度要求 曾舭光翱l 联动数控电火花成型加l 机醴计研究 f _ l | 于工作台或丰轴传递运动的传动丝杠与螺母之_ 1 i j 一般都存在微小间隙所以在工作 台或主轴往一向移动后再向反向移动时会少移动一段距离，这个距离= i 三要反映了t 作台 正、反向移动时，传动丝杠与螺母之间的间隙所带来的运动误差。 机床传动系统精度见表23 。 表2 3 机床数控精度指标 序号 机床数控精度指标 允许偏差 实测偏差 x 轴运动的重复定位重复定位精度0 0 2重复定位精度o0 1 5 精度和失动量失动量0 0 4 失动量 o0 2 0 y 轴运动的重复定位鼋复定值精度0 0 2重复定位精度00 1 5 精度和失动量 失动量00 4失动量00 2 7 z 轴运动的重复定位重复定位精度0 0 3重复定位精度o 0 2 0 精度和失动置失动量o0 4 失动量 o0 2 6 机床的总体结构型式如图2 8 所示，该机床采用高效率牛头式火花机三轴机头移动加 工方式，保证了高精度，高效率：x 、y 、z 轴采用直线滚动导轨，使移动更圆滑，保持高 精密度；采用稳定的控制系统提供最佳的放电加工条件。 圈2 8 机床总体结构型式 23 本章小结 本章首先介绍了电火花成型加工机床的构成及结构形式，对课题要求的电火花成型机 床总体功能进行分析，根掘功能确定机床总体卉局。然后根据实际要求选择采用牛头式结 构布局。最后对牛头式的机械系统总体结构和技术要求进行设计方案的制订，为后续的具 体机构设计打下基础。 1 6 扬州大学硕士学位论文 第三章三轴联动数控电火花机床进给系统的设计与计算 3 1 进给系统设计方案的确定 利用微机对纵横进给系统进行开环控制，工作台纵、横向移动为0 0 1 m m 脉冲，主轴 头垂直移动为0 0 0 5 m m 脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。 采用微机对数据进行计算处理，由i 0 接口输出步进脉冲，经滚珠丝杠转动，从而实 现纵向、横向进给运动。 3 2 主轴( z 轴) 传动系统精密部件的设计计算 主轴采用一级直齿圆柱齿轮减速，齿轮与滚珠丝杆副相联的传动方案。滚珠丝杠副除 具有显著的优异特性和有较高的使用价值外，还因为它像滚动轴承那样可以作为配套元件 由专业工厂生产和供应滚珠丝杠副可获得精确，高效，灵敏，可靠的效果。在特殊环境或 特殊要求下，如在高温，低温，高压，真空，强磁场，强辐射，无润滑，腐蚀介质中工作 以及要求可逆运动，同步运动，瞬时高低速转换等，均具有良好的传动性能。因此，滚珠 丝杠副己经成为应用非常普遍的传动元件，可用于精密定位，自动控制，动力传递和运动 转换，广泛应用于机床工业，航空航天，军工产品等各个领域。 3 2 1 滚珠丝杠设计计算 1 、滚珠丝杠副的主要技术参数及设计、计算流程 1 ) 滚珠丝杠的主要技术参数”1 如图3 1 所示。 ( 1 ) 名义直径d o 滚珠丝杠的名义直径d o 是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆 柱直径。它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，d 0 越大，承 载能力和刚度越大。 ( 2 ) 基本导程p h 导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机 床的2 h - r 精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦 随之减小。 ( 3 ) 滚珠直径d 0 一般取d o = o 6 p h ( 4 ) 滚珠的工作圈数j 和工作滚珠总数n 工作圈数j 一般取2 5 1 3 5 圈，而工作滚珠总数n 以不大于1 5 0 个为宜。 曹弧光：二轴联动数控电火花成型加- 机设计研究 1 7 ( 5 ) 列数k 要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式。 图3 1 滚珠丝杠的主要技术参数 2 ) 滚珠丝杠螺母副的设计计算主要内容 ( 1 ) 额定动载荷和额定静载荷 额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在n l o r m i n 的相同工作条件下运 转1 0 0 0 0 0 0 转后，9 0 的螺旋副( 指螺纹滚道和滚动体) 不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最 大轴向载荷，定义为额定动载荷c a 。1 3 1 额定静载荷是指把滚珠丝杠副在静态或低转速( n l o r m i n ) 条件下，受接触应力最大 的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0 0 0 0 1 倍时的最大轴向载荷， 定义为额定静载荷c a 。 ( 2 ) 滚珠丝杠副疲劳强度计算 滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。滚珠丝杠的当量额定动载荷为： c a m = f m f 。v ( n ) 式中：f m 一一轴向工作载荷( n ) ，当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时 f m = ( 2 f m a x + f m in ) 3 ； f m a x ，f m i n 一丝杠最大，最小轴向载荷( n ) ； l _ 工作寿命，以1 0 6 转为1 单位，l = 6 0 nl 。1 0 6 ； n 一丝杠转速( r m i n ) ： l 。使用寿命( h ) ，对数控机床可取l 。= 1 5 0 0 0 h ； f 。一负荷系数，按表3 2 选取： f 。一可靠性系数，一般取f 。= l 。 18 扬州大学硕七学位论文 3 ) 滚珠丝杠螺母副的选择步骤： ( 1 )