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数控高速走丝电火花线切割机机械结构及进给控制系统设计论文.doc

数控高速走丝电火花线切割机机械结构及进给控制系统设计【全套7张CAD图纸+毕业论文】【原创资料】

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关键词：: 数控高速电火花切割机机械结构进给控制系统设计全套 cad 图纸毕业论文原创资料

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摘要

随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品的更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已经难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。

高速走丝线切割机是我国独创的电加工设备，它结构简单，价格低廉，使用成本低，是我国产量最大、应用最广泛的机床种类之一。本次毕业主要对数控高速走丝电火花线切割机机械结构设计。了解机床的基本结构组成，对主要零部件进行设计计算，最后完成进给机构控制系统的设计

关键词：线切割，进给机构，控制系统

Abstract

With the rapid development of science and technology and economic competition is becoming increasingly fierce, product updates faster, more and more complex shape parts, the accuracy of the increasingly high demand, many varieties, small batch production has increased significantly. In the fierce market competition, product development and production cycle is shorter and shorter. The traditional processing equipment and manufacturing method has been difficult to adapt to the high efficiency and high quality processing the diversity, flexibility and complex shape parts requirements.

High speed WEDM machine electric processing equipment originated in China, it has the advantages of simple structure, low price, low use cost, is one of the most widely used machine type to the largest of China's output, application. The graduation is mainly on the NC WEDM machine structure design. To understand the basic structure of the machine, the main parts design, complete feed mechanism control system

Keywords: wire cutting, feed mechanism, control system

摘要I

AbstractII

第一章绪论4

1.1 高速走丝线切割机床技术现状4

1.2 高速走丝线切割机床加工技术的发展趋势2

1.3高速走丝线切割机床的特点3

1.3.1高速走丝线切割电火花加工的优点3

1.3.2高速走丝线切割电火花加工的局限性：3

1.4 高速走丝线切割机床的工作原理3

1.5 本文主要研究的内容4

第二章高速走丝线切割机床总体方案设计4

2.1 高速走丝线切割机床结构组成4

2.2 高速走丝线切割机床结构总体设计5

1.2.1 总体设计指导思想5

1.2.2 总体布局方案设计5

第三章高速走丝线切割机床整体设计计算6

3.1设计参数6

3.1.1 机械手自由度的分配6

3.2储丝走丝部件结构设计6

3.2.1对高速走丝机构的要求6

3.2.2 高速走丝机构的结构及特点7

3.2.3 储丝走丝部件主要零件强度计算8

3.2.4 储丝走丝部件主要零件强度验算13

3.3 进给传动设计17

3.3.1 滚珠丝杆螺母副的型号选择17

3.3.2 滚珠丝杆的选型和校核19

3.4 伺服电机的选用21

3.4.1 扭矩的计算21

3.4.2 启动矩频特性校核23

第四章数控高速走丝电火花线切割机进给控制系统设计24

4.1 三菱的GX Developer 编程软件简介24

4.2 系统程序设计方法24

4.3 PLC控制系统软件程序的编写及说明26

4.2.1 手动自动选择程序26

4.3.2 手动程序27

4.3.3 上电回原点程序27

4.3.4 极限位置保护程序28

4.3.5 自动程序29

第五章总结30

参考文献31

致谢32

第一章绪论

1.1 高速走丝线切割机床技术现状

具有我国特色的数控高速走丝电火花线切割加工技术自60年代末研制成功以来，经过30年的不断完善和发展，现已成为制造业中不可缺少的加工手段。目前，高速走丝线切割机的切割速度已由过去的20～40mm2/min普遍提高到100mm2/min以上，有的可达到260mm2/min，机床的加工精度为±0.01mm，工件的表面粗糙度为Ra1.25～2.5μm,因而可满足一般模具加工和其他复杂零件制造的要求。

　　随着科学技术的发展，对各类产品的制造要求越来越高，对线切割加工技术也提出了更高的要求。国外(欧美、日本等)研究发展的数控低速走丝电火花线切割机为适应对制造加工技术的要求，采用闭环数字交(直)流伺服控制系统，确保优良的动态性能和高定位精度，加工精度可控制在若干微米以内。同时机床具有数字自适应控制电源、自动穿丝、自动卸除废料、短路自动回退等自动化技术，此外对电极丝张力和工作液压力也可进行控制。由于使用了新技术并注重计算机软件技术的更新和发展，低速走丝线切割机的工艺指标已达到了相当高的水平。即使对形状复杂零件的加工，最高切割速度也可超过300mm2/min；尺寸精度可达到±2～5μm；表面粗糙度可达到Ra0.1～0.2μm(多次切割)。机床的自动化程度高，加工稳定性好，已向无人化加工发展。

　　由于高、低速走丝线切割加工采用不同的技术方案，无论是机床的结构，还是运丝系统或是加工条件都有很大的差异。简单地对比机床的加工性能未

必十分恰当，但排除价格因素，与低速走丝线切割加工技术水平相比，高速走丝线切割加工的精度、功能、工艺指标、自动化程度等方面还有明显的差距。随着科技的发展，对制造技术的要求越来越高，高速走丝线切割机面临相当严峻的形势，应加快发展机床新技术，运用新工艺，奋力赶上。

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内容简介：: 上海电机学院毕业设计任务书课题数控高速走丝电火花线切割机机械结构及进给控制系统设计专业年级 2010 级姓名学号指导教师（签字）学院院长（签字）年月日 nts 课题来源实验室改造课题的目的、意义数控高速走丝电火花线切割加工是一种直接利用电能进行加工的新工艺。本课题通过设计数控高速电火花线切割机床，使学生能综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行机电一体化产品的设计。本设计要求学生完成走丝机构及总体结构、进给系统及控制系统的设计。工作台有 XY 两个方向的运动，进给控制主要由步进电机驱动工作台完成给定速度的进给运动。要求课题的主要技术要求：工作台尺寸 630x400mm；工作台对地面的高度 985mm。工作台横向行程400mm；纵向行程 320mm；切削工件最大厚度 100mm；最大重量 200kg。定位精度 0.02mm；切割速度 80 100mm2 /min。电极丝直径： mm15.0 ,走丝速度： 1.711.8m/s。课题工作量要求： 1、完成线切割机的总体机械结构设计，作出总体装配图； 2、完成走丝机构部装图及相关零件图； 3、作出坐标工作台装配图及相关零件图； 4、做出进给系统的电气原理图、控制框图； 5、完成设计计算说明书。课题主要内容及进度课题主要内容：收集、研读国内外高速走丝电火花线切割机的技术资料，特别是结构和控制资料；根据技术要求拟定设计方案，包括整体结构，走丝机构、进给系统等机械传动方案；设计详细结构，画出总装配图、部件图并完成相应的设计计算；挑选部分典型零件设计零件工作图；撰写设计计算说明书。工作进度：所需时间工作内容备注 4 周收集资料，调查研究，拟定设计方案 12 周完成电火花线切割机床身选型及走丝机构的设计，完成坐标工作台部件设计 1 周控制系统设计，包括驱动电路设计等 2 周最终完成装配图 ,电气原理图，撰写设计计算说明书，准备答辩 nts编号毕业设计题目数控高速走丝电火花线切割机机械结构及进给控制系统设计学生姓名学号系部专业班级指导教师 nts二一四年 X月 nts 本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）（题目：数控高速走丝电火花线切割机机械结构及进给控制系统设计）是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果。尽本人所知，除了毕业设计（论文）中特别加以标注引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。作者签名： XXX 2014 年 X 月 X 日 nts毕业设计 I 数控高速走丝电火花线切割机机械结构及进给控制系统设计摘要随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品的更新速度越来越快，复杂形状的零件越来越多，精度要求越来越高，多品种、中小批量生产的比重明显增加。激烈的市场竞争使产品研制生产周期越来越短。传统的加工设备和制造方法已经难于适应这种多样化、柔性化与复杂形状零件的高效高质量加工要求。高速走丝线切割机是我国独创的电加工设备，它结构简单，价格低廉，使用成本低，是我国产量最大、应用最广泛的机床种类之一。本次毕业主要对数控高速走丝电火花线切割机机械结构设计。了解机床的基本结构组成，对主要零部件进行设计计算，最后完成进给机构控制系统的设计关键词：线切割，进给机构，控制系统 nts毕业设计 II Abstract With the rapid development of science and technology and economic competition is becoming increasingly fierce, product updates faster, more and more complex shape parts, the accuracy of the increasingly high demand, many varieties, small batch production has increased significantly. In the fierce market competition, product development and production cycle is shorter and shorter. The traditional processing equipment and manufacturing method has been difficult to adapt to the high efficiency and high quality processing the diversity, flexibility and complex shape parts requirements. High speed WEDM machine electric processing equipment originated in China, it has the advantages of simple structure, low price, low use cost, is one of the most widely used machine type to the largest of Chinas output, application. The graduation is mainly on the NC WEDM machine structure design. To understand the basic structure of the machine, the main parts design, complete feed mechanism control system Keywords: wire cutting, feed mechanism, control system nts毕业设计 III 目录摘要 . I Abstract . II 第一章绪论 . 1 1.1 高速走丝线切割机床技术现状 . 1 1.2 高速走丝线切割机床加工技术的发展趋势 . 1 1.3 高速走丝线切割机床的特点 . 2 1.3.1 高速走丝线切割电火花加工的优点 . 2 1.3.2 高速走丝线切割电火花加工的局限性： . 2 1.4 高速走丝线切割机床的工作原理 . 2 1.5 本文主要研究的内容 . 3 第二章高速走丝线切割机床总体方案设计 . 4 2.1 高速走丝线切割机床结构组成 . 4 2.2 高速走丝线切割机床结构总体设计 . 4 1.2.1 总体设计指导思想 . 4 1.2.2 总体布局方案设计 . 5 第三章高速走丝线切割机床整体设计计算 . 6 3.1 设计参数 . 6 3.1.1 机械手自由度的分配 . 6 3.2 储丝走丝部件结构设计 . 6 3.2.1 对高速走丝机构的要求 . 6 3.2.2 高速走丝机构的结构及特点 . 6 3.2.3 储丝走丝部件主要零件强度计算 . 7 3.2.4 储丝走丝部件主要零件强度验算 . 13 3.3 进给传动设计 . 17 3.3.1 滚珠丝杆螺母副的型号选择 . 17 3.3.2 滚珠丝杆的选型和校核 . 19 nts毕业设计 IV 3.4 伺服电机的选用 . 21 3.4.1 扭矩的计算 . 21 3.4.2 启动矩频特性校核 . 23 第四章数控高速走丝电火花线切割机进给控制系统设计 . 24 4.1 三菱的 GX Developer 编程软件简介 . 24 4.2 系统程序设计方法 . 24 4.3 PLC 控制系统软件程序的编写及说明 . 26 4.2.1 手动自动选择程序 . 26 4.3.2 手动程序 . 27 4.3.3 上电回原点程序 . 27 4.3.4 极限位置保护程序 . 28 4.3.5 自动程序 . 29 第五章总结 . 30 参考文献 . 31 致谢 . 32 nts毕业设计 1 第一章绪论 1.1 高速走丝线切割机床技术现状具有我国特色的数控高速走丝电火花线切割加工技术自 60 年代末研制成功以来，经过 30 年的不断完善和发展，现已成为制造业中不可缺少的加工手段。目前，高速走丝线切割机的切割速度已由过去的 20 40mm2/min 普遍提高到 100mm2/min 以上，有的可达到260mm2/min，机床的加工精度为 0.01mm，工件的表面粗糙度为 Ra1.25 2.5 m,因而可满足一般模具加工和其他复杂零件制造的要求。随着科学技术的发展，对各类产品的制造要求越来越高，对线切割加工技术也提出了更高的要求。国外 (欧美、日本等 )研究发展的数控低速走丝电火花线切割机为适应对制造加工技术的要求，采用闭环数字交 (直 )流伺服控制系统，确保优良的动态性能和高定位精度，加工精度可控制在若干微米以内。同时机床具有数字自适应控制电源、自动穿丝、自动卸除废料、短路自动回退等自动化技术，此外对电极丝张力和工作液压力也可进行控制。由于使用了新技术并注重计算机软件技术的更新和发展，低速走丝线切割机的工艺指标已达到了相当高的水平。即使对形状复杂零件的加工，最高切割速度也可超过 300mm2/min；尺寸精度可达到 2 5 m；表面粗糙度可达到 Ra0.1 0.2 m(多次切割 )。机床的自动化程度高，加工稳定性好，已向无人化加工发展。由于高、低速走丝线切割加工采用不同的技术方案，无论是机床的结构，还是运丝系统或是加工条件都有很大的差异。简单地对比机床的加工性能未必十分恰当，但排除价格因素，与低速走丝线切割加工技术水平相比，高速走丝线切割加工的精度、功能、工艺指标、自动化程度等方面还有明显的差距。随着科技的发展，对制造技术的要求越来越高，高速走丝线切割机面临相当严峻的形势，应加快发展机床新技术，运用新工艺，奋力赶上。 1.2 高速走丝线切割机床加工技术的发展趋势高速走丝线切割机由于受到电极丝损耗、机械部分的结构与精度、进给系统的开环控制、加工中工作液导电率的变化、加工环境的温度变化及本身加工的特点 (如运丝速度快、振源比较多、导轮磨损大 )等因素影响，机床的加工精度有限。以目前机床的现状，要在较短的时间内与低速走丝线切割机在加工精度方面进行竞争，困难是相当大的，而且研究开发的代价也会很高，机床的制造成本将大幅度提高，从现实和市场的角度来考虑都是不太适宜的。因此，nts毕业设计 2 高速走丝线切割机的发展策略是扬长避短，以发展中低档机床为主，使机床向适当加工精度、良好的加工稳定性和容易操作的方向发展，来满足不断发展的生产需要。目前市场上高速走丝线切割机最大的优势在于拥有良好的性能价格比，机床的进一步发展必须以此为基本出发点，不能过分强调机床加工精度，而忽视机床性能价格比的因素。如违背这一原则，机床制造商和用户都难以接受。 1.3高速走丝线切割机床的特点 1.3.1 高速走丝线切割电火花加工的优点（ 1）可以加工难以用金属切削方法加工的零件 ,不受材料硬度影响。（ 2）由于工具电极与工件电极不直接接触 ,没有机械切削力。所以在制作工具电极时不必考虑其受力特性 ,工具电极可以做的十分微细 ,能进行微细加工和复杂型面加工。（ 3）电火花加工是通过脉冲放电来蚀除金属材料的 ,而脉冲电源的参数随时可调 ,因此在同一情况下 ,只需调整电参数即可切换粗、半精、精、超精加工。 1.3.2 高速走丝线切割电火花加工的局限性： (1)电火花加工生产效率低。 (2)被加工的工件只能是导体 . (3)存在电极损耗 ,这就影响了成型精度。 (4)加工表面有变质层。 (5)加工过程必须在工作液中进行。电火花加工时放电部位必须在工作液中 ,否则将引起异常放电。 (6)线切割加工有厚度极限。 1.4 高速走丝线切割机床的工作原理电火花线切割加工是通过电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极，高频脉冲电源通电后，当工件与电极丝之间的距离小于放电距离时，脉冲电能使介质（工作液）电离击穿，形成放电通道，在电场力的作用下，大量的带负电荷的电子高速奔向正极，带正电荷的离子奔向负极，由于电离而产生的高温使工件表面熔化，甚至汽化，使金属随着电极丝的移动及工作液的冲击而被抛出，从而在工件表面形成凹坑。在高温区中由于极性效应，电极丝与工件分配的能量不一样，因而电极丝与工件的表面温度也不一样，并且由于电极丝的熔化温度要大大高于工件材料的熔化温度，同时电极丝又在高速离开高温区，因而在高温区中电极的蚀除量要大大小于工件的蚀除量，这就时代工件表面形成较大的凹坑，而在电极丝的nts毕业设计 3 表面形成很小的凹坑，由于加工过程是连续的，伺服电机受到控制不断进给，以保持电极丝与工件之间维持放电所必须的间隙，因而工件就逐步被切出一条缝隙。 1.5 本文主要研究的内容 1、收集、研读国内外高速走丝电火花线切割机的技术资料，特别是结构和控制资料； 2、根据技术要求拟定设计方案，包括整体结构，走丝机构、进给系统等机械传动方案； 3、设计详细结构，画出总装配图、部件图并完成相应的设计计算； 4、撰写设计计算说明书。 nts毕业设计 4 第二章高速走丝线切割机床总体方案设计 2.1 高速走丝线切割机床结构组成高速走丝线切割机床主要由以下几部分组成 : (1) 床身床身是支承和固定工作台、运丝机构等的基体。 (2)工作台目前在电火花线切割机床上采用的坐标工作台，大多为 X、 Y 方向线性运动。 (3)运丝机构在高速走丝线切割加工时，电极丝需要不断地往复运动，这个运动是由运丝机构来完成的。这种形式的运丝机构的优点是结构简单、维护方便，因而应用广泛。其缺点是绕丝长度小，电动机正反转动频繁，电极丝张力不可调。 (4) 丝架丝架的主要作用是在电极丝快速移动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持垂直。 (5) 辅助装置辅助装置包括脉冲电源，数控系统，工作液循环系统等。 2.2 高速走丝线切割机床结构总体设计 1.2.1 总体设计指导思想根据前面所提到的机床应满足的基本要求，就可以进行总体设计。在各项基本要求中以工艺要求最为重要。由工艺要求决定机床所需要的运动，完成每个运动又应有相应的功能部件，这就可以确定各个部件的相对运动和相对位置关系，机床的总体布局也就大体能确定下来。通用机床的布局已经形成了传统的形式，随着数控化和程序化在通用机床上的应用，机床的布局也在发生改变，专用机床的布局往往灵活性较大。机床总体设计是带动全局性的一个重要问题，对机床的制造和使用都有很大影响。在进行机床总体设计时可以从以下两方面来考虑。一方面从机床内部（本身）考虑，要处理好工件与刀具间相对关系，如位置与运动、工件重量和形状特点等。另一方面还要考虑的机床外部的因素，也就是人机之间的关系，如外形、操作和维护等。 nts毕业设计 5 1.2.2 总体布局方案设计根据传统高速走丝线切割机床的布局， X、 Y 轴的工作由拖板的运动来实现， U、 V 轴的工作由线架导轨的移动来实现。所有的进给运动均由以上两部分完成。绕丝装置放置于线架后方，绕丝的往复运动由导轨、丝杆螺母以及回转装置来实现。总结后设定布局如图 3.2。图 2-1 高速走丝线切割机床结构布局 1.床身； 2.送丝机构； 3.导线机构； 4.锁紧装置； 5.导线架 1； 6.导线架 2； 7.工作台； 8.切削液挡板； 9.Y 轴传动； 10.X 轴传动 nts毕业设计 6 第三章高速走丝线切割机床整体设计计算 3.1设计参数 3.1.1 机械手自由度的分配工作台尺寸 630x400mm；工作台对地面的高度 985mm。工作台横向行程 400mm；纵向行程 320mm；切削工件最大厚度 100mm；最大重量 200kg。定位精度 0.02mm；切割速度80 100mm2 /min。电极丝直径： mm15.0 ,走丝速度： 1.7 11.8m/s。 3.2储丝走丝部件结构设计 3.2.1对高速走丝机构的要求（ 1）高速走丝机构的储丝筒转动时，还要进行相应的轴向移动，以保证极丝在储丝筒上整齐排绕。（ 2）储丝筒的径向和轴向窜动量要小。（ 3）储丝筒要能够正反向旋转，电极丝的走丝速度在 712m/s 范围内无级或有级可调，或恒速转动。（ 4）走丝机构最好与床身相互绝缘。（ 5）传动齿轮副、丝杆副应具备润滑措施。 3.2.2 高速走丝机构的结构及特点高速走丝机构由储丝筒组合件、上下拖板、丝杆副、齿轮副、换向装置和绝缘件等部分组成，如下图 3-1 所示 nts毕业设计 7 图 3-1 高速走丝线切割机床的储丝走丝系统机构结构图储丝筒由电动机通过联轴器带动实现正反向转动。储丝筒另外一端通过二对齿轮减速后带动丝杆。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杆则安装在拖板上，调整螺母安装在底座上，拖板在底座上来回运动。螺母具有消除间隙的副螺母和弹簧，齿轮及丝杆螺距的搭配为设旋转一圈拖板移动 0.25mm，所以该储丝筒适用于 0.25mm 以下的钼丝。储丝筒运转时应平稳，无不正常振动。滚筒外圆振摆应小于 0.03mm，反向间隙应小于0.05mm，轴向窜动应完全彻底消除。高频电源的负端通过碳刷送到储丝筒的尾部，然后传到钼丝上，碳刷应保持良好接触，防止机油或其它赃物进入。储丝筒本身作为高速正反向转动，电机、滚筒及丝杆的轴承应定期拆洗并加润滑脂，换油期限可根据使用情况具体决定。其余中间轴、齿轮、三角导轨及丝杆、螺母等每班应注油一次。 3.2.3 储丝走丝部件主要零件强度计算 1齿轮传动比的确定钼丝丝距选择 0.25mm，储丝筒每转一周，拖板带动储丝筒移动 0.25mm，丝杆螺距选择为 3mm。所以储丝筒与丝杆见齿轮的传动比为： nts毕业设计 8 u= 325.0 =1： 12；采用二级齿轮传动，取 u1 =1： 4； u2 =1： 3。 2. 齿轮齿数的确定取 Z1 =15；由于齿轮齿根与轴上键的距离不能为零。即 2rd -（ d+t1 ） 2m 由 d=16mm 查设计手册得： t1 =2.3mm；而 d1r = 1d -2hr =（ Z1 -2ha* - *2c ） m =（ 15-2-0.5） m =12.5m 代入上式得： 12.5/2m-（ 16+2.3） /22m 取 m=2；又有 Z2 =4Z1 =60 所以 1d =mZ1 =2 15=30mm 2d =mZ2 =2 60=120mm 取 Z3=25；同理可得：取 m=3；又有 Z4 =3Z3=75 所以 3d=mZ3=3 25=75 4d =mZ4 =3 75=225 齿轮 1， 2 中心距 a1 =（ 30+120） /2=75mm nts毕业设计 9 齿轮 3， 4 中心距 a2 =（ 75+225） /2=150mm 参考书籍机械设计取 b=0.5d1 =0.5 30=15mm 其他数据如下 da1 =（ Z1 2ha* ） m =（ 15+2 1） 2 =34mm da2 =124mm da3=81mm da4 =231mm dr1 =（ Z1 2ha* 2c* ） m =（ 15-2 1 2 0.25） 2 =25mm dr2 =115mm dr3=67.5mm dr4 =217.5mm 3. 传动件的估算根据公式 d=914 )( jnNmm 其中 N 该传动轴的输入功率 N=Nd其中 Nd 电机颌定功率从电机到该转动轴之间传动件的传动效率的乘积 nj 该转动轴的计算转速 r/min 计算转速 nj是传动件能传递全部功率的最低转速 nts毕业设计 10 每米长度上允许的扭转角（ deg/m）取 =0.995， Nd=0.55kw N= Nd =0.55 0.995 =0.54725kw nj=1390r/min d=9144001000139054725.0 =10.2mm 4.齿轮模数估算齿轮弯曲疲劳估算： m 323 jZnN=323613 906954 725.0 =1.039mm 齿面点蚀估算： A 3703 jnN=37036139054725.0=49.28mm 其中 nj为该转动轴的计算转速 r/min， A 为齿轮中心距中心距 A 及齿数 Z1 、 Z2 求出模数 mj=212 ZZ A =6015 28.492 =1.31 nts毕业设计 11 取较大的那个模数，在这个设计中，第一对齿轮传动取 m=2mm 第二对齿轮传动取 m=3mm 5.齿轮模数的验算根据接触疲劳计算齿轮模数公式为 mj=16300)1(12321jmsIZ Nkkkki mm 式中： N 计算齿轮传递的颌定功率 N= Ndkw nj 计算齿轮（小齿轮）的计算转速 r/min m 齿宽系数，m=b/m，m常取 6 10 Z1 计算齿轮的齿数，一般取传动中最小的齿轮的齿数 i 大小齿轮的齿数比 i = 112 ZZ，“ +”用于外齿合，“ -”用于内齿合； ks 寿命系数， ks=qNnT KkKk； k T 工作期限系数， k T = mCnT060 齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数 m 和基准循环次数 C0n 齿轮的最低转速 r/min T 预定的齿轮工作期限，中型机床推荐 T=15000 20000h nk 转速变化系数 pk 材料强化系数，幅值低的交变载荷可使用金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用； NK 功率利用系数 nts毕业设计 12 1k 工作情况系数 2k 载荷系数 3k 齿向载荷分布系数 Y 齿形系数 j、 j 许用弯曲接触能力查表可得： 1k =1.2， 2k =1.2，3k=1.15 sk=qNnT Kkkk=m CnT060 qNn kkK = 37102 0 0 0 0311 3 9 060 0.78 0.51 0.60 =0.91 N=0.54725kw，m=10， j=600MPa 则 jm=163003113906002151054 725.091.015.12.12.1)12(22 mm =1.625mm 根据弯曲疲劳计算齿轮计算模数公式为： wM=2751 321 wjm snYZNkkkkmm =27522031136 010414.015547 25.0554.015.12.12.1 =0.063mm sk=qNnT kkkk=qNn kkkCnT6060 nts毕业设计 13 = 681022 0 0 0 0311 3 9 060 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 3.2.4 储丝走丝部件主要零件强度验算 1齿轮强度的验算齿轮危险截面的弯曲强度条件公式 F = 22131 Fd saFaZmYYkT k 载荷系数 k=kkkk vd 齿宽系数，取 0.5 k 使用系数，取 1 kv 载荷系数，取 1.05 k 齿间载荷分配系数，Hk=1.0，Fk=1.0 k 齿向载荷分布系数 1T 小齿轮传递的转距 1T =95.5 10511nP=95.5 105 0.55/1390 =3.78 103 N mm Hk=1.11+0.18（ 1+6.7 2d） 2d+0.15 10 3 b =1.11+0.18（ 1+6.7 0.25） 0.25+0.15 0.001 0.5 =1.23045 nts毕业设计 14 K=1 1.05 1.0 1.6 =1.218 查得： b/h=23/4.5 =5.11 Fk=1.16 FY 载荷作用与齿顶时齿形系数 saY 载荷作用与齿顶时应力校正系数查表得：FY=2.69，saY=1.575 则 F =21585.0575.169.2100078.3218.12 =18.4MPa FFFNF Sk lim N=60njLh=60 1390 1 20000 =1.668 610 s 疲劳强度安全系数 s= 25.1,1 Fn sss 1.5 KN 寿命系数（ 0.1,0.1 HNFN KK） lim 齿轮的疲劳强度 STFEF Y lim=340MPa limH =520MPa 25.1 3400.1 F=272MPa 所以 FF nts毕业设计 15 )1(2311 HEHdH ZZudukT 其中： ZH 区域系数 ZE 弹性影响系数 HZ KH = HHv kkkk1 1.05 1.0 1.23045 =1.29 8.1895.22 12605.0 1 0 0 078.329.12 2 H =259.89 H =520MPa 所以 HH 因此，所设计的齿轮 1、 2 也满足齿面接触疲劳强度要求同理也可得到所设立的齿轮 3、 4 也满足齿面接触疲劳强度要求齿轮设计合格 2主轴的验算按弯扭合成应力校核轴的强度：根据轴的结构图作出轴的计算简图，如图 3-2。 nts毕业设计 16 图 3-2 轴的结构图与弯矩图先计算轴上的载荷： 3111 1078.31 3 9 055.09 5 5 0 0 0 09 5 5 0 0 0 0 nPTN m 齿轮的分度圆直径为： 301521 mzd 30 1 0 0 078.32211dTF t252N NFF tr 8620t an2 5 2t an 从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以明显的看出截面 B 是危险截面。先将计算出的截面 C 处的 rH MM , 及 M 的值列于下表 3-1 表 3-1 应力计算表载荷水平面 H 垂直面 V 支反力 F NFNFNHNH 4.31,7.1 9 5 21 NFNFNHNH 4.11,2.71 21 弯矩 M mmNMH 6.8543 mmNM V 6.3109总弯矩 mmNMMM VH 9.909122 nts毕业设计 17 扭矩 mmNT 31 1078.3 轴的计算应力： )(1212 WTMca如表 3-1 中数值得： MPaca 7.5前已经选定的轴的材料为 45 号钢，调质处理查得 MPa60 1 因此 1ca，故安全 3.3 进给传动设计 3.3.1 滚珠丝杆螺母副的型号选择 1. 最大工作载荷计算滚珠丝杆上的工作载荷 )(NFm是指滚珠丝杆副在驱动工作台时滚珠丝杆所承受的轴向力，也叫做牵引力。它包括滚珠丝杆的走刀抗力及与移动体中立和作用于道轨上的其它切削分力相关的摩擦力，可用下列实验公式进行计算。对于矩形道轨 )( GFFfKFFcVLm 式中： LF 工作台进给方向载荷 vF 工作台垂直载荷 CF 工作台横向载荷 G 移动部件的重力 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 F 考虑颠覆力矩影响的摩擦系数对于滚动导轨； f=0.0025 0.005 由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为CVL FFF .,近似为零所以； fGFm 取 1 00 0,0 05.0 Gf Kg（估算） mF=fG=1000 0.005=5 nts毕业设计 18 2. 最大动载荷 C 的计算及主要尺寸初选滚珠丝杆应根据断定动载荷aC选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杆的最大动载荷应用下式计算： 063 /1000,10/60, LvnntLFfLC mm 式中： L 工作寿命，单位 10 r6 n 丝杆转速，单位 r/min v 最大切削力条件下进给速度，单位 m/min 0L 丝杆基本导程，单位 mm t 颌定使用寿命，单位 h，可取 t=15000h mf 运转状态系数，无冲击取 1 1.2，一般情况 1.2 1.5 所以 mmFfLC 3= 4.1553 =11.96 n=1000v/0L=1000 100 0.001/5 =20r/min L=60nt/ 610 =6102436 5102060 =105.12（ min106 r ） C=mmFfL3=1 4512.1053 =33 根据以上计算选取 CBM3205 5（机械设计师手册上） nts毕业设计 19 3.3.2 滚珠丝杆的选型和校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，在根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中，滚珠丝杆被三次选用，故在这里只选取其中最重要的主轴传动中德望滚珠丝杆加以设计和校核。其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷iF（ N），其中 i 表示第 i 个工作载荷， i =1、 2、 3、 4 n；第 i 个载荷对应的转速in（ r/min）第 i 个载荷对应的工作时间it（ h）；丝杆副最大移动速度 min)/(m ax mmv；丝杆预期寿命 )(hLb； 1.型号选择 1）根据使用和结构要求选择滚道截面形状，查得螺母的循环方式和预紧方式； 2）计算滚珠丝杆副的主要参数根据使用工作条件，查得载荷系数df=1.0，系数js=1.5；计算当量转速dndn= 2)( m inm ax nn =2000 minr 计算当量载荷dF3)2( m i nm a x FFFd =2333N 初步确定导程hPmaxmaxnVPh = 400010000 nts毕业设计 20 =2.5mm 取 mmPh 5计算丝杆预期工作转速nLdn nL 60=120000 计算丝杆所需的颌定载荷 aC 312 10ndda LFfC =1 2333 10 312 120000 =1151N 3）选择丝杆型号根据初选的hP和计算的 aC ，选取导程为 5mm，颌定载荷大于 aC 的丝杆。所选丝杆型号为 CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。临界转速校核 cn=122321610cld =12226630 20142.310 =5970r/min 而最大工作转速 maxn=40000.8cn=4776 校核合格。滚珠丝杆的预紧预紧力（pF）一般取当量载荷的三分之一或颌定动载荷的十分之一。即： dp FF 31=778N 其相应的预紧转矩 nts毕业设计 21 32 10)1(2 hppPFT = 32 10)85.01(85.02 477 8 =0.16N m 3.4 伺服电机的选用伺服电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而变化；速度可调，能够快速启动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。数控电火花成型机的动力系统要求电动机定位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且颌定功率小，并且可用于开环系统。而 BF 系列伺服电动机为反应式伺服电动机，具备以上的所有条件，我们选用的型号 90BF004 的电动机作为主运动的动力源。选用时主要有以下几个步骤： 3.4.1 扭矩的计算伺服电机最大静转矩maxjM是指电机的定位转矩。伺服电机的名义启动转矩mpM与最大静转矩maxjM的关系是； m axjmp MM 伺服电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。伺服电机所需空载启动力矩按下式计算： 0MMMM kfkakq 式中： kqM 空载启动力矩； kaM 空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩； kfM 空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； 0M 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩； nts毕业设计 22 而且初选电机型号时，应满足伺服电动机所需空载启动力矩小于伺服电动机名义启动转矩，即： m a xjmpkq MMM 计算kqM的各项力矩如下：加速力矩 J= 22521 /108.1 iMRJJ =1.8 10 55 108.8 = 25106.10 mKg mrvn p b 4000360005.0 5.14800360m a xm a x 2112m a x 101060 40002)108.1106.10(10602 tnJM kq=0.519N/m 空载摩擦力矩 48.02427.096.132 0 iLGfMkf=0.6 mN 附加摩擦力矩 )1(2 2000 iLFM YJ = )92.01(48.02 440 2 = mN 222.1 0MMMM kfkakq =0.519+0.6+1.222 =2.341 mN m axjmq MM =0.951 25 nts毕业设计 23 =23.775 mN 3.4.2 启动矩频特性校核伺服电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的m a xjmqkq MMM ，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。伺服电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少见。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩kqM中的加速力矩kaM不会很大。一般不会发生丢步现象。 nts毕业设计 24 第四章数控高速走丝电火花线切割机进给控制系统设计 4.1 三菱的 GX Developer 编程软件简介进入 GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜单中，单击“新建”菜单项，选择创建一个新文件。在【设备名称

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