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数控 电火花 切割机 设计 CAD 图纸 文档 全套 资料

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数控电火花线切割机的设计江苏科技大学毕业（设计）论文数控电火花线切割机的设计摘 要 电火花线切割机主要用于切割各种模具、电极、精密零件制造、硬质合金、淬火钢、石墨、铝合金、钢、不锈钢、钛合金、复杂型腔加工体表面金刚石和其他导电体。 本文设计的控制电火花线切割机。首先，电火花机，线切割的原理和现状进行了分析，在此基础上提出了数控线切割加工程序；然后，计算结构各构件的尺寸主要成分；然后，电气控制系统的设计；最后，通过一个绘图软件AutoCAD的数控电火花线切割机装配图、主要部件示意图和电。 通过这次设计，建设大学的专业知识，例如：、机械设计、材料力学、宽容和互换性和机械制图，掌握产品设计方法和经验的起重机使用AutoCAD软件，对今后的工作生活是非常重要的。关键词：数控，电火花线切割，滚珠丝杠；步进电机AbstractCNC EDM wire cutting machine is mainly used for the manufacture of all kinds of mold, electrode, precision parts, hard alloy, hardened steel, graphite, aluminum alloy, structural steel, stainless steel, titanium alloy and diamond conductive body complex cavity and surface shape processing. This paper describes the design of CNC EDM wire cutting machine. Firstly, through for NC electric spark line cutting machine principle and present status are analyzed, based on proposed the CNC EDM wire cutting machine program; then, design and calculation of the size of the structure of the major components; then, the electrical control system design. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn the CNC EDM wire cutting machine assembly drawing, part drawings and electrical schematics. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. Key words: CNC, EDM wire cutting, Ball screw; Stepper motor目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2电火花线切割加工的特点及适用范围11.3研究现状2第二章 总体方案设计32.1设计要求32.2结构及原理分析32.3 方案设计42.3.1 功能设计42.3.2 结构设计52.3.3 性能设计5第三章 机械系统设计63.1 工作平台设计63.2 导轨的选用73.3 步进电机的选用83.3.1初选电机型号82.3.2 步距角82.3.3 矩频特性93.4滚珠丝杆螺母副的选择与校核103.4.1类型选择113.4.2选择与校核计算123.4.3 传动效率的计算143.4.4 压杆稳定性验算143.5支承装置设计153.5.1 丝杆的支承形式153.5.2 螺杆的支承方式16第四章 电气控制系统设计174.1 线切割机床脉冲电源原理174.2总体方按的拟定174.3硬件的电路设计184.3.1单片机设计184.3.2系统扩展194.3.3步进电机控制电路设计234.3.4光电隔离电路设计264.4部分程序设计28结 论33致 谢34参考文献3536 江苏科技大学毕业论文第一章 绪论1.1研究背景及意义电火花线切割机主要用于切割各种模具、电极、精密零件制造、硬质合金、淬火钢、石墨、铝合金、钢、不锈钢、钛合金、复杂型腔加工体表面金刚石和其他导电体。 随着市场竞争的不断发展和经济科技的日益激烈，产品更新速度越来越快，越来越多的零件形状复杂，精度要求越来越高，品种多，小批量的生产比例显著增加。市场竞争的产品开发和生产周期越来越加工设备和传统制造业已经适应了这种多样性的要求，高效率，高质量的零件柔性加工复杂形状。 电火花线切割机在我国原有的电加工设备，它结构简单，成本低，成本低，是中国最大的生产类型、机床最主要的优点是： （1）很难加工零件的加工方法及金属切削，不受材料硬度的影响。 （2）由于工具电极和工件电极不直接接触的切削力，没有机器。因此，在制造工具电极，而不考虑其受力特点的微细工具电极，可做，表面微机械加工和复杂。 （3）电火花放电加工金属材料的烧蚀，参数可调的脉冲电源，在任何时间，在相同的情况下，因此，只有通过调整电参数可以切换粗、半成品、成品、超精加工。1.2电火花线切割加工的特点及适用范围1）和适当的切削难加工材料。由于加工中的材料去除放电效果的实现，处理材料主要取决于材料的导电性和热性能，如熔点、沸点（气化），热容量和导热系数、电阻率等，几乎和它的机械性能（硬度、强度等）没有任何关系。这种突破传统的切削工具的限制，可以实现软件硬-硬处理工具，可以处理作为一个聚晶金刚石和E类硼超硬材料。 目前，铜或石墨电极材料，因此，工具电极更容易处理。 （2）的特殊处理和形状复杂的零件。由于电极和工件的工具不直接接触，没有机械加工的切削力，因此适合处理低刚度工件和微加工。由于工具电极的形状可以简单复制在工件上，因此特别适合形状复杂的工件表面，如复杂的模具型腔加工等使用数字技术这样的单电极加工复杂形状工件的也是可能的。 （3）易于实现过程自动化是将电能直接处理、电力、电气参数数字控制机床容易适应，控制和智能控制和无人操作。 （4）结构的改进设计，提高结构的技术。例如，矩阵可以不顾一切的硬质合金结构的整体结构改为使用电火花加工，减少工作时间和处理组件，延长生活，作为一个涡轮喷气发动机中，采用电火花加工后可插入粘接，焊接结构改变整体叶轮，大大提高了运行的可靠性，大大减小了体积和质量。1.3研究现状数控电火花线切割具有我国自60年代开发成功以来，经过30多年的不断改进和发展的治疗手段，已成为制造业中不可缺少的。目前，线切割机床切削速度是过去20到40平方毫米min增加通常在100毫米/分钟以上，有些可以达到260mm2min，机床加工精度0.01毫米，工件表面粗糙度的ra1.25 2.5m，从而满足加工要求和其他制造模具复杂的零件。 随着科学的发展和技术，生产的各类产品的要求越来越高，切割线也提出了更要求外（在欧洲和美国，日本，中国等）的研究和开发低速走丝电火花线切削加工的技术要求，对生产、使用数字环路（CC）的交流伺服控制系统的动态性能，以保证定位精度高，质量，加工精度可控制在几微米或更小的机床。数字控制自适应自动送料，自动卸门废丝等，短路自动回退自动化技术，更多的压力和紧张的工作液体电极丝也可以对新技术的使用和焦点新软件和计算机技术的发展，过程指标低速走丝线切割机已达到很加工形状复杂的零件，切削速度可超过300mm2min；尺寸精度可以达到2 5m，粗糙度表面可以ra0.1 0.2m（多次切割）。自动化机床，高加工稳定性好，不处理了人性化的发展。第二章 总体方案设计2.1设计要求原始数据：（1）工作台行程：横向,250mm，纵向200mm；（2）工作台最大尺寸（宽度长度）：320500mm；（3）最大切削锥度：9；（4）工件最大重量：80kg；（5）加工精度：快走丝0.02-0.005um，慢走丝0.005-0.002um；（6）加工的表面粗糙度：0.2-3.0um；（7）切割速度：40-250mm/min；（8）放电间隔：0.02-0.15秒。2.2结构及原理分析线切割机床主要由机械系统、传动系统、润滑系统、电气系统和微机控制系统。通过床体结构、坐标工作台、线架、线输送装置一、工作液箱、电动工具、夹具、保护盖部分和机床附件等组成。下图是电火花线切割机床结构图：1-立柱 2-上导丝器 3-下导丝器 4-XY工作台 5-夹具6-床身 7-工作液槽 8-走丝系统 9-UV坐标轴 10-Z轴11-工作也系统 12-电器控制箱 13-自动穿丝机构图2-1 电火花线切割机床结构图电火花加工原理是一种工具和工件的基础上（正、负电极）之间的脉冲电腐蚀现象时，火花放电消融多余的金属，以获得零件和尺寸要求的加工质量形状和预定的表面。 下面是电机的工作原理图的线切割加工。图2-2 电火花线切割机工作原理示意图线切割机床钼丝作为电极，工件切割电极，电极丝的电极脉冲电源的连续输出高频脉冲电压，电极上施加到电极丝和工件的电极与工件之间的绝缘流体具有足够的工作性能。当距离丝和工件钼在一定程度低，工作流体的介电击穿，和线之间的部分形成钼瞬时火花放电，瞬时生产高，热量产生大量的金属零件，使局部熔化或汽化；工作液和冲洗，使金属治疗原则是线切割机床。2.3 方案设计总体方案设计包含功能设计、结构设计和性能设计三部分。2.3.1 功能设计这个设计我采用了模拟设计，设计参考我的电火花机d7140我们机械的阶段，其通常的想法：在工件的加工机床，电火花加工固定在工作台上，缓慢的驱动电极头螺钉球向下移动，移动系统高功率电机轴交流伺服电机，通过齿轮变速后连接滚珠丝杠驱动主轴头，光栅尺作为位置检测；在纵向上，U不采用滚珠丝杠和横向进给系统，直接由操作手柄，但不是由一个电动马达驱动，滑动导轨通过。 特点：适合加工和刀具材料可加工困难，加工零件的具体形状复杂，容易实现加工过程自动化；可以提高结构设计，提高结构的技术。只能用于金属加工，如导电材料；加工速度最慢；存在电极磨损，半径最小角；有一定的局限性。2.3.2 结构设计主要包括床身、滑座、主轴箱、工作、基本组成。 （1）结构的机床，机床采用立式结构，该结构具有良好的刚度和承载能力大，加工精度高，性能稳定，工作液箱，处理效率高。X，Y和Z形机三坐标步进电机驱动滚珠丝杠。三坐标导轨的导轨。 （2）结构，包括主轴箱主轴系统结构平衡伺服轴和主轴。步进电机通过同步带与滚珠丝杠连接。滑板移动采用直线导轨副主轴箱还设有制动装置，以防止主轴头自动滑。当制动器强，放松，发动机可以用滚珠丝杠旋转，使滑动板带动主轴箱上下移动时，关闭高压。制动器，锁螺丝杆为了防止主轴箱由于自己的体重下降。 （3）工作站直接与电机和滚珠丝杠连接，使用双滑动导轨直线移动精度。 （4）工作液箱的工作结构安装在工作台上，工作液箱的结构形式单开门，门O型圈密封结构。通过调节进油和冲头的调节阀的压力，改变液压油的压力。2.3.3 性能设计由于伺服控制部分和机械元件是直接在数控机床的性能，其轴线的确定，控制特性的销座和其他伺服轴，其价格和占大多数的全数字控制系统，因此，公平合理选择可靠（因为比目前的情况下，总电伺服故障），伺服驱动元件，以提高产品的功能/价格比起着决定性的作用。 （1）选择输出扭矩伺服电机电源指示电机负载能力。在工作状态下，输出扭矩与转速的增加，发动机性能，降低值越小。进给轴电机配置必须满足输出扭矩时，切割速度，饲料中快速切割时，收费很低，但也应考虑在最快的速度供应扭矩输出转矩下降太多功能高速轴控制的影响。（2）输出功率选择伺服电机轴电机轴负载能力的指标。主轴电机额定功率是指在恒功率区（N1，N2速度）的输出功率低于基本速度下运行时N1时不到额定功率，低，输出功率越小。功率特性的主轴电机，以满足低速轴功率，通常使用的变速箱，主轴电机的转速高于基本速度N1，在结构。机械相对简单，成本也相应增加。第三章 机械系统设计3.1 工作平台设计图3-1 机床工作台简图3.2 导轨的选用导轨和承载时，轨道，最大的优势是动态摩擦系数，摩擦，发热少，磨损，保持较高的精度和低速运动平稳性，准确性和移动定位的精度教还包括一个简单的滚动轴承的润滑，行驶速度不为滑动导轨的动压效应和浮导轨等。 （1）导轨材料轨道材料最常用的是钢的淬火硬度HRC60 - 60，铸铁的硬度为hb200 220 HT20-40铸铁导轨，例如。适用于低负荷运动，而种植的情况，不需要预紧，等等。 （2）导轨预紧技术要求：导轨表面滚动体和制造误差，直接影响加工机床，今年刚度和滚动体的载荷分布。有预紧导轨上滚动，制造无摩擦导轨上移动这样的预紧力的变化，在导轨上移动，因此制造精密滚动导轨的精度是非常轨道按照机床的精度。导轨之间不平直度和需求导向不相同的平行滑动，有身体对精度的要求，如表表3.1 不同导轨的精度的不同误差导轨的不直度导轨不平行度 滚动体直径 滚柱的锥度普通精度 10-15m 3m 1-2m 0.5-1m精密3m 3m 1m 0.5-1m滚动体的尺寸与数目： 动导轨重心的坐标； l 导轨的中心距。而一个滚柱导轨的许用载荷P按下式计算： 3.3 步进电机的选用步进电机，又称脉冲电机、驱动元件电脉冲信号转换成脉冲位移和角位移或线数成正比。以下四个特点：（1）转速（或线速度）和脉冲频率成正比的承载能力；在允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动和变化；（3）速度可调，能快速启动、制动和反转，精度高良好的定位，特征同步操作。3.3.1初选电机型号动态系统的数控电火花加工机床机要求调速电机定位精度高，方便快捷，对环境影响小，固定钳口、功耗低，可用于开环系统。步进电机和BF系列反应式步进电动机的所有上述条件，90bf004型发动机作为动力源的主要运动。2.3.2 步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角，由于 综合考虑，我初选了可满足上式的要求。2.3.3 矩频特性加速力矩=1.810= =0.519N/m空载摩擦力矩 =0.6附加摩擦力矩 = =0.519+0.6+1.222=2.341 =0.95125=23.7753.4滚珠丝杆螺母副的选择与校核滚珠丝杠副是一种新型的传动装置的旋转运动和直线运动的相互转换，在螺杆和螺母是半圆弧形螺旋槽，当一套形成滚珠螺旋滚珠螺母滚。扣上，两端的滚道圈螺旋连接到一个封闭的螺旋滚道球轴承，和填充，当螺杆旋转，滚珠轴承滚道的自传和沿轨道一个旋转周期，使螺母轴向移动力。 滚珠螺杆具有以下特点：（1）传动的效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通的丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的-。（2）如果适当的预应力空间，可以消除螺纹的螺丝和螺母之间，还可以消除死区逆的真空，使螺钉定位精度高，刚性好。（3）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。（4）具有可逆性，从一个螺旋运动可以转换为直线运动，也从直线运动转换为运动是什么意思，螺杆和螺母可以作为主要的运动。（5）磨损小，使用寿命长。（6），但其制造过程的复杂性、滚珠丝杠、螺母等构件的加工精度、表面粗糙度也高，制造成本高。（7）不能自锁，不同，由于惯性力自己的体重，下坡时，切断传播途径不能立即停止运动，使制动装置也必须增加。3.4.1类型选择最大工作载荷计算：所以=11.96n=1000v/=10001000.001/5=20r/minL=60nt/=105.12（）C=33根据以上计算选取CBM32055（机械设计师手册上）3.4.2选择与校核计算滚珠丝杠由专门的工厂生产，因此，我们不需要他们的设计和制造，根据结构的工作状态选择某些类型，根据负荷和转速条件的选择合适的尺寸，类型和制造商设计，滚珠丝杠的选择三次，所以这里不选择在滚珠丝杠传动轴是最重要的设计和验证的杆。其步骤如下：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=1.0，系数=1.5；计算当量转速 =2000计算当量载荷 =2333N初步确定导程 =2.5mm 取计算丝杆预期工作转速 =120000计算丝杆所需的颌定载荷 =1233310=1151N3）选择丝杆型号预紧力（）一般取当量载荷的三分之一或颌定动载荷的十分之一。即： =778N其相应的预紧转矩 =0.16N3.4.3 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率=tg/tg(+)3.4.4 压杆稳定性验算滚珠丝杠受到轴向力的轴向细长杆，如果过度的工作量，将失稳产生纵向弯曲的螺丝，即不稳定。失稳时的临界载荷Fk为Fk=fz2EI/L2(N) 图3-4 滚珠丝杠常用的支撑方式表3.5 滚珠丝杠的支撑方式系数表第一端固定一端自由轴向图中，丝杠和普通法的短轴安装螺钉。二是一端固定、一端简支图中，通常为长螺旋水平。在第三端固定经常用螺钉或高速高精度，高强度的地方。 E=2.0x104Mp I=d14/64=3.14304/60=42390 L=490mm固Fk=4.09.859620.610442390/240100=1434358.675N所以 nkFk/Fm=1434358.675/900nk所以滚珠丝杠副的压杆稳定性符合要求。3.5支承装置设计3.5.1 丝杆的支承形式支护与滚珠丝杠上的丝杠副的刚度，因此，运动精度要求高，必须仔细选择。支持常见的形式如下： （1），丝杆一端安装两个深沟球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承被称为固定支架的紧固螺母；等效支撑。 （2）安装一个球轴承或角接触球轴承、圆锥滚子轴承铰链支架；因此，螺杆两端固定支撑；一端固定，一端铰支一端固定、一端自由，以及续； 该方法设计的支架固定在两端。3.5.2 螺杆的支承方式螺杆的支承方式有以下四种：（1）双推自由支承：推力球轴承在两个相反的方向和两个球轴承安装的一端，另一端自由。 特点：适用于短螺钉。（2）双推支承推力球轴承在两个相反的方向和两个球轴承安装的一端，另一端设有一个或两个以上的深沟球轴承。 特点：卧式螺杆安装时，可减少或避免弯曲或高速运行时产生的，由于自身重量自由端采用长螺旋。（3）单推单推或双推单推推力球轴承，推力球轴承设置在每一端的方向相反，一个球轴承或一端安装在两个相反的方向和两个滚珠轴承，另一端设有一个推力球轴承。 特点：预拉伸时，螺钉，以减少或消除螺钉水平安装，由于其重量的弯曲，当轴承预紧力载荷大于13的螺杆，螺杆压缩刚度可以提高四倍，不不承受压力，无失稳现象。（4）双推双推推力球轴承是安装在每端的两个相反的方向和两个深沟球轴承。 特点：独特的优势和推式相同，当超过估计的温度，不会因为加长螺杆，使轴承产生的游戏。 缺点：比较复杂的调整。第四章 电气控制系统设计电气系统主要由高频脉冲电源，直流电源和控制系统高频脉冲能量线切割电极。直流电源是直流24V电源驱动步进电机电控泵电机主要是工作液与储丝筒电机等。4.1 线切割机床脉冲电源原理高频脉冲电源，也被称为脉冲功率源，其作用是频率50Hz的交流电转换成单向数百赫兹的频率，脉冲功率源的高速旋转切割机提供一系列脉冲矩形脉冲宽度不同。 电源主要由整流电路、功率放大电路和主振电路。整流电路包括变压器三相电压380V三相电压过渡三相V和7V，通过整流二极管。电路形式是三相全波整流电路电压和直流电压100V为10V为大功率脉冲电源供电电路的功率放大器，电路工作。4.2总体方按的拟定机电控制系统由硬件系统和软件系统两个部分。控制对象的控制系统包括所有类型的机床，如车床、铣床等控制的基本组成如下图所示： 微 机通信接口步进电机 机 床步进电机开关量控制电路主轴电动机主运动驱动电路软件 图4.1 控制系统框图微机控制系统是一个特定MCS51高档8位微控制器为核心，采用芯片8032cpu。本文还使用大容量存储器，用来存储程序控制和延长使用epeom能力27256 256K的内存芯片的程序存储输入用于处理图形芯片62256 256K计算机能力，提高接口电路可以使用编程并行接口8255集成电路，显示部分采用数码显示的输入参数和输出、键盘显示电路包括键盘/ Interface显示芯片的控制8279图的具体组成如下：图4.2 线切割机微机控制系统组成4.3硬件的电路设计4.3.1单片机设计（1）电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。（2）控制引脚它包括RST，啤酒，PSEN，EA。本内引脚提供控制信号，一个RST / VPD（9针）：当此引脚振荡器，高水平的两个机器周期复位（RST）水平装置使水平引脚复位后0.5 V，以确保正常运行时间断电，该引脚可以连接到备用电源（VPD）保持在内部RAM的数据不会丢失。当VCC到一个指定的值，电压范围定义在警察（50.5），在警方提供你的电。（3）输入/输出管脚4.3.2系统扩展扩展系统包括存储器扩展接口的输入和输出puce.l延长存储器具有扩展数据存储器和程序存储器。 （1）扩展程序存储器 程序存储器空间的MCS51和数据存储空间彼此独立程序内存使用的地址空间的000h 0ffffh），其中有4kbrom 8751 8051，在一片或一片8031单片机EPROM中，当没有光盘。片上ROM是不足或微电脑芯片，需要扩展程序存储器。程序存储器EPROM或EEPROM作为和EPROM的是经常使用的。 硬件电路单片机外部程序存储器扩展。如下图4.3 M CS-51单片机程序存储器的扩展原理图图4.4 8031扩展EPROM2764A的连接图因为2764a EPROM KB的能力，所以选择在13根地址线的A0A12。因为我们的记忆是 EPROM扩展计划，他可以给你选择的终端芯片放在地上。在同一时间，一些指示程序运行需要从自己的2764a 8031，EA端放在地上。否则，他不会跑微。 电可擦可编程的EEPROM记忆是死的新产品。其主要特征是在计算机系统中对线和停电的情况下，对rsultats.par因此，EEPROM，因为我出现的时候，他被广泛的使用。 （2）的数据扩展的记忆 我里面8031 128字节的记忆RAM.l CPU内部指令功能丰富。但对数据的收集和处理，在真正的时间记忆的128字节的数据在内部提供的叶N是不够的，在这种情况下，我们可以使用的功能. 扩展MCS-51，L 扩展外部数据存储器。 RAM扩展电路图：图4.5 单片机扩展外部RAM的电路原理下页插图为6264与8031的硬件的连接图。图4.6 8031扩展6264的连接图（3）I/O口的扩展在应用MCS-51单片机系统，提供给用户的输入输出口线，不多，只有P1和P3端口线部分是不可避免的，因此在设计大多数应用系统微计算机单片机外部扩展I / O端口由于外部数据存储器RAM MCS-51和I / O地址单元，使得用户可以将外部数据存储器空间界面的一部分作为一个扩展使用空间的边缘I / O地址单片机可以访问外部RAM作为澳如果外部访问的接口芯片，读/写操作。4.3.3步进电机控制电路设计驱动电机采用高低压电机，即根据额定电压，或大于额定值，以更大的驱动电流，使电机快速移动；在锁步，低于额定电压值，使电机绕组电流流经锁步，这样可以减少功率消耗的限流电阻，提高运行速度。图4.10 步进电机工作框图（1）步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲，步进电机的每一步，因此，又称脉冲发动机。种类很多，但主要分为三大类：反应步进电机，永磁电机，永磁电机感应式、结构式电机的最简单的反应，是应用最广泛的一种，根据相数控制绕组是三相四相，六阶段五个阶段，等。无论是步进电机；有一个共同点：他们的工作原理的数字脉冲信号控制定子磁极，控制轧制，按照一定的顺序激发在定子和转子之间的气隙磁极形成阶梯轴的旋转。 步进电机主要用于开环系统，当然，闭环系统。 步进电机伺服系统的开环方案，包括以下部分：图3.11 步进电机开环伺服系统脉冲信号源，脉冲发生器，一般连续可调的脉冲频率、脉冲分配器的脉冲数和脉冲频率控制信号所控制。由于脉冲频率可调，也被称为信号源的频率变量。脉冲分配器，按一定的顺序发送脉冲功率放大器中的放大，驱动步进电机工作，硬件脉冲分配秩序，有时被称为环形分配器环，也被称为。功率放大器的放大，脉冲分配器脉冲，步进电机功率达到要求。执行元件，步进电机，伺服系统，使工作机制，如减速装置，螺杆，工作台。（2）脉冲分配（3）驱动电路微型计算机的请求的响应控制脉冲，依次分布脉冲每相绕组，由于其功率很低，不足的5V电压，电流，必须通过控制信号电流放大几安培，可以驱动步进电机。因此，控制步进电机的功率放大器，驱动器的质量直接影响发动机的性能，负荷控制是电机的绕组，有很强的诱导负载电流。的主要要求是：扭螺属的致动器N振幅的前、后缘和足够的；效率高，运行可靠，安装维修方便。 这是一个绕组的高电压和低电压，控制电路的脉冲变压器TP由一个高电压控制电路。图3.12 步进电机高低压驱动电路由于使用电流控制的高电压和低电压，生长快，转矩和电机的运行频率都有所提高，但由于反电动势由发动机转动时，使电流波形上下凹这样的方式降低电流和转矩下降。4.3.4光电隔离电路设计为了避免干扰设备的电源，以防止外部的控制对象，一个电路反向流动，通常采取通过之前和之后的微型计算机和隔离电源模块procd.le过去通常是在隔离变压器或中间继电器来实现，但它已广泛高性能的光电耦合器的低价替代品。 光电耦合器的发光元件和光接收元件封装在一起，以光为媒介的传输包装形式的管形，双列，光纤连接，等。发光装置通常是砷化镓红外发光二极管。 光电耦合器具有以下特点： （1）信号的光电耦合形式，发光部分和光接收部分无电回路的绝缘电阻，直到10，绝缘电压为10005000V，电气绝缘性能具有很高，两端输入和输出端的反馈和可能产生的干扰 （2）由于发光二极管是一种电流控制元件，动强度低，噪声干扰信号对培训体系的低阻抗分流的内部和外部，因此，抗干扰能力强，抑制率高。常见的模式，不受磁场，特别是长的传输线终端负载，可以大大提高的信号噪声比。 （3）光电耦合器可以耦合到信号零到几kHz，响应速度快（通常是几毫秒，甚至少于10 ns），可用于高速信号传输。 光电耦合器下面的硅光电二极管作为接收元件lumire.le CTR 10100%，上升和下降时间小于5m脉冲电路、输出饱和电压（02v-0.3v），电路简单，是目前应用较多的一种驱动，主要用于TTL，传输线脉冲放大等。图4.13 光电隔离电路光耦合器的信号输出晶体管的开关型耦合时，发光二极管和光电晶体管通常处于发光二极管的电流脉冲，光电晶体管在连续时间电流脉冲使用接口电路4N25光电耦合器4N25，这里起信号耦合和分离系统和输出装置8031电路的脉冲电流，使两个部分，一个独立的部分出线接地（VSS）和地球的地壳，地线（GND）电源电浮动，从而避免变化影响电源的输出部分的电源芯片。4.4部分程序设计（1）的线性插值程序 在机电设备中，运动轨迹的执行单元，以实现斜平面曲线和圆弧，综合两个方向，在数控机床中，由工作台X、Y两个方向运动，根据实现原理控制插值在学校的课程。（2）直线插补程序 CJNE A，2AH，LP3；Xe=X？ RET程序中MO TR为步进电机的控制子程序（用硬件实现环分）。如不采用环形分配器，则需要由软件程序完成硬件环分的功能，见步进电机控制程序设计。（3）圆弧插补程序设计MOV R1， #28H；MOV R0，#1CH；MOV R1，#18H； XLMOV R0，#1CH；MOV R7，#02H；LCALL MULT2，2*；SUB CLR C；MOV A，1CH； MUL AB，POP PSW；ADDC A，R2；MOV R0，A；INC RO；INC R1；DJNZ R7，SH1；POP B；POP PSW；RET结 论本课题主要是由电火花线切割机床的进给系统设计坐标切割工作台，包括总体方案，主轴主体部分的设计，电机驱动系统的设计，包括8031单片机设计，孔设计的电路设计和步进电机。 在这方面，我在这里设计的许多方面是最薄弱的环节。例如，每个片选引脚扩展内存控制器的具体功能等。本设计中也暴露出了许多问题：我们的错误和知识的人没有仔细和认真消化，或只有一个公认的许多方面可能缺乏经验和思想不开放，不够灵活。 最后，我的结论是：无论现在或以后，去工作，甚至他们的研究，应该开放给老师和前辈学习，不断提高，自我提高。致 谢大学生活即将结束，设计成功的教练不精心指导，教师和学生在这里都给予指导和帮助我的毕业这表示最诚挚的谢意。 首先，设计指导，感谢你紧张的工作，试图引导时间，我们总是关心我们的进展状况，要求我们掌握帮助教师管理在整个设计过程中，从实际操作数据准备阶段，它提供了指导，我不仅学到了书本上的知识，更学会操作方法。 其次，给予帮助教师设计的毕业生，与我的同学以诚挚的感谢，在设计的过程中，他们给了我很多的帮助和无私的关怀，更重要的是提供信息，在许多方面，我们的技术。 此外，也给所有的学生我的帮助表示感谢。 总之，本设计的结果是教师和学生，在一个月内，我们合作的非常愉快，教会我很多伟大的真理，是一种资产，我的生活，我在新教师和学生对我的帮助表示感谢！参考文献1张学仁主编.数控电火花线切割加工技术 M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20002赵万生主编.电火花加工技术 M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，20003李忠文编著.电火花机和线切割机编程与机电控制 M.北京：化学工业出版社 工业装备与信息工程出版中心，20044邓星钟主编.机电传动控制（第三版） M.武汉：华中科技大学出版社，20035吴宗泽主编.机械设计师手册（上册、下册） M.北京：机械工业出版社，20026周良德、朱泗芳等编著.现代工程图学 M.长沙：湖南科学技术出版社，20007廖念钊、古莹蓭、莫玉松、李硕根 杨兴骏主编.互换性与技术测量 M.武汉：武汉科技大学出版社，19988濮良贵，纪名刚主编.机械设计 M.北京：高等教育出版社，19969周湛学，刘玉忠 等编著.数控电火花加工M.北京：化学工业出版社，200710伍端阳 编著.数控电火花加工实用技术 M.北京：机械工业出版社，2007数控电火花线切割机的设计江苏科技大学毕业（设计）论文数控电火花线切割机的设计摘 要 数控电火花线切割机主要用于对各类模具、电极、精密零部件制造，硬质合金、淬火钢、石墨、铝合金、结构钢、不锈钢、钛合金、金刚石等各种导电体的复杂型腔和曲面形体加工。本文讲述了数控电火花线切割机的设计。首先，通过对数控电火花线切割机原理及现状进行了分析，在此基础上提出了本数控电火花线切割机方案；接着，设计计算了各主要构成件的结构尺寸；然后，对电气控制系统进行了设计；最后，通过AutoCAD制图软件绘制了本数控电火花线切割机装配图、主要零件图及电气原理图。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；掌握了起重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：数控，电火花线切割，滚珠丝杠；步进电机AbstractCNC EDM wire cutting machine is mainly used for the manufacture of all kinds of mold, electrode, precision parts, hard alloy, hardened steel, graphite, aluminum alloy, structural steel, stainless steel, titanium alloy and diamond conductive body complex cavity and surface shape processing. This paper describes the design of CNC EDM wire cutting machine. Firstly, through for NC electric spark line cutting machine principle and present status are analyzed, based on proposed the CNC EDM wire cutting machine program; then, design and calculation of the size of the structure of the major components; then, the electrical control system design. Finally, through the AutoCAD drawing software drawn the CNC EDM wire cutting machine assembly drawing, part drawings and electrical schematics. Through the design, the consolidation of the University of the professional knowledge, such as: mechanical principles, mechanical design, mechanics of materials, tolerance and interchangeability theories, mechanical drawing; master the design method of hoisting machinery products and be able to skillfully use AutoCAD drawing software, for the future work in life is of great significance. Key words: CNC, EDM wire cutting, Ball screw; Stepper motor目 录摘 要IIAbstractIII第一章 绪论11.1研究背景及意义11.2电火花线切割加工的特点及适用范围11.3研究现状2第二章 总体方案设计32.1设计要求32.2结构及原理分析32.3 方案设计42.3.1 功能设计42.3.2 结构设计52.3.3 性能设计5第三章 机械系统设计73.1 工作平台设计73.2 导轨的选用83.3 步进电机的选用93.3.1初选电机型号92.3.2 步距角102.3.3 矩频特性103.4滚珠丝杆螺母副的选择与校核113.4.1类型选择123.4.2选择与校核计算133.4.3 传动效率的计算153.4.4 压杆稳定性验算153.5支承装置设计163.5.1 丝杆的支承形式173.5.2 螺杆的支承方式17第四章 电气控制系统设计184.1 线切割机床脉冲电源原理184.2总体方按的拟定184.3硬件的电路设计194.3.1单片机设计194.3.2系统扩展204.3.3步进电机控制电路设计254.3.4光电隔离电路设计284.4部分程序设计29结 论34致 谢35参考文献3636 江苏科技大学毕业论文第一章 绪论1.1研究背景及意义数控电火花线切割机主要用于对各类模具、电极、精密零部件制造，硬质合金、淬火钢、石墨、铝合金、结构钢、不锈钢、钛合金、金刚石等各种导电体的复杂型腔和曲面形体加工。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。电火花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。具有以下优点：（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。1.2电火花线切割加工的特点及适用范围（1）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。（2）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。（3）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。（4）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。1.3研究现状具有我国特色的数控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，电火花线切割机的切割速度已由过去的2040mm2/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Ra1.252.5m,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25m；表面粗糙度可达到Ra0.10.2m(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。第二章 总体方案设计2.1设计要求原始数据：（1）工作台行程：横向,250mm，纵向200mm；（2）工作台最大尺寸（宽度长度）：320500mm；（3）最大切削锥度：9；（4）工件最大重量：80kg；（5）加工精度：快走丝0.02-0.005um，慢走丝0.005-0.002um；（6）加工的表面粗糙度：0.2-3.0um；（7）切割速度：40-250mm/min；（8）放电间隔：0.02-0.15秒。2.2结构及原理分析线切割机床主要由机械系统、传动系统、润滑系统、电气系统和微机控制系统组成。其主体结构由床身、坐标工作台、线架、运丝装置、工作液箱、机床电器、夹具、保护罩及机床附件等部分组成。下图是电火花线切割机床结构图：1-立柱 2-上导丝器 3-下导丝器 4-XY工作台 5-夹具6-床身 7-工作液槽 8-走丝系统 9-UV坐标轴 10-Z轴11-工作也系统 12-电器控制箱 13-自动穿丝机构图2-1 电火花线切割机床结构图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。下图是电火花线切割机床加工的工作原理示意图：图2-2 电火花线切割机工作原理示意图线切割机床采用钼丝作为电极，被切割的工件为一电极，电极丝为工具电极。脉冲电源发出连续的高频脉冲电压，加到工件电极和工具电极上。在电极丝与工件之间加有具有一定绝缘性能足够多的工作液。当钼丝与工件间距离小到一定的程度，工作液介质被击穿，钼丝与工件之间形成瞬时火花放电，瞬时间产生高温，生成大量的热，使工件金属局部熔化，甚至汽化；加上工作液体的冲洗，使金属被蚀除下来。这就是线切割机床的加工原理。2.3 方案设计总体方案设计包含功能设计、结构设计和性能设计三部分。2.3.1 功能设计此次设计我采用了类比设计，在外观设计上我参考了我们机械楼里的D7140电火花加工机床，对其大体有个了解：电火花加工机床加工时工件固定在工作台上，由滚珠丝杆带动的电极头缓慢的向下移动，且移动精度要求较高。其主轴动力系统为交流伺服电机，通过齿轮变速后连接滚珠丝杆带动主轴头移动，且有光栅尺检测其位置；纵向、横向进给系统也采用滚珠丝杆传动，直接用手柄驱动，而没有采用电机驱动，导轨则采用了滑动导轨。加工特点有：适合与于难切削材料的加工；可以加工特殊及复杂形状的零件；易于实现加工过程自动化；可以改进结构设计，改善结构的工艺性。只能用于加工金属等导体材料；加工速度一般较慢；存在电极损耗；最小角部半径有限制。2.3.2 结构设计主机主要包括床身、滑座、工作台、主轴箱、底座等部分组成。（1）床身结构 机床采用立柱式结构，此结构具有较好的刚性和较大的承载能力，并且加工精度高，稳定性能好，工作液箱大，加工效率高。机床的X、Y、Z三个坐标采用步进电动机驱动滚珠丝杆的形式。三个坐标导轨采用滑动导轨。（2）主轴箱结构 主轴箱包括主轴伺服系统和主轴平衡结构。步进电动机通过同步带与滚珠丝杆连接。滑板移动采用精密直线导轨副。主轴箱还装有刹车装置，防止主轴头自动滑下。当强电接通时，刹车器放松，电机可带滚珠丝杆旋转，使滑板带动主轴箱上下移动。当强电关闭时，刹车器锁住丝杆，防止主轴箱因自重掉下来。（3）工作台 工作台采用电动机直接与滚珠丝杆副相连，移动采用精密直线滑动导轨副。（4）工作液槽结构 工作液槽安装在工作台上，工作液槽采用单开门的结构形式，门外密封采用O形密封结构。通过调节进油开关及冲吸油压力调节阀来改变油压压力。2.3.3 性能设计由于伺服驱动部件是数控系统中与机械直接有关的部分，它们的性能决定了机床各进给轴、主轴和其他伺服轴的基本控制特性，它们的价格也占整个数控系统的大部分，所以正确、合理地选择可靠(因为从目前情况来看，伺服故障占电气故障的比例较大)的伺服驱动部件对提高产品的功能/价格比起着决定性的作用。(1)进给伺服电机的选择输出转矩是进给电机负载能力的指标。在连续操作状态下，输出转矩是随转速的升高而减小的，电机的性能越好，这种减小值就越小。为进给轴配置电机时应满足最高切削速度时的输出转矩。虽然在快速进给时不作切削，负载较小，但也应考虑最高快速进给速度下的起动转矩。高速时的输出转矩下降过多也会影响进给轴的控制特性。(2)主轴伺服电机的选择输出功率是主轴电机负载能力的指标。主轴电机的额定功率是指在恒功率区(速率n1到n2)内运行时的输出功率，低于基本速度n1时是达不到额定功率的，速度越低，输出功率就越小。主轴电机的功率特性为了满足主轴低速时的功率要求，一般采用齿轮箱变速，使主轴低速时的电机速度也在基本速度n1以上，此时机械结构较为复杂，成本也相应增加。第三章 机械系统设计3.1 工作平台设计根据查阅相关资料参数：工作台行程为250mm200mm；工作台工作面尺寸为：320mm500mm。取X向导轨支承钢球的中心距：150mm；Y向导轨支承钢球中心距为200mm：。设计工作台简图见下图：图3-1 机床工作台简图X向拖板（上拖板尺寸）：长宽高 32050055重量：320500557.8686 NY向拖板（下拖板尺寸）：长宽高 32050065重量：320500657.8811 N上导轨座（连电机）重量：（8113201025605055）7.8443 N夹具及工件重量：约1000NXY工作台运动部分的总重量：约2500N。3.2 导轨的选用导轨是用来导向和承载的，选用滚动导轨，其最大优点是摩擦系数小，动、摩擦发热少，磨损小，精度保持性高，低速运动平稳性好，移动精度和定位精度都教高。滚动导轨还具有润滑简单，高速运动时不会象滑动导轨那样因动压效应而使动导轨浮起等优点。导轨的材料：滚动导轨最常用的材料是硬度为HRC60-60的淬硬钢，以及硬度为HB200-220的铸铁，如HT20-40。铸铁导轨适用于中、小载荷又无动栽，不需预紧，等情况。导轨的预紧：导轨的技术要求：导轨面和滚动体的制造误差，直接影响机床的加工今年刚度和各滚动体上载荷的分布。有预紧的滚动导轨，制造无擦会在导轨移动时使预紧力发生变化，影响导轨移动的均匀性。因此，滚动导轨的制造精度是很高的。滚动导轨的精度根据机床的精度等级而定。除导轨的不直度和不平行度要求与滑动导轨相同外，还有对滚动体的精度要求，如下表表3.1 不同导轨的精度的不同误差导轨的不直度导轨不平行度 滚动体直径 滚柱的锥度普通精度 10-15m 3m 1-2m 0.5-1m精密3m 3m 1m 0.5-1m滚动体的尺寸与数目：通常，每个导轨上每排滚子数最少为12-16个。实验指出，对于滚柱导轨一个滚柱担负的重量为N时，载荷的分布是比较均匀的。因此可用下式确定每一导轨上滚动体数目的最大值。 式中 和滚柱和滚珠的数目； G 每一导轨上所分担的运动部件的重量（N）； d 滚珠直径。滚珠导轨预紧力的计算： 式中 Z 一个导轨面上滚动体数目； 动导轨重心的坐标； l 导轨的中心距。而一个滚柱导轨的许用载荷P按下式计算： 式中 d 滚珠直径（mm）； 导轨材料的硬度系数，按下表选取； K 滚动体截面上的当量许用应力，对于精密级机床去0.6；高精度机床去0.5；普通级机床取0.4。表3.2 两种导轨的数据图铸铁导轨 硬度HB 170-180 200-210 230 0.75 1 1.2淬火钢导轨硬度HRC 50 55 57 60 0.52 0.70 0.80 1.0这里取铸铁导轨HB170，即为0.75时，可得，即导轨符合要求。滚动导轨采用润滑脂润滑。它的优点是不会泄露，不需经常加油；缺点是进尘屑后易磨损导轨。3.3 步进电机的选用步进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。3.3.1初选电机型号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系列步进电动机为反应式步进电动机，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。2.3.2 步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角，由于 综合考虑，我初选了可满足上式的要求。2.3.3 矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系是； 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算： 式中： 空载启动力矩； 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； 空载时折算到电机轴上的摩擦力矩； 由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；而且初选电机型号时，应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电动机名义启动转矩，即： 计算的各项力矩如下：加速力矩=1.810= =0.519N/m空载摩擦力矩 =0.6附加摩擦力矩 = =0.519+0.6+1.222=2.341 =0.95125=23.775启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的，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。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，空载力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。3.4滚珠丝杆螺母副的选择与校核滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换的新型传动装置，在丝杠和螺母上有半圆弧形螺旋槽，当套装在一起便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠的回路滚道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自传又沿滚道循环转动，因而迫使螺母轴向移动。滚珠丝杠螺母副具有以下特点：（1） 传动的效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠螺母副的传动效率为0.92-0.96，比普通的丝杠高3-4倍。因此，功率消耗只相当于普通丝杠的-。（2） 若给于适当的预紧，可以消除丝杠和螺母之间的螺纹间隙，反向时还可以消除空载死区，从而使丝杠的定位精度高，刚度好。（3） 运动平稳，无爬行现象，而且传动精度高。（4） 具有可逆性，既可以从螺旋运动转换成直线运动，还可以从直线运动转换成旋转运动。也就是说，丝杠和螺母可以作为主运动。（5） 磨损小，寿命长。（6） 但是制造工艺复杂，滚珠丝杠、螺母等元件加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，所以制造成本高。（7） 不能自锁，由于其自重的惯性力的不同，下降时传动切断，不能马上停止运动，所以还需要增加制动装置。3.4.1类型选择最大工作载荷计算：滚珠丝杆上的工作载荷是指滚珠丝杆副在驱动工作台时滚珠丝杆所承受轴向力。它包括滚珠丝杆的走刀反作用力及与移动体中立在道轨上的其它切削分力相关的摩擦力，用下列公式计算。对于道轨 式中： 工作台进给方向的载荷 工作台垂直的载荷 工作台横向的载荷 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=0.00250.005由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为近似为零 所以； 取 Kg（估算） =fG=10000.005=5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：式中：L工作寿命，单位10 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 丝杆基本导程，单位mm t颌定使用寿命，单位h，可取t=15000h 运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况1.21.5所以=11.96n=1000v/=10001000.001/5=20r/minL=60nt/=105.12（）C=33根据以上计算选取CBM32055（机械设计师手册上）3.4.2选择与校核计算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（N），其中表示第个工作载荷，=1、2、3、4n；第个载荷对应的转速（r/min）第个载荷对应的工作时间（h）；丝杆副最大移动速度；丝杆预期寿命；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=1.0，系数=1.5；计算当量转速 =2000计算当量载荷 =2333N初步确定导程 =2.5mm 取计算丝杆预期工作转速 =120000计算丝杆所需的颌定载荷 =1233310=1151N3）选择丝杆型号根据初选的和计算的，选取导程为5mm，颌定载荷大于的丝杆。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 =12=12=5970r/min而最大工作转速 =40000.8=4776校核合格。滚珠丝杆的预紧预紧力（）一般取当量载荷的三分之一或颌定动载荷的十分之一。即： =778N其相应的预紧转矩 =0.16N3.4.3 传动效率的计算滚珠丝杠螺母副的传动效率=tg/tg(+)式中：为丝杠的螺旋生角，可根据初选型号查出为以上值；为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角传动效率较高约等于10。滚珠丝杠副的传动效率较高一般为0.80.9之间。由给定值=tg/tg(+) =tg251/tg(2。51、+10、) =0.04/0.047=0.85所以其传动效率符合给定的标准值。3.4.4 压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷Fk为Fk=fz2EI/L2(N)式中E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6104Mp;I为截面惯性矩，对丝杠圆截面I=d14/64(mm4)(d1为丝杠底径)；L为丝杠最大工作长度（mm）；fz为丝杠支撑方式系数，参考下图与下表 图3-4 滚珠丝杠常用的支撑方式表3.5 滚珠丝杠的支撑方式系数表图中第一个为一端轴向固定一端自由，常用于短丝杠和树直安装的丝杠。图中第二个为一端固定一端简支，常常用于较长的卧式丝杠。图中第三个为两端固定常用于长丝杠或高转速、高精度、高强度的地方。临界载荷Fk与丝杠工作载荷Fm之比称为稳定安全系数nk,如果nk大于许用稳定性安全系数nk，则该滚珠丝杠不会失稳。因此，滚珠的丝杠的压竿稳定条件为n k=Fk/Fmnk一般取nk=22.54,考虑到丝杠自重对水平滚珠丝杠的影响可取nk4由Fk=fz2EI/L2(N)其中 fz取4.0 E=2.0x104Mp I=d14/64=3.14304/60=42390 L=490mm固Fk=4.09.859620.610442390/240100=1434358.675N所以 nkFk/Fm=1434358.675/900nk所以滚珠丝杠副的压杆稳定性符合要求。3.5支承装置设计3.5.1 丝杆的支承形式滚珠丝杆的支承和支承方式将影响丝杆副的刚度，因此，对运动精度要求高时应审慎的加以选择。常见的支承形式有以下几种：（1）丝杆一端安装两个深沟球轴承或者角接触轴承或者圆锥滚子轴承的称为固定支承；螺母相当于固定支承。（2）安装一个深沟球轴承或者角接触球轴承或者圆锥滚子轴承的铰支承；因此丝杆支承方式有两端固定；一端固定，一端铰支；一端固定，一端自由等几种；本设计采用的是两端固定的支承。3.5.2 螺杆的支承方式 螺杆的支承方式有以下四种：（1）双推自由支承：将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端自由。特点：适用于短螺杆。（2）双推支承将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端装一个或两个深沟球轴承。特点：螺杆水平安装时，可减少或避免因自重产生的弯曲或高速运转时，自由端的晃动。适用于长螺杆。（3）单推单推或双推单推两端各安装一个方向相反的推力球轴承和一个深沟球轴承或一端装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承，另一端装一个推力球轴承。特点：可预拉伸螺杆，以减少或消除螺杆水平安装时，因自重产生的弯曲，当轴承预紧力大于螺杆载荷的1/3时，螺杆拉压刚度可提高四倍，且不会承受压力，无失稳现象。（4）双推双推两端各安装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承。特点：优点与单推式相同，当超过预计温度，不会因螺杆伸长使轴承产生间隙。缺点：调整较复杂。第四章 电气控制系统设计电气系统主要由高频脉冲电源、直流电源和电气控制系统组成。高频脉冲电源是进行线电极切割的能源。直流电源主要是24v直流源驱动步进电机用。电气控制系统主要是控制工作液泵电机和储丝筒电机等用。4.1 线切割机床脉冲电源原理高频脉冲电源又称脉冲电源，其作用是把工频50Hz的交流电转换成几百赫兹的高频的单向脉冲电源，为高速旋转的线切割机提供一系列不同脉宽的矩形脉冲。该电源主要是由整流电路、主振电路和功放电路组成。整流电路由变压器将三相380v电压转变为三相42v和三相7v电压，通过二极管进行整流。电路形式是三相全波整流电路，为脉冲电源提供100v直流电压和10v直流电压，功给功放电路和工作电路电源。4.2总体方按的拟定机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床等等。控制系统的基本组成如下图所示： 微 机通信接口步进电机 机 床步进电机开关量控制电路主轴电动机主运动驱动电路软件 图4.1 控制系统框图具体微机控制系统是一MCS-51系列高档八位单片机为核心，采用8032cpu芯片。存储器也采用了较大的容量的存储器，用来存放控制程序及扩展程序的EPEOM采用了256k容量27256芯片，用来存放输入加工图形程序的RAM采用了256k容量的62256芯片，以增强微机的功能。接口电路使用了可编程并行接口电路芯片8255，显示部分采用了数码管来显示参数，键盘输入和输出显示由键盘/显示接口电路芯片8279来控制。具体系统组成图如下：图4.2 线切割机微机控制系统组成4.3硬件的电路设计4.3.1单片机设计（1）电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc（40脚）：接+5v电源。Vss（20脚）：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）：接外不晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。XTAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输入端。若采用外部振荡器时，该引脚受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。（2）控制引脚它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此内引脚提供控制信号，有些引RST/VPD（9引脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后使此引脚电平为。v的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（vpd）以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc于规定值，而VPD定的电压范围内(5。)时，就向内部提供电源。（3）输入/输出管脚P0.00.7(3239脚) p0是个8位漏极开路型双向I/O口。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。Po能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL输入。P1.0p1.7(18脚) p1是个带有内部上拉电阻的8位双向I/O接口。对EPROM编程2的证时，它接收低8位地址。P1能驱动4个LSTTL输入。在8032/8052中，p1.0还相当于专用功能端T2，即定时器记数触发输入端。P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2 的外部控制端。P2.0p2.7（2128脚）p2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接受高位地址。P2可以驱动4个LS TTL输入。P3.0p3.7 （1017脚）p3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在MCS-51中，这8个管脚还用于专门功能，p3能驱动4个LSTTL输入。4.3.2系统扩展系统扩展包括存储器的扩展、输入输出接口芯片的扩展。其中存储器的扩展包括数据存储器的扩展和程序存储器的扩展。（1）程序存储器的扩展MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64kb（000H0FFFFH）,其中8051、8751片内有4kbROM或EPROM，8031片内不带ROM .当片内ROM 不够或采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM,常采用EPROM。MCS-51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路。如下图4.3 M CS-51单片机程序存储器的扩展原理图由于MCS-51单片机的p0口是分时复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存储器扩展时，必须用地址琐存器琐存地址信号。通常地址琐存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373或8282，也可用带清除端的八D锁存器74LS273，常用74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。 根据应用系统存储器容量要求的不同，常用的扩展芯片包括EPROM2716 、2732A。等。以上均为单一+5v供电，维持电流为35A40mA，工作电流为75mA100mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储器容量的大小不同，因此提供高八位地址的p2端口线的数量各不同，故2716为A0A10，D0D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。根据程序存储器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373对8031单片机进行程序存储器扩展，其连接图见下页；图4.4 8031扩展EPROM2764A的连接图因为2764A 是8kb容量的EPROM，故选用到了13根地址线，A0A12。由于系统中只扩展一片程序存储器EPROM，故可将片选端CE接地。同时，8031运行所需要的程序指令来自2764A，要把其EA端接地。否则，8031将不会运行。 电擦除可编程只读存储器EEPROM是新推出来的产品。其主要的特点是能在计算机系统中进行在线修改，并且在断电的情况下保持修改结果。因此，自从EEPROM出现来，它得到了广泛的应用。（2）数据存储器的扩展8031单片机内部有128字节RAM存储器。CPU对内部具有丰富的操作指令。但在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存储器。 下图是单片机扩展外部RAM的电路原理图图4.5 单片机扩展外部RAM的电路原理数据存储器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存储器与I/O 口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围均占用数据存储器地址。上图中p0口为RAM的复用地址/数据线，p2口用于对RAM进行页面寻址，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无需考虑刷新的问题，因而它与微处理器的借口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116和6264。单一+5v供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列直插式封装，管脚分别为24和28线。下页插图为6264与8031的硬件的连接图。图4.6 8031扩展6264的连接图由图中可知6264的片选CSI接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态。因6264是8kb容量的RAM，故到了13根地址线。8031在访问6264时，可以用以下指令； movx dptr, a; A中内容传至外部RAM或 movx a, dptr; 外部RAM内容读至A中 对于下页的线路，6264的地址范围为6000H-7FFFH，共8Kb。（3）I/O口的扩展在MCS-51应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输入，输出口线并不多，只有p1口和部分p3口线。因此，在大部分单片机应用系统设计中都不可避免的要在单片机外部扩展I/O端口。由于MCS-51的外部数据存储器RAM和I/O口的是统一编址的，因此用户可以把外部64kb的数据存储器空间的一部分接口作为扩展外围I/O的地址空间。这样单片机就可以像访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。4.3.3步进电机控制电路设计步进电机的驱动方式采用高低压驱动，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移动；而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度。图4.10 步进电机工作框图（1）步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲，步进电机就每前进一步，因此，它也称作脉冲电动机。其种类很多，但主要分三大类：反应式步进电动机，永磁式步进电动机，以及永磁感应式步进电动机，反应式电动机结构最简单，是应用最广泛的一种，按控制绕组的相数分有三相，四相，五相，六相等等。无论哪种步进电动机，他们的工作原理都有相同之处：数字式脉冲信号控制定子磁极上控制绕组，按一定顺序依次通电，在定子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转。步进电动机主要用于开环系统，当然也可以闭环系统。下图是步进电动机开环伺服系统的原理图，它由以下几部分组成：图3.11 步进电机开环伺服系统脉冲信号源是一个脉冲发生器，通常脉冲频率连续可调，送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制。因脉冲频率可调，也称为变频信号源。脉冲分配器脉冲按一定的顺序送到功率放大器中进行放大，驱动步进电动机工作，用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环行分配器，也简称环分。功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率。步进电动机伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杆，工作台。（2）脉冲分配对每一个五相步进电动机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的，其五相分别用A、B、C、D、E表示。五相十拍的运行方式是A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动。要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序即可。脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现。在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速。（3）驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足5V，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机。因此，步进电动机驱动器实际上是一个功率放大器，驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载。对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度；效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便。下图是 一个La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Tp组成高压控制电路。图3.12 步进电机高低压驱动电路无脉冲输入时，T1、T2、T3、T4均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转。有脉冲输入时，T1、T2、T3、T4饱和导通，在T2由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使T3导通，80V高压经高压管T3加到绕组La上，使电流迅速上升，约经数百微妙，当T2进入稳压状态后，Tp初级电流暂时恒定，次级的感应电压降到0，T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值。输入脉冲结束后，T1、T2、T3、T4又均截止，储存在La中的能量通过18的电阻和二极管泄放，18的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿。由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降。4.3.4光电隔离电路设计为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。其封装形式有管形，双列直插式，光导纤维连接等。发光器件一般为砷化镓红外发光二极管。光电耦合器具有以下特点：（1）信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达1010-1012，绝缘电压为1000-5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰。（2）由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大地提高信噪比。（3）光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高