DK7732数控高速走丝电火花线切割机及控制系统设计说明书

1、箱品资料推荐引言本次毕业设计从2004年2月份开始到本年的六月中下旬结束，长达半年。 毕业设计是一名在校大学生最后的一次也是最重要的一次设计，说其重要主要是 因为它将检验你在大学生活中所学知识的扎实程度，其间你必须复习所学过的一 些课程，学习一些要用到的新的知识，它还将练习你的动手能力，思考能力，创 新能力，是你在大学学习生活的一次升华，是一个提升阶段，更是走向工作岗位 的一次练兵，因此我们都对此极为重视，更是投入了极大的热情与努力来更好的 完成它。本次设讣在颜竟成教授的悉心指导下分四个阶段按部就班的有条不紊的进 行。笫一阶段是搜集整理阶段。在本阶段主要是搜集足够的资料信息并对设计题 口进行分

2、析和实地调查，做到心中有轮廓，。本阶段其实从2004年元旦就开始了 截止到2004年3月份第一张外观图绘制成功为止。第二阶段是机械部分设计阶 段。本阶段主要应用大学里面所学的专业知识来进行运丝系统机构设讣和坐标工 作台的纵向和横向进给机构设讣。另外还要进行储丝筒的三维零件设计。本阶段 主要是从三月份到五月份。五月份到六月份则是第三阶段：控制系统设计阶段。 主要进行电器电路设计，包括步进电机驱动设讣和脉冲功率放大电路设讣。本阶 段也是一个学习的阶段，对自己不太熟悉的的的领域的一次学习。六月份开始就 是最后一个阶段：整理复习阶段，主要从事前儿个阶段的整理温习，写说明书。 以及毕业答辩前的各项具体细

3、节的准备。可以说每个阶段都是十分紧张而有难度的，有些问题是曲于设计的难度，有 些还是因为自己知识上的欠缺和不扎实造成的。可以说这次毕业设讣是个查缺补 漏的机会。尤其是在同学的帮助下，特别是在颜教授的指导下，遇到困难不逃避, 主动请教，主动学习，独立思考提出新方案，困难被一个个解决了，有了本次设 计的成功。更锻炼了团体协作精神，独立作业能力，专业设计基础，对自己将来 都是一次具有深远影响的事件。一、总体方案设计（一）总体方案的拟定（1）电火花线切割机床具有定位，纵向和横向的直线插补功能；还能要求 暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。（2）电火花线切割机床属于经济型数控机床，在保

4、证一定加工精度的前提 下，应简化结构，降低成本。因此 进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。（3）根据电火花线切割机床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和经济 性要求，一般采用8位微机。在8位微机中，MCS-51系列单片机具有集成度高, 可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性能价格比。因此，可 选择MCS-51系列单片机扩展系统。（4）根据系统的功能要求，微机控制系统中除了 CPU外，还包括扩展程序 存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键 盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器；包括光电隔离电路和步进电机驱 动电路。此外，系统中还应该包括脉冲

5、发生电路和其他辅助电路。（5）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们山步进电机、齿轮副、丝 杠螺母副组成，起传动比应满足机床所要求的。（6）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、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。（7）采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微 量移动，且润滑方法简单。在上述方案的基础上，有条件的还可以进一步实现钮丝的角度调节，使加工过 程更加细致。（伺服系统总体方案框图如图1.1）（二）主要技术参数的确定技术参数主要包括运动参数，尺寸参数和动力参数。DK7732电火花线切割

6、 机床的主要技术参数如下：1】作台行程/mm500x320最大切割厚度/mm加工表面粗糙度Ra/pm加工精度/mm切割速度/mm/min 切割工件最大厚度加工锥度电极丝移动速度30 （可调）2.50.015100120mm3 60。llm/s2m由d二16mm查设计手册得：*ti=2. 3；而 dfi=d1-2hf=(zj - 2ha - 2c ) m= (23-2-0. 5)m=20. om代入上式得：20.5/加-(16+2. 3)/22mml. 3取 m二2 则 Z：=2Zf46di=mZi=2 X 23=46nundpmZ：二 2 X 46 二 92mm取Z尸23Z,=3Z3=3 X

7、23 二 69(I3 二 niZ3=2 X 23 二 46nund-=mZ ,=2x69= 138mm齿轮 1, 2 中心距 aF (d+dj /2二(46+92) /2二69mm齿轮 3, 4 中心距 比二(ds+dJ/2二(46+132)/2二92mm参考书机械设计取 b=0. 5di=0. 5x46=23mm其他数据如下II箱品资料推荐da】二(Zi+2ha ) m二(23+2XI) X2=50mmda：= (Zz+2ha) m= (46+2X1) X2二 96mmdfi= (Zi 2 ha*2c J m= (23-2X1-2X0. 25) X2=41mmdf：- (Z：2ha*2c*

8、m= (46-2X1-2X0. 25) X2=87mm同样可以计算得：d&3二50mmda5=142mmdf 3=4 lmmdf Fl 3 3mm3. 传动件的估算根据公式 d二91当N/(胡j)mm其中 N该传动轴的输入功率N二比其中Nd 电机额定功率n一从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积n该传动轴的计算转速r/min计算转速n,是传动件能传递全部功率的最低转速“一每米长度上允许的扭转角(deg/m)取 n =0.995, Nd=O.55kwN=Nrf n=0. 55X0. 995二0. 54725kwn? =1390r/mind二 9140.54725TOGOI390x400=10

9、. 2mm4. 齿轮模数估算齿轮弯曲疲劳估算:=1. 039mm齿面点蚀估算:A3703/n；17二 3700.547251390x-6二49. 28mm其中为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距 中心距A及齿数Z|、Z2求出模数2AZ +Z2 2x49.28 23 + 46=1.428mm取叫m,中较大者 m f=l428,现取m=2（2）齿轮模数的验算：根据接触疲劳讣算齿轮模数公式为m. =16300怦曲常叮讪式中：N计算齿轮传递的额定功率N二N亦W计算齿轮（小齿轮）的计算转速r/min%齿宽系数弘二b/m, 加常取610。Z】一计算齿轮的齿数，一般取传动中最小的齿轮的齿数; i大齿轮与小齿轮

10、的齿数比，7用与外啮合，用于内啮合；乙心一寿命系数，ks = kTknkNkq ；&-工作期限系数,kT =|60/?7川齿轮等传动件在接触禾哺曲交变载荷下的疲劳曲线指麴和基准循环次数qn一齿轮的最低转速r/minT预定的齿轮工作期限，中型机床推荐，T二1500020000h；k “一转速变化系数；骗一材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强 化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用；匕丫一功率利用系数叫一工作情况系数k?载荷系数咯一齿向载荷分布系数Y齿形系数片.、bj许用弯曲接触能力査表得:kF1.2, k2=l. 2, ks=l. 15knkNkq60x1390 xix20000XO.

11、 78X0.51X0. 60310=0.91N二0 54725kw(pm =10b二600MP&hlll1(2+1)x1.2x1.2x1.15x0.91x0.54725贝Imj二 16300 | mm111Ox232x2x6OO2x139Ox|=1. 824mm根据弯曲疲劳讣算齿轮讣算模数公式为：礼二275 kk】kk N 皿*乙纠”勺久11.2x1.2x1.15x0.554x0.54725=27o IJ 23x0.414x10x1360x1x220二0. 063mmKs= kT knkwkq)60x1390 xix20000x0.89x0.70x0.75=0.554所以m=2符合要求（三）储

12、丝走丝部件主要零件强度验算1. 齿轮强度的验算箱品资料推荐齿根危险截面的弯曲强度条件式k载荷系数k=kAkvaZr5d齿宽系数，取05k使用系数，取1乙一载荷系数，取1.05匕齿间载荷分配系数，=1-0. k,a = 1.0齿向载荷分布系数7； 小齿轮传递的转距T)=95. 5 X lOi/ni=95. 5X10sX0. 55/1390二3. 78X10 mm=1.11 + 0.18(1+6.70；, 2), 2 +O.15xlO-3/?=1. 11+0. 18(1+6. 7X0. 52) X0. 53+0. 15X1O3XO.5=1. 23045K 二 1X1.03X1.0X1.6=1. 2

13、18查得：b/h=23/4. 5=5. 11kF/s=l. 16Y,a 载荷作用与齿顶时齿形系数人一载荷作用与齿顶时应力校正系数llhl 2xl.218x 3.78 x IO3 x 2.69 x 1.575 O.5x23 x232=18. 4MPar il SfN=60njLh=60X1390X1X20000二 1.668X10s疲劳强度安全系数，S=Sh=1, SSf 11 0kx 寿命系数(kc二 1.0, ka二 1.0)crlim-齿轮的疲劳极限2#=340MPa6 伽=520 MM1.0x3401.25=272MPa所以VM “其中：J 区域系数Ze弹性影响系数Z尸 189. 8MF

14、/j2/(sinacosa) a = 20c ZK=2. 5 咕二乩虹说处比” =1X1.05X1.0X1. 23045=1.29pxl29x 3.78x10V 0.5 x463x 2.5x189.8 = 259.89精品资料推荐b = 520MPa , b b因此，所设计齿轮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6.1 (a)o并分别作出水平方向和 垂直方向的弯矩图，如图(b),(c),以及扭矩图如图(d)o先计算轴上的载荷：T. = 9550000 空=9550000 x 仝1 = 3.78 xlO3/V-m

15、q1390齿轮的分度圆直径为:= niz. = 2 x 23 = 46nun .27； _2x3.78xl03746= 164.3/V21Fr = Ft tana = 164.3tan20 = 59.8N箱品资料推荐25I.IlllllllI 川川川 IIITimmr hv?Ftrrfll illlllll训IIIII1II1 川 ITITirnm门 3T图6.1轴的结构图与弯矩扭矩图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 将计算岀的截面C处的Mh、M及M的值列于下表1.1表1.1应力讣算表载荷水平面H垂直面V支反力FFnh 1=195.7N, Fnh2=3 1.4N

16、Fnhi=71.2N, Fnh2=1 1.4N弯矩MMh=8543.6N mmMv=3109.6 N mm总弯矩M =+M= 9091.9 N mm扭矩TT.ISXIQ3 mm轴的计算应力：J =k,w入如表1.1中数值得：b“=57MPa前已经选顶的轴的材料为45号钢，调质处理查得cr_1=60MPa因此byVE,故安全（四）主轴组件结构设计1. 轴承的配置形式一般来说数控机床的主轴结构的轴承有以下儿种配置形式：（1）前后支承均采用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷，安装在询端的两个 推力球轴承用来承受前后方向的轴向负载。这种结构能承受较大的负载 （特别是轴向负载），可适应强力切削，但主轴转速

17、不能太高，轴承在高转 速时容易发热。山于推力球轴承安装在主轴前端，当主轴旋转时前轴承和 后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也较大。前轴承温度高，主轴 前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小，因此，这种机构口前 应用较小。（2）前后支承用双列短圆柱滚子轴承来承受径向负荷，用安装在主轴前端的双 向向心推力球轴承来承受轴向负载。这种结构刚性较好。（3）前轴承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由23个轴承组成一套， 用以承受径向和轴向负载；后轴承用双列短圆柱滚子轴承。这种结构适应 较高转速、较重切削负载，主轴精度较好。但所承受的轴向负载较前两种 结构小。（4）前后支承均采用成组单列向心推力球

18、轴承，用以承受径向和轴向负载。这 种结构适应高转速，中等负载的数控机床。在中、小规格的数控机床上采 用这种机构较多。本次设讣主轴所采用的轴承支承方式为第四种。、2主轴组件的调整和预紧滚动轴承的预紧是釆用适当的方法是滚动体和内外套圈之间产生一定的预 变形而带伏负游隙运行。预紧的LI的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴 承寿命。按预载荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。而角接触球轴承主要是轴向预紧，这可明显提高轴向刚度。如下图为单个角 接触球轴承的载荷一变形曲线，其弹性变形量6 a与轴向外载荷Fa的关系为8 a -Fa23o没有预紧时，在Fa作用下，轴承的轴向变形量为Sal；而在具有预紧 FaO

19、条件下，同样作用轴向载荷Fa,轴承的轴向变形增量为8 a2,显然8 a2 6 al,轴承的轴向刚度有所提高。11.图52角接触球轴承载荷一变形曲线三、进给传动设计（一）进给传动运动设计1.脉冲当量和传动比的确定1）脉冲当量的确定LI前，常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。步进电机每转一转传感器发出 一定数量的脉冲每个脉冲代表电机一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定的转 角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电札 对于每一个电脉冲步进电机都将产 生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角 乞（。）/脉冲,可山选用的步进电机型号从技术数据表中查出。因此，每脉冲代表锻机一定的转角，

20、这个转角经齿轮副和滚珠丝杆使工作台 移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件（如工作台）的移距，称为脉冲当量 或分辨率，记为外，单位为mm/脉冲。精品资料推荐应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机 械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须大于定位精度值。此次设计的电火花成 型机对机床定位精度的设计要求是土0.01mm,根据该精度要求可确定脉冲当量 为 Jr=0.005mm/脉冲。2)传动比的确定设传动副的传动比为i，若为一级传动,贝1打=耳/幵2 =%1，厲,乙为主动齿 轮的转速和齿数，心，乙为主动齿轮的转速和齿数。若为多级传动，则i为总传 动比。对于步进电机，当埋藏当量

21、外(mm/脉冲)确定，并且滚珠丝杆导程Ln(mm) 和电机步距角$(。)/脉冲都也已初步选定后，则可用下式讣算主轴系统的传动 比i = Q 厶)3606_ 0.36x5_ 360x0.005=1i=l o(二)滚珠丝杠螺母副的型号选择和滚珠丝杠的选型和校核1.滚珠丝杠螺母副的型号选择(1) 最大工作载荷计算滚珠丝杠上的工作载荷Fm (N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所 承受的轴向力，也叫做牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体中立和作 用于导轨上的其他切削分力相关的摩擦力，可用下列实验公式进行计算。对于矩形导轨Fm=KFL+f (Fv+Fc+G)式中：玖一工作台进给方向载荷F、.一

22、工作台垂直载荷Fc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二0. 00250. 005由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为耳Fv.凡近似为零所以：Fm=fG取 f二0.005, G二 1000kg (估算)Fm二fG二 1000X0. 005=5(2) 最大动载荷C的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠应根据断定动载荷Ca选用，最大动载荷讣算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杠的最大动载荷应用下式计算C = yfLfmFm L=60nt/106 h = 1OOOv/Lo式中：L工作寿命，单位10、n一丝杠转速，单位r/minv最大切削力条件

23、下进给速度，单位m./minL。一丝杠基本导程，单位mmt额定使用寿命，单位h,可取t=15000hfm运转状态系数，无冲击取11.2, 般情况1.21.5所以C = VLfmFm= y/5x5xA=11. 96n = 1000 v/ 厶)=(1000X100X10-3) /5=20r/minL=60nt/10627精品资料推荐_ 60x20x10x 365x 24 10=105. 12 ( 106r/min)C = 兀.V105.12 x5x4 1=33根据以上计算选取CBM3205-5 (机械设讣师手册上)2. 滚珠丝杠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

24、根据使用 工况选择某种类型的结构，再根据载荷、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，故本人只选取其中最重要的主轴 传动中的滚珠丝杆加于设计和校核。其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷件(川)，其中i表示第i个工作载荷，上1、2、3n ；第i个载荷对应的转速心(r/min);第i个载荷对应的工作时间心(h);丝杆副最大移动速度vmax (mm/min);丝杆预期寿命L(h)o1. 型号选择(1) 根据使用和结构要求选择滚道截面形状，滚珠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fd=.O系数5,=

25、1.5； 计算当量转速仏叫=(讼+ %/2=2000 min 计算当量载荷巧Fd =（2化+凡/3=2333N 初步确定导程儿%讥“/心= 10000/4000=2.5mmPh 取 5mm 计算丝杆预期工作转速厶 = 60 = 120000 计算丝杆所需的额定载荷C。6=办巧 IO.“=1X 2333 X 10-2 X120000 %= 1151/V（3）选择丝杆型号根据初定的匕和计算的C。，选取导程为5mm,额定载荷大于C。的丝杆。所选丝杆型号为CDM2004-2.5o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。2. 临界转速校核叫=12x10&竺 M2xl0-x31422 r2Q63O2=5970/7 min而最大工作转速“疵=4000 0.8传=4776校核合格。3. 由于此丝杆是竖直放置，且其受力较小，温度变化较小。所以其稳定 性、温度变形等在此也没必要校核。4. 滚珠丝杆的预紧预紧力（巧,）一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即: 你*= 778N其相应的预紧转矩匚=字（1-刊皿17U=卫竺 0