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毕业（设计）论文数控电火花线切割机的设计摘 要需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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Abstract需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 CNC 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 录需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 摘 要 .IIAbstract.III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 .18需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 4.1 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 .36需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 需要 CAD 图纸，Q 咨询 414951605 或 1304139763图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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，江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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。江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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：江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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，江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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。江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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。江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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：32050055 7.8 686 N310210Y 向拖板（下拖板尺寸）：长宽高 32050065重量：32050065 7.8 811 N310210上导轨座（连电机）重量：（8113201025605055） 7.8 443 N3210江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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 9.5PdN 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。 9.5GZd珠式中 柱 和 Z珠 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） ；江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 d 滚珠直径。滚珠导轨预紧力的计算：max0.7.5GyPZl（ ）式中 Z 一个导轨面上滚动体数目；Gy 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：2Kd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 两种导轨的数据图硬度 HB 170-180 200-210 230铸铁导轨 0.75 1 1.2硬度 HRC 50 55 57 60淬火钢导轨0.52 0.70 0.80 1.0这里取铸铁导轨 HB170，即 为 0.75 时，可得 maxP，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 初选电机型号江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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bpbiL360综合考虑，我初选了 可满足上式的要求。,15.ib2.3.3 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maxjM与最大静转矩 的关系是；mpMajaxjp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：0Mkfakq式中：空载启动力矩；kqM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a的加速力矩；空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；kf由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0M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：maxjpkqM计算 的各项力矩如下：kq加速力矩江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 = =1.810 =J2521 /08.iMR 55108.256.mKgmrvnpb4036.1436maxax =0.519N/m2112a 10642)8.(0 tJMkq空载摩擦力矩=0.648.0279.30 iLGfMkf mN附加摩擦力矩= =)1(2200iFYJ )92.01(48.N.=0.519+0.6+1.222=2.341kfakq m=0.95125=23.775mxjMN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maxjqk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kqMka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：江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 （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 - 。413（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)(NFm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 )(GfKcVLm式中： 工作台进给方向的载荷F工作台垂直的载荷v工作台横向的载荷CG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CVLF.,所以； fGm取 Kg（估算）10,5.江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 =f G=1000 0.005=5mF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。a滚珠丝杆的最大动载荷应用下式计算： 063 /1,0/, LvntLFfm式中：L工作寿命，单位 10 r6n丝杆转速，单位 r/minv最大切削力条件下进给速度，单位 m/min丝杆基本导程，单位 mm0Lt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 1.21.5mf所以= =11.96FfLC34.153n=1000v/ =10001000.001/5=20r/min0L=60nt/ = =105.12（ ）616122min106rC= = =33mFfL3 45.03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；iFiii第 个载荷对应的转速 （r/min）i in第 个载荷对应的工作时间 （h） ；it江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 丝杆副最大移动速度 ；min)/(axv丝杆预期寿命 ；)(hLb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；dfjs计算当量转速 dn= =20002)(minaxinr计算当量载荷 dF=2333N3)(minaxF初步确定导程 hP= =2.5mmmaxnV401取 h5计算丝杆预期工作转速 nL=120000d60计算丝杆所需的颌定载荷 aC=1233310 =1151N312 ndLFf 31203）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hPa aC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/mincn23160cld263014.而最大工作转速 =40000.8 =4776maxn江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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：pF=778NdpF31其相应的预紧转矩= =0.16N3210)(hpPT 3210)85.(.478m3.4.3 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(+) =tg2 51/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=fz 2EI/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=d 14/64(mm4)(d1为丝杠底径)；L 为丝杠最大工作长度（mm） ；f z为丝杠支撑方式系数，参考下图与下表江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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=fz 2EI/L2(N)其中 fz 取 4.0E=2.0x104MpI=d 14/64=3.14304/60=42390L=490mm固 Fk=4.09.859620.610442390/240100=1434358.675N所以 nkF k/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。江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 （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。电气控制江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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：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：通信接口微机步进电机机床开关量控制电路步进电机主运动驱动电路主轴电动机软件江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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）控制引脚江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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。如下江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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；江苏科技大学毕业论文图纸预览请见文档前面的插图，原稿更清晰，可编辑 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 276
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