DK7732数控高速走丝电火花线切割机及控制系统.doc

目录引言（1）一 总体方案设计（2）（一） 总体方案的拟定（2）（二） 主要技术参数的确定（2）二 储丝走丝部件结构设计（3）（一） 储丝走丝部件运动设计（3）1对高速走丝机构的要求（3）2高速走丝机构的结构及特点（4）（二） 储丝走丝部件主要零件强度计算（10）1齿轮传动比的确定（10）2齿轮齿数的确定（10）3传动件的估算（12）4齿轮模数估算（13）5. 齿轮模数的验算（14）（三） 储丝走丝部件主要零件强度验算（16）1齿轮强度的验算（16）2主轴的验算（19）（四） 主轴组件结构设计（21）1轴承配置形式（21）2主轴组件的调整和预紧（22）三 进给传动设计（22）（一） 进给传动运动设计（22）1 脉冲当量和传动比的确定（22）（二）滚珠丝杆螺母副的型号选择和滚珠丝杆的选型和校核（23）1 滚珠丝杆螺母副的型号选择（23）2 滚珠丝杆的选型和校核（25）（三）步进电机的选择（28）1根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号(28)2启动矩频特性校核(30)（四）进给机构支承设计（31）1 螺杆的支承形式（31）2 螺杆的支承方式（31）四 数控系统设计（32）（一）高频脉冲电源（32）（二）数字控制系统设计（33）(三)控系统硬件的电路设计（34）1 单片机设计（34）2 系统扩展（38）3 I/O 口的扩展（42）4 显示器的接口设计（48）5 步进电机控制电路设计（50）6 光电隔离电路设计（57）7 部分控制程序（58）8 其他接口电路设计（70）参考文献（）谢辞（）前言本设计包括论文说明书字数在15000字左右，图纸量3张A0大小左右，还有部分其他资料.本毕业设计论文资料均为近几年一本二本院校答辩通过的设计资料,图纸清晰准确,有极高的参考价值.毕业设计可谓是大学四年对所学知识综合的一次大的考验也是在走向工作岗位的一次练兵，更进一步锻炼了自己的动手能力和团队的合作能力，真正做到了理论联系实际教与学的一次有理结合。数控电火花线切割机的设计具体的说来应该包括走丝设计，X、Y坐标工作台设计，脉冲电源的设计，控制部分的设计等。按照设计的任务书，首先要了解该机床调查研究电火花线切割机的加工特点，确定DK7732线切割机床的具体技术参数，从而在第一阶段我们在衡冶进行了实地的参观测绘，初步确定参数，对照已有的院数控中心DK7725型线切割机更进一步确定具体的设计参数，根据已有的参数再对机床总体方案及控制系统总体方案进行确定。具体到设计时对各个方案再进行点对点的修改。接下来就是进行必要的设计与计算选型工作，就是将整体机床的设计又分为几个部分各个去突破大体就是机械部分和电气部分。再具体到各个组件或零件。虽说设计是个人的行为，但由于自己的知识欠缺且设计的内容跨越比较大包括电子技术、计算机技术、机械设计，很多地方肯定是难以具到，当然有在颜竟成教授的悉心指导下，很多不懂的地方这正是我们要学的地方，同时在多方面有同学们的提示才得将设计顺利进行。这毕竟是一个学习阶段的毕业设计很多方面都是在边学边用中进行的，或者说很多方面的设计还是停留在模仿的阶段比如电气部分，控制部分都不是很成熟的设计。第一章 总体方案设计一、线切割机床的现状简介我国数控线切割机床的拥有量占世界首位，技术水平与世界先进水平差距也逐渐缩小。尤其近年来，计算机技术的应用和线电极电火花加工技术的结合。实现了各种复杂形状的模具和零件加工的 自动化，其控制精度可达1m，实际加工精度可达0.01mm。表面粗糙度可达1.252.5m。数控线切割机床是精密金加工线切割加工技术是线电极电火花加工技术，是电火花加工技术中的一种类型，简称线切割加工。图1.1中是线切割机床加工的工作原理示意图 图1.1 线切割机工作原理示意图线切割机床采用钼丝作为电极丝。被切割的工件为工件电极，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（电极丝）。在电极丝与工件之间加有足够的、具有一定绝缘性能的工作液。当电极丝与工件间的距离小到一定的程度时，工作液介质被击穿，电极丝与工件之间形成瞬时火花放电，产生瞬时间高温，生成大量的热，使工件表面的金属局部熔化，甚至汽化；再加上工作液体介质的冲洗作用，是得金属被蚀除下来。这就是线切割机床的加工原理。工件在机床坐标工作台上，按数控装置或微机程序控制下的预定轨迹进行加工最后得到所需要的形状的工件。1.数控线切割加工的主要特点如下：1）；线切割加工可以用于一般切削方法难以加工或者无法加工的形状复杂的工件加工，如冲模、凸轮、样板、外形复杂的精密零件及狭窄的缝隙。尺寸精度可以达到0.01-0.02mm，表面粗糙度值Ra可达到1.25m。2）；先切割加工可以用于对一般切削方法难以加工或者无法加工的金属材料和半导体材料的工件进行加工，如淬火钢、硬质合金钢、高硬度金属等，但无法实现对非金属导电材料的加工。3）；线切割加工直接利用线电极电火花进行加工，可以方便的调整加参数，如调节脉冲宽度、脉冲间隔、加工电流等，提高线切割加工精度，也可通过调节实现加工过程的自动化控制。4）；线切割加工的效率低，成本较高，不适合于加工形状简单的批量零件。二、 线切割机床的总体方案的拟定线切割机床具体加工过程为：加工者根据图纸中的工件尺寸，编制成一定的程序，并且通过键盘或光电机等输入设备将程序输入到控制器中去。在控制系统接受到输入的程序后，将其存入存储器中。点火花先切割机在收到命令后，就开始运行程序，通过微机控制系统进行插补运算。每运算一次，发出一个进给脉冲，然后经过功放驱动步进电机，使机床工作台按预定的轨迹进行加工。运丝系统由运丝电机传动给储丝筒，通过行程开关使储丝筒作往复运动，从而使得钼丝运动。钼丝经过机架上的导轮与工件相接近，小到一定的距离。乳化液泵即工作液将线切割机专用乳化液通过喷嘴喷入工作切口上，高频脉冲电源产生的连续高频脉冲被分别加到钼丝与工件之间的间隙进行检测，检测信号的大小送入变频电路，再由变频电路产生的频率大小来控制微机的进给速度。当间隔增大时就加快进给速度，当间隙减小时，就减慢进给速度，以保持均衡的放电间隙，从而也维持了一定的加工电流。1）；电火花线切割机床属于经济型数控机床，在保证一定的加工精度的前提下，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。2）；为了保证进给伺服系精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杆螺母副，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统的传动。3）；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发生电路和其它辅助电路4）；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。 5）；纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杆螺母副组成，传动比应满足机床所要求的。 6）；采用滚动道轨可以减少道轨见的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。7）；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，可以选择MCS-51系列单片机扩展系统。在上述的基础上，有条件的还可以进一步实现钼丝的角度调节，使加工过程更加细致。三、具体各部件的组成介绍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。1）；机械系统机械系统主要由床身。坐标工作台、线架及运丝装置等组成。机床床身是箱形结构的铸件，是安装坐标工作台、线架及运丝装置的基础，要有较好的刚性，以保证机床的加工精度。床身既能起支撑和连接坐标工作台、运丝机构和线架等部件的作用，又起安装机床电器、存放工作液的作用。坐标工作台主要由工作台上拖板、中拖板、下拖板、丝赶和齿轮变速箱等部件组成。拖板的纵向和横向运动是采用“一V一平”滚动导轨结构。如下图所第二章 机械系统设计一同步带传动的设计计算同步带传动设计计算的主要内容是根据传递的名义功率、转速、速度笔及工况来正确选择同步带的型号、带长、带宽及带轮的齿数和直径。计算步骤如下。1. 计算设计功率pd=(k+k1+k2)pm(kw)式中：pm为同步带传递的名义功率（kw）由电机的选择名义功率为1.1kw,以知设计参数；k0为载荷修正系数参考机电综合设计表2-14为轻负荷传递功率且工作时间为普通使用每日8h-10h所以k0取1.5。k1为使用张紧轮修正系数见表1，由表可取k1=0.1；k2为增速传动修正系数见表2，此处为减速传动所以k2=0。表2.1 使用张紧轮修正系数 k1 表2.2 增速传动修正系数k2压紧轮的位置 系数 增速比 系数松边内侧 0 1.00-1.24 0松边外侧 0.1 1.25-1.74 0.1紧边内侧 0.1 1.75-2.490.2紧边外侧 0.22.50-3.49 0.3所以 pd=（k0+k1+k2）pm=（1.5+0.1+0）pm=1.61.1kw=1.76kw2选择带的型号由Z2=192查手册 GB11361-89易知无可选用的带轮且选用的话直径将超过400mm故不易装配从而应选择另一方按。为了将同步带轮的直径减小可采用二级传动由传动比的计算：表2.3 带轮最少许用齿数小带轮转速 带型号n1/（r/min） MXL XXL XL L H XH X 带轮最少许用齿数 900-10 12 14 22900-120012 1210 12 16 241200-180014 14 12 14 18 261800-360016 16 12 16 20 303600-480018 18 15 18 22 -可采用Z1=16 Z2=48 Z3=18 Z4=72即Z1/Z2 Z3/Z4=0.0833从所查小带轮与基准宽度：小带轮直径d1=PbZ1/=9.52516/3.14=48.53mm第二带轮直经d2=PbZ2/=9.52548/3.14=145.60mm第三带轮直经d3=PbZ3/=9.52518/3.14=54.60mm第四带轮直径d4=PbZ4/=9.52572/3.14=218.40mm4.选择带长Lp根据以知中心距A（mm）的要求或初选中心距A，计算带长Lp以知中心距A1=182mm A2=193mmLp1=2Acos1+（d1+d2）/2+（d2d1）/180（mm）=2182cos30.9+（218.4+48.53）/2+30.9 (218.448.53)/180 =321.9+304.78+91.54=718.22mm其中1=arcsin(d2d1)/2A1 =arcsin(218.4048.53)/182=30Lp2 =2Acos2+（d3+d4）/2+（d4d3）/180（mm） =2193cos15.5+（145.6+54.6）/2+15.15(145.648.53)/180 =375.12+314.31+15.23=704.66 其中2=arcsin(d4d3)/2A2 =arcsin(145.648.3)/2193 =15.15按手册查选择最接近计算带长值的标准带长（节线长）及相应长度代号，并查出该带的齿数zb。按GB11616-89 为了使皮带有一定的张紧力度故可选择长度代号为270的L型同步带其齿数为72齿节线长685.8mm in27 极限偏差0.61 in0.0245.实际传动中心距离A的确定 根据所选的标准带长求出实际中心距A。AM+M1=Pb/8(2ZbZ1Z2) M2=Pb/8(2ZbZ3Z4)M1=9.524/8(21601672)=276.196M2=9.524/8(21604818)=302.38所以A1276.196+276.1961/89.524(7216)/ 545 A1302.387+302.3871/89.524(4818)/ 602.387在z1/z2之值很大时，还有一个精确中心距计算公式。但是，通常同步带传动中心距是可以调整的，以边获得同步带传动必须有的适当的张紧力。6.选择带宽bs 带宽的选择准则是限制作用在同步带宽上的拉力，以保证同步带的强度和使用寿命，工作是不发生失效。1）；根据带型、小带轮齿数z1及转速由手册查的对应的同步带的基准宽度bs。及基准额定功率p。（kw）。查得带型为L型 小带轮齿数为16齿 且转速为1440r/min 另一小带轮齿数为18齿 转速为320r/min。 对应同步带的基准宽度bs0为25.4mm p。=1.1kw。 二滚珠丝杠螺母副的选型和校核1.滚珠丝杠螺母副类型选择滚珠丝杠螺母副有专门工厂制造，当类别、型号选定和校核后，可以外购。滚珠丝杠副的类别主要从三个方面考虑：循环方式、循环列数与圈数、预紧方式。钢珠在丝杠与螺母之间的滚动是一个循环闭路。根据回珠方式，可分为两类：内循环，回珠器处在螺母之内。外循环，插管式回珠器位于螺母之外。钢珠每一个循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列，3列，4列，5列等几种，每列只有一圈。外循环每列有1.5圈，2.5圈，3.5圈等几种，剩下的半圈作回珠。外循环滚珠丝杠的每个螺母有1列2.5圈，一列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等种类较多。为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，称为预紧。常用的滚珠丝杠副预紧方法有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到为无预紧时的2倍。但是，预加载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大。通常，滚珠丝杠在出厂时，就已经由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杠副的额定动载荷有一定的比例关系。预紧方式见下页表。2.主要参数及代号1）；滚珠丝杠副的参数1.1、公称直径dm，公称直径即滚珠丝杠的名义直径，dm越大，承载能力越大。数控机床常用的进给丝杠的公称直径dm为30mm到80mm。2.2、基本导程L0。丝杠相对于螺母旋转2rad时，螺母的轴向位移。与进给系统脉冲当量的要求有关。3.3、精度等级。滚珠丝杠副按其使用范围及要求可分为7个精度等级。 表2.5 滚珠丝杠副的预紧方式类别 调整方法 特点调整垫片厚度，使螺母 结构简单，装卸方便，刚度产生轴向位移 高；但调整不便，滚道有磨垫片式 损时，不能随时消除间隙和和预紧。适用于高刚度重载 荷。螺纹式 调整端部的圆螺母使螺母 结构紧凑，工作可靠，调整 产生轴向位移 方便但准确性差，且易松动用于刚度要求不高或需随时调节预紧力的传动齿差式 两螺母在凸缘上有外齿分别 能够精确的调整预紧力， 紧固在螺母座两端的内齿圈 但结构尺寸较大，装配 啮合。 调整较复杂，宜用于高精 度的传动机构。3.最大工作载荷的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乘受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削力相关的摩擦力。Fm由以下经验公式。矩形导轨FmKFl+f1（Fv+Fc+G） 燕尾导轨FmKFl+f1（Fv+Fc+G） 三角形或综合导轨FmKFl+f1（Fv+G）式中：Fl,Fv,Fc分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；G为移动部件的重力；K和f1分别为考虑颠覆力矩的影响的实验系数和导轨上的摩擦系数随导轨型式不同而不同。对于矩形导轨K=1.1,f1=0.15 燕尾导轨 K=1.4, f1=0.2 三角形或综合导轨 K=1.15, f1=0.180.18而滚动导f10.00250.005由线切割机床坐标工作台可初选择K=1.15 f1=0.015 Fv=20010=2000NG=Fv+G台重(200+200)10=4000N所以Fm=1.150+f1(2000+4000)=0.156000=900N4.最大动负载c的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠应根据额定动载荷Ca选择用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杠最大动载荷C可用下式计算 C= fmFm式中：L为工作寿命，单位为1000000r,L=60nt/1000000;由t150000h 即额定使用寿命（h），n1000v/L。；v为最大切削力条件下的进给速度（mmin），可取最高速度的1/21/3；L。为丝杠的基本导程（mm），计算时，可根据快进速度vmax和丝杠最大转速nmax初选一个数值（L。1000max/nmax）,待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命（h），可取t15000h；fm为运转系数，无冲击取.，一般情况取1.21.5,有冲击振动取1.52.5；Fm为滚珠丝杠工作载荷（N）。由n=1000v/L。 =10000.1/5=20 其中v进给速度由机床给定参数 L。为丝杠导程取L。=5mmL=60nt/1000000 =602015000/1000000=18000000rC=fmFm =1.2900=2830N其中fm=1.2为运转系数取1.2 Fm=900N 为工作载荷初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷Ca不得小于最大动载荷C：CaC。初选丝杠副尺寸规格CLM3205-3.5-P3=251为丝杠的螺旋升角Ca=16100N 滚珠丝杠额定动载荷Coa=52750N 滚珠丝杠额定静载荷由Coa=16100C且Coa/Fm=161002830=5.63 所以符合标准当滚珠丝杠副在静态或低速运转（n10r/min）下工作并受载荷，那么还要考虑其另一种失效形式滚珠接触面上的朔性变形。即考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分的超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm，一般使Coa/Fm=23。滚珠丝杠的Ca和Coa值由手册查之为上 式中：1为在工作载荷Fm作用下丝杠总长度上拉伸或压缩的变形量（mm）；Fm为丝杠的工作载荷(N);L为滚珠丝杠在支撑间的受力长度(mm)；E为材料的弹性模量，对刚E=206000Mpa;A为滚珠丝杠按内径确定的截面积（mm）；“+”号用与拉伸，“”好用与压缩。也可以从工厂的滚珠丝杠样本的图表中查出单位长度轴向拉伸压缩变形量，然后求出支撑间受力长度的变形量。1=FmL/EA(mm) =900x578/803.84x206000 =0.0031mm即拉伸与压缩在不同的受力情况下都可出现其中L=578mm由选形确定 E=206000MpA=1616=803.84mm2）；滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。 该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠的长度无关。可从工厂的产品样本中查出，或用下式计算 无予紧力时1=0.0038 （mm） 有予紧力时2=0.0013Fm/ （mm）式中：Dw为滚珠直径（mm）；Z滚珠总数量Z=Zx圆数x列数；Z为一圈的滚珠数，Z=dm/Dw(外循环)，Z=（dm/Dw）-3（内循环）dm为滚珠丝杠的公称直径（mm）；Fyj 为予紧力（kgf,1kgf=9.8N）;Fm为滚珠丝杠工作载荷（kgf,1kgf=9.8N）。当滚珠丝杠有予紧力时，且予紧力为轴向工作载荷的1/3时，2值可减少到一半左右。此坐标工作台采用无予紧力无予紧力时1=0.0038 （mm）=0.0038 （mm）=0.0074mm Dw=3.175mmZ= Z圆数列数=3132=186 Z=dm/Dw=3.1432/3.175=313）；滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总变形量=1+2应小于允许的变形量。一般值不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，有丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形两应比它小。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠副。7.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2.2 滚珠丝杠常用的支撑方式 滚珠丝杠的支撑方式系数表方式 一端固定一端自由 一端固定一端简支 两端固定 两端简支fz 0.25 2.0 4.0 1.0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。三、导轨的选型与计算导轨的功用是是导向和承载。例如车床的溜板和床身导轨是属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支承导轨之间的相对运动速度较低。滚动导轨在两导轨面间装有球、滚子或滚针等滚动元件，具有滚动磨擦性质，广泛地用于进给运动导轨。贴塑导轨也具有良好的减摩擦、抗撕伤能力强低速不易出现爬行、但是，因为塑料刚度低，会产生较大的弹性变形和接触变形，局部压强大是会影响运动的精度。综合两种导轨的优缺点，在这里DK7732线切割机床初步选用SGDSWC12x1000D.滚动导轨。1、滚动导轨1）；滚动导轨的结构及配置直线运动支撑中，有滚动体不作循环运动的直线滚动导轨和滚动体做循环运动的直线滚动导轨，后者叫做直线滚动导轨副（块）组件。 直线滚动导轨副包括导轨条和滑块两部分。导轨通常为两根，装在支撑件上，每根导轨条上有两个滑块，固定在移动件上。如移动件较长，也可在一跟导轨条上装3个或3个以上滑块。如移动件较宽，也可以用3根或3根以上的导轨条。如果移动件的刚度较高，则少装为好。在两条导轨中，一条为基准导轨上有基准面A，滑块上有基准面B ；另一条为从动导轨。2）；滚动导轨的予紧直线滚动导轨副分为整体型直线滚动导轨副和分离型直线滚动导轨副。整体型的直线滚动导轨副有制造厂用选配不同直线刚球的办法来决定间隙或予紧。可根据要求的予紧订货，不需自己调整。分离型直线滚动导轨副，应由用户根据需要，按规定的间隙进行调整或予紧。3）；线滚动导轨副的计算直线滚动导轨副的计算与滚动轴承相仿，以在一定的载荷下行走一定的距离，90%的支撑不发生蚀点为依据。这个载荷称为滚动导轨的额定动载荷Ca，可从产品样本中查到。以上海组合夹具厂两种型号（SGDA和SGDB）直线滚动导轨副的主要参数，其中Ca为额定动载荷，Coa为额定静载荷（kN）。这个行走的距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可根据滚动导轨的额定动载荷Ca用于下列公式进行计算。滚动体为球时 L=50(CafHftfc/Ffw)3滚动体为滚子时 L=100(CafHftfc/Ffw)10/3式中：L为滚动导轨副的距离额定寿命（km）；Ca为额定动载荷（N）,初选滚动导轨型号后，可从样本中查出；F为每个滑块上的工作载荷（N）；fH=0.8.为50HRC时fH=0.53；fT为温度系数，当工作温度不超过100度时，fT=1；fc为接触系数，每根导轨条上装有二个滑块 fc=0.81，装三个滑块时fc=0.72，装四个滑块时fc=0.66；fw为载荷/速度系数，无冲击振动或v15m/min时fw=11.5，轻冲击振动或15m/minv60m/min时fw=2.03.5。由初步选定的结果查手册知道 导轨的Coa=86 Ca=54 (KN)fH=0.8 fT=1fc=0.81 fw=1.5F=1/46000N=1500N 所以L=50(5.41040.810.81/15001.5)3=3761Km如果把距离额定寿命L换算成为小时额定寿命Lh，则Lh=L103/2ns60=3761103/230.460=2.6104h=2.9年 即为期望值式中：S为移动件行程长度（m）；n为移动件每分钟往复次数（min-1）。从产品样本中选定的滚动导轨副的型号，由查出的额定动载荷Ca，由计算距离额定寿命L或小时额定寿命Lh，若L或Lh大于滚动导轨的期望寿命定为50km，滚子导轨的距离期望寿命为100km。但是如果滚动导轨的工作速度较低，静载荷较大，则选择滚动导轨时应考虑相应的额定静载荷Coa不小于工作载荷的2倍。额定静载荷Coa也可以从样本中查出。4）；滚动导轨的润滑与防护滚动导轨采用润滑脂润滑。常用的牌号为ZL-2里基润滑脂。（GB7324-87，2号）。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。可采用专门的防护方式。四储丝筒旋转组合件的选择储丝筒组合件主要是由储丝筒、联轴器轴承座组成1. 储丝筒。储丝筒是电极丝稳定移动和整齐排绕的关键部件之一，一般用45钢制成。为减小转动惯量，筒壁应该尽量薄，按机床规格的不同，选用范围为1.55mm。为进一步降低转动惯量，也可选用铝镁合金材料制造。储丝筒壁厚度要均匀，工作表面要有较好的表面粗糙度，一般Ra为0.8m。为保证丝筒组合件动态平衡，应严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。储丝筒与主轴装配后的径向跳动量不应大于0.01mm。一般装配后，以轴的两端中心孔定位，重磨储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。2. 联轴器。走丝机构中运动组合件的电动机轴与储丝筒中心轴，一般不采用整体的长轴，而是利用联轴器将二者联在一起。由于储丝筒运行时频繁的换向，联轴器瞬间受到正反剪切力很大，因此多用弹性联轴器和磨擦锥式联轴器。1）；弹性联轴器见图 。 图2.3弹性联轴器弹性联轴器结构简单，惯性力矩小，转向较平稳，无金属撞击声，可减小对储丝筒中心轴的冲击。弹性材料采用橡胶、塑料或皮革。这种联轴器的优点是，容许电动机轴与储丝筒轴有不同心和不平行（如最大不同心允许为0.20.5mm，最大不平行为1度），缺点是由它联结的两根轴在传递扭矩时会有相对转动。2）；磨擦锥式联轴器 摩擦锥式联轴器可带动转动惯量较大的大、中型机床储丝筒旋转组合件。此种联轴器可传递较大的扭矩，同时在传动负荷超载时，摩擦面之间的滑动还可起到过载保护作用。因为锥形摩擦面会对对电动机和储丝筒产生轴向力，所以在电机主轴的滚动支撑中，应选用向心止推轴承和单列圆锥磙子轴承。另外，还要正确选用弹簧规格。弹力过大，会增大轴向力，影响中心轴的正常转动。 综合上所概括的两种联轴器的特点，在这里可以选择弹性联轴器作为这里联结所用。五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。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。选用时主要有以下几个步骤：1.根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号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。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：1）；加速力矩 = =1.810 = =0.519N/m2）；空载摩擦力矩 =0.63）；附加摩擦力矩 = = =0.519+0.6+1.222 =2.341 =0.95125=23.7754）；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。步进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，空载力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。六、进给机构的支承设计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；因此丝杆的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。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：优点与单推单推式相同，当超过预计温度时，不会因螺杆伸长使轴承产生间隙。缺点：调整较复杂。第三章 电气系统控制 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。一、 DK77型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。 线切割机床电子控制系统主要是高频脉冲电源电路，它是线切割机床的重要部分，用高频脉冲使得电极丝与工件产生火花放电，对工件进行电腐蚀加工。通过调节高频脉冲使工件满足加工精度的要求。高频脉冲电源整流电路、主振电路、脉宽调节电路、功率放大电路等组成。主振电路中有数字振荡电路和模拟振荡电路及分立元件电路。新型机床的功率放大电路主要是在功率管选取上有改进，从普通的三极管功放到大功率、低功耗管和场效应管及功率模块均有不同，但是实际加工生产用的机床大多数采用的还是早期的电路，技术改造也着重在控制器部分，均采用具有微机控制系统、输入键盘器和数控显示器LED或LCD的设备。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。二、数字控制系统设计1数控系统总体方按的拟定主轴电动机软件主运动驱动电路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：步进电机 微 机通信接口步进电机 机 床开关量控制电路 图3.1 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3.2 线切割机微机控制系统组成二、数控系统硬件的电路设计1.单片机设计单片机通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，有些元件如复位电路的石音晶体、电阻、电容等只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。通常所说的单片记系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。2.MCS-51系列单片机的设计 MCS-51系列单片机的所有产品都含8051除程序存储器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源。（程序存储器、数据存储器、i/o口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64kb字节程序存储器和64kb字节数据存储器。内部没有程序存储器，必须外接EPROM程序存储器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分三部分。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。 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。MCS-51单片机属于Intel公司产品，其公司常用的外围器件如表所示。 表3.1 Intel公司常用外围器件 器件型号 器件名称8255A 可编程外围并行接口8155/8156 可编程RAM/IO扩展接口8243 I/O扩展接口8279 可编程键盘/显示接口8251 可编程键盘8253 可编程定时/计数器1.0 8255A可编程外围并行I/O接口8255A是可编程外围输出接口芯片，它具有三个八位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间电路。在8031单片机的I/O口上扩展8255芯片，其接口逻辑相当简单，如下图所示 图3.7 8031扩展8255的连接图图中8255的片选信号CS 及口地址选择线A0、A1分别由8031的p2.7和p0.0、p0.1经锁存器锁存后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH。FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。举例说明8255的编程方法。其各端口地址如下；A口地址：FF7CHB口地址：FF7DHC口地址：FF7EH控制口地址：FF7FH假设要求8255工作在方式0，A口输入，B口，C口作为输出，则工作程序如下：mov a, #90H; 方式0, A口输入，B口、C口输出mov dptr, #0FF7FH; 控制寄存地址dptrmovx dptr, a ;方式寄存器控制寄存器mov dptr , #0FF7CH; A 口地址dptrmovx a, dptr ; 从A口读数据mov dptr， #0FF7DH；B口地址dptrmov a, DATA1; 要输出的数据DATA1 Amovx dptr, a ;将DATA1送B口输出mov dptr ，# 0FF7EH；C口地址 dptrmov a， DATA2 ；DATA2 Amovx dptr， a； 将DATA2送C口输出对8255的C口8位中的任一位均可用指令来置位或复位。例如，如果把c口的第六位PC5置1，相应的控制字为：00001010B=0BH，程序如下：mov dptr，#0FF7FH；控制口地址 dptrmov a， #0BH； 控制字 Amovx dptr , a;控制字 控制口；PC5=1如果把C口的第六位PC5复位，相应的控制字为：00001010B=0AH,程序如下：mov dptr， #0FF7FH；控制口地址 dptrmov a， #0AH；控制字 Amovx