数控工作台机电系统设计毕业设计说明书.doc

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1、1 绪 论1.1前言电火花线切割机床是一类在模具制造等行业中广泛应用的典型数控机床。电火花割加工技术WEDM自问世以来,得到了迅速的发逐步成为机械制造领域中的一个重要组成部分。高速走丝电火花线切割机床是通过线具电极,对工件进行脉冲性放电加工的。工作时脉冲电源的正极接工件,负极接电极电极丝由储丝筒带动往复移动,通过控制工件的运动轨迹和速度,从而切割出符合技求的工件。由于其加工性能与被加工材料无关,而且在加工过程中无切削力,从而容工复杂、精密和高硬度的零件,特别是对薄壁、窄缝零件的加工更具有优势。工材精密复杂零件、微细零件的加工中占有极其重要的地位。近年来,在电机模具行业,模具工业的增长,高速冲硬

2、质合金模具的不断推出,模具的大型化和精密化,采用电线切割来加工模具逐渐被广泛认可。目前国外的线切割机床约占电加工机床的60,在低速走丝线切割机床诞生后不久,我国也自行研制出具有首创性的高速走丝线机床。数十年来,这种机床对我国的制造业发展做出了很大贡献。由于其价格低廉、比高,因而受到国许多中小型企业和工厂的青睐,广泛应用于仪器仪表、家用电器车和电机等行业,尤其在加工制造方面发挥了巨大作用。据统计,目前我国数控高速线切割机床约有10余万台,居世界第一位,20XX国线切割机床产量1。5万台,其大部分是高速走丝的线切割机床。近年来,随着电子技术、计算机技术和控制技术的高速发展,电加工机床的数控也不断地

3、取得了长足的进步。传统的CNC技术由于通用性差、通讯能力弱以及不便于功能等缺点,已逐渐不适应现代制造业发展的要求。因此,目前数控技术正在向通用放式实时动态全闭环控制的模式发展,开放式的数控系统已逐渐成为新一代数控系统流。尽管我国的高速走丝电火花线切割机床与慢速走丝机床相比,在结构、工艺和数术等方面仍有一定差距,但是仍非常适合于加工中等精度和表面粗糙度的零件或模具此提高线切割加工设备的性能对加快我国制造业的发展有着重要意义。当前发达国家正在紧锣密鼓地进行着开放式数控系统的研究,正为我国数控产业展提供了良好的契机,开发我国自主的开放式数控系统平台是赶超发达国家的历遇。我国控制器硬件由于受制造业水平

4、的影响可靠性差,成为制约我国数控产业发展颈。借用PC硬件和建立开放式控制系统软件平台就完全可以绕开这个问题。数控技开放式道路,将我国同世界上发达国家的数控研究摆在了同一起跑线上,我们只有抓个机遇,才能开发出具有中国自主的高性能数控系统,独立自主地发展我们自己控产业,打破国外对我国的技术垄断。此外,现有文献数据采样插补算法存在着许多点和不足之处。有鉴于此,本课题电火花线切割加工机运丝机构及数控工作台机电系统设计针对培养数控系统模块化设计指导思想、提高高速走私线切割加工设备的性能而提出的。1.2国外动态1.2.1国外电火花线切割加工技术的发展及现状1943年,原联学者拉扎连科夫妇研究电火花放电时开

5、关触点受腐蚀损坏的现象和原因,发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、气化而被蚀除掉,从而开创和发明了电火花加工方法。电火花线切割加工是在电火花加工的基础上于50年代末最早在原联发展起来的一种新的工艺形式,是用线状电极靠火花放电对工件进行切割,故称为电火花线切割。电火花线切割加工以获得广泛的应用。目前国外的线切割机床约占电加工机床的60%以上。与电火花成型加工方法相比,线切割加工方法具有设备成本低、生产效率高以及工具电极的设计和制造大大简化等特点,同时还可节约一部分材料。因此,线切割加工方法自问世于前联以来,得到了迅速的发展。近20年来,电火花线切割机床的价格下降了六倍多,加工速度提高了十几倍

6、,工件的最大尺寸增加了十四倍,可加工的工件锥度达到80。目前慢走丝线切割机床最小驱动单位达0.lum,加工精度已接近或达到精密磨削的精度,最大切削速度超过3O0mm2/min,标志着WEDM总的加工速度有了明显的提高,微精加工脉冲电源的开发,使精加工表面粗糙度可达到Ra0.l0.2m。 线切割加工水平的提高使它从特种加工进入到常规加工的行列。线切割加工水平的提高不仅归功于机械结构和工艺方法的改善,更得力于先进技术的应用和计算机软件的发展。欧美和日本等国研究的数控低速走丝电火花线切割机床,采用闭环数字交流伺服控制系统,动态性能好、定位精度高。同时机床具有数字自适应控制电源,并具有自动走丝、自动卸

7、除废料、短路自动回退等自动化技术,对电极丝力和工作液压力也可进行控制。同时,集以D、以PP、CAM及仿真于一体的自动编程系统不断发展和成熟,目前基于PC的图形交互式自动编程系统成为线切割自动编程系统的主流。从20XX美国芝加哥国际机床展展出的线切割机床可以看出当前国外WEDM的技术特点与发展动向：提供不同档次的系列产品,供用户选择改进了走丝系统,使运丝更平稳,力更稳定自动穿丝与自动重穿丝技术该功能虽然是国外WEDM普遍配备的,但近年来的改进重点在提高可靠性和穿丝速度上。减少机床的热变形,提高热稳定性高精度的锥度切割直线电机的应用联网这是一个在适应网络时代的到来而开拓的新功能。虽然与外部计算机的

8、通信并不是新鲜事,按任务的要求可以把外部计算机看成是机床数控系统的外围设备,也可以把机床看成是外部计算机的一个终端。这一功能尽管目前的实用性还不够明显,但无疑是今后的一个发展方向。拓展在零件加工中的应用高速度加工高速度化一直是国外厂商追求的目标。在这方面,日本厂商一直走在世界的前列。例如,三菱电机公司的标准型DWCH系列机床,由于采用G25电源,最高生产率达250mm2/min,其经济型DWCC2系列机床也是250mm2/min。著名的Sodick公司的A500E型电火花线切割机的电源数控柜由于采用32位CPU,使加工速度大幅度提高,同样可以达到300mm2/min。快走丝电火花线切割技术最初

9、是在我国发展起来的一种电火花加工方法,它与慢走丝电火花线切割技术无论从加工方法还是加工装置上都有很大区别。因此,我国的电火花线切割技术的发展主要体现在快走丝线切割技术的进步上。相对而言,我国的慢走丝电火花线切割技术起步较晚,其水平与国外同类产品相比还存在较大的差距。1.2.2我国电火花线切割技术的发展及现状1、机床品种多样化,年产量稳步增长多年来,我国生产的数控电火花切割机一直是单一的高速走丝线切割机。随时间推移,为了满足市场需求,又开发生产了自旋式电火花线切割机、走丝速度可调的电火花切割机以及低双速走丝电火花线切割机等。机床品种的多样化可以满足用户的需要,扩大数控电火花线切割机加工的应用围。

10、高速走丝电火花线切割机是我国当前发展的主要产品,广大的科技工作者为了进一步提高它的工艺性能及自动化程度做了大量开发工作,并开发生产了2000mm1200mm500mm及1000mm630mm1000mm等超大型高速走丝电火花线切割机床,扩大了它的应用围,满足了用户的各种需要,使其年产量稳步增长,至今以达到了12000台/年,并有约300台/年出口到世界各国。低速走丝电火花线切割机过去曾是进口机的代名词,现在已有沙迪克三光机电、阿奇工业电子、电加工机床研究所,汉川机床厂等多家制造厂商自行开发生产,年产量达300多台。这些机床性能好,价格不到进口机的一半,深受国用户的欢迎。自旋式电火花线切割机和走

11、丝速度可调的电火花线切割机目前虽处在开发和完善阶段,产量也不大,但开发思想都是企图借鉴高速走丝和低速走丝二者的优点创造一种新型的电火花切割方法。它的成功不仅能为我国的电火花线切割增加一个新品种,并以它的性能价格比好以及加工消耗低的特点找到它自身的应用围,而且为高速走丝的电火花线切割机的多次切割工艺奠定基础。2、高速走丝系统日趋完善高速走丝有助于工作液进入窄小的加工区,改善排屑条件,这对于切割大厚度工件以及提高切割速度都是很有作用的。同时,电极丝的往返运动可使电极丝重复使用,减少电极丝的消耗,降低切割加工的生产成本。然而,高速走丝也会造成导向器的磨损和系统的振动,加上电极丝的力不容易控制,它将给

12、加工稳定性、加工精度及表面质量带来严重影响。为了解决高速走丝所存在的问题,完善高速系统,广大科技工作者己做了大量的开发研究工作,并获得了明显的效果。大量电子设备已于1999年开发生产了数字程序控制短程往返走丝系统,根据加工条件设定正向移动和反向移动的时间,以消除高速走丝的换向切割条纹,改善加工表面质量。阿奇工业电子根据高速走丝正向和反向移动力不一的缺点,开发了新型的恒力高速走丝机构。这种新型的恒力高速走丝机构。这种新型机构不仅可以紧丝,而且可以保证正向和反向移动时电极丝的力基本一致。因此,走丝系统上、下丝架的导轮是对称设置的,可以保证正、反向移动时产生摩擦阻力相近,使电极丝的力在整个过程中恒定

13、。电极丝的力直接影响电极丝的振动和频率,并影响线切割加工的效果,为了使高速走丝系统的电极丝的力恒定,华中理工大学开发了一种高速走丝线切割机铝丝恒力伺服系统。这种控制系统的实际使用虽然存在不少问题,但他们的开发思路是积极的。为了提高丝架的刚性,江南电子仪器厂开发了龙门式丝架,非常适合于大中型电火花线切割机,且锥度切割不受偏移量限制。沙迪克三光机电开发生产的锥度切割装置可以稳定切割720的锥型零件,而金马机械电子公司的DK7740B机床能在200mm厚的工件做300锥度的切割,表明近几年来我国高速走丝WEDM机床的加工围有了较大发展。1.3课题的提出意义与目的通过上文的介绍,我们已经对国外电火花线

14、切割机床的发展有了一个基的认识。线切割加工主要用于模具制造,随着市场竞争的日益激烈,模具开发术难度越来越大,加工要求也越来越高,时间和成本估算要求越来越严格,谁快速提供市场和客户可以接受的产品,缩短产品研制、上市的时间,谁就赢得市场竞争的主动权。福斯特数控机床生产的数控电火花线切割机床的数控系统是90年代初研制的产品,采用单板机作为主机。这种基于单板机有存储器容量小,以实现掉电保护、接口电路扩展不方便、抗干扰性能较差等不足之处。近10年来电子技术有了很大的发展,各种芯片的价格越来越低,功能越来越强。为可赢得市场,该公司需要开发一套针对中小型用户的经济型电火花线切割机床的数控系统,要求用单片机系

15、统实现32位工控机所具有的大锥度切割功能并且具有较低价位。由于单片机在集成度、面向控制、可靠性和多机通信等方面优于单板机,机电一体化系统中的理想控制部件。90年代以来,许多WEDM便采用了单片机作控制器。该类控制器运行可靠、价格低、体积小。从软件角度来看,该类控制系统一般具有监控和加工两种运行状态。在监控状态下,可输入加工程序,可进行程序编辑、检查、修改、删除和插入。在加工状态下,可执行快速较零、空走、正割、逆割、短路回退、断丝归零、对中；可进行图形变换,如比例缩放、任意角度旋转、对称及循环平移。系统软件由主程序、显示、监控状态键盘处理、加工状态键盘处理、通信、运算与交换、变频中断服务、短路检

16、测及处理、对中心与对端面、时钟中断服务、掉电中断服务等模块组成。2电火花线切割机的原理与结构2.1电火花线切割加工的基本原理电火花线切割加工是电火花加工的一个分支,是一种直接利用电能和热能进行加工的工艺方法,线切割加工的基本原理与电火花成形加工相同,但加工方式不同,它是用细金属丝作电极。线切割加工时,线电极一方面相对于工件不断地移动,另一方面,装夹工件的十字工作台,由数控伺服电动机驱动,在x、y轴方向实现切割进给,使线电极沿加工图形的轨迹运动对工件进行切割加工。线切割机床通常分为两类:快走丝和慢走丝。前者是电极细钼丝作高速往复运动,走丝速度为8m/s10m/s,国产的线切割机床多是此类机床。慢

17、走丝机床的电极做低速单向运动,一般走丝速度低于0.2m/s。图2.1是快走丝切割加工的示意图。工具电极细相丝5穿过工件2上预先钻好的小孔,经导轮由储丝筒4带动作往复交替移动,工件通过绝缘板1安装在工作台上,工件台在水平面X、Y两个坐标方向各自按给定的控制程序移动而合成任意平面曲线轨迹。脉冲电源3对电极丝与工件施加脉冲电压,电极丝与工件之间绕注一定压力的工作液,当脉冲电压击穿电极丝与工件之间的间隙时,两者之间产生火花放电而切割工件。图2.1快走丝切割加工的示意图线切割的加工精度可达士0.01mm,表面粗糙度Ra为1.25m2.3m。线切割机床的控制方式有靠模仿型控制、光电跟踪控制、数字程序控制等

18、方式,但目前国外95%以上的线切割机床都己数控化,采用不同水平的数控系统:单片机、单板机和微机。线切割加工属于电火花加工,但由于采用细金属丝做工具电极,无需制作成型工具电极,大大降低了成型工具电极的设计、制造费用,缩短了生产准备时间,而且细的电极丝可以加工细微的异形孔、窄缝和复杂的工件。由于采用移动的长电极丝进行加工,单位长度电极丝的损耗较小,从而对加工精度的影响较少。线切割加工广泛应用于加工各种硬质合金和淬火钢冲模、样板、各种外型复杂的精细小零件、窄缝等,并可多件叠加起来加工,能获得一致的尺寸,因此线切割机床是模具制造企业必不可少的设备。对于多品种少批量的零件、特殊难加工材料的零件、材料实验

19、样件、各种孔型、特殊齿轮、凸轮、样板、成型刀具等零件的制造,线切割加工也具有极大的优势。由于不需要制造模具,在新产品试制中可以大大缩短制造周期、降低成本。四轴联动的线切割机还可以加工锥体、上下异形体等复杂形状零件。总之,线切割加工已经成为了一种非常普及的特殊加工工艺。2.2电火花线切割机的基本组成与结构快走丝线切割机床主要由机床本体、脉冲电源、数控系统三个部分组成,如图2.2所示：图2.2线切割机床的组成2.3机床主体机床主体主要由坐标工作台、高速走丝机构、丝架导轮机构、工作液系统、脉冲电源五部分组成,X、Y坐标工作台是用来装夹被加工工件,X轴、Y轴由控制器发出进给信号,分别控制两步进电动机,

20、运行预定的轨迹。2.3.1床身床身是支撑和固定坐标工作台、走丝机构等的基础。一般采用箱式结构,床身里面可以放置脉冲电源、工作液循环装置和机床电气设备等。床身上安装有机床电气的操作面板,面板上有开关、指示仪表、调节旋钮等。因此,要求床身有一定的刚度和强度。床身的台面必须有足够的面积以便安装坐标工作台和走丝机构等。如果将工作液循环装置、机床电气和脉冲电源等放置在床身的部,那么床身的部应有足够的容积来安装。现在的机床一般采用电气系统独立安装在控制箱柜。2.3.2坐标工作台X、Y坐标工作台用来装夹工件,X轴和Y轴由控制台发出进给信号,分别控制两个步进电机,进行预定的加工。坐标工作台由滑板、导轨、丝杠运

21、动副、齿轮传动机构四个部分组成。如图2.3所示： 图2.3坐标工作台1滑板 滑板主要由上滑板1、中滑板2、下滑板3组成。通常下滑板与4床鞍固定连接,中滑板置于下滑板之上,运动方向为坐标X方向；上滑板置于中滑板之上,运动方向为坐标Y方向。其中上、中滑板一端呈悬臂梁形式,以放置步进电动机。为在减轻质量的条件下,增加滑板的结合面,提高工作台的刚度和强度,应使上滑板在全行程中不伸出中滑板,中滑板不伸出下滑板。这种结构使坐标工作台所占面积较大,通常电动机置于滑板下面,增加了维修的难度。2导轨 坐标工作台的纵、横滑板是沿着导轨往复移动的。因此,对导轨的精度、刚度和耐磨性有较高的要求。此外,导轨应使滑板运动

22、灵活、平稳。 此次设计的线切割机选用滚动是导轨,因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦力,便于工作台实现精确和微量的移动,且润滑方法简单。缺点是接触面之间不易保持油膜,抗震能力较差。滚动导轨有滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨等几种形式。在滚珠导轨中,滚珠与导轨是点接触,承载能力不能过大。在滚柱导轨和滚针导轨中,滚动体与导轨是线接触,因此有较大承载能力,因此被选用。为了保证导轨精度,各滚动的直径误差一般不应大于0.001mm。在相切割机床中,常用的滚动导轨还有一下两种：力封式滚动导轨 力封式是借助运动件的重力将导轨副封闭而实现给定运动的结构形式。 图2.4是力封式滚动导轨结构简图。承导件有两根V形导轨,运

23、动件上两根与承导件相对的导轨中,一根是V形导轨,另一根是平导轨。这种机构具有较好的工艺性,制造、装配、调整都比较方便；同时,导轨与滚珠的接触面也比较大,受力较均匀,润滑条件较好。缺点是滑板可能在外力的作用下向上抬起,并因此破坏传动。当搬运具有这种形式的机床时,必须将移动件加紧在机床上。图2.4 力封式滚动导轨结构简图 图2.5 自封式滚动稻谷结构简图自封式滚动导轨 图2.5是自封式滚动导轨结构简图。自封式是指有承导件保证运动件按给定要求运动的结构形式。其优势是运动不易受外力影响,防尘条件好。但结构复杂,每个V形槽两侧面受力不均,工艺性也较差,一般很少采用。 工作台导轨一般采用镶件。由于滚柱与导

24、轨是线接触,导轨单位面积上承受的压力很大,同时滚柱硬度较高,所以导轨应具有较高的硬度,为了保证运动件运动的灵活性和准确性,导轨的表面粗糙度Ra值应在0.8um以下,工作面的平面度应为0.05/400mm。导轨的材料一般采用合金工具钢。为了最大限度的消除导轨在使用中变形,导轨应进行冰冷处理和低温时效。3丝杠传动副 丝杠传动副的作用就是将传动电动机的旋转运动变为直线运动。要使丝杠副传动精确,丝杠与螺母就必须精确,一般应保证IT11级和高于IT11级的精度。丝杠副的传动螺纹一般分为三角普通螺纹、梯形螺纹和圆弧螺纹三种。三角普通螺纹和体形螺纹结构简单,制造方便,精度易于保证。因此,在中、小型线切割机床

25、的丝杠传动副中运用的比较广泛,但这种丝杠副传动为滑动摩擦,传动效率较低。大、中型线切割机床常用圆弧形螺纹滚珠丝杠。在此选用圆弧形滚珠丝杠,如图2.3所示,滚珠丝杠能传动副能够有效的消除丝杠与螺母间的配合间隙,可使滑板的往复运动灵活、精确。 丝杠与螺母之间不应有传动间隙,以防止转动方向改变时出现空程现象,造成加工误差,所以,一方面要保证丝杠和螺母牙形与螺距等方面的加工精度；另一方面要消除丝杠间的配合间隙,通常有以下两种方法：轴向调节法 利用双螺母、弹簧消除丝杠副传动间隙的方法是简便易行的,如图2.6所示。当丝杠正转时,带动螺母1和滑板一起移动；当丝杠反转时,则推动副螺母4,通过弹簧2和螺母1,使

26、滑板反向移动。装配和用背帽调整时,弹簧的压缩状态要适当。弹力过大,会增加丝杠对螺母和副螺母之间的摩擦力,影响传动的灵活性和使用寿命；弹力过小,在副螺母受丝杠推动时,弹簧推动不了滑板,不能起到消除间隙的作用。从图2.3中可以看出本设计选用的间隙调节方法也属于轴向调节法。图2.6双螺母弹簧消除间隙的结构径向调节法 图2.7为径向调节丝杠副间隙的结构。螺母一端的外表面呈圆锥形,沿径向铣三个槽,劲部壁厚较薄,以保证螺母在径向收缩时带弹性,圆锥底部处的外圆柱面上有螺纹,用带有锥孔的调整螺母与之配合,使螺母三爪径向或离开丝杠,消除螺纹的径向和轴向间隙。图2.7径向调节丝杠副间隙的结构4齿轮传动机构 从2.

27、3图中可以看出步进电动机与丝杠间的传动采用齿轮副来实现,由于齿侧间隙、轴与轴承之间的间隙及传动链中的弹性变形的影响,当步进电动机主轴上的主动齿轮改变转动方向时,会出现传动空程,为了减少和消除齿轮传动空程,应当采取以下措施：采用尽量少的齿轮减速级数,力求从结构上减少齿轮传动精度的误差。采用齿轮副中心距可调整结构,也可通过改变步进电机的固定位置来实现。将从动齿轮或介轮沿垂直于轴向剖分为双轮形式,如图2.8所示。装配时应保证两轮齿廓分别与主动轮齿廓侧面接触,当步进电动机变换旋转方向时,丝杠能迅速得到相应反映。图2.8 柔性轴向弹簧消隙法从图2.3中可以看出本设计传动齿轮间隙的消除是采用了第三种方法。

28、2.3.3. 高速走丝机构运丝机构的运动是由丝筒电机正反转得到的。电机通过联轴器与丝筒连接,丝筒装有齿轮,通过过渡齿轮与丝杆上的齿轮啮合,丝杆固定在丝板上,螺母固定在底座上,托板与底座采用装有滚珠的V形滚动导轨连接,这样丝筒每转一周托板直线移动相应的距离,因此机床工作前应根据零件厚薄和精度要求在直径为0.06-0.20mm的围选择适当的钼丝直径。（1） 对高速走丝机构的要求高速走丝机构的储丝筒转动时,还要进行相应的轴向移动,以保证电极丝在储丝筒上整齐排绕。储丝筒的径向跳动和轴向窜动量要小。储丝筒要能正反转,电极丝的走丝速度在7-12m/s围无级或有级可调,或恒速运转。走丝机构最好与床身相互绝缘

29、。传动齿轮副,丝杆副应该具备润滑措施。（2） 高速走丝机构的组成与结构高速走丝机构由储丝筒、联轴器、上下托板、齿轮副、换向装置和绝缘部分组成,如图2.9所示图2.9 储丝机构结构图储丝筒由电动机通过联轴器带动正反方向转动。储丝筒另外一端通过两对齿轮减速后带动丝杠。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杠则安装在托板沙锅,调整螺母装在底座上,托板在底座上来回移动。螺母具有消除间隙的副螺母和弹簧,齿轮及丝杠螺距的搭配为每旋转一圈托板移动0.21mm。所以储丝筒适用0.21mm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

30、应完全彻底消除。储丝筒本身作高速正反向转动,电机、滚筒及丝杠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、导轨及丝杠、螺母等每班应注油一次。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号钢制造。为了减少转动惯量,筒壁应尽量薄,按机床规格,本次设计应选用5mm符合1.5-15mm。储丝筒壁厚要均匀,工作表面要有较好的表面粗糙度,一般Ra为0.8m。为保证储丝筒组合件动态平衡,应严格控制孔、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应不大于0.01mm。一般装配后,以轴的两端中心孔定位,冲模储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。 联轴器 走

31、丝机构中运丝组合件的电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换向,联轴器瞬间受到的正反剪切力很大,因此多采用弹性联轴器和摩擦锥式联轴器。a.弹性联轴器如图2.10所示,弹性联轴器结构简单,惯性力矩小,换向较平稳,无金属撞击声,可以减少对储丝筒中心轴的冲击。弹性材料采用橡胶、塑料或者皮革。这种联轴器的优点是,允许电动机轴与储丝筒轴稍有不同心和不平行最大不同心允许为0.20.5mm,最大不平行为1,缺点是由它连接的两根轴在传递扭矩 图2.10弹性联轴器结构时会有相对转动。b. 摩擦锥式联轴器 如图2.11所示,摩擦锥式联轴器可带动转动惯量大的大

32、中型储丝筒旋转组合件。这种联轴器可传递较大的扭矩,同时在传动负荷超载时,可以起到过载保护作用。因为锥形摩擦面会对电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滚 图2.11摩擦锥式联轴器结构子轴承。此外,还要正确选用弹簧规格。弹力过小,摩擦面打滑,使传动部稳定或摩擦面过热烧伤；弹力过大,会增加轴向力,影响中心轴的正常转动。除了以上两种联轴器外,还有磁力联轴器,因为不常用,在此就不详细说明了。参照本次设计要求,选择性价比最高的,显然弹性联轴器可以满足条件,因此本次设计选用弹性联轴器。上下托板 走丝机构的上下滑板多采用燕尾形滑动导轨和三角形、矩形组合式导轨。a.

33、 燕尾型导轨 这种结构紧凑,调整方便。旋转调整杆带动塞铁,可改变导轨副的配合间隙。但该结构制造和检验比较复杂,刚性较差,传动中摩擦损失也比较大。b. 三角、矩形组合式导轨该组合式导轨结构如图2.12所示。导轨的配合间隙由螺钉和垫片组成的调整环节来调节。由于储丝筒走丝机构的上托板一边装有运丝电动机,储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上托板能平稳的往复移动,应把下托板设计的较长以使走丝机构工作时上托板部分始终不滑出 图2.12三角、矩形组合式导轨下托板,从而保持托板的刚度,机构的稳定性及运动精度。 经比较,显然三角、矩形组合式导轨是比较理想的,因此,决定选用此种导轨作为本次设计之用。齿轮副与丝杠副

34、从图2.9中可以看出本设计走丝机构的上托板的传动链是由2级减速齿轮副和一组丝杠副组成,它使储丝筒在转动的同时,作相应的轴向位移,保证电机丝整齐的排绕在储丝筒上。在本次设计线切割机中,走丝机构常是通过配换齿轮来改变储丝筒的排丝筒的排丝距离,以适应排绕不同直径电极丝的要求,但是根据此次课题要求,钼丝直径不能超过0.21mm。线架、导轮部件结构线架与走丝机构组成了电极丝的运动系统,如图2.13所示。图2.13 线架与走丝机构线架的主要作用是在电极丝按给定的线速度运动时,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一定的几何角度,对线架的要：a.具有足够的刚度和强度,在电极丝运动特别是高速走

35、丝时,不应出现振动和变形；b.线架的导轮有较高的运动精度,径向偏摆和轴向窜动不超过5m ；c.导轮与线架本体,线架与床身之间有良好的绝缘性能；d.导轮运动组合件有密封措施,可防止带有大量放电产物和杂质的工作液进入导轮轴承；e.线架不但能保证电极丝垂直于工作台平面,而且具有锥度切割功能的机床上,还应具有能使电极丝按给定的要求保持与工作台平面呈一定的角度。线架按功能可分为固定式,升降式和偏移式三种类型；按结构可分为悬臂式和龙门式两种类型。从图2.13中可以看出悬臂式升降线架主要由线架本体,导轮运动组合件及保持器等组成。中小型线切割机床的线架本体常采用单柱支撑,双臂悬梁式结构。由于支撑电极丝的导轮位

36、于悬臂的端部,同时电极丝保持一定力,因此应加强线架本体的刚度和强度,使线架的上下悬臂在电极丝运动时不致振动和变形。此外,针对不同厚度的工件,还有采用丝臂开高度可调的分离式结构,活动丝臂在导轨上滑动,上下移动的距离由丝杠副调节。松开固定螺钉时,旋转丝杠带动固定于上丝臂体的丝母,使上丝臂移动。调整完毕后拧紧固定螺钉,上丝臂位置便固定下来。为了适应线架臂开高度的变化,在线架上下部分应增设副导轮,如图2.13所示。导轮是本机床的关键零件,关系到切割质量,对导轮运动组合件的要求如下：a.导轮V形槽面应有较高的精度,V形槽底的圆弧半径必须小于选用的电极丝半径,保证电极丝在导轮槽运动时不产生轴向移动。b.在

37、满足一定强度要求下,应尽量减轻导轮质量,以减少电极丝换向时的电极丝与导轮间的滑动摩擦。导轮槽工作面应有足够的硬度,以提高其耐磨性。c.导轮转配后转动应轻便灵活,应尽量减少轴向窜动和径向跳动。d.进行有效的密封,以保证轴承的正常工作条件。导轮运动组合件的结构主要有三种：悬臂支撑结构,双支撑结构和双轴尖支撑结构。由于双支撑结构为导轮居中,两端用轴承支撑,结构复杂,上丝麻烦；而双轴尖支撑结构运动副磨擦力大,易发热和磨损。所以综合考虑本次设计选用悬臂支撑结构作为导论运动组合件,如图2.14所示。图2.14 悬臂支撑导轮结构导轮组合件装配的关键是消除滚动轴承中的问题,避免滚动体与套环工作表面在负荷作用下

38、产生弹性变形,以及由此引起的轴向窜动和径向跳动。因此,常用对轴承施加预负荷的方法来解决。通常是在两个支撑轴承的外环间放置一定厚度的定位环来获得预负荷。预加负荷必须适当选择,若轴承受预加负荷过大,在运转时会产生急剧磨损。同时,轴承必须清洗的很洁净,并在显微镜下检查滚道是否有金属粉末,碳化物等,轴承经清洗、干燥后,填以高速润滑脂,起润滑和密封作用。2.3.4工作液系统工作液系统用以在电火花线切割加工过程中,供给有一定绝缘性质的工作介质一一工作液,以冷却电极丝和工件,排除电蚀产物等,这样才能保证火花放电持续进行。一般线切割机床的工作液系统包括:工作液箱、工作液泵、流量控制阀、进液管、回液管及过滤网等

39、。2.4储丝走丝部件主要零件强度计算2.4.1齿轮传动比的确定钼丝最大直径选择0.2mm储丝筒每转一周,选择托板带动储丝筒移动0.21mm,丝杠螺距选择为2mm 。所以储丝筒与丝杠间的齿轮传动比为：由于圆柱齿轮单级传动比应小于5,故采用两级传动,如图2.15所示。采用二级齿轮传动,取图2.15 走丝原理（1） 丝速计算 电极丝线速度的计算公式为 n电异步电机的转速r/min D储丝筒直径mm据所选电动机Y802-6,可知n电为900r/min；D为175mm,所以在高速走丝810m/s围之。（2） 走丝部件的储丝筒每转一圈时其轴向移动的距离 走丝部件的储丝筒每转一圈时,其轴向移动距离s的计算公

40、式为a、b、c、d齿轮的齿数；P丝=2mm,则2.4.2 齿轮齿数的确定取,由于齿轮齿根与轴上键距离不能为零。 即由d=16mm 查设计手册得： 而代入上式得：取m=1.5 则;取,则齿轮a与b之间的中心距：mm齿轮c与d之间的中心距：mm相关数据如下：mmmmmm；2.4.3 传动件的计算根据公式 其中 N该传动轴的输入功率其中电机额定功率从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积该传动轴的转速r/min 计算转速是传动件能传递全部功率的最低转速每米长度上允许的扭转角deg/m 取 mm2.4.4此轮模数的计算齿轮弯曲疲劳估算：mm 齿面电蚀估算：mm 其中为大齿轮的计算转速,A为齿轮中心距

41、 中心距A及齿数、求出模数mm 取、 中较大者 mj=0.981 ,所以取m=1.52.5 储丝走丝部件主要零件强度验算2.5.1 齿轮强度的验算齿根危险截面的弯曲强度条件式载荷系数,齿宽系数,取0.5使用系数,取1载荷系数,取1.05齿间载荷分配系数,齿向载荷分布系数小齿轮传递的转矩, 查设计手册的：载荷作用于齿顶时齿形系数载荷作用于齿顶时应力校正系数 查表得： 则根据齿根危险截面的弯曲强度条件式计算得：疲劳强度安全系数=1,=1.251.5寿命系数,齿轮的疲劳极限实验齿轮的应力修正系数,=2.0MPa 所以 ： 式中 : 区域系数,弹性影响系数 , ,则 ,因此,所设计齿轮也满足齿面接触疲

42、劳强度要求,齿轮设计合格2.6 主轴组件结构设计2.6.1 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几种配置形式：1前后支撑均采用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷,安装在前端的两个推力球轴承用来承受前后方向的轴向载荷。这种结构能承受较大的负载,可适应强力切削,但主轴转速不能太高,轴承在高转速时容易发热。由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,这种机构目前应用较小。 2前后支撑用双列短圆柱滚子轴承来承受径向载荷,用安装在主轴前端的双向向心推力轴承来承受轴向载荷

43、。这种结构刚性较好。 3前端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前后支撑均采用单列向心推力球轴承,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。本次设计主轴所采用的轴承支承方式为第四种。2.6.2 主轴组建的调整和预紧滚动轴承的预紧,是指在安装时使轴承部滚动体与套间,保持一定的初始压力和弹性变形,以减小工作载荷下轴承的实际变形量,从而改善支撑刚度、提高旋转精度的一种措施。轴承的

44、预紧分轴向预紧与径向预紧,轴向预紧又包括定位预紧和定压预紧。本设计中轴承轴向预紧一般利用轴肩或端盖达到定压预紧；径向预紧则直接利用轴承和轴劲的过盈配合,使轴承圈膨胀,以消除径向游隙并产生一定预变形。2.7 进给传动设计2.7.1 脉冲当量和传动比的确定1脉冲当量的确定目前,常用脉冲编码器兼做位置和速度反馈。步进电机每转动一周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。步进电机是以中国电脉冲控制的特种电机,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,可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。 因此,每脉

45、冲代表电机一定的转角,这个转角经齿轮副和滚珠丝杠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,单位mm/脉冲。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,脉冲当量值必须小于定位精度值。此次设计的电火花线切割机对机床定位精度的设计要0.01mm,根据精度要求可确定脉冲当量为mm/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,则 ,、为主动齿轮的转速和齿数,、为被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,当脉冲给你当量确定,并且滚珠丝杆导程mm和电机步距角都也已初步选定后,

46、则可用下式计主轴系统的传动比：2.7.2 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。对于滚珠导轨： 式中：工作台进给方向载荷工作台垂直载荷工作台横向载荷移动部件的重力,取1200kg考虑颠覆力矩影响的实验系数考虑颠覆力矩影响的摩擦系数,取0.005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： 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选用,最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝杠的最大动载荷应用下列公式计算： , ,式中：工作寿命,单位丝杠转速,单位最大切削力条件下进给速度,单位,可取最高进给速度的1/21/3丝杠基本导程,单位mm额定使用寿命,取运转状态系数,无冲击取11.2,一般情况1.21.5,有冲击振