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編號
畢業(yè)設(shè)計(jì)
題 目
數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
學(xué) 號
系 部
專 業(yè)
班 級
指導(dǎo)教師
二〇一四年X月
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）誠信承諾書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）（題目：數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)）是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。
作者簽名： XXX 2014年 X月X日
畢業(yè)設(shè)計(jì)
數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)及進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
摘 要
隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)競爭的日趨激烈，產(chǎn)品的更新速度越來越快，復(fù)雜形狀的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。激烈的市場競爭使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短。傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已經(jīng)難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求。
高速走絲線切割機(jī)是我國獨(dú)創(chuàng)的電加工設(shè)備，它結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，使用成本低，是我國產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的機(jī)床種類之一。本次畢業(yè)主要對數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。了解機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)組成，對主要零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，最后完成進(jìn)給機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：線切割，進(jìn)給機(jī)構(gòu)，控制系統(tǒng)
Abstract
With the rapid development of science and technology and economic competition is becoming increasingly fierce, product updates faster, more and more complex shape parts, the accuracy of the increasingly high demand, many varieties, small batch production has increased significantly. In the fierce market competition, product development and production cycle is shorter and shorter. The traditional processing equipment and manufacturing method has been difficult to adapt to the high efficiency and high quality processing the diversity, flexibility and complex shape parts requirements.
High speed WEDM machine electric processing equipment originated in China, it has the advantages of simple structure, low price, low use cost, is one of the most widely used machine type to the largest of China's output, application. The graduation is mainly on the NC WEDM machine structure design. To understand the basic structure of the machine, the main parts design, complete feed mechanism control system
Keywords: wire cutting, feed mechanism, control system
目 錄
摘 要 I
Abstract II
第一章 緒 論 4
1.1 高速走絲線切割機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀 4
1.2 高速走絲線切割機(jī)床加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 2
1.3高速走絲線切割機(jī)床的特點(diǎn) 3
1.3.1高速走絲線切割電火花加工的優(yōu)點(diǎn) 3
1.3.2高速走絲線切割電火花加工的局限性： 3
1.4 高速走絲線切割機(jī)床的工作原理 3
1.5 本文主要研究的內(nèi)容 4
第二章 高速走絲線切割機(jī)床總體方案設(shè)計(jì) 4
2.1 高速走絲線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)組成 4
2.2 高速走絲線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 5
1.2.1 總體設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想 5
1.2.2 總體布局方案設(shè)計(jì) 5
第三章 高速走絲線切割機(jī)床整體設(shè)計(jì)計(jì)算 6
3.1設(shè)計(jì)參數(shù) 6
3.1.1 機(jī)械手自由度的分配 6
3.2儲絲走絲部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6
3.2.1對高速走絲機(jī)構(gòu)的要求 6
3.2.2 高速走絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn) 7
3.2.3 儲絲走絲部件主要零件強(qiáng)度計(jì)算 8
3.2.4 儲絲走絲部件主要零件強(qiáng)度驗(yàn)算 13
3.3 進(jìn)給傳動設(shè)計(jì) 17
3.3.1 滾珠絲桿螺母副的型號選擇 17
3.3.2 滾珠絲桿的選型和校核 19
3.4 伺服電機(jī)的選用 21
3.4.1 扭矩的計(jì)算 21
3.4.2 啟動矩頻特性校核 23
第四章 數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24
4.1 三菱的GX Developer 編程軟件簡介 24
4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法 24
4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫及說明 26
4.2.1 手動自動選擇程序 26
4.3.2 手動程序 27
4.3.3 上電回原點(diǎn)程序 27
4.3.4 極限位置保護(hù)程序 28
4.3.5 自動程序 29
第五章 總結(jié) 30
參 考 文 獻(xiàn) 31
致 謝 32
III
第一章 緒 論
1.1 高速走絲線切割機(jī)床技術(shù)現(xiàn)狀
具有我國特色的數(shù)控高速走絲電火花線切割加工技術(shù)自60年代末研制成功以來，經(jīng)過30年的不斷完善和發(fā)展，現(xiàn)已成為制造業(yè)中不可缺少的加工手段。目前，高速走絲線切割機(jī)的切割速度已由過去的20～40mm2/min普遍提高到100mm2/min以上，有的可達(dá)到260mm2/min，機(jī)床的加工精度為±0.01mm，工件的表面粗糙度為Ra1.25～2.5μm,因而可滿足一般模具加工和其他復(fù)雜零件制造的要求。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各類產(chǎn)品的制造要求越來越高，對線切割加工技術(shù)也提出了更高的要求。國外(歐美、日本等)研究發(fā)展的數(shù)控低速走絲電火花線切割機(jī)為適應(yīng)對制造加工技術(shù)的要求，采用閉環(huán)數(shù)字交(直)流伺服控制系統(tǒng)，確保優(yōu)良的動態(tài)性能和高定位精度，加工精度可控制在若干微米以內(nèi)。同時(shí)機(jī)床具有數(shù)字自適應(yīng)控制電源、自動穿絲、自動卸除廢料、短路自動回退等自動化技術(shù)，此外對電極絲張力和工作液壓力也可進(jìn)行控制。由于使用了新技術(shù)并注重計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的更新和發(fā)展，低速走絲線切割機(jī)的工藝指標(biāo)已達(dá)到了相當(dāng)高的水平。即使對形狀復(fù)雜零件的加工，最高切割速度也可超過300mm2/min；尺寸精度可達(dá)到±2～5μm；表面粗糙度可達(dá)到Ra0.1～0.2μm(多次切割)。機(jī)床的自動化程度高，加工穩(wěn)定性好，已向無人化加工發(fā)展。
由于高、低速走絲線切割加工采用不同的技術(shù)方案，無論是機(jī)床的結(jié)構(gòu)，還是運(yùn)絲系統(tǒng)或是加工條件都有很大的差異。簡單地對比機(jī)床的加工性能未
必十分恰當(dāng)，但排除價(jià)格因素，與低速走絲線切割加工技術(shù)水平相比，高速走絲線切割加工的精度、功能、工藝指標(biāo)、自動化程度等方面還有明顯的差距。隨著科技的發(fā)展，對制造技術(shù)的要求越來越高，高速走絲線切割機(jī)面臨相當(dāng)嚴(yán)峻的形勢，應(yīng)加快發(fā)展機(jī)床新技術(shù)，運(yùn)用新工藝，奮力趕上。
1.2 高速走絲線切割機(jī)床加工技術(shù)的發(fā)展趨勢
高速走絲線切割機(jī)由于受到電極絲損耗、機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)與精度、進(jìn)給系統(tǒng)的開環(huán)控制、加工中工作液導(dǎo)電率的變化、加工環(huán)境的溫度變化及本身加工的特點(diǎn)(如運(yùn)絲速度快、振源比較多、導(dǎo)輪磨損大)等因素影響，機(jī)床的加工精度有限。以目前機(jī)床的現(xiàn)狀，要在較短的時(shí)間內(nèi)與低速走絲線切割機(jī)在加工精度方面進(jìn)行競爭，困難是相當(dāng)大的，而且研究開發(fā)的代價(jià)也會很高，機(jī)床的制造成本將大幅度提高，從現(xiàn)實(shí)和市場的角度來考慮都是不太適宜的。因此，高速走絲線切割機(jī)的發(fā)展策略是揚(yáng)長避短，以發(fā)展中低檔機(jī)床為主，使機(jī)床向適當(dāng)加工精度、良好的加工穩(wěn)定性和容易操作的方向發(fā)展，來滿足不斷發(fā)展的生產(chǎn)需要。目前市場上高速走絲線切割機(jī)最大的優(yōu)勢在于擁有良好的性能價(jià)格比，機(jī)床的進(jìn)一步發(fā)展必須以此為基本出發(fā)點(diǎn)，不能過分強(qiáng)調(diào)機(jī)床加工精度，而忽視機(jī)床性能價(jià)格比的因素。如違背這一原則，機(jī)床制造商和用戶都難以接受。
1.3高速走絲線切割機(jī)床的特點(diǎn)
1.3.1高速走絲線切割電火花加工的優(yōu)點(diǎn)
（1）可以加工難以用金屬切削方法加工的零件,不受材料硬度影響。
（2）由于工具電極與工件電極不直接接觸,沒有機(jī)械切削力。所以在制作工具電極時(shí)不必考慮其受力特性,工具電極可以做的十分微細(xì),能進(jìn)行微細(xì)加工和復(fù)雜型面加工。
（3）電火花加工是通過脈沖放電來蝕除金屬材料的,而脈沖電源的參數(shù)隨時(shí)可調(diào),因此在同一情況下,只需調(diào)整電參數(shù)即可切換粗、半精、精、超精加工。
1.3.2高速走絲線切割電火花加工的局限性：
(1)電火花加工生產(chǎn)效率低。
(2)被加工的工件只能是導(dǎo)體.
(3)存在電極損耗,這就影響了成型精度。
(4)加工表面有變質(zhì)層。
(5)加工過程必須在工作液中進(jìn)行。電火花加工時(shí)放電部位必須在工作液中,否則將引起異常放電。
(6)線切割加工有厚度極限。
1.4 高速走絲線切割機(jī)床的工作原理
電火花線切割加工是通過電極絲接脈沖電源的負(fù)極，工件接脈沖電源的正極，高頻脈沖電源通電后，當(dāng)工件與電極絲之間的距離小于放電距離時(shí)，脈沖電能使介質(zhì)（工作液）電離擊穿，形成放電通道，在電場力的作用下，大量的帶負(fù)電荷的電子高速奔向正極，帶正電荷的離子奔向負(fù)極，由于電離而產(chǎn)生的高溫使工件表面熔化，甚至汽化，使金屬隨著電極絲的移動及工作液的沖擊而被拋出，從而在工件表面形成凹坑。在高溫區(qū)中由于極性效應(yīng)，電極絲與工件分配的能量不一樣，因而電極絲與工件的表面溫度也不一樣，并且由于電極絲的熔化溫度要大大高于工件材料的熔化溫度，同時(shí)電極絲又在高速離開高溫區(qū)，因而在高溫區(qū)中電極的蝕除量要大大小于工件的蝕除量，這就時(shí)代工件表面形成較大的凹坑，而在電極絲的表面形成很小的凹坑，由于加工過程是連續(xù)的，伺服電機(jī)受到控制不斷進(jìn)給，以保持電極絲與工件之間維持放電所必須的間隙，因而工件就逐步被切出一條縫隙。
1.5 本文主要研究的內(nèi)容
1、收集、研讀國內(nèi)外高速走絲電火花線切割機(jī)的技術(shù)資料，特別是結(jié)構(gòu)和控制資料；
2、根據(jù)技術(shù)要求擬定設(shè)計(jì)方案，包括整體結(jié)構(gòu)，走絲機(jī)構(gòu)、進(jìn)給系統(tǒng)等機(jī)械傳動方案；
3、設(shè)計(jì)詳細(xì)結(jié)構(gòu)，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算；
4、撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。
第二章 高速走絲線切割機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)
2.1 高速走絲線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)組成
高速走絲線切割機(jī)床主要由以下幾部分組成:
(1) 床身
床身是支承和固定工作臺、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)等的基體。
(2)工作臺
目前在電火花線切割機(jī)床上采用的坐標(biāo)工作臺，大多為X、Y方向線性運(yùn)動。
(3)運(yùn)絲機(jī)構(gòu)
在高速走絲線切割加工時(shí)，電極絲需要不斷地往復(fù)運(yùn)動，這個(gè)運(yùn)動是由運(yùn)絲機(jī)構(gòu)來完成的。這種形式的運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，因而應(yīng)用廣泛。其缺點(diǎn)是繞絲長度小，電動機(jī)正反轉(zhuǎn)動頻繁，電極絲張力不可調(diào)。
(4) 絲架
絲架的主要作用是在電極絲快速移動時(shí)，對電極絲起支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺平面保持垂直。
(5) 輔助裝置
輔助裝置包括脈沖電源，數(shù)控系統(tǒng)，工作液循環(huán)系統(tǒng)等。
2.2 高速走絲線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
1.2.1 總體設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想
根據(jù)前面所提到的機(jī)床應(yīng)滿足的基本要求，就可以進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。在各項(xiàng)基本要求中以工藝要求最為重要。由工藝要求決定機(jī)床所需要的運(yùn)動，完成每個(gè)運(yùn)動又應(yīng)有相應(yīng)的功能部件，這就可以確定各個(gè)部件的相對運(yùn)動和相對位置關(guān)系，機(jī)床的總體布局也就大體能確定下來。通用機(jī)床的布局已經(jīng)形成了傳統(tǒng)的形式，隨著數(shù)控化和程序化在通用機(jī)床上的應(yīng)用，機(jī)床的布局也在發(fā)生改變，專用機(jī)床的布局往往靈活性較大。
機(jī)床總體設(shè)計(jì)是帶動全局性的一個(gè)重要問題，對機(jī)床的制造和使用都有很大影響。在進(jìn)行機(jī)床總體設(shè)計(jì)時(shí)可以從以下兩方面來考慮。一方面從機(jī)床內(nèi)部（本身）考慮，要處理好工件與刀具間相對關(guān)系，如位置與運(yùn)動、工件重量和形狀特點(diǎn)等。另一方面還要考慮的機(jī)床外部的因素，也就是人機(jī)之間的關(guān)系，如外形、操作和維護(hù)等。
1.2.2 總體布局方案設(shè)計(jì)
根據(jù)傳統(tǒng)高速走絲線切割機(jī)床的布局，X、Y軸的工作由拖板的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)，U、V軸的工作由線架導(dǎo)軌的移動來實(shí)現(xiàn)。所有的進(jìn)給運(yùn)動均由以上兩部分完成。繞絲裝置放置于線架后方，繞絲的往復(fù)運(yùn)動由導(dǎo)軌、絲桿螺母以及回轉(zhuǎn)裝置來實(shí)現(xiàn)?？偨Y(jié)后設(shè)定布局如圖3.2。
圖2-1 高速走絲線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)布局
1.床身；2.送絲機(jī)構(gòu)；3.導(dǎo)線機(jī)構(gòu)；4.鎖緊裝置；5.導(dǎo)線架1；6.導(dǎo)線架2；7.工作臺；8.切削液擋板；9.Y軸傳動；10.X軸傳動
第三章 高速走絲線切割機(jī)床整體設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1設(shè)計(jì)參數(shù)
3.1.1 機(jī)械手自由度的分配
工作臺尺寸 630x400mm；工作臺對地面的高度 985mm。工作臺橫向行程400mm；縱向行程320mm；切削工件最大厚度100mm；最大重量200kg。定位精度 ±0.02mm；切割速度80～100mm/min。電極絲直徑：,走絲速度：1.7～11.8m/s。
3.2儲絲走絲部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.2.1對高速走絲機(jī)構(gòu)的要求
（1）高速走絲機(jī)構(gòu)的儲絲筒轉(zhuǎn)動時(shí)，還要進(jìn)行相應(yīng)的軸向移動，以保證極絲在儲絲筒上整齊排繞。
（2）儲絲筒的徑向和軸向竄動量要小。
（3）儲絲筒要能夠正反向旋轉(zhuǎn)，電極絲的走絲速度在7~12m/s范圍內(nèi)無級或有級可調(diào)，或恒速轉(zhuǎn)動。
（4）走絲機(jī)構(gòu)最好與床身相互絕緣。
（5）傳動齒輪副、絲桿副應(yīng)具備潤滑措施。
3.2.2 高速走絲機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)
高速走絲機(jī)構(gòu)由儲絲筒組合件、上下拖板、絲桿副、齒輪副、換向裝置和絕緣件等部分組成，如下圖3-1所示
圖3-1 高速走絲線切割機(jī)床的儲絲走絲系統(tǒng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
儲絲筒由電動機(jī)通過聯(lián)軸器帶動實(shí)現(xiàn)正反向轉(zhuǎn)動。儲絲筒另外一端通過二對齒輪減速后帶動絲桿。儲絲筒、電動機(jī)、齒輪都安裝在兩個(gè)支架上。支架及絲桿則安裝在拖板上，調(diào)整螺母安裝在底座上，拖板在底座上來回運(yùn)動。螺母具有消除間隙的副螺母和彈簧，齒輪及絲桿螺距的搭配為設(shè)旋轉(zhuǎn)一圈拖板移動0.25mm，所以該儲絲筒適用于φ0.25mm以下的鉬絲。
儲絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，無不正常振動。滾筒外圓振擺應(yīng)小于0.03mm，反向間隙應(yīng)小于0.05mm，軸向竄動應(yīng)完全徹底消除。
高頻電源的負(fù)端通過碳刷送到儲絲筒的尾部，然后傳到鉬絲上，碳刷應(yīng)保持良好接觸，防止機(jī)油或其它贓物進(jìn)入。
儲絲筒本身作為高速正反向轉(zhuǎn)動，電機(jī)、滾筒及絲桿的軸承應(yīng)定期拆洗并加潤滑脂，換油期限可根據(jù)使用情況具體決定。其余中間軸、齒輪、三角導(dǎo)軌及絲桿、螺母等每班應(yīng)注油一次。
3.2.3 儲絲走絲部件主要零件強(qiáng)度計(jì)算
1．齒輪傳動比的確定
鉬絲絲距選擇0.25mm，儲絲筒每轉(zhuǎn)一周，拖板帶動儲絲筒移動0.25mm，絲桿螺距選擇為3mm。
所以儲絲筒與絲桿見齒輪的傳動比為：
u==1：12；
采用二級齒輪傳動，取u=1：4；u=1：3。
2. 齒輪齒數(shù)的確定
取Z=15；由于齒輪齒根與軸上鍵的距離不能為零。
即-（d+t）>2m
由d=16mm查設(shè)計(jì)手冊得：
t=2.3mm；
而d=-2h
=（Z-2ha-）m
=（15-2-0.5）m
=12.5m
代入上式得：12.5/2m-（16+2.3）/2>2m
取m=2；
又有Z=4Z=60
所以
=mZ=2×15=30mm
=mZ=2×60=120mm
取Z=25；同理可得：
取m=3；
又有Z=3Z=75
所以
=mZ=3×25=75
=mZ=3×75=225
齒輪1，2中心距 a=（30+120）/2=75mm
齒輪3，4中心距 a=（75+225）/2=150mm
參考書籍《機(jī)械設(shè)計(jì)》
取 b=0.5d=0.5×30=15mm
其他數(shù)據(jù)如下
da=（Z＋2ha）m
=（15+2×1）×2
=34mm
da=124mm
da=81mm
da=231mm
dr=（Z－2ha－2c）m
=（15-2×1－2×0.25）×2
=25mm
dr=115mm
dr=67.5mm
dr=217.5mm
3. 傳動件的估算
根據(jù)公式 d=91mm
其中 N——該傳動軸的輸入功率
N=N
其中 N——電機(jī)頜定功率
η——從電機(jī)到該轉(zhuǎn)動軸之間傳動件的傳動效率的乘積
n——該轉(zhuǎn)動軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min
計(jì)算轉(zhuǎn)速n是傳動件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速
[φ]——每米長度上允許的扭轉(zhuǎn)角（deg/m）
取 η=0.995，N=0.55kw
N= Nη
=0.55×0.995
=0.54725kw
n=1390r/min
d=91
=10.2mm
4.齒輪模數(shù)估算
齒輪彎曲疲勞估算：
m32
=32×
=1.039mm
齒面點(diǎn)蝕估算：
A370
=370
=49.28mm
其中n為該轉(zhuǎn)動軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min，A為齒輪中心距
中心距A及齒數(shù)Z、Z求出模數(shù)
m=
=
=1.31
取較大的那個(gè)模數(shù)，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，第一對齒輪傳動取
m=2mm
第二對齒輪傳動取
m=3mm
5.齒輪模數(shù)的驗(yàn)算
根據(jù)接觸疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)公式為
m=16300mm
式中： N——計(jì)算齒輪傳遞的頜定功率
N=ηNkw
n——計(jì)算齒輪（小齒輪）的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min
ψ——齒寬系數(shù)，ψ=b/m，ψ常取6～10
Z——計(jì)算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動中最小的齒輪的齒數(shù)
——大小齒輪的齒數(shù)比
=，“+”用于外齒合，“-”用于內(nèi)齒合；
k——壽命系數(shù)，k=；
——工作期限系數(shù)，=
齒輪等傳動件在接觸和彎曲交變載荷下的疲勞曲線指數(shù)m和基準(zhǔn)循環(huán)次數(shù)C
n——齒輪的最低轉(zhuǎn)速r/min
T——預(yù)定的齒輪工作期限，中型機(jī)床推薦T=15000～20000h
——轉(zhuǎn)速變化系數(shù)
——材料強(qiáng)化系數(shù)，幅值低的交變載荷可使用金屬材料的晶粒邊界強(qiáng)化，起著阻止疲勞細(xì)縫擴(kuò)展的作用；
——功率利用系數(shù)
——工作情況系數(shù)
——載荷系數(shù)
——齒向載荷分布系數(shù)
Y——齒形系數(shù)
[σ]、[σ]——許用彎曲接觸能力
查表可得：=1.2，=1.2，=1.15
=
=
=×0.78×0.51×0.60
=0.91
N=0.54725kw，ψ=10，[σ]=600MPa
則 =16300mm
=1.625mm
根據(jù)彎曲疲勞計(jì)算齒輪計(jì)算模數(shù)公式為：
=275mm
=275
=0.063mm
=
=
=×0.89×0.70×0.75
=0.554
所以m=2符合要求
同理m=3也符合要求
3.2.4 儲絲走絲部件主要零件強(qiáng)度驗(yàn)算
1．齒輪強(qiáng)度的驗(yàn)算
齒輪危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件公式
σ=
k——載荷系數(shù)
k=
φ——齒寬系數(shù)，取0.5
k——使用系數(shù)，取1
k——載荷系數(shù)，取1.05
——齒間載荷分配系數(shù)，=1.0，=1.0
——齒向載荷分布系數(shù)
——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距
=95.5×10
=95.5×10×0.55/1390
=3.78×10N·mm
=1.11+0.18（1+6.7）+0.15×10b
=1.11+0.18（1+6.7×0.25）×0.25+0.15×0.001×0.5
=1.23045
K=1×1.05×1.0×1.6
=1.218
查得：b/h=23/4.5
=5.11
=1.16
——載荷作用與齒頂時(shí)齒形系數(shù)
——載荷作用與齒頂時(shí)應(yīng)力校正系數(shù)
查表得：=2.69，=1.575
則 =
=18.4MPa
N=60njL
=60×1390×1×20000
=1.668×
s——疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)
s=～1.5
K——壽命系數(shù) （）
——齒輪的疲勞強(qiáng)度
=340MPa
=520MPa
[=272MPa
所以
其中：
Z——區(qū)域系數(shù)
Z——彈性影響系數(shù)
K=1×1.05×1.0×1.23045
=1.29
=259.89
[]=520MPa
所以
因此，所設(shè)計(jì)的齒輪1、2也滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求
同理也可得到所設(shè)立的齒輪3、4也滿足齒面接觸疲勞強(qiáng)度要求
齒輪設(shè)計(jì)合格
2．主軸的驗(yàn)算
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計(jì)算簡圖，如圖3-2。
圖3-2 軸的結(jié)構(gòu)圖與彎矩圖
先計(jì)算軸上的載荷：
N·m
齒輪的分度圓直徑為：
252N
從軸的結(jié)構(gòu)圖以及彎矩和扭矩圖中可以明顯的看出截面B是危險(xiǎn)截面。先將計(jì)算出的截面C處的及M的值列于下表3-1
表3-1 應(yīng)力計(jì)算表
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
彎矩M
總彎矩
扭矩
軸的計(jì)算應(yīng)力：
如表3-1中數(shù)值得：
前已經(jīng)選定的軸的材料為45號鋼，調(diào)質(zhì)處理
查得
因此 ，故安全
3.3 進(jìn)給傳動設(shè)計(jì)
3.3.1 滾珠絲桿螺母副的型號選擇
1. 最大工作載荷計(jì)算
滾珠絲桿上的工作載荷是指滾珠絲桿副在驅(qū)動工作臺時(shí)滾珠絲桿所承受的軸向力，也叫做牽引力。它包括滾珠絲桿的走刀抗力及與移動體中立和作用于道軌上的其它切削分力相關(guān)的摩擦力，可用下列實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。
對于矩形道軌
式中： ——工作臺進(jìn)給方向載荷
——工作臺垂直載荷
——工作臺橫向載荷
G——移動部件的重力
K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)
F——考慮顛覆力矩影響的摩擦系數(shù)
對于滾動導(dǎo)軌；f=0.0025～0.005
由于電火花線切割是電極絲放電進(jìn)行加工，可以認(rèn)為近似為零
所以；
取 Kg（估算）
=fG=10000.005=5
2. 最大動載荷C的計(jì)算及主要尺寸初選
滾珠絲桿應(yīng)根據(jù)斷定動載荷選用，最大動載荷計(jì)算原理與滾動軸承相同。
滾珠絲桿的最大動載荷應(yīng)用下式計(jì)算：
式中：L——工作壽命，單位10
n——絲桿轉(zhuǎn)速，單位r/min
v——最大切削力條件下進(jìn)給速度，單位m/min
——絲桿基本導(dǎo)程，單位mm
t——頜定使用壽命，單位h，可取t=15000h
——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1～1.2，一般情況1.2～1.5
所以
=
=11.96
n=1000v/
=1000×100×0.001/5
=20r/min
L=60nt/
=
=105.12（）
C=
=
=33
根據(jù)以上計(jì)算選取CBM3205—5（《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊》上）
3.3.2 滾珠絲桿的選型和校核
滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計(jì)制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，在根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)計(jì)中，滾珠絲桿被三次選用，故在這里只選取其中最重要的主軸傳動中德望滾珠絲桿加以設(shè)計(jì)和校核。其步驟如下：
首先對于一些參數(shù)說明如下：
軸向變載荷（N），其中表示第個(gè)工作載荷，=1、2、3、4…n；
第個(gè)載荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）
第個(gè)載荷對應(yīng)的工作時(shí)間（h）；
絲桿副最大移動速度；
絲桿預(yù)期壽命；
1.型號選擇
1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，查得螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式；
2）計(jì)算滾珠絲桿副的主要參數(shù)
①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0，系數(shù)=1.5；
②計(jì)算當(dāng)量轉(zhuǎn)速
=
=2000
③計(jì)算當(dāng)量載荷
=2333N
④初步確定導(dǎo)程
=
=2.5mm
取
⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速
=120000
⑥計(jì)算絲桿所需的頜定載荷
=1×2333×10
=1151N
3）選擇絲桿型號
①根據(jù)初選的和計(jì)算的，選取導(dǎo)程為5mm，頜定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。
②臨界轉(zhuǎn)速校核
=12×
=12×
=5970r/min
而最大工作轉(zhuǎn)速 =4000<0.8=4776
校核合格。
③滾珠絲桿的預(yù)緊
預(yù)緊力（）一般取當(dāng)量載荷的三分之一或頜定動載荷的十分之一。即：
=778N
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
=
=0.16N
3.4 伺服電機(jī)的選用
伺服電動機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個(gè)特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。
數(shù)控電火花成型機(jī)的動力系統(tǒng)要求電動機(jī)定位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且頜定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列伺服電動機(jī)為反應(yīng)式伺服電動機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用的型號90BF004的電動機(jī)作為主運(yùn)動的動力源。
選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟：
3.4.1 扭矩的計(jì)算
伺服電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。伺服電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系是；
伺服電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。伺服電機(jī)所需空載啟動力矩按下式計(jì)算：
式中：
——空載啟動力矩；
——空載啟動時(shí)運(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；
——空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
而且初選電機(jī)型號時(shí)，應(yīng)滿足伺服電動機(jī)所需空載啟動力矩小于伺服電動機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：
計(jì)算的各項(xiàng)力矩如下：
①加速力矩
=
=1.8×10
=
=0.519N/m
②空載摩擦力矩
=0.6
③附加摩擦力矩
=
=
=0.519+0.6+1.222
=2.341
=0.951×25
=23.775
3.4.2 啟動矩頻特性校核
伺服電機(jī)有三種工況：啟動、快速進(jìn)給運(yùn)動、工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動時(shí)不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。
伺服電機(jī)啟動有突跳啟動和升速啟動。
突跳啟動時(shí)加速力矩很大，啟動時(shí)丟步是不可避免的。因此很少見。而升速啟動過程中只要升速時(shí)間足夠長，啟動過程緩慢，空載力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。
第四章 數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1 三菱的GX Developer 編程軟件簡介
進(jìn)入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項(xiàng)，選擇創(chuàng)建一個(gè)新文件。在【設(shè)備名稱】中填寫設(shè)備名稱，設(shè)備類型選擇PLC的類型，然后單擊設(shè)定按鈕選擇CPU的類型，單擊確定后，即可進(jìn)入梯形圖編程界面，開始編程，如
圖4-1所示界面。
圖4-1 編程界面
程序編寫完成后，下一步就可進(jìn)行編譯、鏈接和調(diào)試了。如果編譯沒有錯(cuò)誤，就可以進(jìn)行在線運(yùn)行。在編譯過程中，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤要進(jìn)行修改時(shí)，我們既可以在梯形圖編程下修改，也可在助記符方式下修改。編譯完成，沒有語法錯(cuò)誤，可加載程序到PLC，進(jìn)行在線運(yùn)行。
4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)方法
工程設(shè)計(jì)中，可編程控制器應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應(yīng)用，也因不同設(shè)計(jì)人員有著不同的技術(shù)水平和習(xí)慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)方法，以便對下面的設(shè)計(jì)更有一個(gè)清晰的認(rèn)識，也使讀者更加明白可編程控制器的設(shè)計(jì)方法和技巧。
1、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法
經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法也叫湊試法。在掌握一些典型控制環(huán)節(jié)和電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)被控對象對控制系統(tǒng)的具體要求，憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。但是它沒有一個(gè)普遍的規(guī)律可遵循，具有一定的試探性和隨意性，最后得到的結(jié)果也不是唯一的，設(shè)計(jì)所用的時(shí)間、設(shè)計(jì)的質(zhì)量與設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)的多少有關(guān)。
經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的具體步驟如下：
（1）確定輸入/輸出電器；
（2）確定輸入和輸出點(diǎn)的個(gè)數(shù)、選擇PLC機(jī)型、進(jìn)行I/O分配；
（3）做出系統(tǒng)動作工程流程圖；
（4）選擇PLC指令并編寫程序；
（5）編寫其它控制控制要求的程序；
（6）將各個(gè)環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來，即得到一個(gè)滿足控制要求的程序。
2. 邏輯設(shè)計(jì)法
工業(yè)電氣控制線路中，有很多是通過繼電器等電器組件來實(shí)現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點(diǎn)都只有兩種狀態(tài)即：斷開和閉合，因此用“0”和“1”兩種取值的邏輯代數(shù)設(shè)計(jì)電氣控制線路是完全可以的。該方法法是根據(jù)數(shù)字電子技術(shù)中的邏輯設(shè)計(jì)法進(jìn)行PLC程序的設(shè)計(jì)，它使用邏輯表達(dá)式描述問題。在得出邏輯表達(dá)式后，根據(jù)邏輯表達(dá)式畫出梯形圖。因此用邏輯設(shè)計(jì)法也可以適用于PLC應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。
順序控制法
對那些按動作的先后順序進(jìn)行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計(jì)法進(jìn)行編程。順序控制法規(guī)律性很強(qiáng)，雖然編程相當(dāng)長，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性。在用順序控制設(shè)計(jì)法編程時(shí)，功能圖是很重要的工具。功能圖能夠清楚地表現(xiàn)出系統(tǒng)各工作步的功能、步與步之間的轉(zhuǎn)換順序及其轉(zhuǎn)換條件。
功能圖由流程步、有向線段、轉(zhuǎn)移和動作組成，在使用時(shí)它有一些使用規(guī)則，具體如下：
（1）步與步之間必須用轉(zhuǎn)移隔開；
（2）轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)移之間必須用步隔開；
（3）轉(zhuǎn)移和步之間用有向線段連接，正常畫順序功能圖的方向是從上向下或則從左向右。按照正常順序畫圖時(shí)，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。
（4）一個(gè)順序功能圖中至少有一個(gè)初始步。
可編程控制器設(shè)計(jì)語言也有多種形式，因其在繼電器的基礎(chǔ)上研制而成，所以大部分都是以開關(guān)量為主的控制方式。很多表達(dá)形式也都是電氣符號的沿用，或直接使用。這樣，PLC的語言就有所不同。梯形圖語言是設(shè)計(jì)中使用最多的，還有流程圖，語句表，這些都為程序的閱讀提供了不同形式的方法，適合電氣方面的工程人員閱讀，也適合電子方面的工程人員進(jìn)行參考使用。
本控制系統(tǒng)是典型的邏輯控制，因此我們邏輯控制。高速走絲線切割機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)輸入輸出接口如表4-1所示。
表4-1 I/O接口分配
輸入分配
輸出分配
名稱
地址
名稱
地址
X軸原點(diǎn)
X0
X軸脈沖輸出
Y0
Y軸原點(diǎn)
X1
Y軸脈沖輸出
Y1
X軸反轉(zhuǎn)限位
X2
X軸方向
Y2
X軸正轉(zhuǎn)限位
X3
Y軸方向
Y3
Y軸正轉(zhuǎn)限位
X4
Y軸反轉(zhuǎn)限位
X5
急停
X6
手動/自動
X7
手動X軸正轉(zhuǎn)
X10
手動X軸反轉(zhuǎn)
X11
手動Y軸正轉(zhuǎn)
X12
手動Y軸反轉(zhuǎn)
X13
4.3 PLC控制系統(tǒng)軟件程序的編寫及說明
4.2.1 手動自動選擇程序
當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電后，需要選擇執(zhí)行手動程序還是自動程序，系統(tǒng)執(zhí)行條件程序梯形圖如圖4-2所示：
圖4-2 手動自動選擇程序
由上述梯形圖可以看出，X7是手動自動選擇按鈕，當(dāng)X7接通時(shí)，輔助繼電器M0得電，此時(shí)執(zhí)行自動程序，下述手動程序無法運(yùn)行。
4.3.2 手動程序
高速走絲線切割機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)上電后，需要手動定位，因此需要點(diǎn)動控制四軸進(jìn)給伺服電機(jī)，其程序如下圖4-3所示：
圖4-3 手動程序
由上訴程序可以看出，手動程序是通過X10/X11/X12/X13按鈕控制XY軸的手動正反轉(zhuǎn)運(yùn)行信號。如程序第2步和23步可以看出，X10接通執(zhí)行X軸正轉(zhuǎn)信號，X11接通執(zhí)行X軸反轉(zhuǎn)信號。[DDRVI K999999999 D1 Y000 Y004]這條指令的含義是：DDRVI是絕對定位指令 K999999999是脈沖數(shù)和脈沖反向，此時(shí)為正方向，脈沖數(shù)是無窮個(gè)。D1是每秒發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)。Y000為X軸脈沖輸出，Y002為脈沖方向。為了防止誤操作，X軸正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)采用互鎖回路。同時(shí)M0為自動運(yùn)行條件，即當(dāng)M0不接通時(shí)，此時(shí)M0常閉閉合，才可以執(zhí)行手動程序。同時(shí)X6為系統(tǒng)急停按鈕。
4.3.3 上電回原點(diǎn)程序
系統(tǒng)每次上電需要執(zhí)行上電回原點(diǎn)操作，其梯形圖如下圖4-4所示
圖4-4 上電會原點(diǎn)操作
M8002是上電回原點(diǎn)操作的發(fā)出信號，當(dāng)PLC上電后，M10到M11被置位，X/Y軸開始同時(shí)執(zhí)行回原點(diǎn)程序，會原點(diǎn)到位后，每個(gè)軸的回原點(diǎn)程序被復(fù)位。ZRN 為PLC內(nèi)置的回原點(diǎn)指令。
4.3.4 極限位置保護(hù)程序
在系統(tǒng)執(zhí)行過程中，如果系統(tǒng)原因到達(dá)極限位置，需要使得主軸停止，其程序如下圖4-5所示：
圖4-5 極限位置保護(hù)
上訴程序的輔助繼電器M8343和M8344針對的是X軸的正反轉(zhuǎn)限位，到M8343和M8344接通后，Y000停止速出脈沖信號，從而起到保護(hù)作用；同理，M8353和M8354針對Y軸。
4.3.5 自動程序
在系統(tǒng)運(yùn)行中，四周定位采用點(diǎn)位控制，其程序如下圖4-6所示：
圖4-5 伺服定位程序
由上訴程序可以看出，自動程序的執(zhí)行條件是M0自動運(yùn)行調(diào)節(jié)輔助繼電器接通。
第五章 總結(jié)
根據(jù)課題的任務(wù)要求，本文主要完成以下幾點(diǎn)內(nèi)容：
(1) 完成了線切割機(jī)床本體方案確定。
(2) 完成線切割機(jī)床整機(jī)CAD工程圖的繪制，同時(shí)完成送絲機(jī)構(gòu)，X,Y傳動機(jī)構(gòu)的繪制。
(3) 完成高速走絲線切割機(jī)床傳動部分控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括PLC I/0接口的分配，伺服電路的設(shè)計(jì)，最后完成PLC控制程序的設(shè)計(jì)。
由于本人經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識有限，論文中或許有不合理的地方，還請指導(dǎo)老師指出，在今后的工作生活中必定會逐步完善。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（第三冊）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2001.
[2] 徐顴主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊第一冊.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2007
[3] 楊黎明主編.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊.北京:國防工業(yè)出版社.1997
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[11] 徐灝主編.《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》. 機(jī)械工業(yè)出版社,2010
致 謝
本設(shè)計(jì)是在XXX老師的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的。XXX老師淵博的知識、活躍的學(xué)術(shù)思想、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)作風(fēng)以及豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)深刻的影響著我，啟發(fā)我，使我終生受益。他讓我學(xué)會了以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度去把理論知識運(yùn)用到實(shí)踐中，探索和論證理論的真實(shí)性。這使我在今后的工作和生活中都受益匪淺，對此我表示對XXX老師深深的感謝！
感謝XXX老師對我學(xué)習(xí)、生活和思想上的關(guān)心和幫助。感謝長江師范學(xué)院的老師以及朝夕相處的同學(xué)們，正因?yàn)榈玫侥銈兊膸椭?，我才能更好的的生活、學(xué)習(xí)以及順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，再次表示深深的感謝。
其次，感謝在此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給我提出寶貴改進(jìn)意見的老師們，是你們的意見讓我的方案更加成熟合理。
再次，感謝在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中給我?guī)椭耐瑢W(xué)，是你們的默默支持讓我能順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。謝謝你們的支持和鼓勵。
此外感謝各位老師在生活上給予的幫助，向各位老師表以最高的敬意和由衷的感謝。
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