1、第 1 页，共 76 页 DK7732 数控高速走丝电火花线切割机床及控制系统设计 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。 本次设计在颜竟成教授 的悉心指导下分四个阶段按部就班的有条不紊的进行。第
2、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目进行分析和实地调查，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计和坐标工作台的纵向和横向进给机构设计。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计 和脉冲功率放大电路设计。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
3、段，主要从事前几个阶段的整理温习，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，有些问题是由于设计的难度，有些还是因为自己知识上的欠缺和不扎实造成的。可以说这次毕业设计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。 第 2 页，共 76 页 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
4、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
5、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，它们由步进电机、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钼丝的角度调节，使加工过程更加细致。
6、（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 电火花线切割机床的主要技术参数如下： 第 3 页，共 76 页 工作台行程 /mm 500x320 最大切割厚度 /mm 30（可调） 加工表面粗糙度 Ra/m 2.5 加工精度 /mm 0.015 切割速度 /mm2/min 100 切割工件最大厚度 120mm 加工锥度 3 60 电极丝移动速度 11m/s 电极丝最大直径 0.1 0.2mm 图 1.1 伺服系统总体方案框图 二、 储丝走丝部件结构设计 （一 ）储丝走丝部件运动设计 运丝机构的运动是由丝筒电机正反转
7、得到的。电极通过联轴节与丝筒连接，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，螺母固定上底座上，拖板与底座采用装有滚珠的 V 形滚动导轨连接，这样丝筒每转一周拖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0.120.25mm的范围内选择适当的钼丝直径。 第 4 页，共 76 页 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 712m/s 范围内无级或有级可调，或恒速运转。 走丝机构最好与床身相互绝缘。 传动齿轮副，丝
8、杠副应该具备润滑措施 2、 高速走丝机构的结构及特点 高速走丝机构由储丝筒组合件、上下拖板、齿轮副、换向装置和绝缘部分组成，如图 2.2 所示 储丝筒由电动机通过联轴器带动正反向转动。储丝筒另外一端通过三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拖板沙锅内，调整螺母装在底座上，拖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没旋转一圈拖板移动 0.25mm。所以该储丝筒适用于 0.25mm 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，轴向窜动应完全彻底消除。
9、高频电源的负端通过碳刷送到储丝筒轴的尾部，然后传到钼丝上，碳刷应保持良好接触，防止机油或者其他脏物进入。 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。 （ 1） 储丝筒旋转组合件 储丝筒旋转组合件主要由储丝筒、联轴器和轴承座组成。 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 DK7732应选用 4mm（符合 1.55mm）。为了进一步减少转动惯量，也可以选用铝镁合金材料制造 第 5 页，共 76
10、 页 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应不大于 0.01mm。一般装配后，以轴的 两端中心孔定位，冲摸储丝筒外圆和与轴承配合的轴径。 联轴器 走丝机构中运动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。 图 1.2 运丝系统机构结构图 a. 弹性联轴器，如图 2.1 所示 第 6 页，共 76 页 图 2.1 弹性联轴器 弹
11、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），缺点是由它联接的两根轴在传递扭矩时会有相对转动。 b. 摩擦锥式联轴器 ，如图 2.2 所示。摩擦锥式联轴器可带动转动惯量大的大、中型储丝筒旋转组合件。此种联轴器可传递较大的扭矩，同时在传动符合超载时，摩擦面之间的华东还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子轴承。此外，还要正确
12、选用弹簧规格。弹力过小，摩擦面打滑，使传动不稳定或摩擦面过热烧伤；弹力过大，会增大轴向力，影响中心轴的正常转动。 图 2.2 摩擦 锥式联轴器 c.磁力联轴器是依靠磁力无接触式联接的，保留了传统联轴器的优点。具体有如第 7 页，共 76 页 下几种。 套筒式磁力联轴器（如图 3.1 所示） 图 3.1 套筒式磁力联轴器 此种联轴器主动磁极 3 和从动磁极 2 均可为圆筒状或以若干磁铁排列成圆筒状，并用黏结剂分别将其固定于主动轴套 4 外表面上和从动轴套 1 没表面上， 主动轴 6 与被动轴 7 间用键 5、 8 联接。主动磁极 3 和从动磁极 2 之间有一定间隙，其目的为：两磁极之间无摩擦，靠
13、磁场联接；被联接两轴因受制造及安装误差，承载后变形及温度 变化等因素影响，往往不能严格对中心。留有一定间隙，可补偿这一不足，还可适当降低加工及装配要求。该套筒式联轴器因磁场面积大，可以传递较大扭矩。其磁场联接力可以通过改变主动轴套 4 和从动轴套 1 的配合长度来进行调整。 圆盘式磁力联轴器（如图 3.2 所示） 图 3.2 圆盘式磁力联轴器 此种联轴器主动磁极 3和从动磁极 2均可为圆盘状或以若干磁铁排列成圆形射线状，并用黏结剂分别将其固定于主动轴套 4 和从动轴套 1 的大表面上。由于圆盘式联轴器磁场面积小，所以传递扭 矩小，并且体积相应的也小。其磁场联第 8 页，共 76 页 接力可以通
14、过改变主动磁极 3 和从动磁极 2 之间的距离来进行调整。 由于磁力联轴器轴与轴之间没有零件直接联接，而是靠磁场联接来传递扭矩，因此电机换向时，转动惯量被磁力线的瞬时扭曲抵消；在超负荷时，键 8、5 联接的主动轴 7 与从动轴 6 可以自动打滑脱开，起到安全离合器的作用，不会损坏任何零部件。 主动磁极 3 和从动磁极 2 均用强的永磁材料制成，例如，铁氧体、稀土合金等。 综合上述几种类型，参照本次设计要求，选择性价比最高的，显然 a 类型既是弹性联轴器已经满足条件，因此本次设计选用弹性联轴器。 （ 2） 上下拖板 走丝机构的上下拖板我们决定采用下面两种滑动导轨之一。 燕尾型导轨，这种结构紧凑，
15、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，传动中摩擦损失也较大。 三角、矩形组合式导轨，如图 4.1 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。 图 4.1 三角、矩形组合式导轨 由于储丝筒走丝机构的上拖板一边装有运丝电动机，储丝筒轴向两边负荷差较大。为保证上拖板能平稳的往复 移动，应把下拖板设计的较长以使走丝机构工作时，上拖板部分可始终不滑出下拖板，从而保持拖板的刚度、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。 （ 3） 齿轮副与丝杠副 走丝机构上拖板的传动链是
16、由 2-3 级减速齿轮副和一组丝杠副组成，它使储第 9 页，共 76 页 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机丝的要求。 丝杠副一般采用轴向调节法来消除螺纹配 合间隙。为防止走丝电机换向装置失灵，导致丝杠副和齿轮副损坏，在齿轮副中，可选用尼龙轮代替部分金属齿轮。这不但可以在电机换向装置失灵时，由于尼龙齿轮先损坏，保护丝杠副与走丝电机，还可以减少振动和噪声。但是由于要照顾专业知识的复习，所以决定选用传统的金属材料制造。 （ 4） 线架、导轮部件结构 线架与走丝机构
17、组成了电极丝的运动系统。线架的主要功用是在电极丝按给定线速度运动时，对电极丝去支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何角度。对线架的要求是： 具有足够的刚度和强度，在电极 丝运动（特别是高速 1 走丝）时，不应出现振动和变形； 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； 导轮与线架本体、线架与床身之间有良好的绝缘性能； 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； 线架不但能保证电极丝垂直于工作台平面，在具有 锥度切割功能的机床上， 还具备能使电极丝按给定要求保持与工作台平面呈一定角度的功能。 线架按功能 可分为固定式、升降式和偏
18、移式三种类型；按结构可分为悬臂式和龙门式两种类型。 悬臂式固定线架主要由线架本体、导轮运动组合件及保持器等组成。 （ 1） 线架本体结构 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于悬臂的端部，同时电极丝保持一定张力，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。 为了进一步提高刚度和强度，在上下悬臂间增加加强筋的结构。有的机床的第 10 页，共 76 页 线架本体有的采用龙门结构。这时，工作台拖板只沿一个坐标方向运动，另一个坐标方向的运动通过 架在横梁上的线架拖板来实现。 此外，针对不同厚度的工件，还有采用丝臂张开高度可
19、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。为了适应线架丝臂张开高度的变化，在线架上下部分应增设副导轮，如图 4.2 所示： 储丝筒副导轮导轮图 4.2 可移动丝臂 (2)导轮部件结构 导轮是本机床关键零件，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内运动时不产生轴向移动。 b. 在满足一定强度要求下，应尽量减轻导轮质量，以减少电极丝换象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. 导轮装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 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
