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上海電機學院
畢業(yè)設(shè)計任務書
課 題 數(shù)控高速走絲電火花線切割機
機械結(jié)構(gòu)及進給控制系統(tǒng)設(shè)計
專 業(yè)
年 級 2010級
姓 名 學 號
指 導 教 師 （簽字）
學 院 院 長 （簽字）
年 月 日
課題
來
源
實驗室改造
課
題
的
目
的
、
意
義
數(shù)控高速走絲電火花線切割加工是一種直接利用電能進行加工的新工藝。本課題通過設(shè)計數(shù)控高速電火花線切割機床，使學生能綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計。
本設(shè)計要求學生完成走絲機構(gòu)及總體結(jié)構(gòu)、進給系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的設(shè)計。工作臺有XY兩個方向的運動，進給控制主要由步進電機驅(qū)動工作臺完成給定速度的進給運動。
要
求
課題的主要技術(shù)要求：
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。
課題工作量要求：
1、完成線切割機的總體機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，作出總體裝配圖；2、完成走絲機構(gòu)部裝圖及相關(guān)零件圖；3、作出坐標工作臺裝配圖及相關(guān)零件圖；4、做出進給系統(tǒng)的電氣原理圖、控制框圖；5、完成設(shè)計計算說明書。
課
題
主
要
內(nèi)
容
及
進
度
課題主要內(nèi)容：
收集、研讀國內(nèi)外高速走絲電火花線切割機的技術(shù)資料，特別是結(jié)構(gòu)和控制資料；根據(jù)技術(shù)要求擬定設(shè)計方案，包括整體結(jié)構(gòu)，走絲機構(gòu)、進給系統(tǒng)等機械傳動方案；設(shè)計詳細結(jié)構(gòu)，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應的設(shè)計計算；挑選部分典型零件設(shè)計零件工作圖；撰寫設(shè)計計算說明書。
工作進度：
所需時間 工 作 內(nèi) 容 備注
4周 收集資料，調(diào)查研究，擬定設(shè)計方案
12周 完成電火花線切割機床身選型及走絲機構(gòu)的設(shè)計，完成坐標工作臺部件設(shè)計
1周 控制系統(tǒng)設(shè)計，包括驅(qū)動電路設(shè)計等
2周 最終完成裝配圖,電氣原理圖，撰寫設(shè)計計算說明書，準備答辯
編號
畢業(yè)設(shè)計
題 目
數(shù)控高速走絲電火花線切割機機械結(jié)構(gòu)及進給控制系統(tǒng)設(shè)計
學生姓名
學 號
系 部
專 業(yè)
班 級
指導教師
二〇一四年X月
本科畢業(yè)設(shè)計（論文）誠信承諾書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文）（題目：數(shù)控高速走絲電火花線切割機機械結(jié)構(gòu)及進給控制系統(tǒng)設(shè)計）是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的成果。盡本人所知，除了畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人或集體已經(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
數(shù)控高速走絲電火花線切割機機械結(jié)構(gòu)及進給控制系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟競爭的日趨激烈，產(chǎn)品的更新速度越來越快，復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)難于適應這種多樣化、柔性化與復雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求。
高速走絲線切割機是我國獨創(chuàng)的電加工設(shè)備，它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，使用成本低，是我國產(chǎn)量最大、應用最廣泛的機床種類之一。本次畢業(yè)主要對數(shù)控高速走絲電火花線切割機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。了解機床的基本結(jié)構(gòu)組成，對主要零部件進行設(shè)計計算，最后完成進給機構(gòu)控制系統(tǒng)的設(shè)計
關(guān)鍵詞：線切割，進給機構(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 高速走絲線切割機床技術(shù)現(xiàn)狀 4
1.2 高速走絲線切割機床加工技術(shù)的發(fā)展趨勢 2
1.3高速走絲線切割機床的特點 3
1.3.1高速走絲線切割電火花加工的優(yōu)點 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 高速走絲線切割機床總體方案設(shè)計 4
2.1 高速走絲線切割機床結(jié)構(gòu)組成 4
2.2 高速走絲線切割機床結(jié)構(gòu)總體設(shè)計 5
1.2.1 總體設(shè)計指導思想 5
1.2.2 總體布局方案設(shè)計 5
第三章 高速走絲線切割機床整體設(shè)計計算 6
3.1設(shè)計參數(shù) 6
3.1.1 機械手自由度的分配 6
3.2儲絲走絲部件結(jié)構(gòu)設(shè)計 6
3.2.1對高速走絲機構(gòu)的要求 6
3.2.2 高速走絲機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點 7
3.2.3 儲絲走絲部件主要零件強度計算 8
3.2.4 儲絲走絲部件主要零件強度驗算 13
3.3 進給傳動設(shè)計 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 伺服電機的選用 21
3.4.1 扭矩的計算 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進給控制系統(tǒng)設(shè)計 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 上電回原點程序 27
4.3.4 極限位置保護程序 28
4.3.5 自動程序 29
第五章 總結(jié) 30
參 考 文 獻 31
致 謝 32
III
第一章 緒 論
1.1 高速走絲線切割機床技術(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，有的可達到260mm2/min，機床的加工精度為±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雜零件制造的要求。
隨著科學技術(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為適應對制造加工技術(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)。同時機床具有數(shù)字自適應控制電源、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行控制。由于使用了新技術(shù)并注重計算機軟件技術(shù)的更新和發(fā)展，低速走絲線切割機的工藝指標已達到了相當高的水平。即使對形狀復雜零件的加工，最高切割速度也可超過300mm2/min；尺寸精度可達到±2～5μm；表面粗糙度可達到Ra0.1～0.2μm(多次切割)。機床的自動化程度高，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，無論是機床的結(jié)構(gòu)，還是運絲系統(tǒng)或是加工條件都有很大的差異。簡單地對比機床的加工性能未
必十分恰當，但排除價格因素，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、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，高速走絲線切割機面臨相當嚴峻的形勢，應加快發(fā)展機床新技術(shù)，運用新工藝，奮力趕上。
1.2 高速走絲線切割機床加工技術(shù)的發(fā)展趨勢
高速走絲線切割機由于受到電極絲損耗、機械部分的結(jié)構(gòu)與精度、進給系統(tǒng)的開環(huán)控制、加工中工作液導電率的變化、加工環(huán)境的溫度變化及本身加工的特點(如運絲速度快、振源比較多、導輪磨損大)等因素影響，機床的加工精度有限。以目前機床的現(xiàn)狀，要在較短的時間內(nèi)與低速走絲線切割機在加工精度方面進行競爭，困難是相當大的，而且研究開發(fā)的代價也會很高，機床的制造成本將大幅度提高，從現(xiàn)實和市場的角度來考慮都是不太適宜的。因此，高速走絲線切割機的發(fā)展策略是揚長避短，以發(fā)展中低檔機床為主，使機床向適當加工精度、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最大的優(yōu)勢在于擁有良好的性能價格比，機床的進一步發(fā)展必須以此為基本出發(fā)點，不能過分強調(diào)機床加工精度，而忽視機床性能價格比的因素。如違背這一原則，機床制造商和用戶都難以接受。
1.3高速走絲線切割機床的特點
1.3.1高速走絲線切割電火花加工的優(yōu)點
（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,沒有機械切削力。所以在制作工具電極時不必考慮其受力特性,工具電極可以做的十分微細,能進行微細加工和復雜型面加工。
（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行。電火花加工時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極，工件接脈沖電源的正極，高頻脈沖電源通電后，當工件與電極絲之間的距離小于放電距離時，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，大量的帶負電荷的電子高速奔向正極，帶正電荷的離子奔向負極，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，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，伺服電機受到控制不斷進給，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)計方案，包括整體結(jié)構(gòu)，走絲機構(gòu)、進給系統(tǒng)等機械傳動方案；
3、設(shè)計詳細結(jié)構(gòu)，畫出總裝配圖、部件圖并完成相應的設(shè)計計算；
4、撰寫設(shè)計計算說明書。
第二章 高速走絲線切割機床總體方案設(shè)計
2.1 高速走絲線切割機床結(jié)構(gòu)組成
高速走絲線切割機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、運絲機構(gòu)等的基體。
(2)工作臺
目前在電火花線切割機床上采用的坐標工作臺，大多為X、Y方向線性運動。
(3)運絲機構(gòu)
在高速走絲線切割加工時，電極絲需要不斷地往復運動，這個運動是由運絲機構(gòu)來完成的。這種形式的運絲機構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、維護方便，因而應用廣泛。其缺點是繞絲長度小，電動機正反轉(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，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 高速走絲線切割機床結(jié)構(gòu)總體設(shè)計
1.2.1 總體設(shè)計指導思想
根據(jù)前面所提到的機床應滿足的基本要求，就可以進行總體設(shè)計。在各項基本要求中以工藝要求最為重要。由工藝要求決定機床所需要的運動，完成每個運動又應有相應的功能部件，這就可以確定各個部件的相對運動和相對位置關(guān)系，機床的總體布局也就大體能確定下來。通用機床的布局已經(jīng)形成了傳統(tǒng)的形式，隨著數(shù)控化和程序化在通用機床上的應用，機床的布局也在發(fā)生改變，專用機床的布局往往靈活性較大。
機床總體設(shè)計是帶動全局性的一個重要問題，對機床的制造和使用都有很大影響。在進行機床總體設(shè)計時可以從以下兩方面來考慮。一方面從機床內(nèi)部（本身）考慮，要處理好工件與刀具間相對關(guān)系，如位置與運動、工件重量和形狀特點等。另一方面還要考慮的機床外部的因素，也就是人機之間的關(guān)系，如外形、操作和維護等。
1.2.2 總體布局方案設(shè)計
根據(jù)傳統(tǒng)高速走絲線切割機床的布局，X、Y軸的工作由拖板的運動來實現(xiàn)，U、V軸的工作由線架導軌的移動來實現(xiàn)。所有的進給運動均由以上兩部分完成。繞絲裝置放置于線架后方，繞絲的往復運動由導軌、絲桿螺母以及回轉(zhuǎn)裝置來實現(xiàn)?？偨Y(jié)后設(shè)定布局如圖3.2。
圖2-1 高速走絲線切割機床結(jié)構(gòu)布局
1.床身；2.送絲機構(gòu)；3.導線機構(gòu)；4.鎖緊裝置；5.導線架1；6.導線架2；7.工作臺；8.切削液擋板；9.Y軸傳動；10.X軸傳動
第三章 高速走絲線切割機床整體設(shè)計計算
3.1設(shè)計參數(shù)
3.1.1 機械手自由度的分配
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
3.2.1對高速走絲機構(gòu)的要求
（1）高速走絲機構(gòu)的儲絲筒轉(zhuǎn)動時，還要進行相應的軸向移動，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）走絲機構(gòu)最好與床身相互絕緣。
（5）傳動齒輪副、絲桿副應具備潤滑措施。
3.2.2 高速走絲機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及特點
高速走絲機構(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 高速走絲線切割機床的儲絲走絲系統(tǒng)機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
儲絲筒由電動機通過聯(lián)軸器帶動實現(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、齒輪都安裝在兩個支架上。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。
儲絲筒運轉(zhuǎn)時應平穩(wěn)，無不正常振動。滾筒外圓振擺應小于0.03mm，反向間隙應小于0.05mm，軸向竄動應完全徹底消除。
高頻電源的負端通過碳刷送到儲絲筒的尾部，然后傳到鉬絲上，碳刷應保持良好接觸，防止機油或其它贓物進入。
儲絲筒本身作為高速正反向轉(zhuǎn)動，電機、滾筒及絲桿的軸承應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、三角導軌及絲桿、螺母等每班應注油一次。
3.2.3 儲絲走絲部件主要零件強度計算
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《機械設(shè)計》
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——電機頜定功率
η——從電機到該轉(zhuǎn)動軸之間傳動件的傳動效率的乘積
n——該轉(zhuǎn)動軸的計算轉(zhuǎn)速r/min
計算轉(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
齒面點蝕估算：
A370
=370
=49.28mm
其中n為該轉(zhuǎn)動軸的計算轉(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
取較大的那個模數(shù)，在這個設(shè)計中，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)的驗算
根據(jù)接觸疲勞計算齒輪模數(shù)公式為
m=16300mm
式中： N——計算齒輪傳遞的頜定功率
N=ηNkw
n——計算齒輪（小齒輪）的計算轉(zhuǎn)速r/min
ψ——齒寬系數(shù)，ψ=b/m，ψ常取6～10
Z——計算齒輪的齒數(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和基準循環(huán)次數(shù)C
n——齒輪的最低轉(zhuǎn)速r/min
T——預定的齒輪工作期限，中型機床推薦T=15000～20000h
——轉(zhuǎn)速變化系數(shù)
——材料強化系數(shù)，幅值低的交變載荷可使用金屬材料的晶粒邊界強化，起著阻止疲勞細縫擴展的作用；
——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)彎曲疲勞計算齒輪計算模數(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度驗算
1．齒輪強度的驗算
齒輪危險截面的彎曲強度條件公式
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
——載荷作用與齒頂時齒形系數(shù)
——載荷作用與齒頂時應力校正系數(shù)
查表得：=2.69，=1.575
則 =
=18.4MPa
N=60njL
=60×1390×1×20000
=1.668×
s——疲勞強度安全系數(shù)
s=～1.5
K——壽命系數(shù) （）
——齒輪的疲勞強度
=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)計的齒輪1、2也滿足齒面接觸疲勞強度要求
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度要求
齒輪設(shè)計合格
2．主軸的驗算
按彎扭合成應力校核軸的強度：
根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)圖作出軸的計算簡圖，如圖3-2。
圖3-2 軸的結(jié)構(gòu)圖與彎矩圖
先計算軸上的載荷：
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是危險截面。先將計算出的截面C處的及M的值列于下表3-1
表3-1 應力計算表
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
彎矩M
總彎矩
扭矩
軸的計算應力：
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 進給傳動設(shè)計
3.3.1 滾珠絲桿螺母副的型號選擇
1. 最大工作載荷計算
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，可用下列實驗公式進行計算。
對于矩形道軌
式中： ——工作臺進給方向載荷
——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驗系數(shù)
F——考慮顛覆力矩影響的摩擦系數(shù)
對于滾動導軌；f=0.0025～0.005
由于電火花線切割是電極絲放電進行加工，可以認為近似為零
所以；
取 Kg（估算）
=fG=10000.005=5
2. 最大動載荷C的計算及主要尺寸初選
滾珠絲桿應根據(jù)斷定動載荷選用，最大動載荷計算原理與滾動軸承相同。
滾珠絲桿的最大動載荷應用下式計算：
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給速度，單位m/min
——絲桿基本導程，單位mm
t——頜定使用壽命，單位h，可取t=15000h
——運轉(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)以上計算選取CBM3205—5（《機械設(shè)計師手冊》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），其中表示第個工作載荷，=1、2、3、4…n；
第個載荷對應的轉(zhuǎn)速（r/min）
第個載荷對應的工作時間（h）；
絲桿副最大移動速度；
絲桿預期壽命；
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)方式和預緊方式；
2）計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計算當量轉(zhuǎn)速
=
=2000
③計算當量載荷
=2333N
④初步確定導程
=
=2.5mm
取
⑤計算絲桿預期工作轉(zhuǎn)速
=120000
⑥計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)初選的和計算的，選取導程為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、雙螺母墊片預緊、導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滾珠絲桿的預緊
預緊力（）一般取當量載荷的三分之一或頜定動載荷的十分之一。即：
=778N
其相應的預緊轉(zhuǎn)矩
=
=0.16N
3.4 伺服電機的選用
伺服電動機又稱為脈沖電動機，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。具有以下四個特點：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負載、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、同步運行特性好。
數(shù)控電火花成型機的動力系統(tǒng)要求電動機定位精度高，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系列伺服電動機為反應式伺服電動機，具備以上的所有條件，我們選用的型號90BF004的電動機作為主運動的動力源。
選用時主要有以下幾個步驟：
3.4.1 扭矩的計算
伺服電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機的定位轉(zhuǎn)矩。伺服電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系是；
伺服電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。伺服電機所需空載啟動力矩按下式計算：
式中：
——空載啟動力矩；
——空載啟動時運動部件由靜止升速到最大快進速度折算到電機軸上的加速力矩；
——空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；
——由于絲桿預緊折算到電機軸上的附加摩擦力矩；
而且初選電機型號時，應滿足伺服電動機所需空載啟動力矩小于伺服電動機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：
計算的各項力矩如下：
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
伺服電機有三種工況：啟動、快速進給運動、工進運行。
前面提出的，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。
伺服電機啟動有突跳啟動和升速啟動。
突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。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進給控制系統(tǒng)設(shè)計
4.1 三菱的GX Developer 編程軟件簡介
進入GX Developer初始界面后，在【文件】下拉菜單中，單擊“新建”菜單項，選擇創(chuàng)建一個新文件。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，下一步就可進行編譯、鏈接和調(diào)試了。如果編譯沒有錯誤，就可以進行在線運行。在編譯過程中，如果出現(xiàn)錯誤要進行修改時，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，沒有語法錯誤，可加載程序到PLC，進行在線運行。
4.2 系統(tǒng)程序設(shè)計方法
工程設(shè)計中，可編程控制器應用程序的設(shè)計大體上有三種方法，也是使用最多的方法。這些方法的應用，也因不同設(shè)計人員有著不同的技術(shù)水平和習慣存在著差異。下面介紹一下常用的幾種應用程序的設(shè)計方法，以便對下面的設(shè)計更有一個清晰的認識，也使讀者更加明白可編程控制器的設(shè)計方法和技巧。
1、經(jīng)驗設(shè)計法
經(jīng)驗設(shè)計法也叫湊試法。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)驗進行選擇、組合。這種方法對于一些簡單的控制系統(tǒng)的設(shè)計是比較湊效的，可以收到快速、簡單的效果。但是它沒有一個普遍的規(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)計所用的時間、設(shè)計的質(zhì)量與設(shè)計者的經(jīng)驗的多少有關(guān)。
經(jīng)驗設(shè)計法的具體步驟如下：
（1）確定輸入/輸出電器；
（2）確定輸入和輸出點的個數(shù)、選擇PLC機型、進行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）將各個環(huán)節(jié)編寫的程序合理地聯(lián)系起來，即得到一個滿足控制要求的程序。
2. 邏輯設(shè)計法
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現(xiàn)的。而繼電器、交流接觸器的觸點都只有兩種狀態(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)計法進行PLC程序的設(shè)計，它使用邏輯表達式描述問題。在得出邏輯表達式后，根據(jù)邏輯表達式畫出梯形圖。因此用邏輯設(shè)計法也可以適用于PLC應用程序的設(shè)計。
順序控制法
對那些按動作的先后順序進行控制的系統(tǒng)，非常適合使用順序控制設(shè)計法進行編程。順序控制法規(guī)律性很強，雖然編程相當長，但程序結(jié)構(gòu)清晰、可讀性。在用順序控制設(shè)計法編程時，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，有向線段可以不加箭頭，否則必須加箭頭。
（4）一個順序功能圖中至少有一個初始步。
可編程控制器設(shè)計語言也有多種形式，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。高速走絲線切割機床進給機構(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
X0
X軸脈沖輸出
Y0
Y軸原點
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
當整個系統(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X7接通時，輔助繼電器M0得電，此時執(zhí)行自動程序，下述手動程序無法運行。
4.3.2 手動程序
高速走絲線切割機床進給機構(gòu)上電后，需要手動定位，因此需要點動控制四軸進給伺服電機，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，此時為正方向，脈沖數(shù)是無窮個。D1是每秒發(fā)出的脈沖個數(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M0為自動運行條件，即當M0不接通時，此時M0常閉閉合，才可以執(zhí)行手動程序。同時X6為系統(tǒng)急停按鈕。
4.3.3 上電回原點程序
系統(tǒng)每次上電需要執(zhí)行上電回原點操作，其梯形圖如下圖4-4所示
圖4-4 上電會原點操作
M8002是上電回原點操作的發(fā)出信號，當PLC上電后，M10到M11被置位，X/Y軸開始同時執(zhí)行回原點程序，會原點到位后，每個軸的回原點程序被復位。ZRN 為PLC內(nèi)置的回原點指令。
4.3.4 極限位置保護程序
在系統(tǒng)執(zhí)行過程中，如果系統(tǒng)原因到達極限位置，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
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，從而起到保護作用；同理，M8353和M8354針對Y軸。
4.3.5 自動程序
在系統(tǒng)運行中，四周定位采用點位控制，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)課題的任務要求，本文主要完成以下幾點內(nèi)容：
(1) 完成了線切割機床本體方案確定。
(2) 完成線切割機床整機CAD工程圖的繪制，同時完成送絲機構(gòu)，X,Y傳動機構(gòu)的繪制。
(3) 完成高速走絲線切割機床傳動部分控制系統(tǒng)的設(shè)計，包括PLC I/0接口的分配，伺服電路的設(shè)計，最后完成PLC控制程序的設(shè)計。
由于本人經(jīng)驗和專業(yè)知識有限，論文中或許有不合理的地方，還請指導老師指出，在今后的工作生活中必定會逐步完善。
參 考 文 獻
[1] 機床設(shè)計手冊編寫組.機床設(shè)計手冊（第三冊）.北京:機械工業(yè)出版社.2001.
[2] 徐顴主編.機械設(shè)計手冊第一冊.北京:機械工業(yè)出版社.2007
[3] 楊黎明主編.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊.北京:國防工業(yè)出版社.1997
[4] 李明輝，電火花加工理論基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社.1989
[5] 南京工藝裝備制造有限公司.精密滾珠絲杠副樣本.
[6] 孫恒、李繼慶主編.機械原理教程.西北工業(yè)大學出版社.2007
[7] 濮良貴、紀名剛主編.機械設(shè)計.高等教育出版社.2007.9
[8] 許海峰 陳志康等編. SolidWorks入門. 北京: 清華大學出版社,2003
[9] 東北工學院《機械零件設(shè)計手冊》編寫組 編. 機械零件設(shè)計手冊. 北京: 冶金工業(yè)出版社，1982
[10] 李振清主編. 機械設(shè)計簡明手冊. 北京：兵器工業(yè)出版社，2005
[11] 徐灝主編.《機械設(shè)計手冊》. 機械工業(yè)出版社,2010
致 謝
本設(shè)計是在XXX老師的悉心指導和幫助下完成的。XXX老師淵博的知識、活躍的學術(shù)思想、嚴謹?shù)闹螌W作風以及豐富的實踐經(jīng)驗深刻的影響著我，啟發(fā)我，使我終生受益。他讓我學會了以嚴謹?shù)目茖W態(tài)度去把理論知識運用到實踐中，探索和論證理論的真實性。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老師對我學習、生活和思想上的關(guān)心和幫助。感謝長江師范學院的老師以及朝夕相處的同學們，正因為得到你們的幫助，我才能更好的的生活、學習以及順利的完成畢業(yè)設(shè)計，再次表示深深的感謝。
其次，感謝在此次畢業(yè)設(shè)計中給我提出寶貴改進意見的老師們，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)計中給我?guī)椭耐瑢W，是你們的默默支持讓我能順利完成畢業(yè)設(shè)計。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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