DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)床及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD】
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DK7732數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)床及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
引 言
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)從2004年2月份開始到本年的六月中下旬結(jié)束，長(zhǎng)達(dá)半年。畢業(yè)設(shè)計(jì)是一名在校大學(xué)生最后的一次也是最重要的一次設(shè)計(jì)，說(shuō)其重要主要是因?yàn)樗鼘z驗(yàn)?zāi)阍诖髮W(xué)生活中所學(xué)知識(shí)的扎實(shí)程度，其間你必須復(fù)習(xí)所學(xué)過(guò)的一些課程，學(xué)習(xí)一些要用到的新的知識(shí)，它還將練習(xí)你的動(dòng)手能力，思考能力，創(chuàng)新能力，是你在大學(xué)學(xué)習(xí)生活的一次升華，是一個(gè)提升階段，更是走向工作崗位的一次練兵，因此我們都對(duì)此極為重視，更是投入了極大的熱情與努力來(lái)更好的完成它。
本次設(shè)計(jì)在顏竟成教授的悉心指導(dǎo)下分四個(gè)階段按部就班的有條不紊的進(jìn)行。第一階段是搜集整理階段。在本階段主要是搜集足夠的資料信息并對(duì)設(shè)計(jì)題目進(jìn)行分析和實(shí)地調(diào)查，做到心中有輪廓，。本階段其實(shí)從2004年元旦就開始了截止到2004年3月份第一張外觀圖繪制成功為止。第二階段是機(jī)械部分設(shè)計(jì)階段。本階段主要應(yīng)用大學(xué)里面所學(xué)的專業(yè)知識(shí)來(lái)進(jìn)行運(yùn)絲系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和坐標(biāo)工作臺(tái)的縱向和橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。另外還要進(jìn)行儲(chǔ)絲筒的三維零件設(shè)計(jì)。本階段主要是從三月份到五月份。五月份到六月份則是第三階段：控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段。主要進(jìn)行電器電路設(shè)計(jì)，包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)和脈沖功率放大電路設(shè)計(jì)。本階段也是一個(gè)學(xué)習(xí)的階段，對(duì)自己不太熟悉的的的領(lǐng)域的一次學(xué)習(xí)。六月份開始就是最后一個(gè)階段：整理復(fù)習(xí)階段，主要從事前幾個(gè)階段的整理溫習(xí)，寫說(shuō)明書。以及畢業(yè)答辯前的各項(xiàng)具體細(xì)節(jié)的準(zhǔn)備。
可以說(shuō)每個(gè)階段都是十分緊張而有難度的，有些問(wèn)題是由于設(shè)計(jì)的難度，有些還是因?yàn)樽约褐R(shí)上的欠缺和不扎實(shí)造成的。可以說(shuō)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)是個(gè)查缺補(bǔ)漏的機(jī)會(huì)。尤其是在同學(xué)的幫助下，特別是在顏教授的指導(dǎo)下，遇到困難不逃避，主動(dòng)請(qǐng)教，主動(dòng)學(xué)習(xí)，獨(dú)立思考提出新方案，困難被一個(gè)個(gè)解決了，有了本次設(shè)計(jì)的成功。更鍛煉了團(tuán)體協(xié)作精神，獨(dú)立作業(yè)能力，專業(yè)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，對(duì)自己將來(lái)都是一次具有深遠(yuǎn)影響的事件。
一、 總體方案設(shè)計(jì)
（一） 總體方案的擬定
（1）電火花線切割機(jī)床具有定位，縱向和橫向的直線插補(bǔ)功能；還能要求暫停，進(jìn)行循環(huán)加工等，因此，數(shù)控系統(tǒng)選取連續(xù)控制系統(tǒng)。
（2）電火花線切割機(jī)床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)應(yīng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。
（3）根據(jù)電火花線切割機(jī)床最大的加工尺寸，加工精度，控制速度和經(jīng)濟(jì)性要求，一般采用8位微機(jī)。在8位微機(jī)中，MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比。因此，可選擇MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機(jī)控制系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機(jī)床狀態(tài)信息的顯示器；包括光電隔離電路和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。此外，系統(tǒng)中還應(yīng)該包括脈沖發(fā)生電路和其他輔助電路。
（5）縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們由步進(jìn)電機(jī)、齒輪副、絲杠螺母副組成，起傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的。
（6）為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙。齒輪副也應(yīng)有消除齒側(cè)間隙的機(jī)構(gòu)。
（7）采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可以減少導(dǎo)軌間的摩擦阻力，便于工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確和微量移動(dòng)，且潤(rùn)滑方法簡(jiǎn)單。
在上述方案的基礎(chǔ)上，有條件的還可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)鉬絲的角度調(diào)節(jié)，使加工過(guò)程更加細(xì)致。（伺服系統(tǒng)總體方案框圖如圖1.1）
（二）主要技術(shù)參數(shù)的確定
技術(shù)參數(shù)主要包括運(yùn)動(dòng)參數(shù)，尺寸參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)。DK7732電火花線切割機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)如下：
工作臺(tái)行程/mm 500x320
最大切割厚度/mm 30（可調(diào)）
加工表面粗糙度Ra/μm 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
加工錐度 3°～60°
電極絲移動(dòng)速度 11m/s
電極絲最大直徑 φ0.1～φ0.2mm
圖1.1 伺服系統(tǒng)總體方案框圖
二、 儲(chǔ)絲走絲部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（一）儲(chǔ)絲走絲部件運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
運(yùn)絲機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是由絲筒電機(jī)正反轉(zhuǎn)得到的。電極通過(guò)聯(lián)軸節(jié)與絲筒連接，絲筒裝有齒輪，通過(guò)過(guò)渡齒輪與絲桿上的齒輪嚙合。絲桿固定在絲板上，螺母固定上底座上，拖板與底座采用裝有滾珠的V形滾動(dòng)導(dǎo)軌連接，這樣絲筒每轉(zhuǎn)一周拖板直線移動(dòng)相應(yīng)的距離，因此機(jī)床工作前應(yīng)根據(jù)零件厚薄和精度要求在0.12—0.25mm的范圍內(nèi)選擇適當(dāng)?shù)你f絲直徑。
1、 對(duì)高速走絲機(jī)構(gòu)的要求
①高速走絲機(jī)構(gòu)的儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，還要進(jìn)行相應(yīng)的軸向移動(dòng)，以保證電極絲在儲(chǔ)絲筒上整齊排繞。
②儲(chǔ)絲筒的徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)量要小。
③儲(chǔ)絲筒要能正反轉(zhuǎn)，電極絲的走絲速度在7—12m/s范圍內(nèi)無(wú)級(jí)或有級(jí)可調(diào)，或恒速運(yùn)轉(zhuǎn)。
④走絲機(jī)構(gòu)最好與床身相互絕緣。
⑤傳動(dòng)齒輪副，絲杠副應(yīng)該具備潤(rùn)滑措施
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(chǔ)絲筒組合件、上下拖板、齒輪副、換向裝置和絕緣部分組成，如圖2.2所示
儲(chǔ)絲筒由電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)正反向轉(zhuǎn)動(dòng)。儲(chǔ)絲筒另外一端通過(guò)三對(duì)齒輪減速后帶動(dòng)絲杠。儲(chǔ)絲筒、電動(dòng)機(jī)、齒輪都安裝在兩個(gè)支架上。支架及絲杠則安裝在拖板沙鍋內(nèi)，調(diào)整螺母裝在底座上，拖板在底座上來(lái)回移動(dòng)。螺母具有消除間隙的副螺母和彈簧，齒輪及絲杠螺距的搭配為沒(méi)旋轉(zhuǎn)一圈拖板移動(dòng)0.25mm。所以該儲(chǔ)絲筒適用于Φ0.25mm以下的鉬絲。
儲(chǔ)絲筒運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)應(yīng)平穩(wěn)，無(wú)不正常振動(dòng)。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(dòng)應(yīng)完全徹底消除。
高頻電源的負(fù)端通過(guò)碳刷送到儲(chǔ)絲筒軸的尾部，然后傳到鉬絲上，碳刷應(yīng)保持良好接觸，防止機(jī)油或者其他臟物進(jìn)入。
儲(chǔ)絲筒本身作高速正反向轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)、滾筒及絲杠的軸承應(yīng)定期拆洗并加潤(rùn)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、導(dǎo)軌及絲杠、螺母等每班應(yīng)注油一次。
（1） 儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)組合件
儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)組合件主要由儲(chǔ)絲筒、聯(lián)軸器和軸承座組成。
① 儲(chǔ)絲筒 儲(chǔ)絲筒是電極絲穩(wěn)定移動(dòng)和整齊排繞的關(guān)鍵部件之一，一般用45號(hào)鋼制造。為了減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，筒壁應(yīng)盡量薄，按機(jī)床規(guī)格，本次設(shè)計(jì)DK7732應(yīng)選用4mm（符合1.5—5mm）。為了進(jìn)一步減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也可以選用鋁鎂合金材料制造
儲(chǔ)絲筒壁厚要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般Ra為0.8μm。為保證儲(chǔ)絲筒組合件動(dòng)態(tài)平衡，應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)孔、外圓對(duì)支撐部分的同軸度。
儲(chǔ)絲筒與主軸裝配后的徑向跳動(dòng)量應(yīng)不大于0.01mm。一般裝配后，以軸的 兩端中心孔定位，沖摸儲(chǔ)絲筒外圓和與軸承配合的軸徑。
② 聯(lián)軸器 走絲機(jī)構(gòu)中運(yùn)動(dòng)組合件的電機(jī)軸與儲(chǔ)絲筒中心軸，一般不采用整體的長(zhǎng)軸，而是利用聯(lián)軸器將二者聯(lián)在一起。由于儲(chǔ)絲筒運(yùn)行時(shí)頻繁換向，聯(lián)軸器瞬間受到正反剪切力很大，因此多采用彈性聯(lián)軸器和摩擦錐式聯(lián)軸器。
圖1.2 運(yùn)絲系統(tǒng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖
a. 彈性聯(lián)軸器，如圖2.1所示
圖2.1 彈性聯(lián)軸器
彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，慣性力矩小，換向較平穩(wěn)，無(wú)金屬撞擊聲，可以減少對(duì)儲(chǔ)絲筒中心軸的沖擊。彈性材料采用橡膠、塑料或者皮革。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是，允許電動(dòng)機(jī)軸與儲(chǔ)絲筒軸稍有不同心和不平行（最大不同心允許為0.2—0.5mm，最大不平行為1°），缺點(diǎn)是由它聯(lián)接的兩根軸在傳遞扭矩時(shí)會(huì)有相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。
b. 摩擦錐式聯(lián)軸器，如圖2.2所示。摩擦錐式聯(lián)軸器可帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的大、中型儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)組合件。此種聯(lián)軸器可傳遞較大的扭矩，同時(shí)在傳動(dòng)符合超載時(shí)，摩擦面之間的華東還可以起到過(guò)載保護(hù)作用。因?yàn)殄F形摩擦面會(huì)對(duì)電機(jī)和儲(chǔ)絲筒產(chǎn)生軸向力，所以在電機(jī)主軸的滾動(dòng)支撐中，應(yīng)選用向心止推軸承和單列圓錐滾子軸承。此外，還要正確選用彈簧規(guī)格。彈力過(guò)小，摩擦面打滑，使傳動(dòng)不穩(wěn)定或摩擦面過(guò)熱燒傷；彈力過(guò)大，會(huì)增大軸向力，影響中心軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)。
圖2.2 摩擦錐式聯(lián)軸器
c.磁力聯(lián)軸器是依靠磁力無(wú)接觸式聯(lián)接的，保留了傳統(tǒng)聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)。具體有如下幾種。
套筒式磁力聯(lián)軸器（如圖3.1所示）
圖3.1 套筒式磁力聯(lián)軸器
此種聯(lián)軸器主動(dòng)磁極3和從動(dòng)磁極2均可為圓筒狀或以若干磁鐵排列成圓筒狀，并用黏結(jié)劑分別將其固定于主動(dòng)軸套4外表面上和從動(dòng)軸套1沒(méi)表面上， 主動(dòng)軸6與被動(dòng)軸7間用鍵5、8聯(lián)接。主動(dòng)磁極3和從動(dòng)磁極2之間有一定間隙，其目的為：兩磁極之間無(wú)摩擦，靠磁場(chǎng)聯(lián)接；被聯(lián)接兩軸因受制造及安裝誤差，承載后變形及溫度變化等因素影響，往往不能嚴(yán)格對(duì)中心。留有一定間隙，可補(bǔ)償這一不足，還可適當(dāng)降低加工及裝配要求。該套筒式聯(lián)軸器因磁場(chǎng)面積大，可以傳遞較大扭矩。其磁場(chǎng)聯(lián)接力可以通過(guò)改變主動(dòng)軸套4和從動(dòng)軸套1的配合長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
圓盤式磁力聯(lián)軸器（如圖3.2所示）
圖3.2 圓盤式磁力聯(lián)軸器
此種聯(lián)軸器主動(dòng)磁極3和從動(dòng)磁極2均可為圓盤狀或以若干磁鐵排列成圓形射線狀，并用黏結(jié)劑分別將其固定于主動(dòng)軸套4和從動(dòng)軸套1的大表面上。由于圓盤式聯(lián)軸器磁場(chǎng)面積小，所以傳遞扭矩小，并且體積相應(yīng)的也小。其磁場(chǎng)聯(lián)接力可以通過(guò)改變主動(dòng)磁極3和從動(dòng)磁極2之間的距離來(lái)進(jìn)行調(diào)整。
由于磁力聯(lián)軸器軸與軸之間沒(méi)有零件直接聯(lián)接，而是靠磁場(chǎng)聯(lián)接來(lái)傳遞扭矩，因此電機(jī)換向時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量被磁力線的瞬時(shí)扭曲抵消；在超負(fù)荷時(shí)，鍵8、5聯(lián)接的主動(dòng)軸7與從動(dòng)軸6可以自動(dòng)打滑脫開，起到安全離合器的作用，不會(huì)損壞任何零部件。
主動(dòng)磁極3和從動(dòng)磁極2均用強(qiáng)的永磁材料制成，例如，鐵氧體、稀土合金等。
綜合上述幾種類型，參照本次設(shè)計(jì)要求，選擇性價(jià)比最高的，顯然a類型既是彈性聯(lián)軸器已經(jīng)滿足條件，因此本次設(shè)計(jì)選用彈性聯(lián)軸器。
（2） 上下拖板
走絲機(jī)構(gòu)的上下拖板我們決定采用下面兩種滑動(dòng)導(dǎo)軌之一。
燕尾型導(dǎo)軌，這種結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便。旋轉(zhuǎn)調(diào)整桿帶動(dòng)塞鐵，可改變導(dǎo)軌副的配合間隙。但該結(jié)構(gòu)制造和檢驗(yàn)比較復(fù)雜，剛性較差，傳動(dòng)中摩擦損失也較大。
三角、矩形組合式導(dǎo)軌，如圖4.1所示。導(dǎo)軌的配合間隙由螺釘和墊片組成的調(diào)整環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)節(jié)。
圖4.1 三角、矩形組合式導(dǎo)軌
由于儲(chǔ)絲筒走絲機(jī)構(gòu)的上拖板一邊裝有運(yùn)絲電動(dòng)機(jī)，儲(chǔ)絲筒軸向兩邊負(fù)荷差較大。為保證上拖板能平穩(wěn)的往復(fù)移動(dòng)，應(yīng)把下拖板設(shè)計(jì)的較長(zhǎng)以使走絲機(jī)構(gòu)工作時(shí)，上拖板部分可始終不滑出下拖板，從而保持拖板的剛度、機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性及運(yùn)動(dòng)精度。
經(jīng)比較，顯然三角、矩形組合式導(dǎo)軌是比較理想的，因此，決定選用此種導(dǎo)軌作為本次設(shè)計(jì)之用。
（3） 齒輪副與絲杠副
走絲機(jī)構(gòu)上拖板的傳動(dòng)鏈?zhǔn)怯?-3級(jí)減速齒輪副和一組絲杠副組成，它使儲(chǔ)絲筒在轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，作相應(yīng)的軸向位移，保證電機(jī)絲整齊的排繞在儲(chǔ)絲筒上。
在本次設(shè)計(jì)線切割機(jī)中，走絲機(jī)構(gòu)常是通過(guò)配換齒輪來(lái)改變儲(chǔ)絲筒的排絲筒的排絲距離，以適應(yīng)排繞不同直徑電機(jī)絲的要求。
絲杠副一般采用軸向調(diào)節(jié)法來(lái)消除螺紋配合間隙。為防止走絲電機(jī)換向裝置失靈，導(dǎo)致絲杠副和齒輪副損壞，在齒輪副中，可選用尼龍輪代替部分金屬齒輪。這不但可以在電機(jī)換向裝置失靈時(shí)，由于尼龍齒輪先損壞，保護(hù)絲杠副與走絲電機(jī)，還可以減少振動(dòng)和噪聲。但是由于要照顧專業(yè)知識(shí)的復(fù)習(xí)，所以決定選用傳統(tǒng)的金屬材料制造。
（4） 線架、導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu)
線架與走絲機(jī)構(gòu)組成了電極絲的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。線架的主要功用是在電極絲按給定線速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)電極絲去支撐作用，并使電極絲工作部分與工作臺(tái)平面保持一定的幾何角度。對(duì)線架的要求是：
①具有足夠的剛度和強(qiáng)度，在電極絲運(yùn)動(dòng)（特別是高速1走絲）時(shí)，不應(yīng)出現(xiàn)振動(dòng)和變形；
②線架的導(dǎo)輪有較高的運(yùn)動(dòng)精度，徑向偏擺和軸向竄動(dòng)不超過(guò)5μm；
③導(dǎo)輪與線架本體、線架與床身之間有良好的絕緣性能；
④導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件有密封措施，可防止帶有大量放電產(chǎn)物和雜質(zhì)的工作液進(jìn)入導(dǎo)輪軸承；
⑤線架不但能保證電極絲垂直于工作臺(tái)平面，在具有 錐度切割功能的機(jī)床上，
還具備能使電極絲按給定要求保持與工作臺(tái)平面呈一定角度的功能。
線架按功能可分為固定式、升降式和偏移式三種類型；按結(jié)構(gòu)可分為懸臂式和龍門式兩種類型。
懸臂式固定線架主要由線架本體、導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件及保持器等組成。
（1） 線架本體結(jié)構(gòu)
中、小型線切割機(jī)床的線架本體常采用單柱支撐、雙臂懸梁式結(jié)構(gòu)。由于支撐電極絲的導(dǎo)輪位于懸臂的端部，同時(shí)電極絲保持一定張力，因此應(yīng)加強(qiáng)線架本體的剛度和強(qiáng)度，使線架的上下懸臂在電極絲運(yùn)動(dòng)時(shí)不致振動(dòng)和變形。
為了進(jìn)一步提高剛度和強(qiáng)度，在上下懸臂間增加加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)。有的機(jī)床的線架本體有的采用龍門結(jié)構(gòu)。這時(shí)，工作臺(tái)拖板只沿一個(gè)坐標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)通過(guò)架在橫梁上的線架拖板來(lái)實(shí)現(xiàn)。
此外，針對(duì)不同厚度的工件，還有采用絲臂張開高度可調(diào)的分離式結(jié)構(gòu)，活動(dòng)絲臂在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，上下移動(dòng)的距離由絲杠副調(diào)節(jié)。松開固定螺釘時(shí)，旋轉(zhuǎn)絲杠帶動(dòng)固定于上絲臂體的絲母，使上絲臂移動(dòng)。調(diào)整完畢后擰緊固定螺釘，上絲臂位置便固定下來(lái)。為了適應(yīng)線架絲臂張開高度的變化，在線架上下部分應(yīng)增設(shè)副導(dǎo)輪，如圖4.2所示：
圖4.2 可移動(dòng)絲臂
(2)導(dǎo)輪部件結(jié)構(gòu)
①導(dǎo)輪是本機(jī)床關(guān)鍵零件，關(guān)系到切割質(zhì)量，對(duì)導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的要求如下。
a. 導(dǎo)輪V形槽面應(yīng)有較高的精度，V形槽底的圓弧半徑必須小于選用的電極絲半徑，保證電極絲在導(dǎo)輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生軸向移動(dòng)。
b. 在滿足一定強(qiáng)度要求下，應(yīng)盡量減輕導(dǎo)輪質(zhì)量，以減少電極絲換象時(shí)的電極絲與導(dǎo)輪間的滑動(dòng)摩擦。導(dǎo)輪槽工作面應(yīng)有足夠的硬度，以提高其耐磨性。
c. 導(dǎo)輪裝配后轉(zhuǎn)動(dòng)應(yīng)輕便靈活，應(yīng)盡量減少軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。
d. 進(jìn)行有效的密封，以保證軸承的正常工作條件。
②導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的結(jié)構(gòu)
導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的結(jié)構(gòu)主要有三種：懸臂支撐結(jié)構(gòu)、雙支撐結(jié)構(gòu)和雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。
懸臂支撐結(jié)構(gòu)如圖 5.1所示，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，上絲方便。但是因?yàn)閼冶壑?，張緊的電極絲運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性較差，難于維持較高的運(yùn)動(dòng)精度，同時(shí)也影響導(dǎo)輪和軸承的使用壽命。
圖5.1懸臂支撐導(dǎo)輪結(jié)構(gòu)
雙支撐結(jié)構(gòu)為導(dǎo)輪居中，兩端用軸承支撐，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上絲麻紡。但是此種結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性較好，剛度較高，不容易發(fā)生變形及跳動(dòng)。
雙軸尖支撐結(jié)構(gòu)。導(dǎo)輪兩端加工成30?錐形軸尖，硬度在RC60以上。軸承由紅寶石或者錫磷青銅制成。該結(jié)構(gòu)易與保證導(dǎo)輪運(yùn)動(dòng)組合件的同軸度，導(dǎo)輪軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)量可以控制在較小的范圍內(nèi)。缺點(diǎn)是軸尖運(yùn)動(dòng)副摩擦力大，易于發(fā)熱和磨損。為補(bǔ)償軸尖運(yùn)動(dòng)副的磨損，利用彈簧的作用力使運(yùn)動(dòng)副良好接觸。
比較以上三種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以看出DK7732高速走絲電火花線切割機(jī)床的導(dǎo)輪選擇第二種比較適宜。
③導(dǎo)輪的材料 為了保證導(dǎo)輪軸徑與導(dǎo)向槽的同軸度，一般采用整體結(jié)構(gòu)。導(dǎo)輪要求用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以選用硬質(zhì)合金或陶瓷材料制造導(dǎo)輪的鑲件來(lái)增強(qiáng)導(dǎo)輪V形工作面的耐磨性和耐蝕性。
④導(dǎo)輪組合件的裝配
導(dǎo)輪組合件裝配的關(guān)鍵是消除滾動(dòng)軸承中的問(wèn)題，避免滾動(dòng)體與套環(huán)工作表面在負(fù)荷作用下產(chǎn)生彈性變形，以及由此引起的軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)。因此，常用對(duì)軸承施加預(yù)負(fù)荷的方法來(lái)解決。通常是在兩個(gè)支撐軸承的外環(huán)間放置一定厚度的定位環(huán)來(lái)獲得預(yù)負(fù)荷。預(yù)加負(fù)荷必須適當(dāng)選擇，若軸承承受預(yù)加負(fù)荷過(guò)大，在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇磨損。同時(shí)，軸承必須清洗的很潔凈，并在顯微鏡下檢查滾道內(nèi)是否有金屬粉末、碳化物等，軸承經(jīng)清洗、干燥后，填以高速潤(rùn)滑脂，起潤(rùn)滑和密封作用
（二） 儲(chǔ)絲走絲部件主要零件強(qiáng)度計(jì)算
1. 齒輪傳動(dòng)比的確定
鉬絲絲距選擇為0.25mm。儲(chǔ)絲筒每轉(zhuǎn)一周，拖板帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒移動(dòng)0.25mm，絲杠螺距選擇為1.5mm。
所以儲(chǔ)絲筒與絲杠見(jiàn)齒輪傳動(dòng)比為：
u=0.25/1.5=1：6；
采用二級(jí)齒輪傳動(dòng)，取u1=1/2，u2=1/3。
2. 齒輪齒數(shù)的確定
取Z=23；由于齒輪齒根與軸上鍵距離不能為零。
即df/2–（d+t1）>2m
由d=16mm查設(shè)計(jì)手冊(cè)得：
t1=2.3；
而df1=d1－2hf
=（z1–2ha*–2c*）m
=(23–2–0.5)m
=20.5m
代入上式得：20.5/2m–（16+2.3）/2?>2m
m>1.3
取m=2則Z2=2Z1=46
d1=mZ1=2×23=46mm
d2=mZ2=2×46=92mm
取Z3=23
Z4=3Z3=3×23=69
d3=mZ3=2×23=46mm
d4=mZ4=2×69=138mm
齒輪1，2中心距 a1=(d1+d2)/2=(46+92)/2=69mm
齒輪3，4中心距 a2=(d3+d4)/2=(46+132)/2=92mm
參考書《機(jī)械設(shè)計(jì)》
取b=0.5d1=0.5×46=23mm
其他數(shù)據(jù)如下
da1=(Z1+2ha*)m
=(23+2×1) ×2
=50mm
da2=(Z2+2ha*)m
=(46+2×1) ×2
=96mm
df1=(Z1－2ha*－2c*)m
=(23－2×1－2×0.25) ×2
=41mm
df2=(Z2－2ha*－2c*)m
=(46－2×1－2×0.25)×2
=87mm
同樣可以計(jì)算得: da3=50mm
da4=142mm
df3=41mm
df4=133mm
3. 傳動(dòng)件的估算
根據(jù)公式 d=91mm
其中 N—該傳動(dòng)軸的輸入功率
N=N
其中N－電機(jī)額定功率
η－從電機(jī)到該傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)件的傳動(dòng)效率的乘積
n－該傳動(dòng)軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速r/min
計(jì)算轉(zhuǎn)速n是傳動(dòng)件能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速
［φ］－每米長(zhǎng)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：
m
=32
=1.039mm
齒面點(diǎn)蝕估算：
A
=370
=49.28mm
其中n為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距
中心距A及齒數(shù)Z、Z求出模數(shù)
=
=
=1.428mm
取mm中較大者 m=1.428，現(xiàn)取m=2
（2） 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)算齒輪傳遞的額定功率 N=
n—計(jì)算齒輪（小齒輪）的計(jì)算轉(zhuǎn)速 r/min
—齒寬系數(shù)=b/m，常取6～10。
Z—計(jì)算齒輪的齒數(shù)，一般取傳動(dòng)中最小的齒輪的齒數(shù)；
i大齒輪與小齒輪的齒數(shù)比，i=
—壽命系數(shù)，=；
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；
k—轉(zhuǎn)速變化系數(shù)；
k—材料強(qiáng)化系數(shù)。幅值低的交變載荷可使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；
k—功率利用系數(shù) k—工作情況系數(shù) k—載荷系數(shù)
k3—齒向載荷分布系數(shù) Y—齒形系數(shù)
［］、—許用彎曲接觸能力
查表得：k1=1.2，k2=1.2，k3=1.15
Ks=knkNkq
=knkNkq
=×0.78×0.51×0.60
=0.91
N=0.54725kw =10 =600MPa
則 mj=16300mm
=1.824mm
根據(jù)彎曲疲勞計(jì)算齒輪計(jì)算模數(shù)公式為：
Mw=275mm
=275
=0.063mm
Ks=knkNkq
=knkNkq
=0.890.700.75
=0.554
所以m=2符合要求
（三） 儲(chǔ)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
齒根危險(xiǎn)截面的彎曲強(qiáng)度條件式
k—載荷系數(shù)
k=kAkv
—齒寬系數(shù)，取0.5
kA—使用系數(shù)，取1
kv—載荷系數(shù)，取1.05
—齒間載荷分配系數(shù)，
—齒向載荷分布系數(shù)
—小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距
=95.5×105P1/n1
=95.5×105×0.55/1390
=3.78×103N·mm
=1.11+0.18(1+6.7×0.52) ×0.52+0.15×10-3×0.5
=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=60njLh
=60×1390×1×20000
=1.668×106
s—疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)，
s=sH=1, s=sF=1.25～1.5
kN—壽命系數(shù) （kFN=1.0，kHN=1.0）
—齒輪的疲勞極限
=340MPa
所以＜
≤
其中：
ZH —區(qū)域系數(shù)
ZE—彈性影響系數(shù)
ZH= ZH=2.5 ZE=189.8MP
kH=kAkV=1×1.05×1.0×1.23045
=1.29
, ＜
因此，所設(shè)計(jì)齒輪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(jiǎn)圖，如圖6.1 (a)。并分別作出水平方向和垂直方向的彎矩圖，如圖 (b),(c)，以及扭矩圖如圖 (d)。
先計(jì)算軸上的載荷：
齒輪的分度圓直徑為：.
圖6.1 軸的結(jié)構(gòu)圖與彎矩扭矩圖
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MH、Mr及M的值列于下表1.1
表1.1 應(yīng)力計(jì)算表
載荷
水平面H
垂直面V
支反力F
FNH1=195.7N, FNH2=31.4N
FNH1=71.2N, FNH2=11.4N
彎矩M
MH==8543.6N·mm
MV=3109.6 N·mm
總彎矩
N·mm
扭矩T
T1=3.78×103N·mm
軸的計(jì)算應(yīng)力：
入如表1.1中數(shù)值得：=5.7MPa
前已經(jīng)選頂?shù)妮S的材料為45號(hào)鋼，調(diào)質(zhì)處理
查得=60MPa
因此<，故安全
(四） 主軸組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1. 軸承的配置形式
一般來(lái)說(shuō)數(shù)控機(jī)床的主軸結(jié)構(gòu)的軸承有以下幾種配置形式：
（1） 前后支承均采用雙列短圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向載荷，安裝在前端的兩個(gè)推力球軸承用來(lái)承受前后方向的軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)能承受較大的負(fù)載(特別是軸向負(fù)載），可適應(yīng)強(qiáng)力切削，但主軸轉(zhuǎn)速不能太高，軸承在高轉(zhuǎn)速時(shí)容易發(fā)熱。由于推力球軸承安裝在主軸前端，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)前軸承和后軸承溫度差較大，熱變形對(duì)主軸精度影響也較大。前軸承溫度高，主軸前端升高量大，后軸承溫度低，主軸末端升高量小，因此，這種機(jī)構(gòu)目前應(yīng)用較小。
（2） 前后支承用雙列短圓柱滾子軸承來(lái)承受徑向負(fù)荷，用安裝在主軸前端的雙向向心推力球軸承來(lái)承受軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)剛性較好。
（3） 前軸承用單列向心推力球軸承，背靠背安裝，由2～3個(gè)軸承組成一套，用以承受徑向和軸向負(fù)載；后軸承用雙列短圓柱滾子軸承。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)較高轉(zhuǎn)速、較重切削負(fù)載，主軸精度較好。但所承受的軸向負(fù)載較前兩種結(jié)構(gòu)小。
（4） 前后支承均采用成組單列向心推力球軸承，用以承受徑向和軸向負(fù)載。這種結(jié)構(gòu)適應(yīng)高轉(zhuǎn)速，中等負(fù)載的數(shù)控機(jī)床。在中、小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床上采用這種機(jī)構(gòu)較多。
本次設(shè)計(jì)主軸所采用的軸承支承方式為第四種。
`2. 主軸組件的調(diào)整和預(yù)緊
滾動(dòng)軸承的預(yù)緊是采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄊ菨L動(dòng)體和內(nèi)外套圈之間產(chǎn)生一定的預(yù)變形而帶伏負(fù)游隙運(yùn)行。預(yù)緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉(zhuǎn)精度，延長(zhǎng)軸承壽命。
按預(yù)載荷的方向可分為軸向預(yù)緊和徑向預(yù)緊。
而角接觸球軸承主要是軸向預(yù)緊，這可明顯提高軸向剛度。如下圖為單個(gè)角接觸球軸承的載荷—變形曲線，其彈性變形量δa與軸向外載荷Fa的關(guān)系為δa∝Fa23。沒(méi)有預(yù)緊時(shí)，在Fa作用下，軸承的軸向變形量為δa1；而在具有預(yù)緊Fa0條件下，同樣作用軸向載荷Fa，軸承的軸向變形增量為δa2，顯然δa2<δa1，軸承的軸向剛度有所提高。
圖5.2 角接觸球軸承載荷—變形曲線
三、 進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì)
（一）進(jìn)給傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)
1.脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定
1）脈沖當(dāng)量的確定
目前，常用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定數(shù)量的脈沖，每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖控制的特種電機(jī)，對(duì)于每一個(gè)電脈沖步進(jìn)電機(jī)都將產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移，每一個(gè)脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角，可由選用的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)從技術(shù)數(shù)據(jù)表中查出。
因此，每脈沖代表鍛機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲桿使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行件（如工作臺(tái)）的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為，單位為mm/脈沖。
應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所要求的定位精度來(lái)選定脈沖當(dāng)量?？紤]到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須大于定位精度值。此次設(shè)計(jì)的電火花成型機(jī)對(duì)機(jī)床定位精度的設(shè)計(jì)要求是±0.01mm，根據(jù)該精度要求可確定脈沖當(dāng)量為=0.005mm/脈沖。
2）傳動(dòng)比的確定
設(shè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比為i，若為一級(jí)傳動(dòng)，則,為主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)，為主動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速和齒數(shù)。若為多級(jí)傳動(dòng)，則i為總傳動(dòng)比。
對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)埋藏當(dāng)量（mm/脈沖）確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程（mm）和電機(jī)步距角都也已初步選定后，則可用下式計(jì)算主軸系統(tǒng)的傳動(dòng)比
i=1。
（二）滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇和滾珠絲杠的選型和校核
1.滾珠絲杠螺母副的型號(hào)選擇
（1）最大工作載荷計(jì)算
滾珠絲杠上的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體中立和作用于導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力，可用下列實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。
對(duì)于矩形導(dǎo)軌 Fm=KFL+f(FV+FC+G)
式中： FL—工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷
FV—工作臺(tái)垂直載荷
FC—工作臺(tái)橫向載荷
G—移動(dòng)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(duì)于滾動(dòng)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FL，F(xiàn)V，F(xiàn)C近似為零
所以：Fm=fG
取f=0.005，G=1000kg（估算）
Fm=fG=1000×0.005=5
（2） 最大動(dòng)載荷C的計(jì)算及主要尺寸初選
滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)斷定動(dòng)載荷Ca選用，最大動(dòng)載荷計(jì)算原理與滾動(dòng)軸承相同。
滾珠絲杠的最大動(dòng)載荷應(yīng)用下式計(jì)算
L=60nt/106
式中：L—工作壽命，單位106r
n—絲杠轉(zhuǎn)速，單位r/min
v—最大切削力條件下進(jìn)給速度，單位m/min
L0—絲杠基本導(dǎo)程，單位mm
t—額定使用壽命，單位h，可取t=15000h
fm—運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取1～1.2，一般情況1.2～1.5
所以
=
=11.96
=（1000×100×10-3）/5
=20r/min
L=60nt/106
=
=105.12（106r/min）
=
=33
根據(jù)以上計(jì)算選取CBM3205—5（《機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)》上）
2.滾珠絲杠的選型和校核
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)，再根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號(hào)并向有關(guān)廠家訂購(gòu)。此次設(shè)計(jì)中滾珠絲桿被三次選用，故本人只選取其中最重要的主軸傳動(dòng)中的滾珠絲桿加于設(shè)計(jì)和校核。其步驟如下：
首先對(duì)于一些參數(shù)說(shuō)明如下：
軸向變載荷，其中i表示第i個(gè)工作載荷，i=1、2、3…n ；
第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速(r/min);
第i個(gè)載荷對(duì)應(yīng)的工作時(shí)間 (h) ;
絲桿副最大移動(dòng)速度(mm/min);
絲桿預(yù)期壽命。
1．型號(hào)選擇
（1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求
選擇滾道截面形狀，滾珠螺母的循環(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
③計(jì)算當(dāng)量載荷
④初步確定導(dǎo)程
取5mm
⑤計(jì)算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速
⑥計(jì)算絲桿所需的額定載荷
（3）選擇絲桿型號(hào)
根據(jù)初定的和計(jì)算的，選取導(dǎo)程為5mm，額定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號(hào)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
校核合格。
3．由于此絲桿是豎直放置，且其受力較小，溫度變化較小。所以其穩(wěn)定性、溫度變形等在此也沒(méi)必要校核。
4．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額定動(dòng)載荷的十分之一。即：
其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩
（三）步進(jìn)電機(jī)的選用
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為脈沖電動(dòng)機(jī)，是一種把電脈沖信號(hào)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(dòng)而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動(dòng)、制動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)要求電動(dòng)機(jī)電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用了型號(hào)90BF004的電動(dòng)機(jī)作為主運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。
選用時(shí)主要有以下幾個(gè)步驟：
（一）根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào)
1．步距角
初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊(cè)中查到步距角,由于
綜合考慮，我初選了，可滿足以上公式。
2．距頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax的關(guān)系是：
Mmq=
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)載下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩按下式計(jì)算：
式中：Mkq為空載啟動(dòng)力矩；Mka為空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)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；Mkf為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；為由于絲桿預(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(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：
MkqMmq=λMjmax
計(jì)算Mkq的各項(xiàng)力矩如下：
（1）加速力矩
（2）空載摩擦力矩
（3）附加摩擦力矩
（二）啟動(dòng)矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的，僅僅是指初選惦記后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)。
突跳啟動(dòng)時(shí)加速力矩很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動(dòng)過(guò)程中只要升速時(shí)間足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩不會(huì)很大。一般不會(huì)發(fā)生丟步現(xiàn)象。
（四）進(jìn)給機(jī)構(gòu)支承設(shè)計(jì)
1.螺桿的支承形式
滾珠絲杠的支承和支承方式將影響絲杠副的剛度，因此，對(duì)運(yùn)動(dòng)精度要求高時(shí)應(yīng)審慎的加以選擇。常見(jiàn)的支承形式有以下幾種：
①絲杠一端安裝兩個(gè)深溝球軸承或者角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承的稱為固定支承；螺母相當(dāng)于固定支承。
②安裝一個(gè)深溝球軸承或者角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承的稱為鉸支承；因此絲杠的支承方式有兩端固定，一端固定，一端鉸支，一端固定、一端自由，兩端鉸支，一端固定、一端鉸支幾種。
本次采用的是兩端固定形式支承
2.螺桿的支承方式
螺桿的支承方式有以下四種：
（1）雙推自由支承：
將兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承裝在一端，另一端自由
特點(diǎn)：適用于短螺桿。
（2）雙推支承
將兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承裝在一端，另一端裝一個(gè)或兩個(gè)深溝球軸承。
特點(diǎn)：螺桿水平安裝時(shí)，可減少或避免因自重產(chǎn)生的彎曲或高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，自由端的晃動(dòng)。
適用于長(zhǎng)螺桿。
（3）單推單推或雙推單推
兩端各裝一個(gè)方向相反的推力球軸承和一個(gè)深溝球軸承或一端裝兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承，另一端裝一個(gè)推力球軸承。
特點(diǎn)可預(yù)拉伸螺桿，以減少或消除螺桿水平安裝時(shí)，因自重產(chǎn)生的彎曲，當(dāng)軸承預(yù)緊力大于螺桿載荷的1/3時(shí)，螺桿拉壓剛度可提高4倍，且不會(huì)承受壓力，無(wú)失穩(wěn)現(xiàn)象。
（4）雙推雙推
兩端各裝兩個(gè)方向相反的推力球軸承和兩個(gè)深溝球軸承
特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)與單推單推式相同，當(dāng)超過(guò)預(yù)計(jì)溫度時(shí)，不會(huì)因螺桿伸長(zhǎng)使軸承產(chǎn)生間隙，缺點(diǎn)是調(diào)整較復(fù)雜。
四、數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
（一） 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定
機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成.控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床,如車床、銑床、磨床等等.控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示:
通信接口
軟件
微
機(jī)
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)
機(jī)
床
開關(guān)量控制電路
主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路
主軸電動(dòng)機(jī)
圖6.2 控制系統(tǒng)框圖
(二)數(shù)控系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)
1、 單片機(jī)設(shè)計(jì)
單片機(jī)通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生產(chǎn)的，在它上面集成的是一些作為基本組成部分的運(yùn)算器電路、控制器電路、存儲(chǔ)器、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及輸入/輸出口電路等。但一個(gè)單片機(jī)芯片并不并能把計(jì)算機(jī)的全部電路都集成到其中，有些元件如復(fù)位電路的石英晶體、電阻、電容等只能以散件的形式出現(xiàn)。此外，在實(shí)際的控制應(yīng)用中，常常需要擴(kuò)展外圍電路和外圍芯片。
通常所說(shuō)的單片機(jī)系統(tǒng)都是為實(shí)現(xiàn)某一控制應(yīng)用需要由用戶設(shè)計(jì)的，是一個(gè)圍繞單片機(jī)芯片而組建的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。在單片機(jī)系統(tǒng)中，單片機(jī)處于核心地位，是構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的硬件和軟件基礎(chǔ)。
(1)MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)
MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存貯器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存貯器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器。內(nèi)部沒(méi)有程序存貯器，必須外接EPROM程序存貯器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分。
a.電源及時(shí)鐘引腳
此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2。
電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。
Vcc（40腳）：接+5V電源。
Vss（20腳）：接地。
時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。
XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。
XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接受振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。
b.控制引腳
它包括RST、ALE、、等。此類引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。
RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為≤0.5V的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（（5±0.5）V）時(shí)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。
ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問(wèn)外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。
（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存貯器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存貯器指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。
/Vpp（31腳）：當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)的是內(nèi)部程序存貯器，但當(dāng)PC值超過(guò)某值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問(wèn)外部程序存貯器。對(duì)8031來(lái)說(shuō)，因其無(wú)內(nèi)部程序存貯器。所以該引腳必須接地，即此時(shí)只能訪問(wèn)外部程序存貯器。
c.輸入/輸出引腳
輸入/輸出（I/O）口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。
P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。
P1口（P1.0-P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時(shí)，鎖存器必須置1），可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。
P2口（P2.0-P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。
P3口（P3.0-P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。
(2)MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路
時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟,它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏.MCS-51片內(nèi)有一個(gè)反相放大器,XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端,該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器,產(chǎn)生的時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件.單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種,大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式.
最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路,不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī),其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同.如圖所示:
圖7.1 內(nèi)部時(shí)鐘方式的時(shí)鐘電路
MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHz-24MHz之間可以選擇,一般取11.0592MHz.電容C1、C2的取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響.C1、C2可在20pF-100pF之間選擇,一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型取值為30pF,外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47pF,取60pF-70pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性.
在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí),晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)XTAL1、XTAL2引腳安裝,以減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作.為了提高溫度穩(wěn)定性,應(yīng)采用NPO電容.
(3)MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路
計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位,使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài),并從這個(gè)狀態(tài)開始工作.
單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的,MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST,高電平有效.它是施密特觸發(fā)輸入,當(dāng)振蕩器起振后,該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平,使器件復(fù)位,只要RST保持高電平,MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài).此時(shí)ALE ,,P0,P1,P2,P3口都輸出高電平.RST變位低電平后,退出復(fù)位狀態(tài),CPU從初始狀態(tài)開始工作.復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容.
MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式.通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)等的需要,常常需要人工按鈕復(fù)位,如圖 所示:
圖7.2 上電按鈕復(fù)位電路
對(duì)于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻,故電阻R2可不接.單片機(jī)在上電瞬間,RC電路充電,RST引腳端出現(xiàn)正脈沖,只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平(因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要10ms),就能使單片機(jī)有效復(fù)位.當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時(shí),RC的典型值為C=10μF,R=8.2KΩ.簡(jiǎn)單復(fù)位電路中,干擾信號(hào)易串入復(fù)位端,可能會(huì)引起內(nèi)部某些寄存錯(cuò)誤復(fù)位,這時(shí)可在RST引腳上接一去耦電容.
上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個(gè)常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路,按下開關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平,從而使單片機(jī)復(fù)位
2.系統(tǒng)擴(kuò)展
在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存貯器，用以存放控制程序。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的存貯器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存貯器。這種擴(kuò)展就是配置外部存貯器（包括程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來(lái)與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。
（1） 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展
MCS—51系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為64kB（0000H～0FFFFH），其中8051、8751片內(nèi)有4kB的ROM或EPROM，8031片內(nèi)不帶ROM。當(dāng)片沒(méi)ROM不夠采用8031芯片時(shí)，需擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。用作程序存儲(chǔ)器的器件是EPROM和EEPROM，
MCS—51單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器的硬件電路如圖
圖8.1 MCS—51單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器的硬件電路
由于MCS—51單片機(jī)的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。通常地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存端G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。
根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)程序存儲(chǔ)器容量要求的不同，常用的擴(kuò)展 芯片包括EPROM2716（2kB×8）、2732A（4kB×8）、2764A（8kB×8）、27128A（16kB×8）、27256（32kB×8）和27512（64kB×8）等。以上6種EPROM均為單一＋5V電源供電，維持電流為35mA～40Ma，工作電流為75 mA～100 mA，讀出時(shí)間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0～A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存儲(chǔ)容量的大小不同，因而提供高8位地址的P2端口線的數(shù)量各不相同，故2716為A0～A10，27152為A0～A15；D0～D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。
根據(jù)圖 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373為例對(duì)8031單片機(jī)進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展，其連接圖如圖所示。
圖8.2 8031擴(kuò)展2764的連接圖
因?yàn)?764A是8kB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0～A12。由于系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片程序存儲(chǔ)器，所以可將片選端CE直接接地。同時(shí)，8031運(yùn)行所需程序指令來(lái)自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會(huì)運(yùn)行。
電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器EEPROM是近年來(lái)推出的新產(chǎn)品。其主要特點(diǎn)是能在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，并在斷電的情況下保持結(jié)果。因此，自從EEPROM問(wèn)世以來(lái)，在智能化儀器儀表、控制裝置、開發(fā)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。
（2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)部有128字節(jié)RAM存儲(chǔ)器。CPU對(duì)內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。但是在用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可MCS—51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
圖 是單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM的電路原理圖。
圖9.1 單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM的電路原理圖
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因?yàn)槿绱耍瑪?shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器地址可完全重疊，均為0000H—FFFFH，但數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與I/O口及外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。圖 中，P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對(duì)RAM進(jìn)行頁(yè)面尋址（根據(jù)其容量不同，所占用的P2端口不同），在對(duì)外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號(hào)。
在80314單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存儲(chǔ)器的設(shè)計(jì)無(wú)須考慮刷新問(wèn)題，因而它與微處理器的接口很簡(jiǎn)單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2kB×8）和6264（8kB×8）。單一＋5V供電，額定功耗分別為160mW和200mV，典型存取時(shí)間均為200ns，均有雙列直插式封裝，管腳分別為24和28線。
圖9.2 8031擴(kuò)展6264的連接圖
圖為6264與8031的硬件連接圖。從 圖中可以知道：6264的片選I接8031的P2.7，第二片選線CS2接高電平，保持一直有效狀態(tài)，因6264是8kB容量的RAM，鼓用到了13根地址線。8031在訪
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