便携式电火花加工机的设计

1、1 绪 论1.1 电火花加工机的发展历程在20世纪初，人们就发现了电火花，例如在插头或电器开关触点开、闭时，往往产生火花而把接触面烧毛或腐蚀成粗糙不平的凹坑而使插头或电器开关逐渐损坏。长期以来，电腐蚀一直被认为是一种有害的现象，人们不断地研究电腐蚀的原因并设法减轻和避免电腐蚀的发生。但事实总是一分为二的看的，只要掌握规律，在一定的条件下可能会转变成好事，把有害的变为有用的。1943年，苏联学者拉扎连科夫妇研究发明电火花加工，最初的电火花加工机使用的脉冲电源是简单的电阻-电容回路，之后，随着脉冲电源和控制系统的改进，电火花加工机床从此开始迅速发展起来。到了50年代初，电火花加工机的脉冲电源改进为

2、电阻-电感-电容回路的方式，同时还采用脉冲发电机之类的所谓长脉冲电源，使电火花技术的蚀除效率得到进一步提高，工具电极的相对损耗也有所降低。随后，又出现了大功率电子管、闸流管等高频脉冲电源，使得在同样表面粗糙度条件下的生产率得以提高。60年代中期，依次出现了晶体管和可控硅脉冲电源，不仅提高了能源利用效率和降低了工具电极损耗，而且扩大了粗加工与精加工的可调范围。到70年代，脉冲电源发展迅速，又陆续出现了高低压复合脉冲、多回路脉冲、等幅脉冲和可调波形脉冲等电源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具电极损耗等方面又有了新的进展。在控制系统方面，从最初简单地保持放电间隙，控制工具电极的进退，逐步发展到利

3、用微型计算机，对电参数和非电参数等各种因素进行适时控制。由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用领域日益扩大，电火花加工技术已广泛应用于机械、航天、航空、电子、原子能、计算机技术、仪器仪表、电机电器、精密机械、汽车、轻工等行业，以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围从微小的轴、孔、缝，到超大型模具和零件，为各种新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的设计改进与制造提供了新的加工技术，为现代科学技术的发展和试验设计水平的提高提供了有效的手段。本课题就是在这样的研究背景下提出的，为了满足工业环境的需求，本文将要设计一个便携式的电火花加工机。1.2 电

4、火花加工机的特点和应用范围1.2.1 电火花加工机的特点电火花加工又称放电加工(Electrical Discharge Machining简称EDM)，【2】其原理是把脉冲电源加在工具和工件之间，利用脉冲性火花放电时产生的的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对被加工零件的尺寸、形状及表面质量的要求。电火花加工机的特点如下：1）易于实现加工过程的自动化 由于是直接利用电能加工，而电能、电参数等相对于机械量而言，更易于实现数字控制、自适应控制、智能化控制和无人操作等。2）可以改进结构设计 由于电加工的特殊性，可以将产品结构进行改进，例如，将镶拼结构的硬质合金冲模改为用电火花加工的整体结构，减少了

5、加工工时和装配工时，延长了使用寿命。3）电极损耗相对比较低 由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电极损耗多集中在尖角或底面，往往影响成型精度。目前，随着电加工技术的发展，粗规准加工时已经能将电极相对损耗比降到0.1%以下，在中精规准加工时将损耗比将到1%左右。4）可加工的最小角部半径极小 一般情况下，电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙（通常为0.02至0.3毫米），若电极有损耗或采用平动头加工，则角部半径还要增大。但采用多轴控制的电火花机床，应用X、Y、Z轴数控摇动加工，可以清棱清角的加工出方孔、窄槽的侧面和底面。1.2.2 电火花加工机的应用范围目前，电火花加工（

6、EDM）作为模具制造技术的一个重要分支,在模具制造领域起着重要的作用。尤其是在先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争激烈的新形势下，促使电火花加工机床朝着更深层次、更高水平的方向快速发展，使放电加工技术在模具工业中经久不衰。例如：日本的冷冲模有53%是用电火花成型加工来完成的，美国的锻模有7%是用电火花成型加工来完成的。基于上述特点和条件，本文设计的电火花加工机的主要用途有以下几项：1）适合于难切削导电材料的加工【1】 由于脉冲放电的能量高度集中，放电区域产生的高温足以熔化、气化任何导电材料，所以能加工各种金属材料，甚至可以加工聚晶金刚石、立方氮化硼等超硬材料，如果具备一定条件还可以加工半导体

7、和非半导体材料。2）可以进行低刚度工件加工及微细加工 由于放电加工过程中工具电极与工件不直接接触，两者的宏观作用力很小，没有机械加工的切削力。因此，可以进行低刚度工件加工及微细加工。例如，加工小孔、畸形孔以及在硬质合金上加工螺纹、螺孔。3) 可以加工特殊复杂表面形状的零件 由于可以简单的将工具电极的形状复制到工件上，所以特别适用于复杂表面形状工件的加工。例如，制造冲模、塑料模、锻模和压铸模，在金属板材上切割出零件等。1.3 国内外发展现状随着科学技术的发展，对产品的小型化和精密化程度的要求越来越高。世界各国都纷纷投入大量人力、物力进行研究。70年代初，美国斯坦福大学开始了便携式机械的研究。80

8、年代以后，日本和西欧各国对此项研究也日益重视起来。目前，在航空航天、微电子、医学、光学、模具等各个领域中，有许多零件采用常规机床加工困难甚至无法加工，特别是对狭小空间内的加工、微细孔的加工及难加工材料的加工等，采用便携式电火花加工装置加工则会取得令人满意的效果。便携式电火花加工装置己成为整个微型机械制造领域一个非常重要的研究方向，具有重大的理论意义和实际应用前景。其国内外发展现状如下： 1） 国外的发展状况在小型电火花加工机构的研究上，国外的主要代表为原日本东京大学的博士生、现丰田工业大学的古谷克司和丰田工业大学的毛利尚武等人。他们已研制出蠕动式、冲击式和椭圆驱动式三种小型电火花加工机构，并在

9、冲击式机构基础上研制出改进的装置和自走式小型电火花加工装置，在蠕动式的基础上研制出点阵式电火花加工装置。与普通的电火花加工方法相比，微细电火花加工所使用的微小工具电极的制造比较困难，是加工中的关键问题之一。日本东京大学生产技术研究所的增泽隆久教授开发了电火花线电极磨削法（WEDG法），为这一关键问题的解决提供了一条行之有效的途径。不但提高了加工中的进给分辨率，也使进给系统的频率响应大大提高，满足了微细电火花加工的要求。2） 国内的发展状况在我国，电火花加工技术是随着现代科学技术的进步而逐步发展起来的。电火花成型加工机床经历了双机差动式主轴头、电液压主轴头、力矩电动机主轴头、直流伺服电动机主轴头

10、、交流伺服电动机主轴头，到直线电动机主轴头的发展历程；控制系统也由简易单轴数控逐步发展到二轴、三轴联动乃至多轴的联动控制。机械部分也以滑动导轨、滑动丝杠副逐步发展为滑动贴塑导轨、滚珠导轨、直线滚动导轨及滚珠丝杠副。最近，清华大学在北京市自然科学基金的资助下，对采用蠕动式微进给机构的微细电火花加工装置进行了研究。哈尔滨工业大学研制出基于WEDM法的微细电火花加工装置和蠕动式小型电火花加工装置，首次提出并研制了基于超声马达的电极直接驱动式微型电火花加工装置。南京航空航天大学较早地开展了小型电火花加工装置的研究，并开发了电磁冲击式小型电火花加工装置。综上所述，从EDM创立到现在，整整过去了六十年，在

11、微电子、自动控制和计算机等科学和技术进步的大力推动下，经过世界各国学者的不断努力，EDM的发展突飞猛进，应用范围在不断扩大，技术装备也日趋完善，使得EDM技术已经发展成为现代生产中极其重要的加工手段，在工业界发挥着不可替代的作用。2 机床的工作原理与总体方案拟定2.1 电火花加工机的工作原理电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用来蚀除导电材料的特种加工方法，又称放电加工或电蚀加工。【11】其工作原理如下：1）进行电火花加工时，工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中，或将工作液充入放电间隙。2）通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给，当两电极间的间隙达到一定

12、距离时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电。3）在放电的微细通道中瞬时集中大量的热能，急剧改变其压力，从而使工作表面局部微量的金属材料立刻熔化、气化，并爆炸式地飞溅到工作液中迅速冷凝，形成固体的金属微粒，然后被工作液带走。这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹，放电短暂停歇，两电极间工作液恢复绝缘状态。4）重复上述过程，进行进给动作，使下一个脉冲电压在两电极相对接近的另一点处产生火花放电，继续加工。这样，在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下，一边蚀除工件金属，一边使工具电极不断地向工件进给，最后便加工出与工具电极形状相对应的形状来。2.2 拟定总体设计方案 2.2.1

13、概述本论文将要对便携式电火花加工机内部结构进行整体设计，现将其主要组成部分介绍如下：电火花成型机床一般由机床本体、电气控制系统、工作液循环过滤系统和夹具附件等部分组成。1. 机床本体包括床身 、立柱、主轴头和工作台等部分。1）床身和立柱是机床的骨架【3】，是一个基础结构，由它确保电极与工作台或工件之间的相互位置。2）工作台的作用主要是支承和装夹工件，并可通过纵向和横向丝杠来调节工件和工具电极的相对位置。工作台上固定有工作液槽，用来容纳工作液，使放电加工部位浸在工作液介质中。3）主轴头是电火花加工机床中非常关键的部件之一，主轴头的驱动装置有很多种。其中，应用比较广泛并且经济性好的当属以步进电机作

14、为执行机构的驱动位置 。在加工时，主轴头的上下移动靠电动机带动轴向丝杠来实现。因此，丝杠的传动精度将直接影响到工件的加工精度和表面质量。2. 电源箱的作用是为零件加工不断供给所需的电流，同时，通过各种控制方式来实现电火花加工时所需的各种运动。例如，通过控制电动机的正反转来实现主轴的连续往复移动、点动等动作。3. 工作液循环过滤系统是实现电火花加工必不可少的组成部分。电火花加工大多数是在工作液中进行的。工作液的作用是冷却电极和工件表面，使电蚀产物冷凝、扩散到放电间隙之外。综上所述，本课题设计的便携式电火花加工机主要包括两部分内容：机械部分设计和电气控制部分设计。其中，机械部分主要有传动系统的设计

15、选型、电动机的类型选用、减速机构的选择计算等；电气控制部分主要有硬件部分设计和软件部分设计。2.2.2 机械部分设计1. 传动系统的确定机床的传动主要由丝杠的往复移动来实现，对于丝杠来说，按其摩擦特性可分为三类:即滑动丝杠、滚动丝杠及静压丝杠。三种丝杠的特点如表2-1所示。表2-1 丝杠的种类和特点种类特点及应用滑动丝杠结构简单，但传动效率低，精度低，且因滑动摩擦力大而使用寿命短，在机床上应用相对不多滚动丝杠分为滚珠丝杠和滚柱丝杠两大类。滚珠丝杠与滚柱丝杠相比而言，摩擦力小，传动效率高，精度也高，且成本较静压丝杠低，因而应用最广泛静压丝杠其螺纹牙形与标准梯形螺纹牙形相同，但牙形高于同规格标准螺

16、纹1.52倍，目的在于获得良好油封及提高承载能力，由于调整比较麻烦，而且需要一套液压系统，工艺复杂，成本较高，常被用于精密机床和数控机床的进给机构中从表2-1中可以看出：滚珠丝杠相对于其他丝杠而言，工作时摩擦力小，传动效率高，精度也较高，同时其经济性好，因而应用最为广泛。此外，滚珠丝杠还具备如下特点：1） 滚珠丝杠与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3，在省电方面很有帮助。 2） 高精度的保证 滚珠丝杠副是用日本制造

17、的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面，对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 3） 微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。 4） 无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加预压力，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加预压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝杠螺母部的刚性增强)。 5） 高速进给可能 由于滚珠丝杠运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。综上所述，本文选用由滚珠丝杠副组成的传动

18、系统。2电动机类型的确定电动机主要用于机械设备位置和速度的动态控制，其作用是把电信号转变为机械运动。在数控机床、工业机器人、坐标测量机以及自动导引小车等自动化制造、装配及测量设备中，已经获得非常广泛的应用。电动机的种类很多。在机床上较为常用的有直流电动机、交流电动机和步进电动机。各种伺服电动机的特点如表2-2所示：表2-2类型特点直流电动机负载能力大；但转子上安装了具有机械运动性质的电刷和换向器，需要定期维修和更换电刷，使用寿命短，噪声大，电动机功率不能太大交流电动机同步电动机负载转矩在允许限度内变化时，其转速保持恒定，功率因数可调节；但价格较贵异步电动机结构简单，容易制造，价格低廉，运行可靠

19、，坚固耐用，运行效率高，具有实用的工作特性，因此应用广泛步进电动机虽然结构简单，但控制精度低，抗干扰能力差，能量效率低，存在失步现象由上表可以看出，相对于步进电动机和直流电动机而言，交流异步电动机具有效率高、可靠性高、结构简单、使用维护方便、经济性好等优点。此外，以交流异步电动机为执行机构的伺服系统控制精度非常高。综上所述，本文采用以交流异步电动机作为便携式电火花加工机的驱动装置。3减速机构的确定常用的减速机构有三种，分别是带传动、链传动和齿轮传动。三者的特点和使用范围如表2-3所示：表2-3名称主要特点适用范围带传动带具有良好的挠性，可缓和冲击，吸收振动；但传动的外廓尺寸较大；需要张紧装置；

20、由于带的滑动，不能保证固定不变的传动比；带的寿命较短；传动效率较低中心距较大的传动链传动传动效率比带传动高；但瞬时链速和瞬时传动比不是常数，因此传动平稳性差；工作中有一定的冲击和噪声温度较高、有油污的恶劣环境齿轮传动传动的速度和功率范围很大；传动效率高，一对齿轮可达0.98-0.995；对中心距的敏感性小，互换性好；精度愈高，润滑愈好，效率愈高；易于进行精密加工机床、汽车等行业的机械设备中 本文选用齿轮传动作为便携式电火花加工机的减速机构。齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置之一，主要原因是：1) 齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确；2) 结构紧凑，强度大，能承受重载；3) 摩擦

21、力小，效率高；4) 寿命长；5) 可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动3 滚珠丝杠传动系统的设计计算3.1 概述滚珠丝杠副是丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将旋转运动转变为直线运动，或者将直线运动转变为旋转运动。因此，滚珠丝杠副既是传动元件，也是直线运动与旋转运动相互转换元件。滚珠丝杠副的结构原理示意图如图所示在丝杠和螺母上都有半圆弧型的螺旋槽；当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来构成封闭的循环滚道，滚道内装满滚珠。当丝杠旋转时，滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母或丝杠轴向移动。滚珠丝杠副的特点是

22、：1）摩擦损失小，传动效率高达0.92-0.96；2）丝杠螺母之间预紧后，可以完全消除间隙，传动精度高，刚度好；3）摩擦阻力小，且几乎与运动速度无关，动静摩擦力之差极小，不易产生低速爬行现象，保证了运动的平稳性；4）磨损小，寿命长，精度保持性好；5）不能自锁，能实现旋转运动与直线运动的可逆转换，但在立式使用时应增加制动装置；国产的标准滚珠丝杠副分为两类：定位滚珠丝杠副（P类），即通过旋转角度和导程控制轴向位移量的滚珠丝杠副；传动滚珠丝杠副（T类），即与旋转角度无关，用于传递动力的滚珠丝杠副。此外，滚珠丝杠副通常还可根据其特征进行分类，如按制造方法的不同可分为普通滚珠丝杠副和滚轧滚珠丝杠副；按螺

23、母形式可分为单侧法兰盘双螺母型、单侧法兰盘单螺母型、双法兰盘双螺母型、圆柱双螺母型、圆柱单螺母型、简易螺母型及方螺母型；按螺旋滚道型面可分为单圆弧型面和双圆弧型面；按滚珠的循环方式可分为外循环式和内循环式。3.2 滚珠丝杠副的选择计算电极最大重量W1=250N，电极及夹具最大重量W2=800N，主轴头升降距离LK=160mm;动摩擦因数=0.1，静摩擦因数0=1.2，快速进给速度vmax=10m/min,定位精度20m/300mm,全行程定位精度25m，.重复定位精度10m,寿命10000h,【8】可靠度97%，其他状况如下：表3-1切削方式轴向切削力Pxi/N进给速度vi/m.min-1工作

24、时间百分比ti/r.min-1丝杠速度ni/r.min-1强力切削10000.61060一般切削5000.83080精切削260150100快速切削0101010001 确定滚珠丝杠副的导程PhPh=vmax/nmax=10103/1000=10mm查机械设计手册，取Ph=10mm2 确定当量载荷Fm与当量转速nmni=vi/Ph103v1=0.6m/min, n1=60r/min；v2=0.8m/min, n2=80r/min；v3=10m/min, n3=100r/min；v4=vmax=10m/min, n4=nmax=1000r/min各种切削方式下，丝杠的轴向载荷Fi=Pzi+W2，

25、则有F1=1000+0.1800=1080N, F2=500+0.1800=580NF3=260+0.1800=340N, F4=0+0.1800=80N由此可得当量载荷，Fm= (F13n1t1+F23n2t2+F33n3t3+F43n4t4)/(n1t1+n2t2+n3t3+n4t4)1/3=(108036010+58038030+340310050+803100010)/(6010+8030+10050+100010)1/3=430N则当量转速为，nm= (n1t1+n2t2+n3t3+n4t4)/(t1+t2+t3+t4)= (6010+8030+10050+100010)/(10+3

26、0+50+10)= 180r/min3 确定预期额定动载荷Cam轻微冲击查表取fw=1.3，13级精度查表取fa=1.0可靠度97%查表取fc=0.44，则Cam=fwFm(60nmLh)1/3/(100fafc)=1.3430(6018010000)1/3/(1001.00.44)=6050N=6.05KN拟用中预紧丝杠，取fe=4.5， 用最大载荷Fmax计算，则Cam=feFmax=4.51080=4860N=4.86KN取Cam与Cam较大值，则Cam=6.05KN4. 确定允许的最小螺纹底径d2m估计丝杠允许的最大轴向变形m：m=(1/31/4)重复定位精度10=3.22.5m(1/

27、41/5)定位精度=(1/41/5)25=6.255m取两结果最小值m=2.5m。空载运转时静摩擦力Fo=W=W2=0.2800=160NL = 行程LK+安全行程(24)Ph+两个余程+螺母长+两个个支承长= 160+（2040）+2040+72+28=360mm380mm可取L=365mm。丝杠要求预拉伸，取两端固定的支承形式，a=0.078代入得d2m=a(FoL/m)1/2=0.078(160365/2.5)1/2=15.35mm5. 确定滚珠丝杠副的规格代号表3-2结构特征代号导珠管埋入式M导珠管凸出式T表3-3预紧方式代号双螺母垫片预紧D双螺母齿差预紧C双螺母螺帽预紧L表3-4 钢

28、球的循环方式代号循环方式代号内循环浮动式F固定式G外循环插管式C选内循环浮动法兰式直筒双螺母垫片式预紧FFZD型2004-3，查表得，do=16mm,d2=15.7mmd2m=15.35mm,Ca=7.3KNCam=6.05KN,Coa=15.5KN,Dw=3mm,Rnu=519,查出螺母长为72mm,同时选定JB/T3162推荐的固定轴端形式，采用72204型角接触球轴承，两个支撑长为28mm。6 Dn值校验Dpwnmax=(d2+Dw)nmax=(15.7+3) 1000=187007000,合格。7 确定滚珠丝杠副预紧力FpFp=1/3Fmax=1/31080=360N, 取Fp=400

29、N8 计算行程补偿值Ct=2.5 o,lu=LK+(814)Ph=160+(80140)=240mm300mm取300mm，则C=11.8tlu10-3=11.82.530010-3=8.85m9 计算预拉伸力FtFt=1.95td22=1.952.515.72=1202N10滚珠丝杠副临界转速的计算查表取f=3.4,Lc=L-(L-LK)/2=365-(365-160)/2=262.5mm,则nc=107fd2/Lc22=1073.415.7/262.52=2276r/minnmax=1000r/min,合格。11选择轴承型号表3-5 常用滚动轴承类型代号名称类型代号圆锥滚子轴承3推力球轴承

30、5深沟球轴承6角接触球轴承7表3-6 尺寸系列代号代号89012宽度系列特窄-窄正常宽直径系列超轻特轻轻表3-7 内径尺寸系列代号代号000102030499内径尺寸/mm10121517数字5a) 求载荷变动一个周期内的总转数【7】N =n110%+n230%+n350%+n410%=6010%+8030%+10050%+100010%=180rb) 求平均当量动载荷Pm=(n1P13+n2P23+n3P33+n4P43)/N1/3 =(6010003+805003+1002603+10000)/1801/3=736N查表得，fn=0.57,fh=2.71,fm=fd=fT=1C=fhfdf

31、mPm/fnfT=2.7111736/0.571=3499N选用72204型轴承，其Ca=22200N3499N，极限转速n=3800r1000r/min,满足要求。c) 计算需要的最小轴向载荷FaminA（n/1000）2, 查表得A=0.044Famin0.044(1000/1000)2=0.044KN=44N轴承在工作中承受的最小载荷F4(80N)大于Fmin(44N),轴承不需要预紧。12滚珠丝杠副压杆稳定性验算因最大轴向载荷Fzmax=1000N小于丝杠之预拉伸力Ft=1202N，丝杠不会受压失稳，不用验算。验算抗拉强度，p=4Ft/3.14d22=12024/3.1415.72=6

32、.2MPa, 远低于钢材许用拉力。13系统刚度验算及精度选择a) 滚珠丝杠的抗压刚度是随螺母在丝杠上的位置变化而变化的，最大值在端部（螺母至固定轴承距离最大时，即a=(L-LK）/2=(365-160)/2=102.5mm处)，而螺母处于支撑点端部时刚度最小。Rsmin=165d22L/a(L-a)=660d22/L=66015.72/365=445.7N/mRsmax=165d22L/a(L-a)=16515.72365/102.5(365-102.5)=551.7N/mb) 支承轴承的刚度：由轴承样本dQ=7.144mm,Z=17等资料得RBo=517N/m，对两端固定的轴承Rb=RBo=

33、517N/mc) 滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度：Rnu= Rnu(Fp/0.1Ca)1/3=519(400/0.17300)1/3=424.7 N/md) R的最大值和最小值如下：1/Rmin=1/Rsmin+1/Rb+1/Rnu=1/445.7+1/517+1/424.7=1/153N/m1/Rmax=1/Rsmax+1/Rb+1/Rnu=1/551.7+1/517+1/424.7=1/164 N/me) 传动系统的最小刚度（空载运转时）重复定位精度即反向误差，为10m，则Rmin=1.6Fo/反向差值=1.6160/10=25.6N/mRmin=15325.6,满足重复定位要求。f) 传

34、动系统的定位误差K=Fo(1/Rmin-1/Rmax)=160(1/153-1/164)=0.22m任意300mm内行程变动量对开环系统而言，V300p0.8定位精度-K=0.820-0.22=15.78m选丝杠副为3级精度，V300p=12m 15.78m,可用。g) 最终确定滚珠丝杠副的型号FFZD型，do=16mm,Ph=10mm,P类3级精度，标记为FFZD1610-3-P3。 4 异步电机及减速机构的确定4.1 概述与直流电机一样，异步电机也满足电机的可逆原理。即在某一条件下异步电机作为发电机运行，而在另一种条件下作为电动机运行。但是，由于异步发电机的运行性能较差，因而异步电机主要用

35、作电动机去驱动各种生产机械。例如，在工业方面，用于拖动中小型轧钢设备、各种金属切削机床、轻工业机械、矿山机械等；在农业方面，用于拖动水泵、脱粒机、粉碎机及其他农副产品的加工机械等；在民用电器方面的电扇、洗衣机、电冰箱、空调机等也都是用电动机拖动的。异步电动机的种类很多，从不同的角度考虑，有不同的分类方法。按定子相数分，有单相异步电动机、三相异步电动机；按转子结构分，有绕线转子异步电动机、笼型异步电动机，其中有包括单笼型异步电动机、双笼型异步电动机、深槽式异步电动机；按有无换向器分，有无换向器异步电动机、有换向器异步电动机。此外，根据电动机定子绕组上所加电压大小，电机又可分为高压异步电动机、低压

36、异步电动机。异步电动机主要由定子、转子两大部分组成。定子的作用是用来产生磁场和作电机本身的机械支撑，它包括铁芯、绕组和机座等。定子铁芯是由硅钢片叠压而成，片与片之间是绝缘的，以减少涡流损耗。转子用来感应电势和通过电流，从而实现能量的转换，它包括铁芯和绕组。异步电动机转子绕组多采用鼠笼式，它是在转子铁芯里插入铜条，再将全部铜条两端焊在两个铜端上而组成。4.2 异步电动机的选型计算已知条件如下：表4-1参数数据工作阻力F1000N速度v10m/min工作机效率W0.94丝杠直径d16mm4.2.1 初选异步电动机电动机已经系列化，设计中只需要根据工作载荷、工作机的特性和工作环境等条件，选择电动机的

37、类型和结构形式、容量、转速，【9】并确定电动机的具体型号。异步电动机常分为笼型异步电动机和绕线型异步电动机其特点和应用场合如表4-2所示，表4-2类型特点应用场合笼型电动机简单、耐用、可靠，易维护，价格低，特性硬，在可变频电源供电下可平滑调速，应用最广对驱动无特殊要求的各种机械设备绕线型电动机因有滑环，比笼型电动机维护麻烦，价格也稍高，转子串电阻的特性属软特性，随负载转矩的增大，电动机转速显著下降各种需简单调速的生产机械或电网容量小、启动次数多的机械4.2.2 确定电动机的容量1) 计算工作机所需功率PW=Fv/1000W=100010/1000600.94=0.18(KW)2) 计算电动机所

38、需功率 Po=PW/ 由电动机至工作机的传动装置总效率 =闭滚2 闭闭式齿轮传动效率，滚滚动轴承传动效率 查机械设计手册，取闭=0.97，滚=0.99，则总效率 =0.970.992=0.95 故电动机的工作功率为 Po=0.18/0.95=0.19（KW）3) 计算电动额定功率Pm=(11.3)Po=(11.3)0.19=0.190.25(KW)查机械设计手册可得，符合这一功率范围的电动机的额定功率取Po=0.55(KW)较为合适。4.2.3 确定电动机转速 丝杠工作转速nw=60100010/1660=668（r/min） 在传动装置中，总传动比为电机转速nm与工作机转速nw之比，即i=n

39、m/nwi-闭式齿轮传动比，取i=2.08。表4-3 标准模数系列第一系列1 1.25 1.5 2 2.5 3 4 5 6 8第二系列1.75 2.25 2.75 （3.25） 3.5 （3.75） 4.5 5.5传动比较小,为了保持结构紧凑,采用一级齿轮传动,取各齿轮参数如下表所示表4-4齿数z齿宽b模数m主动轮20402mm从动轮4235故电动机的转速为， nm =inw=2.08668=1390（r/min） 符合这一转速的同步转速有1000 r/min和1500 r/min两种。 综合考虑电动机和传动装置尺寸、结构和传动比，认为同步转速1500 r/min比较合适，故选用Y801-4型

40、电动机。其主要性能和参数见下表，表4-5电动机型号额定功率/ KW同步转速/（r/min）Y801-40.551500满载转速/（r/min）额定转矩/（Nm）额定电流/A13902.31.54.2.4 轴的选择与校核轴承受的最大转矩为Tmax=3.7Nm,WT为抗扭截面系数，轴的材料为45钢，长度为l=138mm,轴在全长上的扭转角不超过1，钢的切变模量为G=8104MPa。表4-6材料Q235，20354540Cr,34SiMnt/MPa12-2020-3030-4040-52a) 查表取轴的许用扭切应力为t=35MPa，按强度要求【14】，应使t=T/WT=T/0.2d3t,故轴的直径d

41、(T/0.2t)1/3=(3.7103/0.235)1/3=8.1mmb） 按扭转刚度要求，应使 =32Tl/Gd4由条件得，l=138mm,轴的全长上，= 1=/180rad,故d（32Tl/G）1/4=（323.7103138180/8104）1/4=7.9mm故该轴的直径取决于强度要求。圆整后可取d=10mm。5 机床的PLC控制设计5.1 概述20世纪70年代以前，电气自动控制的任务基本上都由继电器控制系统完成。该系统主要由继电器、接触器和按钮等组成，它取代了原来的手动控制方式。由于这种控制系统具有结构简单、价格低廉、抗干扰能力强等优点，所以当时使用得十分广泛，至今仍在许多简单的机械设

42、备中应用。但这种控制系统的缺点也非常明显，它采用固定的硬接线方式来完成各种控制逻辑，实现系统的各种控制功能，所以灵活性差；另外，由于机械式的触点工作频率低，易损坏，因此可靠性低。随着大规模集成电路和微处理器的发展和应用，【6】在1969年出现了世界上第一台以软件手段来实现各种控制功能的革命性控制装置-可编程序逻辑控制器PLC。它把计算机的功能完备、通用性和灵活性好等优点和继电器控制系统的操作方便、简单易懂、价格低廉等优点结合起来，因此它是一种适应于工业环境的通用控制装置。西门子公司的SIMATIC S7-200系列属于小型可编程序控制器，可在简单控制场合代替继电器，也可用于复杂的自动化控制系统

43、。它具有极强的通信控制功能，在大型网络控制系统中也能充分发挥其作用。S7-200的可靠性高，可用梯形图、指令表、功能块图三种语言来编程。它的指令丰富，指令功能强，易于掌握，操作方便；内置有高速计数器、高速输出、PID控制器、RS-485通信/编程接口、PPI通信协议、MPI通信协议和自由方式通信功能，I/O端子排可以很容易的拆卸；最大可扩展到248点I/O数字量或35路模拟量，最多有26KB程序和数字存储空间，已经在诸多领域中得到了十分广泛的应用。5.2 便携式电火花加工机的工作特点及电气控制要求5.2.1 电火花加工机的特点电火花加工主要用于加工各种截面形状的孔、槽、模具等。电火花加工机在加

44、工时，工件固定在工作台上，由主轴头上的工具电极进行加工。主运动为主轴的上下往复运动，进给运动为工作台的左、右、前、后运动。5.2.2 电气控制要求根据电火花加工原理，对其电气控制要求如下【12】：1) 一共需要四台三相异步电动机；2) 冷却泵电动机拖动冷却泵，在加工时提供冷却液，采用直接启动及停止方式，并为连续工作方式；3) 主轴电动机可实现正、反转以及正、反转时的点动控制，同时还要求能够实现电动机的定子串电阻降压启动和反接制动；4) 进给电动机能够实现正、反转的控制；5) 电动机应该设有短路和过载保护装置，并设有工作时的辅助照明灯，防止启动和运行时发生意外。5.3 便携式电火花加工机的电路分

45、析5.3.1 主电路分析主电路中有四台电动机【4】，隔离开关QA0将380V的三相电源引入。电动机MA0由接触器QA1的主触点控制其主电路的接通与断开。电动机MA1的电路接线分为三部分：第一部分由正转接触器QA1和反转接触器QA3的两组主触点构成电动机的正反转接线；第二部分为定子串电阻降压启动电路，解除其QA5的主触点控制限流电阻RA3的接入和切除。在进行点动调整时，为防止连续的启动电流造成电动机过载，串入三个限流电阻RA3，保证电路设备正常工作。第三部分为反接制动部分，RA1和RA2分别为正反转时的反接制动电阻，速度继电器BS的速度检测部分与电动机的主轴同轴相连，在停车制动过程中，当主轴电动

46、机转速低于BS的动作值时，其常开触电可控制电路中反接制动的相应电路切断，完成制动停车。 电动机MA2由接触器QA6和QA7的主触点控制其正反转；电动机MA3由接触器QA8和QA9的主触点控制其正反转。为了保证主电路的正常运行，主电路中还设置了熔断器的短路保护环节和热继电器的过载保护环节。5.3.2 控制电路分析1) 主电动机正转定子串电阻降压启动和点动控制【5】按下SF4，接触器QA1线圈得电，其主触点闭合，MA1串电阻启动；辅助触点闭合，QA5线圈得电，其主触点闭合，短接电阻RA3，其辅助触点闭合，KF3线圈得电；同时，时间继电器KF1线圈得电，延时一段时间后，其延时闭合的动合触点KF1闭合

47、，接触器QA2线圈得电，其辅助触点闭合实现自锁；其主触点闭合，短接电阻RA1，电动机正常运行。SF5为主电动机正转点动按钮。按下SF5点动按钮，直接接通QA2的线圈电路，电动机MA1正向直接启动，这时QA5线圈电路并没有接通，因此其主触点不闭合，限流电阻RA3接入主电路限流。松开按钮SF5，电动机MA1停转，实现了主电动机串联电阻限流的点动控制。2) 主电动机反接制动电路【10】MA1正转，接触器QA2、QA5、中间继电器KF3均处于得电状态；BS的正转动合触点BS1闭合，为MA1正转时的反接制动作准备。需要停转时，按下SF8，切断控制电源，QA2线圈失电，切断MA1主电源；QA5线圈失电，其

48、主触点断开，电阻RA3串入主电路，其辅助触点断开，KF3线圈失电，其动断触点闭合，使反转接触器线圈QA4通过1-2-3-4线路得电，其主触点闭合，MA1的电源反接，MA1处于反接制动状态。 当MA1的转速下降到的BS的复位转速时，BS的正转动合触点BS1断开，切断接触器QA4线圈的通电回路，MA1脱离电源停止。类似的，MA1反转时，接触器QA4、QA5、中间继电器KF3均处于得电状态；BS的反转动合触点BS2闭合。需要停转时，按下SF8，使反转接触器线圈QA2通过1-2-5-6线路得电，电源反接，使MA1脱离电源停止。3) 辅助电路开关SF0可控制照明灯EA，且EA为24V的安全照明电压。5.

49、4 PLC控制电路设计分析主电路及控制功能后【13】，整个控制系统输入点共21个，输出点共7个，采用S7-200CPU226CN型PLC进行控制，在不添加扩展模块的情况下能够满足控制要求，其I/O地址分配如下：表5-1输入信号输出信号名称代号地址名称代号地址冷却泵电机停SF1I0.0冷却泵电机接触器QA0Q0.0冷却泵电机转SF2I0.1主轴上升接触器QA2Q0.1主轴电机停SF8I0.2主轴下降接触器QA4Q0.2主轴电机正转SF4I0.3工作台左行接触器QA6Q0.3主轴电机正转点动SF5I0.4工作台右行接触器QA7Q0.4主轴电机反转SF6I0.5工作台前行接触器QA8Q0.5主轴电机

50、反转点动SF7I0.6工作台后行接触器QA9Q0.6工作台停SF9I0.7工作台左行SF10I1.0工作台右行SF11I1.1工作台停SF12I1.2工作台前行SF13I1.3工作台后行SF14I1.4主轴行程上限BG1I1.5主轴行程下限BG2I1.6工作台行程左限BG3I1.7工作台行程右限BG4I2.0工作台行程前限BG5I2.1工作台行程后限BG6I2.2主轴电机过载保护BB1I2.3横向进给电机过载保护BB2I2.4纵向进给电机过载保护BB3I2.530 结 论1. 论文小结本次对便携式电火花加工机的设计，首先是通过对电火花加工技术在国内外的发展状况的调研来引出此项设计的目的和意义；继而，通过大量查阅相关资料、书籍，在了解电火花加工机的工作原理和结构组成的基础上，参考机械设计手册和相关的国家行业标准，对便携式电火花加工机分别进行了机械部分设计（包括滚珠丝杠副的选型，异步电动机的选择计算，减速机构的选用等）和机床电气控制部分的设计（包括硬件设计和软件设计）。2. 设计方面的不足1）由于设计者水平有限，初次使用机械设计手册，对于资料参悟不透，使用过程中出现种种问题，对后面的设计有很大的影响。2）在实