DK7732数控高速走丝电火花线切割机及控制系统设计教学提纲

1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。DK7732数控高速走丝电火花线切割机及控制系统设计-引言本次毕业设计从2005年2月28号开始到本年的六月中旬结束，长达四个月。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，期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。本次设计在颜竞成教授

2、的悉心指导下分四个阶段按部就班的有条不紊的进行。第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，做到心中清楚。本设计其实从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完整设计及图纸，程序请联系完美毕业网_全国最大的毕业设计下载站，计算机，模具，机械，电子详细目录请加QQ8191040索取本设计来自：完美毕业网*如果您的毕业设计文件的日期是去年的，或是更早，那老师一看不就露馅了吗？如何让网上买来的毕业设计变成最新,让老师看不出一点破绽呢？针对这个问题,本站开发了一套毕业设计文件

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4、到通过。*学到的饿专业知识来进行运丝机构设计和坐标工作台的横向和纵向进给机构设计。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。所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基础不扎实造成的。可以说这次毕业设计是个查缺补漏的机会。尤其是在同学的协

5、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，困难一个个的解决，才有了本次设计的成功。这次毕业设计锻炼了我团体协作精神和独立作业的能力。专业设计基础，对自己将来都是一次具有深远影响的事情。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，在保证一定的加工精度的前提下，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。

6、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，可以选择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它辅助电路。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、丝杆螺母副组成，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杆螺

7、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饿机构。7采用滚动道轨可以减少道轨见的摩擦阻力，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。（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：工作台行程/mm500*320最小切削厚度/mm30（可调）加工表面粗糙度Ra/m2.5切割速度/mm/min100加工精度/mm0.015切割工件最大厚度/mm300电极丝移动速度1.1m/s电极丝直径0.10.2mm储丝走丝部件结构设

8、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得到的饿。电极通过联轴节与丝筒连接，丝筒装有齿轮，通过过度齿轮与丝杆上的齿轮齿合。丝杆固定在拖板上，螺母固定在底座上，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可在0.12mm到0.25mm之间调节。1对高速走丝机构的要求（1）高速走丝机构的储丝筒转动时，还要进行相应的轴向移动，以保证极丝在储丝筒上整齐排绕。（2）储丝筒的径向和轴向窜动量要小。（3）储丝筒要能够正反向旋转，电极丝的走丝速度在712m/s范围内无级或有级可调，或恒速转动。（4）走丝机构最好与床

9、身相互绝缘。（5）传动齿轮副、丝杆副应具备润滑措施。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、丝杆副、齿轮副、换向装置和绝缘件等部分组成，如下图2.1所示图2.1DK7732机床的储丝走丝系统机构结构图储丝筒由电动机通过联轴器带动实现正反向转动。储丝筒另外一端通过二对齿轮减速后带动丝杆。储丝筒、电动机、齿轮都安装在两个支架上。支架及丝杆则安装在拖板上，调整螺母安装在底座上，拖板在底座上来回运动。螺母具有消除间隙的副螺母和弹簧，齿轮及丝杆螺距的搭配为设旋转一圈拖板移动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

10、于0.03mm，反向间隙应小于0.05mm，轴向窜动应完全彻底消除。高频电源的负端通过碳刷送到储丝筒的尾部，然后传到钼丝上，碳刷应保持良好接触，防止机油或其它赃物进入。储丝筒本身作为高速正反向转动，电机、滚筒及丝杆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、三角导轨及丝杆、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，按机床规格的不同，选用的范围一般为1.55mm。为进一步降低转动惯量，也可选用铝镁合金材料制造

11、。储丝筒壁厚要均匀，工作表面要有较好的表面粗糙度，一般R为0.8m。为保证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，重磨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极轴与储丝筒中心轴，一般不采用整体的长轴，而是利用联轴器将二者联在一起。由于储丝筒运转时频繁换向，联轴器瞬间会受到正反向的剪切力，但由于这个力不大，且储丝筒中心轴与电极轴有较高的同轴度要求。所以本设计采用YLD6刚性联轴器。（2）上下拖板走丝机构的上下拖板一般有下面二种滑动导轨。燕尾型导轨，这种结构紧凑，调整方便。

12、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，如下图所示。导轨的配合间隙由螺钉和垫片组成的调整环节来调整。本设计采用三角、矩形组合式导轨。如下图2.2图2.2三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，从而保证拖板的刚度、机构的稳定性及运动精度。（3）齿轮副和丝杆副走丝机构上拖板的传动链是由2级减速齿轮副和一组丝杆副组成，它使储丝筒在转动的同时，作相应的轴向位移，保证电极

13、丝整齐的排绕在储丝筒上。在本次设计线切割机中，走丝机构是常是通过配换齿轮来改变储丝筒的排丝筒的排丝距离，以适应徘绕不同直径的电机丝的要求。丝杆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的失灵，导致丝杆副和齿轮副的损坏，在齿轮副中，可选用尼龙代替部分金属齿轮。这不但可以在电机换向装置失灵时，由于尼龙齿轮先损坏，保护丝杆副与走丝电机，还可以减少噪声。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组成了电极丝的运动系统。线架的主要功能是在电极丝按给定线速度运动时，对电极丝起支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台平面保持一定的几何

14、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（特别是高速走丝）时，不应出现震动和变形；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0.005mm；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面，在具有锥度切割功能的机床上，还具有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。线架按功能可以分为固定式、升降式和偏移式三种类型：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。线架本体结构中、小型线切割机床的线架本体

15、常采用单拄支撑、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结构。有的机床的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调的分离式结构，如下图2.3所示。活动丝臂在导轨上滑动，上下移动的距离由丝杆副调节。松开固定螺钉时，旋转丝杆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，上丝臂位置固定下来。为了适用线

16、架丝臂张开高度的变化，在线架上下部分应增设副导轮，如下图2.4所示：图2.3可调式线架本体结构图2.4可移动丝臂导轮部件结构1）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。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。在满足一定强度要求下，应尽量减轻导轮的质量，以减少电极丝换向时的电极丝与导轮间的摩擦。导轮槽工作面应有足够的硬度，以提高其耐磨性。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。进行有效的密封，以保证轴承的正常工作条件。2）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

17、结构、双支撑结构和双轴尖支撑结构。悬臂支撑结构简单，上丝方便。但是因为悬臂支撑，张紧的电极丝运动的稳定性较差，难于维持较高的运动精度，同时也影响导轮和轴承的使用寿命。双支撑结构为导轮居中，两端用轴承支撑，结构复杂，上丝麻烦。但是此种结构的运动稳定性较好，刚度较高，不容易发生变形及跳动。双轴尖支撑结构。导轮两端加工成30锥形轴尖，硬度在RC60以上。轴承由红宝石或锡磷青铜制成。该结构易于保证导轮运动部件的同轴度，导轮轴向窜动和径向跳动量可以控制在较小的范围内。缺点是轴尖运动副摩擦力大，易于发热和磨损。为补偿轴尖运动副的磨损，利用弹簧的作用力使运动副良好接触。通过比较以上三种结构的特点，可以看出第

18、二种结构比较适合作为DK7732高速走丝电火花线切割机床的导轮结构。3）导轮的材料为了保证导轮轴径与导向槽的饿同轴度，一般采用整体结构。导轮要求使用硬度高、耐磨性好的材料制成（如GCr15、W18Cr4V），也可以选用硬质合金或陶瓷材料制造导轮的镶件来增强导轮V形工作面的耐磨性和耐蚀性。4）导轮组合件的装配导轮组合件装配的关键是消除滚动轴承中的问题，避免滚动体与套杯工作表面在负荷作用下产生弹性变形，以及由此引起的轴向窜动和径向跳动。因此，常用对轴承施加预负荷来解决。通常是在两个支撑轴承的外环间放置一定厚度的定位环来获得预负荷。预加负荷必须选择得当，若轴承受预加负荷过大，在运转时会产生急剧磨损。

19、同时，轴承必须清洗得很洁净，并在显微镜下检查滚道内是否有金属粉末、炭化物等，轴承经清洗、干燥后，填以高速润滑脂，起润滑和密封作用。（二）储丝走丝部件主要零件强度计算1齿轮传动比的确定钼丝丝距选择0.25mm，储丝筒每转一周，拖板带动储丝筒移动0.25mm，丝杆螺距选择为3mm。所以储丝筒与丝杆见齿轮的传动比为：u=1：12；采用二级齿轮传动，取u=1：4；u=1：3。（1）齿轮齿数的确定取Z=15；由于齿轮齿根与轴上键的距离不能为零。即-（d+t）2m由d=16mm查设计手册得：t=2.3mm；而d=-2h=（Z-2ha-）m=（15-2-0.5）m=12.5m代入上式得：12.5/2m-（1

20、6+2.3）/22m取m=2；又有Z=4Z=60所以=mZ=215=30mm=mZ=260=120mm取Z=25；同理可得：取m=3；又有Z=3Z=75所以=mZ=325=75=mZ=375=225齿轮1，2中心距a=（30+120）/2=75mm齿轮3，4中心距a=（75+225）/2=150mm参考书籍机械设计取b=0.5d=0.530=15mm其他数据如下da=（Z2ha）m=（15+21）2=34mmda=124mmda=81mmda=231mmdr=（Z2ha2c）m=（15-2120.25）2=25mmdr=115mmdr=67.5mmdr=217.5mm1）传动件的估算根据公式d

21、=91mm其中N该传动轴的输入功率N=N其中N电机颌定功率从电机到该转动轴之间传动件的传动效率的乘积n该转动轴的计算转速r/min计算转速n是传动件能传递全部功率的最低转速每米长度上允许的扭转角（deg/m）取=0.995，N=0.55kwN=N=0.550.995=0.54725kwn=1390r/mind=91=10.2mm4.齿轮模数估算齿轮弯曲疲劳估算：m32=32=1.039mm齿面点蚀估算：A370=370=49.28mm其中n为该转动轴的计算转速r/min，A为齿轮中心距中心距A及齿数Z、Z求出模数m=1.31取较大的那个模数，在这个设计中，第一对齿轮传动取m=2mm第二对齿轮传

22、动取m=3mm5.齿轮模数的验算根据接触疲劳计算齿轮模数公式为m=16300mm式中：N计算齿轮传递的颌定功率N=Nkwn计算齿轮（小齿轮）的计算转速r/min齿宽系数，=b/m，常取610Z计算齿轮的齿数，一般取传动中最小的齿轮的齿数大小齿轮的齿数比=，“+”用于外齿合，“-”用于内齿合；k寿命系数，k=；工作期限系数，=齿轮等传动件在接触和弯曲交变载荷下的疲劳曲线指数m和基准循环次数Cn齿轮的最低转速r/minT预定的齿轮工作期限，中型机床推荐T=1500020000h转速变化系数材料强化系数，幅值低的交变载荷可使用金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用；功率利用系数工作情况系

23、数载荷系数齿向载荷分布系数Y齿形系数、许用弯曲接触能力查表可得：=1.2，=1.2，=1.15=0.780.510.60=0.91N=0.54725kw，=10，=600MPa则=16300mm=1.625mm根据弯曲疲劳计算齿轮计算模数公式为：=275mm=275=0.063mm=0.890.700.75=0.554所以m=2符合要求同理m=3也符合要求（三）储丝走丝部件主要零件强度验算1齿轮强度的验算齿轮危险截面的弯曲强度条件公式=k载荷系数k=齿宽系数，取0.5k使用系数，取1k载荷系数，取1.05齿间载荷分配系数，=1.0，=1.0齿向载荷分布系数小齿轮传递的转距=95.510=95.

24、5100.55/1390=3.7810Nmm=1.11+0.18（1+6.7）+0.1510b=1.11+0.18（1+6.70.25）0.25+0.150.0010.5=1.23045K=11.051.01.6=1.218查得：b/h=23/4.5=5.11=1.16载荷作用与齿顶时齿形系数载荷作用与齿顶时应力校正系数查表得：=2.69，=1.575则=18.4MPaN=60njL=601390120000=1.668s疲劳强度安全系数s=1.5K寿命系数（）齿轮的疲劳强度=340MPa=520MPa=272MPa所以其中：Z区域系数Z弹性影响系数K=11.051.01.23045=1.29

25、=259.89=520MPa所以因此，所设计的齿轮1、2也满足齿面接触疲劳强度要求同理也可得到所设立的齿轮3、4也满足齿面接触疲劳强度要求齿轮设计合格2主轴的验算按弯扭合成应力校核轴的强度：根据轴的结构图作出轴的计算简图，如图2.5（a）。并分别作出水平方向和垂直方向的弯矩图，如图（b），（c），以及扭矩图，如图（d）。轴的结构图与弯矩图先计算轴上的载荷：Nm齿轮的分度圆直径为：252N从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中可以明显的看出截面B是危险截面。先将计算出的截面C处的及M的值列于下表2.1表2.1应力计算表载荷水平面H垂直面V支反力F弯矩M总弯矩扭矩轴的计算应力：如表2.1中数值得：前已经选

26、定的轴的材料为45号钢，调质处理查得因此，故安全（四）主轴组件结构设计1轴承的配置形式一般来说数控机床的主轴结构的轴承有以下几种配置形式：（1）前后支承均采用双列短圆柱磙子轴承来承受径向载荷，安装在前断的两个推力球轴承来承受前后方向的轴向负载。这种结构能承受较大的负载（特别是轴向负载），可适应强力切削，但主轴转速不能太高，轴承在高转速时容易发热。由于推力球轴承轴承安装在主轴的前端，当主轴旋转时前轴承和后轴承温度差较大，热变形对主轴精度影响也较大。前轴承温度高，主轴前端升高量大，后轴承温度低，主轴末端升高量小，因此，这种机构目前应用较小。（2）前后支承用双列短圆柱磙子轴承来承受径向负荷，用安装在

27、主轴前端的双向向心推力球轴承来承受轴向负载。这种结构刚性较好。（3）前轴承用单列向心推力球轴承，背靠背安装，由2到3个轴承组成一套，用以承受径向和轴向负载；后轴承用双列短圆柱磙子轴承。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度较好。但所承受的轴向负载较前两种结构小。（4）前后支承采用成组单列向心推力球轴承，用以承受径向和轴向负载。这种结构适应高转速，中等负载的数控机床。在中、小规格的数控机床上采用这种机构较多。本设计主轴所采用的轴承支承方式为第四种。2主轴组件的调整和预紧滚动轴承的预紧是采用适当的方法是滚动体和内外套圈之间产生一定的预变形而带伏负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转

28、精度，延长轴承寿命。按预载荷的方向可分为轴向预紧和径向预紧。而角接触球轴承主要是轴向预紧，这可明显提高轴向刚度。三、进给传动设计（一）进给传动运动设计1脉冲当量和传动比的确定（1）脉冲当量的确定目前，常用脉冲编码器兼作位置和速度反馈。步进电机每转一转传感器发出一定数量的脉冲，每个脉冲代表电机一定脉冲，每个脉冲代表电机一定的转角。步进电机是一种电脉冲控制的特种电机，对于每一个电脉冲步进电机都将产生一个恒定的步进角位移，每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角，可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。因此，每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经齿轮副和滚珠丝杆使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对

29、应的执行件（如工作台0的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为，单位mm/脉冲。应根据机床或工作台进给系统所要求的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机床传动系统的误差存在，脉冲当量必须大于定位精度值。此次设计的电火花成型机床定位精度的设计要求是，根据该精度要求可确定脉冲当量为。（2）传动比的确定设传动副的饿传动比为，若为一级传动，则，为主动齿轮的转速和齿数，为从动齿轮的转速和齿数。若为多级传动，则为总传动比。对于步进电机，当脉冲当量确定，并且滚珠丝杆导程（mm）和电机步距角都也以初步选定后，则可用下式计算主轴系统的传动比=1（二）滚珠丝杆螺母副的型号选择和滚珠丝杆的选型和校核1滚珠丝杆螺母副的型号选择（

30、1）最大工作载荷计算滚珠丝杆上的工作载荷是指滚珠丝杆副在驱动工作台时滚珠丝杆所承受的轴向力，也叫做牵引力。它包括滚珠丝杆的走刀抗力及与移动体中立和作用于道轨上的其它切削分力相关的摩擦力，可用下列实验公式进行计算。对于矩形道轨式中：工作台进给方向载荷工作台垂直载荷工作台横向载荷G移动部件的重力K考虑颠覆力矩影响的实验系数F考虑颠覆力矩影响的摩擦系数对于滚动导轨；f=0.00250.005由于电火花线切割是电极丝放电进行加工，可以认为近似为零所以；取Kg（估算）=fG=10000.005=5(2)最大动载荷C的计算及主要尺寸初选滚珠丝杆应根据断定动载荷选用，最大动载荷计算原理与滚动轴承相同。滚珠丝

31、杆的最大动载荷应用下式计算：式中：L工作寿命，单位10n丝杆转速，单位r/minv最大切削力条件下进给速度，单位m/min丝杆基本导程，单位mmt颌定使用寿命，单位h，可取t=15000h运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况1.21.5所以=11.96n=1000v/=10001000.001/5=20r/minL=60nt/=105.12（）C=33根据以上计算选取CBM32055（机械设计师手册上）2滚珠丝杆的选型和校核滚珠丝杆已由专门工厂制造，因此，不用我们自己设计制造，只要根据使用工况选择某种类型的结构，在根据载荷、转速等条件选定合适的尺寸型号并向有关厂家订购。此次设计中，滚珠丝杆

32、被三次选用，故在这里只选取其中最重要的主轴传动中德望滚珠丝杆加以设计和校核。其步骤如下：首先对于一些参数说明如下：轴向变载荷（N），其中表示第个工作载荷，=1、2、3、4n；第个载荷对应的转速（r/min）第个载荷对应的工作时间（h）；丝杆副最大移动速度；丝杆预期寿命；（1）型号选择1）根据使用和结构要求选择滚道截面形状，查得螺母的循环方式和预紧方式；2）计算滚珠丝杆副的主要参数根据使用工作条件，查得载荷系数=1.0，系数=1.5；计算当量转速=2000计算当量载荷=2333N初步确定导程=2.5mm取计算丝杆预期工作转速=120000计算丝杆所需的颌定载荷=1233310=1151N3）选择

33、丝杆型号根据初选的和计算的，选取导程为5mm，颌定载荷大于的丝杆。所选丝杆型号为CDM2004-2.5。其为外循环双管式、双螺母垫片预紧、导珠管埋入式系列滚珠丝杆。临界转速校核=12=12=5970r/min而最大工作转速=40000.8=4776校核合格。滚珠丝杆的预紧预紧力（）一般取当量载荷的三分之一或颌定动载荷的十分之一。即：=778N其相应的预紧转矩=0.16N(三)步进电机的选用步进电动机又称为脉冲电动机，是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件。具有以下四个特点：转速（或线速度）与脉冲频率成正比；在负载能力允许的范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而

34、变化；速度可调，能够快速启动、制动和反转；定位精度高、同步运行特性好。数控电火花成型机的动力系统要求电动机定位精度高，速度调节方便快速，受环境影响小，且颌定功率小，并且可用于开环系统。而BF系列步进电动机为反应式步进电动机，具备以上的所有条件，我们选用的型号90BF004的电动机作为主运动的动力源。选用时主要有以下几个步骤：1根据脉冲当量和最大静转矩初选电机型号（1）步距角初选步进电机型号，并从手册中查到步距角，由于综合考虑，我初选了可满足上式的要求。（2）矩频特性步进电机最大静转矩是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩与最大静转矩的关系是；步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启

35、动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算：式中：空载启动力矩；空载启动时运动部件由静止升速到最大快进速度折算到电机轴上的加速力矩；空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杆预紧折算到电机轴上的附加摩擦力矩；而且初选电机型号时，应满足步进电动机所需空载启动力矩小于步进电动机名义启动转矩，即：计算的各项力矩如下：加速力矩=1.810=0.519N/m空载摩擦力矩=0.6附加摩擦力矩=0.519+0.6+1.222=2.341=0.95125=23.7752启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动、快速进给运动、工进运行。前面提出的，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机启动

36、时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。步进电机启动有突跳启动和升速启动。突跳启动时加速力矩很大，启动时丢步是不可避免的。因此很少见。而升速启动过程中只要升速时间足够长，启动过程缓慢，空载力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。（四）进给机构的支承设计1.丝杆的支承形式滚珠丝杆的支承和支承方式将影响丝杆副的刚度，因此，对运动精度要求高时应审慎的加以选择。常见的支承形式有以下几种：丝杆一端安装两个深沟球轴承或者角接触轴承或者圆锥滚子轴承的称为固定支承；螺母相当于固定支承。安装一个深沟球轴承或者角接触球轴承或者圆锥滚子轴承的铰支承；因此丝杆的支承方式有两端固定；一端固定，一端铰支；一端

37、固定，一端自由等几种；本设计采用的是两端固定的支承。2.螺杆的支承方式螺杆的支承方式有以下四种：（1）双推自由支承：将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端自由。特点：适用于短螺杆。（2）双推支承将两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承装在一端，另一端装一个或两个深沟球轴承。特点：螺杆水平安装时，可减少或避免因自重产生的弯曲或高速运转时，自由端的晃动。适用于长螺杆。（3）单推单推或双推单推两端各安装一个方向相反的推力球轴承和一个深沟球轴承或一端装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承，另一端装一个推力球轴承。特点：可预拉伸螺杆，以减少或消除螺杆水平安装时，因自重产生的弯曲

38、，当轴承预紧力大于螺杆载荷的1/3时，螺杆拉压刚度可提高四倍，且不会承受压力，无失稳现象。（4）双推双推两端各安装两个方向相反的推力球轴承和两个深沟球轴承。特点：优点与单推单推式相同，当超过预计温度时，不会因螺杆伸长使轴承产生间隙。缺点：调整较复杂。四电气系统控制电气系统主要由高频脉冲电源、直流电源和电气控制系统组成。高频脉冲电源是进行线电极切割的能源。直流电源主要是24v直流源驱动步进电机用。电气控制系统主要是控制工作液泵电机和储丝筒电机等用。（一）高频脉冲电源高频脉冲电源又称脉冲电源，其作用是把工频50Hz的交流电转换成几百赫兹的高频的单向脉冲电源，为高速旋转的线切割机提供一系列不同脉宽的

39、矩形脉冲。线切割机床电子控制系统主要是高频脉冲电源电路，它是线切割机床的重要部分，用高频脉冲使得电极丝与工件产生火花放电，对工件进行电腐蚀加工。通过调节高频脉冲使工件满足加工精度的要求。高频脉冲电源整流电路、主振电路、脉宽调节电路、功率放大电路等组成。主振电路中有数字振荡电路和模拟振荡电路及分立元件电路。新型机床的功率放大电路主要是在功率管选取上有改进，从普通的三极管功放到大功率、低功耗管和场效应管及功率模块均有不同，但是实际加工生产用的机床大多数采用的还是早期的电路，技术改造也着重在控制器部分，均采用具有微机控制系统、输入键盘器和数控显示器LED或LCD的设备。DK77型线切割机床脉冲电源原

40、理。该电源主要是由整流电路、主振电路和功放电路组成。整流电路由变压器将三相380v电压转变为三相42v和三相7v电压，通过二极管进行整流。电路形式是三相全波整流电路，为脉冲电源提供100v直流电压和10v直流电压，功给功放电路和工作电路电源。（二）数字控制系统设计数控系统总体方按的拟定机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床等等。控制系统的基本组成如下图4.1所示机床步进电机步进电机微机通信接口开关量控制电路软件主轴电动机主运动驱动电路图4.1控制系统框图具体微机控制系统是一MCS-51系列高档八位单片机为核心，采用8032cpu芯片

41、。存储器也采用了较大的容量的存储器，用来存放控制程序及扩展程序的EPEOM采用了256k容量27256芯片，用来存放输入加工图形程序的RAM采用了256k容量的62256芯片，以增强微机的功能。接口电路使用了可编程并行接口电路芯片8255，显示部分采用了数码管来显示参数，键盘输入和输出显示由键盘/显示接口电路芯片8279来控制。具体系统组成图如下图4.2：图4.2线切割机微机控制系统组成(三)数控系统硬件的电路设计1.单片机设计单片机通常是指芯片本身，它是由芯片制造商生产的，在它上面集成的是一些作为基本组成部分的运算电路、控制器电路、存储器、中断系统、定时器/计数器以及输入/输出口电路等。但一

42、个单片机芯片并不能把计算机的全部电路都集成到其中，有些元件如复位电路的石音晶体、电阻、电容等只能以散件的形式出现。此外，在实际的控制应用中，常常需要扩展外围电路和外围芯片。通常所说的单片记系统都是为实现某一控制应用需要由用户设计的，是一个围绕单片机芯片而组建的计算机应用系统。在单片机系统中，单片机处于核心地位，是构成单片机系统的硬件和软件基础。（1）MCS-51系列单片机的设计MCS-51系列单片机的所有产品都含8051除程序存储器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源。（程序存储器、数据存储器、i/o口、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，80

43、31可寻址64kb字节程序存储器和64kb字节数据存储器。内部没有程序存储器，必须外接EPROM程序存储器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分三部分。1）电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚Vcc、Vss及时钟引脚XTAL1、XTAL2。电源引脚接入单片机的工作电源。Vcc（40脚）：接+5v电源。Vss（20脚）：接地。时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。XTAL1（19脚）：接外不晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。X

44、TAL2（18脚）：接外部晶体的另一端，在单片机内部接至反相放大器的输入端。若采用外部振荡器时，该引脚受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。2）控制引脚它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此内引脚提供控制信号，有些引RST/VPD（9引脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后使此引脚电平为.v的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（vpd）以保持内部RAM中的数据不丢失。当Vcc于规定值，而VPD定的电压范围内(5.)时，就向内部提供电源。3）输入/输出管脚P0.00.7(3239脚)p0是个8位漏极开路

45、型双向I/O口。在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在EPROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。Po能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL输入。P1.0p1.7(18脚)p1是个带有内部上拉电阻的8位双向I/O接口。对EPROM编程2的证时，它接收低8位地址。P1能驱动4个LSTTL输入。在8032/8052中，p1.0还相当于专用功能端T2，即定时器记数触发输入端。P1.1还相当于专用功能端T2EX，即定时器T2的外部控制端。P2.0p2.7（2128脚）p2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O

46、接口。在访问外部存储器时，它送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接受高位地址。P2可以驱动4个LSTTL输入。P3.0p3.7（1017脚）p3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O接口。在MCS-51中，这8个管脚还用于专门功能，p3能驱动4个LSTTL输入。(2)MCS-51单片机的时钟电路时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。MCS-51片内有一个反相放大器，XTAL1、XLAL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送去单片机内部的各个部件。单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式

47、两种，大多单片机应用系统采用内部时钟方式。最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振器回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机，其并联谐振回路及参数相同，如下图所示：MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz24MHz之间可以选择，一般取11.0592MHz。电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1、C2可在20pF100pF之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30pF，外接陶瓷谐振器时典型取值为47Pf，取60F70pF时振荡器有XTAL2MCS51XTAL1内部时钟方式的时钟电路较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振

48、器和电容应尽量靠近单片机XTAL1、XTAL2引脚安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠工作，为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（3）MCS-51单片机的复位电路计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚出现两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51便保持复位状态。此时ALE、P0、P1、P2、P3口都输出高电平。RST变低电平后，退出

49、复位状态，CPU从初始状态开始工作。复位操作不影响片内的内容。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。通常因为系统运动等的需要，常常需要人工按钮复位，如下图：+5VRSTMCS-51GND上电按钮复位电路对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉底电阻，故电阻可不接。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期以上的高电平（因为振荡器从起振到稳定大约要10ms），就能使单片机有效复位。当晶体振荡频率为12MHz时，RC的典型值为。简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存错误复位，这时可在RST引脚上接上一去耦电容

50、。上图那上电按钮复位只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。2系统扩展系统扩展包括存储器的扩展、输入输出接口芯片的扩展。其中存储器的扩展包括数据存储器的扩展和程序存储器的扩展。（1）程序存储器的扩展MCS-51系列单片机的程序存储器空间和数据存储器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64kb（000H0FFFFH）,其中8051、8751片内有4kbROM或EPROM，8031片内不带ROM.当片内ROM不够或采用8031芯片时，需扩展程序存储器。用作程序存储器的器件是EPROM和EEPROM,常采用EPROM。MCS-51单片

51、机扩展外部程序存储器的硬件电路。如下图4.3图4.3MCS-51单片机程序存储器的扩展原理图由于MCS-51单片机的p0口是分时复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存储器扩展时，必须用地址琐存器琐存地址信号。通常地址琐存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373或8282，也可用带清除端的八D锁存器74LS273，常用74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存端G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。根据应用系统存储器容量要求的不同，常用的扩展芯片包括EPROM2716、2732A。等。以上均为单一+5v供电，维持电流为35A40mA，工作

52、电流为75mA100mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储器容量的大小不同，因此提供高八位地址的p2端口线的数量各不同，故2716为A0A10，D0D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；OE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源；PGM是编程脉冲输入端。根据程序存储器扩展的原理，以EPROM2764A和锁存器74LS373对8031单片机进行程序存储器扩展，其连接图见下图4.4图4.48031扩展EPROM2764A的连接图因为2764A是8kb容量的EPROM，故选用到了13根地址线，A0A12。由于系统中只扩展一片

53、程序存储器EPROM，故可将片选端CE接地。同时，8031运行所需要的程序指令来自2764A，要把其EA端接地。否则，8031将不会运行。电擦除可编程只读存储器EEPROM是新推出来的产品。其主要的特点是能在计算机系统中进行在线修改，并且在断电的情况下保持修改结果。因此，自从EEPROM出现来，它得到了广泛的应用。（2）数据存储器的扩展8031单片机内部有128字节RAM存储器。CPU对内部具有丰富的操作指令。但在用于实时数据采集和处理时，仅靠片内提供的128字节的数据存储器是远远不够的，在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存储器。下图是单片机扩展外部RAM的电路原理图4.

54、5图4.5单片机扩展外部RAM的电路原理数据存储器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存储器与程序存储器地址可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存储器与I/O口及外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围均占用数据存储器地址。上图中p0口为RAM的复用地址/数据线，p2口用于对RAM进行页面寻址，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存储器的设计无需考虑刷新的问题，因而它与微处理器的借口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116和6264。单一+5v供电，额定功耗分别为160mW和200m

55、W，典型存取时间均为200ns，均有双列直插式封装，管脚分别为24和28线。下页插图为6264与8031的硬件的连接图4.6。图4.68031扩展6264的连接图由图中可知6264的片选CSI接8031的P2.7，第二片选线CS2接高电平，保持一直有效状态。因6264是8kb容量的RAM，故到了13根地址线。8031在访问6264时，可以用以下指令；movxdptr,a;A中内容传至外部RAM或movxa,dptr;外部RAM内容读至A中对于下页的线路，6264的地址范围为6000H-7FFFH，共8Kb。3I/O口的扩展在MCS-51应用系统中，单片机本身提供给用户使用的输入，输出口线并不多

56、，只有p1口和部分p3口线。因此，在大部分单片机应用系统设计中都不可避免的要在单片机外部扩展I/O端口。由于MCS-51的外部数据存储器RAM和I/O口的是统一编址的，因此用户可以把外部64kb的数据存储器空间的一部分接口作为扩展外围I/O的地址空间。这样单片机就可以像访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。MCS-51单片机属于Intel公司产品，其公司常用的外围器件如表4.1所示。表4.1Intel公司常用外围器件器件型号器件名称8255A可编程外围并行接口8155/8156可编程RAM/IO扩展接口8243I/O扩展接口8279可编程键盘/显示接口8251可编程通信

57、接口8253可编程定时/计数器（1）8255A可编程外围并行I/O接口8255A是可编程外围输出接口芯片，它具有三个八位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间电路。在8031单片机的I/O口上扩展8255芯片，其接口逻辑相当简单，如下图4.7所示图4.78031扩展8255的连接图图中8255的片选信号CS及口地址选择线A0、A1分别由8031的p2.7和p0.0、p0.1经锁存器锁存后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH。FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的复位端与8031的复位端

58、相连，都接到8031的复位电路上。在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。举例说明8255的编程方法。其各端口地址如下；A口地址：FF7CHB口地址：FF7DHC口地址：FF7EH控制口地址：FF7FH假设要求8255工作在方式0，A口输入，B口，C口作为输出，则工作程序如下：mova,#90H;方式0,A口输入，B口、C口输出movdptr,#0FF7FH;控制寄存地址dptrmovxdptr,a;方式寄存器控制寄存器movdptr,#0FF7CH;A口地址dptrmovxa,dptr;从A口读数据movdptr，#0FF7

59、DH；B口地址dptrmova,DATA1;要输出的数据DATA1Amovxdptr,a;将DATA1送B口输出movdptr，#0FF7EH；C口地址dptrmova，DATA2；DATA2Amovxdptr，a；将DATA2送C口输出对8255的C口8位中的任一位均可用指令来置位或复位。例如，如果把c口的第六位PC5置1，相应的控制字为：00001010B=0BH，程序如下：movdptr，#0FF7FH；控制口地址dptrmova，#0BH；控制字Amovxdptr,a;控制字控制口；PC5=1如果把C口的第六位PC5复位，相应的控制字为：00001010B=0AH,程序如下：movdp

60、tr，#0FF7FH；控制口地址dptrmova，#0AH；控制字Amovxdptra;控制字控制口；PC5=08255接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如键盘、显示器以及作为控制信息的输入、输出口。2）8155可编程外围并行I/O接口8155/8156芯片内包括有256字节RAM。2个8位和1个6位的可编程并行I/O口，1个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合的扩展了数据RAM、I/O端口和定时/计数器，因而是MCS-5单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155