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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
前言
畢業(yè)設(shè)計(jì)可謂是大學(xué)四年對所學(xué)知識(shí)綜合的一次大的考驗(yàn)也是在走向工作崗位的一次練兵，更進(jìn)一步鍛煉了自己的動(dòng)手能力和團(tuán)隊(duì)的合作能力，真正做到了理論聯(lián)系實(shí)際教與學(xué)的一次有理結(jié)合。
數(shù)控電火花線切割機(jī)的設(shè)計(jì)具體的說來應(yīng)該包括走絲設(shè)計(jì)，X、Y坐標(biāo)工作臺(tái)設(shè)計(jì)，脈沖電源的設(shè)計(jì)，控制部分的設(shè)計(jì)等。按照設(shè)計(jì)的任務(wù)書，首先要了解該機(jī)床調(diào)查研究電火花線切割機(jī)的加工特點(diǎn)，確定DK7732線切割機(jī)床的具體技術(shù)參數(shù)，從而在第一階段我們在衡冶進(jìn)行了實(shí)地的參觀測繪，初步確定參數(shù)，對照已有的院數(shù)控中心DK7725型線切割機(jī)更進(jìn)一步確定具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，根據(jù)已有的參數(shù)再對機(jī)床總體方案及控制系統(tǒng)總體方案進(jìn)行確定。具體到設(shè)計(jì)時(shí)對各個(gè)方案再進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的修改。接下來就是進(jìn)行必要的設(shè)計(jì)與計(jì)算選型工作，就是將整體機(jī)床的設(shè)計(jì)又分為幾個(gè)部分各個(gè)去突破大體就是機(jī)械部分和電氣部分。再具體到各個(gè)組件或零件。
雖說設(shè)計(jì)是個(gè)人的行為，但由于自己的知識(shí)欠缺且設(shè)計(jì)的內(nèi)容跨越比較大包括電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)，很多地方肯定是難以具到，當(dāng)然有在顏竟成教授的悉心指導(dǎo)下，很多不懂的地方這正是我們要學(xué)的地方，同時(shí)在多方面有同學(xué)們的提示才得將設(shè)計(jì)順利進(jìn)行。這畢竟是一個(gè)學(xué)習(xí)階段的畢業(yè)設(shè)計(jì)很多方面都是在邊學(xué)邊用中進(jìn)行的，或者說很多方面的設(shè)計(jì)還是停留在模仿的階段比如電氣部分，控制部分都不是很成熟的設(shè)計(jì)。
第一章 總體方案設(shè)計(jì)
一、線切割機(jī)床的現(xiàn)狀簡介
我國數(shù)控線切割機(jī)床的擁有量占世界首位，技術(shù)水平與世界先進(jìn)水平差距也逐漸縮小。尤其近年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和線電極電火花加工技術(shù)的結(jié)合。實(shí)現(xiàn)了各種復(fù)雜形狀的模具和零件加工的 自動(dòng)化，其控制精度可達(dá)1μm，實(shí)際加工精度可達(dá)±0.01mm。表面粗糙度可達(dá)1.25~2.5μm。數(shù)控線切割機(jī)床是精密金加工線切割加工技術(shù)是線電極電火花加工技術(shù)，是電火花加工技術(shù)中的一種類型，簡稱線切割加工。圖1.1中是線切割機(jī)床加工的工作原理示意圖
圖1.1 線切割機(jī)工作原理示意圖
線切割機(jī)床采用鉬絲作為電極絲。被切割的工件為工件電極，電極絲為工具電極。脈沖電源發(fā)出連續(xù)的高頻脈沖電壓，加到工件電極和工具電極上（電極絲）。在電極絲與工件之間加有足夠的、具有一定絕緣性能的工作液。當(dāng)電極絲與工件間的距離小到一定的程度時(shí)，工作液介質(zhì)被擊穿，電極絲與工件之間形成瞬時(shí)火花放電，產(chǎn)生瞬時(shí)間高溫，生成大量的熱，使工件表面的金屬局部熔化，甚至汽化；再加上工作液體介質(zhì)的沖洗作用，是得金屬被蝕除下來。這就是線切割機(jī)床的加工原理。工件在機(jī)床坐標(biāo)工作臺(tái)上，按數(shù)控裝置或微機(jī)程序控制下的預(yù)定軌跡進(jìn)行加工最后得到所需要的形狀的工件。
1.數(shù)控線切割加工的主要特點(diǎn)如下：
1）；線切割加工可以用于一般切削方法難以加工或者無法加工的形狀復(fù)雜的工件加工，如沖模、凸輪、樣板、外形復(fù)雜的精密零件及狹窄的縫隙。尺寸精度可以達(dá)到0.01-0.02mm，表面粗糙度值Ra可達(dá)到1.25μm。
2）；先切割加工可以用于對一般切削方法難以加工或者無法加工的金屬材料和半導(dǎo)體材料的工件進(jìn)行加工，如淬火鋼、硬質(zhì)合金鋼、高硬度金屬等，但無法實(shí)現(xiàn)對非金屬導(dǎo)電材料的加工。
3）；線切割加工直接利用線電極電火花進(jìn)行加工，可以方便的調(diào)整加參數(shù)，如調(diào)節(jié)脈沖寬度、脈沖間隔、加工電流等，提高線切割加工精度，也可通過調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化控制。
4）；線切割加工的效率低，成本較高，不適合于加工形狀簡單的批量零件。
二、 線切割機(jī)床的總體方案的擬定
線切割機(jī)床具體加工過程為：加工者根據(jù)圖紙中的工件尺寸，編制成一定的程序，并且通過鍵盤或光電機(jī)等輸入設(shè)備將程序輸入到控制器中去。在控制系統(tǒng)接受到輸入的程序后，將其存入存儲(chǔ)器中。點(diǎn)火花先切割機(jī)在收到命令后，就開始運(yùn)行程序，通過微機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。每運(yùn)算一次，發(fā)出一個(gè)進(jìn)給脈沖，然后經(jīng)過功放驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使機(jī)床工作臺(tái)按預(yù)定的軌跡進(jìn)行加工。運(yùn)絲系統(tǒng)由運(yùn)絲電機(jī)傳動(dòng)給儲(chǔ)絲筒，通過行程開關(guān)使儲(chǔ)絲筒作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而使得鉬絲運(yùn)動(dòng)。鉬絲經(jīng)過機(jī)架上的導(dǎo)輪與工件相接近，小到一定的距離。乳化液泵即工作液將線切割機(jī)專用乳化液通過噴嘴噴入工作切口上，高頻脈沖電源產(chǎn)生的連續(xù)高頻脈沖被分別加到鉬絲與工件之間的間隙進(jìn)行檢測，檢測信號(hào)的大小送入變頻電路，再由變頻電路產(chǎn)生的頻率大小來控制微機(jī)的進(jìn)給速度。當(dāng)間隔增大時(shí)就加快進(jìn)給速度，當(dāng)間隙減小時(shí)，就減慢進(jìn)給速度，以保持均衡的放電間隙，從而也維持了一定的加工電流。
1）；電火花線切割機(jī)床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定的加工精度的前提下，應(yīng)簡化結(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)。
2）；為了保證進(jìn)給伺服系精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲桿螺母副，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)統(tǒng)的傳動(dòng)。
3）；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)生電路和其它輔助電路
4）；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)。
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、絲桿螺母副組成，傳動(dòng)比應(yīng)滿足機(jī)床所要求的。
6）；采用滾動(dòng)道軌可以減少道軌見的摩擦阻力，便于工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)精確和微量移動(dòng)，且潤滑方法簡單。
7）；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，可以選擇MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。
在上述的基礎(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)，使加工過程更加細(xì)致。
三、具體各部件的組成介紹
線切割機(jī)床主要由機(jī)械系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)組成。其主體結(jié)構(gòu)由床身、坐標(biāo)工作臺(tái)、線架、運(yùn)絲裝置、工作液箱、機(jī)床電器、夾具、保護(hù)罩及機(jī)床附件等部分組成。
1）；機(jī)械系統(tǒng)
機(jī)械系統(tǒng)主要由床身。坐標(biāo)工作臺(tái)、線架及運(yùn)絲裝置等組成。
機(jī)床床身是箱形結(jié)構(gòu)的鑄件，是安裝坐標(biāo)工作臺(tái)、線架及運(yùn)絲裝置的基礎(chǔ)，要有較好的剛性，以保證機(jī)床的加工精度。床身既能起支撐和連接坐標(biāo)工作臺(tái)、運(yùn)絲機(jī)構(gòu)和線架等部件的作用，又起安裝機(jī)床電器、存放工作液的作用。
坐標(biāo)工作臺(tái)主要由工作臺(tái)上拖板、中拖板、下拖板、絲趕和齒輪變速箱等部件組成。拖板的縱向和橫向運(yùn)動(dòng)是采用“一V一平”滾動(dòng)導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。如下圖所示
圖1.2 線切割機(jī)坐標(biāo)工作臺(tái)
圖1.2中是線切割機(jī)坐標(biāo)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)。坐標(biāo)工作臺(tái)用于安裝并且?guī)?dòng)工件在工作臺(tái)平面內(nèi)作x、y兩個(gè)方向的移動(dòng)。坐標(biāo)工作臺(tái)分為上下兩層，分別與x、y軸絲杠相連。由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)通過兩對消隙齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)每接收到微機(jī)發(fā)出的一個(gè)脈沖信號(hào)，其輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。通過消隙齒輪變速帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，使工作臺(tái)在相對應(yīng)的方向上移動(dòng)0.001mm。坐標(biāo)工作臺(tái)的有效行程就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)對應(yīng)的移動(dòng)距離。絲杠前端采用兩只角接觸軸承來消除間隙，可調(diào)整予緊力，使間隙接近零，具有轉(zhuǎn)動(dòng)靈活、精度高、壽命長等優(yōu)點(diǎn)而被采用。由于控制系統(tǒng)采用開環(huán)控制，機(jī)床加工精度主要由坐標(biāo)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度來確定。
線架安裝在儲(chǔ)絲筒與工作臺(tái)之間。為了滿足不同厚度工件的要求，機(jī)床采用可變跨距結(jié)構(gòu)的線架，以確保上下導(dǎo)輪與工件的最佳距離，減小電極絲的抖動(dòng)，提高加工精度。線架采用鑄件結(jié)構(gòu)，提高線架的剛性對加工精度有很大的影響。線架的下懸臂固定在立柱上，上懸臂可沿立柱導(dǎo)軌做上下升降。導(dǎo)輪置于線架懸臂的前端采用密封結(jié)構(gòu)組成裝在懸臂上。下圖為先切割機(jī)床的線架部件結(jié)構(gòu)。
圖1.3 線架部件結(jié)構(gòu)
運(yùn)絲裝置由儲(chǔ)絲筒、儲(chǔ)絲筒拖板及傳動(dòng)系統(tǒng)組成。儲(chǔ)絲筒由薄壁管制成，具有重量輕、慣性小、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)。儲(chǔ)絲筒主軸通過。聯(lián)軸器中裝有耐油橡膠墊片，對電機(jī)換向瞬間產(chǎn)生的沖擊起到機(jī)械緩沖作用，以減少振動(dòng)，從而延長傳動(dòng)軸的使用壽命。如下頁圖所示，它是線切割機(jī)床運(yùn)部件結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)絲筒主軸裝有兩對變速齒輪，帶動(dòng)傳動(dòng)絲桿，使儲(chǔ)絲筒與拖板作往復(fù)運(yùn)動(dòng)使鉬絲有規(guī)律的等距離排列在儲(chǔ)絲筒上。拖板儲(chǔ)絲筒的頻繁換向是采用行程開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)的，它具有控制簡單，動(dòng)作靈敏、換向噪聲小、震動(dòng)輕、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)。左右撞塊間的距離可以調(diào)節(jié)，一般根據(jù)鉬絲的長短來確定。鉬絲兩端留有一定的余量，當(dāng)行程開關(guān)失靈時(shí)，可切斷電機(jī)電源，確保機(jī)床的安全。
圖1.4運(yùn)絲部件結(jié)構(gòu)
2）；傳動(dòng)系統(tǒng)
傳動(dòng)系統(tǒng)由工作臺(tái)、運(yùn)絲裝置和線架所組成。傳動(dòng)系統(tǒng)包括工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)、運(yùn)絲裝置傳動(dòng)系統(tǒng)和電極絲運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)。工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)主要是x軸和y軸方向傳動(dòng)，下頁圖是工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)圖。
圖1.5工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
X軸向傳動(dòng)路線如下?？刂葡到y(tǒng)發(fā)出進(jìn)給脈沖，x軸步進(jìn)電機(jī)接收到這個(gè)進(jìn)給脈沖信號(hào)，其輸出軸就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角，通過一對齒輪變速帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。兩齒輪嚙合變速后帶動(dòng)絲杠，通過螺母帶動(dòng)拖板，使工件實(shí)現(xiàn)x軸向移動(dòng)。Y軸向傳動(dòng)路線與x軸類似。
運(yùn)絲裝置的傳動(dòng)系統(tǒng)主要是機(jī)床行程開關(guān)。運(yùn)絲裝置機(jī)構(gòu)帶動(dòng)電極絲以一定的線速度運(yùn)動(dòng)，并將電極絲整齊的盤繞在儲(chǔ)絲筒上。行程開關(guān)控制儲(chǔ)絲筒的正反轉(zhuǎn)向。下圖是線切割機(jī)床運(yùn)絲裝置傳動(dòng)系統(tǒng)圖
圖1.6運(yùn)絲裝置傳動(dòng)系統(tǒng)
運(yùn)絲裝置的傳動(dòng)路線是：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)儲(chǔ)絲筒按一定的速度運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。同軸上一對齒輪嚙合傳動(dòng)再傳給另外一對齒輪。經(jīng)兩對齒輪的變速傳動(dòng)，帶動(dòng)絲杠、螺母后驅(qū)動(dòng)拖板移動(dòng)，并使電極絲整齊地盤繞在儲(chǔ)絲筒上。
電極絲運(yùn)轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要是由儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電極絲做正反向交替運(yùn)動(dòng)。排絲導(dǎo)輪保持電極絲整齊排列在儲(chǔ)絲筒上，經(jīng)過線架作來回高速移動(dòng)（線速度為8m/s），進(jìn)行切割加工。電極絲傳動(dòng)路線是由儲(chǔ)絲筒經(jīng)過排絲輪，再經(jīng)過導(dǎo)電輪，由上導(dǎo)輪切割工件，在經(jīng)下導(dǎo)輪后，回儲(chǔ)絲筒進(jìn)行往復(fù)盤繞。
3）；機(jī)床潤滑及工作液系統(tǒng)
線切割機(jī)床有機(jī)床潤滑系統(tǒng)和工作液系統(tǒng)。
機(jī)床潤滑系統(tǒng)對線切割機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)副進(jìn)行潤滑，以保證機(jī)床各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件靈活可靠。手搖工作臺(tái)做縱橫向移動(dòng)應(yīng)輕松靈活，撥動(dòng)儲(chǔ)絲筒、導(dǎo)輪均應(yīng)旋轉(zhuǎn)自如，輕便靈活。工作臺(tái)各部位的運(yùn)動(dòng)副潤滑，重點(diǎn)是絲杠、螺母和齒輪箱及拖板滑道等。一般要求加油時(shí)間為每周一次。運(yùn)絲部件各部位的運(yùn)動(dòng)副潤滑，重點(diǎn)是齒輪、絲杠、螺母和拖板導(dǎo)軌等。一般要求加油時(shí)間為每周一次。
工作液系統(tǒng)由工作液、工作液箱、工作液泵和循環(huán)導(dǎo)管組成。工作液起截緣、排屑、冷卻等作用。工作液一般采用（7~10）%的植物皂化或DX-1油酸鉀乳化液水溶液。工作方式由工作液泵供給工作液循環(huán)噴注的壓力進(jìn)行工作。每次脈沖放電后，工件與電極絲之間必須迅速恢復(fù)截緣狀態(tài)，這是靠工作液的絕緣作用實(shí)現(xiàn)的。工作液噴注在切口中，使得脈沖放電不能轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定持續(xù)的電弧放電，否則會(huì)影響加工質(zhì)量和精度。在加工過程中，工作液的噴煮壓力會(huì)將加工過程中產(chǎn)生的金屬小顆粒迅速從電極之間沖走，保證正常加工。工作液還可以起冷卻作用，冷卻受熱的電極和工件，防止工件變形。
第二章 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
一．同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容是根據(jù)傳遞的名義功率、轉(zhuǎn)速、速度筆及工況來正確選擇同步帶的型號(hào)、帶長、帶寬及帶輪的齒數(shù)和直徑。計(jì)算步驟如下。
1. 計(jì)算設(shè)計(jì)功率
pd=(k+k1+k2)pm(kw)
式中：pm為同步帶傳遞的名義功率（kw）由電機(jī)的選擇名義功率為1.1kw,以知設(shè)計(jì)參數(shù)；k0為載荷修正系數(shù)參考機(jī)電綜合設(shè)計(jì)表2-14為輕負(fù)荷傳遞功率且工作時(shí)間為普通使用每日8h-10h所以k0取1.5。
k1為使用張緊輪修正系數(shù)見表1，由表可取k1=0.1；k2為增速傳動(dòng)修正系數(shù)見表2，此處為減速傳動(dòng)所以k2=0。
表2.1 使用張緊輪修正系數(shù) k1 表2.2 增速傳動(dòng)修正系數(shù)k2
壓緊輪的位置 系數(shù) 增速比 系數(shù)
松邊內(nèi)側(cè) 0 1.00-1.24 0
松邊外側(cè) 0.1 1.25-1.74 0.1
緊邊內(nèi)側(cè) 0.1 1.75-2.49 0.2
緊邊外側(cè) 0.2 2.50-3.49 0.3
所以 pd=（k0+k1+k2）pm=（1.5+0.1+0）pm=1.6×1.1kw=1.76kw
2．選擇帶的型號(hào)
由設(shè)計(jì)功率pd=1.76kw和小帶輪轉(zhuǎn)速n1由下圖選出同步帶的型號(hào)并由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊查到對應(yīng)的節(jié)距pd（mm）。
電極絲額定移動(dòng)速度為11m/s。
儲(chǔ)絲筒的直徑由前面確定為D=146mm
n×π×D=11m/s n=11/0.146×3.14m/s=24r/s=1440r/min
由同步帶選型圖易知對應(yīng)點(diǎn)選擇小帶輪為L型同步帶輪對應(yīng)的節(jié)距 pb=9.525mm 基準(zhǔn)寬度為25.4mm。
周節(jié)制梯形同步帶輪又稱標(biāo)準(zhǔn)同步帶輪梯形同步帶輪的齒廓形狀可以采用漸開線齒型前者用漸開線輪刀具范成法加工而成其齒形取決于刀具。此處采用的漸開線齒形。
圖2.1 同步帶選型圖
3.確定帶輪齒數(shù)z與直徑d
由前面所選絲杠D=24mm p導(dǎo)程=3mm
由儲(chǔ)絲筒運(yùn)絲原理即轉(zhuǎn)筒每轉(zhuǎn)一圈儲(chǔ)絲筒整體向左或向右移動(dòng)一個(gè)電極絲的直徑。
由電極絲的直徑D絲=0.2mm而按照相關(guān)規(guī)定儲(chǔ)絲筒整體移動(dòng)的距離應(yīng)該在一個(gè)電極絲直徑范圍內(nèi)且誤差不應(yīng)該超過0.05mm才不會(huì)出現(xiàn)斷絲的現(xiàn)象。
即可取S距=0.25mm （為誤差范圍以內(nèi)）
由S距=i×p絲=0.25mm
所以I=0.25/3=0.0833=1/12
即絲杠每轉(zhuǎn)一圈儲(chǔ)絲筒轉(zhuǎn)12圈
由帶輪最少許用齒數(shù)表查之小帶輪最少許用齒數(shù)為14此處選用16齒稍大2齒比較合理從而大帶輪的齒數(shù)為
Z2=Z1×I=12×16=192齒
由Z2=192查手冊 GB11361-89易知無可選用的帶輪且選用的話直徑將超過400mm故不易裝配從而應(yīng)選擇另一方按。
為了將同步帶輪的直徑減小可采用二級(jí)傳動(dòng)由傳動(dòng)比的計(jì)算：
表2.3 帶輪最少許用齒數(shù)
小帶輪轉(zhuǎn)速 帶型號(hào)
n1/（r/min） MXL XXL XL L H XH X
帶輪最少許用齒數(shù)
＜900 -- -- 10 12 14 22
900-＜1200 12 12 10 12 16 24
1200-＜1800 14 14 12 14 18 26
1800-＜3600 16 16 12 16 20 30
3600-＜4800 18 18 15 18 22 --
可采用Z1=16 Z2=48 Z3=18 Z4=72
即Z1/Z2× Z3/Z4=0.0833
從所查小帶輪與基準(zhǔn)寬度：
小帶輪直徑d1=PbZ1/π=9.525×16/3.14=48.53mm
第二帶輪直經(jīng)d2=PbZ2/π=9.525×48/3.14=145.60mm
第三帶輪直經(jīng)d3=PbZ3/π=9.525×18/3.14=54.60mm
第四帶輪直徑d4=PbZ4/π=9.525×72/3.14=218.40mm
4.選擇帶長Lp
根據(jù)以知中心距A（mm）的要求或初選中心距A，計(jì)算帶長Lp
以知中心距A1=182mm
A2=193mm
Lp1=2Acosφ1+π（d1+d2）/2+πφ（d2－d1）/180（mm）
=2×182×cos30.9+π（218.4+48.53）/2+π30.9 (218.4－48.53)/180
=321.9+304.78+91.54
=718.22mm
其中φ1=arcsin(d2－d1)/2A1
=arcsin(218.40－48.53)/182=30
Lp2 =2Acosφ2+π（d3+d4）/2+πφ（d4－d3）/180（mm）
=2×193×cos15.5+π（145.6+54.6）/2+π15.15(145.6－48.53)/180
=375.12+314.31+15.23=704.66
其中φ2=arcsin(d4－d3)/2A2
=arcsin(145.6－48.3)/2×193
=15.15
按手冊查選擇最接近計(jì)算帶長值的標(biāo)準(zhǔn)帶長（節(jié)線長）及相應(yīng)長度代號(hào)，并查出該帶的齒數(shù)zb。
按GB11616-89 為了使皮帶有一定的張緊力度故可選擇長度代號(hào)為270的L型同步帶
其齒數(shù)為72齒節(jié)線長685.8mm in27 極限偏差±0.61 in±0.024
5.實(shí)際傳動(dòng)中心距離A的確定
根據(jù)所選的標(biāo)準(zhǔn)帶長求出實(shí)際中心距A。
A≈M+
M1=Pb/8(2Zb－Z1－Z2)
M2=Pb/8(2Zb－Z3－Z4)
M1=9.524/8(2×160－16－72)=276.196
M2=9.524/8(2×160－48－18)=302.38
所以A1≈276.196+ 276.196－1/8[9.524(72－16)/ π]
≈545
A1≈302.387+ 302.387－1/8[9.524(48－18)/ π]
≈602.387
在z1/z2之值很大時(shí)，還有一個(gè)精確中心距計(jì)算公式。但是，通常同步帶傳動(dòng)中心距是可以調(diào)整的，以邊獲得同步帶傳動(dòng)必須有的適當(dāng)?shù)膹埦o力。
6.選擇帶寬bs
帶寬的選擇準(zhǔn)則是限制作用在同步帶寬上的拉力，以保證同步帶的強(qiáng)度和使用壽命，工作是不發(fā)生失效。
1）；根據(jù)帶型、小帶輪齒數(shù)z1及轉(zhuǎn)速由手冊查的對應(yīng)的同步帶的基準(zhǔn)寬度bs。及基準(zhǔn)額定功率p。（kw）。
查得帶型為L型 小帶輪齒數(shù)為16齒 且轉(zhuǎn)速為1440r/min 另一小帶輪齒數(shù)為18齒 轉(zhuǎn)速為320r/min。 對應(yīng)同步帶的基準(zhǔn)寬度bs0為25.4mm p。=1.1kw。
2）；計(jì)算同步帶傳動(dòng)的嚙合齒數(shù)zm。
Zm1=ent[Z1/2－PbZ1/(2πA)×(Z2－Z1)]
=ent[16/2－9.542×16/2π545×(72－16)]
=ent[7.21]=7＞6
Zm2=ent[Z3/2－Pbz2/(2πA)×(Z3－Z4)]
=ent[18/2－9.542×16/2ππ545×(48－18)]
=ent[8.14]=8＞6
3)；計(jì)算嚙合齒數(shù)系數(shù)Kz。
當(dāng)Zm≥6時(shí)，Kz=1；當(dāng)Zm＜6時(shí) Kz=1－0.2（6－zm）
故Kz1=1 Kz2=1
4）；確定帶寬系數(shù)Kw
Kw=（bs/bs。）1.14
當(dāng)帶寬bs尚未確定，可由該式建立帶寬bs與基準(zhǔn)帶寬bs0的關(guān)系
5）；確定額定功率p
p≈KzKwP。(kw) ≈1.1kw
6)；選擇帶寬bs
根據(jù)設(shè)計(jì)要求，同步帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)功率應(yīng)小與所選型的額定功率P，即Pd≤P。根據(jù)此條件，導(dǎo)出帶寬bs的計(jì)算公式。同步帶帶寬值
bs≥bs。（Pd/KzP。）1/1.14（mm）=25.4（9.524/1×1.1）1/1.14=16.8（mm）
根據(jù)表4，選擇標(biāo)準(zhǔn)帶寬bs及代號(hào)，并且要考慮到標(biāo)準(zhǔn)帶寬bs值應(yīng)大于計(jì)算帶寬值。
表2.4 XL L H XH XXH 型標(biāo)準(zhǔn)帶寬bs/mm
XL L H XH XXH
代號(hào) 帶寬 代號(hào) 帶寬 代號(hào) 帶寬 代號(hào) 帶寬 代號(hào) 帶寬
025 6.4 050 1 2.7 075 19.1 200 50.8 200 50.
031 7.9 075 19.1 100 25.4 300 76.2 300 76.2
037 9.5 100 25.4 150 38.1 400 101.6 400 101.6
此處選擇 L型標(biāo)準(zhǔn)帶寬 代號(hào)為075 帶寬為19.1 的同步帶一對。
二．滾珠絲杠螺母副的選型和校核
1.滾珠絲杠螺母副類型選擇
滾珠絲杠螺母副有專門工廠制造，當(dāng)類別、型號(hào)選定和校核后，可以外購。滾珠絲杠副的類別主要從三個(gè)方面考慮：循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預(yù)緊方式。
鋼珠在絲杠與螺母之間的滾動(dòng)是一個(gè)循環(huán)閉路。根據(jù)回珠方式，可分為兩類：內(nèi)循環(huán)，回珠器處在螺母之內(nèi)。外循環(huán)，插管式回珠器位于螺母之外。
鋼珠每一個(gè)循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)螺母有2列，3列，4列，5列等幾種，每列只有一圈。外循環(huán)每列有1.5圈，2.5圈，3.5圈等幾種，剩下的半圈作回珠。外循環(huán)滾珠絲杠的每個(gè)螺母有1列2.5圈，一列3.5圈，2列1.5圈，2列2.5圈等種類較多。
為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，稱為預(yù)緊。常用的滾珠絲杠副預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到為無預(yù)緊時(shí)的2倍。但是，預(yù)加載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲杠在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲杠副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。預(yù)緊方式見下頁表。
2.主要參數(shù)及代號(hào)
1）；滾珠絲杠副的參數(shù)
1.1、公稱直徑dm，公稱直徑即滾珠絲杠的名義直徑，dm越大，承載能力越大。數(shù)控機(jī)床常用的進(jìn)給絲杠的公稱直徑dm為φ30mm到φ80mm。
2.2、基本導(dǎo)程L0。絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)2πrad時(shí)，螺母的軸向位移。與進(jìn)給系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求有關(guān)。
3.3、精度等級(jí)。滾珠絲杠副按其使用范圍及要求可分為7個(gè)精度等級(jí)。
表2.5 滾珠絲杠副的預(yù)緊方式
類別 調(diào)整方法 特點(diǎn)
調(diào)整墊片厚度，使螺母 結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，剛度
產(chǎn)生軸向位移 高；但調(diào)整不便，滾道有磨
墊片式 損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和
和預(yù)緊。適用于高剛度重載
荷。
螺紋式 調(diào)整端部的圓螺母使螺母 結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整
產(chǎn)生軸向位移 方便但準(zhǔn)確性差，且易松動(dòng)
用于剛度要求不高或需隨
時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊力的傳動(dòng)
齒差式 兩螺母在凸緣上有外齒分別 能夠精確的調(diào)整預(yù)緊力，
緊固在螺母座兩端的內(nèi)齒圈 但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配
嚙合。 調(diào)整較復(fù)雜，宜用于高精
度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.最大工作載荷的計(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)滾珠絲杠所乘受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削力相關(guān)的摩擦力。
Fm由以下經(jīng)驗(yàn)公式。
矩形導(dǎo)軌 Fm＝KFl+f1（Fv+Fc+G）
燕尾導(dǎo)軌 Fm＝KFl+f1（Fv+２Fc+G）
三角形或綜合導(dǎo)軌 Fm＝KFl+f1（Fv+G）
式中：Fl,Fv,Fc分別為工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（N）；G為移動(dòng)部件的重力；K和f1分別為考慮顛覆力矩的影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)隨導(dǎo)軌型式不同而不同。
對于矩形導(dǎo)軌 K=1.1,f1=0.15
燕尾導(dǎo)軌 K=1.4, f1=0.2
三角形或綜合導(dǎo)軌 K=1.15, f1=0.18~0.18
而滾動(dòng)導(dǎo)f1＝0.0025~0.005
由線切割機(jī)床坐標(biāo)工作臺(tái) 可初選擇
K=1.15 f1=0.015 Fv=200×10=2000N
G=Fv+G臺(tái)重＝(200+200)×10=4000N
所以Fm=1.15×0+f1(2000+4000)=0.15×6000=900N
4.最大動(dòng)負(fù)載c的計(jì)算及主要尺寸初選
滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動(dòng)載荷Ca選擇用，最大動(dòng)載荷計(jì)算原理與滾動(dòng)軸承相同。
滾珠絲杠最大動(dòng)載荷C可用下式計(jì)算
C= fmFm
式中：L為工作壽命，單位為1000000r,L=60nt/1000000;
由t＝150000h 即額定使用壽命（h），n＝1000v/L。；v為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m／min），可取最高速度的1/2~1/3；L。為絲杠的基本導(dǎo)程（mm），計(jì)算時(shí)，可根據(jù)快進(jìn)速度vmax和絲杠最大轉(zhuǎn)速nmax初選一個(gè)數(shù)值（L?！?000max/nmax）,待剛度驗(yàn)算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t＝15000h；fm為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊?。薄?２，一般情況取1.2~1.5,有沖擊振動(dòng)取1.5~2.5；Fm為滾珠絲杠工作載荷（N）。
由n=1000v/L。
=1000×0.1/5
=20 其中v進(jìn)給速度由機(jī)床給定參數(shù)
L。為絲杠導(dǎo)程取L。=5mm
L=60nt/1000000
=60×20×15000/1000000=18000000r
C=fmFm =×1.2×900
=2830N
其中fm=1.2為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)取1.2
Fm=900N 為工作載荷
初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷Ca不得小于最大動(dòng)載荷C：Ca>C。
初選絲杠副尺寸規(guī)格
CLM3205-3.5-P3
λ=251‘為絲杠的螺旋升角
Ca=16100N 滾珠絲杠額定動(dòng)載荷
Coa=52750N 滾珠絲杠額定靜載荷
由Coa=16100>C
且Coa/Fm=16100>2830=5.6>3 所以符合標(biāo)準(zhǔn)
當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)（n≤10r/min）下工作并受載荷，那么還要考慮其另一種失效形式——滾珠接觸面上的朔性變形。即考慮滾珠絲杠的額定靜載荷Coa是否充分的超過了滾珠絲杠的工作載荷Fm，一般使Coa/Fm=2~3。滾珠絲杠的Ca和Coa值由手冊查之為上
面的取值。
5.傳動(dòng)效率的計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η
η=tgλ/tg(λ+φ)
式中：λ為絲杠的螺旋生角，可根據(jù)初選型號(hào)查出為以上值；
φ為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~0.004,
其摩擦角傳動(dòng)效率較高約等于10。
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率較高一般為0.8~0.9之間。
由給定值η=tgλ/tg(λ+φ)
=tg251‘/tg(2。51‘、+10、)
=0.04/0.047
=0.85
所以其傳動(dòng)效率符合給定的標(biāo)準(zhǔn)值。
6.剛度的驗(yàn)算
滾珠絲杠的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小，對縱向的影響更小，可忽略不記。絲杠軸承的軸向接觸變形計(jì)算方法可參考機(jī)械設(shè)計(jì)手冊?？晒L珠絲杠支撐使用的滾動(dòng)軸承種類很多一般有接觸叫為60度的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對面的組配，此處采用角接觸球軸承以反向安裝。
因此，其實(shí)只要滾珠絲杠的支撐的剛度設(shè)計(jì)的好，軸承的軸向接觸變形在此可以不予考慮。
1 ）；滾珠絲杠的拉壓變形量δ1
滾珠絲杠應(yīng)計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量
δ1=±FmL/EA(mm)
式中：δ1為在工作載荷Fm作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮的變形量（mm）；Fm為絲杠的工作載荷(N);L為滾珠絲杠在支撐間的受力長度(mm)；E為材料的彈性模量，對剛E=206000Mpa;A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm）；“+”號(hào)用與拉伸，“—”好用與壓縮。也可以從工廠的滾珠絲杠樣本的圖表中查出單位長度軸向拉伸壓縮變形量，然后求出支撐間受力長度的變形量。
δ1=±FmL/EA(mm)
=±900x578/803.84x206000
=±0.0031mm
即拉伸與壓縮在不同的受力情況下都可出現(xiàn)
其中L=578mm由選形確定 E=206000Mp
A=π×16×16=803.84mm
2）；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量。
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠的長度無關(guān)?？蓮墓S的產(chǎn)品樣本中查出，或用下式計(jì)算
無予緊力時(shí)δ1=0.0038 （mm）
有予緊力時(shí)δ2=0.0013Fm/ （mm）
式中：Dw為滾珠直徑（mm）；Z∑滾珠總數(shù)量Z∑=Zx圓數(shù)x列數(shù)；Z為一圈的滾珠數(shù)，Z=πdm/Dw(外循環(huán))，
Z=（πdm/Dw）-3（內(nèi)循環(huán)）
dm為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）；Fyj 為予緊力（kgf,1kgf=9.8N）;Fm為滾珠絲杠工作載荷（kgf,1kgf=9.8N）。
當(dāng)滾珠絲杠有予緊力時(shí)，且予緊力為軸向工作載荷的1/3時(shí)，δ2值可減少到一半左右。
此坐標(biāo)工作臺(tái)采用無予緊力無予緊力時(shí)
δ1=0.0038 （mm）
=0.0038 （mm）
=0.0074mm
Dw=3.175mm
Z∑= Z×圓數(shù)×列數(shù)=31×3×2=186
Z=πdm/Dw=3.14×32/3.175=31
3）；滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算
絲杠的總變形量δ=δ1+δ2應(yīng)小于允許的變形量。一般δ值不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半。或者，有絲杠精度等級(jí)查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形兩應(yīng)比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠副。
7.壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk為
Fk=fzπ2EI/L2(N)
式中E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.6×104Mp;I為截面慣性矩，對絲杠圓截面I=πd14/64(mm4)(d1為絲杠底徑)；L為絲杠最大工作長度（mm）；fz為絲杠支撐方式系數(shù)，參考下圖與下表
圖2.2 滾珠絲杠常用的支撐方式
滾珠絲杠的支撐方式系數(shù)表
方式 一端固定一端自由 一端固定一端簡支 兩端固定 兩端簡支
fz 0.25 2.0 4.0 1.0
圖中第一個(gè)為一端軸向固定一端自由，常用于短絲杠和樹直安裝的絲杠。圖中第二個(gè)為一端固定一端簡支，常常用于較長的臥式絲杠。圖中第三個(gè)為兩端固定常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高精度、高強(qiáng)度的地方。
臨界載荷Fk與絲杠工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定安全系數(shù)nk,如果nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[nk]，則該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓竿穩(wěn)定條件為
n k=Fk/Fm≥[nk]
一般取[nk]=22.5~4,考慮到絲杠自重對水平滾珠絲杠的影響可取
[nk]≥4
由Fk=fzπ2EI/L2(N)
其中 fz取4.0
E=2.0x104Mp
I=πd14/64=3.14×304/60=42390
L=490mm
固Fk=4.0×9.8596×20.6×104×42390/240100
=1434358.675N
所以 nk＝Fk/Fm=1434358.675/900＞[nk]
所以滾珠絲杠副的壓桿穩(wěn)定性符合要求。
三、導(dǎo)軌的選型與計(jì)算
導(dǎo)軌的功用是是導(dǎo)向和承載。例如車床的溜板和床身導(dǎo)軌是屬于進(jìn)給導(dǎo)軌，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)導(dǎo)軌與支承導(dǎo)軌之間的相對運(yùn)動(dòng)速度較低。滾動(dòng)導(dǎo)軌在兩導(dǎo)軌面間裝有球、滾子或滾針等滾動(dòng)元件，具有滾動(dòng)磨擦性質(zhì)，廣泛地用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。貼塑導(dǎo)軌也具有良好的減摩擦、抗撕傷能力強(qiáng)低速不易出現(xiàn)爬行、但是，因?yàn)樗芰蟿偠鹊?，?huì)產(chǎn)生較大的彈性變形和接觸變形，局部壓強(qiáng)大是會(huì)影響運(yùn)動(dòng)的精度。綜合兩種導(dǎo)軌的優(yōu)缺點(diǎn)，在這里DK7732線切割機(jī)床初步選用SGDSWC1Ⅱ2x1000D.滾動(dòng)導(dǎo)軌。
1、滾動(dòng)導(dǎo)軌
1）；滾動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)及配置
直線運(yùn)動(dòng)支撐中，有滾動(dòng)體不作循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)體做循環(huán)運(yùn)動(dòng)的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，后者叫做直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副（塊）組件。
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副包括導(dǎo)軌條和滑塊兩部分。導(dǎo)軌通常為兩根，裝在支撐件上，每根導(dǎo)軌條上有兩個(gè)滑塊，固定在移動(dòng)件上。如移動(dòng)件較長，也可在一跟導(dǎo)軌條上裝3個(gè)或3個(gè)以上滑塊。如移動(dòng)件較寬，也可以用3根或3根以上的導(dǎo)軌條。如果移動(dòng)件的剛度較高，則少裝為好。在兩條導(dǎo)軌中，一條為基準(zhǔn)導(dǎo)軌上有基準(zhǔn)面A，滑塊上有基準(zhǔn)面B ；另一條為從動(dòng)導(dǎo)軌。
2）；滾動(dòng)導(dǎo)軌的予緊
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副分為整體型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副和分離型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。整體型的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副有制造廠用選配不同直線剛球的
辦法來決定間隙或予緊?？筛鶕?jù)要求的予緊訂貨，不需自己調(diào)整。分離型直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，應(yīng)由用戶根據(jù)需要，按規(guī)定的間隙進(jìn)行調(diào)整或予緊。
3）；線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算
直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與滾動(dòng)軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支撐不發(fā)生蝕點(diǎn)為依據(jù)。這個(gè)載荷稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca，可從產(chǎn)品樣本中查到。以上海組合夾具廠兩種型號(hào)（SGDA和SGDB）直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的主要參數(shù)，其中Ca為額定動(dòng)載荷，Coa為額定靜載荷（kN）。這個(gè)行走的距離稱為滾動(dòng)導(dǎo)軌的距離額定壽命，它可根據(jù)滾動(dòng)導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca用于下列公式進(jìn)行計(jì)算。
滾動(dòng)體為球時(shí) L=50(CafHftfc/Ffw)3
滾動(dòng)體為滾子時(shí) L=100(CafHftfc/Ffw)10/3
式中：L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）；Ca為額定動(dòng)載荷（N）,初選滾動(dòng)導(dǎo)軌型號(hào)后，可從樣本中查出；F為每個(gè)滑塊上的工作載荷（N）；fH=0.8.為50HRC時(shí)fH=0.53；fT為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100度時(shí)，fT=1；fc為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝有二個(gè)滑塊 fc=0.81，裝三個(gè)滑塊時(shí)fc=0.72，裝四個(gè)滑塊時(shí)fc=0.66；fw為載荷/速度系數(shù)，無沖擊振動(dòng)或v≤15m/min時(shí)fw=1~1.5，輕沖擊振動(dòng)或15m/min
60m/min時(shí)fw=2.0~3.5。
由初步選定的結(jié)果查手冊知道
導(dǎo)軌的Coa=86 Ca=54 (KN)
fH=0.8 fT=1
fc=0.81 fw=1.5
F=1/4×6000N=1500N
所以L=50(5.4×104×0.8×1×0.81/1500×1.5)3
=3761Km
如果把距離額定壽命L換算成為小時(shí)額定壽命Lh，則
Lh=L×103/2ns×60=3761×103/2×3×0.4×60
=2.6×104h
=2.9年 即為期望值
式中：S為移動(dòng)件行程長度（m）；n為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)（min-1）。
從產(chǎn)品樣本中選定的滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)，由查出的額定動(dòng)載荷Ca，由計(jì)算距離額定壽命L或小時(shí)額定壽命Lh，若L或Lh大于滾動(dòng)導(dǎo)軌的期望壽命定為50km，滾子導(dǎo)軌的距離期望壽命為100km。
但是如果滾動(dòng)導(dǎo)軌的工作速度較低，靜載荷較大，則選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)考慮相應(yīng)的額定靜載荷Coa不小于工作載荷的2倍。額定靜載荷Coa也可以從樣本中查出。
4）；滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤滑與防護(hù)
滾動(dòng)導(dǎo)軌采用潤滑脂潤滑。常用的牌號(hào)為ZL-2里基潤滑脂。（GB7324-87，2號(hào)）。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄露，不需經(jīng)常加油；缺點(diǎn)是進(jìn)塵屑后易磨損導(dǎo)軌?？刹捎脤ｉT的防護(hù)方式。
四．儲(chǔ)絲筒旋轉(zhuǎn)組合件的選擇
儲(chǔ)絲筒組合件主要是由儲(chǔ)絲筒、聯(lián)軸器軸承座組成
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鋼制成。為減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，筒壁應(yīng)該盡量薄，按機(jī)床規(guī)格的不同，選用范圍為1.5~5mm。為進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，也可選用鋁鎂合金材料制造。
儲(chǔ)絲筒壁厚度要均勻，工作表面要有較好的表面粗糙度，一般Ra為0.8μm。為保證絲筒組合件動(dòng)態(tài)平衡，應(yīng)嚴(yán)格控制內(nèi)孔、外圓對支撐部分的同軸度。
儲(chǔ)絲筒與主軸裝配后的徑向跳動(dòng)量不應(yīng)大于0.01mm。一般裝配后，以軸的兩端中心孔定位，重磨儲(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)組合件的電動(dòng)機(jī)軸與儲(chǔ)絲筒中心軸，一般不采用整體的長軸，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)頻繁的換向，聯(lián)軸器瞬間受到正反剪切力很大，因此多用彈性聯(lián)軸器和磨擦錐式聯(lián)軸器。
1）；彈性聯(lián)軸器見圖 。
圖2.3彈性聯(lián)軸器
彈性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單，慣性力矩小，轉(zhuǎn)向較平穩(wěn)，無金屬撞擊聲，可減小對儲(chǔ)絲筒中心軸的沖擊。彈性材料采用橡膠、塑料或皮革。這種聯(lián)軸器的優(yōu)點(diǎn)是，容許電動(dòng)機(jī)軸與儲(chǔ)絲筒軸有不同心和不平行（如最大不同心允許為0.2~0.5mm，最大不平行為1度），缺點(diǎn)是由它聯(lián)結(jié)的兩根軸在傳遞扭矩時(shí)會(huì)有相對轉(zhuǎn)動(dòng)。
2）；磨擦錐式聯(lián)軸器
摩擦錐式聯(lián)軸器可帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大的大、中型機(jī)床儲(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)負(fù)荷超載時(shí)，摩擦面之間的滑動(dòng)還可起到過載保護(hù)作用。因?yàn)殄F形摩擦面會(huì)對對電動(dòng)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磙子軸承。另外，還要正確選用彈簧規(guī)格。彈力過大，會(huì)增大軸向力，影響中心軸的正常轉(zhuǎn)動(dòng)。
綜合上所概括的兩種聯(lián)軸器的特點(diǎn)，在這里可以選擇彈性聯(lián)軸器作為這里聯(lián)結(jié)所用。
五．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)，能夠快速啟動(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)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，我們選用的型號(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：
1.根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào)
2.步距角
初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，并從手冊中查到步距角，由于
綜合考慮，我初選了可滿足上式的要求。
3.矩頻特性
步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系是；
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒有外加工作負(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：
——空載啟動(dòng)力矩；
——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；
——空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——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)電動(dòng)機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：
計(jì)算的各項(xiàng)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
4）；啟動(dòng)矩頻特性校核
步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動(dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)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。因此很少見。而升速啟動(dòng)過程中只要升速時(shí)間足夠長，啟動(dòng)過程緩慢，空載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。
六、進(jìn)給機(jī)構(gòu)的支承設(shè)計(jì)
1.絲桿的支承形式
滾珠絲桿的支承和支承方式將影響絲桿副的剛度，因此，對運(yùn)動(dòng)精度要求高時(shí)應(yīng)審慎的加以選擇。常見的支承形式有以下幾種：
1）；絲桿一端安裝兩個(gè)深溝球軸承或者角接觸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鉸支承；因此絲桿的支承方式有兩端固定；一端固定，一端鉸支；一端固定，一端自由等幾種；
本設(shè)計(jì)采用的是兩端固定的支承。
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)。
適用于長螺桿。
3）;單推單推或雙推單推
兩端各安裝一個(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四倍，且不會(huì)承受壓力，無失穩(wěn)現(xiàn)象。
4）;雙推雙推
兩端各安裝兩個(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)超過預(yù)計(jì)溫度時(shí)，不會(huì)因螺桿伸長使軸承產(chǎn)生間隙。
缺點(diǎn)：調(diào)整較復(fù)雜。
第三章 電氣系統(tǒng)控制
電氣系統(tǒng)主要由高頻脈沖電源、直流電源和電氣控制系統(tǒng)組成。高頻脈沖電源是進(jìn)行線電極切割的能源。直流電源主要是24v直流源驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)用。電氣控制系統(tǒng)主要是控制工作液泵電機(jī)和儲(chǔ)絲筒電機(jī)等用。
一、 DK77型線切割機(jī)床脈沖電源原理。
高頻脈沖電源又稱脈沖電源，其作用是把工頻50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成幾百赫茲的高頻的單向脈沖電源，為高速旋轉(zhuǎn)的線切割機(jī)提供一系列不同脈寬的矩形脈沖。
線切割機(jī)床電子控制系統(tǒng)主要是高頻脈沖電源電路，它是線切割機(jī)床的重要部分，用高頻脈沖使得電極絲與工件產(chǎn)生火花放電，對工件進(jìn)行電腐蝕加工。通過調(diào)節(jié)高頻脈沖使工件滿足加工精度的要求。高頻脈沖電源整流電路、主振電路、脈寬調(diào)節(jié)電路、功率放大電路等組成。主振電路中有數(shù)字振蕩電路和模擬振蕩電路及分立元件電路。新型機(jī)床的功率放大電路主要是在功率管選取上有改進(jìn)，從普通的三極管功放到大功率、低功耗管和場效應(yīng)管及功率模塊均有不同，但是實(shí)際加工生產(chǎn)用的機(jī)床大多數(shù)采用的還是早期的電路，技術(shù)改造也著重在控制器部分，均采用具有微機(jī)控制系統(tǒng)、輸入鍵盤器和數(shù)控顯示器LED或LCD的設(shè)備。
該電源主要是由整流電路、主振電路和功放電路組成。整流電路由變壓器將三相380v電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿?2v和三相7v電壓，通過二極管進(jìn)行整流。電路形式是三相全波整流電路，為脈沖電源提供100v直流電壓和10v直流電壓，功給功放電路和工作電路電源。
二、數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)總體方按的擬定
主軸電動(dòng)機(jī)
軟件
主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路
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?？刂葡到y(tǒng)的控制對象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床等等。控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示：
步進(jìn)電機(jī)
微
機(jī)
通信接口
步進(jìn)電機(jī)
機(jī)
床
開關(guān)量控制電路
圖3.1 控制系統(tǒng)框圖
具體微機(jī)控制系統(tǒng)是一MCS-51系列高檔八位單片機(jī)為核心，采用8032cpu芯片。存儲(chǔ)器也采用了較大的容量的存儲(chǔ)器，用來存放控制程序及擴(kuò)展程序的EPEOM采用了256k容量27256芯片，用來存放輸入加工圖形程序的RAM采用了256k容量的62256芯片，以增強(qiáng)微機(jī)的功能。接口電路使用了可編程并行接口電路芯片8255，顯示部分采用了數(shù)碼管來顯示參數(shù)，鍵盤輸入和輸出顯示由鍵盤/顯示接口電路芯片8279來控制。具體系統(tǒng)組成圖如下：
圖3.2 線切割機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)組成
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)位電路的石音晶體、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。
通常所說的單片記系統(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)。
2.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8051除程序存儲(chǔ)器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源。（程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)程序存儲(chǔ)器和64kb字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器，必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分三部分。
1);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