便攜式電火花加工機的設(shè)計

1、1 緒 論1.1 電火花加工機的發(fā)展歷程在20世紀(jì)初，人們就發(fā)現(xiàn)了電火花，例如在插頭或電器開關(guān)觸點開、閉時，往往產(chǎn)生火花而把接觸面燒毛或腐蝕成粗糙不平的凹坑而使插頭或電器開關(guān)逐漸損壞。長期以來，電腐蝕一直被認為是一種有害的現(xiàn)象，人們不斷地研究電腐蝕的原因并設(shè)法減輕和避免電腐蝕的發(fā)生。但事實總是一分為二的看的，只要掌握規(guī)律，在一定的條件下可能會轉(zhuǎn)變成好事，把有害的變?yōu)橛杏玫摹?943年，蘇聯(lián)學(xué)者拉扎連科夫婦研究發(fā)明電火花加工，最初的電火花加工機使用的脈沖電源是簡單的電阻-電容回路，之后，隨著脈沖電源和控制系統(tǒng)的改進，電火花加工機床從此開始迅速發(fā)展起來。到了50年代初，電火花加工機的脈沖電源改進為

2、電阻-電感-電容回路的方式，同時還采用脈沖發(fā)電機之類的所謂長脈沖電源，使電火花技術(shù)的蝕除效率得到進一步提高，工具電極的相對損耗也有所降低。隨后，又出現(xiàn)了大功率電子管、閘流管等高頻脈沖電源，使得在同樣表面粗糙度條件下的生產(chǎn)率得以提高。60年代中期，依次出現(xiàn)了晶體管和可控硅脈沖電源，不僅提高了能源利用效率和降低了工具電極損耗，而且擴大了粗加工與精加工的可調(diào)范圍。到70年代，脈沖電源發(fā)展迅速，又陸續(xù)出現(xiàn)了高低壓復(fù)合脈沖、多回路脈沖、等幅脈沖和可調(diào)波形脈沖等電源，在加工表面粗糙度、加工精度和降低工具電極損耗等方面又有了新的進展。在控制系統(tǒng)方面，從最初簡單地保持放電間隙，控制工具電極的進退，逐步發(fā)展到利

3、用微型計算機，對電參數(shù)和非電參數(shù)等各種因素進行適時控制。由于電火花加工具有許多傳統(tǒng)切削加工所無法比擬的優(yōu)點，因此其應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大，電火花加工技術(shù)已廣泛應(yīng)用于機械、航天、航空、電子、原子能、計算機技術(shù)、儀器儀表、電機電器、精密機械、汽車、輕工等行業(yè)，以解決難加工材料及復(fù)雜形狀零件的加工問題。加工范圍從微小的軸、孔、縫，到超大型模具和零件，為各種新型材料的發(fā)展和應(yīng)用開辟了廣闊的途徑，為各種工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計改進與制造提供了新的加工技術(shù)，為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和試驗設(shè)計水平的提高提供了有效的手段。本課題就是在這樣的研究背景下提出的，為了滿足工業(yè)環(huán)境的需求，本文將要設(shè)計一個便攜式的電火花加工機。1.2 電

4、火花加工機的特點和應(yīng)用范圍1.2.1 電火花加工機的特點電火花加工又稱放電加工(Electrical Discharge Machining簡稱EDM)，【2】其原理是把脈沖電源加在工具和工件之間，利用脈沖性火花放電時產(chǎn)生的的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達到對被加工零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量的要求。電火花加工機的特點如下：1）易于實現(xiàn)加工過程的自動化 由于是直接利用電能加工，而電能、電參數(shù)等相對于機械量而言，更易于實現(xiàn)數(shù)字控制、自適應(yīng)控制、智能化控制和無人操作等。2）可以改進結(jié)構(gòu)設(shè)計 由于電加工的特殊性，可以將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行改進，例如，將鑲拼結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金沖模改為用電火花加工的整體結(jié)構(gòu)，減少了

5、加工工時和裝配工時，延長了使用壽命。3）電極損耗相對比較低 由于電火花加工靠電、熱來蝕除金屬，電極也會遭受損耗，而且電極損耗多集中在尖角或底面，往往影響成型精度。目前，隨著電加工技術(shù)的發(fā)展，粗規(guī)準(zhǔn)加工時已經(jīng)能將電極相對損耗比降到0.1%以下，在中精規(guī)準(zhǔn)加工時將損耗比將到1%左右。4）可加工的最小角部半徑極小 一般情況下，電火花加工能得到的最小角部半徑等于加工間隙（通常為0.02至0.3毫米），若電極有損耗或采用平動頭加工，則角部半徑還要增大。但采用多軸控制的電火花機床，應(yīng)用X、Y、Z軸數(shù)控搖動加工，可以清棱清角的加工出方孔、窄槽的側(cè)面和底面。1.2.2 電火花加工機的應(yīng)用范圍目前，電火花加工（

6、EDM）作為模具制造技術(shù)的一個重要分支,在模具制造領(lǐng)域起著重要的作用。尤其是在先進制造技術(shù)的快速發(fā)展和制造業(yè)市場競爭激烈的新形勢下，促使電火花加工機床朝著更深層次、更高水平的方向快速發(fā)展，使放電加工技術(shù)在模具工業(yè)中經(jīng)久不衰。例如：日本的冷沖模有53%是用電火花成型加工來完成的，美國的鍛模有7%是用電火花成型加工來完成的。基于上述特點和條件，本文設(shè)計的電火花加工機的主要用途有以下幾項：1）適合于難切削導(dǎo)電材料的加工【1】 由于脈沖放電的能量高度集中，放電區(qū)域產(chǎn)生的高溫足以熔化、氣化任何導(dǎo)電材料，所以能加工各種金屬材料，甚至可以加工聚晶金剛石、立方氮化硼等超硬材料，如果具備一定條件還可以加工半導(dǎo)體

7、和非半導(dǎo)體材料。2）可以進行低剛度工件加工及微細加工 由于放電加工過程中工具電極與工件不直接接觸，兩者的宏觀作用力很小，沒有機械加工的切削力。因此，可以進行低剛度工件加工及微細加工。例如，加工小孔、畸形孔以及在硬質(zhì)合金上加工螺紋、螺孔。3) 可以加工特殊復(fù)雜表面形狀的零件 由于可以簡單的將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，所以特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工。例如，制造沖模、塑料模、鍛模和壓鑄模，在金屬板材上切割出零件等。1.3 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對產(chǎn)品的小型化和精密化程度的要求越來越高。世界各國都紛紛投入大量人力、物力進行研究。70年代初，美國斯坦福大學(xué)開始了便攜式機械的研究。80

8、年代以后，日本和西歐各國對此項研究也日益重視起來。目前，在航空航天、微電子、醫(yī)學(xué)、光學(xué)、模具等各個領(lǐng)域中，有許多零件采用常規(guī)機床加工困難甚至無法加工，特別是對狹小空間內(nèi)的加工、微細孔的加工及難加工材料的加工等，采用便攜式電火花加工裝置加工則會取得令人滿意的效果。便攜式電火花加工裝置己成為整個微型機械制造領(lǐng)域一個非常重要的研究方向，具有重大的理論意義和實際應(yīng)用前景。其國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀如下： 1） 國外的發(fā)展?fàn)顩r在小型電火花加工機構(gòu)的研究上，國外的主要代表為原日本東京大學(xué)的博士生、現(xiàn)豐田工業(yè)大學(xué)的古谷克司和豐田工業(yè)大學(xué)的毛利尚武等人。他們已研制出蠕動式、沖擊式和橢圓驅(qū)動式三種小型電火花加工機構(gòu)，并在

9、沖擊式機構(gòu)基礎(chǔ)上研制出改進的裝置和自走式小型電火花加工裝置，在蠕動式的基礎(chǔ)上研制出點陣式電火花加工裝置。與普通的電火花加工方法相比，微細電火花加工所使用的微小工具電極的制造比較困難，是加工中的關(guān)鍵問題之一。日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的增澤隆久教授開發(fā)了電火花線電極磨削法（WEDG法），為這一關(guān)鍵問題的解決提供了一條行之有效的途徑。不但提高了加工中的進給分辨率，也使進給系統(tǒng)的頻率響應(yīng)大大提高，滿足了微細電火花加工的要求。2） 國內(nèi)的發(fā)展?fàn)顩r在我國，電火花加工技術(shù)是隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進步而逐步發(fā)展起來的。電火花成型加工機床經(jīng)歷了雙機差動式主軸頭、電液壓主軸頭、力矩電動機主軸頭、直流伺服電動機主軸頭

10、、交流伺服電動機主軸頭，到直線電動機主軸頭的發(fā)展歷程；控制系統(tǒng)也由簡易單軸數(shù)控逐步發(fā)展到二軸、三軸聯(lián)動乃至多軸的聯(lián)動控制。機械部分也以滑動導(dǎo)軌、滑動絲杠副逐步發(fā)展為滑動貼塑導(dǎo)軌、滾珠導(dǎo)軌、直線滾動導(dǎo)軌及滾珠絲杠副。最近，清華大學(xué)在北京市自然科學(xué)基金的資助下，對采用蠕動式微進給機構(gòu)的微細電火花加工裝置進行了研究。哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制出基于WEDM法的微細電火花加工裝置和蠕動式小型電火花加工裝置，首次提出并研制了基于超聲馬達的電極直接驅(qū)動式微型電火花加工裝置。南京航空航天大學(xué)較早地開展了小型電火花加工裝置的研究，并開發(fā)了電磁沖擊式小型電火花加工裝置。綜上所述，從EDM創(chuàng)立到現(xiàn)在，整整過去了六十年，在

11、微電子、自動控制和計算機等科學(xué)和技術(shù)進步的大力推動下，經(jīng)過世界各國學(xué)者的不斷努力，EDM的發(fā)展突飛猛進，應(yīng)用范圍在不斷擴大，技術(shù)裝備也日趨完善，使得EDM技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為現(xiàn)代生產(chǎn)中極其重要的加工手段，在工業(yè)界發(fā)揮著不可替代的作用。2 機床的工作原理與總體方案擬定2.1 電火花加工機的工作原理電火花加工是利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產(chǎn)生的電蝕作用來蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法，又稱放電加工或電蝕加工?！?1】其工作原理如下：1）進行電火花加工時，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或?qū)⒐ぷ饕撼淙敕烹婇g隙。2）通過間隙自動控制系統(tǒng)控制工具電極向工件進給，當(dāng)兩電極間的間隙達到一定

12、距離時，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。3）在放電的微細通道中瞬時集中大量的熱能，急劇改變其壓力，從而使工作表面局部微量的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺到工作液中迅速冷凝，形成固體的金屬微粒，然后被工作液帶走。這時在工件表面上便留下一個微小的凹坑痕跡，放電短暫停歇，兩電極間工作液恢復(fù)絕緣狀態(tài)。4）重復(fù)上述過程，進行進給動作，使下一個脈沖電壓在兩電極相對接近的另一點處產(chǎn)生火花放電，繼續(xù)加工。這樣，在保持工具電極與工件之間恒定放電間隙的條件下，一邊蝕除工件金屬，一邊使工具電極不斷地向工件進給，最后便加工出與工具電極形狀相對應(yīng)的形狀來。2.2 擬定總體設(shè)計方案 2.2.1

13、概述本論文將要對便攜式電火花加工機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行整體設(shè)計，現(xiàn)將其主要組成部分介紹如下：電火花成型機床一般由機床本體、電氣控制系統(tǒng)、工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)和夾具附件等部分組成。1. 機床本體包括床身 、立柱、主軸頭和工作臺等部分。1）床身和立柱是機床的骨架【3】，是一個基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，由它確保電極與工作臺或工件之間的相互位置。2）工作臺的作用主要是支承和裝夾工件，并可通過縱向和橫向絲杠來調(diào)節(jié)工件和工具電極的相對位置。工作臺上固定有工作液槽，用來容納工作液，使放電加工部位浸在工作液介質(zhì)中。3）主軸頭是電火花加工機床中非常關(guān)鍵的部件之一，主軸頭的驅(qū)動裝置有很多種。其中，應(yīng)用比較廣泛并且經(jīng)濟性好的當(dāng)屬以步進電機作

14、為執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動位置 。在加工時，主軸頭的上下移動靠電動機帶動軸向絲杠來實現(xiàn)。因此，絲杠的傳動精度將直接影響到工件的加工精度和表面質(zhì)量。2. 電源箱的作用是為零件加工不斷供給所需的電流，同時，通過各種控制方式來實現(xiàn)電火花加工時所需的各種運動。例如，通過控制電動機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)主軸的連續(xù)往復(fù)移動、點動等動作。3. 工作液循環(huán)過濾系統(tǒng)是實現(xiàn)電火花加工必不可少的組成部分。電火花加工大多數(shù)是在工作液中進行的。工作液的作用是冷卻電極和工件表面，使電蝕產(chǎn)物冷凝、擴散到放電間隙之外。綜上所述，本課題設(shè)計的便攜式電火花加工機主要包括兩部分內(nèi)容：機械部分設(shè)計和電氣控制部分設(shè)計。其中，機械部分主要有傳動系統(tǒng)的設(shè)計

15、選型、電動機的類型選用、減速機構(gòu)的選擇計算等；電氣控制部分主要有硬件部分設(shè)計和軟件部分設(shè)計。2.2.2 機械部分設(shè)計1. 傳動系統(tǒng)的確定機床的傳動主要由絲杠的往復(fù)移動來實現(xiàn)，對于絲杠來說，按其摩擦特性可分為三類:即滑動絲杠、滾動絲杠及靜壓絲杠。三種絲杠的特點如表2-1所示。表2-1 絲杠的種類和特點種類特點及應(yīng)用滑動絲杠結(jié)構(gòu)簡單，但傳動效率低，精度低，且因滑動摩擦力大而使用壽命短，在機床上應(yīng)用相對不多滾動絲杠分為滾珠絲杠和滾柱絲杠兩大類。滾珠絲杠與滾柱絲杠相比而言，摩擦力小，傳動效率高，精度也高，且成本較靜壓絲杠低，因而應(yīng)用最廣泛靜壓絲杠其螺紋牙形與標(biāo)準(zhǔn)梯形螺紋牙形相同，但牙形高于同規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)螺

16、紋1.52倍，目的在于獲得良好油封及提高承載能力，由于調(diào)整比較麻煩，而且需要一套液壓系統(tǒng)，工藝復(fù)雜，成本較高，常被用于精密機床和數(shù)控機床的進給機構(gòu)中從表2-1中可以看出：滾珠絲杠相對于其他絲杠而言，工作時摩擦力小，傳動效率高，精度也較高，同時其經(jīng)濟性好，因而應(yīng)用最為廣泛。此外，滾珠絲杠還具備如下特點：1） 滾珠絲杠與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為1/3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3，在省電方面很有幫助。 2） 高精度的保證 滾珠絲杠副是用日本制造

17、的世界最高水平的機械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面，對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 3） 微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。 4） 無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加預(yù)壓力，由于預(yù)壓力可使軸向間隙達到負值，進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲杠螺母部的剛性增強)。 5） 高速進給可能 由于滾珠絲杠運動效率高、發(fā)熱小、所以可實現(xiàn)高速進給(運動)。綜上所述，本文選用由滾珠絲杠副組成的傳動

18、系統(tǒng)。2電動機類型的確定電動機主要用于機械設(shè)備位置和速度的動態(tài)控制，其作用是把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械運動。在數(shù)控機床、工業(yè)機器人、坐標(biāo)測量機以及自動導(dǎo)引小車等自動化制造、裝配及測量設(shè)備中，已經(jīng)獲得非常廣泛的應(yīng)用。電動機的種類很多。在機床上較為常用的有直流電動機、交流電動機和步進電動機。各種伺服電動機的特點如表2-2所示：表2-2類型特點直流電動機負載能力大；但轉(zhuǎn)子上安裝了具有機械運動性質(zhì)的電刷和換向器，需要定期維修和更換電刷，使用壽命短，噪聲大，電動機功率不能太大交流電動機同步電動機負載轉(zhuǎn)矩在允許限度內(nèi)變化時，其轉(zhuǎn)速保持恒定，功率因數(shù)可調(diào)節(jié)；但價格較貴異步電動機結(jié)構(gòu)簡單，容易制造，價格低廉，運行可靠

19、，堅固耐用，運行效率高，具有實用的工作特性，因此應(yīng)用廣泛步進電動機雖然結(jié)構(gòu)簡單，但控制精度低，抗干擾能力差，能量效率低，存在失步現(xiàn)象由上表可以看出，相對于步進電動機和直流電動機而言，交流異步電動機具有效率高、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單、使用維護方便、經(jīng)濟性好等優(yōu)點。此外，以交流異步電動機為執(zhí)行機構(gòu)的伺服系統(tǒng)控制精度非常高。綜上所述，本文采用以交流異步電動機作為便攜式電火花加工機的驅(qū)動裝置。3減速機構(gòu)的確定常用的減速機構(gòu)有三種，分別是帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動。三者的特點和使用范圍如表2-3所示：表2-3名稱主要特點適用范圍帶傳動帶具有良好的撓性，可緩和沖擊，吸收振動；但傳動的外廓尺寸較大；需要張緊裝置；

20、由于帶的滑動，不能保證固定不變的傳動比；帶的壽命較短；傳動效率較低中心距較大的傳動鏈傳動傳動效率比帶傳動高；但瞬時鏈速和瞬時傳動比不是常數(shù)，因此傳動平穩(wěn)性差；工作中有一定的沖擊和噪聲溫度較高、有油污的惡劣環(huán)境齒輪傳動傳動的速度和功率范圍很大；傳動效率高，一對齒輪可達0.98-0.995；對中心距的敏感性小，互換性好；精度愈高，潤滑愈好，效率愈高；易于進行精密加工機床、汽車等行業(yè)的機械設(shè)備中 本文選用齒輪傳動作為便攜式電火花加工機的減速機構(gòu)。齒輪傳動是機電一體化系統(tǒng)中使用最多的機械傳動裝置之一，主要原因是：1) 齒輪傳動的瞬時傳動比為常數(shù)，傳動精確；2) 結(jié)構(gòu)緊湊，強度大，能承受重載；3) 摩擦

21、力小，效率高；4) 壽命長；5) 可實現(xiàn)平行軸、任意角相交軸和任意角交錯軸之間的傳動3 滾珠絲杠傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算3.1 概述滾珠絲杠副是絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件。它可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。因此，滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換元件。滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖所示在絲杠和螺母上都有半圓弧型的螺旋槽；當(dāng)它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，滾道內(nèi)裝滿滾珠。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動，因而迫使螺母或絲杠軸向移動。滾珠絲杠副的特點是

22、：1）摩擦損失小，傳動效率高達0.92-0.96；2）絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動精度高，剛度好；3）摩擦阻力小，且?guī)缀跖c運動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，保證了運動的平穩(wěn)性；4）磨損小，壽命長，精度保持性好；5）不能自鎖，能實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動與直線運動的可逆轉(zhuǎn)換，但在立式使用時應(yīng)增加制動裝置；國產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副分為兩類：定位滾珠絲杠副（P類），即通過旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠副；傳動滾珠絲杠副（T類），即與旋轉(zhuǎn)角度無關(guān)，用于傳遞動力的滾珠絲杠副。此外，滾珠絲杠副通常還可根據(jù)其特征進行分類，如按制造方法的不同可分為普通滾珠絲杠副和滾軋滾珠絲杠副；按螺

23、母形式可分為單側(cè)法蘭盤雙螺母型、單側(cè)法蘭盤單螺母型、雙法蘭盤雙螺母型、圓柱雙螺母型、圓柱單螺母型、簡易螺母型及方螺母型；按螺旋滾道型面可分為單圓弧型面和雙圓弧型面；按滾珠的循環(huán)方式可分為外循環(huán)式和內(nèi)循環(huán)式。3.2 滾珠絲杠副的選擇計算電極最大重量W1=250N，電極及夾具最大重量W2=800N，主軸頭升降距離LK=160mm;動摩擦因數(shù)=0.1，靜摩擦因數(shù)0=1.2，快速進給速度vmax=10m/min,定位精度20m/300mm,全行程定位精度25m，.重復(fù)定位精度10m,壽命10000h,【8】可靠度97%，其他狀況如下：表3-1切削方式軸向切削力Pxi/N進給速度vi/m.min-1工作

24、時間百分比ti/r.min-1絲杠速度ni/r.min-1強力切削10000.61060一般切削5000.83080精切削260150100快速切削0101010001 確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程PhPh=vmax/nmax=10103/1000=10mm查機械設(shè)計手冊，取Ph=10mm2 確定當(dāng)量載荷Fm與當(dāng)量轉(zhuǎn)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各種切削方式下，絲杠的軸向載荷Fi=Pzi+W2，

25、則有F1=1000+0.1800=1080N, F2=500+0.1800=580NF3=260+0.1800=340N, F4=0+0.1800=80N由此可得當(dāng)量載荷，F(xiàn)m= (F13n1t1+F23n2t2+F33n3t3+F43n4t4)/(n1t1+n2t2+n3t3+n4t4)1/3=(108036010+58038030+340310050+803100010)/(6010+8030+10050+100010)1/3=430N則當(dāng)量轉(zhuǎn)速為，nm= (n1t1+n2t2+n3t3+n4t4)/(t1+t2+t3+t4)= (6010+8030+10050+100010)/(10+3

26、0+50+10)= 180r/min3 確定預(yù)期額定動載荷Cam輕微沖擊查表取fw=1.3，13級精度查表取fa=1.0可靠度97%查表取fc=0.44，則Cam=fwFm(60nmLh)1/3/(100fafc)=1.3430(6018010000)1/3/(1001.00.44)=6050N=6.05KN擬用中預(yù)緊絲杠，取fe=4.5， 用最大載荷Fmax計算，則Cam=feFmax=4.51080=4860N=4.86KN取Cam與Cam較大值，則Cam=6.05KN4. 確定允許的最小螺紋底徑d2m估計絲杠允許的最大軸向變形m：m=(1/31/4)重復(fù)定位精度10=3.22.5m(1/

27、41/5)定位精度=(1/41/5)25=6.255m取兩結(jié)果最小值m=2.5m?？蛰d運轉(zhuǎn)時靜摩擦力Fo=W=W2=0.2800=160NL = 行程LK+安全行程(24)Ph+兩個余程+螺母長+兩個個支承長= 160+（2040）+2040+72+28=360mm380mm可取L=365mm。絲杠要求預(yù)拉伸，取兩端固定的支承形式，a=0.078代入得d2m=a(FoL/m)1/2=0.078(160365/2.5)1/2=15.35mm5. 確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號表3-2結(jié)構(gòu)特征代號導(dǎo)珠管埋入式M導(dǎo)珠管凸出式T表3-3預(yù)緊方式代號雙螺母墊片預(yù)緊D雙螺母齒差預(yù)緊C雙螺母螺帽預(yù)緊L表3-4 鋼

28、球的循環(huán)方式代號循環(huán)方式代號內(nèi)循環(huán)浮動式F固定式G外循環(huán)插管式C選內(nèi)循環(huán)浮動法蘭式直筒雙螺母墊片式預(yù)緊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,查出螺母長為72mm,同時選定JB/T3162推薦的固定軸端形式，采用72204型角接觸球軸承，兩個支撐長為28mm。6 Dn值校驗Dpwnmax=(d2+Dw)nmax=(15.7+3) 1000=187007000,合格。7 確定滾珠絲杠副預(yù)緊力FpFp=1/3Fmax=1/31080=360N, 取Fp=400

29、N8 計算行程補償值Ct=2.5 o,lu=LK+(814)Ph=160+(80140)=240mm300mm取300mm，則C=11.8tlu10-3=11.82.530010-3=8.85m9 計算預(yù)拉伸力FtFt=1.95td22=1.952.515.72=1202N10滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的計算查表取f=3.4,Lc=L-(L-LK)/2=365-(365-160)/2=262.5mm,則nc=107fd2/Lc22=1073.415.7/262.52=2276r/minnmax=1000r/min,合格。11選擇軸承型號表3-5 常用滾動軸承類型代號名稱類型代號圓錐滾子軸承3推力球軸承

30、5深溝球軸承6角接觸球軸承7表3-6 尺寸系列代號代號89012寬度系列特窄-窄正常寬直徑系列超輕特輕輕表3-7 內(nèi)徑尺寸系列代號代號000102030499內(nèi)徑尺寸/mm10121517數(shù)字5a) 求載荷變動一個周期內(nèi)的總轉(zhuǎn)數(shù)【7】N =n110%+n230%+n350%+n410%=6010%+8030%+10050%+100010%=180rb) 求平均當(dāng)量動載荷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選用72204型軸承，其Ca=22200N3499N，極限轉(zhuǎn)速n=3800r1000r/min,滿足要求。c) 計算需要的最小軸向載荷FaminA（n/1000）2, 查表得A=0.044Famin0.044(1000/1000)2=0.044KN=44N軸承在工作中承受的最小載荷F4(80N)大于Fmin(44N),軸承不需要預(yù)緊。12滾珠絲杠副壓桿穩(wěn)定性驗算因最大軸向載荷Fzmax=1000N小于絲杠之預(yù)拉伸力Ft=1202N，絲杠不會受壓失穩(wěn)，不用驗算。驗算抗拉強度，p=4Ft/3.14d22=12024/3.1415.72=6

32、.2MPa, 遠低于鋼材許用拉力。13系統(tǒng)剛度驗算及精度選擇a) 滾珠絲杠的抗壓剛度是隨螺母在絲杠上的位置變化而變化的，最大值在端部（螺母至固定軸承距離最大時，即a=(L-LK）/2=(365-160)/2=102.5mm處)，而螺母處于支撐點端部時剛度最小。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) 支承軸承的剛度：由軸承樣本dQ=7.144mm,Z=17等資料得RBo=517N/m，對兩端固定的軸承Rb=RBo=

33、517N/mc) 滾珠絲杠副滾珠和滾道的接觸剛度：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) 傳動系統(tǒng)的最小剛度（空載運轉(zhuǎn)時）重復(fù)定位精度即反向誤差，為10m，則Rmin=1.6Fo/反向差值=1.6160/10=25.6N/mRmin=15325.6,滿足重復(fù)定位要求。f) 傳

34、動系統(tǒng)的定位誤差K=Fo(1/Rmin-1/Rmax)=160(1/153-1/164)=0.22m任意300mm內(nèi)行程變動量對開環(huán)系統(tǒng)而言，V300p0.8定位精度-K=0.820-0.22=15.78m選絲杠副為3級精度，V300p=12m 15.78m,可用。g) 最終確定滾珠絲杠副的型號FFZD型，do=16mm,Ph=10mm,P類3級精度，標(biāo)記為FFZD1610-3-P3。 4 異步電機及減速機構(gòu)的確定4.1 概述與直流電機一樣，異步電機也滿足電機的可逆原理。即在某一條件下異步電機作為發(fā)電機運行，而在另一種條件下作為電動機運行。但是，由于異步發(fā)電機的運行性能較差，因而異步電機主要用

35、作電動機去驅(qū)動各種生產(chǎn)機械。例如，在工業(yè)方面，用于拖動中小型軋鋼設(shè)備、各種金屬切削機床、輕工業(yè)機械、礦山機械等；在農(nóng)業(yè)方面，用于拖動水泵、脫粒機、粉碎機及其他農(nóng)副產(chǎn)品的加工機械等；在民用電器方面的電扇、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機等也都是用電動機拖動的。異步電動機的種類很多，從不同的角度考慮，有不同的分類方法。按定子相數(shù)分，有單相異步電動機、三相異步電動機；按轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)分，有繞線轉(zhuǎn)子異步電動機、籠型異步電動機，其中有包括單籠型異步電動機、雙籠型異步電動機、深槽式異步電動機；按有無換向器分，有無換向器異步電動機、有換向器異步電動機。此外，根據(jù)電動機定子繞組上所加電壓大小，電機又可分為高壓異步電動機、低壓

36、異步電動機。異步電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子的作用是用來產(chǎn)生磁場和作電機本身的機械支撐，它包括鐵芯、繞組和機座等。定子鐵芯是由硅鋼片疊壓而成，片與片之間是絕緣的，以減少渦流損耗。轉(zhuǎn)子用來感應(yīng)電勢和通過電流，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，它包括鐵芯和繞組。異步電動機轉(zhuǎn)子繞組多采用鼠籠式，它是在轉(zhuǎn)子鐵芯里插入銅條，再將全部銅條兩端焊在兩個銅端上而組成。4.2 異步電動機的選型計算已知條件如下：表4-1參數(shù)數(shù)據(jù)工作阻力F1000N速度v10m/min工作機效率W0.94絲杠直徑d16mm4.2.1 初選異步電動機電動機已經(jīng)系列化，設(shè)計中只需要根據(jù)工作載荷、工作機的特性和工作環(huán)境等條件，選擇電動機的

37、類型和結(jié)構(gòu)形式、容量、轉(zhuǎn)速，【9】并確定電動機的具體型號。異步電動機常分為籠型異步電動機和繞線型異步電動機其特點和應(yīng)用場合如表4-2所示，表4-2類型特點應(yīng)用場合籠型電動機簡單、耐用、可靠，易維護，價格低，特性硬，在可變頻電源供電下可平滑調(diào)速，應(yīng)用最廣對驅(qū)動無特殊要求的各種機械設(shè)備繞線型電動機因有滑環(huán)，比籠型電動機維護麻煩，價格也稍高，轉(zhuǎn)子串電阻的特性屬軟特性，隨負載轉(zhuǎn)矩的增大，電動機轉(zhuǎn)速顯著下降各種需簡單調(diào)速的生產(chǎn)機械或電網(wǎng)容量小、啟動次數(shù)多的機械4.2.2 確定電動機的容量1) 計算工作機所需功率PW=Fv/1000W=100010/1000600.94=0.18(KW)2) 計算電動機所

38、需功率 Po=PW/ 由電動機至工作機的傳動裝置總效率 =閉滾2 閉閉式齒輪傳動效率，滾滾動軸承傳動效率 查機械設(shè)計手冊，取閉=0.97，滾=0.99，則總效率 =0.970.992=0.95 故電動機的工作功率為 Po=0.18/0.95=0.19（KW）3) 計算電動額定功率Pm=(11.3)Po=(11.3)0.19=0.190.25(KW)查機械設(shè)計手冊可得，符合這一功率范圍的電動機的額定功率取Po=0.55(KW)較為合適。4.2.3 確定電動機轉(zhuǎn)速 絲杠工作轉(zhuǎn)速nw=60100010/1660=668（r/min） 在傳動裝置中，總傳動比為電機轉(zhuǎn)速nm與工作機轉(zhuǎn)速nw之比，即i=n

39、m/nwi-閉式齒輪傳動比，取i=2.08。表4-3 標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)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傳動比較小,為了保持結(jié)構(gòu)緊湊,采用一級齒輪傳動,取各齒輪參數(shù)如下表所示表4-4齒數(shù)z齒寬b模數(shù)m主動輪20402mm從動輪4235故電動機的轉(zhuǎn)速為， nm =inw=2.08668=1390（r/min） 符合這一轉(zhuǎn)速的同步轉(zhuǎn)速有1000 r/min和1500 r/min兩種。 綜合考慮電動機和傳動裝置尺寸、結(jié)構(gòu)和傳動比，認為同步轉(zhuǎn)速1500 r/min比較合適，故選用Y801-4型

40、電動機。其主要性能和參數(shù)見下表，表4-5電動機型號額定功率/ KW同步轉(zhuǎn)速/（r/min）Y801-40.551500滿載轉(zhuǎn)速/（r/min）額定轉(zhuǎn)矩/（Nm）額定電流/A13902.31.54.2.4 軸的選擇與校核軸承受的最大轉(zhuǎn)矩為Tmax=3.7Nm,WT為抗扭截面系數(shù)，軸的材料為45鋼，長度為l=138mm,軸在全長上的扭轉(zhuǎn)角不超過1，鋼的切變模量為G=8104MPa。表4-6材料Q235，20354540Cr,34SiMnt/MPa12-2020-3030-4040-52a) 查表取軸的許用扭切應(yīng)力為t=35MPa，按強度要求【14】，應(yīng)使t=T/WT=T/0.2d3t,故軸的直徑d

41、(T/0.2t)1/3=(3.7103/0.235)1/3=8.1mmb） 按扭轉(zhuǎn)剛度要求，應(yīng)使 =32Tl/Gd4由條件得，l=138mm,軸的全長上，= 1=/180rad,故d（32Tl/G）1/4=（323.7103138180/8104）1/4=7.9mm故該軸的直徑取決于強度要求。圓整后可取d=10mm。5 機床的PLC控制設(shè)計5.1 概述20世紀(jì)70年代以前，電氣自動控制的任務(wù)基本上都由繼電器控制系統(tǒng)完成。該系統(tǒng)主要由繼電器、接觸器和按鈕等組成，它取代了原來的手動控制方式。由于這種控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、抗干擾能力強等優(yōu)點，所以當(dāng)時使用得十分廣泛，至今仍在許多簡單的機械設(shè)

42、備中應(yīng)用。但這種控制系統(tǒng)的缺點也非常明顯，它采用固定的硬接線方式來完成各種控制邏輯，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種控制功能，所以靈活性差；另外，由于機械式的觸點工作頻率低，易損壞，因此可靠性低。隨著大規(guī)模集成電路和微處理器的發(fā)展和應(yīng)用，【6】在1969年出現(xiàn)了世界上第一臺以軟件手段來實現(xiàn)各種控制功能的革命性控制裝置-可編程序邏輯控制器PLC。它把計算機的功能完備、通用性和靈活性好等優(yōu)點和繼電器控制系統(tǒng)的操作方便、簡單易懂、價格低廉等優(yōu)點結(jié)合起來，因此它是一種適應(yīng)于工業(yè)環(huán)境的通用控制裝置。西門子公司的SIMATIC S7-200系列屬于小型可編程序控制器，可在簡單控制場合代替繼電器，也可用于復(fù)雜的自動化控制系統(tǒng)

43、。它具有極強的通信控制功能，在大型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中也能充分發(fā)揮其作用。S7-200的可靠性高，可用梯形圖、指令表、功能塊圖三種語言來編程。它的指令豐富，指令功能強，易于掌握，操作方便；內(nèi)置有高速計數(shù)器、高速輸出、PID控制器、RS-485通信/編程接口、PPI通信協(xié)議、MPI通信協(xié)議和自由方式通信功能，I/O端子排可以很容易的拆卸；最大可擴展到248點I/O數(shù)字量或35路模擬量，最多有26KB程序和數(shù)字存儲空間，已經(jīng)在諸多領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。5.2 便攜式電火花加工機的工作特點及電氣控制要求5.2.1 電火花加工機的特點電火花加工主要用于加工各種截面形狀的孔、槽、模具等。電火花加工機在加

44、工時，工件固定在工作臺上，由主軸頭上的工具電極進行加工。主運動為主軸的上下往復(fù)運動，進給運動為工作臺的左、右、前、后運動。5.2.2 電氣控制要求根據(jù)電火花加工原理，對其電氣控制要求如下【12】：1) 一共需要四臺三相異步電動機；2) 冷卻泵電動機拖動冷卻泵，在加工時提供冷卻液，采用直接啟動及停止方式，并為連續(xù)工作方式；3) 主軸電動機可實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)以及正、反轉(zhuǎn)時的點動控制，同時還要求能夠?qū)崿F(xiàn)電動機的定子串電阻降壓啟動和反接制動；4) 進給電動機能夠?qū)崿F(xiàn)正、反轉(zhuǎn)的控制；5) 電動機應(yīng)該設(shè)有短路和過載保護裝置，并設(shè)有工作時的輔助照明燈，防止啟動和運行時發(fā)生意外。5.3 便攜式電火花加工機的電路分

45、析5.3.1 主電路分析主電路中有四臺電動機【4】，隔離開關(guān)QA0將380V的三相電源引入。電動機MA0由接觸器QA1的主觸點控制其主電路的接通與斷開。電動機MA1的電路接線分為三部分：第一部分由正轉(zhuǎn)接觸器QA1和反轉(zhuǎn)接觸器QA3的兩組主觸點構(gòu)成電動機的正反轉(zhuǎn)接線；第二部分為定子串電阻降壓啟動電路，解除其QA5的主觸點控制限流電阻RA3的接入和切除。在進行點動調(diào)整時，為防止連續(xù)的啟動電流造成電動機過載，串入三個限流電阻RA3，保證電路設(shè)備正常工作。第三部分為反接制動部分，RA1和RA2分別為正反轉(zhuǎn)時的反接制動電阻，速度繼電器BS的速度檢測部分與電動機的主軸同軸相連，在停車制動過程中，當(dāng)主軸電動

46、機轉(zhuǎn)速低于BS的動作值時，其常開觸電可控制電路中反接制動的相應(yīng)電路切斷，完成制動停車。 電動機MA2由接觸器QA6和QA7的主觸點控制其正反轉(zhuǎn)；電動機MA3由接觸器QA8和QA9的主觸點控制其正反轉(zhuǎn)。為了保證主電路的正常運行，主電路中還設(shè)置了熔斷器的短路保護環(huán)節(jié)和熱繼電器的過載保護環(huán)節(jié)。5.3.2 控制電路分析1) 主電動機正轉(zhuǎn)定子串電阻降壓啟動和點動控制【5】按下SF4，接觸器QA1線圈得電，其主觸點閉合，MA1串電阻啟動；輔助觸點閉合，QA5線圈得電，其主觸點閉合，短接電阻RA3，其輔助觸點閉合，KF3線圈得電；同時，時間繼電器KF1線圈得電，延時一段時間后，其延時閉合的動合觸點KF1閉合

47、，接觸器QA2線圈得電，其輔助觸點閉合實現(xiàn)自鎖；其主觸點閉合，短接電阻RA1，電動機正常運行。SF5為主電動機正轉(zhuǎn)點動按鈕。按下SF5點動按鈕，直接接通QA2的線圈電路，電動機MA1正向直接啟動，這時QA5線圈電路并沒有接通，因此其主觸點不閉合，限流電阻RA3接入主電路限流。松開按鈕SF5，電動機MA1停轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了主電動機串聯(lián)電阻限流的點動控制。2) 主電動機反接制動電路【10】MA1正轉(zhuǎn)，接觸器QA2、QA5、中間繼電器KF3均處于得電狀態(tài)；BS的正轉(zhuǎn)動合觸點BS1閉合，為MA1正轉(zhuǎn)時的反接制動作準(zhǔn)備。需要停轉(zhuǎn)時，按下SF8，切斷控制電源，QA2線圈失電，切斷MA1主電源；QA5線圈失電，其

48、主觸點斷開，電阻RA3串入主電路，其輔助觸點斷開，KF3線圈失電，其動斷觸點閉合，使反轉(zhuǎn)接觸器線圈QA4通過1-2-3-4線路得電，其主觸點閉合，MA1的電源反接，MA1處于反接制動狀態(tài)。 當(dāng)MA1的轉(zhuǎn)速下降到的BS的復(fù)位轉(zhuǎn)速時，BS的正轉(zhuǎn)動合觸點BS1斷開，切斷接觸器QA4線圈的通電回路，MA1脫離電源停止。類似的，MA1反轉(zhuǎn)時，接觸器QA4、QA5、中間繼電器KF3均處于得電狀態(tài)；BS的反轉(zhuǎn)動合觸點BS2閉合。需要停轉(zhuǎn)時，按下SF8，使反轉(zhuǎn)接觸器線圈QA2通過1-2-5-6線路得電，電源反接，使MA1脫離電源停止。3) 輔助電路開關(guān)SF0可控制照明燈EA，且EA為24V的安全照明電壓。5.

49、4 PLC控制電路設(shè)計分析主電路及控制功能后【13】，整個控制系統(tǒng)輸入點共21個，輸出點共7個，采用S7-200CPU226CN型PLC進行控制，在不添加擴展模塊的情況下能夠滿足控制要求，其I/O地址分配如下：表5-1輸入信號輸出信號名稱代號地址名稱代號地址冷卻泵電機停SF1I0.0冷卻泵電機接觸器QA0Q0.0冷卻泵電機轉(zhuǎn)SF2I0.1主軸上升接觸器QA2Q0.1主軸電機停SF8I0.2主軸下降接觸器QA4Q0.2主軸電機正轉(zhuǎn)SF4I0.3工作臺左行接觸器QA6Q0.3主軸電機正轉(zhuǎn)點動SF5I0.4工作臺右行接觸器QA7Q0.4主軸電機反轉(zhuǎn)SF6I0.5工作臺前行接觸器QA8Q0.5主軸電機

50、反轉(zhuǎn)點動SF7I0.6工作臺后行接觸器QA9Q0.6工作臺停SF9I0.7工作臺左行SF10I1.0工作臺右行SF11I1.1工作臺停SF12I1.2工作臺前行SF13I1.3工作臺后行SF14I1.4主軸行程上限BG1I1.5主軸行程下限BG2I1.6工作臺行程左限BG3I1.7工作臺行程右限BG4I2.0工作臺行程前限BG5I2.1工作臺行程后限BG6I2.2主軸電機過載保護BB1I2.3橫向進給電機過載保護BB2I2.4縱向進給電機過載保護BB3I2.530 結(jié) 論1. 論文小結(jié)本次對便攜式電火花加工機的設(shè)計，首先是通過對電火花加工技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r的調(diào)研來引出此項設(shè)計的目的和意義；繼而，通過大量查閱相關(guān)資料、書籍，在了解電火花加工機的工作原理和結(jié)構(gòu)組成的基礎(chǔ)上，參考機械設(shè)計手冊和相關(guān)的國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，對便攜式電火花加工機分別進行了機械部分設(shè)計（包括滾珠絲杠副的選型，異步電動機的選擇計算，減速機構(gòu)的選用等）和機床電氣控制部分的設(shè)計（包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計）。2. 設(shè)計方面的不足1）由于設(shè)計者水平有限，初次使用機械設(shè)計手冊，對于資料參悟不透，使用過程中出現(xiàn)種種問題，對后面的設(shè)計有很大的影響。2）在實