基于异型薄壁零件的三轴联动数控电火花成型加工机设计研究

中央电大毕业论文 管电极电解加工监控系统的设计及试验研究 摘 要 电火花成形加工技术在制造业领域占有重要地位，是实现难加工材料、复杂零件精密加工的有效手段。近年来，随着模具工业和计算机技术的发展，促进了多轴联动电火花加工技术的进步。采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式，以适应不同种类工件的加工要求，扩大了数控电火花加工的加工范围，提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。数控电火花加工机床可利用多轴联动加工，很方便地实现传统电火花机床难以加工的复杂型腔模具或微小零件的加工。 本课 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 根据企业的实际生产需求，将多轴联动控制技术应用于生产实际，通过对数控电火花机床机械系统功能进行分析，完成了电火花成型机床总体结构和进给系统的设计；同时，基于多轴联动控制的要求，在机床主要的加工成形运动基础上引入多种直线运动协调组合的复合运动方式，以满足工件加工要求，并在此基础上完成了控制系统的硬件设计和软件控制。 电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破，一个重要的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。本课题的研究，是对电火花成型加工发展方向的一次有益尝试，通过改进电火花加工机床的伺服系统、控制系统、机床结构等，在保证加工精度的前提下提高了加工效率；通过开放式的控制系统，提高了电火花成型加工过程的自动化。 经过生产实践表明，该机床具有稳定性好、生产效率高、可维护性好和成本低等优点。 关键词：电火花加工 三轴联动 结构分析 伺服系统 控制设计 Abstract EDM technology in the manufacturing sector occupies an important position, is to achieve difficult to process materials, precision machining of complex parts of the effective means. In recent years, with the mold industry and computer technology, has contributed to multi-axis EDM technology. Use of multi-axis rotary system with a variety of linear motor coordination combined into a variety of complex movement pattern to suit the different types of work pieces, and expand its range of CNC machining EDM to improve its precision processing of the comparative advantages and technical efficiency. CNC EDM machine can make use of multi-axis simultaneous machining, it is easy to achieve the traditional EDM hard to process the complex cavity molds or tiny parts processing. This topic needs of the enterprise's actual production would be multi-axis control technology applied to production practice, through the mechanical system features CNC EDM analysis of the EDM machine to complete the overall structure and feed system design; the same time, based on multi-axis control requirements, in the machine processing of forming the main campaign to introduce a variety of linear motion on the basis of the coordination of complex movement pattern combinations to meet the work piece machining requirements, and on this basis, the completion of the control system hardware design and software control. EDM should be in the processing accuracy, processing efficiency, processing and other aspects of the scope of a major breakthrough, an important direction of development is the right tool forming movement pattern of innovation and diversification. The study of this topic is a direction of development of EDM machining a useful attempt, by improving EDM servo systems, control systems, machine tool structure, guarantee the processing precision under the premise of improving the processing efficiency; through open the control system to improve the EDM process automation. After production practice shows that the machine has a good stability, high production efficiency, maintainability, good and low cost. Keywords: EDM Three-axis linkage Structural Analysis Servo Control Design 目 录 中文摘要 英文摘要 第一章 绪 论………………………………………………………………………………………1 1.1课题的研究背景………………………………………………………………………………1 1.2电火花加工概述…………………………………………………………………………………1 1.2.1电火花加工基本原理……………………………………………………………………1 1.2.2电火花加工分类、特点和适用范围………………………………………………………2 1.3电火花加工技术发展现状…………………………………………………………………3 1.4本课题的研究意义及主要任务…………………………………………………………………5 1.5本章小结…………………………………………………………………………………………5 第二章 三轴联动电火花成型机床总体结构设计……………………………………6 2.1电火花成型加工机床的构成及结构形式………………………………………………………6 2.1.1电火花成型机的类型…………………………………………………………………6 2.1.2电火花成型机的结构形式、特点、使用场合电火花成型机的类型…………………7 2.2三轴联动电火花数控成型机总体结构设计…………………………………………………9 2.2.1机床机械系统的功能分析………………………………………………………………9 2.2.2机床总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 的拟定……………………………………………………………………10 2.2.3机床主要技术参数及精度指标…………………………………………………………10 2.3本章小结………………………………………………………………………………………11 第三章 三轴联动数控电火花机床进给系统的设计与计算…………………12 3.1进给系统设计方案的确定……………………………………………………………………12 3.2主轴（Z轴）传动系统精密部件的设计计算…………………………………………………12 3.2.1滚珠丝杠的设计计算……………………………………………………………………12 3.2.2齿轮及转矩的有关计算…………………………………………………………………16 3.3 X轴进给传动系统精密部件的设计……………………………………………………………20 3.3.1 X轴滚珠丝杠的工作情况分析…………………………………………………………20 3.3.2 X轴滚珠丝杠的设计计算………………………………………………………………20 3.3.3传动系统的刚度计算……………………………………………………………………25 3.3.4传动系统的刚度验算……………………………………………………………………30 3.3.5 X轴进给机构转动惯量的计算及电机的选择………………………………………31 3.4主轴组件的结构设计…………………………………………………………………………34 3.4.1滚珠丝杠的支撑型式……………………………………………………………………34 3.4.2轴承的配置形式…………………………………………………………………………35 3.4.3主轴组件的调整和预紧…………………………………………………………………35 3.5本章小结………………………………………………………………………………………36 第四章 机床控制系统设计……………………………………………………………………37 4.1总体方案设计…………………………………………………………………………………37 4.2下位机系统的设计……………………………………………………………………………38 4.2.1 MCS—51系列单片机的简介…………………………………………………………38 4.2.2 下位机的时钟电路设计………………………………………………………………39 4.2.1 下位机的复位电路设计………………………………………………………………40 4.3 系统扩展………………………………………………………………………………………41 4.3.1下位机程序存储器的扩展………………………………………………………………41 4.3.2下位机数据存储器的扩展………………………………………………………………43 4.4 下位机I/O接口的扩展………………………………………………………………………44 4.4.1 8255A可编程外围并行I/O接口……………………………………………………44 4.4.2 8155可编程外围并行I/O接口………………………………………………………45 4.5步进电机控制电路设计………………………………………………………………………47 4.5.1 步进电机开环驱动原理………………………………………………………………49 4.5.2 脉冲分配………………………………………………………………………………50 4.5.3 驱动电路………………………………………………………………………………50 4.6光电隔离电路设计…………………………………………………………………………51 4.7本章小结………………………………………………………………………………………52 第五章 本设计的主要创新点…………………………………………………………………55 第六章 影响电火花加工精度的主要因素………………………………………………57 第七章 总 结………………………………………………………………………………59 参考文献………………………………………………………………………………………………60 致 谢………………………………………………………………………………………………62 附录：全套图纸 第一章 绪 论 1.1课题的研究背景 随着电子技术、计算机技术、精密模具制造技术、材料科学等尖端科学技术的飞速发展，对零件的精度、性能、寿命的要求越来越高。因此在设计上采用了许多新技术、新材料、新结构，导致零件的结构、形状复杂，如薄壁深孔零件，这类零件出于精度、寿命等因素考虑，常采用高温合金、硬质合金、耐热钢淬火钢等材料，且加工精度、表面粗糙度要求高，传统的机械加工方法实现困难、成本高。作为基础工业的机械制造业，其发展的核心问题之一就是如何进一步提高机械加工的精度和质量，同时降低经济成本。 1.2 电火花加工概述 1.2.1 电火花加工基本原理 电火花加工(Electrical Discharge Machining)是在一定介质中，利用两极(工具电极与工件电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象对材料进行加工，以达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求的加工方法。这种方法也被称为“放电加工”或“电蚀加工”。[1] 电火花加工的基本原理如图1.2所示。工具电极和工件分别接脉冲电源的两极，并浸入工作液中。工具电极在间隙自动调节系统的控制下向工件进给，当两电极间的间隙减小到一定值时，两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿，产生火花放电，并形成火花放电通道，此时，放电电压瞬间降至火花维持电压，一般约25V左右，而放电电流增加至所设定的值。由于受到放电时磁场力箍缩效应和周围液体介质压缩效应的作用，放电通道的扩张受到限制，使放电能量集中于很小的范围内，因而通道电流密度极高，通道内的温度及压力亦相当高。 图1.2 电火花加工基本原理示意图 放电通道一旦建立，电源就开始通过放电通道释放能量，将电能转换为热能、动能、磁能、光能、声能、及电磁波辐射能等，其中大部分转换为热能，用于加热两极放电点和间隙通道，使两极放电点局部熔化或气化，同时使通道中的介质气化或热裂分解。电极材料气化及介质气化的过程中，产生很大的热爆炸力，使被加热至熔化状态的材料挤出或溅出。部分熔融材料抛出后，剩余的部分在电极表面重新凝固，形成放电痕。脉冲放电结束后，须有一间隔时间，使间隙介质消电离，恢复间隙中液体介质的绝缘强度，以待下次脉冲击穿放电。[2] 放电总是发生在两电极之间介电强度最弱处，放电结束后，部分材料被去除，电极表面留下相应的蚀除凹坑，当下次脉冲到来之时，该处不再是介电强度最弱处，因而又会在满足介电强度最弱条件的另外一处发生放电。经过无数次放电叠加后，整个加工表面才会全部参与放电，电极的形状才会完整地“复印”在工件上，最终完成加工。 1.2.2 电火花加工分类、特点和适用范围 一、电火花加工的类别 按电极和工件相对运动方式和用途的不同，电火花加工大致可分为： 1、电火花穿孔成形加工 2、电火花线切割 3、电火花磨削和锉磨 4、电火花同步共扼回转加工 5、电火花高速小孔加工 6、电火花表面强化与刻字 前五类属电火花成形、尺寸加工，是用于改变零件形状或尺寸的加工方法;第六类则属于表面加工方法，用于改善或改变零件表面性质。 二、电火花加工的特点 电火花加工方法与传统机械加工方法相比特种加工的优点： 1、加工范围不受材料物理、机械性能的限制，能加工任何硬的、软的、脆的、耐热或高熔点金属以及非金属材料。 2、不产生切削力，易于加工复杂型面、微细表面以及柔性零件。 3、易获得良好的表面质量，热应力、残余应力、冷作硬化、热影响区等均比较小。 4、各种加工方法易复合形成新工艺方法，便于推广应用。 5、自动化程度高，操作方便，加工周期短，成本低; 电火花加工优点突出，也存在一些缺点： 1、只能用于加工金属等导电材料，不能加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。 2、加工速度一般比较慢，因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量，然后再进行电火花加工，以求提高生产率。 3、存在电极损耗，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，影响成形精度。 4、加工后的表面由无数小凹坑组成，粗中加工时较毛糙，且表面有一薄的变质层。 三、电火花加工的适用范围： 1、加工各种金属及其合金材料，导电超硬材料(如聚晶金刚石、立方氮化硼、金属陶瓷、硬质合金等)，特殊的热敏材料，半导体和非导体材料。 2、加工各种复杂形状的型孔和型腔工件，包括加工圆孔、方孔、多边孔、异形孔、曲线孔、螺纹孔、微孔、深孔等型孔工件，及各种型面的型腔加工。例如加工从数微米的孔、槽到数米的超大型模具和零件。 3、各种工件与材料的切割，包括材料的切断、特殊结构零件的切断，切割微细窄缝及微细窄缝组成的零件(如金属栅网、异形孔喷丝板、激光器件等) 4、加工各种成型刀、样板、工具、量具、螺纹等成型零件。 5、工件的磨削，包括小孔、深孔、内圆、外圆、平面等磨削和成型磨削。 6、刻写、打印铭牌和标记。 7、表面强化和改性，如金属表面高速淬火、渗碳、涂覆特殊材料及合金化等。 8、辅助用途，如去除折断在零件单的丝锥、钻头，修复磨损件，跑合齿轮啮合件等。 由于电火花加工具有能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状、加工时无切削力、不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷、工具电极材料无需比工件材料硬等特点，因此，在具有复杂形状的型孔和型腔的模具和零件的加工，各种硬、脆材料的加工，各种深细孔、异形孔、深槽、窄缝加工，各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具的制造中得到广泛应用。 1.3电火花加工技术发展现状 当前，电火花加工技术正向着高效化、精密化、智能化、微细化、复合化等方向发展，一些新技术、新思想不断被运用到电火花加工中去，同时，许多新的工艺手段也不断涌现，主要包括以下几个方面: (1) 微细电火花加工技术 微细加工是应产品微型化要求而出现的，是加工技术向加工尺寸微小化方向的发展，一般是指被加工零件直径或宽度小于200µm以下的加工手段。微细电火花加工技术是电火花加工技术在微细加工领域的一个重要分支，从文献检索的情况来看，国内外关于微细电火花加工方面的论文非常多，足以说明此研究方向受关注的程度。 (2) 超声电火花复合加工技术 在特种加工领域中，综合利用不同加工方法的技术特长，将多种能量形式进行巧妙结合的复合加工方式往往可大幅提高加工效率或改善加工质量，因而一直是倍受关注的方向之一。 电火花加工和超声加工均因加工速度较慢而困扰着人们，然而在电火花加工中引入工具电极的超声振动，进行超声电火花复合加工，却可以改善放电间隙状况，从而大大提高生产率。 (3) 气体介质放电加工技术 传统的电火花加工技术是在液体介质(通常称作工作液)中进行放电加工的，而液体介质在加工中起到压缩放电通道使能量高度集中、加速极间冷却和消电离过程、加速排除电蚀产物等作用，被认为是电火花加工必不可少的几大要素之一。然而，最近几年由日本东京农工大学国枝正典教授等人提出的气中放电加工技术完全改变了人们的上述思想。 气中放电一般使用薄壁管状电极，加工中管状电极作回转和轴向伺服运动，一定压力的气体自管中高速喷出，以避免加工屑反粘凝固在电极和工件表面上，同时加速了熔融和气化金属的抛出过程，并起到冷却电极的作用。 气中放电加工的最大优点在于加工过程中电极损耗极低，而且加工时不产生有害气体，安全性较高，又可简化机床结构，因而也是倍受关注而成为热点。 (4) 电火花表面强化技术 由于零件表面性能在零件的使用过程中所起到的重要作用，表面强化技术受到了人们的重视。电火花表面强化技术是一种简便而灵活的表面处理方法，它是通过电火花放电作用将作为电极的导电材料熔渗进工件表层金属，形成合金化的表面强化层，从而使工件表面的物理、化学和机械性能得到改善。 电火花表面强化与其他表面强化方法相比，具有如下优点：设备简单，在普通电火花加工机床上即可进行，强化成本较低，处理速度较快，因只在局部进行放电，零件整体温度仍为室温因而不会引起零件变形，以及可处理复杂零件等，目前已在军事、航空、模具、刀具等行业得到较广泛的应用。 1.4本课题的研究意义及主要任务 一、本课题的研究意义 本课题根据企业的实际生产需要，利用电火花成型机床最新研究成果的一个技改课题。通过该课题的研究，将电火花加工技术及加工机床的最新发展成果应用于企业的生产实际，设计的机床具有三轴数控联动功能，既实现了研究成果向生产力的转化，又为企业节约了大量的资金，具有重大的经济价值和现实意义。 二、本课题的主要任务 本课题在对电火花成型机原理分析研究基础上，研究设计机床的结构系统、驱动控制、结构的动态分析与优化等。其主要内容如下： 1、了解电火花成型机的机械结构系统，根据零件加工要求，设计机床整体结构； 2、设计机床的进给系统，优化系统结构； 3、对机床运动进行运动学分析和参数优化。 4、对进给系统进行控制部分设计。 1.5本章小结 本章主要介绍了电火花加工技术特点和作用，分析了电火花成型加工技术及机床在国内外的研究现状和发展方向，结合企业实际需求，将电火花成型加工机床的最新研究成果进行转化，明确了本课题的研究目的意义和主要内容。 第二章 三轴联动电火花成型机床总体结构设计 2.1电火花成型加工机床的构成及结构形式 电火花成形加工机床主要包括主机、电源箱、工作液循环过滤系统及附件等，如图2.1所示为机床外观。主机用于支承、固定工具电极，实现电极在加工过程中稳定的伺服进给运动。主机主要由床身、立柱、主轴头、工作台及工作液槽等部分组成。电源箱包括脉冲电源、伺服进给系统和其他电气控制系统。工作液循环过滤系统包括供液泵、过滤器，各种控制阀、管道等。 2.1.1电火花成型机的类别 一、电火花成型机的类别 电火花成形加工机床己形成系列产品，按不同的定义其分类方法也不同。 按国家标准： 1、单立柱机床(十字工作台型和固定工作台型)； 2、双立柱机床(移动主轴头型和十字工作台型)。 按机床主参数尺寸： 1、小型机床——工作台宽度<250mm （D7125以下）； 2、中型机床——工作台宽度250 ——630mm（D7125 ——D7163）； 3、大型机床——工作台宽度630——1250mm （D7163——D71125）； 4、超大型机床——工作台宽度>1250mm （D71125以上）。 按数控程度： 1、普通手动机床； 2、单轴数控机床； 3、多轴数控机床。 按精度等级： 1、标准精度机床； 2、高精度机床； 3、超精密机床。 按伺服系统类型： 1、液压进给； 2、步进电机进给； 3、直流或交流伺服电机进给； 4、直线电机进给驱动。 二、我国电火花成形加工机床的型号命名规则与参数 自1985年起我国把电火花成形加工机床命名为D71系列，见行业标准《特种加工机床型号编制方法》（JB/T 7445.2-1998） 其型号表示方法如下： 如DK7140,其含义为工作台宽度为40cm的数控电火花成型加工机床 D——电加工机床（如为数控电加工机床，则在D后加K）； 71——成形加工机床； 40—机床工作台宽度(以cm表示)。 目前电火花机床的型号命名往往加上本单位名称的拼音代号及其他代号。 三、机床各部分的名称 为统一名词术语，便于沟通，国家标准对电火花成形加工机床各部分的名称进行了规定，如表2.1所示 表2.1机床各部分名称 2.1.2电火花成型机的结构形式、特点、使用场合 一、电火花成型机的结构形式、特点、使用场合 电火花成型加工机床结构有多种形式，根据不同加工对象，常见的结构有“C”形结构、龙门式结构、牛头滑枕式结构、摇臂式结构和台式结构。 图2.2 “C”形结构 1-床身 2-立柱 3-主轴头 4-工作台 “C”形结构如图2.2所示。加工时，工作台实现X轴和Y轴伺服进给运动，主轴头实现Z轴伺服进给运动。此类机床的结构特点是：床身、立柱、主轴头、工作台构成一“C”字形。这种结构的优点是：结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，操作者可以从前、左、右三面充分靠近工作台。缺点是：工件装卸不方便，每次安装、检测工件都必须开门放油，然后再关门上油。“C”形结构较适合中、小型机床，国内机床大部分采用此种结构形式。[9] 图2.3牛头滑枕式结构 1-床身；2-立柱；3-滑座；4-主轴头；5-工作液槽 牛头滑枕式结构如图2.3所示。这种结构形式类似金属切削机床中的牛头刨床。工作台固定不动或实现X方向移动，主轴头通过滑枕实现Y方向移动或X, Y方向的移动。这种结构的优点是：装卸、检测工件十分方便，此结构为设计、安装可升降式工作液槽提供方便；当可升降工作液槽下降时，工件完全暴露出来，可以方便地对工件进行安装、检测，完毕后只需将工作液槽升起即可重新加工，提高了工作效率。缺点是:结构较复杂，制造成本较高。牛头滑枕式结构比较适合数控化程度较高的机床。 二、电火花成型加工机主机传动轴的名称与运动方向 电火花成形加工机床主机一般有X， Y， Z三轴传动系统。当Z轴用电机伺服驱动，X，Y轴为手动时称为普通机床或单轴数控机床。当X，Y，Z三轴同时用电机伺服驱动时称为三轴数控机床。C轴为旋转伺服轴。[11]各传动的名称与方法定义见图2.7 图2.7主机传动轴的名称与运动方向 Z轴(主轴)：控制主轴头上下移动。面对机床，主轴头移动向上为+Z，向下为-Z。 X轴：工作台左右移动轴。面对机床，主轴向右(工作台向左)移动为+X，反向为-X。 Y轴：工作台前后移动轴。面对机床，主轴向前(工作台向后)移动为+Y，反向为-Y。 C轴：安装在主轴头下面的电极旋转伺服轴。从上向下看，电极逆时针方向旋转为+C，顺时针方向旋转为-C。 2．2 三轴联动电火花数控成型机总体结构设计 机床总体布局设计的一般步骤是，先根据工艺分析，分配机床部件的运动，不同的工艺方法所要求的机床运动的类别和数目是不一样的。因此，在分析工艺是同时，还必须分析机床上的运动。然后，选择传动形式和支承型式，并拟订从布局上改善机床性能和技术经济指标的措施，比如为增强机床的刚性，设计机床支承型式；为使机床的移动轴具有更快的移动速度而尽量在传动形式上减轻该轴移动部件的质量和运动惯量等等。 2．2．1 机床机械系统的功能分析 根据零件加工要求，本课题设计的双头三轴联动电火花数控成型机主机的机械系统的主要功能为三个功能：驱动功能、运行功能、结构功能。 1、驱动功能：驱动功能为机床提供动力保障，主要涉及两个方面，一是对机床各部分提供能量传递与分配工作，二是进行能量的转换包括驱动部件和制动部件。 2、运动功能：主要是各功能轴的传动、导向和检测功能。 3、结构功能：机床的支承和各部件间的联接功能。 通过功能分析，得到该机床系统的功能单元后，我们可以根据预期的功能目标及设备制造技术发展的现实状况，合理选择完成功能单元的功能载体，即机床各分功能的实现机构。 2．2．2 机床的总体方案的拟定 根据零件的加工工艺要求，结合系统的运动功能分析，经多种方案比较分析后，确定机床的总体结构设计如下： 1、机床的整体结构型式采用牛头式结构：电火花成型加工属于精密加工，考虑到工件重量以及定位精度，故机床整体采用牛头式结构； 2、控制方式采用三轴联动：为避免常见机床功能单一，总体精度不稳定，机床震动大，装配工艺繁琐等缺陷，控制方式采用三轴联动控制方式，机床可实现自动定位、复位，并有滚珠丝杆的齿隙、螺距补偿功能。 3、进给伺服系统采用滚珠丝杠螺母副机构：为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用磨擦小，传动效率高的滚珠丝杠螺母副，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机构。 4、导向机构采用直线滚动导轨：采用滚动导轨可以减少导轨是的磨擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。 5、系统控制选用MCS-51单片机控制系统：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，可选择MCS-51系列单片机扩展系统。 2.2.3机床主要技术参数及精度指标 一、机床主要性能指标如表2.2所示。 工作台尺寸 700 400(mm) 机床功率 8KVA X、Y、Z行程 450 350 300(mm) 测量分辨率 0.5μm 工作液槽尺寸 1200 720 420(mm) 位置增量 1μm 油箱尺寸 1400 800 480(mm) 机床精度误差 8μm 机床外形尺寸 1450 1720 2280(mm) C轴转角 360° 工件最大尺寸 1150 700 300(mm) 最大加工电流 70A 表2.2机床主要性能指标 二、机床传动系统精度要求 由于工作台或主轴传递运动的传动丝杠与螺母之间一般都存在微小间隙，所以在工作台或主轴往正向移动后再向反向移动时会少移动一段距离，这个距离主要反映了工作台正、反向移动时，传动丝杠与螺母之间的间隙所带来的运动误差。 机床传动系统精度见表2.3。 序号 机床数控精度指标 允许偏差 实测偏差 1 X轴运动的重复定位精度和失动量 重复定位精度 0.02 重复定位精度 0.015 失动量 0.04 失动量 0.020 2 Y轴运动的重复定位精度和失动量 重复定位精度 0.02 重复定位精度 0.015 失动量 0.04 失动量 0.027 3 Z轴运动的重复定位精度和失动量 重复定位精度 0.03 重复定位精度 0.020 失动量 0.04 失动量 0.026 表2.3 机床数控精度指标 机床的总体结构型式如图2.8所示，该机床采用高效率牛头式火花机三轴机头移动加工方式，保证了高精度，高效率；X、Y、Z轴采用直线滚动导轨，使移动更圆滑，保持高精密度；采用稳定的控制系统提供最佳的放电加工条件。 图2.8机床总体结构型式 2.3本章小结 本章首先介绍了电火花成型加工机床的构成及结构形式，对课题要求的电火花成型机床总体功能进行分析，根据功能确定机床总体布局。然后根据实际要求选择采用牛头式结构布局。最后对牛头式的机械系统总体结构和技术要求进行设计方案的制订，为后续的具体机构设计打下基础。 第三章 三轴联动数控电火花机床进给系统的设计与计算 3.1进给系统设计方案的确定 利用微机对纵横进给系统进行开环控制，工作台纵、横向移动为0.01mm/脉冲，主轴头垂直移动为0.005mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。 采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向进给运动。 3.2 主轴（Z轴）传动系统精密部件的设计计算： 主轴采用一级直齿圆柱齿轮减速，齿轮与滚珠丝杆副相联的传动方案。滚珠丝杠副除具有显著的优异特性和有较高的使用价值外，还因为它像滚动轴承那样可以作为配套元件由专业工厂生产和供应滚珠丝杠副可获得精确，高效，灵敏，可靠的效果。在特殊环境或特殊要求下，如在高温，低温，高压，真空，强磁场，强辐射，无润滑，腐蚀介质中工作以及要求可逆运动，同步运动，瞬时高低速转换等，均具有良好的传动性能。因此，滚珠丝杠副己经成为应用非常普遍的传动元件，可用于精密定位，自动控制，动力传递和运动转换，广泛应用于机床工业，航空航天，军工产品等各个领域。 3.2.1 滚珠丝杠设计计算 1、滚珠丝杠副的主要技术参数及设计、计算流程    （1）滚珠丝杠的主要技术参数[11][12]如图3.1所示：     1) 名义直径D0     滚珠丝杠的名义直径D0是滚珠与螺纹滚道在理论接触角状态时，包络滚珠球心的圆柱直径。它是滚珠丝杠螺母副的特征尺寸。名义直径与承载能力有直接关系，D0越大，承载能力和刚度越大。     2) 基本导程Ph     导程是丝杠相对于螺母旋转一圈时，螺母上基准点的轴向位移。导程的大小是根据机床的加工精度要求确定的。导程过小势必使滚珠直径变小，滚珠丝杠螺母副的承载能力亦随之减小。     3) 滚珠直径d0     一般取d0=0.6Ph     4) 滚珠的工作圈数j和工作滚珠总数N     工作圈数j一般取2.5~3.5圈，而工作滚珠总数N以不大于150个为宜。     5) 列数K     要求工作圈数较多的场合，可采用双列或多列式螺母的结构形式。 图3.1 滚珠丝杠的主要技术参数   （2） 滚珠丝杠螺母副的设计计算主要内容：     1) 额定动载荷和额定静载荷     额定动载荷是指一批相同参数的滚珠丝杠螺母副，在n>=10r/min的相同工作条件下运转1000000转后，90%的螺旋副(指螺纹滚道和滚动体)不发生疲劳点蚀损伤所能承受的最大轴向载荷，定义为额定动载荷Ca。[13]     额定静载荷是指把滚珠丝杠副在静态或低转速(n<=10r/min)条件下，受接触应力最大的滚珠和滚道接触面间产生的塑性变形量之和达到滚珠直径0.0001倍时的最大轴向载荷，定义为额定静载荷Ca0。     2) 滚珠丝杠副疲劳强度计算     滚珠丝杠应根据其额定动载荷选用。滚珠丝杠的当量额定动载荷为： Cam = Fm·fw·fc (N) 式中：Fm—轴向工作载荷(N)，当载荷按单调式规律变化，各种转速使用机会相同时 Fm=(2Fmax+Fmin)/3；      Fmax,Fmin—丝杠最大，最小轴向载荷(N)；      L—工作寿命，以106转为1单位，L = 60n Lh /106；     n—丝杠转速(r/min)； Lh—使用寿命(H)，对数控机床可取 Lh = 15000h； fw—负荷系数，按表3.2选取； fc—可靠性系数，一般取fc=1。。 （3）滚珠丝杠螺母副的选择步骤： 1)计算最大的工作载荷； 2)计算最大动载荷，对于静态或低速运转的滚珠丝杠，还需考虑最大静载荷是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷； 3)验算刚度； 4)压杆稳定性核算。 2、主轴（Z轴）轴向工作载荷计算 本课题中的已知条件： 根据机床设计要求,电极最大重量为70Kg，根据估计有关的工件重量为：主轴35Kg, 直线导轨6Kg，主轴丝杆2.5 Kg,主轴下端板8Kg，罩壳等重量3.5 Kg，滚珠丝杆预压力N=400N 直线导轨摩擦力不计，电机需要拖动重量共计G=125Kg，电机需要拖动力F=1250N。 时间常数：T=25 ms；滚珠丝杠基本导程： Ph=4mm； 脉冲当量： mm/step；步距角： /step； 快速进给速度： m/min； 加工进给速度V=0.08m/min； 综合系数f’=0.2； 由数控加工技术手册查得，机床丝杠的轴向工作载荷约为： 3、主轴强度计算： 疲劳寿命，一般难以总回数来表示，但可以总回数时间，或总行走距离表示。 各种机械的预期工作时间(Lh)如表3.1所示 用 途 寿命时间(h) 工作机械 20000 一般产业机械 10000 自动控制机械 15000 量测装置 15000 表3.1各类机械预期工作时间 寿命值 r/min 查表3.1得 Lh=15000h 则： L 当量额定动载荷Cam 查丝杠手册得：运转系数 ；硬度系数 ； 则: Cam N 3、丝杠选择 根据最大动负荷Cam的值，由丝杠手册中选择滚珠丝杠的型号。 该机床滚珠丝杠的型号为:FFZDG2004-3-T3 4、丝杠参数： 名义直径: 螺距t=4 螺距升角: 滚珠直径: 滚道半径:R=1.239 偏心距:e=0.034 丝杠外径:d=19.6 螺母凸缘外径: 螺钉中心圆直径: 螺母凸缘厚度:T=6 垫圈厚度: 圆螺母尺寸: 螺钉尺寸: 螺钉个数: a=4 二个圆螺母厚度: 螺母配合外径:D=30 平键尺寸: 螺母座键槽深度: 螺母座长度: 螺母装配总长度:L=72 5、丝杠传动效率计算： 根据《机械原理》的公式，丝杠螺母副的传动效率为： 式中 摩擦角 螺旋升角 则 6、丝杠刚度验算： 滚珠丝杠受工作负载Fw引起的导程的变化量 △ 式中 mm=0.4cm; 滚珠丝杠截面积 则 △ cm 因为滚珠丝杠受扭矩引起的导程的变化量△L2很少，可以忽略。 所以丝杆的导程变化量：△L=△L1。 导程变形总误差△为： △= △L= um/m 查丝杠手册知3级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15um/m ，故刚度足够。 3.2.2 齿轮及转矩的有关计算 1、齿轮传动比计算： 式中： 步距角 =0.75度， 丝杠基本导程 =4mm， 脉冲当量 =0.005 mm/step 根据计算结果，两直齿轮参数取为 模数m=2 mm， 压力角 ， 齿宽B=20 mm 齿轮1的齿数Z1=24 ， 齿轮2的齿数Z2=40 。 两齿轮的部分参数计算如下： 2、主轴转动惯量计算： （1）工作台质量折算到电机轴上的转动惯量 （2）丝杠的转动惯量 （3）齿轮的转动惯量 因为电动机转动惯量很少，故忽略不计 因此，总的转动惯量 = 3、转动力矩计算 快速空载启动时所需力矩 最大切削负载时所需力矩 快速进给时所需力矩 式中 —空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩； —折算到电机轴上的摩擦力矩； —由于丝杠丝杠所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩； —切削时折算到电机轴上的加速度力矩； —折算到电极轴上的切削负载力矩。 当 时 当 时 所以快速空载启动所需力矩 所需最大力矩 发生在快速启动时 =9.96kgf.cm=99.6N.cm 主轴传动系统结构简图如图3.2所示： 图3.2主轴传动系统结构简图 3.3 X轴进给传动系统精密部件的设计 3.3.1 X轴滚珠丝杠的工作情况分析 由于机床工作时，工作台固定，所以X轴不承受工作载荷。X轴在做进给运动时，其移动部件150Kg，电机与丝杠直联，驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动工作台左右移动。工件及夹具重量为50Kg；工作台最大行程 L =1000mm ；工作台导轨的摩擦系数：动摩擦系数μ=0.1，静摩擦系数μ0=0.2 ；快速进给速度   Vmax=9m/min ；定位精度20 μm/300mm  ，全行程25μm ，重复定位精度10μm  ；要求寿命Lh15000小时；最高转速为1500r/min。 3.3.2 X轴滚珠丝杠的设计计算 1、确定滚珠丝杠副的导程： 式中：Ph为滚珠丝杠副的导程mm； Vmax为工作台最大移动速度mm/min； nmax为电机的最高转速r/min； i为电机至丝杠的传动比，因电机与丝杠直联，所以i=1。 代入数据后，可得： Ph=6 mm 2、当量转速与当量载荷的计算 1）丝杠的轴向工作载荷计算： 因加工时工作台固定，无切削力，所以轴向载荷为： F=f’W=0.2×(150+50)=40Kg=400N 2）当量转速计算： 式中 nm为当量转速r/min， n 为丝杠转速r/min， t 为工作时间百分比。 由已知条件代入数据，可得： nm=1500r/min。 3）当量载荷计算： 3、预期额定动载荷（Cam）计算： 1）按工作时间估算： 式中：Cam—预期额定动载荷N， L —工作寿命，以106转为1单位，L = 60nmLh /106， fw—负荷系数，按表3.2选取， fa—精度系数，按表3.3选取， fc—可靠性系数，一般取fc=1。 负荷性质 无冲击 轻微冲击 伴有冲击或震动 fw 1—1.2 1.2—1.5 1.5—2 表3.2负荷系数fw 精度等级 1、2、3 4、5 7 10 fa 1. 0 0.9 0.8 0. 7 表3.3精度等级系数fa 根据X轴的工作情况，取fw=1.2，fa=1， L = 60nmLh /106=60×1500×15000/106=1350 代入数据可得： Cam= 5305（N） 2）按丝杠副的预期运行距离Ls（千米）计算： 式中：Ls—预期运行距离（Km），一般取250Km, 代入数据计算可得： 3）拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大负载Fmax计算： Cam=fe Fmax 式中fe—预加载荷系数，按表3.4选取 预加负荷系数 轻预载 中预载 重预载 fe 6.7 4.5 3.4 表3.4预加负荷系数表 取fe=4.5，则Cam=4.5X400/2=1800（N） 取以上三种结果的最大值： Cam=5305N 4、确定允许的最小螺纹底径 1）估算丝杠允许的最大轴向变形量 ① ≤（1/3～1/4）重复定位精度 ② ≤（1/4～1/5）定位精度 —最大轴向变形量µm 由课题条件已知：重复定位精度10µm, 定位精度25µm，则有：      ① =3     ② =6 取两种结果的小值 =3µm 2）估算最小螺纹底径 因为丝杠要求预拉伸，取两端固定支承形式 式中：E—杨氏弹性模量，为2.1×105N/mm2 δm—估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（µm） F0—导轨静摩擦力（N）。F0=µ0W(µ0为静摩擦系数) L—两个固定支承之间的距离（mm） L≈（1.1—1.2）行程+（10—14）Ph 由已知条件知：行程为1000mm，W=2000N，µ0=0.2， 代入计算得，L=1272mm，F0=400N 则，d2m=16.1mm 5、确定滚珠丝杠副的规格 按照已估算出的丝杠导程Ph和额定动载荷Cam及丝杠最小底径d2的要求，选取丝杠型号为FFZD2506​—3，其预紧方式为内循环浮动式法兰，直筒双螺母型垫片预紧形式，其Ph=6mm，d2=20.9mm>16.1mm，Ca=11.3KN>5305N。 6、预紧力（Fp）的确定 当选择FFB(FFbB)、FFZD、CMFB、CMFZD等预紧螺母型式的滚珠丝杠副时需确定预紧力。 预紧力 Fp= Fmax 式中Fmax=400N，所以≈134N 7、行程补偿值C和预拉伸力Ft的计算 对于两端固定支承，需要预拉伸的滚珠丝杠副应规定目标行程补偿值，并计 算预拉伸力。如图3.3所示： 图3.3 两端固定支承结构 1）行程补偿值C 式中：C—行程补偿值（µm）， △t—温度变化值，20—30C， α—丝杠的线膨胀系数11.8×10-6/度， Lu—滚珠丝杠副的有效行程（mm）， Lu≈工作台行程+螺母长度+两个安全行程 ≈行程+（8—14）Ph， 计算得：Lu≈ 1060mm ，△t温差取2.50C C≈31（µm） 2）预拉伸力Ft 式中：Ft—预拉伸力（N）， d2—滚珠丝杠螺纹底径（mm）， E—杨氏弹性模量，2.1×105N/mm2 △t—滚珠丝杠的温升，20—30C， 代入计算后得： Ft ≈2129 N 8、确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格 1）轴承所承受的最大轴向载荷 FBmax=Ft+Fmax 代入得 FBmax=2529N 2）轴承类型 两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承 3）轴承内径 d 略小于d2=20.9mm,FBP=1/3FBmax 取 d=20 代入得   FBP=843（N） 4）轴承预紧力 预加负荷≥FBP 5）按轴承标准选轴承型号规格      根据d=20mm , 预加负荷为：Fp≥FBP的要求，     所以选7604P轴承，该轴承 d=20mm，预加负荷为：Fp=1000> FBP =843N。 3.3.3 传动系统的刚度计算 1、传动系统的刚度K关联因素分析： 传动系统的刚度K计算公式如下： 式中： —滚珠丝杠副的拉压刚度。计算见下面说明 —滚珠丝杠支承轴承的轴向刚度。可查轴承样本及有关资料。 —滚珠丝杠副滚珠与滚道的接触刚度可查样本。 —折合到滚珠丝杠副上的伺服刚度，一般情况可忽略不计，精度计算时 按 计算，其中 有关数据可查电机手册。 —滚珠丝杠副中螺母体刚度。一般可忽略不计，精确计算按 估算。 —滚珠丝杠副的扭转刚度。可忽略不计。 所以传动系统刚度校核一般按下列公式计算： 2、计算KS(N/μm) 滚珠丝杠副的拉压刚度KS是滚珠螺母至丝杠轴向固定处距离a(mm)的函数。 见图3.4： 图3.4 曲线1：一端固定，另一端自由或游动 曲线2：两端固定或两端支承。 拉压刚度与行程关系： 1）丝杠支承形式为一端固定，一端自由或游动。 式中： —拉压刚度（N/mm2） E-杨氏弹性模量2.1×105N/mm2 d2-丝杠底径（mm） 当a=L1（滚珠螺母至固定支承的最大距离）时刚度最小（见图3.5） 当a=L0（靠固定端的行程起点处）时刚度最大（见图3.5） 图3.5 2）支承形式为两端支承或两端固定 当a=L1/2时（即处在两支承的中点时）刚度最小（见图3.6） 式中： L1—两支承间的距离（见图3.6） d2—丝杠底径 当a=L0时（螺母在行程两端处）刚度最大（见图3.6） 图3.6 3、计算Kb(N/μm) 1）未预紧轴承的刚度KB与一对预紧轴承组合刚度KB0可以从样本中查找，也可按照表3.5中公式近似计算 轴承类型 KB(N/μm) KB0(N/μm) 角接触球轴承（7000型） 推力球轴承（5000型） 1.95 圆锥滚子轴承（3000型） 推力圆柱滚子轴承（8000型） 表3.5 表中公式使用说明： （1）运用表中公式条件是： 球轴承的预紧力为： 滚子轴承的预紧力： （2）表中参数说明： β—轴承接触角（deg） dQ—滚动体直径（mm） Lr—滚子的有效长度（mm） Z—滚动体个数 Fa—轴向工作载荷（N） Famax—最大轴向工作载荷（N） 2） 滚珠丝杠副支承的刚度Kb（见表3.6及图3.5、图3.6） 一端固定，一端自由 Kb=KB0 预紧KB=KB0 二端支承 未预紧Kb=KB 一端固定，一端游动 固定端预紧Kb=KB0 二端固定 固定端预紧Kb =2 KB0 表3.6 4、Kc计算 1）对不预紧的滚珠丝杠副，轴向工作载荷为F(N) 式中： Kc’—查丝杠手册上的刚度（N/μm） Ca—额定动载荷 2）对预紧的滚珠丝杠副，轴向预紧载荷Fp(N) 式中： Kc’—查丝杠手册上的刚度（N/μm） Ca—额定动载荷 5、本系统刚度计算结果： 按上述计算要求，结合本课题X轴传动系统的具体配置条件，课题中的相关参数计算步骤及结果如下： 1）丝杠抗压刚度     （1）丝杠最小抗压刚度 代入所选丝杠的相关参数得： =525 （N/μm） （2）丝杠最大抗压刚度 计算得： =6117 （N/μm） 2）支承轴承组合刚度 （1）一对预紧轴承的组合刚度 KB0= ， 式中：dQ=7.144  ，Z=14 ，β=60， Famax=3预加负荷（Fp）=5400（ N/μm） 计算得：KB0=722.7（N） （2）支承轴承组合刚度 由表3.6两端固定支承 Kb =2 KB0，Kb =1445（N） （3）滚珠丝杠副滚珠和滚道的接触刚度 查轴承手册 =1110  N/μm， =1869（N） 3.3.4传动系统刚度验算 1、刚度验算及丝杠精度选择规则 将Kmax，Kb，Kc及其他有关值带入式 ，得Kmax，将Ksmin替换Ksmax代入得Kmim。由于数控机床精度在机床空载下验收， 称摩擦死区误差。F0是机床空载时导轨上的静摩擦力。 称为传动系统刚度变化引起的定位误差。按JB/GQ1140-89规定的数控机床反向差值主要取决于Δ，而定位误差主要取决于滚珠丝杠副的精度，其次是δk。因此传动系统刚度验算按以下原则进行： 0.8Δ≤反向差值，即Kmin≥1.6F0/反向差值 滚珠丝杠副的精度选择： 开环控制系统中使用的滚珠丝杠副， ep+vup≤0.8×（定位精度-δk） ep+vup≤0.8×（300mm定位精度-δk） 半闭环控制系统或可以行程补偿的开环系统： ep≤0.8×（定位精度-δk） v300up≤0.8×（300mm定位精度-δk） 现根据使用情况选择滚珠丝杠副的类型（P类或T类），然后参照滚珠丝杠副的精度标准表。按上述两式计算结果确定滚珠丝杠副的ep，vup或v300up，从而确定滚珠丝杠副的精度等级。 2、刚度验算结果 =0.003（ N/μm） =0.001（ N/μm） 根据已知条件反向差值即重复定位精度为10，预加载荷F0为1000N， 1.6F0/反向差值=（1.6×1000/10=160）<（1/0.003≈333） 系统刚度满足要求。 3、丝杠副的精度选择 由传动系统刚度变化引起的定位误差; 根据选择原则：V300up≤0.8×定位精度δk，由已知条件，定位精度为20μm /300，有： V300up＜14.3μm 因此丝杠精度取为3级，V300up =12μm＜14.3μm，可以满足设计要求。 3.3.5 X轴进给机构转动惯量的计算及电机的选择 1、作用在滚珠丝杠副上各种转矩的计算 外加载荷产生的摩擦力矩TF(N,m) 滚珠丝杠副预加载荷FP产生的预紧力矩Tp(N,m) 式中： Ph—滚珠丝杠副导程 η—未预紧的滚珠丝杠副效率， 1、2、3级精度的丝杠η=0.9；4级精度的丝杠η=0.85。 F—作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷，不同情况下取值不一样。 若计算电机启动转矩时，机械是空载启动时，F是导轨摩擦力（垂向运动F还包括机构重量）；若计算电机工作转矩时，F包括导轨摩擦力，工作载荷（垂向运动F还包括机构重量）。 2、负荷转动惯量JL(kg.m2)及传动系统转动惯量J(kg.m2)的计算。 式中： Ji，ni—各旋转件的转动惯量（kg.m2）和转速（r/min） mj，Vj—各直线运动件的质量（kg）和速度（m/min） Jm，nm—电机的转动惯量（kg.m2）和转速（r/min） 3、加速转矩Ta和最大加速转矩Tam 当电机转速从n1升到n2时： 当电机从静止升速至nmax： 式中： n—电机转速（r/min） nmax—电机最高转速（r/min） ta—加速时间（s） ta≈（3~4）tm或者按性能要求自行规定。 tm —电机时间常数。可查电机手册 4、电机的最大启动转矩Tr(N.m) 式中： i—电机到滚珠丝杠副的传动比。直联i=1 Te—不在滚珠丝杠副上的其他传动元件的摩擦力矩折算到电机上的值。 5、电机连续工作的最大转矩 机械在最大工作载荷下连续均匀运转时的电机转矩TM(N.m) 6、按照样本选用电机时要注意一下三个方面 1）、惯性匹配，电机的转动惯量应满足，Jm=(1~4)JL； 2）、验算电机最大转矩≥Tr 3）、验算电机的额定转矩≥Tm ，且Tm在电机的连续工作区间。 7、本课题中电机参数计算及选择 1） 电机的转动惯量计算： 移动件换算到丝杠的转动惯量： 丝杠的转动惯量： 总的转动惯量: EMBED Equation.3 =4.675 根据要求，电机所需的转动惯量J与电机转动惯量JM有一定的范围,尽量大些，综合考虑加工过程排屑产生的吸力和经济性, ，取 ， 则：JM=4 J=4×46.75=187 2）电机转动力矩的计算 代入本课题中已知条件：TF=400×0.006/(2π×0.9)=0.424 N.m TP=1000×0.006×（1－0.81）/(2π×0.81)=0.224 N.m 最大加速转矩Tam ta取25ms =9.35（Nm） 电机总的转矩： T= Tam+TF＋TP =9.998 N.m 综合考虑，查表选用：90BF006 电机，能满足使用要求。 以上为Z轴、X轴的计算、校核过程，Y轴的计算、校核方法与X轴一致，亦已按上述方法完成，因篇幅所限，不再列举。 3．4 主轴组件结构设计 3．4．1滚珠丝杠的支承形式     滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，而径向载荷主要是卧式丝杠的自重。其两端支承的配置情况分为一端固定一端自由、两端固定和一端固定一端浮动，如图3.7所示。 图3.7 滚珠丝杠的支承配置 a)一端固定一端自由 b)两端固定 c)一端固定一端浮动     1)图3.7(a)所示是一端固定一端自由的支承形式。其特点是结构简单，轴向刚度低，适用于短丝杠及垂直布置丝杠，一般用于数控机床的调整环节和升降台式数控铣床的垂直坐标轴。     2)图3.7(b)所示是一端固定一端浮动的支承形式，丝杠轴向刚度与a)形式相同，丝杠受热后有膨胀伸长的余地，需保证螺母与两支承同轴。这种形式的配置结构较复杂，工艺较困难，适用于较长丝杠或卧式丝杠。 3)图3.7(c)所示是两端固定的支承形式，丝杠的轴向刚度约为一端固定形式的4倍，可预拉伸，这样既可对滚珠丝杠施加预紧力，又可使丝杠受热变形得到补偿，保持恒定预紧力，但结构工艺都较复杂，适用于长丝杠。 本课题中采用第三种支承配置方式。 3.4.2 轴承的配置形式 一般说来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滚子轴承来承受径向载荷，安装在前端的两个推力球轴承用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。由于推力球轴承安装在主轴前端，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很较大。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滚子轴承来承受径向负荷，用安装在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2～3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滚子轴承。这种结构适应较高转速、较重切削负载，主轴精度教好。但承受的轴向负载较前两种结构小。 4）前后支承均采用成组单列向心推力球轴承，用以承受径向和轴向负载。这中结构适应高转速，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。 本次设计主轴所采用的轴承配置采用第四种方式。滚珠丝杠所用轴承为接触角为60度的角接触球轴承。 3.4.3 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紧变形而带负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，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。 而角接触轴承主要是轴向预紧，这可明显提高轴向刚度。图3.8为单个角接触轴承的载荷—变形曲线，其弹性变形量δa与轴向外载荷Fa的关系为δa∝Fa。由图可知，没有预紧时，在Fa作用下，轴承的轴向变形量为δa1；而在具有预紧Fa0条件下；同样作用轴向载荷Fa，轴承的轴向变形增量为δa2，显然δa2<δa1,轴承的轴向刚度有所提高。 图3.8角接触轴承的载荷—变形曲线 3.5本章小结 根据课题的设计要求，本章完成了机床进给系统的总体结构设计，确定了进给系统的传动方案，对进给系统中的关键部件滚珠丝杠副进行了详细的设计和校核，对进给轴的设计方案进行了优化比较选择。 第四章 机床控制系统设计 本系统以一台系统机为主机和3片MCS-51单片机为从机，组成主、从式控制系统，三轴的驱动采用五步十拍步进电机，并采用步进电机细分驱动技术，在电火花机床上实现了小于0. lum的脉冲进给，实现三轴联动功能。 图4.1为机床数控系统硬件框图。整个系统采用多机通讯方式，主机是一台系统机，主要实现人机对话，完成数控程序的编辑、编译、数控插补、数控仿真、火花间隙状态的判别和工艺数据库的管理等，并能用图形显示加工的进程和加工时间，界面友好美观。下位机系统以MCS-51单片机为控制中心，主要实现步进电机的细分驱动控制，是一个完整的步进电机驱动器，下位机只从上位机接收两个信号，一个是脉冲信号控制电机的转速，另一个是方向信号控制步进电机正反转。共有3个这样的步进电机驱动器，以控制三轴的运动，从而实现三轴联动功能。[15]上位机与三个下位机之间的通讯采用串口通信，控制步进电机的运动，以实现三轴之间的协调运动，加工出所需工件。 图4.1机床数控系统硬件框图 4.1 总体方案设计 机床的控制系统可以简化为三个模块进行分析：系统机模块、单片机控制系统模块、伺服执行机构模块。 各模块的功能及关联关系分析如下：系统机主要进行数控代码或其他代码的读入、转换，将数据进入单片机，对单片机有绝对的控制权。 系统机读取源代码，将代码转换为待发送的文件。控制程序从发送文件读取数据，经编码后，按一定的控制方式将数据发送到单片机。单片机从系统机接收数据，将数据按协议翻译并存入数据缓冲区特定的单元。 单片机直接控制外部硬件的运行。它接收来自PC机的控制指令和信号数据，进行插补运算，给步进电机发脉冲，控制步进电机的运动。单片机的控制部分主要包括电源电路、时钟电路、复位电路、接口等，其主要电路图如图4.2所示。 图4.2 单片机控制系统及外围电路图 单片机系统通过稳压电源芯片将较宽范围的电源都稳压到5V,保证单片机的正常工作。同时在电源芯片前串联一只二极管，截止反相电压，避免损坏稳压芯片。PC机与单片机之间采用RS232标准实现通讯；在单片机与步进电机的接口电路上既有高电压又有低电压部分，为了避免高压电路对低压电路的干扰，所以采用一个光耦隔离元件来进行高低压的隔离，同时用一个功率放大电路将信号放大来驱动步进电机运动。 4.2下位机系统设计 本文中的下位机系统，是一个围绕单片机芯片而组成的计算机应用系统。在下位机系统中，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。 4.2.1 MCS-51系列单片机的简介 MCS-51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，这一系列单片机包括了好些品种，如8031，8051，8751，8032，8052，8752等，其中8051是最早最典型的产品，该系列其它单片机都是在8051的基础上进行功能的增、减、改变而来的，所以人们习惯于用8051来称呼MCS51系列单片机，而8031是在我国最流行的单片机，所以很多场合会看到8031的名称。[16][17]在控制系统设计中,我们采用8031，8031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。 图4.3 8031基本组成 如图4.3所示，8031是有8个部件组成，即CPU、时钟电路、数据存储器、并行口（P0～P3）串行口、定时计数器和中断系统，它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上，即组成了单片微型计算机。 8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三部分，如图4.4所示： 图4.4 8031引脚图 其引脚类型有三种，电源及时钟引脚、控制引脚和输入/输出引脚，各类引脚的功能详见8031单片机技术手册，[18][19]这里不再一一叙述。 4.2.2 下位机的时钟电路设计 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、XATL2引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，[22]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，产生的时钟送至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两种，[23]大多单片机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。如图4.5所示： 图4.5 内部时钟方式的时钟电路 MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHz-24MHz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20pF-100pF之间选择，一般当外界晶体时典型取值为30p F，外界陶瓷谐振器时典型取值为47p F ，取60p F—70p F时振荡器有较高的频率稳定性。 在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振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的工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。 4.2.3 下位机的复位电路设计 计算机在启动运行时都需要复位，是中央处理器CPU和系统中的其他部件口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，该引脚上出现两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，是器件复位，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变为低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。复位操作不影响片内RAM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，如图4.6所示： 图4.6 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低电阻，故电阻R2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），就能是单片机有效复位。当晶体振荡频率为12MHz时，RC的典型值为C=10uF，R=8.2KΏ。[24]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引脚上接一去耦电容。 上图按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联到电复位电路，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。 4.3系统扩展 在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展程序存储器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存储器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存储器。[25]这种扩展就是配置外部存储器（包括程序存储器和数据存储器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。 4.3.1下位机程序存储器的扩展 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,其中8051、8751片内有4KB的ROM或EPROM，而8031片内不带ROM，需扩展程序存储器。用做程序存储器的器件是EPROM和EEPROM。程序存储器寻址空间为64KB（0000H～FFFFH），P2作高位的地址输出，P0作低位地址输出和数据线。 MCS-51单片机扩展外部程序存储器的硬件电路如图4.7 图4.7 MCS-51 单片机扩展外部程序存储器的硬件电路 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，必须用地址锁存器锁存地址信号。通常地址锁存器可以使用带三态缓冲输出的74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存器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。 根据应用系统对程序存储器容量要求的不同，常用的扩展芯片包括EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A（8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256（32KB×8）和27512（65KB×8）等。以上6种EPROM均为单一﹢5V电源供电，维持电流为35m A～40Ma，工作电流为75 m A～100m A ，读出时间最大为250ms，均有双列直插式封装形式，Ao～A15是地址线，不同的芯片可扩展的存储容量的大小不同，因而提供高8位地址的P2端口线的数量各不相同，故2716为Ao～A10，27512为Ao～A15；Do～D7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。 考虑系统的需要，我们将8031的程序存储器扩展为4K EPROM，采用2764作为ROM芯片。 程序存储器扩展的容量大于256字节，故EPROM片内地址线除了由P0口经地址存储器提供低8位地址外，还需要由P2口提供若干条地址线，我们选用8K的2764 EPROM，故地址线应该是13条，因为系统中只扩展一片EPROM，所以不用片选信号，即EPROM 的接地。在程序扩展中，我们选用的地址锁存器是74LS373 当三态门的为低电平时，三态门处于导通状态，允许Q端输出，否则为高电平，输出为三态门断开，输出端对外电路呈高阻态，所以在这里为低电平，这时当G端为高电平时，锁存器输出和输入的状态是相同的，当G由高电平下落为低电平时，输入端1D～8D的数据锁入1Q～8Q中。 当2764处于读方式下和均为低电平有效。当VPP=+5V时，EPROM处于读工作方式：这时由给定地址信号决定被选中存储器单元信息。被读出到数据输出端D0～D7上。维持方式：当为高电平时，VPP为+5V，EPROM处于低功耗方式，输出端均为高阻态，这与输入无关。编程方式：在VPP加上+25V编程电源并在和地端跨接一个0.1uf的电容以干扰电压的瞬间对2764进入编程方式，被编程的8位数据以并行方式送到数据输出断编程校验。 2764与8031的连接如图4. 8所示 图4.8 程序存储器的扩展 在选用芯片扩展的同时要考虑满足系统的要求的前提下，使电路简化，尽量选择大容量的芯片，以减少芯片组合的数量，在芯片型号的选择上选用满足应用环境要求的芯片型号。 4.3.2下位机数据存储器的扩展 在单片机中有128 字节的数据存储器。但往往在系统的要求下片内RAM不能满足要求，用户只有选择扩展片外的数据存储器，以进行存储系统采集的数据。根据系统对数据采集的要求。我们采用8K静态RAM6264进行扩展。与动态RAM相比，静态RAM无须考虑保持数据而刷新电路，所以扩展电路较为简单且能满足系统的要求。 6264是8K*8位的静态随机存储器芯片。 它采用CMOS工艺制作，单一的+5V电源供电，额定功耗是200mW，典型存取时间200ms，为28线双列直插封装。数据存储器的扩展与程序存储器的扩展类似，读写控制信号与8031的和相连。P0口通过74LS373与A0～A7相连，P2.0～P2.4与A8～A12相连，P2.7与相连，P0口与D0～D7相连作为数据线，同时CE2接+5V电源，GND接地。如图4.9所示： 图4.9 数据存储器的扩展 4.4 下位机I/0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，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。这样单片机就可以象访问外部RAM存储器一样访问外部接口芯片，对其进行读/写操作。 4.4.1 8255A可编程外围并行I/O接口 8255A是可变成输入输出接口芯片，它具有3个8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接口电路。 在8031单片机的I/O口上扩展8255芯片，其接口逻辑相当简单，8255的片选信号CS及接口地址选择线A0、A1分别有8031的P0.7和P0.0、P0.1经地址锁存器锁存后提供。故8255的A、B、C、D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。下面举例说明8255的变成方法。其中一个端口地址如下： A口地址：FF7CH B口地址：FF7DH C口地址：FF7EH 控制口地址：FF7FH 假设要求8255工作的方式0，且A口作为输入，B口、C口作为输出，则工作程序如下： mov a,#90H;方式0，A口输入，B口、C口输出 mov dptr,# 0FF7FH;控制寄存器→dptr movx @dptr,a;方式寄存器→控制寄存器 mov dptr,#0FF7CH;A口地址→dptr mov a,dptr; 从A口读数据 mov dptr,#0FF7DH;B口地址→dptr mov a,DATA1;要输出的数据DATA1→A movx @dptr, a; 将DATA1送B口输出 mov dptr,#0FF7EH;C口地址→dptr mov a, DATA2; DATA2→A movx @dptr, a; 将DATA2 送C口输出 对8255的C口8位的任何一位，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：00001011B=0BH，程序如下： mov dptr,#0FF7FH;控制口地址→dptr mov a, #0BH;控制字→A movx @dptr, 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：00001011B=0AH，程序如下： mov dptr,#0FF7FH;控制口地址→dptr mov a, #0BH;控制字→A movx @dptr, a; 控制字→控制口；PC5=0 8255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，如打印机、键盘、显示器以及作为控制信息的输入、输出口。 4.4.2 8155可编程外围并行I/O接口 8155/8156芯片内包含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，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/0端口和定时器/计数器，因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。8155与8156的区别仅在于片选信号电平的不同，其他功能完全一样。 在8155的控制逻辑部件中，设置有一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式有CPU写入控制命令寄存器的控制字来确定，控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口和C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、M口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。 8155的A口、M口可工作于基本I/0方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作事的状态控制信号线。其工作情况与8255方式0、方式1事大致相同，控制信号的含义也基本一样。另外，在8155中还设有一个状态标志寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。 在8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外部事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式有输入给计数寄存器的计数控制字来确定。 MCS-51单片机可以和8155直接连接而不需要任何外加逻辑器件。 8031单片机P0口输出的低8位地址不需要另加锁存器而直接与8155的AD0～AD7相连，既做低8为地址总线又作数据总线，地址锁存直接用ALE在8155锁存。8155CE端接P2.7，IO/M端P2.0相连。当P2.7位低电平时，若P2.0=1,访问8155的I/O口；若P2.0=0，访问8155的RAM单元。由此我们得到8155的地址编码如下： RAM字节地址： 7E00H～7EFFH 命令/状态口： 7F00H PA口： 7F01H PB口： 7F02H PC口： 7F03H 定时器低8位： 7F04H 定时器高8位： 7F05H 下面根据接口电路，说明对8155的操作方法。初始化程序设计，若A口定义为基本输入方式，B口定义为基本输出方式，对输入脉冲进行16分频，则8155的I/O初始化程序如下： START： mov dptr, #7F04H; 指向定时器低8位 mov a, #10H; 计数常数10H movx @dptr, a; 计数常数低8位装入 inc dptr： 指向定时器 movx @dptr, a; 定时器高8位装入高8位 mov a, #40H; 设定时器连续方波输出 mov dptr, #7F00H; 指向命令/状态口 mov dptr， #0FF7EH;C 口地址→dptr mov a, #0C2H； 命令控制字设定 movx @dptr, a; A口为基本输入方式，B口为基本输出方式 开启定时器 ，读8155RAM的F1H单元内容。 程序如下： mov dptr, #7EF1H; 指向8155RAM的F1H单元 movx a, @dptr; F1H单元内容给A 将立即数41H写入8155RAM的20H单元。 程序如下： mov a, #41H; 立即数给A mov dptr, #7E20H; 指向8155RAM的20H单元 movx @dptr, a; 立即数41H送到8155RAM的20H单元 4.5 步进电机控制电路设计 步进电机的驱动方式采用高低压驱动，即在电机移步时，加额定或超过额定值的电压，以便在较大的电流驱动下，使电机快速移动；而在锁步时，则加低于额定值的电压，只让电机绕组流过锁步所需的电流值。这样，既可减少限流电阻的功率消耗，又可以提高电机的运行速度。[35][36] 步进电机控制的最大特点是开环控制，不需要反馈信号，因为步进电机的运行部产生旋转量的误差。 在五相十拍的程序中，P1口输出的控制字是在程序中给定的。在五相十拍的控制中，由于控制字较多，故把这些控制字以表的形式预先存放在内部RAM单元中，运行程序时以表的形式逐个取出并输入。 假定正反转控制字依次存放在以point为首地址的内部RAM中，表中内容如下： Point： DB 01H； 正转A DB 02H； AB DB 03H； B DB 04H； BC DB 05H； C DB 06H； CD DB 07H； D DB 08H； DE DB 09H； E DB 10H； EA DB 00H； 循环标志 DB 01H； 反转A DB 10H； AE DB 09H； E DB 08H； ED DB 07H； D DB 06H； DC DB 05H； C DB 04H； CB DB 03H； B DB 02H； BA DB 00H； 循环标志 程序： ROUTN： JB F0， LOOP2； 判正反转 MOV R1， #POINT； 建立正转数据指针 LOOP1： MOV A, @R1； 读控制字 JZ LOOP3； 结束符转 MOV P1， A ACALL DELAY； 延时 INC R1； 数据指针加1 AJMP LOOP1； 循环 LOOP2： MOV A ， #POINT； 建立反转数据指针 ADD A， #06H MOV R1, A AJMP LOOP1 LOOP3: DJNZ R0, ROUTN; 判步数到否 RET 4.5.1 步进电机开环驱动原理 每输入一个脉冲，步进电机就前进一步，因此，它也称作脉冲电动机。其种类很多，但主要分三大类：反应式步进电机，永磁式步进电机以及永磁感应式步进电机。反应式电动机机构最简单，使应用最广泛的一种。按控制绕组的相数分为三相、四相、五相、六相等等。无论那种步进电机，他们的工作原理都有相同之处：数字式脉冲信号控制定子磁极、控制绕组按一定顺序依次通电，在定子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转。 步进电动机主要用于开环系统，当然也可以闭环系统。 图4.10是步进电动机开环伺服系统的原理图，它由以下几部分组成： 图4.10 步进电机开环伺服系统的原理 脉冲信号源—是一个脉冲发生器，通常脉冲频率连续可调，送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制。因脉冲频率可调，也称为变频信号源。 脉冲分配器—脉冲按一定的顺序送到功率放大器中放大，驱动步进电动机工作。用硬件进行脉冲顺序的分配，有时称为环形分配器，也简称环分。[37] 功率放大器—将脉冲分配器送来的脉冲放大，使步进电动机获得必要的功率。 步进电动机—伺服系统的执行元件，它带动工作机构，如减速装置，丝杠，工作台。 4.5.2 脉冲分配 对每一个五相步进电机而言，其脉冲分配方式是五相十拍的。其五相分别用A，B，C，D，E表示。五相十拍的运行方式是A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA顺序轮流通电，则转子便顺时针方向一步一步转动。要改变步进电动机的转动方向，只需改变通电的顺序既可。 脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相，该分配可由硬件来实现。在微机控制中，脉冲的分配也可由软件来完成，P1.0，P1.1，P1.2，P1.3，P1.4五位分别输出时序脉冲，经光电隔离、驱动放大使步进电机运转。延时的长短决定了步进电机运行一拍的时间，也就决定了步进电机的转速。[38] 4.5.3 驱动电路 由微机根据控制要求发出的脉冲，并依次将脉冲分配到各相绕组，因其功率很小，电压不足5V，电流为mA级，必须经过驱动器将信号电流放大到若干安培，才能驱动步进电动机。因此，步进电动机驱动器实际上是一个功率放大器。驱动器的质量直接影响步进电动机的性能，驱动器的负载是电机的绕组，是强电感应负载。对驱动器的主要要求是：失真要小，要有较好的前后沿和足够的幅度;效率要高；工作可靠；安装调试和维修方便。 图4.11是一个La绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Tp组成高压控制电路。 图4.11 步进电机高低压驱动电路 无脉冲输入时，T1，T2，T3，T4均截止，电机绕组La中无电路通过，电机不转。 有脉冲输入时，T1，T2，T4饱和导通，在T2由截止到饱和期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感应一个电压，使T3导通，80V高压经高压管T3加到绕组La上，使电流迅速上升，约经数百微秒，当T2进入稳压状态后，Tp初级电路暂时恒定，次级的感应电压降到0，T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值。 输入脉冲结束后，T1，T2，T3，T4又均截止，储存在La中的能量通过18Ω的电阻和二极管泄放，18Ω的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿。 由于采用高低压驱动，电流增长快，电机的力矩和运行频率都得到改善，但由于电机转动时产生的反电动势，使电流波形顶部下凹，使平均电流下降，转矩下降。 4.6 光电隔离电路设计 为了避免外部设备的电源干扰，防止被控对象电路的强电反窜，通常采取将微机的前后通道预备连模块在电器上的隔离的方法。过去通常隔离变压器或中间继电器来实现，而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替。 光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起，以光作为媒体来传输信息的。其封装形式有管形、双列直插式、光导纤维连接等。发光器件一般为砷化镓红外发光二极管。 光电耦合器具有以下特点： 1、信号采取光电形式耦合，发光部分与受光部分无电气回路，绝缘电阻高达 ，绝缘电压为1000—5000V，因而具有极高的电气隔离性能，避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰。 2、由于发光二极管是电流驱动器件，动态电阻很小，对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路，因此抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场的影响，特别是用于长线传输时作为终端负载，可以大大的提高信噪比。 3、光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号，且响应速度快（一般为几毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信号的传输。 光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件。其CTR为10%—100%，脉冲上升和下降时间小于5us，输出电路饱和压降小（0.2V—0.3），电路构件简单，是目前应用较多的一种，主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等。 晶体管输出型的光电耦合器与开关信号耦合时，发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态。在发光二极管通过电流脉冲时，光电晶体管在电路脉冲持续的时间内导通。下图是使用4N25光电耦合器的接口电路，这里4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统与输出设备电气回路的作用，使两部分的电流相互独立。输出部分的地线Vss接地壳或大地，而单片机的电源地线（GND）浮空，这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响。 4.7 LED动态显示程序设计 数码管是八位共阴极，所以发光时字形驱动输出“1”有效，位选驱动输出“0”有效。对8155来讲，字形码输出“0”有效，位选扫描电平为”1”有效。 各数码管虽然是分时轮流通电，但由于发光管具有余辉特性及人眼具有视觉暂留作用，所以适当选取循环扫描频率时，看上去所有的数码管是同时亮的，觉察不出有闪烁现象。不过这种方式数码管不宜太多，一般在8个以内，否则每个数码管所分配到实际导通的时间会太少，使得亮度不足。通常采用动态显示字形码输出及位选信号输出因经过驱动后再与数码管相连。 以下是对LED动态显示电路的程序设计： LED动态显示接口 MOD： PUSH ACC； 保护现场 PUSH DPH PUSH DPL SETB RS0 MOV R0， #CWR； 指向8155控制口 MOV A， #4DH； 设置8155工作方式字 MOVX @R0， A； 设A口、C口都为输入 DIR MOV R0， #DISS； 指向显示缓冲区首单元 MOV R6， #20H； 选中最左数码管 MOVX R7 ， #00H； 设定显示时间 MOV DPTR，#TAB； 指向字形表首址 DIRI： MOV A， #00H MOV R1， #POC； 指向8155A口（字形口） MOVX @R1， A MOVX A， @R0； 取要显示的数 MOVC A， @A+DPTR； 查表得字形码 MOV R1， #POA； 指向8155A口 MOV @R1， A； 送字形码 MOV A， R6； 取位选字 MOV R1， #POC； 指向位选口 MOV @R1, A； 送位选字 HERE： DJNZ R7， HERE； 延时 INC R0； 更新显示缓冲单元 CLR C MOV A， RRC A； 位选字移位 MOV ， A JNZ DIR1； 为扫描完继续循环 CLR RS0； 恢复现场 POP DPL POP DPH POP ACC RET TAB： DB 3FH，06，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07；0-7 DB 7FH，6FH，77H，7CH，39H，5EH，79H，71H；8-0FH 4.8本章小结 本章介绍了控制系统构成，并对系统控制部分进行了设计，实现基于采用步进电机细分驱动技术的数控机床三轴联动加工，分析系统控制硬件结构，制定控制系统硬件框图，实现了课题所要求的加工功能。 第五章 本设计的主要创新点 主要创新点 (1) 本机床采用固定工作台，整体采用牛头式结构，结构合理，刚性好，因而能保证加工工件、工作液稳定性，避免由于移动重物产生惯性、工作液发生震荡而造成的不稳定性，且不会因工作台面荷重而影响加工精度，X、Y轴移动采用滑枕式结构，移动稳定、可靠，确保加工精度。 (2) 滚珠丝杆作为传动元件，与以往的滑动式丝杆向比，具有以下几方面的优点： 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滑动丝杠副的1/3。对节能方面很有帮助。 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。 无侧隙、刚性高：滚珠丝杠副可以加予压,由于予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予压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。 高速进给可能：滚珠丝杠由于运动效率高、发热小，所以可实现高速进给(运动)。 (3) 运动副采用直线滚动导轨，相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点： 定位精度高，容易获得高度的行走精度：直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%。 节省能源效果大 ：采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，具有大幅度节能的效果。 可实现无间隙轻快地高速运动 ：直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。 可长期维持机床的高精度 ：对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。  与之相接触由于摩擦耗能小。滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变得非常容易了。  (4) X Y向采用伺服电机驱动，大大降低了工人的劳动强度。 (5) X向、Y向、Z向均装有数字式位置测量反馈装置，将测量到的位置数据反馈给控制电柜，电柜的位置控制系统发出相应指令可以实现电极的自动定位、复位，还可以进行双向复合加工，即可以实现三轴联动数控加工。 (6) 采用花岗岩固定工作台，其良好的绝缘性和热稳定性使镜面加工得以实现。 第六章 影响电火花加工精度的因素 影响电火花加工精度的因素 影响电火花加工精度的因素很多，机床本身的各种误差，以及工件和工具电极的定位、安装误差，都会影响到加工精度。这里主要讨论与电火花加工工艺有关的因素。主要影响因素有放电间隙的大小及其一致性、工具电极的损耗及其稳定性和“二次放电”。 （1）放电间隙对加工精度的影响 电火花加工放电间隙对加工精度的影响，表现在放电间隙的不稳定性和间隙内电场分布不均匀性，如果加工过程中放电间隙能保持不变，则可以通过修正电极的尺寸对放电间隙进行补偿，能够获得较高的加工精度。 由于间隙内电场分市不均匀性，致使间隙大小对加工精度也有影响，尤其是对复杂形状的加工表面，棱角部位电场强度分布不均，间隙越大，影响越严重。为此，为了减少加工误差，应该采用小规准加工，缩小放电间隙，这样不但能提高仿形精度，而且放电间隙愈小，可能产生的间隙变化量也愈小；另外，还必须尽可能使加工过程稳定。电参数对放电间隙的影响是非常显著的，精加工的放电间隙一般只有0.01mm（单边），而在粗加工时则可达0.5mm以上。 （2）工具电极损耗对加工精度的影响 电极的损耗对尺寸精度和形状精度都有影响。电火花穿孔加工时，电极可以贯穿型孔而补偿电极的损耗。型腔加工时则无法采用这一方法。精密型腔加工时，一般可采用更换电极的方法提高加工精度。 电火花成形加工时，电极的尖角或凹角很难精确地复制在工件上。这是因为当电极有凹角时，工件上对应的尖角处放电蚀除的机率大，容易遭受腐蚀而成为圆角，如图4.1(a)所示。当电极为尖角时，一则由于放电间隙的等距性，工件上只能加工出以尖角顶点为圆心、放电间隙为半径的圆弧；二则电极上的尖角本身因尖端放电蚀除的几率大而损耗成圆角，如图4.1(b)所示。 图4.1 电火花成形加工时的电极尖角变圆 （3）“二次放电”对加工精度的影响 二次放电，是指工件已加工表面上由于电蚀产物等的介入而再次进行的非正常放电，集中反映在加工深度方向产生斜度和加工棱角、棱边变钝。如图4.2所示。 图4.2 电火花成形加工时的工件型面斜度 第七章 总结与展望 本文针对材料硬度超高、尺寸很小，精度和表面质量要求很高的异型孔的加工难题，提出了一种高精度异型孔成形加工的方法——电火花成型加工，并设计了一款新型电火花成型加工机。 参考文献 [1] 中国机械工程学会 中国机械设计大典编委会。中国机械设计大典（4）。江西：江西科学技术出版社，2002. 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Mechatronic Servo System Control Problems in Industries and their Theoretical Solutions. Berlin:Springer, 2004 [35] Giovanni Tani, Raffaele Bedini.Dynamic Hybrid Modeling of the Vertical Z Axis in a High-Speed Machining Center:Towards Virtual Machining. 2007,129, (8)780-788. 致 谢 在本文结束之际，首先要向导师曹亚光老师表示衷心的感谢！曹老师在论文撰写的过程中给予了我细心的指导和关心，使我顺利完成了论文的撰写。还有要感谢南通电大机电专业的全体老师们,是他们昔日的教导,才使我能有今天的收获。 衷心感谢我的老公周卫华先生在课题研究中给我提供一切技术资料与支持。 最后，向所有关心和支持我研究工作的朋友们表示衷心的感谢。 周红梅 2010年05月 袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羁膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿节衿羈腿莄蚂袄芈蒇袇螀芇蕿蚀聿芆艿蒃肅芅蒁螈羁芄薃薁袆芃芃螆螂芃莅蕿肁节蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈蚂螂羂薁袈肀肁芀蚁羆肁莃袆袂肀薅虿袈聿蚇蒂膇肈莇螇肃肇葿薀罿肆薂螆袅肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羁莀蒈羃膇芆蒇蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃虿羆艿薃袁节膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肃芅蕿袈芈膁蚈羀肁蒀蚇蚀袄莆蚇螂肀莂蚆羅袂芈蚅蚄膈膄蚄螇羁蒂蚃衿膆莈蚂羁罿芄螁蚁膄膀螁螃羇葿螀袅膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃蚂肂莈蒂螄芈芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈 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Equation.3 ��� II _1336228654.unknown _1336228985.unknown _1336229064.unknown _1336229993.unknown _1336230010.unknown _1336230073.unknown _1336230592.unknown _1336230599.unknown _1336230144.unknown _1336230220.unknown _1336230126.unknown _1336230018.unknown _1336230022.unknown _1336230014.unknown _1336230002.unknown _1336230006.unknown _1336229997.unknown _1336229114.unknown _1336229139.unknown _1336229193.unknown _1336229984.unknown _1336229989.unknown _1336229214.unknown _1336229223.unknown _1336229975.unknown _1336229218.unknown _1336229204.unknown _1336229152.unknown _1336229163.unknown _1336229143.unknown _1336229131.unknown _1336229134.unknown _1336229126.unknown _1336229093.unknown _1336229106.unknown _1336229111.unknown _1336229098.unknown _1336229078.unknown _1336229082.unknown _1336229072.unknown _1336229023.unknown _1336229046.unknown _1336229054.unknown _1336229059.unknown _1336229049.unknown _1336229036.unknown _1336229040.unknown _1336229028.unknown _1336229004.unknown 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