DK7132数控电火花穿孔成型加工机床-正文（可编辑）

DK7132数控电火花穿孔成型加工机床-正文（可编辑） DK7132数控电火花穿孔成型加工机床-正文 前言电火花加工技术是先进生产制造技术中的一个重要组成部分,是机械制造业中最广泛采用的机械切削和磨削加工的重要补充和发展。其最大特点是:工具和工件是非接触加工,加工中没有宏观的切削力,因而可以用软的铜、石墨等材料加工任何硬度和强度的难加工金属材料;可以加工非常复杂的立体成型表面;可以加工低刚度、薄壁、深孔、微细孔等特殊精密零件。在各类模具制造业中,电火花加工技术是必不可少的关键技术。由于电火花加工技术是机电一体化技术,是机械、电工、电子、数控、自动控制、计算机应用等多门学科、专业知识的综合运用。 我这次毕业 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的课题是DK7132数控电火花成型加工机床。数控电火花加工机床主要包括机械系统和控制系统两大部分。机械系统包括主轴运动,横向进给运动,纵向进?运动,回转运动。控制系统包括步进电机控制电路和脉冲电源电路。这是数控电火花加工机床的重点,也是难点。本说明书分别对这两个系统的设计、计算作了详细介绍,并对其结构设计及工作原理进行了论述,同时对相关工艺问题进行了探讨。 本次设计是在颜竟成教授指导下,和吴乐勤共同合作完成的。本设计从2004年2月9日开始,历时4个多月,我们经历了资料收集、设计 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 论证及确定、图纸设计、说明书编写等过程。在这期间,我共完成手工A0图纸1张,计算机A0图纸5张,计算机A1图纸1张,二万字说明书一份。这次设计在机械设计与制造工艺等方面得到了锻炼,进一步巩固了专业知识,是大学四年所学知识的一次检验和总结。 由于时间仓促及本人水平限制,本设计必定存在诸多不足,望各位老师同学批评指正,提出宝贵意见。 王丹 2004年6月 摘要 电火花加工技术是先进生产制造技术中的一个重要组成部分,是机械制造业中最广泛采用的机械切削和磨削加工的重要补充和发展。其最大特点是:工具和工件是非接触加工,加工中没有宏观的,因而可以用软的铜、石墨等材料加工任何硬度和强度的难加工金属材料;可以加工非常复杂的立体成型表面;可以加工低刚度、薄壁、深孔、微细孔等特殊精密零件。在各类模具制造业中,电火花加工技术是必不可少的关键技术。由于电火花加工技术是机电一体化技术,是机械、电工、电子、数控、自动控制、计算机应用等多门学科、专业知识的综合运用。我的设计课题是DK7132数控电火花穿孔成型加工机床。DK为数控电加工机床,71为电火花穿孔,成型加工机床。32为机床工作台宽度。此次设计包括机床的总体布局设计,主轴运动的设计,横向进给,纵向进?,回转方向运动的设计。其中还包括带轮的强度计算,滚珠丝杆校核,轴承寿命的验算。控制系统部分包括步进电机控制电路和脉冲电源电路,这是数控电火花加工机床的重点设计部分,也是难点。步进电机电路设计包括硬件电路设计和软件系统设计。详细说明了芯片的扩展、键盘显示器接口的设计等等。脉冲电源电路采用高低压复式脉冲电源,它是由晶体管及分立元件组成的电路,输出高低压复式脉冲,可以同时供给两个放电间隙加工,提高生产效率。关键字:数控电火花加工、主轴运动、步进电机、 脉冲电源 Abstract The technology of electrical-discharge machining is an important part of advanced manufacture technology. And it is also an important complementarity and development of machine cutting and grinding machining in machine manufacture. The characteristic of electrical-discharge machining is that the tools and the work piece do not contact. There is no macroscopical cutting force. So we can use the material, such as soft copper and graphite, to machining metal materials regardless any rigidity and intension. The process is suited to the complicated solid molding surface. Electrical-discharge machining is also used for special precise part. In various tool making, the technology of electrical-discharge machining is the necessary key technology. Because the technology of electrical-discharge machining is the technology of mechatronics, and it is the integrate application of many subjects and professional knowledge , for example mechanism、electrician、electron、numerical control、auto control and computer application My design subject is DK7132 numerical control electrical-discharge perforation molding machining tool. DK means numerical control machining tool. 71 means electrical-discharge perforation molding machining tool. 32 means the width of tool’s worktable The design contains collectivity distribution design, principle axis design, landscape orientation feed design, portrait feed design, circumgyrate worktable design. It still includes intension calculation of gear wheel, the checking of ball bearing pole and the calculation of axis gearing life-span. The controlling system part contains the circuit of step-by-step electromotor control and the circuit of pulse electrical source. This part is the most important part of numerical control electrical-discharge machining tool, and it is very hard for me. The design of step-by-step electromotor control includes hardware circuit design and software system design. It explains the enlarging of CMOS chip and the design of keyboard display interface. The circuit of pulse electrical source uses high and low voltage pulse electrical source. The circuit is composed by transistor and unattached elements, it exports high and low voltage pulse, which can apply with two electrical-discharge interval and improve productivity Key words: Numerical control electrical-discharge machining, principle axis motion , step-by-step electromotor, pulse electrical source 前言电火花加工技术是先进生产制造技术中的一个重要组成部分,是机械制 造业中最广泛采用的机械切削和磨削加工的重要补充和发展。其最大特点是:工 具和工件是非接触加工,加工中没有宏观的切削力,因而可以用软的铜、石墨等材 料加工任何硬度和强度的难加工金属材料;可以加工非常复杂的立体成型表面; 可以加工低刚度、薄壁、深孔、微细孔等特殊精密零件。在各类模具制造业中, 电火花加工技术是必不可少的关键技术。由于电火花加工技术是机电一体化技术, 是机械、电工、电子、数控、自动控制、计算机应用等多门学科、专业知识的综 合运用。 我这次毕业设计的课题是DK7132数控电火花成型加工机床。数控电火花加工机床主要包括机械系统和控制系统两大部分。机械系统包括主轴运动,横向进给运动,纵向进?运动,回转运动。控制系统包括步进电机控制电路和脉冲电源电路。这是数控电火花加工机床的重点,也是难点。本说明书分别对这两个系统的设计、计算作了详细介绍,并对其结构设计及工作原理进行了论述,同时对相关工艺问题进行了探讨。 本次设计是在颜竟成教授指导下,和吴乐勤共同合作完成的。本设计从2004年2月9日开始,历时4个多月,我们经历了资料收集、设计方案论证及确定、图纸设计、说明书编写等过程。在这期间,我共完成手工A0图纸1张,计算机A0图纸5张,计算机A1图纸1张,二万字说明书一份。这次设计在机械设计与制造工艺等方面得到了锻炼,进一步巩固了专业知识,是大学四年所学知识的一次检验和总结。 由于时间仓促及本人水平限制,本设计必定存在诸多不足,望各位老师同学批评指正,提出宝贵意见。 王丹 2004年6月 目 录 一.电火花加工的基本知识………………………………………………1 一电火花加工的基本原理……………………………………………1 二电火花加工的特点和适用范围……………………………………2 二.总体方案设计…………………………………………………………5 三.机械系统的设计…………………………………………………… 10 一脉冲当量的选择………………………………………………… 10 二传动比的选定…………………………………………………… 10 三滚珠丝杆的选型和校核………………………………………… 11 四步进电机的选用………………………………………………… 13 五同步带的设计选用……………………………………………… 15 六回转工作台的设计……………………………………………… 17 四.控制系统的设计……………………………………………………… 29 一 控制系统总体方案的拟定………………………………………29 二 总控制系统硬件电路设计………………………………………29 三 控制系统的软件设计………………………………………… 45 四 脉冲电源……………………………………………………… 53 五.翻译……………………………………………………………………57 六.参考文献………………………………………………………………69 七.结束语…………………………………………………………………70 一、电火花加工的基本知识 (一)电火花加工的基本原理 电火花加工的原理是基于工具和工件(正、负电极)之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属,以达到对零件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。电腐蚀现象早在20世纪初就被人们发现,例如在插头或电器开关触点开、闭时,往往产生火花而把接触表面烧毛,腐蚀成粗糙不平的凹坑而逐渐损 坏。长期以来,电腐蚀一直被人们认为是一种有害的现象,人们不断地研究电腐蚀的原因并设法减轻和避免电腐蚀的发生。但事物都是一分为二的,只要掌握规律,在一定条件下可以把坏事转成好事,把有害变为有用。1940年前后,前苏联科学院电工研究所拉扎连柯夫妇的研究结果表明,电火花腐蚀的主要原因是:电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热,达到很高的温度,足以使任何金属材料局部熔化、汽化而被蚀除掉,形成放电凹坑。这样,热门在研究抗电腐蚀 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 的同时,开始研究利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工,终于在1943年拉扎连柯夫妇研制出利用电容器反复充电放电原理的世界上第一台使用化的电火花加工装置。 实践表面,要把有害的电火花放电转化为有用的加工技术,必须创造条件,作到以下几点: ?使工具电极和工件被加工表面之间经常保持一定的放电间隙,这一间隙随加工条件而定,通常约为几微米到几百微米。如果间隙过大,极间电压不能击穿极间介质,因而不会产生火花放电;如果间隙太小,很容易形成短路接触,同样也不能产生火花放电。为此,在电火花加工过程中必须具有工具电极的自动进给和调节装置。 ?使火花放电为瞬时的脉冲放电,并在放电延续一段时间后,停歇一段时间。这样才能使放电所产生的热量来不及传导扩散到其余部分,把每一次的放电点分别局限在很小范围内;否则,像持续电弧放电那样,使放电点表面大量发热、熔化、烧伤,只能用于焊接或切割,而无法用作尺寸加工,故电火花加工必须采用脉冲电源。 ?使火花放电在有一定绝缘性能的液体介质中进行,例如煤油、皂化液或 去离子水等。液体介质又称工作液,必须具有较高的绝缘强度,以有利于产生脉冲性的火花放电。同时,液体介质还能把电火花加工过程中产生的金属小屑、碳黑等电蚀产物从放电间隙中悬浮排除出去,并且对工具电极和工件表面有较好的冷却作用。 通常用石墨、钢、铜等导电材料做工具电极称为电极,被加工的导电材料做工作电极称工件。电火花加工是在电极和工件之间通入绝缘液体介质,并在电极和工件上接入高频脉冲电源。调节和移动电极和工件之间的距离。在一定的范围内,在高频脉冲电源发出一系列的脉冲电压作用下,绝缘液体介质被击穿,产生两极间放电。能量放电较大,两极间隙在几十微米范围。较小能量的细放电,两极间隙也需有2?5μm。在放电的瞬间,两极见产生高温和高压放电柱,即是电击穿,在放电基部产生可达3000?的高温,引起金属表面结构熔化或电离,还可以使绝缘液体产生汽化等。由于绝缘液体介质在油泵作用下产生压力,具有冲洗作用,并能将击穿产生的熔化、汽化或电离的碳化物冲走。汽化的扩展也能使金属粒子被分散。由于放电产生的金属离子、气体、焦油产物扩散后,在工件和电极之间有形成绝缘介质,下一次放电有在两极间产生极间电压。当放电加工一个接着一个产生后,在工件上产生粗糙的放电表面,一次放电后,绝缘液体介质的恢复时间是放电加工时间的2倍。对一个高电流脉冲,需要短的放电时间,一次放电时间大约需用几个微秒到几个毫秒,通常放电频率从几百赫兹到几千赫兹。引起击穿状态持续一个规定的时间周期就是放电脉冲宽度。 电火花成型机就是利用这一电腐蚀原理进行加工的。它还可以先进行工具电极的成型加工,再利用工具电极对其他金属导电材料的工件进行电火花仿行加工,使得工件与工具电极成相似型或相同,从而完成对各种各样的复杂模具和 复杂零件的放行加工。 (二)电火花加工的特点和适用范围 1.适合与于难切削材料的加工。由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作用实现的,材料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性,如熔点、沸点(气化点)、比热容、导热系数、电阻率等,而几乎与其力学性能(硬度、强度等)无关。这样可以突破传统切削加工对刀具的限制,可以实现用软的工具加工硬韧的工件,甚至可以加工像聚晶金刚石、立方氮化硼一类的超硬材料。目前电极材料多采用紫铜或石墨,因此工具电极较容易加工。 2.可以加工特殊及复杂形状的零件。由于加工中工具电极和工件不直接接触,没有机械加工的切削力,因此适宜加工低刚度工件及微细加工。由于可以简单地将工具电极的形状复制到工件上,因此特别适用于复杂表面形状工件的加工,如复杂型腔模具加工等。数控技术的采用使得用简单的电极加工复杂形状零件也成为可能。 3.易于实现加工过程自动化。由于是直接利用电能加工,而电能、电参数较机械量易于数字控制、适应控制、智能化控制和无人化操作等。 4.可以改进结构设计,改善结构的工艺性。例如可以将拼镶结构的硬质合金冲模,改为用电火花加工的整体结构,减少了加工工时和装配工时,延长了使用寿命。又如喷气发动机中的叶轮,采用电火花加工后可以拼镶、焊接结构改为整体叶轮,既大大提高了工作可靠度,又大大减少了体积和质量。 电火花加工也有其一定的局限性,具体如下: 1.只能用于加工金属等导体材料。不像切削加工那样可以加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。但近年 来研究表明,在一定的条件下也可以加工半导体和聚晶金刚石等非导体超硬材料。 2.加工速度一般较慢。因此通常安排工艺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,但最近的研究结果表明,采用特殊水基不燃性工作液进行电火花加工,其粗糙度甚至高于切削加工。 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低面,影响成型精度。但最近的机床的产品在粗加工时已能将电极相对损耗比降至1%以下,在中、精加工时能将损耗0.1%以下,甚至更小。 4.最小角部半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部半径等于加工间隙(通常为0.02~0.3mm),若电极有损耗或采用平动头加工,则角部半径还要增大。但近年来的多轴数控电火花加工机床,采用 X、Y、Z轴数控摇动加工,可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的侧壁和底面。 由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点,因此其应用领域日益扩大,目前已广泛应用于机械(特别是模具制造)、宇航、航空、电子、电机、电器、精密微细机械、仪器仪表、汽车、轻工业等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几十微米的小轴、孔、缝,大到几米的超大型模具和零件。 二、 总体方案设计 总体方案设计包含功能设计、结构设计和性能设计三部分。功能设计,即在调研分析,确定了所设计机床的工作参数(运动、动力、尺寸)之后,通过功能分解,创新出或类比出可以实现加工要求的各种总体布局方案。创新设计,主要通过对运动功能的分解和合成来确定其布局方案,这对于设计 加工特定零件的专用机床较为有效。而变型设计或类比设计主要通过查询比较确定可参照的机床布局方案,大量用于设计一般的通用性机床。结构设计是在总体布局方案基本确定后,对机械结构件进行主要形状和尺寸的设计,这同样有类比和创成设计两类。类比设计是建立在成组技术和模块化技术的基础上,采用参数化设计方法来实现。而创成式设计主要是按照设计人员的意志,通过对基础模块(板、梁、筋、孔、凸缘、法兰等)的实体进行拼装、重迭等操作来实现。性能设计是根据机床的总体性能要求对运动误差、精度和刚度等进行设计分配,并综合应用有限元法、边界元法、分布参数法等方法快速计算和比较各种可能方案的优劣。 首先,我将设计任务书所给的条件列出如下: 1.工作台宽度:320cm,长度:500cm; 纵向行程:250cm,横向行程:320cm; 主轴头垂直行程:125cm,滑座行程:250cm。 2.每发出一个脉冲信号,工作台纵向、横向移动为0.01mm,主轴头垂直移动为0.005mm。 此次设计我采用了类比设计,在外观设计上我参考了我们机械系楼里的D7140电火花加工机床,对其大体有个了解:电火花加工机床加工时工件固定在工作台上,由滚珠丝杆带动的电极头缓慢的向下移动,且移动精度要求较高。其主轴动力系统为交流伺服电机,通过齿轮变速后连接滚珠丝杆带动主轴头移动,且有光栅尺检测其位置;纵向、横向进给系统也采用滚珠丝杆传动,直接用手柄驱动,而没有采用电机驱动,导轨则采用了滑动导轨。 紧接着我参阅了相关的资料,对电火花加工的发展来源、经历以及前景有个大体的了解,对于其加工范围、优、 缺点有个详尽的认识。1940年前后,前苏联科学院电工研究所拉扎连柯夫妇的研究结果表明,电火花腐蚀的主要原因是:电火花放电时火花通道中瞬时产生大量的热,达到很高的温度,足以使任何金属材料局部熔化、汽化而被蚀除掉,形成放电凹坑。这样,热门在研究抗电腐蚀办法的同时,开始研究利用电腐蚀现象对金属材料进行尺寸加工,终于在1943年拉扎连柯夫妇研制出利用电容器反复充电放电原理的世界上第一台使用化的电火花加工装置。 数控电火花成型机是为了适应工业飞速发展,尤其是模具制造工业发展而设计的新型机床,有较高的加工工艺指标,应用广泛,可用于电机、仪表、电器、汽车制造、宇航、家电、轻工、军工等多种行业中的模具制造加工,可以加工各种中小型冲裁模(落料模、复合模和级进模),型腔模(精密压铸、压延、塑料、玻璃制品、粉末冶金和胶木等),各种超硬材料,异型曲面零件,坐标孔零件及成型零件,机床可加工 0.1mm以上的孔径和0.2mm以上的窄缝,切割各种硬质合金和取折断工具等,能对碳素钢、工具钢、淬火钢、硬质合金钢以及其他高硬度金属材料进行放电加工,是加工复杂模具和复杂零件的理想设备。数控电火花成型机也是专门读导电材料进行 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 化电火花加工而设计的,它还可以实现无人操作自动加工,大幅度提高生产效率和经济效益。 其主要加工特点有:适合与于难切削材料的加工;可以加工特殊及复杂形状的零件;易于实现加工过程自动化;可以改进结构设计,改善结构的工艺性。只能用于加工金属等导体材料;加工速度一般较慢;存在电极损耗;最小角部半径有限制。 由于电火花加工具有许多传统切削加工所无法比拟的优点,因此其应用领域日益扩大,目前已广泛应用于机械(特别是模具制造)、宇航、航空、电子、 电机、电器、精密微细机械、仪器仪表、汽车、轻工业等行业,以解决难加工材料及复杂形状零件的加工问题。加工范围已达到小至几十微米的小轴、孔、缝,大到几米的超大型模具和零件。 有了以上的认识,我把DK7132电火花成型机分为主机、工作液槽、数控电源柜等几个主要部分开始设计。主机主要包括床身、滑座、工作台、主轴箱、底座等部分组成。 (1)床身结构 机床采用滑枕式结构,此结构具有较好的刚性和较大的承载能力,并且加工精度高,稳定性能好,工作液箱大,加工效率高。机床的X、Y、Z三个坐标采用步进电动机驱动滚珠丝杆的形式。三个坐标导轨采用滑动导轨。 (2)主轴箱结构 主轴箱包括主轴伺服系统和主轴平衡结构。步进电动机通过同步带与滚珠丝杆连接。滑板移动采用精密直线导轨副。主轴箱还装有刹车装置,防止主轴头自动滑下。当强电接通时,刹车器放松,电机可带滚珠丝杆旋转,使滑板带动主轴箱上下移动。当强电关闭时,刹车器锁住丝杆,防止主轴箱因自重掉下来。 (3)工作台工作台采用电动机直接与滚珠丝杆副相连,移动采用精密直线滑动导轨副。 (4)工作液槽结构 工作液槽安装在工作台上,工作液槽采用单开门的结构形式,门外密封采用O形密封结构。通过调节进油开关及冲吸油压力调节阀来改变油压压力。为了保证加工过程安全进行,加工时工作液面必须比工件上表面高出一定高度,因而在工作液槽上装有液面高度控制器,随着不同高度的工件调节手柄的高度。当液面升到一定位置时,液面控制器接通,此时才能进行放电工作状态。当加工中液面降低时,液面控制器断开,电柜报警,停止加工。当加工中工作油温超过60?时,温度控制器断开,电柜报警,停止加工。 由于伺服驱动部件是数控系统中与机械直接有关的部分,它们的性能决 定了机床各进给轴、主轴和其他伺服轴的基本控制特性,它们的价格也占整个数控系统的大部分,所以正确、合理地选择可靠因为从目前情况来看,伺服故障占电气故障的比例较大的伺服驱动部件对提高产品的功能/价格比起着决定性的作用。 1进给伺服电机的选择 输出转矩是进给电机负载能力的指标。从图1可见,在连续操作状态下,输出转矩是随转速的升高而减小的,电机的性能越好,这种减小值就越小。为进给轴配置电机时应满足最高切削速度时的输出转矩。虽然在快速进给时不作切削,负载较小,但也应考虑最高快速进给速度下的起动转矩。高速时的输出转矩下降过多也会影响进给轴的控制特性。 图2.1 进给电机的扭矩特性 2主轴伺服电机的选择 输出功率是主轴电机负载能力的指标。从图2可见主轴电机的额定功率是指在恒功率区速率n1到n2内运行时的输出功率,低于基本速度n1时是达不到额定功率的,速度越低,输出功率就越小。图2 主轴电机的功率特性为了满足主轴低速时的功率要求,一般采用齿轮箱变速,使主轴低速时的电机速度也在基本速度n1以上,此时机械结构较为复杂,成本也相应增加。在主轴与伺服电机直接连接的数控机床中,有两种方法来提高主轴低速时的功率要求,其一是选择基本速度低的主轴电机或额定功率高一档的主轴电机。其二是采用特种的绕组切换式主轴伺服电机例如VAC-YMF型主轴电机,这种电机的三相绕组在低速运行时接成星形,而在高速运行时接成三角形,从而提高主轴电机的低速功率特性,降低主轴机械部件的成本。 图2.2 主轴电机的功率特性 由以上论述可知,伺服系统设计是数控机床设计中重要的一部分,在此,我也重点论述本设计中的伺服系统的设计计算和改进。 本次数控电火花成型机床设计,涉及的伺服电机的选择及传动设计主要有主轴进给、横向进给、纵向进给以及转盘的设计。主轴进给系统采用了同步带传动,其传动比准确,传动效率高,结构紧凑,工作平稳,适合于电火花加工中所要求的运动平稳,移动精度高等的要求;而纵向、横向进给则直接用连轴套与滚珠丝杆连接,减少了中间传动机构和损耗,有利于简化结构,提高精度,减少噪音。而转盘设计中,选用了可以调节中心距的齿轮传动,这样既满足了此系统降速的要求,又不至于使转盘的运行精度降低。对于转动工作台,我选取了蜗杆、蜗轮传动。三、机械系统的设计 (一)脉冲当量的选择 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数量的脉冲,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,每脉冲代表锻机一定的转角,这个转角经齿轮副和滚珠丝杆使工作台移动一定的距离。每个脉冲所对应的执行件(如工作台)的移距,称为脉冲当量或分辨率,记为,单位为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。考虑到机械传动系统的误差存在,脉冲当量值必须大于定位精度值。此次设计的电火花成型机对机床定位精度的设计要求是?0.01mm,根据该精度要求可确定脉冲当 量为0.005mm/脉冲 (二)传动比的选定 设传动副的传动比为i,若为一级传动,则,为主动齿轮的转速和齿数,为主动齿轮的转速和齿数。若为多级传动,则i为总传动比。 对于步进电机,当埋藏当量(mm/脉冲)确定,并且滚珠丝杆导程(mm)和电机步距角都也已初步选定后,则可用下式计算主轴系统的传动比 对i去取整i4。 (三)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,再根据载荷、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被三次选用,故本人只选取其中最重要的主轴传动中的滚珠丝杆加于设计和校核。其步骤如下: 首先对于一些参数说明如下: 轴向变载荷,其中i表示第i个工作载荷,i1、2、3…n ; 第i个载荷对应的转速r/min; 第i个载荷对应的工作时间 h ; 丝杆副最大移动速度mm/min; 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,滚珠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 ?计算当量载荷 ?初步确定导程 取4mm ?计算丝杆预期工作转速 ?计算丝杆所需的额定载荷 (3)选择丝杆型号 根据初定的和计算的,选取导程为4mm,额定载荷大于的丝杆。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。 2.临界转速校核 校核合格。 3.由于此丝杆是竖直放置,且其受力较小,温度变化较小。所以其稳定性、温度变形等在此也没必要校核。 4.滚珠丝杆的预紧 预紧力一般取当量载荷的三分之一或额定动载荷的十分之一。即: 其相应的预紧转矩 (四)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、环境条件的波动而变化;?速度可调,能够快速起动、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电位精度高,速度调节方便快速,受环境影响小,且额定功率小,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,我们选用了型号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,可满足以上公式。 2距频特性 步进电机最大静转矩Mj是指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩Mmq与最大静转矩Mj的关系是: Mmq 步进电机空载启动是指电机在没有外加工作负载下的启动。步进电机所需空载启动力矩按下式计算: 式中:Mkq为空载启动力矩;Mka为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;Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩;为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机名义启动转矩,即: MkqMmqλMj 计算Mkq的各项力矩如下: ?加速力矩 ?空载摩擦力矩 ?附加摩擦力矩 2.启动矩频特性校核 步进电机有三种工况:启动,快速进给运行,工进运行。 前面提出的,仅仅是指初选惦记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。因此很少用。而升速启动过程中只要升速时间足够长,启动过程缓慢,空载启动力矩中的加速力矩不会很大。一般不会发生丢步现象。 (五)同步带的设计选用 同步带传动是利用齿形带的齿形和带轮依次相啮合来传递动力或运动。它与平带传动、V带传动比较具有传动比准确,轴和轴承上载荷较小,传动效率较高,结构紧凑,工作平稳等优点。但是,制造、安装精度要求较高。 同步带传动设计计算的主要内容是根据传递的名义功率、转速、速比及工况来正确选择同步带的信号、带长、带宽、及带轮的齿数和直径。计算步骤如下: 1.计算设计功率 2.选定带型和节距 由0.137kw和n4000r/m可以选出XL型,节距 5.080mm。 3.根据带型XL和小带轮转速n可查得小带轮最少齿数为,此处取小带轮齿数。 4.小带轮结圆直径 5.大带轮齿数 6.大带轮结圆直径 7.带速v 8.初定轴间距 9.带长及齿数 选用带长代号210的XL型同步带,其节线长,节线上的齿数z90。 10.实际轴间距 11.小带轮啮合齿数 12.基本额定功率 13.所需带宽 查表可选代号为037的XL型带,其带宽为9.5mm。 14.作用在轴上的力 15.带轮的结构和尺寸 传动选用的同步带为180XL4.8 小带轮: 大带轮: 根据以上的数据可决定带轮的结构和全部尺寸。 (六)回转工作台的设计 1.工作原理 数控回转工作台主要用于数控镗床和数控铣床,现在我们参考其结构,用于数控电火花成型加工。这样可以扩大数控电火花成型加工的加工范围,不在局限于工作台只能横向和纵向进给。数控回转工作台其外形和分度工作台相似,但其内部结构却具有数控进给驱动机构的许多特点。它的功能是使工作台进行圆周进给,使工件随着工作台运动,并使工作台进行分度。开环系统中的数控转台由传动系统、间隙消除装置及蜗轮夹紧装置等组成, 下面我介绍一下数控电火花成型加工回转工作台的基本原理,其原理图如下: 图3.1 数控回转工作台的工作原理 当数控工作台接到数控系统指令后,首先把蜗轮松开,然后启动步进电机,按指令脉冲来确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。 工作台的运动由步进电机1驱动,经齿轮2和4带动蜗杆9,通过蜗轮10使工作台回转。为了尽量消除传动间隙和反向间隙,齿轮2和齿轮4相啮合的侧隙,是靠调整偏心环3来消除。齿轮4和蜗杆9是靠楔形拉紧圆柱销5(A-A剖面)来连接,这种连接方法能消除轴与套的配合间隙。为了消除蜗杆副的传动间隙,采用了双螺距渐厚蜗杆,通过移动蜗杆的轴向位置来调整间隙。这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距,因此蜗杆齿厚从一端向另一端逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相同的,所以仍然保持着正常的啮合。调整时先松开螺母7上的锁紧螺钉8,使压块6与调整套11松开,同时将楔形圆柱销5松开。然后转动调整套11,带动窝杆9作轴向移动。根据设计要求,窝杆有10mm的轴向移动调整量,这时蜗杆副的侧隙可调整0.2mm。调整后锁紧调整套11和楔形圆柱销5。蜗杆的左端由 双列滚针轴承支承。左端为自由端可以伸长以消除温度变化的影响;右端装有双列推力轴承,能轴向定位。 当工作台静止时必须处于锁紧状态。工作台面用沿其圆周方向分布的八个夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时,夹紧液压缸14的上腔进压力油,使活塞15向下运动,通过钢球17,夹紧瓦13及12将蜗轮10夹紧。当工作台需要回转时,数控系统发出指令,使夹紧液压缸14上腔的油流回油箱。在弹簧16的作用下,钢球17抬起,夹紧瓦12及13松开蜗轮,然后由步进电机1通过传动装置,使蜗轮和回转工作台按照控制系统的指令作回转运动。 开环系统的数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度,因而必须采用高精度的蜗杆副。除此之外,还可以在实际测量工作台静态定位误差之后,确定需要补偿的角度位置和补偿脉冲的符号记忆在补偿回路中,由数控装置进行误差补偿。 数控回转工作台设有零点,当它返回零点运动时,首先由安装在蜗轮上的撞块19碰撞限位开关,使工作台减速;再通过感应块20和无触点开关,使工作台准确地停在零点位置上。 该数控工作台可作任意角度回转和分度,由光栅18进行读数控制,光栅18在圆周上有21600条刻度线,通过6倍频电路,使刻度分辨能力为10”,因此,工作台的分度精度可达?10”。 2.蜗轮蜗杆的设计计算 由于蜗轮蜗杆具有工作平稳、低振动、小噪音的运动特点;其传动时有较高的抗弯强度;传动效率高;传动比大且体积小、重量轻、结构紧凑等特点。我此次设计中的回转工作台要求传动比较大,工作平稳,结构紧凑,体积小。所以我们选用了蜗轮蜗杆传动。 由我选用的步进电机可知,其转速为1920r/m,工作台的转速范围一般为9-15r/m。所以我选用的传动比i为210。根据传动比的分配原则,蜗轮蜗杆的传动比为70,齿轮为3。以下是蜗轮蜗杆的设计计算: 选择蜗杆传动类型 根据GB/T10085-1988的推荐,采用渐开线蜗杆(ZI)。 材料的选择 根据库存材料的情况,并考虑到蜗杆传动传递的功率不大,速度只是中等,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面要求淬火,硬度为45-55HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造。为了节约贵重的有色金属,仅齿圈用青铜制造,而轮芯用灰铸铁HT100制造。 (3)按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则,先按齿面疲劳强度进行设计,再校核赤根弯曲疲劳强度。传动中心距 ?确定作用在蜗轮上的转矩 ?确定载荷系数K 因工作载荷较稳定,故取载荷分布系数;选用使用系数;由于转速不高,冲击不大,可取动载系数;则 ?确定弹性影响系数 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和刚蜗杆相配,故。 ?确定接触系数 假设,所以取3.2?。 ?确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 ZCuSn10P1,金属模铸造,蜗杆螺旋齿面强度 45HRC ,可取蜗轮的基本许用应力为268MPa。 应力循环次数 寿命系数 则 ?计算中心距 取中心距a160mm,因i70,,故取模数m4mm,蜗杆分度圆直径 。这时,可查得接触系数3,因为,因此以上计算结果可用。 (4)蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 ?蜗杆 直径系数q10mm。齿顶圆直径,齿根圆直径。 ?蜗轮 齿数;变位系数; 蜗轮分度圆直径 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直径蜗轮咽喉母圆半径 (5)校核齿根弯曲疲劳强度 当量齿数 根据,,查得齿型系数 螺旋角系数 许用弯曲应力 从表中查得由ZCuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。 寿命系数 弯曲强度是满足要求的。 (6)精度等级公差的确定 考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动,属于通用机械减速器从 GB/T10089-1988圆柱蜗轮、蜗杆精度中选择8级精度。 3.齿轮的设计计算与校核 (1)齿轮齿数的确定 取Z20;由于齿轮齿根与轴上键距离不能为零。 取i3则Z23Z160 取m2 d1mZ12×2040mm d2mZ22×60120mm 齿轮1,2中心距 a1d1+d2/240+120/280mm 参考书《机械设计》 取b0.5d10.5×4020mm 其他数据如下 da1Z1+2ha*m 20+2×1 ×2 44mm da2Z2+2ha*m 60+2×1 ×2 124mm df1Z1-2ha*-2c*m 20-2×1-2×0.25 ×2 35mm df2Z2-2ha*-2c*m 60-2×1-2×0.25×2 115mm (2) 齿轮强度的验算 齿根危险截面的弯曲强度条件式 k?载荷系数 kkAkv ?齿宽系数,取0.5 kA?使用系数,取1 kv?载荷系数,取1.05 ?齿间载荷分配系数,?齿向载荷分布系数 ?小齿轮传递的转距 95.5×105P1/n195.5×105×0.55/19202.73×103N?mm 1.11+0.181+6.7×0.52 ×0.52+0.15×10-3×0.5 1.23045K1×1.05×1.0×1.6 1.218 b×df10.5×3517.5 h2.25×24.5 b/h17.5/4.53.891.16 ?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:2.8,1.55则 18.1MPa N60njLh 60×1920×1×20000 2.304×106 s?疲劳强度安全系数,ssH1, ssF1.25~1.5kN?寿命系数(kFN1.0,kHN1.0) ?齿轮的疲劳极限 340MPa 所以< ?其中: ZH ?区域系数 ZE?弹性影响系数 ZH ZH2.5 ZE189.8MP kHkAkV1×1.05×1.0×1.230451.29 ,< 因此,所设计齿轮也满足齿面接触疲劳强度要求, 齿轮设计合格。 齿轮模数估算 齿轮弯曲疲劳估算: m 32 1.4mm 齿面点蚀估算: A 370 44.25mm 其中n为大齿轮的计算转速,A为齿轮中心距 中心距A及齿数Z、Z求出模数 1.106mm 取mm中较大者 m1.4,现取m2 齿轮模数的验算: 根据接触疲劳计算齿轮模数公式为 m16300mm 式中:N?计算齿轮传递的额定功率 N n?计算齿轮(小齿轮)的计算转速 r/min ?齿宽系数b/m,常取6~10。 Z?计算齿轮的齿数,一般取传动中最小的齿轮的齿数; i大齿轮与小齿轮的齿数比,i ?寿命系数,; n?齿轮的最低转速r/min T?预定的齿轮工作期限,中型机床推荐,T15000~20000h; k?转速变化系数; k?材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化,起着阻止疲劳细缝扩展的作用; k?功率利用系数k?工作情况系数 k?载荷系数 k3?齿向载荷分布系数Y?齿形系数 []、?许用弯曲接触能力 查表得:k11.2,k21.2,k31.15 KsknkNkq knkNkq×0.78×0.51×0.