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畢業(yè)論文 題 目： 電火花機床機械結(jié)構(gòu)設計 專 業(yè)： 學 號： 姓 名： 指導教師： 完成日期： 畢業(yè)論文（設計）任務書 論文（設計）題目： 電火花機床機械結(jié)構(gòu)設計 學號： 姓名： 專業(yè)： 指導教師： 系主任： 一、主要內(nèi)容及基本要求 1、對四軸精密電火花成型機床的機械 系統(tǒng)功能進行分析 ,完成電火花成型機床的整體和各部件的設計、建模。 2、建立機床的虛擬樣機模型 ,對其進行 主運動部件、進給運動執(zhí)行部件 (工作臺、拖板及其傳動部件 )和支承部件設計。 3、 通過機械連接部件驅(qū)動機床工作臺，使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。 二、重點研究的問題 1、機床精度標準 2、進給系統(tǒng) 3、主軸系統(tǒng)參數(shù)設計 4、夾緊裝置分析 三、進度安排 序號 各階段完成的內(nèi)容 完成時間 1 查閱資料 2013 年 2月下旬 2 開題報告 2013 年 3月上旬 3 設計 2013 年 3月中旬 4 分析、驗證 2013 年 3月下旬 5 寫出初稿 2013年 4月上、中旬 6 修改，寫出第二稿 2013 年 4月下旬 7 寫出正式稿 2013 年 5月 8 答辯 2013 年 5月下旬 四、 應收集的資料及主要參考文獻 [1]張志英 ,石軍 . 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化 [J]. 中國制造業(yè)信息化 ,2012,17:36[2]張煒 ,盛亞英 . 數(shù)控電火花成形機床伺服特性及伺服系統(tǒng)設計 [J]. 金屬加工(冷加工 ),2011,10:80[3]張煒 . 大型固定工作臺數(shù)控電火花成形機床的設計 [J]. 科技致富向?qū)?,2011,33:198[4]李震 . 基于高速主軸深小孔電火花加工技術研究 [D]2013. [5]司杰 . 三軸數(shù)控電火花機床設計與虛擬裝配研究 [D]2007. [6]徐欣 . 數(shù)控電火花成型機床主軸支承系統(tǒng)的研究 [D]2007. [7]孟翠 ,滕向陽 ,賈志新 . 新型電火花線切割機床的設計與可行性研究 [J]2007,09:31[8] 廣州電機廠電火花小組 . 使用電火花機床的幾點體會 [J]. 電加工 ,1975,01:42[9] 中國科學院沈陽計算技術研究所有限公司 電火花磨雙用數(shù)控機床 :中國 ,]畢業(yè)論文（設計）評閱表 學號 姓名 專業(yè) 畢業(yè)論文（設計）題目： 電火花機床機械結(jié)構(gòu)設計 評價項目 評 價 內(nèi) 容 選題 現(xiàn)學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的； 量是否適當； 研、社會等實際相結(jié)合。 能力 合歸納資料的能力； 究方法和手段的運用能力； 論文 （設計）質(zhì)量 述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范； 無觀點提煉，綜合概括能力如何； 無創(chuàng)新之處。 綜 合 評 價 選題符合教學計劃要求，具有綜合訓練的目的，具有文獻查閱能力和計算機運用能力，立證正確，論述充分，分析處理正確，有應用價值，同意進行答辯。 評閱人： 年 月 日 畢業(yè)論文（設計）鑒定意見 學號： 姓名： 專業(yè)： 畢業(yè)論文（設計說明書） 頁 圖 表 張 論文（設計）題目： 電火花機床機械結(jié)構(gòu)設計 內(nèi)容提要： 介紹了電火花成型機床的加工原理、特點及其發(fā)展歷程：它是通過脈沖直流電源不 斷產(chǎn)生火花放電來去除工件材料，且在工件與工具之間有絕緣液體介質(zhì)。 分析并設計了電火花成型機床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。機床總體布局為單柱立式，主軸采用步進 電機拖動滾珠絲桿完成升降，利用步進電機多級可變細分技術，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的變頻、 變步距雙重伺服調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的跟蹤能力和穩(wěn)定性。進給系統(tǒng)采用滾珠絲桿和十字滑 座實現(xiàn)工作臺的橫向、縱向移動，運動平穩(wěn)。 電火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范圍等方面取得重大突破，一個重 要的發(fā)展方向就是對機床成形運動方式的創(chuàng)新和多樣化。 本課題的研究，是對電火花成 型加工發(fā)展方向的一次有益嘗試，通過改進電火花加工機床的伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機 床結(jié)構(gòu)等，在保證加工精度的前提下提高了加工效率；通過開放式的控制系統(tǒng)，提高了 電火花成型加工過程的自動化。 指導教師評語 李斯琴 同學在畢業(yè)設計期間態(tài)度比較認真，其畢業(yè)設計的內(nèi)容為 電火花機床機械結(jié)構(gòu) 設計，在認真閱讀國內(nèi)外相關參考文獻基礎上，基本了解相關領域的研究現(xiàn)狀。在畢業(yè)設計期間，對 電火花機床 進行了結(jié)構(gòu)設計及相關的設計計算。通過畢業(yè)設計 李斯琴 同學對機械設計的相關技巧、以及機械設制造相關領域的基礎知識的掌握有了較大的進步，初步掌握了相關制圖軟件在機械設計中的應用。論文達到畢業(yè)設計要求，同意參加答辯，推薦畢業(yè)設計成績?yōu)?“ ” 。 指導教師： 年 月 日 答辯簡要情況及評語 根據(jù)答辯情況，答辯小組同意成績評定為“ ”。 答辯小組組長： 年 月 日 答辯委員會意見 經(jīng)答辯委員會討論，同意該畢業(yè)論文（設計）成績評定為“ ”。 答辯委員會主任： 年 月 日 目 錄 中文摘要 2 2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 1 英文摘要 2 2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 2 一、引言 2 222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 3 研究的目的和意義222222222222222222222222222222222222222222222222 3 設計國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 222222222222222222222222222222222222222 4 設計擬解決的關鍵問題和研究方法2222222222222222222222222222222222 5 火花成型加工特點和適用范圍 22222222222222222222222222222222222222 5 二、 電火花成型機床總體結(jié)構(gòu)設計 2222222222222222222222222222222222222 8 火花成型機的結(jié)構(gòu) 形式 2222222222222222222222222222222222222222222 8 火花成型機結(jié)構(gòu)設計 22222222222222222222222222222222222222222222222 9 三、 主軸系統(tǒng)設計 2 22222222222222222222222222222222222222222222222222222 13 軸系統(tǒng)設計方案 22222222222222222222222222222222222222222222222222 13 機的選擇 2222222222222222222222222222222222222222222222222222222 14 步齒形帶設計 222222222222222222222222222222222222222222222222222 19 珠絲桿副的設計 22222222222222222222222222222222222222222222222222 22 線導軌的設計 222222222222222222222222222222222222222222222222222 27 四、工作臺設計 2 2222222222222222222222222222222222222222222222222222222 29 五、十字滑座設計 2 22222222222222222222222222222222222222222222222222 222 34 六、電極夾頭設計 2 222222222222222222222222222222222222222222222222222222 37 七、機床潤滑系統(tǒng)設計 2222222222222222222222222222222222222222222222222 40 八、工作液循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)設計 222222222222222222222222222222222222222222 42 參考文獻 2 22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 辭 2222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 46 附錄2 22222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 47 翻譯2 222222222222222222222222222222222222222222222222222222222 52 摘 要： 介紹了電火花成型機床的加工原理、特點及其發(fā)展歷程：它是通過脈沖直流電源不斷產(chǎn)生火花放電來去除工件材料，且在工件與工具之間有絕緣液體介質(zhì)。 分析并設計了電火花成型機床結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。機床總體布局為單柱立式，主軸采用步進電機拖動滾珠絲桿完成升降，利用步進電機多級可變細分技術，實現(xiàn)伺服系統(tǒng)的變頻、變步距雙重伺服調(diào)節(jié)，提高系統(tǒng)的跟蹤能力和穩(wěn)定性。進給系統(tǒng)采用滾珠絲桿和十字滑座實現(xiàn)工作 臺的橫向、縱向移動，運動平穩(wěn)。 電火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范圍等方面取得重大突破，一個重要的發(fā)展方向就是對機床成形運動方式的創(chuàng)新和多樣化。 本課題的研究，是對電火花成型加工發(fā)展方向的一次有益嘗試，通過改進電火花加工機床的伺服系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機床結(jié)構(gòu)等，在保證加工精度的前提下提高了加工效率；通過開放式的控制系統(tǒng)，提高了電火花成型加工過程的自動化。 關鍵詞： 電火花； 主軸； 滾珠絲桿； 十字滑座； of DM by is in a C a DM as a 3is in to up of of on be in of of a an of is of of is a of DM a by DM of to DM 一 引言 精密數(shù)控電火花成型機是為了適應工業(yè)飛速發(fā)展，尤其是模具制造工業(yè)發(fā)展而設計的新型機床，有較高的加工工藝指標，應用廣泛，用于電機、儀表、電器 、汽車制造、宇航、家電、輕上、軍工等多種行業(yè)中的模具制造加工。可以加工各種中小型沖裁模 (落料模、復合模和級進模 )，型腔模 (精密壓鑄、壓延、塑料、玻璃制品、粉末冶金和膠木等 )，各種超硬度材料，異型曲面零件，坐標孔零件及成型零件。機床可以加工如直徑為 0． 1上的孔徑和 0． 2上的窄縫，切割各種硬質(zhì)臺金和取折斷工具等，能對碳素鋼、工具鋼、淬火鋼、硬質(zhì)合金鋼以及其他高硬度金屬材料進行放電加工，是加工復雜模具和復雜零件的理想設備。數(shù)控電火花成型機也是專門對導電材料進行標準化電火花加工而設計的。它還可以實現(xiàn)無人 操作自動加工，大幅度提高生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益。所以說，數(shù)控電火花成型機床的問世，對傳統(tǒng)的機加工技術產(chǎn)生了很大的沖擊，也給制造行業(yè)帶來了新的發(fā)展和進步。 隨著電子技術、計算機技術、 精密模具 制造技術、材料科學等尖端科學技術的飛速發(fā)展，對零件的精度、性能、壽命的要求越來越高。因此在設計上采用了許多新技術、新材料、新結(jié)構(gòu)，導致零件的結(jié)構(gòu)、形狀復雜，如薄壁深孔零件，這類零件出于精度、壽命等因素考慮，常采用高溫合金、硬質(zhì)合金、耐熱鋼淬火鋼等材料，且加工精度、表面粗糙度要求高，傳統(tǒng)的機械加工方法實現(xiàn)困難、成本高。作為基礎工業(yè)的機械制造業(yè)，其發(fā)展的核心問題之一就是如何進一步提高機械加工的精度和質(zhì)量，同時降低經(jīng)濟成本。 研究的目的和意義 隨著社會的進步和科學技術的發(fā)展，在機加工領域出現(xiàn)了一些硬度高難于用傳統(tǒng)機加工方法加工的新材料。于是在工藝上要求出現(xiàn)一種適應加工需求的加工機械。電火花成型機正是適應了這種需求，并且電火花成型機作為刀具與工件非接觸式加工的機床，克服了以往切削加工機床的局限。 本課題的研究意義：本課題根據(jù)企業(yè)的實際生產(chǎn)需要，通過該課題的研究，將電火花加工技術及加工機床的最新發(fā)展成果應用于企業(yè)的生產(chǎn)實際，設計的機床具有自動進給功能，既實現(xiàn)了研究成果向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，又為企業(yè)節(jié)約了大量的資金，具有重大的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義。 本 課題的主要目的：本課題在對電火花成型機原理分析研究基礎上，研究設計機床的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、驅(qū)動控制、結(jié)構(gòu)的動態(tài)分析與優(yōu)化等。其主要內(nèi)容如下： 1、了解電火花成型機的機械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，根據(jù)零件加工要求，設計機床整體結(jié)構(gòu)； 2、設計機床的進給系統(tǒng)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)； 3、對機床運動進行運動學分析和參數(shù)優(yōu)化。 4、對進給系統(tǒng)進行控制部分設計。 內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀 電火花成型機在 20世紀 40年代開始研究并逐步應用于生產(chǎn)，最初出現(xiàn)的只可單軸進給的單立柱機床。隨后出現(xiàn)了多軸聯(lián)動，多立柱的電火花成型機。異形小孔的加工機床的出現(xiàn)也 是電火花成型機發(fā)展史上的一大進步，例如 面粗糙度可達 工效率成倍提高。但就總體而言，我國在電火花加工領域同日本等國際先進水平還有一定差距。 當前，電火花加工技術正向著高效化、精密化、智能化、微細化、復合化等方向發(fā)展，一些新技術、新思想不斷被運用到電火花加工中去，同時，許多新的工藝手段也不斷涌現(xiàn)，主要包括以下幾個方面 :(1) 微細電火花加工技術 微細加工是應產(chǎn)品微 型化要求而出現(xiàn)的，是加工技術向加工尺寸微小化方向的發(fā)展，一般是指被加工零件直徑或?qū)挾刃∮?200μ細電火花加工技術是電火花加工技術在微細加工領域的一個重要分支，從文獻檢索的情況來看，國內(nèi)外關于微細電火花加工方面的論文非常多，足以說明此研究方向受關注的程度。（ 2) 超聲電火花復合加工技術 在特種加工領域中，綜合利用不同加工方法的技術特長，將多種能量形式進行巧妙結(jié)合的復合加工方式往往可大幅提高加工效率或改善加工質(zhì)量，因而一直是倍受關注的方向之一。電火花加工和超聲加工均因加工速度較慢而困擾著人們 ，然而在電火花加工中引入工具電極的超聲振動，進行超聲電火花復合加工，卻可以改善放電間隙狀況，從而大大提高生產(chǎn)率。 (3) 氣體介質(zhì)放電加工技術 傳統(tǒng)的電火花加工技術是在液體介質(zhì) (通常稱作工作液 )中進行放電加工的，而液體介質(zhì)在加工中起到壓縮放電通道使能量高度集中、加速極間冷卻和消電離過程、加速排除電蝕產(chǎn)物等作用，被認為是電火花加工必不可少的幾大要素之一。然而，最近幾年由日本東京農(nóng)工大學國枝正典教授等人提出的氣中放電加工技術完全改變了人們的上述思想。氣中放電一般使用薄壁管狀電極，加工中管狀電極作回轉(zhuǎn)和軸向伺服運動 ，一定壓力的氣體自管中高速噴出，以避免加工屑反粘凝固在電極和工件表面上，同時加速了熔融和氣化金屬的拋出過程，并起到冷卻電極的作用。氣中放電加工的最大優(yōu)點在于加工過程中電極損耗極低，而且加工時不產(chǎn)生有害氣體，安全性較高，又可簡化機床結(jié)構(gòu)，因而也是倍受關注而成為熱點。 (4) 電火花表面強化技術 由于零件表面性能在零件的使用過程中所起到的重要作用，表面強化技術受到了人們的重視。電火花表面強化技術是一種簡便而靈活的表面處理方法，它是通過電火花放電作用將作為電極的導電材料熔滲進工件表層金屬，形成合金化的表面強化層，從 而使工件表面的物理、化學和機械性能得到改善。電火花表面強化與其他表面強化方法相比，具有如下優(yōu)點：設備簡單，在普通電火花加工機床上即可進行，強化成本較低，處理速度較快，因只在局部進行放電，零件整體溫度仍為室溫因而不會引起零件變形，以及可處理復雜零件等，目前已在軍事、航空、模具、刀具等行業(yè)得到較廣泛的應用。通過查閱分析數(shù)據(jù)及市場調(diào)研，近來電火花成型機床在雖然高效率精密加工技術方面有不斷的進步，但在目前市場競爭中仍然有著很大的危險。我們可以透過于 02 年 9 月 4 日在美國芝加哥舉行的 此次展覽中， 我們可以看到來自瑞士阿奇夏米爾公司、西班牙歐那公司、日本的三菱公司、沙迪克等公司帶來的 中，在電火花成型機床方面，也主要體現(xiàn)在向著高效和精密加工的方向邁進，但同時專家系統(tǒng)的出現(xiàn)也搶占了其部分市場。例如在大面積淺型腔加工、能量控制（變截面加工）、深槽窄縫加工、微細加工、硬質(zhì)合金加工、鏡面加工、輪廓加工等方面，專家系統(tǒng)保證了精密加工的順利實現(xiàn)。 目前精密加工技術中，能加工型腔模的設備越來越多，譬如數(shù)控銑床，數(shù)控仿形銑床，加工中心，特別是再近幾年發(fā)展的高速銑床。國外某些 全可以替代 “無 而且說 然這樣的說法可能有點言過其實，但 得電火花成型機床在市場中面臨激烈的競爭。 但與 比較中， 時也有著它自己的特點。例如在加工硬度為 50加工高硬度材料，不等于它的加工性能好，技術經(jīng)濟合理。因為加工所使用的價格昂貴的刀具壽命只有一小時。也就是說 高硬度材料的加工正是 以在更多的材料要求為高硬 度、耐磨性好的材料的模具行業(yè)中， 以上說明， 電火花成型機床不是誰替代誰的問題，而是相輔相成、互相發(fā)展的問題。同時也說明，在強手林立的市場競爭中，雖然有著強有力的競爭對手，但仍然有著良好的發(fā)展前途。 基于上面的分析，我們這次選擇了電火花成型機床設計，希望對原有電火花成型機床有一定的改進。 解決的關鍵問題和研究方法 本機床采用十字工作臺，根據(jù)《模具制造工藝裝備及應用》采用剛度好的材料并對摩擦表面進行硬化處理，因而能保證加工工件、工作液穩(wěn)定性，避免由于移動重物產(chǎn)生慣性、工 作液發(fā)生震蕩而造成的不穩(wěn)定性，且不會因工作臺面荷重而影響加工精度，X、 動穩(wěn)定、可靠，確保加工精度。 根據(jù)《數(shù)控加工技術》第六章數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)篇，采用滾珠絲桿作為傳動元件，使之能實現(xiàn)微進給、無側(cè)隙、剛性高、高速進給。為減少工具電極的損耗，查《電火花加工技術》表 3用梳形波脈沖電源。 研究方法： 1）文獻調(diào)查法 查閱有關電火花成型機的文獻，了解電火花成型機的加工原理，主要組成部分和他的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。 2）觀察法 通過觀察實驗室的 電火花成型機，了解電火花成型機的主要結(jié)構(gòu)，功能和工作原理。 3） 模擬法 運用 對模型進行仿真實驗，擦看機構(gòu)設計是否合理，并進過反復實驗更改以其達到預期要求。 火花加工特點和適用范圍 于加工中材料的去除是靠放電時的電熱作用實現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導電性及其熱學特性，如熔點、沸點（氣化點）、比熱容、導熱系數(shù)、電阻率等，而幾乎與其力學性能（硬度、強度等）無關。這樣可以突破傳統(tǒng)切削加工對刀具的限制，可以實現(xiàn)用軟的工具加工硬韌的工件，甚至可以加工像聚晶金剛石、立方氮化硼一類的超硬材料。目前電極材料多采用紫銅或石墨，因此工具電極較容易加工。 于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工 件及微細加工。由于可以簡單地將工具電極的形狀復制到工件上，因此特別適用于復雜表面形狀工件的加工，如復雜型腔模具加工等。數(shù)控技術的采用使得用簡單的電極加工復雜形狀零件也成為可能。 3．易于實現(xiàn)加工過程自動化。由于是直接利用電能加工，而電能、電參數(shù)較機械量易于數(shù)字控制、適應控制、智能化控制和無人化操作等。 4．可以改進結(jié)構(gòu)設計，改善結(jié)構(gòu)的工藝性。例如可以將拼鑲結(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)，減少了加工工時和裝配工時，延長了使用壽命。又如噴氣發(fā)動機中的葉輪，采用電火花加工后可以拼鑲、焊接結(jié)構(gòu)改為整 體葉輪，既大大提高了工作可靠度，又大大減少了體積和質(zhì)量。 電火花加工也有其一定的局限性，具體如下： 1．只能用于加工金屬等導體材料。不像切削加工那樣可以加工塑料、陶瓷等絕緣的非導電材料。但近年來研究表明，在一定的條件下也可以加工半導體和聚晶金剛石等非導體超硬材料。 2．加工速度一般較慢。因此通常安排工藝多采用切削來去除大部分余量，然后再進行電火花加工，以求提高生產(chǎn)率，但最近的研究結(jié)果表明，采用特殊水基不燃性工作液進行電火花加工，其粗糙度甚至高于切削加工。 3．存在電極損耗。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低面，影響成型精度。但最近的機床的產(chǎn)品在粗加工時已能將電極相對損耗比降至 1%以下，在中、精加工時能將損耗 下，甚至更小。 4．最小角部半徑有限制。一般電火花加工能得到的最小角部半徑等于加工間隙（通常為 若電極有損耗或采用平動頭加工，則角部半徑還要增大。但近年來的多軸數(shù)控電火花加工機床，采用 X、 Y、 Z 軸數(shù)控搖動加工，可以清棱清角地加工出方孔、窄槽的側(cè)壁和底面。 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，因此其應用領域 日益擴大，目前已廣泛應用于機械（特別是模具制造）、宇航、航空、電子、電機、電器、精密微細機械、儀器儀表、汽車、輕工業(yè)等行業(yè)，以解決難加工材料及復雜形狀零件的加工問題。加工范圍已達到小至幾十微米的小軸、孔、縫，大到幾米的超大型模具和零件。 二 電火花成型機床總體結(jié)構(gòu)設計 火花成型機的結(jié)構(gòu)形式 電火花成型加工機床結(jié)構(gòu)有多種形式，根據(jù)不同加工對象，常見的結(jié)構(gòu)有“ C”形結(jié)構(gòu)、龍門式結(jié)構(gòu)、牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)、搖臂式結(jié)構(gòu)和臺式結(jié)構(gòu)。 圖 “ C”形結(jié)構(gòu) 1 2 3 4“ C”形結(jié)構(gòu)如圖 示。加工時，工作臺實現(xiàn) X 軸和 Y 軸伺服進給運動，主軸頭實現(xiàn) 類機床的結(jié)構(gòu)特點是：床身、立柱、主軸頭、工作臺構(gòu)成一“ C”字形。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，具有較好的精度和剛性，操作者可以從前、左、右三面充分靠近工作臺。缺點是：工件裝卸不方便，每次安裝、檢測工件都必須開門放油，然后再關門上油?！?C”形結(jié)構(gòu)較適合中、小型機床，國內(nèi)機床大部分采用此種結(jié)構(gòu)形式。 [9] 圖 12345牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)如圖 種結(jié)構(gòu)形式類似金屬切削機床中的牛頭刨床。工作臺固定不動或?qū)崿F(xiàn) 軸頭通過滑枕實現(xiàn) , 種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：裝卸、檢測工件十分方便，此結(jié)構(gòu)為設計、安裝可升降式工作液槽提供方便；當可升降工作液槽下降時，工件完全暴露出來，可以方便地對工件進行安裝、檢測，完畢后只需將工作液槽升起即可重新加工，提高了工作效率。缺點是 :結(jié)構(gòu)較復雜，制造成本較高。牛頭滑枕式結(jié)構(gòu)比較適合數(shù)控化程度較高的機床。 因為“ C”型結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，具有較好的精度和剛性，且造價相對牛頭式機床更加低廉等優(yōu)點，故本設計采用“ C”型結(jié)構(gòu)。 火花成型機結(jié)構(gòu)設計 根據(jù)對電火花成型機床功能原理的分析，我們需要實現(xiàn)主軸頭和工件之間通過脈沖電源放電來蝕除材料。這要求主軸個工作臺之間形成隔緣，然后分別接脈沖電源的正、負極。根據(jù)任務書要求，設計總體布局為單柱立式。 首先，我將設計任務書所給的條件同時參照電火花成型機床參數(shù)列表如下： 1） 機械規(guī)格 表 計參數(shù) 名稱 電火花成型機床 工作臺 5503 300右行程 300后行程 200軸行程 200軸與工作臺最大距離 550大電極容量 60大工作物重量 500作油槽 8203 5003 300械重量 1300裝箱尺寸 12503 12503 2300次設計我采用了類比設計，在外觀設計上我參考了我們機械院樓里的電火花加工機床，對其大體有個了解：電火花加工機床加工時工件固定在工作臺上，由滾珠絲桿帶動的電極頭緩慢的向下移動，且移動精度要求較高。其主軸動力系統(tǒng)為交流伺服電機，通過齒輪變速后連接滾珠絲桿帶動主軸頭移動，且有光柵尺檢測其位置；縱向、橫向進給系統(tǒng)也采用滾珠絲桿傳動，直接用手柄驅(qū)動，而沒有采用電機驅(qū)動，導軌則采用了滑動導軌。 通過對電火花成型機床資料的了解，把電花成型機分為主機結(jié)構(gòu)、工作液循環(huán)裝置結(jié)構(gòu)、數(shù)控電源柜等幾個主要部分開始設計。其中，我們主要 考慮主機部分的設計，它的結(jié)構(gòu)形式是單柱床身，前邊有十字滑座工作臺，后邊裝有立柱，立柱正前方裝有主軸頭，能沿導軌上下移動。立柱右側(cè)配有機床電器控制箱和控制柜。立柱上方裝主軸頭升降電機及減速箱。其主要包括床身、主軸、電極頭、工作臺及十字滑座五部分的設計。 圖 電源控制箱圖 電火花成型機外觀圖 （ 1）床身結(jié)構(gòu) 機床采用滑枕式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有較好的剛性和較大的承載能力，并且加工精度高，穩(wěn)定性能好，工作液箱大，加工效率高。機床的 X、 Y、 Z 三個坐標采用步進電動機驅(qū)動滾珠絲桿的形式。三個坐標導軌采用滑動導軌。 （ 2）主軸箱結(jié)構(gòu)及主傳動形式 主軸箱包括主軸伺服系統(tǒng)和主軸平衡結(jié)構(gòu)。步進電動機通過同步帶與滾珠絲桿連接?；硪苿硬捎镁苤本€導軌副。主軸箱還裝有剎車裝置，防止主軸頭自動滑下。當強電接通時，剎車器放松，電機可帶滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，使滑板帶動主軸箱上下移動。 當強電關閉時，剎車器鎖住絲桿，防止主軸箱因自重掉下來。主傳動形式主 要有三種（如圖 1帶有變速齒輪的主傳動 (a) ； b）； 3．由主軸電機直接驅(qū)動的主傳動 (c) 。 圖 由于主傳動要保證傳動比，并且同步齒形帶傳動噪音小，故本設計采用同步齒形帶傳動。 （ 3） 工作臺 工作臺采用手柄直接與滾珠絲桿副相連，滑動導軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛性好、抗震性高等特點，移動采用精密直線滑動導軌副。 (a)滑動導軌 (b)滾動導軌 圖 作臺連接結(jié)構(gòu) （ 4）桿的支承形式： 滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，而徑向載荷主要是臥 式絲杠的自重。其兩端支承的配置情況分為一端固定一端自由、兩端固定和一端固定一端浮動，如圖 示。 圖 珠絲杠的支承配置 a)一端固定一端自由 b)兩端固定 c)一端固定一端浮動 1)圖 3.7(a)所示是一端固定一端自由的支承形式。其特點是結(jié)構(gòu)簡單，軸向剛度低，適用于短絲杠及垂直布置絲杠，一般用于數(shù)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)和升降臺式數(shù)控銑床的垂直坐標軸。 2)圖 3.7(b)所示是一端固定一端浮動的支承形式，絲杠軸向剛度與 a)形式相同，絲杠受熱后有膨脹伸長的余地，需保證螺母與兩支承同軸。這種形式的配置結(jié)構(gòu)較復雜，工藝較困難，適用于較長絲杠或臥式絲杠。 3)圖 3.7(c)所示是兩端固定的支承形式，絲杠的軸向剛度約為一端固定形式的 4倍，可預拉伸，這樣既可對滾珠絲杠施加預緊力，又可使絲杠受熱變形得到補償，保持恒定預緊力，但結(jié)構(gòu)工藝都較復雜，適用于長絲杠。 本課題中采用第一種支承配置方式 5）工作液槽結(jié)構(gòu) 工作液槽安裝在工作臺上，工作液槽采用單開門的結(jié)構(gòu)形式，門外密封采用 O 形密封結(jié)構(gòu)。 通過調(diào)節(jié)進油開關及沖吸油壓力調(diào)節(jié)閥來改變油壓壓力。為了保證加工過程安全進行，加工時工作液面必須比工件上表面高出一定高度，因而在工作液槽上裝有液面高度控制器，隨著不同高度的工件調(diào)節(jié)手柄的高度。當液面升到一定位置時，液面控制器接通，此時才能進行放電工作狀態(tài)。當加工中液面降低時，液面控制器斷開，電柜報警，停止加工。當加工中工作油溫超過 602時，溫度控制器斷開，電柜報警，停止加工。 三 主軸傳動系統(tǒng)設計 主軸傳動系統(tǒng)設計方案 電火花機床主軸系統(tǒng)設計主要部分是實現(xiàn)電火花主軸自動進給伺服系統(tǒng)的設計。即是 保持電極與工件之間有恒定的放電間隙，而達到穩(wěn)定的加工目的。因而伺服系統(tǒng)的品質(zhì)優(yōu)劣直接影響電火花機床性能的指標。根據(jù)電火花機床加工的特點，伺服控制系統(tǒng)應該滿足以下要求： ○ 1 響應速度快； ○ 2 進給速度調(diào)節(jié)范圍廣； ○ 3 超調(diào)量小，保證在正常放電間隙內(nèi)。 國內(nèi)電火花機床較普遍采用噴嘴擋板式液壓主軸頭，這里我們參考電火花機床，采用電動機絲桿式主軸頭，主要由旋轉(zhuǎn)電動機（直流電動機、步進電動機），絲桿和滑枕組成，其工作原理：立柱上方裝有 伺服電機，通過同步齒形皮帶和減速齒輪傳遞給滾珠絲桿，再通過絲桿螺母把絲桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化成滑枕的上下直線移動，主軸下端裝有電極夾具，從而實現(xiàn)伺服加工。主軸剖面示意圖如下： 圖 軸剖面示意圖 電機的選擇 電機的選擇： 由于 伺服驅(qū)動部件是數(shù)控系統(tǒng)中與機械直接有關的部分，它們的性能決定了機床各進給軸、主軸和其他伺服軸的基本控制特性，它們的價格也占整個數(shù)控系統(tǒng)的大部分，所以正確、合理地選擇可靠 (因為從目前情況來看，伺服故障占電氣故障的比例較大 )的伺服驅(qū)動部件對提高產(chǎn)品的功能 /價格比起著決定性的作用。 這里我們選擇步進電動機作為主軸的伺服電機。 ○1脈沖當量的選擇 目前，常用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。步進電機每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖每個脈沖代表電機一定數(shù)量的脈沖，每個脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角。步進 電機是一種電脈沖控制的特種電機，對于每一個電脈沖步進電機都將產(chǎn)生一個恒定的步進角位移，每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進電機的步距角 ]/)[( 脈沖?b?，可由選用的步進電機型號從技術數(shù)據(jù)表中查出。 因此，每脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角，這個轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲桿使工作臺移動一定的距離。每個脈沖所對應的執(zhí)行件（如工作臺）的移距，稱為脈沖當量或分辨率，記為p?，單位為 沖。 應根據(jù)機床或工作臺進給系統(tǒng)所要求的定位精度來選定脈沖當量?？紤]到機械傳動系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當量值必須小于定位精度值。此次設計的電火花成型機對機床定位精度的設計要求是± 據(jù)該精度要求可確定脈沖當量為p?=沖 ○2傳動比的選定 因為采用同步齒形帶傳動，故能精確的保證傳動比為 1:1。 ○3步進電機的選用 轉(zhuǎn)矩的有關計算： 本課題中的已知條件： 根據(jù)機床設計要求 ,電極最大重量為 70據(jù)估 計有關的工件重量為：主軸 35直線導軌 6軸絲桿 g,主軸下端板 8殼等重量 g，滾珠絲桿預壓力 N=400N 直線導軌摩擦力不計，電機需要拖動重量共計 G=125機需要拖動力F=1250N。 時間常數(shù)： T=25 珠絲杠基本導程： 脈沖當量： 距角： ； 快速進給速度： 2Vm/ 加工進給速度 V= 綜合系數(shù) f’ = 主軸轉(zhuǎn)動慣量計算： （ 1）主軸質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 π δ180(==×××== （ 2）絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 244144 =×××=×= （ 3）齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 22441 ==×××= 2442 328108.7 =×××= 因為電動機轉(zhuǎn)動慣量很少，故忽略不計 因此，總的轉(zhuǎn)動慣量 1122 )(1 ++=7()35(12+++== 轉(zhuǎn)動力矩計算： 快速空載啟動時所需力矩 0m +=最大切削負載時所需力矩 ++= 0快速進給時所需力矩 0f +=式中 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； 折算到電機軸上的摩擦力矩； 0T— 由于絲杠絲杠所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； 切削時折算到電機軸上的加速度力矩； 折算到電極軸上的切削負載力矩。 ×=當 T =m 52 0 0 00m a x a n =×== g a m a n 4 ==×× ×= m i n/ 0 0π1 0 0 000×××××=== 主 g a ==×× ×= f πη2πη2 000′== 當 f 時 g fT f =×××××= 所以快速空載啟動所需力矩 = g f =+= 所需最大力矩進電機具有以下四個特點：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運行特性好。 數(shù)控電火花成型機的動力系統(tǒng)要求電動機電位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且額定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而 備以上的所有條件，根據(jù)求出的最大轉(zhuǎn)矩進給速度。我們選用了型號 90電動機作為主運動的動力源。 校核時主要有以下幾個步驟： (1)步距角 初選步進電機型號，并從手冊中查到步距角 b? ,由于 ? ?? 3600 綜合考慮，我初選了 4, ?? 即 1 0 4 1 7 0 54 3 6 0 p?? ? ? ??可滿足以上公式。 (2)距頻特性 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 指電機的定位轉(zhuǎn)矩。步進電機的名義啟動轉(zhuǎn)矩 最大靜轉(zhuǎn)矩 步進電機空載啟動是指電機在沒有外加工作負載下的啟動。步進電機所需空載啟動力矩按下式計算： 0MM k fM k aM k q ???式中： 空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；0 而且初選電機型號時應滿足步進電動機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩，即： 算 ①加速力矩 ???????????????a xm a x ?????? ? ?k q???????????? ?????0002)0602 2112m a x ?? ②空載摩擦力矩 0 1 3 . 9 6 0 . 2 7 4 0 . 62 2 0 . 8 4 f ? ? ??? ? ? ?? ? ?‘③附加摩擦力矩 J ??????? ???? 2 2 40)1(2 22000 ????????????????7 7 a 2．啟動矩頻特性校核 步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。 前面提出的 ?M ??，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。 突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少用。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。 同步齒形帶設計 由于電火花機床工作對放電間隙要求比較高，所以在選擇電動機與滾珠絲桿之間的轉(zhuǎn)矩傳遞時，我們選擇了同步帶傳動。它綜合了帶傳動和鏈傳動的優(yōu)點。同步帶通常是以鋼絲繩或玻璃纖維繩等為抗拉層、氯丁橡膠或聚氨酯橡膠為基體、工作面上帶齒的環(huán)狀帶，如下圖 3示。工作時，帶的凸齒與帶輪外緣上的齒槽進行嚙合傳動。由于抗拉層承載后變形小，能保持同步帶的周節(jié)不變，所以帶與帶輪之間沒有相對滑動，從而也保證了同步傳動來實現(xiàn)電動機與滾珠絲桿之間的轉(zhuǎn)矩傳遞。下面我們將進行同步帶的尺寸設計計算： ○ 1 設計功率 由《機械設計手冊二》表 得 1211 . 5 1 6 0 0 06 0 4 0 0 0 /360( ) 0 . 8 7 42/ 0 . 8 7 4 / 4 0 . 2 1 80 . 2 1 8 4 0 0 0919 5 5 0 9 5 5 01 . 5 9 1 0 . 1 3 7r g N i N p k w??? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ? ? ??? ? ?? ? ? ? ?○ 2 根據(jù) 機械設計手冊《二》圖 14取帶型為 距 ○ 3 小帶輪齒數(shù) 據(jù)帶型 L 和小帶輪轉(zhuǎn)速 表 14小帶輪齒數(shù) 5，此處取 6。 圖 帶齒輪 ○ 4 小帶輪節(jié)圓直徑 111 6 5 . 0 8 02 5 . 9m m???? ? ? 由表 得其外徑11 2 2 5 . 9 0 . 5 0 8 2 5 . 3 9 2ad d m m?? ? ? ? ?○5大帶輪齒數(shù)： 21 4 1 6 6 4z ? ? ? ○ 6 大帶輪節(jié)圓直徑： 226 4 5 . 0 8 0 1 0 3 . 5m m???? ? ? 由表 得其外徑22 2 1 0 3 . 5 0 . 5 0 8 1 0 2 . 9 9 2ad d m m?? ? ? ? ?○ 7 帶速 V 11 2 5 . 9 4 0 0 0 5 . 4 /6 0 1 0 0 0 6 0 1 0 0 0m s?? ??? ? ???○ 8 初定軸間距： 取0 150a 9 帶長及其齒數(shù)： ? ?? ?? ?? ?2210 0 1 2022241 0 3 . 5 2 5 . 92 1 5 0 2 5 . 9 1 0 3 . 52 4 1 5 05 1 3 . 2a d ?? ? ? ??? ?? ? ? ? ???????由表 10的 節(jié)線長為 線長上的齒數(shù) Z=90。 ○10實際軸間距 a，此結(jié)構(gòu)的軸間距可調(diào)整 00 5 3 3 . 4 0 5 1 3 . 21 5 0 1 6 0 . 122a m m? ???? ? ? ? ?????○11小帶輪嚙合齒數(shù) ?? ?112122221 6 5 . 0 8 0 1 66 4 1 62 2 1 6 0 . 17 . 1 2 7p zZ e n t z n te n t????? ? ??????? ? ????○12基本額定功率 ?20 1000aT m v ? 由表 得 m=m ? ?205 0 . 1 7 0 . 0 2 2 5 . 4 5 . 40 . 2 6 71000P k W? ?