电火花机床机械结构设计【含全套CAD图纸】

毕业论文 题 目： 电火花机床机械结构设计 专 业： 学 号： 姓 名： 指导教师： 完成日期： 毕业论文（设计）任务书 论文（设计）题目： 电火花机床机械结构设计 学号： 姓名： 专业： 指导教师： 系主任： 一、主要内容及基本要求 1、对四轴精密电火花成型机床的机械 系统功能进行分析 ,完成电火花成型机床的整体和各部件的设计、建模。 2、建立机床的虚拟样机模型 ,对其进行 主运动部件、进给运动执行部件 (工作台、拖板及其传动部件 )和支承部件设计。 3、 通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。 二、重点研究的问题 1、机床精度标准 2、进给系统 3、主轴系统参数设计 4、夹紧装置分析 三、进度安排 序号 各阶段完成的内容 完成时间 1 查阅资料 2013 年 2月下旬 2 开题报告 2013 年 3月上旬 3 设计 2013 年 3月中旬 4 分析、验证 2013 年 3月下旬 5 写出初稿 2013年 4月上、中旬 6 修改，写出第二稿 2013 年 4月下旬 7 写出正式稿 2013 年 5月 8 答辩 2013 年 5月下旬 四、 应收集的资料及主要参考文献 1张志英 ,石军 . 数控机床的结构设计与优化 J. 中国制造业信息化 ,2012,17:362张炜 ,盛亚英 . 数控电火花成形机床伺服特性及伺服系统设计 J. 金属加工(冷加工 ),2011,10:803张炜 . 大型固定工作台数控电火花成形机床的设计 J. 科技致富向导 ,2011,33:1984李震 . 基于高速主轴深小孔电火花加工技术研究 D2013. 5司杰 . 三轴数控电火花机床设计与虚拟装配研究 D2007. 6徐欣 . 数控电火花成型机床主轴支承系统的研究 D2007. 7孟翠 ,滕向阳 ,贾志新 . 新型电火花线切割机床的设计与可行性研究 J2007,09:318 广州电机厂电火花小组 . 使用电火花机床的几点体会 J. 电加工 ,1975,01:429 中国科学院沈阳计算技术研究所有限公司 电火花磨双用数控机床 :中国 ,毕业论文（设计）评阅表 学号 姓名 专业 毕业论文（设计）题目： 电火花机床机械结构设计 评价项目 评 价 内 容 选题 现学科、专业特点和教学计划的基本要求，达到综合训练的目的； 量是否适当； 研、社会等实际相结合。 能力 合归纳资料的能力； 究方法和手段的运用能力； 论文 （设计）质量 述是否充分，结构是否严谨合理；实验是否正确，设计、计算、分析处理是否科学；技术用语是否准确，符号是否统一，图表图纸是否完备、整洁、正确，引文是否规范； 无观点提炼，综合概括能力如何； 无创新之处。 综 合 评 价 选题符合教学计划要求，具有综合训练的目的，具有文献查阅能力和计算机运用能力，立证正确，论述充分，分析处理正确，有应用价值，同意进行答辩。 评阅人： 年 月 日 毕业论文（设计）鉴定意见 学号： 姓名： 专业： 毕业论文（设计说明书） 页 图 表 张 论文（设计）题目： 电火花机床机械结构设计 内容提要： 介绍了电火花成型机床的加工原理、特点及其发展历程：它是通过脉冲直流电源不 断产生火花放电来去除工件材料，且在工件与工具之间有绝缘液体介质。 分析并设计了电火花成型机床结构系统。机床总体布局为单柱立式，主轴采用步进 电机拖动滚珠丝杆完成升降，利用步进电机多级可变细分技术，实现伺服系统的变频、 变步距双重伺服调节，提高系统的跟踪能力和稳定性。进给系统采用滚珠丝杆和十字滑 座实现工作台的横向、纵向移动，运动平稳。 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。 指导教师评语 李斯琴 同学在毕业设计期间态度比较认真，其毕业设计的内容为 电火花机床机械结构 设计，在认真阅读国内外相关参考文献基础上，基本了解相关领域的研究现状。在毕业设计期间，对 电火花机床 进行了结构设计及相关的设计计算。通过毕业设计 李斯琴 同学对机械设计的相关技巧、以及机械设制造相关领域的基础知识的掌握有了较大的进步，初步掌握了相关制图软件在机械设计中的应用。论文达到毕业设计要求，同意参加答辩，推荐毕业设计成绩为 “ ” 。 指导教师： 年 月 日 答辩简要情况及评语 根据答辩情况，答辩小组同意成绩评定为“ ”。 答辩小组组长： 年 月 日 答辩委员会意见 经答辩委员会讨论，同意该毕业论文（设计）成绩评定为“ ”。 答辩委员会主任： 年 月 日 目 录 中文摘要 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 1 英文摘要 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 2 一、引言 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 3 研究的目的和意义²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 3 设计国内外研究历史与现状 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 4 设计拟解决的关键问题和研究方法²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 5 火花成型加工特点和适用范围 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 5 二、 电火花成型机床总体结构设计 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 8 火花成型机的结构 形式 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 8 火花成型机结构设计 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 9 三、 主轴系统设计 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 13 轴系统设计方案 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 13 机的选择 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 14 步齿形带设计 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 19 珠丝杆副的设计 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 22 线导轨的设计 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 27 四、工作台设计 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 29 五、十字滑座设计 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² ²²² 34 六、电极夹头设计 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 37 七、机床润滑系统设计 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 40 八、工作液循环装置结构设计 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 42 参考文献 ² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 辞 ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 46 附录² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 47 翻译² ²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²²² 52 摘 要： 介绍了电火花成型机床的加工原理、特点及其发展历程：它是通过脉冲直流电源不断产生火花放电来去除工件材料，且在工件与工具之间有绝缘液体介质。 分析并设计了电火花成型机床结构系统。机床总体布局为单柱立式，主轴采用步进电机拖动滚珠丝杆完成升降，利用步进电机多级可变细分技术，实现伺服系统的变频、变步距双重伺服调节，提高系统的跟踪能力和稳定性。进给系统采用滚珠丝杆和十字滑座实现工作 台的横向、纵向移动，运动平稳。 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。 关键词： 电火花； 主轴； 滚珠丝杆； 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，用于电机、仪表、电器 、汽车制造、宇航、家电、轻上、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 )，各种超硬度材料，异型曲面零件，坐标孔零件及成型零件。机床可以加工如直径为 0 1上的孔径和 0 2上的窄缝，切割各种硬质台金和取折断工具等，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对导电材料进行标准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。所以说，数控电火花成型机床的问世，对传统的机加工技术产生了很大的冲击，也给制造行业带来了新的发展和进步。 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。 研究的目的和意义 随着社会的进步和科学技术的发展，在机加工领域出现了一些硬度高难于用传统机加工方法加工的新材料。于是在工艺上要求出现一种适应加工需求的加工机械。电火花成型机正是适应了这种需求，并且电火花成型机作为刀具与工件非接触式加工的机床，克服了以往切削加工机床的局限。 本课题的研究意义：本课题根据企业的实际生产需要，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，设计的机床具有自动进给功能，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。 本 课题的主要目的：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。 内外研究历史与现状 电火花成型机在 20世纪 40年代开始研究并逐步应用于生产，最初出现的只可单轴进给的单立柱机床。随后出现了多轴联动，多立柱的电火花成型机。异形小孔的加工机床的出现也 是电火花成型机发展史上的一大进步，例如 面粗糙度可达 工效率成倍提高。但就总体而言，我国在电火花加工领域同日本等国际先进水平还有一定差距。 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 200µ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。通过查阅分析数据及市场调研，近来电火花成型机床在虽然高效率精密加工技术方面有不断的进步，但在目前市场竞争中仍然有着很大的危险。我们可以透过于 02 年 9 月 4 日在美国芝加哥举行的 此次展览中， 我们可以看到来自瑞士阿奇夏米尔公司、西班牙欧那公司、日本的三菱公司、沙迪克等公司带来的 中，在电火花成型机床方面，也主要体现在向着高效和精密加工的方向迈进，但同时专家系统的出现也抢占了其部分市场。例如在大面积浅型腔加工、能量控制（变截面加工）、深槽窄缝加工、微细加工、硬质合金加工、镜面加工、轮廓加工等方面，专家系统保证了精密加工的顺利实现。 目前精密加工技术中，能加工型腔模的设备越来越多，譬如数控铣床，数控仿形铣床，加工中心，特别是再近几年发展的高速铣床。国外某些 全可以替代 “无 而且说 然这样的说法可能有点言过其实，但 得电火花成型机床在市场中面临激烈的竞争。 但与 比较中， 时也有着它自己的特点。例如在加工硬度为 50加工高硬度材料，不等于它的加工性能好，技术经济合理。因为加工所使用的价格昂贵的刀具寿命只有一小时。也就是说 高硬度材料的加工正是 以在更多的材料要求为高硬 度、耐磨性好的材料的模具行业中， 以上说明， 电火花成型机床不是谁替代谁的问题，而是相辅相成、互相发展的问题。同时也说明，在强手林立的市场竞争中，虽然有着强有力的竞争对手，但仍然有着良好的发展前途。 基于上面的分析，我们这次选择了电火花成型机床设计，希望对原有电火花成型机床有一定的改进。 解决的关键问题和研究方法 本机床采用十字工作台，根据模具制造工艺装备及应用采用刚度好的材料并对摩擦表面进行硬化处理，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、 动稳定、可靠，确保加工精度。 根据数控加工技术第六章数控机床的结构篇，采用滚珠丝杆作为传动元件，使之能实现微进给、无侧隙、刚性高、高速进给。为减少工具电极的损耗，查电火花加工技术表 3用梳形波脉冲电源。 研究方法： 1）文献调查法 查阅有关电火花成型机的文献，了解电火花成型机的加工原理，主要组成部分和他的发展历史和现状。 2）观察法 通过观察实验室的 电火花成型机，了解电火花成型机的主要结构，功能和工作原理。 3） 模拟法 运用 对模型进行仿真实验，擦看机构设计是否合理，并进过反复实验更改以其达到预期要求。 火花加工特点和适用范围 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。 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 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 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 电火花成型机床总体结构设计 火花成型机的结构形式 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 “ C”形结构 1 2 3 4“ C”形结构如图 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 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 12345牛头滑枕式结构如图 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 轴头通过滑枕实现 , 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。 因为“ C”型结构具有结构简单，制造容易，具有较好的精度和刚性，且造价相对牛头式机床更加低廉等优点，故本设计采用“ C”型结构。 火花成型机结构设计 根据对电火花成型机床功能原理的分析，我们需要实现主轴头和工件之间通过脉冲电源放电来蚀除材料。这要求主轴个工作台之间形成隔缘，然后分别接脉冲电源的正、负极。根据任务书要求，设计总体布局为单柱立式。 首先，我将设计任务书所给的条件同时参照电火花成型机床参数列表如下： 1） 机械规格 表 计参数 名称 电火花成型机床 工作台 550³ 300右行程 300后行程 200轴行程 200轴与工作台最大距离 550大电极容量 60大工作物重量 500作油槽 820³ 500³ 300械重量 1300装箱尺寸 1250³ 1250³ 2300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院楼里的电火花加工机床，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。 通过对电火花成型机床资料的了解，把电花成型机分为主机结构、工作液循环装置结构、数控电源柜等几个主要部分开始设计。其中，我们主要 考虑主机部分的设计，它的结构形式是单柱床身，前边有十字滑座工作台，后边装有立柱，立柱正前方装有主轴头，能沿导轨上下移动。立柱右侧配有机床电器控制箱和控制柜。立柱上方装主轴头升降电机及减速箱。其主要包括床身、主轴、电极头、工作台及十字滑座五部分的设计。 图 电源控制箱图 电火花成型机外观图 （ 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）主轴箱结构及主传动形式 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。滑枕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。主传动形式主 要有三种（如图 1带有变速齿轮的主传动 (a) ； b）； 3由主轴电机直接驱动的主传动 (c) 。 图 由于主传动要保证传动比，并且同步齿形带传动噪音小，故本设计采用同步齿形带传动。 （ 3） 工作台 工作台采用手柄直接与滚珠丝杆副相连，滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚性好、抗震性高等特点，移动采用精密直线滑动导轨副。 (a)滑动导轨 (b)滚动导轨 图 作台连接结构 （ 4）杆的支承形式： 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 示。 图 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。 本课题中采用第一种支承配置方式 5）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 60²时，温度控制器断开，电柜报警，停止加工。 三 主轴传动系统设计 主轴传动系统设计方案 电火花机床主轴系统设计主要部分是实现电火花主轴自动进给伺服系统的设计。即是 保持电极与工件之间有恒定的放电间隙，而达到稳定的加工目的。因而伺服系统的品质优劣直接影响电火花机床性能的指标。根据电火花机床加工的特点，伺服控制系统应该满足以下要求： 1 响应速度快； 2 进给速度调节范围广； 3 超调量小，保证在正常放电间隙内。 国内电火花机床较普遍采用喷嘴挡板式液压主轴头，这里我们参考电火花机床，采用电动机丝杆式主轴头，主要由旋转电动机（直流电动机、步进电动机），丝杆和滑枕组成，其工作原理：立柱上方装有 伺服电机，通过同步齿形皮带和减速齿轮传递给滚珠丝杆，再通过丝杆螺母把丝杆的旋转运动转化成滑枕的上下直线移动，主轴下端装有电极夹具，从而实现伺服加工。主轴剖面示意图如下： 图 轴剖面示意图 电机的选择 电机的选择： 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。 这里我们选择步进电动机作为主轴的伺服电机。 1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 /)( 脉冲b，可由选用的步进电机型号从技术数据表中查出。 因此，每脉冲代表电机一定的转角，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p，单位为 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，脉冲当量值必须小于定位精度值。此次设计的电火花成型机对机床定位精度的设计要求是± 据该精度要求可确定脉冲当量为p=冲 2传动比的选定 因为采用同步齿形带传动，故能精确的保证传动比为 1:1。 3步进电机的选用 转矩的有关计算： 本课题中的已知条件： 根据机床设计要求 ,电极最大重量为 70据估 计有关的工件重量为：主轴 35直线导轨 6轴丝杆 g,主轴下端板 8壳等重量 g，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=125机需要拖动力F=1250N。 时间常数： T=25 珠丝杠基本导程： 脉冲当量： 距角： ； 快速进给速度： 2Vm/ 加工进给速度 V= 综合系数 f = 主轴转动惯量计算： （ 1）主轴质量折算到电机轴上的转动惯量 180(=×××= （ 2）丝杠的转动惯量 244144 =×××=×= （ 3）齿轮的转动惯量 22441 =×××= 2442 328108.7 =×××= 因为电动机转动惯量很少，故忽略不计 因此，总的转动惯量 1122 )(1 +=7()35(12+= 转动力矩计算： 快速空载启动时所需力矩 0m +=最大切削负载时所需力矩 += 0快速进给时所需力矩 0f +=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； 0T 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 T =m 52 0 0 00m a x a n =×= g a m a n 4 =×× ×= m i n/ 0 01 0 0 000×××××= 主 g a =×× ×= f 22 000= 当 f 时 g fT f =×××××= 所以快速空载启动所需力矩 = g f =+= 所需最大力矩进电机具有以下四个特点：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 备以上的所有条件，根据求出的最大转矩进给速度。我们选用了型号 90电动机作为主运动的动力源。 校核时主要有以下几个步骤： (1)步距角 初选步进电机型号，并从手册中查到步距角 b ,由于 3600 综合考虑，我初选了 4, 即 1 0 4 1 7 0 54 3 6 0 p 可满足以上公式。 (2)距频特性 步进电机最大静转矩 指电机的定位转矩。步进电机的名义启动转矩 最大静转矩 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： 0MM k fM k aM k q 式中： 空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；0 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： 算 加速力矩 a xm a x k q 0002)0602 2112m a x 空载摩擦力矩 0 1 3 . 9 6 0 . 2 7 4 0 . 62 2 0 . 8 4 f 附加摩擦力矩 J 2 2 40)1(2 22000 7 7 a 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 M ，仅仅是指初选电机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，空载启动力矩会很大。一般不会发生丢步现象。 同步齿形带设计 由于电火花机床工作对放电间隙要求比较高，所以在选择电动机与滚珠丝杆之间的转矩传递时，我们选择了同步带传动。它综合了带传动和链传动的优点。同步带通常是以钢丝绳或玻璃纤维绳等为抗拉层、氯丁橡胶或聚氨酯橡胶为基体、工作面上带齿的环状带，如下图 3示。工作时，带的凸齿与带轮外缘上的齿槽进行啮合传动。由于抗拉层承载后变形小，能保持同步带的周节不变，所以带与带轮之间没有相对滑动，从而也保证了同步传动来实现电动机与滚珠丝杆之间的转矩传递。下面我们将进行同步带的尺寸设计计算： 1 设计功率 由机械设计手册二表 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 根据 机械设计手册二图 14取带型为 距 3 小带轮齿数 据带型 L 和小带轮转速 表 14小带轮齿数 5，此处取 6。 图 带齿轮 4 小带轮节圆直径 111 6 5 . 0 8 02 5 . 9m m 由表 得其外径11 2 2 5 . 9 0 . 5 0 8 2 5 . 3 9 2ad d m m 5大带轮齿数： 21 4 1 6 6 4z 6 大带轮节圆直径： 226 4 5 . 0 8 0 1 0 3 . 5m m 由表 得其外径22 2 1 0 3 . 5 0 . 5 0 8 1 0 2 . 9 9 2ad d m m 7 带速 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 初定轴间距： 取0 150a 9 带长及其齿数： 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 节线长为 线长上的齿数 Z=90。 10实际轴间距 a，此结构的轴间距可调整 00 5 3 3 . 4 0 5 1 3 . 21 5 0 1 6 0 . 122a m m 11小带轮啮合齿数 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基本额定功率 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