中速走絲電火花線切割機(jī)床的設(shè)計(jì)與開發(fā)
2017-2-20 來源：臨沂大學(xué)汽車學(xué)院 作者：趙琳
摘要：電火花線切割主要是以高速走絲和低速走絲為主，近些年逐步興起了中速走絲電火花線切割機(jī)床，越來越成為市場新的主力。該設(shè)計(jì)的中走絲機(jī)床的機(jī)械設(shè)計(jì)部分主要包括走絲機(jī)構(gòu)和工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。走絲機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)直接帶動(dòng)絲筒旋轉(zhuǎn)將鉬絲纏繞的方式，為了保證繞絲的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)的時(shí)候盡量減少零件的數(shù)量和提高零件的精度。由齒輪和聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，從而將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成了來回的直線運(yùn)動(dòng)。走絲機(jī)構(gòu)的控制采用PLC方式，運(yùn)用行程開關(guān)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。工作臺控制的方式設(shè)計(jì)上采用了價(jià)格比較低廉的單片機(jī)，通過單片機(jī)來控制機(jī)床工作臺的運(yùn)動(dòng)。該設(shè)計(jì)中單片機(jī)的芯片選取了MCS-51系列，這種型號的芯片的可擴(kuò)展性好，通用性好，適合我國機(jī)床行業(yè)質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的發(fā)展特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：電火花線切割 滾動(dòng)軸承 單片機(jī) 可編程控制器
中速走絲電火花線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)大致包含以下幾點(diǎn)：走絲機(jī)構(gòu)和工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其控制部分的設(shè)計(jì)等等。首先要對機(jī)床的原理特征和每個(gè)零部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)了解，進(jìn)而確定好線切割機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)及其零件選型。第二，根據(jù)確定的參數(shù)來確定機(jī)床的整體方案，當(dāng)然，這個(gè)設(shè)計(jì)的方案要隨著不同的實(shí)際情況進(jìn)行必要的整改。零件選型的過程中要切實(shí)根據(jù)實(shí)際情況計(jì)算得出。最后是對中速走絲電火花線切割機(jī)床控制部分的設(shè)計(jì)與開發(fā)。中速走絲機(jī)床要求的精度并不是太高，因此在保證精度足夠的前提下可以適當(dāng)?shù)睾喕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低成本。另外，國內(nèi)外很多的此類車床大多采用了開環(huán)控制并取得了很好的效果。因此，該控制系統(tǒng)決定選用”開環(huán)控制、步進(jìn)伺服”的方式。
1.走絲機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
中速走絲機(jī)構(gòu)就是以介于高速和低速之間的中速帶動(dòng)電極絲進(jìn)行往返運(yùn)動(dòng)，電極絲環(huán)繞在線盤上，走絲機(jī)構(gòu)主要應(yīng)該滿足以下幾個(gè)方面的需求。
(1)線盤在發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，徑向和軸向發(fā)生跳動(dòng)的量盡可能減小。(2)快速走絲機(jī)構(gòu)的線盤在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中，必要的軸向移動(dòng)可以確保電極絲在線盤上排列整齊。(3)走絲機(jī)構(gòu)本身是絕緣體，床身也是絕緣體。(4)線盤能夠?qū)崿F(xiàn)正向和反向的旋轉(zhuǎn)，速度保持在7～12 m /s。(5)相應(yīng)的絲杠等傳動(dòng)裝置要加潤滑油。
對于電機(jī)的選擇，為了保證工件的加工精度，即電極絲必須能穩(wěn)定移動(dòng)和整齊排繞，所以對電機(jī)的要求比較高。為了確保排絲位置的準(zhǔn)確性以及排絲的效率，電機(jī)的啟動(dòng)和制動(dòng)都要保證快速，轉(zhuǎn)動(dòng)速度較高；不同尺寸的鉬絲，要求使用不同的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，這需要電機(jī)在選擇的時(shí)候保證電機(jī)的調(diào)節(jié)性能較好，基于不同的控制信號會(huì)有不同的信號反饋，從而保證每種類型的信號都能迅速而又準(zhǔn)確地執(zhí)行；考慮到走絲機(jī)構(gòu)的質(zhì)量小、轉(zhuǎn)速要求高，故選用高轉(zhuǎn)速且功率較小的電動(dòng)機(jī)。
對于聯(lián)軸器的選擇，分析絲筒軸和電機(jī)軸的工作環(huán)境可得，走絲機(jī)構(gòu)是在做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，并且換向比較頻繁，在換向的過程中，電機(jī)軸和絲筒軸同時(shí)對聯(lián)軸器施加一個(gè)方向相反的剪切力。根據(jù)以上條件，查詢《機(jī)械課程設(shè)計(jì)手冊》可選用彈性柱銷聯(lián)軸器。彈性柱銷聯(lián)軸器由于慣性力矩小、換向較平穩(wěn)且結(jié)構(gòu)簡單、無金屬撞擊聲，可減小對絲筒中心軸的沖擊。
對于軸承的選型，分析軸承的工作環(huán)境可知，中間軸和絲筒工作時(shí)只受扭剪切力和轉(zhuǎn)力的作用，而在軸向上不受力。又因?yàn)檩S的轉(zhuǎn)動(dòng)速度很高，因此我們決定選用單列深溝球軸承。深溝球軸承的承載較大，耐用，易于安裝而且還適宜高速運(yùn)轉(zhuǎn)且無需保養(yǎng)。
2.電路控制部分的設(shè)計(jì)
線路工作過程如下：首先按下開始按鈕，這時(shí)候工作臺向前進(jìn)，達(dá)到預(yù)計(jì)的行程后，按下按鈕使得動(dòng)斷觸點(diǎn)斷開，切斷接觸器，按下按鈕使得動(dòng)合觸電閉合，使得反向接觸器得電，工作臺就能夠?qū)崿F(xiàn)反向運(yùn)行。
對于電器元件的選型，主要從以下幾個(gè)方面來考慮：(1)繼電器本質(zhì)上講就是用小電流去控制大電流的一種開關(guān)，因此能夠在電路中起著保護(hù)和轉(zhuǎn)換電路的作用。(2 )在不大于1 2 0 0 V的低壓電器中工作的接觸器屬于控制類電器。該次選用T KC1的交流接觸器較為合適，這種接觸器適合在5 0 H z的頻率、8 0 0 A以下的電流、6 6 0 V以下的電路中。(3)行程開關(guān)的選型，該次設(shè)計(jì)采用X Z-8/10 7型的行程開關(guān)。
3.工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了便于快速加工工件，設(shè)計(jì)的工作臺結(jié)構(gòu)必須能夠滿足準(zhǔn)確、快速裝夾工件的要求。加工過程中，工作臺通常采用的是滑枕結(jié)構(gòu)，因?yàn)檫@樣的機(jī)構(gòu)能夠避免鉬絲以及絲架的懸臂部分在移動(dòng)的過程中不輕易和其他的部件發(fā)生碰撞。絲架的上懸臂梁和下懸臂梁分別在懸臂的上邊和下面，鉬絲從中間位置沿著垂直方向穿過。它的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括：方向?qū)к墶L珠絲杠、電機(jī)、軸承和工作臺。
3.2 電路控制部分的設(shè)計(jì)
脈沖電源的主要作用就是將現(xiàn)有的5 0 Hz的交流電轉(zhuǎn)化為高達(dá)數(shù)百兆赫茲的高頻單向脈沖電源，即能夠?yàn)殡娀鸹ň€切割機(jī)提供不同脈寬的脈沖。
高頻脈沖電源電路是其該線切割機(jī)床的主要控制系統(tǒng)，該高頻脈沖電源的正負(fù)極分別接在被加工的工件上和電極絲上，而工件通過放電被侵蝕的外形主要是靠工作液的導(dǎo)電來完成的，進(jìn)而可以得到需要的形狀。
主振電路、脈寬調(diào)節(jié)電路、功率放大電路和整流電路等構(gòu)成了高頻脈沖電路。其中，主振電路主要是有數(shù)字振蕩、模擬振蕩電路和分立元件電路構(gòu)成。現(xiàn)實(shí)中一般還是采用過去的早期電路，控制部分一直以來都是機(jī)床改造的側(cè)重點(diǎn)，微機(jī)控制系統(tǒng)的標(biāo)配一般包含鍵盤、LCD（LE D）顯示器等。機(jī)電一體化數(shù)字控制系統(tǒng)主要控制的是各種機(jī)床，其系統(tǒng)主要包含硬件和軟件兩大系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成是以單片機(jī)為基礎(chǔ)，談到單片機(jī)，其主要包括運(yùn)算、控制電路，存儲(chǔ)器、計(jì)時(shí)器等，單片機(jī)除了將部分電路整合在一起之外，其他的電阻、電容等都是以散件的形式出現(xiàn)，故使用時(shí)通常需要增加外圍芯片。一般而言，加入單片機(jī)都是為了滿足特定的需要而設(shè)計(jì)的，是一種為實(shí)現(xiàn)特定目的組建的應(yīng)用系統(tǒng)。
4.結(jié)語
該文主要是從機(jī)械部分和控制結(jié)構(gòu)兩大部分介紹了中速走絲電火花線切割機(jī)床的設(shè)計(jì)與開發(fā)。其中，機(jī)械部分主要為數(shù)控機(jī)床對被加工工件進(jìn)行加工操作，主要是將被加工工件放在工作臺上，在臺面上的工件能夠進(jìn)行X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)臺面上方的螺紋孔也能夠起到很好的緊固作用；通過導(dǎo)軌副能夠保證滾動(dòng)直線有效穩(wěn)定地運(yùn)行，還對聯(lián)軸器、軸承和電機(jī)等進(jìn)行了選擇。對于控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是走絲機(jī)構(gòu)和X、Y方向工作臺的設(shè)計(jì)，高頻脈沖電源電路是其該線切割機(jī)床的主要控制系統(tǒng)，該高頻脈沖電源的正負(fù)極分別接在被加工的工件上和電極絲上，而工件通過放電被侵蝕的外形主要是靠工作液的導(dǎo)電來完成的，進(jìn)而可以得到需要的形狀。中速走絲電火花線切割機(jī)床在國內(nèi)的中低端市場中有較為重要的地位，在模具和零件加工行業(yè)都有著重要應(yīng)用，我們必須在吸收國外優(yōu)秀成果的同時(shí)，揚(yáng)長避短，去粗取精，為中速走絲機(jī)床的發(fā)展打下基礎(chǔ)。
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