电火花线切割机床及控制系统总体设计_穆临平
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而发展高速走丝线切割机床的策略是以拥有良 好的性价比为基础，适当地提高机床的加工精度， 增加机床加工功能，从而增强企业在市场的竞争力。 １ 总体方案设计
本文所设计的电火花线切割机床由储丝走丝机 构、坐标工作台、控制系统、床身、脉冲电源及工 作液系统等 6 大部分组成。这里主要进行了储丝走 丝系统设计、进给传动系统设计、控制系统设计。 图 1 为电火花线切割机床总体图。
图 ２ 储丝机构结构图
联轴器应选用弹性柱销联轴器，其不仅wk.baidu.com构简 单、惯性力矩小、换向较平稳、无金属撞击声，还 可以减少对储丝筒中心轴的冲击。导轨选用三角 形、矩形组合式导轨，丝杠副采用双螺母螺纹式预 紧以消除轴向间隙。 2.2 走丝机构
走丝机构设计包括线架及导轮部件设计。线架 的主要功用是当电极丝按给定线速度运动时，对电 极丝起到支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台 平面保持一定的几何角度。本线架结构在功能上采 用升降式，结构上采用悬臂式。 ３ 进给传动系统设计
储丝走丝机构的作用是使电极丝按一定的速度 （5~12 m/s） 做往复运动，并将电极丝整齐地缠绕 在储丝筒上。坐标工作台是用来装夹被加工的工 件，并接受控制系统发出的进给信号，主要由导 轨、滚珠丝杠副、步进电机等组成。电火花线切割
图 １ 电火花线切割机床总体图
机床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的 前提下，简化结构，降低成本。进给伺服系统采用 步进电机开环控制系统，为了保证进给伺服系统的 传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚 珠丝杠螺母副，并采用双螺母螺纹式预紧，以提高 传动刚度和消除间隙。采用滚动导轨，灵敏度高， 摩擦系数小，定位精度高，可以减少导轨间的摩擦 阻力，便于工作台实现精确定位装置。根据电火花 线切割机床最大的加工尺寸、加工精度和控制速度 要求，一般采用 8 位微机。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 度快和抗干扰能力强等优点。因此，MCS-51 系列 单片机扩展系统以其优越性能、成熟的技术成为单 片机应用领域中主流机型。 ２ 储丝走丝系统设计
研 究 与 探 讨 Ｒｅｓ ｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｉｓ ｃｕｓ ｓ ｉｏｎ
2.1 储丝机构 储丝机构主要由储丝筒、齿轮副、导轨、滚珠
丝杠副、换向装置及绝缘体等部分组成 （见图 2）。 储丝筒是电极丝平稳移动和整齐排绕的关键部件之 一，为了进一步减少转动惯量，可以选用铝镁合金 材料制造。储丝筒壁厚要均匀，工作表面要有较好 的表面粗糙度，为保证储丝筒组合件动态平衡，应 严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。
该系统由储丝机构和走丝机构组成。
收稿日期：2012－10－17；修回日期：2012－11－17 作者简介：穆临平（1968-），男，山西平定人，硕士，主要从事机电一体化研究，E-mail：zhangxiaojun@tyut.edu.cn。
科技创新与生产力
２０１２年 １２ 月 总第 ２２７ 期 - 055 -
伺服系统机械部分设计计算内容包括确定系统 的负载、确定系统脉冲当量、运动部件惯量计算、 空载起动及切削力矩机计算、确定伺服电机、绘制 机械部分装配图及零件工作图等。本次设计的 2 个 进给方向类似，只取一个进行计算校核。总体结构 设计见图 3。
通过对滚珠丝杠载荷的计算及相关因素的分析 对滚珠丝杠进行选型和校核。通过脉冲当量的选 定，根据步距角和距频特性选择电动机并校核。选
图 ３ 进给结构图
用滚动导轨，可使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为 滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。螺 杆的支承形式采用两端固定形式支承，支承方式采 用双推—双推式。 ４ 控制系统设计
控制系统硬件电路设计采用 MCS-51 系列单片 机作为控制系统，此系列单片机的所有产品含有 8051 除程序存储器外的基本硬件，都是在 8051 的 基础上增减部分资源程序存储器、数据存储器、I/O 口 、 定 时/计 数 器 及 一 些 其 他 特 殊 部 件 。 而 我 们 采 用 8031 单片机是可寻址 64 KB 字节程序存储器和 64 KB 字节数据存储器，由于其内部没有程序存储 器，只能使用外接 EPROM 电路作为程序存储器。 但是以 8031 单片机为核心的控制系统必须扩展程 序存储器，以用来存放控制程序，虽然单片机内部 的存储器容量较小，但需要扩展数据存储器、输入 和输出接口芯片。步进电机控制电路的设计，步进 电机的驱动方式是采用高低压驱动，当步进电机移 步时，应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；当步进电机锁步 时，应加低于额定值的电压，使电机绕组流过锁步 所需的电流值。这样，既可以减少限流电阻的功率 消耗，又可以提高电机的运行速度。
电火花加工是特种加工技术中最重要的部分之 一，是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新 技术。机械加工是用比工件材料硬的刀具去切除工 件上多余的部分，来得到成品零件的。但随着工业 生产的发展和科学技术的进步，具有高硬度、高强 度、高黏性和高纯度等性能的新材料不断出现，具 有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多， 仍然采用单独机械加工方法，有时是难以加工甚至 无法加工的。电火花加工方法能够适应生产发展的 需要，并在应用中显出很多优异的性能，因此得到 了迅速发展和日益广泛的应用［１－３］。
文章编号：1674-9146（2012）12－0055－02
讨 Ｒｅｓ ｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｉｓ ｃｕｓ ｓ ｉｏｎ 研 究 与 探
电火花线切割机床及控制系统
总体设计
穆临平
（太原理工大学，山西 太原 030024）
摘 要：对数控高速走丝电火花线切割机床及控制系统进行总体设计，其中机械部分设计包括机床的总体布局设计， 横向进给机构、纵向进给机构设计，控制系统部分进行了硬件电路的设计，完成了电气原理图。 关键词：电火花线切割；控制系统；步进电机；脉冲电源 中图分类号：TP273 文献标志码：A ＤＯＩ：10.3969/j.issn.1674-9146.2012.12.055
本文所设计的电火花线切割机床由储丝走丝机 构、坐标工作台、控制系统、床身、脉冲电源及工 作液系统等 6 大部分组成。这里主要进行了储丝走 丝系统设计、进给传动系统设计、控制系统设计。 图 1 为电火花线切割机床总体图。
图 ２ 储丝机构结构图
联轴器应选用弹性柱销联轴器，其不仅wk.baidu.com构简 单、惯性力矩小、换向较平稳、无金属撞击声，还 可以减少对储丝筒中心轴的冲击。导轨选用三角 形、矩形组合式导轨，丝杠副采用双螺母螺纹式预 紧以消除轴向间隙。 2.2 走丝机构
走丝机构设计包括线架及导轮部件设计。线架 的主要功用是当电极丝按给定线速度运动时，对电 极丝起到支撑作用，并使电极丝工作部分与工作台 平面保持一定的几何角度。本线架结构在功能上采 用升降式，结构上采用悬臂式。 ３ 进给传动系统设计
储丝走丝机构的作用是使电极丝按一定的速度 （5~12 m/s） 做往复运动，并将电极丝整齐地缠绕 在储丝筒上。坐标工作台是用来装夹被加工的工 件，并接受控制系统发出的进给信号，主要由导 轨、滚珠丝杠副、步进电机等组成。电火花线切割
图 １ 电火花线切割机床总体图
机床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的 前提下，简化结构，降低成本。进给伺服系统采用 步进电机开环控制系统，为了保证进给伺服系统的 传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚 珠丝杠螺母副，并采用双螺母螺纹式预紧，以提高 传动刚度和消除间隙。采用滚动导轨，灵敏度高， 摩擦系数小，定位精度高，可以减少导轨间的摩擦 阻力，便于工作台实现精确定位装置。根据电火花 线切割机床最大的加工尺寸、加工精度和控制速度 要求，一般采用 8 位微机。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 度快和抗干扰能力强等优点。因此，MCS-51 系列 单片机扩展系统以其优越性能、成熟的技术成为单 片机应用领域中主流机型。 ２ 储丝走丝系统设计
研 究 与 探 讨 Ｒｅｓ ｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｉｓ ｃｕｓ ｓ ｉｏｎ
2.1 储丝机构 储丝机构主要由储丝筒、齿轮副、导轨、滚珠
丝杠副、换向装置及绝缘体等部分组成 （见图 2）。 储丝筒是电极丝平稳移动和整齐排绕的关键部件之 一，为了进一步减少转动惯量，可以选用铝镁合金 材料制造。储丝筒壁厚要均匀，工作表面要有较好 的表面粗糙度，为保证储丝筒组合件动态平衡，应 严格控制内孔、外圆对支撑部分的同轴度。
该系统由储丝机构和走丝机构组成。
收稿日期：2012－10－17；修回日期：2012－11－17 作者简介：穆临平（1968-），男，山西平定人，硕士，主要从事机电一体化研究，E-mail：zhangxiaojun@tyut.edu.cn。
科技创新与生产力
２０１２年 １２ 月 总第 ２２７ 期 - 055 -
伺服系统机械部分设计计算内容包括确定系统 的负载、确定系统脉冲当量、运动部件惯量计算、 空载起动及切削力矩机计算、确定伺服电机、绘制 机械部分装配图及零件工作图等。本次设计的 2 个 进给方向类似，只取一个进行计算校核。总体结构 设计见图 3。
通过对滚珠丝杠载荷的计算及相关因素的分析 对滚珠丝杠进行选型和校核。通过脉冲当量的选 定，根据步距角和距频特性选择电动机并校核。选
图 ３ 进给结构图
用滚动导轨，可使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为 滚动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力。螺 杆的支承形式采用两端固定形式支承，支承方式采 用双推—双推式。 ４ 控制系统设计
控制系统硬件电路设计采用 MCS-51 系列单片 机作为控制系统，此系列单片机的所有产品含有 8051 除程序存储器外的基本硬件，都是在 8051 的 基础上增减部分资源程序存储器、数据存储器、I/O 口 、 定 时/计 数 器 及 一 些 其 他 特 殊 部 件 。 而 我 们 采 用 8031 单片机是可寻址 64 KB 字节程序存储器和 64 KB 字节数据存储器，由于其内部没有程序存储 器，只能使用外接 EPROM 电路作为程序存储器。 但是以 8031 单片机为核心的控制系统必须扩展程 序存储器，以用来存放控制程序，虽然单片机内部 的存储器容量较小，但需要扩展数据存储器、输入 和输出接口芯片。步进电机控制电路的设计，步进 电机的驱动方式是采用高低压驱动，当步进电机移 步时，应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；当步进电机锁步 时，应加低于额定值的电压，使电机绕组流过锁步 所需的电流值。这样，既可以减少限流电阻的功率 消耗，又可以提高电机的运行速度。
电火花加工是特种加工技术中最重要的部分之 一，是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新 技术。机械加工是用比工件材料硬的刀具去切除工 件上多余的部分，来得到成品零件的。但随着工业 生产的发展和科学技术的进步，具有高硬度、高强 度、高黏性和高纯度等性能的新材料不断出现，具 有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多， 仍然采用单独机械加工方法，有时是难以加工甚至 无法加工的。电火花加工方法能够适应生产发展的 需要，并在应用中显出很多优异的性能，因此得到 了迅速发展和日益广泛的应用［１－３］。
文章编号：1674-9146（2012）12－0055－02
讨 Ｒｅｓ ｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｉｓ ｃｕｓ ｓ ｉｏｎ 研 究 与 探
电火花线切割机床及控制系统
总体设计
穆临平
（太原理工大学，山西 太原 030024）
摘 要：对数控高速走丝电火花线切割机床及控制系统进行总体设计，其中机械部分设计包括机床的总体布局设计， 横向进给机构、纵向进给机构设计，控制系统部分进行了硬件电路的设计，完成了电气原理图。 关键词：电火花线切割；控制系统；步进电机；脉冲电源 中图分类号：TP273 文献标志码：A ＤＯＩ：10.3969/j.issn.1674-9146.2012.12.055