线切割机床走丝机构及控制系统设计.docx

1、线切割机床走丝机构及控制系统设计机电一体化课程设计任务书一、题目： 线切割机床走丝机构及控制系统设计二、目的要求：1.掌握线切割机的工作原理、适用围；2.掌握走丝机构的结构和传动原理，PLC控制线切割机走丝机构运动的原理和方法；3.进一步熟练应用CAD技术进行产品所开发设计；4.综合运用所学知识深入理解机电一体化概念。三、设计內容：（具体附页）1.设计说明书一份：走丝机构的设计计算、控制系统设计等；2.绘制工程图：a、装配图（A1图）和全套零件图（要求至少出图：贮丝筒、传动轴和一个齿轮的零件图）；b、控制系统工程图（A2图1）。四、设计资料1.机电一体化设计手册，图书馆2.机械零件，教材3.机

2、电传动控制，教材4.西门子PLC S7200说明书（电子版）五、说明书（或论文）结构及要求 （1）封面包括：题目、院系、班级、学生签字、指导教师签字及时间（年、月、日）。（2）任务书（由指导教师填写）（3）摘要摘要是论文容的简短述，一般不超过400字。关键词应为反映论文主题容的通用技术词汇，一般为4个左右，一定要在摘要中出现。（4）目录目录要层次清晰，要给出标题及页次，目录的最后一项是无序号的“参考文献资料”。（5）正文 正文应按目录中编排的章节依次撰写，要求计算正确，论述清楚，文字简练通顺，插图简明，书写整洁。文中图、表及公式不能徒手绘制和书写。（6）参考文献（资料）附页1.走丝机构原理：

3、工作原理：电机1，经联轴器2，传动轴4，带动贮丝筒3做正反高速旋转，使贮丝筒上的钼丝以一定的线速度作往复旋转运动。同时，在贮丝筒的另一端，通过三对齿轮5、6、7、8、9、10传动，经丝杠副11带动滑板移动，使贮丝筒作往复直线运动，以免发生叠丝现象，其往复行程大小视绕丝总长度而定，同时靠可调整位置的行程限位开关，实现拖动电机的换向。2.设计参数：电机转速1400r/min钼丝线速度9.81m/s钼丝直径d=0.09mm;0.12mm;0.14mm;0.16mm;0.18mm;0.20mm钼丝最大长度3.控制设计前言机电一体化课程设计经历了两周多的时间，主要完成线切割机床走丝机构及其控制系统设计，

4、其中包括具体的工作台机械传动结构设计和PLC控制电机正反转设计。是对学生进行的一次综合性专业设计训练，也是把理论知识应用于实践的重要教学环节，为以后的毕业设计（论文）奠定基础。主要通过本次课程设计，掌握线切割机的走丝机构的结构及传动原理，以及PLC控制线切割机走丝机构运动的原理和方法。这次课程设计经多位老师的指导，并提出许多宝贵意见，在此表示真挚的感！ 参加本次课程设计限于设计者水平有限，设计说明书中的错误和不妥之处，请各位老师批评指教。第一章 课程设计的目的 课程设计是学生理论联系实际的重要实践教学环节，是对学生进行的一次综合性专业设计训练。通过课程设计使学生获得以下几方面能力，为毕业设计（

5、论文）奠定基础。设计目的：1、掌握线切割机的工作原理、适用围；2、走丝机构的结构及传动原理，掌握采用PLC、继电器来控制线切割机走丝机构运动的原理和方法；3、进一步熟练应用CAD技术进行产品所开发设计；4、综合运用所学知识深入理解机电一体化的概念。第二章 走丝机构简介2.1走丝机构的原理2.1.1快走丝机构快走丝机构的电极丝材料一般采用钼丝，细而长的钼丝以一定力平整地卷绕在贮丝筒上，贮丝筒通过弹性联轴器与驱动电机相连，作旋转运动，同时沿轴向移动，走丝速度等于贮丝筒周边的线速度。为重复使用该段钼丝，贮丝筒下方的走丝溜扳上置有左、右行程撞块，当贮丝筒轴向运动到钼丝供丝端终端时，行程撞块碰到行程开关

6、，立即控制贮丝筒反转，使供丝端成为收丝端，钼丝反向移动，如此循环交替运转，实现钼丝的往复运动。在运动过程中，钼丝由丝架支撑，并依靠上、下导轮形成锯弓状2.1.2慢走丝机构慢走丝机构主要包括供丝绕线轴、伺服电机恒力控制装置、电极丝导向器和电极丝自动卷绕机构。电极丝材料一般采用成卷的黄铜丝，可达数千米长、数十公斤重，预装在供丝绕线轴上，为防止电极丝散乱，轴上装有力矩很小的预力电机。切割时电极丝的走行路径为：整卷的电极丝由供丝绕线轴送出，经一系列轮组、恒力控制装置、上部导向器引至工作台处，再经下部导向器和导轮走向自动卷绕机构，被拉丝卷筒和压紧卷筒夹住，靠拉丝卷筒的等速回转使电极丝缓慢移动。在运行过程

7、中，电极丝由丝架支撑，通过电极丝自动卷绕机构中两个卷筒的夹送作用，确保电极丝以一定的速度运行；并依靠伺服电机恒力控制装置，在一定围调整力，使电极丝保持一定的直线度，稳定地运行。电极丝经放电后就成为废弃物，不再使用，被送到专门的收集器中或被再卷绕至收丝卷筒上回收。走丝机构的功能是带动电极丝按一定的线速度往复运丝，并将电极丝整齐地排绕在贮丝筒上，快速运丝在放电加工区，有利于排屑，吸附工作液进入放电区，克服集中放电，减小电极丝的损耗和烧断。本次课程设计的走丝机构选定为快走丝机构。快走丝机构示意图2.2贮丝筒结构（1）对贮丝筒的技术要求：在贮丝筒高速转动时，同时要进行相应的轴向移动，以保证不同的直径的

8、电极丝能在贮丝筒上整齐排绕；为了保证电极丝的运行平稳无跳动现象，要求贮丝筒的各项运动精度要高，径向跳动小；贮丝筒具有正反向旋转功能，电极丝的走丝速度在6-11m/s围可调或恒速运转；走丝机构与床身相互绝缘；导轨、齿轮、丝杠等要具备润滑措施。（2）贮丝筒电机：目前多数一般采用三相异步电动机。考虑在实际传动过程中所承担的负载不是很大，优先考虑功率较小的微型电动机。（3）联轴器：由于贮丝筒在工作时频繁换向，联轴器瞬间受到很大的剪切力，因此，联轴器就成了重要的部件，本设计采用凸缘联轴器。且为适应电机伸出轴的轴径大小以及整体结构尺寸选择刚性联轴器，其本身有结构简单，制造方便，成本低，拆装维护简便，传递转

9、矩较大，常用于载荷平稳、无冲击、传递精度要求高的传动。（4）贮丝筒：它是电极丝高速运行与整齐排绕贮丝的关键部件之一，一般采用45#钢、不锈钢和铝合金材料制作。为减小转动惯量，筒壁应尽量薄。用钢制作贮丝筒时，直径一般采用120mm；用铝合金材料制作贮丝筒时，直径在120-160mm之间。要求贮丝筒外表面粗糙度Ra0.8m，贮丝筒组件要做动平衡试验，以保证运转平稳，延长轴承使用寿命。（5）齿轮副与丝杠副：走丝机构的拖板传动是由三级减速齿轮和丝杠副组成。它使贮丝筒每转一圈时，拖板轴向移动0.25-0.3mm，保证直径0.25mm以下的电极丝整齐地排绕在贮丝筒上。优点是传动平稳、噪声小，丝杠采用梯形螺

10、纹，螺母采用消间隙结构。（6）导轨：在贮丝筒滑板与底座之间装有导轨。初期多采用V-平式的滑动导轨或贴塑导轨，要求摩擦力小，减振性能好。（7）贮丝筒的工作原理及计算：见机械设计任务书原理图所示。电动机通过联轴器驱动贮丝筒，贮丝筒转动带动电极丝运行，并通过齿轮副减速驱动丝杠副，丝杠副带动拖板作轴向移动。使电极丝按规律排列在贮丝筒上，以避免发生叠丝现象。第三章 走丝机构传动设计3.1工作原理电动机 1 联轴器 2 传动轴 3 储丝筒正反转 4 三对齿轮啮合传动 5 丝杠副 6 带动滑扳移动 7 行程开关 8 电动机正反转3.2齿轮传动设计要求（1）对走丝机构的传动齿轮实测齿数。（2）根据齿数选取齿轮

11、模数、齿顶高系数、径向间隙系数、计算分度圆直径、 齿顶圆直径、齿根圆直径。 3.3丝杠副传动设计要求（1）丝杠螺距选取。（2）计算滑板使储丝筒转一圈的移动距离，且滑板移动距离不超过钼丝最大宽度20mm。3.4走丝机构控制设计（1）控制原理：合上电源开关，按下起动按钮使电动机启动。当贮丝筒转动并移动到规定行程的某一端时碰撞限位开关，使储丝筒反向转动并移动，当碰撞另一限位开关后使贮丝筒恢复原来的转动和移动方向。（2）走丝机构控制要求：选择储丝筒拖动电机；选择接触器、行程开关、保护电器等，设计并绘制电气原理图。3.5已知条件电机转速r=1400r/min、PLC控制、钼丝的直径d=0.16mm、贮丝

12、筒有效长度150mm-300mm、钼丝线速度v=9.81m/s、钼丝长度l=400m。第四章部件的选择与计算4.1储丝筒电动机的选择 由于走丝机构整体重量轻，转速要求高，因此可选用一般异步电动机查机械设计手册*单行本*减（变）速器*电机与电器2004年版化学工业成大先主编，16-35页，可选Y2-711-4型电动机。电动机伸出轴径14mm、长度30mm、键槽宽5mm、深3mm。参数：16-46表16-1-24机座铁心级数功率转速轴颈D长度E键槽宽FG键槽深F-G7114250w1400r/min14mm30mm5mm11mm3mm平键的选择查机械设计课程设计第3版，华中科技大学第107页表11

13、28选用b*h=5*5平键轴键深度公称直径d公称尺寸b*h轴t公称尺寸毂t1公称尺寸12175*53.02.34.2联轴器的选择 由于贮丝筒在工作时频繁换向，联轴器瞬间受到很大的剪切力，因此，联轴器就成了重要的部件，本设计采用凸缘联轴器。查机械设计手册*单行本*轴及其连接2004年版化学工业成大先主编，5-63页，可选凸缘联轴器YL2基本型、铁质。联轴器用螺栓：8*M6。（特点：不能减振、缓冲，结构简单、成本低、用于振动很小的工况条件。） 参数：L=32mm L1=22mm D=80mm D1=64mm L0=68mm公称转矩许用转矩轴孔直径轴孔长度16N*m7200r/min14mm32mm

14、4.3轴承的选择 轴承主要受径向载荷且转速较高，则选择深沟球轴承，查机械设计手册*单行本*轴承2004年版化学工业成大先主编，6-243页，可选型号6302的深沟球轴承。参数：d mmD mmB mm润滑方式极限转速r/min代号154213脂润滑1600063024.4传动比的计算设电动机的转速为n1,丝杠的转速为n2.选丝杠螺距为p=2 mm。s=np(s：导程、n：线数、p：螺距)。所以，s*n2=d*n1(平移的转速相等) 2* n2=0.16*1400所以，n2=112r/min所以，i=n1/n2=(1400r/min)/（112r/min）=12.5根据传动比公式分配传动比：所以

15、， i1=1.749 i2=2.162 i3=3.306i=i1*i2*i3=12.54.5储丝筒尺寸的计算（1）计算贮丝筒直径D：设储丝筒半径为R、取钼丝线速度V=9.81m/s、储丝筒周长L=2R=D、储丝筒转速即为电机的转速r=1400r/min=23r/s。 因为：L=V/r=D 所以：D=V/r=(9810mm/S)/(23r/s*3.14)=133.4mm 取D=134mm。因为：钼丝的总长度为400m，所以：贮丝筒上钼丝宽度为b=（200000mm/3.14D)*0.16=76.05mm。因为：根据实际要求贮丝筒的宽度一边须长出510cm，所以：贮丝筒的实际总长度B定为B=220

16、mm。4.6齿轮部分计算因为齿轮的最小跟切齿数为17，故初选Z1=30、 m=1 、C*=0.25 、ha*=1Z2=Z1*i1=30*1.749=52.4752）d1=M*Z1=30mm d2=M*Z2=52mmda1=d1+2ha=（Z1+2ha*）m=32mmda2=d2+2ha=（Z1+2ha*）m=54mmdf1=d1-2hf=（Z1-2ha*-2C*）m=（30-2-2*0.25）=27.5mmdf2=d2-2hf=（Z2-2ha*-2C*）m=（52-2-2*0.25）=49.5mmdb1=dCosx=d1Cos20。=30*0.9397=28.19mmdb2=dCosx=d2C

17、os20。=52*0.9397=48.828mma=（d1+d2）/2=（30+52）/2=41mm同理：选Z3=35、m=1 、C*=0.25 、ha*=1Z4=Z3*i2=35*2.162=75.6776d3=m*Z3=35mm d4= m*Z4=76mmda3=d3+2ha=（Z3+2ha*）m=37mmda4=d4+2ha=（Z1+2ha*）m=78mmdf3=d3-2hf=（Z3-2ha*-2C*）m=32.5mmdf4=d4-2hf=（Z4-2ha*-2C*）m=75.5mmdb3=d3Cosx=d3Cos20。=32.89mmdb4=d4Cosx=d4Cos20。=71.42mm

18、a=（d3+d4）/2=（35+76）/2=55.5mm选Z5=25、m=1 、C*=0.25 、ha*=1 Z6=Z5*i3=25*3.306=82.6583d5=m*Z5=25mm d6= m*Z6=83mmda5=d5+2ha=（Z5+2ha*）m=27mmda6=d6+2ha=（Z6+2ha*）m=85mmdf5=d5-2hf=（Z5-2ha*-2C*）m=22.5mmdf6=d6-2hf=（Z6-2ha*-2C*）m=80.5mmdb5=dCosx=d5Cos20。=23.49mmdb6=dCosx=d6Cos20。=77.99mma=（d5+d6）/2=（25+83）/2=54mm

19、4.7丝杠传动副 丝杠选用Tr11X6LH型，丝母选用可自动消除轴向间隙的螺母。 参数：P=2mm、公称直径18mm、牙顶牙底间隙0.25mm、旋合长度130mm、线数1。大径 中径 小径牙型高牙高螺纹 17mm 15mm 14mm 1mm外螺纹 18mm 17mm 15.5mm 1.25mm 丝母工作原理:靠弹簧的力自动将两个螺母反向撑开, 以消除轴向间隙，性能稳定。靠人工定期调整双螺母，将螺旋的两个螺母定期沿轴向压紧，消除轴向间隙，调整后前后间隙不同。由于丝杠部分主要受轴向力，所以选用背靠背角接触轴承。它可以同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩。转盘轴承一般都带有安装孔、齿轮或外齿轮

20、、润滑油孔和密封装置，因而能使主机设计结构紧凑，引导旋转方便，安装简便和维护容易。4.8导轨部分 坐标工作台的X、Y拖板是沿着两条导轨往复运动的，因此机床对导轨的精度、刚度和耐磨性要求教高，导轨直接影响X、Y坐标工作台的运动精度。导轨与拖板固定，保证运动灵活、平稳。目前，电火花线切割机床普遍采用滚动导轨副，因为滚动摩擦系数小（f=0.0025-0.005），需要的驱动力小，运动轻便，反应灵敏，定位精度和重复定位精度高。滚动导轨采用钢制淬硬，耐磨性高，精度寿命长，使用寿命周期可达10-15年，能使工作台实现精确的微量移动，并且润滑方法简单。滚动导轨有滚珠导轨、滚柱导轨和直线滚动导轨等几种形式。在

21、滚珠导轨中，钢珠与导轨是点接触，承载能力不能过大；在滚柱导轨中，滚柱与导轨是线接触，有较大的承载能力；直线滚动导轨有滚珠和滚柱两种形式，运动精度高刚性强，承载能力大，能够承受四方向等载荷，是数控机床发展的方向。4.9行程开关查机械设计手册中国科技确定参数：名称型号产品大类产品系列行程开关XZ-8/107行程开关系列XZ-8/型第五章 线切割机床床控制系统设计5.1控制任务（1）.工作台电机正转启动由按钮SB2控制，行程开关ST1控制工作台正向移动工作位置，限位开关ST3限制工作台正向移动最大行程位置。（2）.工作台电机反转启动由按钮SB3控制，行程开关ST2控制工作台反向移动工作位置，限位开关

22、ST4限制工作台反向移动最大行程位置。（3）.工作台电机停止转动由按钮SB1控制。5.2工作台工作过程如图所示5.3I/O地址的分配及接线（1）、PLC的输入/输出点分配表输入信号名称代号输入点编号正向启动按钮SB1I0.0反向启动按钮SB2I0.1停止按钮SB3I0.2热键电器FRI0.3正向行程开关ST1I0.4反向行程开关ST2I0.5正向限位开关ST3I0.6反向限位开关ST4I0.7输出信号名称代号输入点编号正向转动线圈KM1Q0.0反向转动线圈KM2Q0.1正向工作指示灯HL1Q0.2反向工作指示灯HL2Q0.3（2）、PLC控制接线图5.4电气控制图5.5控制梯形图5.6PLC及

23、元器件选型元件型号数量4熔断器4刀开关热继电器5.7设计说明（1）、 控制方案选择控制继电器存在的缺点：控制继电器存在的缺点在工作条件表现出来的，如容易损坏，而且继电器的触点容易产生电弧，甚至会熔在一起产生误操作，绝大多数控制继电器多是长期磨损和疲劳引起严重的后果。再者，对一个具体使用的装有上百个继电器的设备，其控制箱将是庞大而笨重的。在全负和荷运载的情况下，大的继电器将产生大量的热及噪声，同时也消耗大量的电能，并且继电器控制系统必须是手工接线、安装，如果有简单的改动，也需要花费大量时间及人力和物力去改进、安装和调试。可编程控制器的优势、特点及功能：可编程控制以体积小功能强大所著称，它不但可以

24、很容易地完成顺序逻辑、运动控制、定时控制、计数控制、数字运算、数据处理等功能，而且可以通过输入输出接口建立与各类生产机械数字量和模拟量的联系。从而实现生产过程的自动控制。特别是现在由于信息技术的不断更新进步，拓展了PLC的功能，使它具有很强的联网通讯能力，从而更广泛地应用于众多行业。 可编程控制器PLC是微机技术与传统继电接触控制技术相结合的产物，它克服了继电接触控制系统中的机械触点的接线复杂、可靠性低、功耗高、通用性和灵活性差的缺点，充分利用了微处理器的优点，又兼顾到现场电气操作维修人员的技能与习惯，特别是PLC的程序编制，不需要专门的计算机编程语言知识，而是采用了一套一继电器梯形图为基础的

25、见到指令形式，是用户程序编制形象、直观、方便易学；调试与查错也很方便。用户在购买所需的PLC后，只需按说明书或使用手册的提示，做少量的接线和简易的用户程序编制工作，就可灵活方便地将PLC应用于生产实践。所以选择PLC控制。（2）、 PLC选型S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性能/价格比。适用围：S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，

26、覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统CPU单元设计：集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 221，222具有180mA输出， CPU 224，CPU 224XP，CPU 226分别输出280，400mA。可用作负载电源。 不同的设备类型 CPU 221226各有2种类型CPU，具有不同的电源电压和控制电压。CPU 224 ：本机集成14输入/10输出共24个数字量I/O点。可连接7个扩展模块，最大扩展至168路数字量I/

27、O点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。1个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。是具有较强控制能力的控制器。 （3）、分析所编的程序并阐述系统的工作原理本次课程设计的控制部分主要实现电机的正转和反转控制，用以驱动线切割机走丝机构的直线往复运动，并同时带动储丝筒转动收放钼丝。有编制的梯形图可知，当常开触点I0.0有脉冲信号输入时，I0.2，I0.3，I0.4，I0.7，Q0.1为常闭触点信号导通线圈Q0.0得电，实现电机

28、的正转和指示灯1亮的控制，并采取自锁方式控制脉冲信号的长期有效，又通过联动开关使脉冲信号中断的同时使常开触点I0.1获得信号，同理如上达到电机反转的目的，即正反转自动循环控制。 详细动作分析：当SB2按钮闭合，线圈KM1得点，电机开始正转，指示灯HL1亮起，而KM1的动静触点实现互锁，电机将一直工作，直到反向行程开关ST2被撞块触发，线圈KM1断电，而线圈KM2得电，电机开始反转启动，工作台反向运行，直到再次触发行程开关ST1，线圈KM2断电，KM1得电，电机又开始正转，就这样往复实现电机的正反转控制。ST3和ST4是两个限位开关，安装在工作台两端的极限位置，用于保证运行安全。当机工作台没有收

29、行程开关控制时，运动到限位开关位置，ST3或ST4被触发将自动切断线路中的电信号，使工作台停止。设计总结课程设计对学生而言是其对所学课程容掌握情况的一次自我验证，从而有着极其重要的意义。通过课程设计能提高学生对所学知识的综合应用能力，能全面检查并掌握所学容；机电一体化系统设计从课程性质上讲是一门专业基础课，它的目的任务就是训练学生掌握机械和电子技术的设计方法及原理，锻炼学生独立思考和解决问题的能力，培养作为设计者或工程人员的基本素质。通过这两周的紧忙碌课程设计使我又对以前学习过的专业知识又有更好的理解和掌握，在头脑里加深了这些知识的印象，而且在设计的过程中结合任务书的要求把本学期的机电一化系统

30、设计和以前所学过的机电传动控制、机械设计、可编程序控制器原理及应用等多门课程知识综合利用，此外，还翻阅查找了大量的参考文献和多套机械设计手册，最后完成此次设计任务。从中获得了许多经验，无论是机械结构设计还是电气控制应用都没有唯一的标准设计，只有最优化的设计，使设计结构更趋于合理，使电气控制更趋于完善。所以此次设计虽然完成，但当中还有诸多设计有待认真考虑，不足之处还请各位老师批评指正。设计过程往往会出现许多意想不到的结果，可能最终导致这个设计的失败，很多数据的得来都是经过多次反复计算和验证的，这也让我认识到作为设计者在考虑清楚设计的各个环节后，更应注意考虑到每个细节，这样才能少走许多弯路，不至于浪费过多的时间。而设计本身也不是一蹴而就的事，不能急于求成，要经过多