线切割三维手动工作台设计毕业论文.doc

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成都工业学院（论文）

成都工业学院

毕业设计（论文）

设计（论文）题目：

线切割三维手动工作台

系部名称：

机电工程系

学生姓名：

专业：

数控技术

班级：

学号：

指导教师：

答辩组负责人：

2014年5月

摘要

本次我设计的是线切割三维手动工作台，毋庸置疑我设计的就是通过手动来实现零件加工的。

现在的线切割机床大部分都已经实现了自动化，与自动化的线切割机床相比，手动机床制造成本很低，结构比较简单，在而且也更加节约能源。

现在的线切割机床加工灵活性较差，加工斜面和曲面的时候不够精确，为生产过程中造成很大的麻烦。

而本次设计的线切割机床适应能力强，能进行两坐标旋转。

将工作台的移动代替电极丝的移动，加工更方便精度更高，特别适合曲面和斜面的加工，为加工带来了很多便利。

这个工作台能实现两轴联动，能提高线切割机床的工件加工能力，极大的弥补了线切割加工机床在生产过程中的局限性与不足。

使得在加工过程中，减少加工过程所使用的时间，提高了生产效率。

关键词：

手动

工作台

两坐标

联动

Ⅰ

Abstract

ThistimeIdesignediscuttingthree-dimensionaltablemanually,needlesstosayIdesignisachievedthroughmanualmachining.Arewire-cuttingmachineismostlyalreadyautomated,comparedwithautomaticwirecuttingmachine,manualmachinetoolmanufacturingcostsarelow,thestructureisrelativelysimple,butalsomoreenergyefficient.WireEDMmachiningismuchlessflexiblenow,processingofbevelandtheimprecisionofthesurface,causingalotoftroublefortheproductionprocess.Wirecuttingmachineofthisdesignadaptability,twocoordinatescanrotate.Tomovethebenchinsteadofthewiremoves,processmoreconvenientandhigheraccuracy,particularlysuitableformachiningofcurvedandbevel,bringalotofconvenienceforprocessing.Workbenchtoachieveitstwoaxes,canenhancethemachiningwireEDMmachinecapabilities,greatwedmmachinetooltomakeupforthelimitationsanddeficienciesintheproductionprocess.Duringprocessing,reduceprocessingtimeusedbytheprocess,andimprovesproductionefficiency.

Keywords:

hand-machine

workingsurfaceoftable

twocoordinates

linkage

Ⅱ

目录

摘要 1

Abstract 2

第一章绪论 1

1.1简要概述 1

1.2线切割机床的发展历程 1

1.3线切割机床的组成 2

1.3.1机械部分 2

1.3.2电气部分 3

1.3.3工作液系统部分 3

1.4线切割的加工原理 3

1.5线切割机床的分类 4

1.5.1往复走丝电火花线切割机床 4

1.5.2低速走丝线切割机床 5

1.5.3单向走丝电火花 5

1.5.4立式自旋转电火花线切割机床 5

第二章刻度盘的设计 7

2.1设计背景 7

2.2量具的主要功能 7

2.3量具的分类 7

2.4维护和保养工作 7

2.5量具的设计 8

第三章齿轮的设计 8

3.1齿轮传动的特点和类型 8

3.1.1齿轮传动的特点 8

3.1.2齿轮传动的类型 9

3.2内啮合齿轮设计 9

3.2.1选择齿轮材料及精度等级 9

3.2.2齿数传动比齿宽系数 9

3.2.3齿轮几何尺寸的计算 9

3.2.4计算齿轮的中心距 9

3.3外啮合齿轮设计 10

3.3.1选择齿轮材料及精度等级 10

3.3.2齿数传动比齿宽系数 10

3.3.3齿轮几何尺寸的计算 10

3.3.4计算齿轮的中心距 10

第四章轴及轴上零件的设计 10

4.1轴 10

4.1.1轴的类型及功用 10

4.1.2轴的结构设计 11

4.1.3提高轴的强度的常用措施 12

4.1.4轴的结构工艺性 12

4.1.5轴的设计步骤 13

4.1.6轴的结构设计 13

4.2轴承 14

4.2.1轴承的概念 15

4.2.2轴承的类型 15

4.2.2轴承的选择 19

4.3键的选择 19

4.3.1键的作用 19

4.3.2键的分类 19

4.3.3各类键的特点 19

4.3.4键的选择 21

第五章绘制二维装配图 21

5.1简介 21

5.2AutoCAD的应用 21

5.3AutoCAD的特点 21

5.4绘制工作台总装图 22

第六章建立三维实体模型 26

6.1三维模型介绍 26

6.1.1概述 26

6.1.2三维模型的分类 26

6.2UG的介绍 27

6.2.1简介 27

6.2.2UG的主要功能 27

6.3建立UG模型 29

6.4UG模型的装配 32

6.5装配仿真 42

6.6运动仿真 44

参考文献 49

第一章绪论

1.1简要概述

　线切割机床（WirecutElectricalDischargeMachining简称WEDM），属电加工范畴，是由前苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉，从而开创和发明了电火花加工方法。

线切割机也于1960年发明于前苏联，我国是第一个用于工业生产的国家。

其基本物理原理是自由正离子和电子在场中积累，很快形成一个被电离的导电通道。

在这个阶段，两板间形成电流。

导致粒子间发

生无数次碰撞，形成一个

等离子区，并很快升高到8000到12000度的高温，在两导体表面瞬间熔化一些材料，同时，由于电极和电介液的汽化，形成一个气泡，并且它的压力规则上升直到非常高。

线切割机主板（916EM）

　　然后电流中断，温度突然降低，引起气泡内向爆炸，产生的动力把溶化的物质抛出弹坑，然后被腐蚀的材料在电介液中重新凝结成小的球体，并被电介液排走。

然后通过NC控制的监测和管控，伺服机构执行，使这种放电现象均匀一致，从而达到加工物被加工，使之成为合乎要求之尺寸大小及形状精度的产品。

电火花线切割机按走丝速度可分为高速往复走丝电火花线切割机（ReciprocatingtypeHighSpeedWirecutElectricalDischargeMachining俗称“线切割机床”）、低速单向走丝电火花线切割机（LowSpeedone-waywalkWirecutElectricalDischargeMachining俗称“慢走丝”）和立式自旋转电火花线切割机（VerticalWireElectricalDischargeMachiningmachinetoolWithRotationWire）三类。

又可按工作台形式分成单立柱十字工作台型和双立柱型（俗称龙门型）。

1.2线切割机床的发展历程

控制系统自20世纪60年代后期至70年代中期，我国高速走丝线切割机床的数控系统专用工控机，采用晶体管分立元件组成门电路，再由门电路组成寄存器、输入控制器、运算器、输出控制器等，加工程序则通过扳键开关手工输入，或通过光电阅读机从穿孔纸带读入，采用辉光数码管和氖灯显示计数长度以及X、Y坐标值（二进制）。

进入20世纪70年代后期，数控系统已过渡到以中、大规模集成电路芯片为主的电路。

基本原理和结构虽然未改变，但功能得到加强，可靠性也提高了。

它的输入仍然有手工输入（扳键或按键）和纸带输入（电报机头）两种方式，指示有荧光数码管和发光二极管形式。

该类产品一直到80年代末都在使用。

随着单板微型计算机（将CPU、RAM、ROM、输入输出接口装在一块印制电路板上的计算机，简称单板机）的出现，高速走丝线切割机控制器大量使用以Z-80为微机处理器的单板机，真正实现了功能强、价格的目标。

对于简易数控系统来说，这是一个辉煌的时期，在其它相关行业的发展促进下，使数控高速电火花线切割机得到了迅速的普及。

　　到20世纪90年代，数控系统以8051系列单片机的控制器都具有图形缩放、齿隙补偿、短路回退、断丝保护、停电记忆、自动对中、加工结束自动停机等功能，并有锥度切割功能。

带显示器的编程、控制一体机也已开始使用，只是所编制的程序，不能直接传输到其它控制台上，但有配备打印机、纸带穿孔机等外部设备，而且也只能控制单台机床。

随着计算机的迅速发展和普及，采用台式微型计算机（包括工控机），能够控制分别独立工作的几台机床。

在允许数量范围内，增加机床只需增加控制卡。

各机床的工作状态，可通过切换画面分别监视。

这样不仅节约了控制系统的成本，又利用了计算机强大的数据存取能力。

自动编程系统功能在不断增强，编程方式也多种多样，有指令输入、作图法、扫描法、CAD文档转换等，还可通过U盘、网络等接口、通信进行数据交换。

避免了手工输入程序、绘图低效率和带来的差错。

　　快走丝线切割技术的发展已走向明朗化，在保持往复走丝线切割优点的基础上，不断的探索和研究，把新的理论、新的方法，应用到新的系统中。

新一代控制系统将会更稳定、更实用、更简单、更方便。

1.3线切割机床的组成

数控线切割机床由机械、电气和工作液系统三大部分组成。

1.3.1机械部分

线切割机床机械部分是基础，其精度直接影响到机床的工作精度，也影响到电气性能的充分发挥。

机械系统由机床床身、坐标工作台、运丝机构、线架机构、锥度机构、润滑系统等组成。

机床床身通常为箱式结构，是提供各部件的安装平台，而且与机床精度密切相关。

坐标工作台通常由十字拖板、滚动导轨、丝杆运动副、齿轮传动机构等部分组成。

主要是与电极丝之间的相对运动，来完成对工件的加工。

运丝机构是由储丝筒、电动机、齿轮副、传动机构、换向装置和绝缘件等部分组成，电动机和储丝筒连轴连接转动，用来带动电极丝按一定线速度移动，并将电极丝整齐地排绕在储丝筒上。

线架分单立柱悬臂式和双立柱龙门式。

单立柱悬臂式分上下臂，一般下臂是固定的，上臂可升降移动，导轮安装在线架上，用来支撑电机丝。

锥度机构可分摇摆式和十字拖板式结构，摇摆式是上下臂通过杠杆转动来完成，一般用在大锥度机。

十字拖板型通过移动使电极丝伸缩来完成，一般适用在小锥度机。

润滑系统用来缓解机件磨损、提高机械效率、减轻功率损耗。

可起到冷却、缓蚀、吸振、减小噪音之作用。

1.3.2电气部分

电气部分包括机床电路、脉冲电源、驱动电源和控制系统等组成。

机床电路主要控制运丝电动机和工作液泵的运行，使电极丝对工件能连续切割。

脉冲电源提供电极丝与工件之间的火花放电能量，用以切割工件。

驱动电源也叫驱动电路，由脉冲分配器、功率放大电路、电源电路、预放电路和其它控制电路组成。

是提供电源给步进电机供电的专用电源，用来实现对步进电机的控制。

控制系统主要是控制工作台拖板的运动（轨迹控制）和脉冲电源的放电（加工控制）。

1.3.3工作液系统部分

工作液系统一般由工作液箱、工作液泵、进液管、回液管、流量控制阀、过滤网罩或过滤芯等组成。

主要作用是集中放电能量、带走放电热量以冷却电极丝和工件、排除电蚀产物等。

1.4线切割的加工原理

1）线切割——数控电火花线切割加工的简称。

2）工作原理：

利用移动的金属丝作工具电极，并在金属丝和工件间通以脉冲电流，利用脉冲放电的腐蚀作用对工件进行切割加工的。

3）由于它利用的是丝电极，因此，只能作轮廓切割加工。

4）工作原理如图2所示。

图2线切割机床的加工原理

1－－动丝筒2——线架3——锥度装置4——电极丝5——工作台6——工作液箱7——床身8——操纵盒9——控制柜

5）当工件与线电极间的间隙足以被脉冲电压击穿时，两者之间即产生火花放电而切割工件。

6）通过数控装置l发出的指令，控制步进电动机11，驱动X、Y两托板移动，可加工出任意曲线轮廓的工件。

1.5线切割机床的分类

1.5.1往复走丝电火花线切割机床

电火花线切割的走丝速度为6～12m/s，是我国独创的机种。

自1970年9月由第三机械工业部所属国营长风机械总厂研制成功“数字程序自动控制线切割机床”，为该类机床国内首创。

1972年第三机械工业部对工厂生产的CKX数控线切割机床进行技术鉴定，认为已经达到当时国内先进水平。

1973年按照第三机械工业部的决定，编号为CKX—1的数控线切割机床开始投入批量生产。

1981年9月成功研制出具有锥度切割功能的DK3220型的坐标数控机，产品的最大特点是具有1.5度锥度切割功能。

完成了线切割机床的重大技术改进。

随着大锥度切割技术逐步完善，变锥度、上下异形的切割加工也取得了很大的进步。

大厚度切割技术的突破，横剖面及纵剖面精度有了较大提高，加工厚度可超过1000mm以上。

使往复走丝线切割机床更具有一定的优势。

同时满足了国内外客户的需求。

这类机床的数量正以较快的速度增长，由原来年产量2～3千台上升到年产量数万台，全国往复走丝线切割机床的存量已达20余万台，应用于各类中低档模具制造和特殊零件加工，成为我国数控机床中应用最广泛的机种之一。

但由于往复走丝线切割机床不能对电极丝实施恒张力控制，故电极丝抖动大，在加工过程中易断丝。

由于电级丝是往复使用，所以会造成电极丝损耗，加工精度和表面质量降低。

1.5.2低速走丝线切割机床

电极丝以铜线作为工具电极，一般以低于0.2m/s的速度作单向运动，在铜线与铜、钢或超硬合金等被加工物材料之间施加60～300V的脉冲电压，并保持5~50um间隙，间隙中充满脱离子水（接近蒸馏水）等绝缘介质，使电极与被加工物之间发生火花放电，并彼此被消耗、腐蚀，在工件表面上电蚀出无数的小坑，通过NC控制的监测和管控。

精度可达0.001mm级，表面质量也接近磨削水平。

电极丝放电后不再使用，而且采用无电阻防电解电源，一般均带有自动穿丝和恒张力装置。

工作平稳、均匀、抖动小、加工精度高、表面质量好，但不宜加工大厚度工件。

由于机床结构精密，技术含量高，机床价格高，因此使用成本也高。

1.5.3单向走丝电火花

线切割机床早期只有国外公司的独有机种。

台湾的低速走丝电火花线切割机起步虽然较晚，但这几年来发展迅速。

其关键的一个举措就是由若干家电加工机床制造企业共同出资，在有关部门一定限度的支持下，由台湾工业技术研究院投入大量的人力、物力做关键技术的开发。

经过10多年的攻关，在控制系统及电源等关键技术上取得了突破。

台湾各企业制造的低速走丝电火花线切割机应属中档机的范围，近3年每年达到20%～30%的增长率，估计未来5年，台湾低速走丝电火花线切割机的年产量能达2000台，可占世界市场的25%以上。

低速走丝电火花线切割机的技术含量高、市场前景好，可以获得较高的回报，是电加工行业各个厂家的“必争之地”、“战略高地”。

也可以说，谁掌握了低速走丝电火花线切割机的技术，谁就获得了下一步企业发展壮大的机遇。

为了抢占中国市场，日本、瑞士、台湾的电加工机床制造企业在中国大陆设厂生产这类机床。

我国的科技工作者在科技部专项基金的支持下，投入了较大的研发力量，已完成新一代低速走丝电火花线切割机的研发，取得了重大突破，已拥有了具有自主知识产权的产品，并占领了一定的市场份额，其性能指标可达中档机水平。

还有一些国内企业则希望通过与台湾相关企业的合作，来发展低速走丝电火花线切割加工技术。

1.5.4立式自旋转电火花线切割机床

（卧式自旋转电火花线切割机）。

立式回转电火花线切割机的特点与传统的高速走丝和低速走丝电火花线切割加工均有不同，首先是电极丝的运动方式比传统两种的电火花线切割加工多了一个电极丝的回转运动；其次，电极丝走丝速度介于高速走丝和低速走丝直接，速度为1～2m/s。

由于加工过程中电极丝增加了旋转运动，所以立式回旋电火花线切割机与其他类型线切割机相比，最大的区别在于走丝系统。

立式回转电火花线切割机的走丝系统由走丝端和放丝端两套结构完全相同的两端做为走丝结构，实现了电极丝的高速旋转运动和低速走丝的复合运动。

两套主轴头之间的区域为有效加工区域。

除走丝系统外，机床其他组成部分与高速走丝线切割机相同。

与单向低速走丝电火花线切割机床相比，往复高速走丝电火花线切割机床在平均生产率、切割精度及表面粗糙度等关键技术指标上还存在较大差距。

针对这些差距，本世纪初，国内有数家高速往复走丝电火花线切割机生产企业实现了在高速走丝机上的多次切割加工（该类机床被俗称为“中走丝”MediumSpeedWirecutElectricalDischargeMachining）。

所谓“中走丝”并非指走丝速度介于高速与低速之间，而是复合走丝线切割机床，其走丝原理是在粗加工时采用8-12m/s高速走丝，精加工时采用1-3m/s低速走丝，这样工作相对平稳、抖动小，并通过多次切割减少材料变形及钼丝损耗带来的误差，使加工质量也相对提高，加工质量可介于高速走丝机与低速走丝机之间。

因而可以说，用户所说的“中走丝”，实际上是往复走丝电火花线切割机借鉴了一些低速走丝机的加工工艺技术，并实现了无条纹切割和多次切割。

经过几年的发展，国内几乎所有生产高速走丝电火花线切割机床的厂家都在生产及销售中走丝，但最终表明不是所有的往复走丝电火花线切割机都能进行多次切割，或者说不是所有的往复走丝电火花线切割机采用多次切割技术后都能获得好的工艺效果。

多次切割是一项综合性的技术，它涉及到机床的数控精度、脉冲电源、工艺数据库、走丝系统、工作液及大量的工艺问题，并不是简单地在高速走丝机上加上一套运丝变频调速系统即可实现的，只有那些制造精度高，并在诸方面创造了多次切割条件的往复走丝电火花线切割机才能进行多次切割和无条纹切割，并获得显著的工艺效果。

因此我们的生产企业必须充分注意到这个问题，一定要按系统工程来做，真正把这一技术用好，把这一产品做好。

如已有一些企业为进一步提高机床本体精度，X、Y坐标工作台采用了直流或交流伺服电机作驱动单元直接驱动滚珠丝杠，同时采用了带螺距补偿功能的全闭环控制，可以利用数控系统对机床的定位精度误差进行补偿和修正。

在保证精度的前提下，减小因长期使用而导致的加工精度下降，延长机床的使用寿命。

运丝系统方面采用特殊（大多数采用金刚石）电极丝保持器，保持电极丝的相对稳定，减小加工过程中电极丝的张力变化。

冷却系统方面改变常用的粗放冷却方式，采取多级过滤并对介电常数等关键参数加以控制，确保精加工的顺利进行。

控制软件方面提供开放的加工参数数据库，可以根据材料的质地、厚度、粗糙度等条件选择对应的加工参数。

相信经过我们的努力，多次切割技术将会更加完善，往复走丝电火花线切割加工技术也将得到更好的应用和发展。

第二章刻度盘的设计

2.1设计背景

根据题目要求，工作台是应该要旋转的，既然工作台要旋转，在生产加工中对旋转的角度也要有很高的要求，要达到这样高的要求，就必须要一个在加工过程中可以测量的测量工具，并且这个测量工具的精度也必须有所保障。

2.2量具的主要功能

为了保证产品质量，机器中的每一个零件，都必须根据图纸上规定的公差要求来制造。

这里仅仅依靠人的感觉器官或简单的直尺是很不够的，必须借助于有一定精度的测量工具来测量。

量具再精密，还是要靠人去使用。

所以我们一定要学会正确地选择,使用和保养常用的量具。

2.3量具的分类

量具的种类很多，测量的项目各有特色，分类的方式也很多。

在钳工工艺学中，按其特点和用途我们主要可以将其分为万能量具、标准量具和专用量具几大类。

在这里，就给大家介绍一下这几大类量具的特点及其用途。

1）万能量具也称为通用量具：

是指可以在测量范围内测出工件或物体某一项目（比如尺寸、角度、重量等项目）的具体数值的计量工具。

例如，直尺、卷尺、量角器、秤、等常见量具。

2）标准量具：

是指用来校验和调整所使用量具具有统一标准的量具。

以便保证测量结果的标准化和测量的准确性精确性。

（国家标准计量法规定部分内容）

3）专用量具：

指不测量工件（或物体）某一项目的具体数值，而只判定这一项目是否合格的量具，（即为判定某一项目是否合格专门制作的量具）。

例如判断警戒水位的标杆、某一长度的咫子、卡规、塞尺等等。

在这些量具的使用维护过程中，我们尤其要注意保养，不能用硬物损伤测量面，禁止随意拆卸，不要用手去抓摸测量面和刻线，以免腐蚀，不要将量具放在磁场附近，禁止将量具当其他工具使用，量具使用完毕应擦拭后上油装入盒内，注意防尘，精密量具在不使用时要注意妥善保管。

2.4维护和保养工作

1、测量前应把量具的测量面和零件的被测量表面都要擦干净，以免因有脏物存在而影响测量精度。

用精密量具去测量锻铸件的毛坯，或带有研磨剂的表面是错误的，这样易使测量面很快磨损而失去精度。

2、量具在使用过程中，不要和工具，刀具如锉刀，车刀和钻头等堆放在一起，免碰伤量具。

也不要随便放在机床上，免因机床振动而使量具掉下来损坏。

用完后应平放在专用盒里，免使尺身变形。

3、量具是测量工具，绝对不能作为其它工具的代用品。

如拿卡尺划线，用钢尺清理切屑等都是错误的。

4、温度对测量结果影响很大，零件的精密测量一定要使零件和量具都在20摄氏度情况下进行测量。

一般可在室温下进行测量，但必须使工件与量具的温度一致。

否则，由于金属材料的热胀冷缩的特性，使测量结果不准确。

5、不要把量具放在磁场附近，例如磨订的磁性工作台上，以免量具感磁。

6、发现量具有不正常现象时，如表面不平，有毛剌，有锈斑以及刻度不，准尺身弯曲变形，活动不灵活等等，使用者不能自行拆修，以免反而增大量具误差。

7、量具使用后，应及时擦干净，