机械毕业设计1452线切割机床走丝机构及控制系统设计(PLC)
机电一体化课程设计
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（论文）奠定基础。
设计目的：
1、掌握线切割机的工作原理、适用范围；走丝机构的结构及传动原理。
2、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、设计线切割机走丝机构的结构和控制方法。
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
1、走丝机构的原理：
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储丝筒上，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。
2、储丝筒结构：
（1）对储丝筒的技术要求：在储丝筒高速转动时，同时要进行相应的轴向移动，以保证不同的直径的电极丝能在储丝筒上整齐排绕；为了保证电极丝的运行平稳无跳动现象，要求储丝筒的各项运动精度要高，径向跳动小；储丝筒具有正反向旋转功能，电极丝的走丝速度在6-11m/s范围内可调或恒速运转；走丝机构与床身相互绝缘；导轨，齿轮，丝杠要具备润滑措施。
（2）储丝筒电机：目前多数采用一般异步电动机。
（3）联轴器：由于储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。
（4）储丝筒：它是电极丝高速运行与整齐排绕储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。用钢制作储丝筒时，直径一般采用≤?120mm；用铝合金材料制作储丝筒时，直径在? 120-?160mm之间。要求储丝筒外表面粗糙度Ra≤0.8μm，储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：储丝机构的拖板传动是由两级减速齿轮和丝杠副组成。它使储丝筒每转一圈时，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储丝筒上。优点是传动平稳、噪声小，丝杠采用梯形螺纹，螺母采用消间隙结构。
（6）导轨：在储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）储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储丝筒，储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储丝筒上，以避免发生叠丝现象。
—1—
1
第三章 走丝机构传动设计
1、工作原理：
电动机
1 联轴器
2 传动轴
3 储丝筒4正反转 三对
齿轮啮合传动 丝杠副6带动滑扳7移动 行程开关 电动机正反转
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、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 。 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。
5、已知条件：电机转速r=900r/min、PLC控制、钼丝的直径d=0.20mm、储丝筒有效长度150mm-300mm、钼丝线速度6-11m/s、钼丝长度l=200m。
第四章部件的选择与计算
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年版化学工业出版社成大先主编，16-36页，可选Y2-701-6型电动机。电动机伸出轴径14mm、长度30mm、键槽宽5mm、深3mm。查机械设计课程设计第107页表11-28选用b*h=5*5平键。
参数：16-46表16-1-24
机座铁心级数功率转速
71 1 6 180W 900r/min
2、联轴器的选择：查《机械设计手册*单行本*轴及其连接》2004年版化学工业出版社成大先主编，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*m 7200r/min 14mm 32mm
—3—
1
3、轴承的选择：查《机械设计手册*单行本*轴承》2004年版化学工业出版社成大先主编，6-243页，可选深沟球轴承，型号6302。
参数：
d mm
D mm B mm 润滑方式 极限转速r/min 代号 15 42 13 脂润滑 16000 6302
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2 mm 。
S=nt(s ：导程、n ：线数、t ：螺距)。
所以，p*n2=2d*n1(平移的转速相等) 2* n2=2*0.20*900
所以，n2=180r/min
所以，i=n1/n2=(900r/min)/（180r/min ）=5
根据传动比公式分配传动比：
12
1)12(21
2122----?=n n n i i n
1
222/1)2(2--=n k n k i i
所以， i1=1.525 i2=1.806 i3=1.816 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=7m/s 、储丝筒周长L=2∏R=∏D 、储丝筒转速即为电机的转速r=900r/min=15r/s 。
—4—
所以，L=V/r=∏D 所以：D=V/∏r=(7000mm/S)/(15r/s*3.14)=148.6mm 取D=150mm。
因为，钼丝的总长度为200m，所以贮丝筒上钼丝宽度为b=（200000mm/3.14D)*0.20=85mm。
因为，根据实际要求贮丝筒的宽度一边须长出5~10cm，所以贮丝筒的实际总长度B定为B=240mm。
6、齿轮部分计算：（初步设定：Z2=30、m=1 、C*=0.25 、h a*=1）
Z2=Z1*i1=30*1.525=45.75≈46）
d1=M*Z1=30mm d2=M*Z2=46mm
d a1=d1+2h a=（Z1+2h a*）m=32mm
d a2=d2+2h a=（Z1+2h a*）m=48mm
a=（d1+d2）/2=（30+46）/2=38mm
d f1=d1-2h f=（Z1-2h a*-2C*）m=（30-2-2*0.25）=27.5mm
d f2=d2-2h f=（Z2-2h a*-2C*）m=（46-2-2*0.25）=43.5mm
d b1=dCosx=d1Cos20。=30*0.939=28.19mm
d b2=dCosx=d2Cos20。=46*0.939=43.23mm
同理：
Z3=38 Z4=Z3*i2=38*1.806=69
d3=38mm d4=69mm
d a3=40mm
d a4=71mm
a2=53.5mm
d f3=35.5mm
d f4=66.5mm
d b3=35.71mm
d b4=64.84mm
Z5=27 Z6=Z5*i3=27*1.816=50
d5=27mm d6=50mm
d a5=29mm
d a6=52mm
—5—
a3=38.5mm
d f5=24.5mm
d f6=47.5mm
d b5=25.37mm
d b6=46.98mm
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
17mm 15mm 14mm 1mm -------------- 内螺
纹
18mm 17mm 15.5mm ---------------- 1.25mm 外螺
纹
丝母工作原理:靠弹簧的张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、内齿轮或外齿轮、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。
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。
—6—
1
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。
9、行程开关：查《机械设计手册》中国科技出版社
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
10、控制部分示意图：
—7—
11、控制部分说明：
三相异步电动机正、反转控制的主电路，PLC外部接线及控制程序如上图所示。图中，SB1为正向启动按钮，SB2为反向启动按钮，SB3为停止按钮，KM1为正向接触器，KM2为反向接触器。三相异步电动机的正、反转是通过正、反接触器改变定子绕组的相序来实现的，其中一个很重要的问题就是必须保证任何时候、任何条件下正、反接触器都不能同时接通，为此，在梯形图中采用了正、反按钮互锁，即将动断触点400串入输出继电器431的驱动回路，将动断触点401串入输出继电器
—8—
1
430的驱动回路，和两个输出继电器430、431的动断触点互锁，这样能够保证输出继电器430和431不同时接通。但实际运行中由于输出锁存器中的变量是同时（并行）输出的，即430和431的状态变换是同时完成的，例如，由正转切换到反转，KM1的断电释放和KM2的得电吸合即同时动作，有可能在KM1断开其触点、电弧尚未熄灭时，KM2的触点已闭合，造成电源相间瞬时短路。为了避免这种情况，在梯形图中增加了两个定时器450和451，使正、反切换过程中，被切断的接触器瞬时动作，而被接通的接触器则要延时一段时间才动作，以保证系统工作可靠。
设计小结
经过这次为期两周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，而且把所学过的机电传动控制、金属切屑机床、机械设计等几门知识综合利用，另外我又在图书馆找了几本书作为参考资料，从实际机床上测量尺寸，观察结构，研究传动，之后是计算和加入新的设计思想，到最后成型，这对我来说既是一个挑战也是一次锻炼，把所学的知识和你自己的想法结合起来才能设计出来我们想要的，这才是最重要的。
这是我的第二次课程设计，与之前一次相比较，在原来纯粹机械部分的设计经验基础上加入了自动控制部分，我想这才是真正的机电一体化。虽然有时会感到困难重重，但终究还是坚持下来了，还是觉得很高兴。但同时也对自己的作品中的问题也深深感到不安，这里恳切的希望有机会能够得到老是的批评斧正！丰富难忘的大学生活即将结束，为了将来更好的服务社会，真正把我们已基本掌握的基础知识和专业课程更好的融会贯通，经过这次紧张而繁忙的设计，使我收获很大，不但巩固了专业知识，还锻炼了独自解决问题的能力，这将会使我以后的设计之路受益终身。
最后，感谢本次课程设计期间所有指导老师的辛勤工作！
参考文献：
《机械设计课程设计》（第二版）华中科技大学出版社唐增宝何永然刘安俊主编
《机械设计手册*单行本*轴及其连接》2004年版化学工业出版社成大先主编
《机械设计手册*单行本*减（变）速器*电机与电器》2004年版化学工业出版社成大先主编《机械设计手册*单行本*轴承》2004年版化学工业出版社成大先主编
《机械设计手册》中国科技出版社
—9—