机电一体化优秀课程设计优质报告.doc

机电一体化系统设计基础

课程设计汇报

专 业： 机械电子工程
班 级： 机电0811
学 号： 716022
姓 名： 陈智建
指导老师： 刘云 、柯江岩

年 1 月 13 日

目录
第一节 绪论 3
1.1课程设计目标意义 3
1.2课程设计任务描述 3
1.3数控铣床性能指标设计要求 3
第二节 总体方案设计 4
2.1主轴驱动系统设计方案 4
2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计 4
2.3电气系统设计方案 4
第三节 传动系统设计 5
3.1主轴传动系统设计 5
3.1.1主轴电机选择 5
3.1.2变频器选择 5
3.1.3主轴传动系统设计 5
3.2伺服驱动系统设计 5
3.2.1伺服传动机构设计 5
3.2.2伺服电机选择 6
3.2.3 滚珠丝杠选择 6
3.2.4滚珠丝杠支承选择 7
3.3设计验算校核 7
3.3.1惯量匹配验算 7
3.3.2伺服电机负载能力校验 8
3.3.3系统刚度计算 9
3.3.4固有频率计算 9
3.3.5死区误差计算 10
3.3.6系统刚度改变引发定位误差计算 10
第四节 电气系统设计 11
第五节 总结 12
参考文件 13
附：6张系统框图和元器件图

第一节 绪论
1.1课程设计目标意义
机电一体化是一门实践性强综合性技术学科，所包含知识领域很广泛，现代多种优异技术组成了机电一体化技术基础。机电一体化系统设计基础课程设计属于机械电子工程专业课程设计，培养学生综合应用所学知识，进行机电一体化系统设计能力。
1.2课程设计任务描述
本课程设计关键要求学生设计一数控铣床传动系统跟控制系统，即在已经有数控系统基础上，依据实际加工要求，进行二次开发。因为生产数控系统，伺服电动机驱动器，伺服电机厂家很多，即使同一厂家，其生产产品系统和型号也很多。为了避免在设计过程中选型过于宽广，并考虑到本设计目标关键是为了训练从事设计基础能力，数控系统要求选择Fanuc OI MATE MC。依据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机全部采取Fanuc企业生产产品。
1.3数控铣床性能指标设计要求
（1）主轴转速范围：1000—24000 （rpm）
（2）主轴电机功率：30/37 kw
（3）X/Y/Z轴快速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min
（4）系统分辨率：0.0005mm,反复精度0.02mm。

第二节 总体方案设计
2.1主轴驱动系统设计方案
（1）依据主轴功率，主轴转速范围，选择主轴电机
（2）依据电机转速和主轴转速，设计主轴传动链，选择传动级数，每级传动比，各级齿轮齿数；
（3）依据选定主轴电机功率、转速范围，选择变频器型号，（三菱FRS-520SE-0.4-CH变频器作为参考），并设计变频器电气控制线路图；
2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计
（1）依据各个轴功率，调速范围，运动精度要求，设计X/Y/Z轴传动链，选择传动级数，每级传动比；
（2）依据各个轴功率，调速范围，运动精度要求，选择伺服驱动器和交流伺服电动机型号，（FANUC Series oi-TC系列作为参考），设计伺服驱动器电气控制线路；
（3）依据导程和载荷选择滚珠丝杠型号，并确定其支承方法；
（4）依据选定驱动器型号和电动机参数，机械运动部件参数，进行惯量匹配验算，电动机负载能力校核，各轴刚度校核，固有频率计算，死区误差计算，由刚度改变引发定位误差计算。
2.3电气系统设计方案
电气系统设计参考已经有数控铣床电气系统电路及其连接方法。数控系统要求选择Fanuc OI MATE MC。依据该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一个开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床控制要求。在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机全部采取Fanuc企业生产产品。所选择驱动器和电机之间电器接口要相互匹配，

第三节 传动系统设计
3.1主轴传动系统设计
3.1.1主轴电机选择
依据主轴电机功率要求，查询机械设计手册[3]后选择三相异步交流电动机，型号为JO2-72-2，其具体参数为：额定功率P=30kW,额定转速3000rpm，额定电流56A，效率η=89.5%,功率原因为0.91。
3.1.2变频器选择
依据选定三相交流异步电机参数，查询参考文件[5]选择变频器型号为三菱FR-V540-30K，其具体参数为：适用电机功率：30 kw；额定容量：43.8 kVA；额定电流：126.5 A；调速范围:0~3600rpm；控制方法：闭环矢量控制；调速比：1:1500；速度响应频率：800rad/s
3.1.3主轴传动系统设计
主轴最高转速为24000rpm,故传动比i=24000/3000=8，按最小惯量条件，从图5-33、5-34[1] 查得主轴传动机构应采取2级传动，传动比可分别取i1=2.2, i2=3.6。
选各传动齿轮齿数分别为Z1=20，Z2=44 ，Z3=20，Z2=72，模数m=2mm，齿宽b=20mm，强度校验略。
3.2伺服驱动系统设计
3.2.1伺服传动机构设计
本系统采取半闭环伺服系统，从参考文件[4]中查得伺服电机最高转速nmax可选 1500r/min或r/min。假如伺服电机经过联轴器和丝杠直接连接，即i=1，X、Y、Z轴快速进给速度要求达成Vmax =15m/min.取伺服电机最高转速nmax=1500r/min，则丝杠最高转速nmax也为1500r/min。则滚珠丝杠导程
p= ==10 mm
依据要求，数控铣床脉冲当量δ=0.0005 mm/脉冲。伺服电机每转应发出脉冲数达成
b===0
该伺服系统位置反馈采取脉冲编码器方案，选择每转5000脉冲编码器，则倍频器倍数为4.
3.2.2伺服电机选择
伺服电机最高转速nmax=1500r/min，查询参考文件[4]，选定伺服电机规格为A06B-0084-Bxyz，型号为β22/1500,其具体参数为：额定功率：1.4kw，最高转速nmax=1500r/min，最大转矩TS =20 N.m，转动惯量=0.0053 kg.，性能满足系统要求。
3.2.3 滚珠丝杠选择
滚珠丝杠导程p=10mm，滚珠丝杠直径应按当量动载荷Cm选择。
假设最大进给力Ff=5000N,工作台质量为200kg，工件和夹具最大质量为300kg，贴塑导轨摩擦因数μ=0.04,故丝杠最小载荷（即摩擦力）
Fmin=fG=0.04（200+300）9.8=196 N
丝杠最大载荷
Fmax=5000+196=5196 N
轴向工作载荷（平均载荷）
Fm===3529.3 N
其中，Fmax 、Fmin 分别为丝杠最大、最小轴向载荷；当载荷根据单调式规律改变，多种转速使用机会相同时，Fm=
丝杠最高转速为1500r/min,工作台最小进给速度为1mm/min，导程p=10mm，故丝杠最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=（1500+0）/2=750 r/min。故丝杠工作寿命为
L===675
式中 L——工作寿命，以r为1个单位
T——丝杠使用寿命，对数控机床可取T=15000h，本例取T=15000h。
计算当量动载荷Cm为
Cm= ==46.4 kN
式中 ——载荷性质系数，无冲击取1~1.2，通常情况取1.2~1.5，有较大冲击振动时取1.5~2.5，本例取 =1.5；
——精度影响系数，本例中取=1。
查表2-9[1]滚珠丝杠产品样本中和Cm 相近额定动载荷Ca，使得Cm<Ca,然后由此确定滚珠丝杆副型号和尺寸。选择系列代号为4010-5，直径d=40mm，导程为10mm，每个螺母滚珠有5列。额定动载荷为 Ca=55 kN，Cm<Ca，符合设计要求。
3.2.4滚珠丝杠支承选择
本传动系统丝杠采取一端轴向固定，另一端浮动结构形式，丝杆长度取1200mm，丝杠最小拉压长度=150 mm, 最大拉压长度=900 mm,故工作台行程范围为750 mm。
3.3设计验算校核
3.3.1惯量匹配验算
（1）电动机轴上总当量负载转动惯量计算
丝杠转动惯量
JS === 2.35 kg.
式中ρ——丝杠材料钢密度，取ρ=7.8×103 kg/m3
l ——滚珠丝杠长度，l=1200 mm
(2) 工作台和刀架折算到电机轴上惯量
J1=m=m(p/2π)2 =500(0.01/2π)2 =1.2610-3 kg.
(3) 联轴器加上锁紧螺母等效惯量
可直接取
J2 =0.001 kg.
（4）负载总惯量
Jd = J1+ J2+ JS =1.2610-3 +2.35+0.001=4.6110-3 kg.
（5）惯量匹配验算
==0.86
<0.86<1，满足式5-41[1],故惯量匹配合理。
3.3.2伺服电机负载能力校验
（1）伺服电机轴上总惯量
J= +Jd= 0.0053+4.6110-3=9.9110-3 kg.
（2）空载开启时，电动机轴上惯性转矩
TJ =J=J=9.9110-3=15.56 N.m
式中 ——开启时间，取=0.1 S
(3)电动机轴受骗量摩擦转矩
=== N.m
式中 ——伺服进给传动链总效率，取=0.85
设滚动丝杠螺母副预紧力为最大轴向载荷1/3.则因预紧力引发、则算到电动机轴上附加摩擦转矩为
T0===0.59 N.m
式中——滚珠丝杠传动效率，取=0.9
(4)空载开启时电动机轴上总负载转矩
Tq =TJ + Tμ+ T0 =15.56++0.59=16.514 N.m
因为 Tq < TS =20 N.m 故可正常开启。
3.3.3系统刚度计算
本传动系统丝杠采取一端轴向固定，另一端浮动结构形式，按表5-8[1]所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为
KLmax ===1.76 N/m
KLmin ===2.93 N/m
式中 E——拉压弹性模量，E=N/m2
假定丝杠轴向支撑轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母座刚度影响，按表5-9[1]所列公式可求得丝杠螺母机构综合拉压刚度
== m/N
得 =1.44 N/m
== m/N
得 =2.2 N/m
按式5-45[1]可计算出丝杠最低扭转刚度为
KTmin===2.26 N.m/rad
式中 G——材料切边模量，G=N/m2
3.3.4固有频率计算
丝杠质量为
ms===11.8 kg
丝杠-工作台纵振系统最低固有频率为
ωnc= = =534.5 rad/s
折算到丝杆轴上系统总当量转动惯量为
Jsd=Ji2=9.9110-3 kg.
假如忽略电动机轴及减速器中扭转变形，则系统最低扭振固有频率为
ωnt= ==477.5 rad/s
ωnc 和ωnt全部较高，说明系统动态特征好
3.3.5死区误差计算
设丝杠螺母机构采取了消隙和预紧方法，则按式5-59[1]可求得由摩擦力引发最大反向死区误差为
max== =0.0027 mm
max约为5个脉冲当量，说明该系统较难满足单脉冲进给要求
3.3.6系统刚度改变引发定位误差计算
按式5-60[1]可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度改变所引发最大定位误差
δKmax==500=0.0005 mm
因为系统定位精度为0.02 mm，δKmax=0.0005<δ=0.004 mm,所以，系统刚度满足定位精度要求。

总而言之，主轴传动系统和伺服驱动系统设计满足系统设计指标要求

第四节 电气系统设计
关键器件清单
序号
名称
产商
规格、型号
数量
备注
1
三相交流异步电机

JO2-72-2
1
无
2
变频器
三菱
AC220V/DC24V/ 145W S-145-24
1
无
3
伺服电机
三菱
A06B-0084-Bxyz、β22/1500
3
无
4
滚珠丝杠
汉江机床厂
4010-5
3
无
5
主轴电机
常州大地
5.5KW,1450RPM
1
无
6
X轴电机
FANCU
A06B-00610B103
1
无
7
Y轴电机
FANCU
A06B-00610B103
1
无
8
Z轴电机
FANCU
A06B-00610B103
1
无
9
电源隔离开关
正泰
HZ5D-20/4
1
无
10
电源自动空气开关
正泰
DZ47-6016/2P
1
无
11
变频器自动空气开关
正泰
DZ47-6016/1P
1
无
12
驱动电源空气开关
正泰
DZ47-6016/1P
1
无
13
开关电源空气开关
正泰
DZ47-6016/1P
1
无
14
变频器
三菱
FR-S520S-0.4K
1
无
15
开关电源
台湾明炜
AC220/DC24V,150VA
1
无
16
I/O
FANUC
A20B--0520
1
无
17
CRT
FANUC
A02B-0299-C041(M)
2
无
18
数控系统
FANUC
A02B-0301-B801
1
无
19
伺服驱动
FANUC
A06B-6130-H002
3
无
20
分线器
姜堰
FX-50BB
2
无
21
照明灯变压器
南京
60VA
1
无
22
系统开接触器
正泰
CJX2-0910
1
无
23
系统开中间接触器
乐清
HH153P-FL+TP511X
1
无
24
主轴正转中间继电器
乐清
HH153P-FL+TP511X
1
无
25
主轴反转中间继电器
乐清
HH153P-FL+TP511X
1
无
26
Y轴急停辅助继电器
乐清
HH153P-FL+TP511X
1
无
27
YZ轴急停辅助继电器
乐清
HH153P-FL+TP511X
1
无
28
X+限位靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
29
Z+限位靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
30
X-限位靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
31
Z-+限位靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
32
Y+限位靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
33
Y-限位靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
34
安全门开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
35
X轴减速靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
36
Y轴减速靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
37
Z轴减速靠近开关
前卫
LT2-3005PA
1
无
38
接线端子
Weidmuller

11
无
39
接线端子
Weidmuller

18
无
40
NC ON

1

41
NC OFF

1

42
急停

1

43
跳步

1

44
复位

1

45
循环开启

1

46
进给保持

1

47
负向

1

48
正向

1

49
单段

1

50
主轴正转

1

51
主轴反转

1

52
手轮倍率

1

53
进给倍率开关

1

54
工作方法开关

1

55
轴选择

1

56
程序保护开关

1

57
电源指示灯

1

58
故障指示灯

1

59
多参考点指示灯

1

60
跳步指示灯

1

61
单段指示灯

1

62
进给保持指示灯

1

63
循环开启指示灯

1

64
主轴正转指示灯

1

65
主轴停止指示灯

1

66
主轴反转指示灯

1

后附6张系统框图和元器件图。

第五节 心得体会
课程设计诚然是一门专业课，给我很多专业知识和专业技能上提升，同时，设计让我感慨很深。使我对抽象理论有了具体认识。经过这次课程设计，不仅培养了我独立思索、动手操作能力，在多种其它能力上也全部有了提升。更关键是，在试验课上，我们学会了很多学习方法。而这是以后最实用，真是受益匪浅。要面对社会挑战，只有不停学习、实践，再学习、再实践。这对于我们未来也有很大帮助。以后，不管有多苦，我想我们全部能变苦为乐，找寻有趣事情，发觉其中珍贵事情。就像中国提倡艰苦奋斗一样，我们全部能够在试验结束以后变愈加成熟，见面对需要面正确事情。
回顾起此课程设计，至今我仍感慨颇多，从理论到实践，在这段日子里，能够说得是苦多于甜，不过能够学到很多很多东西，同时不仅能够巩固了以前所学过知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过知识。经过这次课程设计使我知道了理论和实际相结合是很关键，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识和实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提升自己实际动手能力和独立思索能力。在设计过程中碰到问题，能够说得是困难重重，但可喜是最终全部得到了处理。
试验过程中，也对团体精神进行了考察，让我们在合作起来愈加默契，在成功后一起体会喜悦心情。果然是团结就是力量，只有相互之间默契融洽配合才能换来最终完美结果。

参考文件
[1] 郑堤，唐可洪. 机电一体化设计基础. 北京：机械工业出版社，
[2] 文怀兴. 数控铣床设计. 北京：化学工业出版社，
[3] 东北工学院《机械零件设计手册》编写组. 机械零件设计手册（第二版中册）. 北京：冶金工业出版社，1982
[4]伺服电机选择参考网址：
[5]变频器选择参考网址：
[6] 王爱玲. 现代数控机床结构和设计. 北京：兵器工业出版社，1999
[7] 王长春，姜军生. 机电一体化综合实践指导. 北京：高等教育出版社，