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1、机电一体化系统设计基础课程设计报告专 业： 机械电子工程 小组分工明细栏分工任务任务负责人总体方案设计传动系统设计电气系统设计及制图文档编辑及复查目录第一节 绪论31.1课程设计目的意义31.2课程设计任务描述31.3数控铣床的性能指标设计要求3第二节 总体方案设计42.1主轴驱动系统设计方案42.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计42.3电气系统设计方案4第三节 传动系统设计53.1主轴传动系统的设计53.1.1主轴电机选择53.1.2变频器的选择53.1.3主轴传动系统设计53.2伺服驱动系统设计53.2.1伺服传动机构设计53.2.2伺服电机选择63.2.3 滚珠丝杠的选择63.2.4滚珠
2、丝杠支承的选择73.3设计验算校核83.3.1惯量匹配验算83.3.2伺服电机负载能力校验83.3.3系统的刚度计算93.3.4固有频率计算103.3.5死区误差计算103.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算11第四节 电气系统设计124.1电路图设计124.2主要电路图说明12第五节 心得体会13参考文献15附录16附录一、主要电子器件清单16附录二、主要电路图17第一节 绪论1.1课程设计目的意义机电一体化是一门实践性强的综合性技术学科，所涉及的知识领域非常广泛，现代各种先进技术构成了机电一体化的技术基础。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的课程设计，培养学生综合应用所学
3、的知识，进行机电一体化系统设计的能力。1.2课程设计任务描述本课程设计主要要求学生设计一数控铣床的传动系统跟控制系统，即在已有数控系统的基础上，根据实际加工要求，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机的驱动器，伺服电机的厂家很多，即使同一厂家，其生产的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，并考虑到本设计的目的主要是为了训练从事设计的基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根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轴联动数控铣床的控制要求。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口的相互匹配，在该设计中，要求3轴伺服
4、驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产的产品。1.3数控铣床的性能指标设计要求（1）主轴的转速范围：60018000 （rpm）（2）主轴电机功率：20/24 kw（3）X/Y/Z轴快速进给速度：30/30/30 m/minX/Y/Z轴切削进给速度：1-1000 0mm/min（4）系统分辨率：0.008 mm,重复精度:0.03 mm。第二节 总体方案设计2.1主轴驱动系统设计方案（1）根据主轴功率，主轴转速范围，选择主轴电机（2）根据电机转速与主轴转速，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）根据选定的主轴电机功率、转速范围、运动精度要求，选择变频器型号，（三菱F
5、RS-520SE-0.4-CH变频器作为参考），并设计变频器的电气控制线路图；2.2 X/Y/Z轴控制系统方案设计（1）根据各个轴的功率，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）根据各个轴的功率，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系列的作为参考），设计伺服驱动器的电气控制线路；（3）根据导程与载荷选择滚珠丝杠型号，并确定其支承方式；（4）根据选定驱动器的型号和电动机的参数，机械运动部件的参数，进行惯量匹配验算，电动机负载能力的校核，各轴的刚度校核，固有频率计算，死区误差计算，由刚度变化引起的
6、定位误差计算。2.3电气系统设计方案 电气系统的设计参照已有数控铣床电气系统的电路及其连接方式。数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。根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轴联动数控铣床的控制要求。在该设计中，要求3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产的产品。所选用的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主轴传动系统的设计3.1.1主轴电机选择根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JO2-71-2，其具体参数为：额定功率P=22kw,额定转速3000rpm，效率=89.5%
7、,功率因素为0.91。3.1.2变频器的选择根据选定的三相交流异步电机参数，查询参考文献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: 03600rpm；控制方式：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18000/3000=6，按最小惯量条件，从图5-33、5-341 查得主轴传动机构应采用2级传动，传动比可分别取i1=2, i2=3。选各传动齿轮齿数分别为Z1=20，Z2=40 ，Z3=20，Z
8、2=60，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用半闭环伺服系统，从参考文献4中查得伺服电机的最高转速nmax可选1500r/min或3000r/min。如果伺服电机通过联轴器与丝杠直接连接，即i=1，X、Y、Z轴快速进给速度要求达到Vmax=30m/min.取伺服电机的最高转速nmax=3000r/min，则丝杠的最高转速nmax也为3000r/min。则滚珠丝杠的导程p= =10mm (1)根据要求，数控铣床的脉冲当量=0.008 mm/脉冲。伺服电机每转应发出的脉冲数达到b=10/0.008=12500 (2)该伺服系统的位
9、置反馈采用脉冲编码器方案，选用每转5000脉冲的编码器，则倍频器的倍数为2.53.2.2伺服电机选择伺服电机的最高转速nmax=3000r/min，查询参考文献4，选定伺服电机规格为A06B-0276-Bx1z，型号为iS 50/3000HV,其具体参数为：额定功率：14kw，最高转速nmax=3000r/min，最大转矩TS =74 Nm，转动惯量=0.0145 kg，性能满足系统要求。3.2.3 滚珠丝杠的选择滚珠丝杠导程p=10m，滚珠丝杠的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，工件与夹具的最大质量为300kg，贴塑导轨的摩擦因数=0.04,
10、故丝杠的最小载荷（即摩擦力）Fmin=fG=0.04（200+300）9.8=196 N (3)丝杠的最大载荷Fmax=5000+196=5196 N (4)轴向工作载荷（平均载荷）Fm=3529.3 N (5)其中，Fmax 、Fmin 分别为丝杠最大、最小轴向载荷；当载荷按照单调式规律变化，各种转速使用机会相同时，Fm= 丝杠的最高转速为3000r/min,工作台最小进给速度为1mm/min，导程p=10mm，故丝杠的最低转速为0.1r/min，可取为0，则平均转速n=（1500+0.01）/2=750 r/min。故丝杠工作寿命为L=675 (6) 式中 L工作寿命，以r为1个单位T丝杠
11、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 (7) 式中 载荷性质系数，无冲击取11.2，一般情况取1.21.5，有较大冲击振动时取1.52.5，本例取 =1.5； 精度影响系数，本例中取=1。查表2-91滚珠丝杠产品样本中与Cm 相近的额定动载荷Ca，使得CmCa,然后由此确定滚珠丝杆副的型号和尺寸。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，CmCa，符合设计要求。3.2.4滚珠丝杠支承的选择 本传动系统丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式，丝杆长
12、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 (8)式中丝杠材料钢的密度，取=7.8103 kg/m3 l 滚珠丝杠长度，l=1200 mm(2) 工作台与刀架折算到电机轴上惯量J1=m=m(p/2)2 =500(0.01/2)2 =1.2610-3 kg (9)(3) 联轴器加上锁紧螺母等效惯量可直接取 J2 =0.001 kg. (10)(4) 负载总惯量Jd = J1+ J2+ JS = 1.95+1.26
13、10-3 +0.001=4.6110-3 kg (11)(5) 惯量匹配验算=0.318 (11) 0.3181，满足式5-411,故惯量匹配合理。 3.3.2伺服电机负载能力校验 (1) 伺服电机轴上的总惯量 J= +Jd= 0.0145+0.00461=0.0191 kg (12)(2) 空载启动时，电动机轴上的惯性转矩TJ =J=J=0.0191*=59.94 Nm (13)式中 启动时间，取=0.1 S(3)电动机轴上的当量摩擦转矩 = Nm (14)式中 伺服进给传动链的总效率，取=0.85设滚动丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3.则因预紧力引起的、则算到电动机轴上的附加摩擦转
14、矩为 T0=0.59 Nm (15)式中滚珠丝杠的的传动效率，取=0.9(4)空载启动时电动机轴上的总负载转矩Tq =TJ + T+ T0 =59.94 +0.59=60.89 Nm (16)因为 Tq TS =60.89N.m 故可正常启动。3.3.3系统的刚度计算本传动系统丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动的结构形式，按表5-81所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为KLmax =1.76 N/m (17)KLmin =2.93 N/m (18)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的影响，按表5-91所列公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度
15、= m/N (19)得 =1.44 N/m = m/N (20)得 =2.2 N/m按式5-451可计算出丝杠最低扭转刚度为KTmin=2.26 Nm /rad (21)式中 G材料切边模量，G=N/m23.3.4固有频率计算丝杠质量为ms=11.8kg (22)丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为nc= = =534.5 rad/s (23)折算到丝杆轴上系统的总当量转动惯量为Jsd=Ji2=0.0191 kg (24)如果忽略电动机轴及减速器中的扭转变形，则系统的最低扭振固有频率为nt= =1087.7 rad/s (25)nc 和nt都较高，说明系统动态特性好3.3.5死区误差计算设丝杠
16、螺母机构采取了消隙和预紧措施，则按式5-591可求得由摩擦力引起的最大反向死区误差为max= =0.0027 mm (26)max约为5个脉冲当量，说明该系统较难满足单脉冲进给的要求3.3.6系统刚度变化引起的定位误差计算按式5-601可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差Kmax=500=0.0005 mm (27)由于系统的定位精度为0.03 mm，Kmax=0.0005=0.006 mm,因而，系统刚度满足定位精度要求。综上所述，主轴传动系统与伺服驱动系统的设计满足系统设计指标要求。第四节 电气系统设计4.1电路图设计所设计的电路图如附录二所示4.2主要电路图说明（1
17、）电路图一为伺服电机与主轴电机的总体驱动电路图，三台伺服电机驱动器相互连接，X/Y/Z轴运动信号从FSSB口给出，各驱动器获得所控制轴向的运动信号后驱动各自伺服电机。主轴电机采用变频器进行控制（2）电路图二为主轴三相异步交流电机接线图，包括隔离开关连线方式（3）电路图三为机床照明灯及驱动电源连线图（4）电路图四为数控铣床总体供电电路图（5）电路图五/六/七分别为X/Y/Z轴伺服电机驱动器的接线图，伺服电机驱动器上连接有电阻模块，其功能是实现电机的能耗制动（6）电路图八为X/Y/Z轴限位开关电路图，还有安全门开关与复位开关等连线图（7）电路图九为进给倍率选择开关、工作方式选择开关以及急停等开关连
18、线图（8）电路图十为控制主轴正反转，主轴停止以及X/Y/Z轴减速运动的开关连线图（9）电路图十一为主轴正反转、Y轴急停控制端口接线以及故障灯、选择停止灯的接线（10）电路图十二为主轴正反转、停转指示灯，以及参考点灯、跳步灯、单段灯、进给保持灯，循环启动灯的电路连接图第五节 心得体会一周的课程设计结束了，让我收获颇丰。在此先感谢我们的指导老师，刘云和柯江岩老师。本次课程设计是我所做的最综合的一个题目，它跨越了机械和电气两大领域。在做设计时，我们第一步是按照设计要求来确定该题目可能需要的机械传动元件的参数，再慢慢根据每个机械部件的功能及题目的要求一一进行筛选，最终确定计算参数。第二步是设计方案并确
19、定。最开始我们选择了两个方案，但经过方案的比较及论证后去掉不合理的一个，最终用那个最好的方案来设计。方案确定后便开始设计电路图，我们是在CAD软件上设计原理图的，实际电路图设计好之后，便开始写设计报告。在设计过程中，与同学分工设计，和同学门相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了与人处事。这次课程设计使我又一次亲自动手设计东西，收获很多，体会也很深刻。在这次设计中我也学会了很多新的东西，例如CAD电气图设计方式、WORD软件的一些细节地方的应用以及一些常用的文本处理方法。综合运用本专业所学课程的理论和生产实际情况进行设计，并且培养和提高了团队合
20、作的工作能力，一个同学的知识变成多个同学的知识，多个同学的知识变成一个同学的知识，这样才能相互促进、相互提高。另外，我初步掌握了设计的步骤，学会如何确定分析系统控制的要求，如何处理各个方面的需要。了解了数控铣床控制系统的基本结构，同时提高了计算机能力，绘图能力，熟悉了规范和标准。再次感谢我们的刘云、柯江岩老师。刘云老师严谨细致，一丝不苟的作风一直是我们学习的榜样；柯江岩老师启发思考的教学作风让我们可以更深入地学习。每一难题的出现都离不开老师，再次感谢老师的悉心教导。参考文献1 郑堤，唐可洪. 机电一体化设计基础. 北京：机械工业出版社，20112 文怀兴. 数控铣床设计. 北京：化学工业出版社
21、，20053 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，19824伺服电机的选择参考网址：http:/ http:/ 王爱玲. 现代数控机床结构与设计. 北京：兵器工业出版社，19997 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，2004附录附录一、主要电子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JO2-72-21无2主轴变频器三菱AC220V/DC24V/ 145W S-145-241无3X/Y/Z轴伺服电机三菱A06B-0084-Bxyz、22/15003无4滚珠丝杠汉江机床厂4010-53无5电源隔
22、离开关正泰HZ5D-20/41无6电源自动空气开关正泰DZ47-6016/2P1无7变频器自动空气开关正泰DZ47-6016/1P1无8驱动电源空气开关正泰DZ47-6016/1P1无9开关电源空气开关正泰DZ47-6016/1P1无10变频器三菱FR-S520S-0.4K1无11开关电源台湾明炜AC220/DC24V,150VA1无12I/OFANUCA20B-2002-05201无13CRTFANUCA02B-0299-C041(M)2无14数控系统FANUCA02B-0301-B8011无15伺服驱动FANUCA06B-6130-H0023无16分线器姜堰FX-50BB2无17照明灯变压
23、器南京60VA1无18系统开接触器正泰CJX2-09101无19系统开中间接触器乐清HH153P-FL+TP511X1无20主轴正转中间继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无21主轴反转中间继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无22Y轴急停辅助继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无23YZ轴急停辅助继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无24X+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无25Z+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无26X-限位接近开关前卫LT2-3005PA1无27Z-+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无28Y+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无29Y-限位接近开关前卫LT2-3005PA1无30安全门开关前卫LT2-3005PA1无31X轴减速接近开关前卫LT2-3005PA1无32Y轴减速接近开关前卫LT2-3005PA1无33Z轴减速接近开关前卫LT2-3005PA1无附录二、主要电路图电路图用CAD打印比较清晰17