数控铣床的传动系统及控制系统设计课程设计(机电一体化).doc

长沙理工大学继续教育学院
机械电子学课程设计

年 级： 2014级
专 业： 机电一体化技术
姓 名： 侯志勇
学 号： 2014HBH27009
指导老师： 韩建华

时间： 2015 年 10 月 30 日

机械电子学课程设计
目 录
一 课程设计任务书………………………………………………………………1
1.课程设计目的意义 1
2.课程设计任务 1
3.数控铣床的性能指标设计要求 1
二 课程设计内容 ………………………………………………………………1
摘要…………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………2
第一节 总体方案设计 ………………………………………………………2
1.主轴驱动系统设计方案 2
2. X/Y/Z轴控制系统方案设计 2
3.电气系统设计方案 2
第二节 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 3
1.2变频器的选择 3
1.3主轴传动系统设计 3
2.伺服驱动系统设计 3
2.1伺服传动机构设计 3
2.2伺服电机选择 4
2.3 滚珠丝杠的选择 4
2.4滚珠丝杠支承的选择 5
3.设计验算校核 5
3.1惯量匹配验算 5
3.2伺服电机负载能力校验 6
3.3系统的刚度计算 7
3.4固有频率计算 8
3.5死区误差计算 8
3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 8
三 存在问题及改进意见 ........................9
四 参考文献 .......................................................................................................................9
五 致谢 .......................................................................................9

一 课程设计任务书
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专业的课程设计，培养学生综合应用所学的知识，进行机电一体化系统设计的能力。
2. 课程设计任务
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轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产的产品。
3. 数控铣床的性能指标设计要求
（1）主轴的转速范围：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,重复精度0.02mm。
二 课程设计内容
摘要
机电一体化系统是综合多个学科的系统,包括机械技术,传感器技术,测试技术,电子技术和控制技术,机械电子学等。它极大推动了机械工业,兵器行业及其他行业的发展。其技术结构,产品结构,技术功能与构成,生产方式和管理体系均发生了巨大的变化。使工业生产由机械电气化迈进到机电一体化为特征的数字化,自动化,高精度,微型化,多功能化,智能化的时代。
结合精密机械控制是现代机械的一个重要方向，它能使机械加工的精度又提高一个层次，主要技术是用微机、单片机等现代高科技仪器来控制步进电机，再通过步进电机来实现精密的工作台控制。让我们由这样简单的机电一体化系统重新复习学过的知识, 接触机电一体化系统,为下学期的毕业设计打下一定的基础,另外也是为工作作好准备。
关键词： 机械系统 驱动系统 电气系统 传送系统
第一节 总体方案设计
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，选择变频器型号，（三菱FRS-520SE-0.4-CH变频器作为参考），并设计变频器的电气控制线路图；
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，由刚度变化引起的定位误差计算。
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，
第二节 传动系统设计
1主轴传动系统的设计
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JO2-72-2，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%,功率因素为0.91。
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:0~3600rpm；控制方式：闭环矢量控制；调速比：1:1500；速度响应频率：800rad/s
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用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。
2伺服驱动系统设计
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2000r/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 =15m/min.取伺服电机的最高转速nmax=1500r/min，则丝杠的最高转速nmax也为1500r/min。则滚珠丝杠的导程
p= ==10 mm
根据要求，数控铣床的脉冲当量δ=0.0005 mm/脉冲。伺服电机每转应发出的脉冲数达到
b===20000
该伺服系统的位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4.
2.2伺服电机选择
伺服电机的最高转速nmax=1500r/min，查询参考文献[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。
2.3 滚珠丝杠的选择
滚珠丝杠导程p=10mm，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μ=0.04,故丝杠的最小载荷（即摩擦力）
Fmin=fG=0.04（200+300）9.8=196 N
丝杠的最大载荷
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1500r/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）/2750 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1~1.2，一般情况取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与Cm 相近的额定动载荷Ca，使得Cm为10mm，每个螺母滚珠有5列。额定动载荷为 Ca=55 kN，Cmm=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。
3.2伺服电机负载能力校验
（1）伺服电机轴上的总惯量
J= +Jd= 0.0053+4.6110-3=9.9110-3 kg.
（2）空载启动时，电动机轴上的惯性转矩
TJ =J=J=9.9110-3=15.56 N.m
式中 ——启动时间，取=0.1 S
(3)电动机轴上的当量摩擦转矩
=== N.m
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矩为
T0===0.59 N.m
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 + Tμ+ T0 =15.56++0.59=16.514 N.m
因为 Tq < TS =20 N.m 故可正常启动。
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5-8[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的影响，按表5-9[1]所列公式可求得丝杠螺母机构的综合拉压刚度
== 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
3.4固有频率计算
丝杠质量为
ms===11.8 kg
丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为
ωnc= = =534.5 rad/s
折算到丝杆轴上系统的总当量转动惯量为
Jsd=Ji2=9.9110-3 kg.
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
ωnt= ==477.5 rad/s
ωnc 和ωnt都较高，说明系统动态特性好
3.5死区误差计算
设丝杠螺母机构采取了消隙和预紧措施，则按式5-59[1]可求得由摩擦力引起的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的要求
3.6系统刚度变化引起的定位误差计算
按式5-60[1]可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化所引起的最大定位误差
δKmax==500=0.0005 mm
由于系统的定位精度为0.02 mm，δKmax=0.0005<δ=0.004 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。
三 存在问题和改进意见
本次课程设计是对一些部分组合在一起进行总体设计的，不能单独考虑一个或几个基本方面的情况，要综合考虑，对其库存进行认真考虑，进行整体构思。在这次课程设计作业的过程中由于在设计方面我没有经验，理论基础知识掌握得不牢固， 在数据分析的设计方面也比较薄弱，这些都暴露出了我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。在整个课程设计的过程中，我发现我在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际脱节。我觉得像课程设计它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！
四 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，2011
[2] 文怀兴. 数控铣床设计. 北京：化学工业出版社，2005
[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]伺服电机的选择参考网址：
[5]变频器选择参考网址：
[6] 王爱玲. 现代数控机床结构与设计. 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，2004
五 致谢
本课题在选题及进行过程中得到老师的悉心指导。课程设计过程中，指导老师多次帮助我分析思路，进行归纳总结。在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。指导老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。在此，谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 

目 录

第一章 总 论 1
一、项目提要 1
二、可行性研究报告编制依据 2
三、综合评价和论证结论 3
四、存在问题与建议 4
第二章 项目背景及必要性 5
一、项目建设背景 5
二、项目区农业产业化经营发展现状 11
三、项目建设的必要性及目的意义 12
第三章 建设条件 15
一、项目区概况 15
二、项目实施的有利条件 17
第四章 建设单位基本情况 19
一、建设单位概况 19
二、研发能力 20
三、财务状况 20
第五章 市场分析与销售方案 21
一、市场分析 21
二、产品生产及销售方案 22
三、销售策略及营销模式 22
四、销售队伍和销售网络建设 23
第六章 项目建设方案 24
一、建设任务和规模 24
二、项目规划和布局 24
三、生产技术方案与工艺流程 25
四、项目建设标准和具体建设内容 26
五、项目实施进度安排 27
第七章 投资估算和资金筹措 28
一、投资估算依据 28
二、项目建设投资估算 28
三、资金来源 29
四、年度投资与资金偿还计划 29
第八章 财务评价 30
一、财务评价的原则 30
二、主要参数的选择 30
三、财务估算 31
四、盈利能力分析 32
五、不确定性分析 33
六、财务评价结论 34
第九章 环境影响评价 35
一、环境影响 35
二、环境保护与治理措施 35
三、环保部门意见 36
第十章 农业产业化经营与农民增收效果评价 37
一、产业化经营 37
二、农民增收 38
三、其它社会影响 38
第十一章 项目组织与管理 40
一、组织机构与职能划分 40
二、项目经营管理模式 42
三、技术培训 42
四、劳动保护与安全卫生 43
第十二章 可行性研究结论与建议 46
一、可行性研究结论 46
二、建议 47

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