机电一体化专业课程设计方案报告.doc

机电一体化系统设计基本课程设计报告专 业： 机械电子工程 班 级： 机电0811 学 号： 716022 姓 名： 陈智建 指引教师： 刘云 、柯江岩 年 1 月 13 日目录第一节 绪论31.1课程设计目意义31.2课程设计任务描述31.3数控铣床性能指标设计规定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主轴传动系统设计53.1.1主轴电机选取53.1.2变频器选取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伺服电机选取63.2.3 滚珠丝杠选取63.2.4滚珠丝杠支承选取73.3设计验算校核73.3.1惯量匹配验算73.3.2伺服电机负载能力校验83.3.3系统刚度计算93.3.4固有频率计算93.3.5死区误差计算103.3.6系统刚度变化引起定位误差计算10第四节 电气系统设计11第五节 总结12参照文献13附：6张系统框图和元器件图第一节 绪论1.1课程设计目意义机电一体化是一门实践性强综合性技术学科，所涉及知识领域非常广泛，当代各种先进技术构成了机电一体化技术基本。机电一体化系统设计基本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重要规定学生设计一数控铣床传动系统跟控制系统，即在已有数控系统基本上，依照实际加工规定，进行二次开发。由于生产数控系统，伺服电动机驱动器，伺服电机厂家诸多，虽然同一厂家，其生产产品系统和型号也诸多。为了避免在设计过程中选型过于辽阔，并考虑到本设计目重要是为了训练从事设计基本能力，数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。依照该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一种开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床控制规定。考虑到CNC控制器，驱动器和电机之间电器接口互相匹配，在该设计中，规定3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产产品。1.3数控铣床性能指标设计规定（1）主轴转速范畴：100024000 （rpm）（2）主轴电机功率：30/37 kw（3）X/Y/Z轴迅速进给速度15/15/15m/min，X/Y/Z轴切削进给速度，1-10000 mm/min（4）系统辨别率：0.0005mm,重复精度0.02mm。第二节 总体方案设计2.1主轴驱动系统设计方案（1）依照主轴功率，主轴转速范畴，选取主轴电机（2）依照电机转速与主轴转速，设计主轴传动链，选取传动级数，每级传动比，各级齿轮齿数；（3）依照选定主轴电机功率、转速范畴，选取变频器型号，（三菱FRS-520SE-0.4-CH变频器作为参照），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）依照各个轴功率，调速范畴，运动精度规定，设计X/Y/Z轴传动链，选取传动级数，每级传动比；（2）依照各个轴功率，调速范畴，运动精度规定，选取伺服驱动器和交流伺服电动机型号，（FANUC Series oi-TC系列作为参照），设计伺服驱动器电气控制线路；（3）依照导程与载荷选取滚珠丝杠型号，并拟定其支承方式；（4）依照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，由刚度变化引起定位误差计算。2.3电气系统设计方案 电气系统设计参照已有数控铣床电气系统电路及其连接方式。数控系统规定选用Fanuc OI MATE MC。依照该数控系统控制性能，可控制3个伺服电动机轴和一种开环主轴（变频器），满足4轴联动数控铣床控制规定。在该设计中，规定3轴伺服驱动器，伺服电动机都采用Fanuc公司生产产品。所选用驱动器和电机之间电器接口要互相匹配，第三节 传动系统设计3.1主轴传动系统设计3.1.1主轴电机选取依照主轴电机功率规定，查询机械设计手册3后选取三相异步交流电动机，型号为JO2-72-2，其详细参数为：额定功率P=30kW,额定转速3000rpm，额定电流56A，效率=89.5%,功率因素为0.91。3.1.2变频器选取 依照选定三相交流异步电机参数，查询参照文献5选取变频器型号为三菱FR-V540-30K，其详细参数为：合用电机功率：30 kw；额定容量：43.8 kVA；额定电流：126.5 A；调速范畴:03600rpm；控制方式：闭环矢量控制；调速比：1:1500；速度响应频率：800rad/s3.1.3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、5-341 查得主轴传动机构应采用2级传动，传动比可分别取i1=2.2，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 本系统采用半闭环伺服系统，从参照文献4中查得伺服电机最高转速nmax可选 1500r/min或r/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轴迅速进给速度规定达到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依照规定，数控铣床脉冲当量=0.0005 mm/脉冲。伺服电机每转应发出脉冲数达到b=0该伺服系统位置反馈采用脉冲编码器方案，选用每转5000脉冲编码器，则倍频器倍数为4.3.2.2伺服电机选取伺服电机最高转速nmax=1500r/min，查询参照文献4，选定伺服电机规格为A06B-0084-Bxyz，型号为22/1500,其详细参数为：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.，性能满足系统规定。3.2.3 滚珠丝杠选取滚珠丝杠导程p=10mm，滚珠丝杠直径应按当量动载荷Cm选取。 假设最大进给力Ff=5000N,工作台质量为200kg，工件与夹具最大质量为300kg，贴塑导轨摩擦因数=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；当载荷按照单调式规律变化，各种转速使用机会相似时，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11.2，普通状况取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 相近额定动载荷Ca，使得CmCa,然后由此拟定滚珠丝杆副型号和尺寸。选取系列代号为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，符合设计规定。3.2.4滚珠丝杠支承选取 本传动系统丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动构造形式，丝杆长度取1200mm，丝杠最小拉压长度=150 mm，最大拉压长度=900 mm,故工作台行程范畴为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.式中丝杠材料钢密度，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.(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 0.861，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)电动机轴上当量摩擦转矩 = 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.则因预紧力引起、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)空载启动时电动机轴上总负载转矩Tq =TJ + T+ T0 =15.56+0.59=16.514 N.m由于 Tq TS =20 N.m 故可正常启动。3.3.3系统刚度计算本传动系统丝杠采用一端轴向固定，另一端浮动构造形式，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/mKLmin =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通过预紧并忽视轴承座和螺母座刚度影响，按表5-91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5-451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/m23.3.4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nc= = =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.如果忽视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nt= =477.5 rad/snc 和nt都较高，阐明系统动态特性好3.3.5死区误差计算设丝杠螺母机构采用了消隙和预紧办法，则按式5-591可求得由摩擦力引起最大反向死区误差为max= =0.0027 mmmax约为5个脉冲当量，阐明该系统较难满足单脉冲进给规定3.3.6系统刚度变化引起定位误差计算按式5-601可求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度变化所引起最大定位误差Kmax=500=0.0005 mm由于系统定位精度为0.02 mm，Kmax=0.0005=0.004 mm,因而，系统刚度满足定位精度规定。综上所述，主轴传动系统与伺服驱动系统设计满足系统设计指标规定第四节 电气系统设计重要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变频器三菱AC220V/DC24V/ 145W S-145-241无3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主轴电机常州大地5.5KW,1450RPM1无6X轴电机FANCUA06B-00610B1031无7Y轴电机FANCUA06B-00610B1031无8Z轴电机FANCUA06B-00610B1031无9电源隔离开关正泰HZ5D-20/41无10电源自动空气开关正泰DZ47-6016/2P1无11变频器自动空气开关正泰DZ47-6016/1P1无12驱动电源空气开关正泰DZ47-6016/1P1无13开关电源空气开关正泰DZ47-6016/1P1无14变频器三菱FR-S520S-0.4K1无15开关电源台湾明炜AC220/DC24V,150VA1无16I/OFANUCA20B-05201无17CRTFANUCA02B-0299-C041(M)2无18数控系统FANUCA02B-0301-B8011无19伺服驱动FANUCA06B-6130-H0023无20分线器姜堰FX-50BB2无21照明灯变压器南京60VA1无22系统开接触器正泰CJX2-09101无23系统开中间接触器乐清HH153P-FL+TP511X1无24主轴正转中间继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无25主轴反转中间继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无26Y轴急停辅助继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无27YZ轴急停辅助继电器乐清HH153P-FL+TP511X1无28X+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无29Z+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无30X-限位接近开关前卫LT2-3005PA1无31Z-+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无32Y+限位接近开关前卫LT2-3005PA1无33Y-限位接近开关前卫LT2-3005PA1无34安全门开关前卫LT2-3005PA1无35X轴减速接近开关前卫LT2-3005PA1无36Y轴减速接近开关前卫LT2-3005PA1无37Z轴减速接近开关前卫LT2-3005PA1无38接线端子Weidmuller11无39接线端子Weidmuller18无40NC ON141NC OFF142急停143跳步144复位145循环启动146进给保持147负向148正向149单段150主轴正转151主轴反转152手轮倍率153进给倍率开关154工作方式开关155轴选取156程序保护开关157电源批示灯158故障批示灯159多参照点批示灯160跳步批示灯161单段批示灯162进给保持批示灯163循环启动批示灯164主轴正转批示灯165主轴停止批示灯166主轴反转批示灯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，给我诸多专业知识以及专业技能上提高，同步，设计让我感触很深。使我对抽象理论有了详细结识。通过这次课程设计，不但培养了我独立思考、动手操作能力，在各种其他能力上也均有了提高。更重要是，在实验课上，咱们学会了诸多学习办法。而这是日后最实用，真是受益匪浅。要面对社会挑战，只有不断学习、实践，再学习、再实践。这对于咱们将来也有很大协助。后来，不论有多苦，我想咱们都能变苦为乐，找寻有趣事情，发现其中贵重事情。就像中华人民共和国倡导艰难奋斗同样，咱们都可以在实验结束之后变更加成熟，会晤对需要面对事情。回顾起此课程设计，至今我仍感触颇多，从理论到实践，在这段日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到诸多诸多东西，同步不但可以巩固了此前所学过知识，并且学到了诸多在课本上所没有学到过知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要，只有理论知识是远远不够，只有把所学理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才干真正为社会服务，从而提高自己实际动手能力和独立思考能力。在设计过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜是最后都得到理解决。 实验过程中，也对团队精神进行了考察，让咱们在合伙起来更加默契，在成功后一起体会喜悦心情。果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽配合才干换来最后完美成果。参照文献1 郑堤，唐可洪. 机电一体化设计基本. 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，19824伺服电机选取参照网址：5变频器选取参照网址： 6 王爱玲. 当代数控机床构造与设计. 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引. 北京：高等教诲出版社，