机电一体化课程设计报告

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
班级：机电0811
学号： 2008716022
姓名：陈智建
指导教师：刘云、柯江岩
2012 年 1 月 13 日
目录
第一节绪论 (3)
1.1课程设计目的意义 (3)
1.2课程设计任务描述 (3)
1.3数控铣床的性能指标设计要求 (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主轴传动系统的设计 (5)
3.1.1主轴电机选择 (5)
3.1.2变频器的选择 (5)
3.1.3主轴传动系统设计 (5)
3.2伺服驱动系统设计 (6)
3.2.1伺服传动机构设计 (6)
3.2.2伺服电机选择 (6)
3.2.3 滚珠丝杠的选择 (6)
3.2.4滚珠丝杠支承的选择 (7)
3.3设计验算校核 (8)
3.3.1惯量匹配验算 (8)
3.3.2伺服电机负载能力校验 (8)
3.3.3系统的刚度计算 (9)
3.3.4固有频率计算 (10)
3.3.5死区误差计算 (10)
3.3.6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 (11)
后附6张系统框图和元器件图。

(14)
第五节心得体会 (15)
参考文献 (16)
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：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。

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，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；
2.2 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。

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JO2-72-2，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。

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: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
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用2级传动，传动比可分
别取i
1=2.2,i
2
=3.6。

选各传动齿轮齿数分别为Z
1
=20，Z
2
=44 ，Z
3
=20，Z
2
=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，从参考文献[4]中查得伺服电机的最高转速n max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V max=15m/min.取伺服电机的最高转速n max=1500r/min，则丝杠的最高转速n max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.
3.2.2伺服电机选择
伺服电机的最高转速n max=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n max=1500r/min，最大转矩T S=20N.m，转动惯量=0.0053 kg.，性能满足系统要求。

3.2.3 滚珠丝杠的选择
选择。

滚珠丝杠导程p=10mm，滚珠丝杠的直径应按当量动载荷C
m
假设最大进给力F
=5000N,工作台质量为200kg，工件与夹具的最
f
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）
F min =f
G
=0.04（200+300）9.8=196 N
丝杠的最大载荷
F
max
=5000+196=5196 N
轴向工作载荷（平均载荷）
F
m
===3529.3 N
其中，F
max 、F
min
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，F
m
=
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）/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C
m
为
C
m
= ==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C
m 相近的额定动载荷Ca，使得C
m
<Ca,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，C
m
<Ca，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
J S === 2.35 kg.
式中ρ——丝杠材料钢的密度，取ρ=7.8×103 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
J
1
=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
J
2
=0.001 kg.
（4）负载总惯量
J d = J
1+
J
2+
J
S
=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）伺服电机轴上的总惯量
J= +J
d=
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
T
J
=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
T
===0.5
9 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
T q =T
J +
T
μ+
T
0 =
15.56++0.59=16.514 N.m
因为 T
q < T
S
=20N.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5-8[1]所列公式可求得丝杠最大、最小拉压刚度为
K Lmax =
=
=1.76N/m
K Lmin =
=
=2.93N/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=1.44N/m
== m/N 得=2.2N/m
按式5-45[1]可计算出丝杠最低扭转刚度为
K
Tmin=
==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
m
s
===11.8 kg 丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为
ω
nc
= = =534.5 rad/s 折算到丝杆轴上系统的总当量转动惯量为
J sd=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
ω
nt
= ==477.5 rad/s
ω
nc 和ω
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
3.3.6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
δ
Kmax==500=0.0005
mm
由于系统的定位精度为0.02 mm，δ
Kmax
=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
第四节电气系统设计
主要器件清单
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、β
22/1500
3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FANCU A06B-00610B1031无7Y轴电机FANCU A06B-00610B1031无8Z轴电机FANCU A06B-00610B1031无
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，给我很多专业知识以及专业技能上的提升，同时，设计让我感触很深。

使我对抽象的理论有了具体的认识。

通过这次课程设计，不仅培养了我独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。

更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。

而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。

要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。

这对于我们的将来也有很大的帮助。

以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。

就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。

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，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。

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的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从
而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。

在设计的过程中遇到问题，可以说得是困难重重，但可喜的是最终都得到了解决。

实验过程中，也对团队精神的进行了考察，让我们在合作起来更加默契，在成功后一起体会喜悦的心情。

果然是团结就是力量，只有互相之间默契融洽的配合才能换来最终完美的结果。

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：
/view/4a3b27c10c22590102029d3b.html
[5]变频器选择参考网址：
/view/bd022c8a6529647d2728520f.html
[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。