机电一体化课程设计报告

1、v1.0可编辑可修改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： 22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课程设计目的意义312v1.0可编辑可修改课程设计任务描述3数控铳床的性能指标设计要求 3第二节总体方案设计4主轴驱动系统设计方案 4x/y/z轴控制系统方案设计 4电气系统设计方案4第三节传动系统设计5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5伺服驱动系统设计63.2.1 伺服传动机构设计63.2.2 伺服电机选择 63.2.3 滚珠丝杠的选择 63.

2、2.4 滚珠丝杠支承的选择 8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 93.3.3 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1522v1.0可编辑可修改第一节绪论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

3、的能力。课程设计任务描述本课程设计主要要求学生设计一数控铳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轴联动数控铳床的控制要求。考虑到cnc空制器，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

4、fanuc 公司生产的产品。数控铳床的性能指标设计要求(1)主轴的转速范围：100024000 (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，1-10000mm/min(4)系统分辨率：，重复精度33v1.0可编辑可修改第二节总体方案设计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，(三菱变频器作 为参考)，并设计变频器的电气控制线路图；x/y/

5、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。电气系统设计方案电气系统的设计参照已有数控铳床电气系统的电路及其连接

6、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轴联动数控铳床的控制要求。44v1.0可编辑可修改在该设计中，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4二%,功率因素为。3.1.2 变频器的选择根据选定的三相

7、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：kva; 额定电流：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/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i 1=, i 2=0选各传动齿轮齿数分别为 zi=20,乙=44 , z3=20, z2=72,模数m=2mm齿 宽b=20mm强度校验略。55v1.

8、0可编辑可修改伺服驱动系统设计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1。00vli1tal ioqq x 15 p= = ,=10 mm根据要求，数控铳床的脉冲当量6 = mm脉冲。伺服电机每转应发出的脉冲数达到p ,10b=t1w x 1 =20000该伺服系

9、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 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b 22/1500,其具体参数为：额定功率：，最高 转速nmax=1500r/min ,最大转矩ts=20 ,转动惯量 4= 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=10mm滚珠丝杠的直径应按当量动载荷 g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66v1.0可编辑可修改为300kg,贴塑导轨的摩擦因

10、数以=，故丝杠的最小载荷（即摩擦力）fmin=fg= 乂 （200+300） x =196 n丝杠的最大载荷fma=5000+196=5196 n轴向工作载荷（平均载荷）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 min,可取为0,则平均转速n=（1500+0）/2=750r/min 。故丝杠工作寿命为60nt a x 750 k 15mql=7=675式中l 工作寿命，以10,为1个单位t丝杠使用寿命，对数控机床可取t

11、=15000h,本例取t=15000ho计算当量动载荷cm为c fmux 3529.3 x 675 x 1.5 c= i = kn式中载荷性质系数，无冲击取1, 一股#况取,有较大冲击振动时取,本例取&二；卜精度影响系数,本例中取概=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c<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歹i。额定动载荷为ca=55 kn, cm<ca,符合设 计要求。77v1.0可编辑可修改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，

12、另一端浮动的结构形式，丝杆长度取1200mm丝杠最小拉压长度lmin=150 mm,最大拉压长度1血=900 mm故工作台行程范围为750 mm设计验算校核3.3.1惯量匹配验算（d电动机轴上总当量负载转动惯量计算88丝杠转动惯量3. 14 x 7.8 x 1000 x 0.04，x 1.232式中p丝杠材料钢的密度，取p=2.35 kg.,=x 103 kg/m3滚珠丝杠长度，l=1200 mm工作台与刀架折算到电机轴上惯量3 kg.ji=mv/w）'=m（p/2 兀）2 =500 x 2兀）2 =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 =

13、j1+ j 2+ j s =+ + x 10 &=x-3 kg.卜(5)惯量匹配验算j 4 61 x 10'ilk0. 0053:<<1,满足式5-411,故惯量匹配合理。v1.0可编辑可修改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= +-3 kg(2)空载启动时，电动机轴上的惯性转矩?n "朝.=j p a t2 x 3.14 x 150.01 x 0. 1 x 6099式中 t启动时间，取 t= s(3)电动机轴上的当量摩擦转矩p p0.01，门"不葭="3"。鼬x 50。x 9 8 x 0.

14、04=0.即式中|nl伺服进给传动链的总效率，取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», 八0 01.、t0=.f 、1.'- 二. ；,.=z tt t ft x j. 14 a u, 03 a j式中no滚珠丝杠的的彳专动效率,取 nd=(4)空载启动时电动机轴上的总负载转矩tq=tj + t.+ to=+).364+=因为tq < ts =20 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n/mn/m

15、式中e 拉压弹性模量，e= 1,1011 n/mv1.0可编辑可修改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111二ijr 2麻+ =降 2 x 1.96 x 1(1010得，.= n/mi1i: 一 + m/n按式5-451可计算出丝杠最低扭转刚度为ktminu；3. 14 x 0, 04* x 6.1 x 1 心式中g材料切边模量,g= 1 乂 n/m3.3.4 固有频率计算丝杠质量为11，；7 i =11.8 kg3 nc=丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为=rad/s折算到丝杆轴上系统的总当量转动惯量为,-, 2

16、jsd=ji =.-3 一kg. m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12. 26 x io10.0091=rad/snc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v1.0可编辑可修改1112?啤u ma)=rniex 1。3二=0.0027 mmmax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skmax="-:?=500 :;，

17、二壮-门.皿 x 77r一 7v7) x 。: mm由于系统的定位精度为 mm, 6 kma=< 6 = 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fac220v/dc24v/ 145w s-145-241无3伺服电机fa06b-0084-bxyz、0 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,1450rpm1无6x轴电机fancua06b-00610b1031无v1.0可编辑可修改7y轴电机

18、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1无15开关电源台湾明炜ac220/dc24v,150 va1无16i/ofanuca20b-2002-05201无17crtfanuca02b-0299-c041(m)2无18数控系统fanuca02b-0301-b8011无19伺服驱动fan

19、uca06b-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31

20、z-+限位接近开关前卫lt2-3005pa1无32y+限位接近开关前卫lt2-3005pa1无1212v1.0可编辑可修改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轴选择156程序保护开关157电源指示灯158故障指示灯11313v1.0可编辑可修改59多参考点指示灯160跳步指示灯161单段指示灯162进给保持指示灯163循环启动指示灯164主轴正转指示灯165主轴停止指示灯166主轴反转指示灯1后附6张系统框图和元器件图1414v1.0可编辑可修改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，