長沙理工大學繼續教育學院機械電子學課程設計年級：2014級專業：機電一體化技術姓名：侯志勇學號：2014HBH27009指導老師：韓建華時間：2015年10月30日

機械電子學課程設計目錄一課程設計任務書………………11.課程設計目的意義 12.課程設計任務 13.數控銑床的性能指標設計要求 1二課程設計內容………………1摘要…………1關鍵詞………………………2第一節總體方案設計………2 1.主軸驅動系統設計方案 22.X/Y/Z軸控制系統方案設計 23.電氣系統設計方案 2第二節傳動系統設計………31.主軸傳動系統的設計 31.1主軸電機選擇 31.2變頻器的選擇 31.3主軸傳動系統設計 32.伺服驅動系統設計 32.1伺服傳動機構設計 32.2伺服電機選擇 42.3滾珠絲杠的選擇 42.4滾珠絲杠支承的選擇 53.設計驗算校核 53.1慣量匹配驗算 53.2伺服電機負載能力校驗 63.3系統的剛度計算 73.4固有頻率計算 83.5死區誤差計算 83.6系統剛度變化引起的定位誤差計算 8三存在問題及改進意見9四參考文獻9五致謝9一課程設計任務書課程設計目的意義機電一體化是一門實踐性強的綜合性技術學科，所涉及的知識領域非常廣泛，現代各種先進技術構成了機電一體化的技術基礎。機電一體化系統設計基礎課程設計屬于專業的課程設計，培養學生綜合應用所學的知識，進行機電一體化系統設計的能力。課程設計任務本課程設計主要要求學生設計一數控銑床的傳動系統跟控制系統，即在已有數控系統的基礎上，根據實際加工要求，進行二次開發。由于生產數控系統，伺服電動機的驅動器，伺服電機的廠家很多，即使同一廠家，其生產的產品系統和型號也很多。為了避免在設計過程中選型過于寬廣，并考慮到本設計的目的主要是為了訓練從事設計的基本能力，數控系統規定選用FanucOIMATEMC。根據該數控系統控制性能，可控制3個伺服電動機軸和一個開環主軸（變頻器），滿足4軸聯動數控銑床的控制要求。考慮到CNC控制器，驅動器和電機之間電器接口的相互匹配，在該設計中，要求3軸伺服驅動器，伺服電動機都采用Fanuc公司生產的產品。3.數控銑床的性能指標設計要求（1）主軸的轉速范圍：1000—24000（rpm）（2）主軸電機功率：30/37kw（3）X/Y/Z軸快速進給速度15/15/15m/min，X/Y/Z軸切削進給速度，1-10000mm/min（4）系統分辨率：0.0005mm,重復精度0.02mm。二課程設計內容摘要機電一體化系統是綜合多個學科的系統,包括機械技術,傳感器技術,測試技術,電子技術和控制技術,機械電子學等。它極大推動了機械工業,兵器行業及其他行業的發展。其技術結構,產品結構,技術功能與構成,生產方式和管理體系均發生了巨大的變化。使工業生產由機械電氣化邁進到機電一體化為特征的數字化,自動化,高精度,微型化,多功能化,智能化的時代。結合精密機械控制是現代機械的一個重要方向，它能使機械加工的精度又提高一個層次，主要技術是用微機、單片機等現代高科技儀器來控制步進電機，再通過步進電機來實現精密的工作臺控制。讓我們由這樣簡單的機電一體化系統重新復習學過的知識,接觸機電一體化系統,為下學期的畢業設計打下一定的基礎,另外也是為工作作好準備。關鍵詞：機械系統驅動系統電氣系統傳送系統第一節總體方案設計 1.主軸驅動系統設計方案（1）根據主軸功率，主軸轉速范圍，選擇主軸電機（2）根據電機轉速與主軸轉速，設計主軸傳動鏈，選擇傳動級數，每級傳動比，各級齒輪齒數；（3）根據選定的主軸電機功率、轉速范圍，選擇變頻器型號，（三菱FRS-520SE-0.4-CH變頻器作為參考），并設計變頻器的電氣控制線路圖；2.X/Y/Z軸控制系統方案設計（1）根據各個軸的功率，調速范圍，運動精度要求，設計X/Y/Z軸傳動鏈，選擇傳動級數，每級傳動比；（2）根據各個軸的功率，調速范圍，運動精度要求，選擇伺服驅動器和交流伺服電動機型號，（FANUCSeriesoi-TC系列的作為參考），設計伺服驅動器的電氣控制線路；（3）根據導程與載荷選擇滾珠絲杠型號，并確定其支承方式；（4）根據選定驅動器的型號和電動機的參數，機械運動部件的參數，進行慣量匹配驗算，電動機負載能力的校核，各軸的剛度校核，固有頻率計算，死區誤差計算，由剛度變化引起的定位誤差計算。3.電氣系統設計方案電氣系統的設計參照已有數控銑床電氣系統的電路及其連接方式。數控系統規定選用FanucOIMATEMC。根據該數控系統控制性能，可控制3個伺服電動機軸和一個開環主軸（變頻器），滿足4軸聯動數控銑床的控制要求。在該設計中，要求3軸伺服驅動器，伺服電動機都采用Fanuc公司生產的產品。所選用的驅動器和電機之間電器接口要相互匹配，第二節傳動系統設計1主軸傳動系統的設計1.1主軸電機選擇根據主軸電機功率要求，查詢機械設計手冊[3]后選擇三相異步交流電動機，型號為JO2-72-2，其具體參數為：額定功率P=30kW,額定轉速3000rpm，額定電流56A，效率η=89.5%,功率因素為0.91。1.2變頻器的選擇根據選定的三相交流異步電機參數，查詢參考文獻[5]選擇變頻器型號為三菱FR-V540-30K，其具體參數為：適用電機功率：30kw；額定容量：43.8kVA；額定電流：126.5A；調速范圍:0~3600rpm；控制方式：閉環矢量控制；調速比：1:1500；速度響應頻率：800rad/s1.3主軸傳動系統設計主軸最高轉速為24000rpm,故傳動比i=24000/3000=8，按最小慣量條件，從圖5-33、5-34[1]查得主軸傳動機構應采用2級傳動，傳動比可分別取i1=2.2,i2=3.6。選各傳動齒輪齒數分別為Z1=20，Z2=44，Z3=20，Z2=72，模數m=2mm，齒寬b=20mm，強度校驗略。2伺服驅動系統設計2.1伺服傳動機構設計本系統采用半閉環伺服系統，從參考文獻[4]中查得伺服電機的最高轉速nmax可選1500r/min或2000r/min。如果伺服電機通過聯軸器與絲杠直接連接，即i=1，X、Y、Z軸快速進給速度要求達到Vmax =15m/min.取伺服電機的最高轉速nmax=1500r/min，則絲杠的最高轉速nmax也為1500r/min。則滾珠絲杠的導程p=QUOTE=QUOTE=10mm根據要求，數控銑床的脈沖當量δ=0.0005mm/脈沖。伺服電機每轉應發出的脈沖數達到b=QUOTE=QUOTE=20000該伺服系統的位置反饋采用脈沖編碼器方案，選用每轉5000脈沖的編碼器，則倍頻器的倍數為4.2.2伺服電機選擇伺服電機的最高轉速nmax=1500r/min，查詢參考文獻[4]，選定伺服電機規格為A06B-0084-Bxyz，型號為β22/1500,其具體參數為：額定功率：1.4kw，最高轉速nmax=1500r/min，最大轉矩TS=20N.m，轉動慣量QUOTE=0.0053kg.QUOTE，性能滿足系統要求。2.3滾珠絲杠的選擇滾珠絲杠導程p=10mm，滾珠絲杠的直徑應按當量動載荷Cm選擇。假設最大進給力Ff=5000N,工作臺質量為200kg，工件與夾具的最大質量為300kg，貼塑導軌的摩擦因數μ=0.04,故絲杠的最小載荷（即摩擦力）Fmin=fG=0.04QUOTE（200+300）QUOTE9.8=196N絲杠的最大載荷Fmax=5000+196=5196N軸向工作載荷（平均載荷）Fm=QUOTE=QUOTE=3529.3N其中，Fmax、Fmin分別為絲杠最大、最小軸向載荷；當載荷按照單調式規律變化，各種轉速使用機會相同時，Fm=QUOTE絲杠的最高轉速為1500r/min,工作臺最小進給速度為1mm/min，導程p=10mm，故絲杠的最低轉速為0.1r/min，可取為0，則平均轉速n=（1500+0）/2=750r/min。故絲杠工作壽命為L=QUOTE=QUOTE=675式中L——工作壽命，以QUOTEr為1個單位T——絲杠使用壽命，對數控機床可取T=15000h，本例取T=15000h。計算當量動載荷Cm為Cm=QUOTE=QUOTE=46.4kN式中QUOTE——載荷性質系數，無沖擊取1~1.2，一般情況取1.2~1.5，有較大沖擊振動時取1.5~2.5，本例取QUOTE=1.5；QUOTE——精度影響系數，本例中取QUOTE=1。查表2-9[1]滾珠絲杠產品樣本中與Cm相近的額定動載荷Ca，使得Cm<Ca,然后由此確定滾珠絲桿副的型號和尺寸。選擇系列代號為4010-5，直徑d=40mm，導程為10mm，每個螺母滾珠有5列。額定動載荷為Ca=55kN，Cm<Ca，符合設計要求。2.4滾珠絲杠支承的選擇本傳動系統絲杠采用一端軸向固定，另一端浮動的結構形式，絲桿長度取1200mm，絲杠最小拉壓長度QUOTE=150mm,最大拉壓長度QUOTE=900mm,故工作臺行程范圍為750mm。3設計驗算校核3.1慣量匹配驗算（1）電動機軸上總當量負載轉動慣量計算絲杠轉動慣量JS=QUOTE=QUOTE=2.35QUOTEkg.QUOTE式中ρ——絲杠材料鋼的密度，取ρ=7.8×103kg/m3l——滾珠絲杠長度，l=1200mm(2)工作臺與刀架折算到電機軸上慣量J1=mQUOTE=m(p/2π)2=500QUOTE(0.01/2π)2=1.26QUOTE10-3kg.QUOTE(3)聯軸器加上鎖緊螺母等效慣量可直接取J2=0.001kg.QUOTE（4）負載總慣量Jd=J1+J2+JS=1.26QUOTE10-3+2.35QUOTE+0.001=4.61QUOTE10-3kg.QUOTE（5）慣量匹配驗算QUOTE=QUOTE=0.86QUOTE<0.86<1，滿足式5-41[1],故慣量匹配合理。3.2伺服電機負載能力校驗（1）伺服電機軸上的總慣量J=QUOTE+Jd=0.0053+4.61QUOTE10-3=9.91QUOTE10-3kg.QUOTE（2）空載啟動時，電動機軸上的慣性轉矩TJ=JQUOTE=JQUOTE=9.91QUOTE10-3QUOTE=15.56N.m式中QUOTE——啟動時間，取QUOTE=0.1S(3)電動機軸上的當量摩擦轉矩QUOTE=QUOTE=QUOTE=QUOTEN.m式中QUOTE——伺服進給傳動鏈的總效率，取QUOTE=0.85設滾動絲杠螺母副的預緊力為最大軸向載荷的1/3.則因預緊力引起的、則算到電動機軸上的附加摩擦轉矩為T0=QUOTE=QUOTE=0.59N.m式中QUOTE——滾珠絲杠的的傳動效率，取QUOTE=0.9(4)空載啟動時電動機軸上的總負載轉矩Tq=TJ+Tμ+T0=15.56+QUOTE+0.59=16.514N.m因為Tq<TS=20N.m故可正常啟動。3.3系統的剛度計算本傳動系統絲杠采用一端軸向固定，另一端浮動的結構形式，按表5-8[1]所列公式可求得絲杠最大、最小拉壓剛度為KLmax=QUOTE=QUOTE=1.76QUOTEN/mKLmin=QUOTE=QUOTE=2.93QUOTEN/m式中E——拉壓彈性模量，E=QUOTEN/m2假定絲杠軸向支撐軸承經過預緊并忽略軸承座和螺母座剛度的影響，按表5-9[1]所列公式可求得絲杠螺母機構的綜合拉壓剛度QUOTE=QUOTE=QUOTEm/N得QUOTE=1.44QUOTEN/mQUOTE=QUOTE=QUOTEm/N得QUOTE=2.2QUOTEN/m按式5-45[1]可計算出絲杠最低扭轉剛度為KTmin=QUOTE=QUOTE=2.26QUOTEN.m/rad式中G——材料切邊模量，G=QUOTEN/m23.4固有頻率計算絲杠質量為ms=QUOTE=QUOTE=11.8kg絲杠-工作臺縱振系統的最低固有頻率為ωnc=QUOTE=QUOTE=534.5rad/s折算到絲桿軸上系統的總當量轉動慣量為Jsd=Ji2=9.91QUOTE10-3kg.QUOTE如果忽略電動機軸及減速器中的扭轉變形，則系統的最低扭振固有頻率為ωnt=QUOTE=QUOTE=477.5rad/sωnc和ωnt都較高，說明系統動態特性好3.5死區誤差計算設絲杠螺母機構采取了消隙和預緊措施，則按式5-59[1]可求得由摩擦力引起的最大反向死區誤差為QUOTEmax=QUOTE=QUOTE=0.0027mmQUOTEmax約為5個脈沖當量，說明該系統較難滿足單脈沖進給的要求3.6系統剛度變化引起的定位誤差計算按式5-60[1]可求得由絲杠螺母機構綜合拉壓剛度的變化所引起的最大定位誤差δKmax=QUOTE=500QUOTE=0.0005mm由于系統的定位精度為0.02mm，δKmax=0.0005<QUOTEδ=0.004mm,因而，系統剛度滿足定位精度要求。綜上所述，主軸傳動系統與伺服驅動系統的設計滿足系統設計指標要求。三存在問題和改進意見