機電一體化課程設計--數控銑床的傳動系統(tǒng)跟控制系統(tǒng)

1、<p>　　機電一體化系統(tǒng)設計基礎</p><p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　專 業(yè)： 機械電子工程 </p><p>　　班 級： 機電0912 </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2013 年 1 月 18 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p&g

3、t;<b>　　第一節(jié) 緒論3</b></p><p>　　1.1課程設計目的意義3</p><p>　　1.2課程設計任務描述3</p><p>　　1.3數控銑床的性能指標設計要求3</p><p>　　第二節(jié) 總體方案設計4</p><p>　　2.1主軸驅動系統(tǒng)設計方案4<

4、;/p><p>　　2.2 X/Y/Z軸控制系統(tǒng)方案設計4</p><p>　　2.3電氣系統(tǒng)設計方案4</p><p>　　第三節(jié) 傳動系統(tǒng)設計5</p><p>　　3.1主軸傳動系統(tǒng)的設計5</p><p>　　3.1.1主軸電機選擇5</p><p>　　3.1.2變頻器的選擇5

5、</p><p>　　3.1.3主軸傳動系統(tǒng)設計5</p><p>　　3.2伺服驅動系統(tǒng)設計5</p><p>　　3.2.1伺服傳動機構設計5</p><p>　　3.2.2伺服電機選擇6</p><p>　　3.2.3 滾珠絲杠的選擇6</p><p>　　3.2.4滾珠絲杠支承

6、的選擇7</p><p>　　3.3設計驗算校核8</p><p>　　3.3.1慣量匹配驗算8</p><p>　　3.3.2伺服電機負載能力校驗8</p><p>　　3.3.3系統(tǒng)的剛度計算9</p><p>　　3.3.4固有頻率計算10</p><p>　　3.3.5死區(qū)誤

7、差計算10</p><p>　　3.3.6系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計算11</p><p>　　第四節(jié) 電氣系統(tǒng)設計12</p><p>　　4.1電路圖設計12</p><p>　　4.2主要電路圖說明12</p><p>　　第五節(jié) 心得體會13</p><p><b&g

8、t;　　參考文獻15</b></p><p><b>　　附錄16</b></p><p>　　附錄一、主要電子器件清單16</p><p>　　附錄二、主要電路圖17</p><p><b>　　第一節(jié) 緒論</b></p><p>　　1.1課程設計目

9、的意義</p><p>　　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(xiàn)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(tǒng)設計基礎課程設計屬于機械電子工程專業(yè)的課程設計，培養(yǎng)學生綜合應用所學的知識，進行機電一體化系統(tǒng)設計的能力。</p><p>　　1.2課程設計任務描述</p><p>　　本課程設計主要要求學生設計一數控銑床的傳動

10、系統(tǒng)跟控制系統(tǒng)，即在已有數控系統(tǒng)的基礎上，根據實際加工要求，進行二次開發(fā)。由于生產數控系統(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)規(guī)定選用Fanuc OI MATE MC。根據該數控系統(tǒng)控制性能，可控制3個伺服電動機軸和一個開環(huán)主軸（變頻器），滿足4軸聯(lián)動數控銑床的控制要求。考慮到CNC控制器，驅

11、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。</p><p>　　1.3數控銑床的性能指標設計要求</p><p>　?。?）主軸的轉速范圍：600—18000 （rpm）</p><p>　?。?）主軸電機功率：20/24 kw</p><p>　?。?）X/Y/Z軸快速進給速

12、度：30/30/30 m/min</p><p>　　X/Y/Z軸切削進給速度：1-1000 0mm/min</p><p>　?。?）系統(tǒng)分辨率：0.008 mm,重復精度:0.03 mm。</p><p>　　第二節(jié) 總體方案設計</p><p>　　2.1主軸驅動系統(tǒng)設計方案</p><p>　?。?）根據主軸功

13、率，主軸轉速范圍，選擇主軸電機</p><p>　　（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；</p><p>　?。?）根據選定的主軸電機功率、轉速范圍、運動精度要求，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；</p><p>　　2.2 X/Y/Z軸控制系統(tǒng)方

14、案設計</p><p>　?。?）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；</p><p>　?。?）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，（FANUC Series oi-TC系列的作為參考），設計伺服驅動器的電氣控制線路；</p><p>　　（3）根據導程與載荷選擇滾珠

15、絲杠型號，并確定其支承方式；</p><p>　?。?）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(qū)誤差計算，由剛度變化引起的定位誤差計算。</p><p>　　2.3電氣系統(tǒng)設計方案</p><p>　　電氣系統(tǒng)的設計參照已有數控銑床電氣系統(tǒng)的電路及其連接方式。數控系統(tǒng)規(guī)定選用F

16、anuc OI MATE MC。根據該數控系統(tǒng)控制性能，可控制3個伺服電動機軸和一個開環(huán)主軸（變頻器），滿足4軸聯(lián)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。</p><p>　　第三節(jié) 傳動系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1主軸傳動系統(tǒng)的設計</p><p>　　3.

17、1.1主軸電機選擇</p><p>　　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JO2-71-2，其具體參數為：額定功率P=22kw,額定轉速3000rpm，效率η=89.5%,功率因素為0.91。</p><p>　　3.1.2變頻器的選擇</p><p>　　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

18、菱FR-V540-30K，其具體參數為：適用電機功率：30 kw；額定容量：43.8 kVA；額定電流：126.5 A；調速范圍: 0~3600rpm；控制方式：閉環(huán)矢量控制；調速比：1:1500；速度響應頻率：800rad/s。</p><p>　　3.1.3主軸傳動系統(tǒng)設計</p><p>　　主軸最高轉速為24000rpm,故傳動比18000/3000=6，按最小慣量條件，從圖5-3

19、3、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, i2=3。</p><p>　　選各傳動齒輪齒數分別為Z1=20，Z2=40 ，Z3=20，Z2=60，模數m=2mm，齒寬b=20mm，強度校驗略。</p><p>　　3.2伺服驅動系統(tǒng)設計</p><p>　　3.2.1伺服傳動機構設計</p><p>　　本

20、系統(tǒng)采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從參考文獻[4]中查得伺服電機的最高轉速nmax可選1500r/min或3000r/min。如果伺服電機通過聯(lián)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=30m/min.取伺服電機的最高轉速nmax=3000r/min，則絲杠的最高轉速nmax也為3000r/min。</p><p><b>　　則滾珠絲杠的導程</b></p>

21、<p>　　p= \* MERGEFORMAT ==10mm (1)</p><p>　　根據要求，數控銑床的脈沖當量δ=0.008 mm/脈沖。伺服電機每轉應發(fā)出的脈沖數達到</p><p>　　b= \* MERGEFORMAT =10/0.008=12500 (2)</p>&l

22、t;p>　　該伺服系統(tǒng)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2.5</p><p>　　3.2.2伺服電機選擇</p><p>　　伺服電機的最高轉速nmax=3000r/min，查詢參考文獻[4]，選定伺服電機規(guī)格為A06B-0276-Bx1z，型號為αiS 50/3000HV,其具體參數為：額定功率：14kw，最高轉速nmax=3000r/m

23、in，最大轉矩TS =74 N·m，轉動慣量 \* MERGEFORMAT =0.0145 kg· \* MERGEFORMAT ，性能滿足系統(tǒng)要求。</p><p>　　3.2.3 滾珠絲杠的選擇</p><p>　　滾珠絲杠導程p=10m，滾珠絲杠的直徑應按當量動載荷Cm選擇。</p><p>　　假設最大進給力Ff=5000N,工作臺質

24、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）</p><p>　　Fmin=fG=0.04 （200+300） 9.8=196 N (3)</p><p><b>　　絲杠的最大載荷</b></p><p>　　Fmax=5000+196=5196

25、N (4)</p><p>　　軸向工作載荷（平均載荷）</p><p>　　Fm= = =3529.3 N (5)</p><p>　　其中，F(xiàn)max 、Fmin 分別為絲杠最大、最小軸向載荷；當載荷按照單調式規(guī)律變化，各種轉速使用機會相同時，F(xiàn)m= </p><p&

26、gt;　　絲杠的最高轉速為3000r/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+0.01）/2=750 r/min。故絲杠工作壽命為</p><p>　　L= = =675 (6)</p><p>　　式中 L——工作壽命，以 r為1個單位</p>

27、<p>　　T——絲杠使用壽命，對數控機床可取T=15000h，本例取T=15000h。</p><p>　　計算當量動載荷Cm為</p><p>　　Cm= = =46.4 kN (7)</p><p>　　式中 ——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 =1.

28、5；</p><p>　　——精度影響系數，本例中取 =1。</p><p>　　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=55 kN，Cm<Ca，符合設計要求。</p><p>

29、　　3.2.4滾珠絲杠支承的選擇</p><p>　　本傳動系統(tǒng)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 \* MERGEFORMAT =150 mm, 最大拉壓長度 \* MERGEFORMAT =900 mm,故工作臺行程范圍為750 mm。</p><p><b>　　3.3設計驗算校核</b></p>

30、<p>　　3.3.1慣量匹配驗算</p><p>　　(1) 電動機軸上總當量負載轉動慣量計算</p><p><b>　　絲杠轉動慣量</b></p><p>　　JS = = = 2.35 kg· (8)</p><p>　　式中ρ——絲杠材料鋼的密度，取ρ=7.8×10

31、3 kg/m3</p><p>　　l ——滾珠絲杠長度，l=1200 mm</p><p>　　(2) 工作臺與刀架折算到電機軸上慣量</p><p>　　J1=m =m(p/2π)2 =500 (0.01/2π)2 =1.26 10-3 kg· (9)</p><p>　　(3) 聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等效慣量</p

32、><p><b>　　可直接取 </b></p><p>　　J2 =0.001 kg. (10)</p><p><b>　　(4) 負載總慣量</b></p><p>　　Jd = J1+ J2+ JS = 1.95 +1.26 10-3 +0.001=4

33、.61 10-3 kg· (11)</p><p>　　(5) 慣量匹配驗算</p><p>　　==0.318 (11)</p><p>　　<0.318<1，滿足式5-41[1],故慣量匹配合理。

34、 </p><p>　　3.3.2伺服電機負載能力校驗</p><p>　　(1) 伺服電機軸上的總慣量</p>&

35、lt;p>　　J= +Jd= 0.0145+0.00461=0.0191 kg· (12)</p><p>　　(2) 空載啟動時，電動機軸上的慣性轉矩</p><p>　　TJ =J =J =0.0191*=59.94 N·m (13)</p><p>　　式中 ——啟動時間，取 =0.1 S<

36、;/p><p>　　(3)電動機軸上的當量摩擦轉矩</p><p>　　= = = N·m (14)</p><p>　　式中 ——伺服進給傳動鏈的總效率，取 =0.85</p><p>　　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</p><p>

37、　　T0= = =0.59 N·m (15)</p><p>　　式中 ——滾珠絲杠的的傳動效率，取 =0.9</p><p>　　(4)空載啟動時電動機軸上的總負載轉矩</p><p>　　Tq =TJ + Tμ+ T0 =59.94 + +0.59=60.89 N·m (16)</p><p>　　因為 T

38、q < TS =60.89N.m 故可正常啟動。</p><p>　　3.3.3系統(tǒng)的剛度計算</p><p>　　本傳動系統(tǒng)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</p><p>　　KLmax = = =1.76 N/m (17)</p&g

39、t;<p>　　KLmin = = =2.93 N/m (18)</p><p>　　式中 E——拉壓彈性模量，E= N/m2</p><p>　　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</p><p>　　= = m/N

40、 (19)</p><p>　　得 =1.44 N/m</p><p>　　= = m/N (20)</p><p>　　得 =2.2 N/m</p><p>　　按式5-45[1]可計算出絲杠最低扭轉剛度為</p><p>　　KTmin= = =2.26 N&#

41、183;m /rad (21)</p><p>　　式中 G——材料切邊模量，G= N/m2</p><p>　　3.3.4固有頻率計算</p><p><b>　　絲杠質量為</b></p><p>　　ms= = =11.8kg (22)</p><p&

42、gt;　　絲杠-工作臺縱振系統(tǒng)的最低固有頻率為</p><p>　　ωnc= = =534.5 rad/s (23)</p><p>　　折算到絲桿軸上系統(tǒng)的總當量轉動慣量為</p><p>　　Jsd=Ji2=0.0191 kg· (24)</p><p>　　

43、如果忽略電動機軸及減速器中的扭轉變形，則系統(tǒng)的最低扭振固有頻率為</p><p>　　ωnt= ==1087.7 rad/s (25)</p><p>　　ωnc 和ωnt都較高，說明系統(tǒng)動態(tài)特性好</p><p>　　3.3.5死區(qū)誤差計算</p><p>　　設絲杠螺母機構采取了消隙和預緊措施，則按式5-59[1]可

44、求得由摩擦力引起的最大反向死區(qū)誤差為</p><p>　　max= = =0.0027 mm (26)</p><p>　　max約為5個脈沖當量，說明該系統(tǒng)較難滿足單脈沖進給的要求</p><p>　　3.3.6系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計算</p><p>　　按式5-60[1]可求得由絲杠

45、螺母機構綜合拉壓剛度的變化所引起的最大定位誤差</p><p><b>　　δKmax= </b></p><p><b>　　=500 </b></p><p>　　=0.0005 mm (27)</p&g

46、t;<p>　　由于系統(tǒng)的定位精度為0.03 mm，δKmax=0.0005< δ=0.006 mm,因而，系統(tǒng)剛度滿足定位精度要求。</p><p>　　綜上所述，主軸傳動系統(tǒng)與伺服驅動系統(tǒng)的設計滿足系統(tǒng)設計指標要求。</p><p>　　第四節(jié) 電氣系統(tǒng)設計</p><p><b>　　4.1電路圖設計</b></

47、p><p>　　所設計的電路圖如附錄二所示</p><p>　　4.2主要電路圖說明</p><p>　?。?）電路圖一為伺服電機與主軸電機的總體驅動電路圖，三臺伺服電機驅動器相互連接，X/Y/Z軸運動信號從FSSB口給出，各驅動器獲得所控制軸向的運動信號后驅動各自伺服電機。主軸電機采用變頻器進行控制</p><p>　　（2）電路圖二為主軸三相

48、異步交流電機接線圖，包括隔離開關連線方式</p><p>　?。?）電路圖三為機床照明燈及驅動電源連線圖</p><p>　?。?）電路圖四為數控銑床總體供電電路圖</p><p>　?。?）電路圖五/六/七分別為X/Y/Z軸伺服電機驅動器的接線圖，伺服電機驅動器上連接有電阻模塊，其功能是實現(xiàn)電機的能耗制動</p><p>　　（6）電路圖八

49、為X/Y/Z軸限位開關電路圖，還有安全門開關與復位開關等連線圖</p><p>　　（7）電路圖九為進給倍率選擇開關、工作方式選擇開關以及急停等開關連線圖</p><p>　?。?）電路圖十為控制主軸正反轉，主軸停止以及X/Y/Z軸減速運動的開關連線圖</p><p>　?。?）電路圖十一為主軸正反轉、Y軸急?？刂贫丝诮泳€以及故障燈、選擇停止燈的接線</p&g

50、t;<p>　?。?0）電路圖十二為主軸正反轉、停轉指示燈，以及參考點燈、跳步燈、單段燈、進給保持燈，循環(huán)啟動燈的電路連接圖</p><p><b>　　第五節(jié) 心得體會</b></p><p>　　一周的課程設計結束了，讓我收獲頗豐。在此先感謝我們的指導老師，劉云和柯江巖老師。</p><p>　　本次課程設計是我所做的最綜合的

51、一個題目，它跨越了機械和電氣兩大領域。在做設計時，我們第一步是按照設計要求來確定該題目可能需要的機械傳動元件的參數，再慢慢根據每個機械部件的功能及題目的要求一一進行篩選，最終確定計算參數。第二步是設計方案并確定。最開始我們選擇了兩個方案，但經過方案的比較及論證后去掉不合理的一個，最終用那個最好的方案來設計。方案確定后便開始設計電路圖，我們是在CAD軟件上設計原理圖的，實際電路圖設計好之后，便開始寫設計報告。在設計過程中，與同學分工設計，

52、和同學門相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了與人處事。</p><p>　　這次課程設計使我又一次親自動手設計東西，收獲很多，體會也很深刻。在這次設計中我也學會了很多新的東西，例如CAD電氣圖設計方式、WORD軟件的一些細節(jié)地方的應用以及一些常用的文本處理方法。綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產實際情況進行設計，并且培養(yǎng)和提高了團隊合作的工作能力，一個同學的知

53、識變成多個同學的知識，多個同學的知識變成一個同學的知識，這樣才能相互促進、相互提高。另外，我初步掌握了設計的步驟，學會如何確定分析系統(tǒng)控制的要求，如何處理各個方面的需要。了解了數控銑床控制系統(tǒng)的基本結構，同時提高了計算機能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準。</p><p>　　再次感謝我們的劉云、柯江巖老師。劉云老師嚴謹細致，一絲不茍的作風一直是我們學習的榜樣；柯江巖老師啟發(fā)思考的教學作風讓我們可以更深入地學習。每

54、一難題的出現(xiàn)都離不開老師，再次感謝老師的悉心教導。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 鄭堤，唐可洪. 機電一體化設計基礎. 北京：機械工業(yè)出版社，2011</p><p>　　[2] 文懷興. 數控銑床設計. 北京：化學工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[3] 東北工學院《

55、機械零件設計手冊》編寫組. 機械零件設計手冊（第二版中冊）. 北京：冶金工業(yè)出版社，1982</p><p>　　[4]伺服電機的選擇參考網址：http://wenku.baidu.com/view/4a3b27c10c22590102029d3b.html</p><p>　　[5]變頻器選擇參考網址： http://wenku.baidu.com/view/bd022c8a652964

56、7d2728520f.html</p><p>　　[6] 王愛玲. 現(xiàn)代數控機床結構與設計. 北京：兵器工業(yè)出版社，1999</p><p>　　[7] 王長春，姜軍生. 機電一體化綜合實踐指導. 北京：高等教育出版社，2004</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附錄一、主要電子器件清單&l