XX大学继续教育学院 机械电子学课程设计 年 级：
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机电一体化技术 姓 名：
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2015 年 X 月 X日 机械电子学课程设计 目 录 一 课程设计任务书………………………………………………………………1 1.课程设计目的意义 1 2.课程设计任务 1 3.数控铣床的性能指标设计要求 1 二 课程设计内容 ………………………………………………………………1 摘要…………………………………………………………………………1 关键词………………………………………………………………………2 第一节 总体方案设计 ………………………………………………………2 1.主轴驱动系统设计方案 2 2. X/Y/Z轴控制系统方案设计 2 3.电气系统设计方案 2 第二节 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 3 1.2变频器的选择 3 1.3主轴传动系统设计 3 2.伺服驱动系统设计 3 2.1伺服传动机构设计 3 2.2伺服电机选择 4 2.3 滚珠丝杠的选择 4 2.4滚珠丝杠支承的选择 5 3.设计验算校核 5 3.1惯量匹配验算 5 3.2伺服电机负载能力校验 6 3.3系统的刚度计算 7 3.4固有频率计算 8 3.5死区误差计算 8 3.6系统刚度变化引起的定位误差计算 8 三 存在问题及改进意见 ....................................................................................................9 四 参考文献 .......................................................................................................................9 五 致谢 ......................................................................................................................................9 一 课程设计任务书 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。

2. 课程设计任务 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。

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。

二 课程设计内容 摘要 机电一体化系统是综合多个学科的系统,包括机械技术,传感器技术,测试技术,电子技术和控制技术,机械电子学等。它极大推动了机械工业,兵器行业及其他行业的发展。其技术结构,产品结构,技术功能与构成,生产方式和管理体系均发生了巨大的变化。使工业生产由机械电气化迈进到机电一体化为特征的数字化,自动化,高精度,微型化,多功能化,智能化的时代。

结合精密机械控制是现代机械的一个重要方向，它能使机械加工的精度又提高一个层次，主要技术是用微机、单片机等现代高科技仪器来控制步进电机，再通过步进电机来实现精密的工作台控制。让我们由这样简单的机电一体化系统重新复习学过的知识, 接触机电一体化系统,为下学期的毕业设计打下一定的基础,另外也是为工作作好准备。

关键词：
机械系统 驱动系统 电气系统 传送系统 第一节 总体方案设计 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. 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。

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， 第二节 传动系统设计 1主轴传动系统的设计 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。

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 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。

2伺服驱动系统设计 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 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. 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β22/1500,其具体参数为：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.，性能满足系统要求。

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Cm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） Fmin=fG=0.04（200+300）9.8=196 N 丝杠的最大载荷 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Cm 相近的额定动载荷Ca，使得Cm<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，Cm<Ca，符合设计要求。

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设计验算校核 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 J1=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 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 <0.86<1，满足式5-41[1],故惯量匹配合理。

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= 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 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 T0===0.59 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 Tq =TJ + Tμ+ T0 =15.56++0.59=16.514 N.m 因为 Tq < TS =20 N.m 故可正常启动。

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 KLmax ===1.76 N/m KLmin ===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 =1.44 N/m == m/N 得 =2.2 N/m 按式5-45[1]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/m2 3.4固有频率计算 丝杠质量为 ms===11.8 kg 丝杠-工作台纵振系统的最低固有频率为 ωnc= = =534.5 rad/s 折算到丝杆轴上系统的总当量转动惯量为 Jsd=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 ωnt= ==477.5 rad/s ωnc 和ωnt都较高，说明系统动态特性好 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 3.6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 δKmax==500=0.0005 mm 由于系统的定位精度为0.02 mm，δKmax=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。

三 存在问题和改进意见 本次课程设计是对一些部分组合在一起进行总体设计的，不能单独考虑一个或几个基本方面的情况，要综合考虑，对其库存进行认真考虑，进行整体构思。在这次课程设计作业的过程中由于在设计方面我没有经验，理论基础知识掌握得不牢固， 在数据分析的设计方面也比较薄弱，这些都暴露出了我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。在整个课程设计的过程中，我发现我在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；
有些东西可能与实际脱节。我觉得像课程设计它需要我们将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！ 四 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：http://wenku.baidu.com/view/4a3b27c10c22590102029d3b.html [5]变频器选择参考网址：
http://wenku.baidu.com/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 五 致谢 本课题在选题及进行过程中得到老师的悉心指导。课程设计过程中，指导老师多次帮助我分析思路，进行归纳总结。在我遇到困难想放弃的时候给予我最大的支持和鼓励。指导老师严谨求实的治学态度，踏实坚韧的工作精神，将使我终生受益。在此，谨向老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。