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。