本科畢業(yè)設(shè)計(jì)論文-數(shù)控銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)(機(jī)電一體化)

長(zhǎng)沙理工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院機(jī)械電子學(xué)課程設(shè)計(jì)年級(jí)：2014級(jí)專業(yè)：機(jī)電一體化技術(shù)姓名：侯志勇學(xué)號(hào)：2014HBH27009指導(dǎo)老師：韓建華時(shí)間：2015年10月30日

機(jī)械電子學(xué)課程設(shè)計(jì)目錄一課程設(shè)計(jì)任務(wù)書………………11.課程設(shè)計(jì)目的意義 12.課程設(shè)計(jì)任務(wù) 13.數(shù)控銑床的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求 1二課程設(shè)計(jì)內(nèi)容………………1摘要…………1關(guān)鍵詞………………………2第一節(jié)總體方案設(shè)計(jì)………2 1.主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 22.X/Y/Z軸控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 23.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 2第二節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)………31.主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31.1主軸電機(jī)選擇 31.2變頻器的選擇 31.3主軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32.伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 32.1伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 32.2伺服電機(jī)選擇 42.3滾珠絲杠的選擇 42.4滾珠絲杠支承的選擇 53.設(shè)計(jì)驗(yàn)算校核 53.1慣量匹配驗(yàn)算 53.2伺服電機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn) 63.3系統(tǒng)的剛度計(jì)算 73.4固有頻率計(jì)算 83.5死區(qū)誤差計(jì)算 83.6系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計(jì)算 8三存在問題及改進(jìn)意見9四參考文獻(xiàn)9五致謝9一課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課程設(shè)計(jì)目的意義機(jī)電一體化是一門實(shí)踐性強(qiáng)的綜合性技術(shù)學(xué)科，所涉及的知識(shí)領(lǐng)域非常廣泛，現(xiàn)代各種先進(jìn)技術(shù)構(gòu)成了機(jī)電一體化的技術(shù)基礎(chǔ)。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)屬于專業(yè)的課程設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合應(yīng)用所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力。課程設(shè)計(jì)任務(wù)本課程設(shè)計(jì)主要要求學(xué)生設(shè)計(jì)一數(shù)控銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)跟控制系統(tǒng)，即在已有數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際加工要求，進(jìn)行二次開發(fā)。由于生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)，伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，伺服電機(jī)的廠家很多，即使同一廠家，其生產(chǎn)的產(chǎn)品系統(tǒng)和型號(hào)也很多。為了避免在設(shè)計(jì)過程中選型過于寬廣，并考慮到本設(shè)計(jì)的目的主要是為了訓(xùn)練從事設(shè)計(jì)的基本能力，數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定選用FanucOIMATEMC。根據(jù)該數(shù)控系統(tǒng)控制性能，可控制3個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)軸和一個(gè)開環(huán)主軸（變頻器），滿足4軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的控制要求?？紤]到CNC控制器，驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間電器接口的相互匹配，在該設(shè)計(jì)中，要求3軸伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)都采用Fanuc公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。3.數(shù)控銑床的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求（1）主軸的轉(zhuǎn)速范圍：1000—24000（rpm）（2）主軸電機(jī)功率：30/37kw（3）X/Y/Z軸快速進(jìn)給速度15/15/15m/min，X/Y/Z軸切削進(jìn)給速度，1-10000mm/min（4）系統(tǒng)分辨率：0.0005mm,重復(fù)精度0.02mm。二課程設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要機(jī)電一體化系統(tǒng)是綜合多個(gè)學(xué)科的系統(tǒng),包括機(jī)械技術(shù),傳感器技術(shù),測(cè)試技術(shù),電子技術(shù)和控制技術(shù),機(jī)械電子學(xué)等。它極大推動(dòng)了機(jī)械工業(yè),兵器行業(yè)及其他行業(yè)的發(fā)展。其技術(shù)結(jié)構(gòu),產(chǎn)品結(jié)構(gòu),技術(shù)功能與構(gòu)成,生產(chǎn)方式和管理體系均發(fā)生了巨大的變化。使工業(yè)生產(chǎn)由機(jī)械電氣化邁進(jìn)到機(jī)電一體化為特征的數(shù)字化,自動(dòng)化,高精度,微型化,多功能化,智能化的時(shí)代。結(jié)合精密機(jī)械控制是現(xiàn)代機(jī)械的一個(gè)重要方向，它能使機(jī)械加工的精度又提高一個(gè)層次，主要技術(shù)是用微機(jī)、單片機(jī)等現(xiàn)代高科技儀器來控制步進(jìn)電機(jī)，再通過步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)精密的工作臺(tái)控制。讓我們由這樣簡(jiǎn)單的機(jī)電一體化系統(tǒng)重新復(fù)習(xí)學(xué)過的知識(shí),接觸機(jī)電一體化系統(tǒng),為下學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)打下一定的基礎(chǔ),另外也是為工作作好準(zhǔn)備。關(guān)鍵詞：機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電氣系統(tǒng)傳送系統(tǒng)第一節(jié)總體方案設(shè)計(jì) 1.主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（1）根據(jù)主軸功率，主軸轉(zhuǎn)速范圍，選擇主軸電機(jī)（2）根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速與主軸轉(zhuǎn)速，設(shè)計(jì)主軸傳動(dòng)鏈，選擇傳動(dòng)級(jí)數(shù)，每級(jí)傳動(dòng)比，各級(jí)齒輪齒數(shù)；（3）根據(jù)選定的主軸電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速范圍，選擇變頻器型號(hào)，（三菱FRS-520SE-0.4-CH變頻器作為參考），并設(shè)計(jì)變頻器的電氣控制線路圖；2.X/Y/Z軸控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（1）根據(jù)各個(gè)軸的功率，調(diào)速范圍，運(yùn)動(dòng)精度要求，設(shè)計(jì)X/Y/Z軸傳動(dòng)鏈，選擇傳動(dòng)級(jí)數(shù)，每級(jí)傳動(dòng)比；（2）根據(jù)各個(gè)軸的功率，調(diào)速范圍，運(yùn)動(dòng)精度要求，選擇伺服驅(qū)動(dòng)器和交流伺服電動(dòng)機(jī)型號(hào)，（FANUCSeriesoi-TC系列的作為參考），設(shè)計(jì)伺服驅(qū)動(dòng)器的電氣控制線路；（3）根據(jù)導(dǎo)程與載荷選擇滾珠絲杠型號(hào)，并確定其支承方式；（4）根據(jù)選定驅(qū)動(dòng)器的型號(hào)和電動(dòng)機(jī)的參數(shù)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件的參數(shù)，進(jìn)行慣量匹配驗(yàn)算，電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力的校核，各軸的剛度校核，固有頻率計(jì)算，死區(qū)誤差計(jì)算，由剛度變化引起的定位誤差計(jì)算。3.電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參照已有數(shù)控銑床電氣系統(tǒng)的電路及其連接方式。數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定選用FanucOIMATEMC。根據(jù)該數(shù)控系統(tǒng)控制性能，可控制3個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)軸和一個(gè)開環(huán)主軸（變頻器），滿足4軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控銑床的控制要求。在該設(shè)計(jì)中，要求3軸伺服驅(qū)動(dòng)器，伺服電動(dòng)機(jī)都采用Fanuc公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。所選用的驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)之間電器接口要相互匹配，第二節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1主軸傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1主軸電機(jī)選擇根據(jù)主軸電機(jī)功率要求，查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[3]后選擇三相異步交流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為JO2-72-2，其具體參數(shù)為：額定功率P=30kW,額定轉(zhuǎn)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(jù)選定的三相交流異步電機(jī)參數(shù)，查詢參考文獻(xiàn)[5]選擇變頻器型號(hào)為三菱FR-V540-30K，其具體參數(shù)為：適用電機(jī)功率：30kw；額定容量：43.8kVA；額定電流：126.5A；調(diào)速范圍:0~3600rpm；控制方式：閉環(huán)矢量控制；調(diào)速比：1:1500；速度響應(yīng)頻率：800rad/s1.3主軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)主軸最高轉(zhuǎn)速為24000rpm,故傳動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)采用2級(jí)傳動(dòng)，傳動(dòng)比可分別取i1=2.2,i2=3.6。選各傳動(dòng)齒輪齒數(shù)分別為Z1=20，Z2=44，Z3=20，Z2=72，模數(shù)m=2mm，齒寬b=20mm，強(qiáng)度校驗(yàn)略。2伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，從參考文獻(xiàn)[4]中查得伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax可選1500r/min或2000r/min。如果伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與絲杠直接連接，即i=1，X、Y、Z軸快速進(jìn)給速度要求達(dá)到Vmax =15m/min.取伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax=1500r/min，則絲杠的最高轉(zhuǎn)速nmax也為1500r/min。則滾珠絲杠的導(dǎo)程p=QUOTE=QUOTE=10mm根據(jù)要求，數(shù)控銑床的脈沖當(dāng)量δ=0.0005mm/脈沖。伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)應(yīng)發(fā)出的脈沖數(shù)達(dá)到b=QUOTE=QUOTE=20000該伺服系統(tǒng)的位置反饋采用脈沖編碼器方案，選用每轉(zhuǎn)5000脈沖的編碼器，則倍頻器的倍數(shù)為4.2.2伺服電機(jī)選擇伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速nmax=1500r/min，查詢參考文獻(xiàn)[4]，選定伺服電機(jī)規(guī)格為A06B-0084-Bxyz，型號(hào)為β22/1500,其具體參數(shù)為：額定功率：1.4kw，最高轉(zhuǎn)速nmax=1500r/min，最大轉(zhuǎn)矩TS=20N.m，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量QUOTE=0.0053kg.QUOTE，性能滿足系統(tǒng)要求。2.3滾珠絲杠的選擇滾珠絲杠導(dǎo)程p=10mm，滾珠絲杠的直徑應(yīng)按當(dāng)量動(dòng)載荷Cm選擇。假設(shè)最大進(jìn)給力Ff=5000N,工作臺(tái)質(zhì)量為200kg，工件與夾具的最大質(zhì)量為300kg，貼塑導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)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，F(xiàn)max、Fmin分別為絲杠最大、最小軸向載荷；當(dāng)載荷按照單調(diào)式規(guī)律變化，各種轉(zhuǎn)速使用機(jī)會(huì)相同時(shí)，F(xiàn)m=QUOTE絲杠的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min,工作臺(tái)最小進(jìn)給速度為1mm/min，導(dǎo)程p=10mm，故絲杠的最低轉(zhuǎn)速為0.1r/min，可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=（1500+0）/2=750r/min。故絲杠工作壽命為L(zhǎng)=QUOTE=QUOTE=675式中L——工作壽命，以QUOTEr為1個(gè)單位T——絲杠使用壽命，對(duì)數(shù)控機(jī)床可取T=15000h，本例取T=15000h。計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷Cm為Cm=QUOTE=QUOTE=46.4kN式中QUOTE——載荷性質(zhì)系數(shù)，無沖擊取1~1.2，一般情況取1.2~1.5，有較大沖擊振動(dòng)時(shí)取1.5~2.5，本例取QUOTE=1.5；QUOTE——精度影響系數(shù)，本例中取QUOTE=1。查表2-9[1]滾珠絲杠產(chǎn)品樣本中與Cm相近的額定動(dòng)載荷Ca，使得Cm<Ca,然后由此確定滾珠絲桿副的型號(hào)和尺寸。選擇系列代號(hào)為4010-5，直徑d=40mm，導(dǎo)程為10mm，每個(gè)螺母滾珠有5列。額定動(dòng)載荷為Ca=55kN，Cm<Ca，符合設(shè)計(jì)要求。2.4滾珠絲杠支承的選擇本傳動(dòng)系統(tǒng)絲杠采用一端軸向固定，另一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，絲桿長(zhǎng)度取1200mm，絲杠最小拉壓長(zhǎng)度QUOTE=150mm,最大拉壓長(zhǎng)度QUOTE=900mm,故工作臺(tái)行程范圍為750mm。3設(shè)計(jì)驗(yàn)算校核3.1慣量匹配驗(yàn)算（1）電動(dòng)機(jī)軸上總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)度，l=1200mm(2)工作臺(tái)與刀架折算到電機(jī)軸上慣量J1=mQUOTE=m(p/2π)2=500QUOTE(0.01/2π)2=1.26QUOTE10-3kg.QUOTE(3)聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等效慣量可直接取J2=0.001kg.QUOTE（4）負(fù)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(yàn)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(jī)負(fù)載能力校驗(yàn)（1）伺服電機(jī)軸上的總慣量J=QUOTE+Jd=0.0053+4.61QUOTE10-3=9.91QUOTE10-3kg.QUOTE（2）空載啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩TJ=JQUOTE=JQUOTE=9.91QUOTE10-3QUOTE=15.56N.m式中QUOTE——啟動(dòng)時(shí)間，取QUOTE=0.1S(3)電動(dòng)機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩QUOTE=QUOTE=QUOTE=QUOTEN.m式中QUOTE——伺服進(jìn)給傳動(dòng)鏈的總效率，取QUOTE=0.85設(shè)滾動(dòng)絲杠螺母副的預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3.則因預(yù)緊力引起的、則算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩為T0=QUOTE=QUOTE=0.59N.m式中QUOTE——滾珠絲杠的的傳動(dòng)效率，取QUOTE=0.9(4)空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tq=TJ+Tμ+T0=15.56+QUOTE+0.59=16.514N.m因?yàn)門q<TS=20N.m故可正常啟動(dòng)。3.3系統(tǒng)的剛度計(jì)算本傳動(dòng)系統(tǒng)絲杠采用一端軸向固定，另一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)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(jīng)過預(yù)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(jī)構(gòu)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(jì)算出絲杠最低扭轉(zhuǎn)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(jì)算絲杠質(zhì)量為ms=QUOTE=QUOTE=11.8kg絲杠-工作臺(tái)縱振系統(tǒng)的最低固有頻率為ωnc=QUOTE=QUOTE=534.5rad/s折算到絲桿軸上系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為Jsd=Ji2=9.91QUOTE10-3kg.QUOTE如果忽略電動(dòng)機(jī)軸及減速器中的扭轉(zhuǎn)變形，則系統(tǒng)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(tǒng)動(dòng)態(tài)特性好3.5死區(qū)誤差計(jì)算設(shè)絲杠螺母機(jī)構(gòu)采取了消隙和預(yù)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(qū)誤差為QUOTEmax=QUOTE=QUOTE=0.0027mmQUOTEmax約為5個(gè)脈沖當(dāng)量，說明該系統(tǒng)較難滿足單脈沖進(jìn)給的要求3.6系統(tǒng)剛度變化引起的定位誤差計(jì)算按式5-60[1]可求得由絲杠螺母機(jī)構(gòu)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(tǒng)的定位精度為0.02mm，δKmax=0.0005<QUOTEδ=0.004mm,因而，系統(tǒng)剛度滿足定位精度要求。綜上所述，主軸傳動(dòng)系統(tǒng)與伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。三存在問題和改進(jìn)意見