XX学继续教育学院
机械电子学课程设计
年 级：
专 业： 机电体化技术
姓 名：
学 号：
指导老师：
时间： 2015 年 X 月 X日
机械电子学课程设计
目 录
课程设计务书………………………………………………………………1
1课程设计目意义 1
2课程设计务 1
3数控铣床性指标设计求 1
二 课程设计容 ………………………………………………………………1
摘…………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………2
第节 总体方案设计 ………………………………………………………2
1轴驱动系统设计方案 2
2 XYZ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轴传动系统设计 3
11轴电机选择 3
12变频器选择 3
13轴传动系统设计 3
2伺服驱动系统设计 3
21伺服传动机构设计 3
22伺服电机选择 4
23 滚珠丝杠选择 4
24滚珠丝杠支承选择 5
3设计验算校核 5
31惯量匹配验算 5
32伺服电机负载力校验 6
33系统刚度计算 7
34固频率计算 8
35死区误差计算 8
36系统刚度变化引起定位误差计算 8
三 存问题改进意见 9
四 参考文献 9
五 致谢 9
课程设计务书
1 课程设计目意义
机电体化门实践性强综合性技术学科涉知识领域非常广泛现代种先进技术构成机电体化技术基础机电体化系统设计基础课程设计属专业课程设计培养学生综合应学知识进行机电体化系统设计力
2 课程设计务
课程设计求学生设计数控铣床传动系统控制系统已数控系统基础根实际加工求进行二次开发生产数控系统伺服电动机驱动器伺服电机厂家厂家生产产品系统型号避免设计程中选型宽广考虑设计目训练事设计基力数控系统规定选Fanuc OI MATE MC根该数控系统控制性控制3伺服电动机轴开环轴（变频器）满足4轴联动数控铣床控制求考虑CNC控制器驱动器电机间电器接口相互匹配该设计中求3轴伺服驱动器伺服电动机采Fanuc公司生产产品
3 数控铣床性指标设计求
（1）轴转速范围：1000—24000 （rpm）
（2）轴电机功率：3037 kw
（3）XYZ轴快速进速度151515mminXYZ轴切削进速度110000 mmmin
（4）系统分辨率：00005mm重复精度002mm
二 课程设计容
摘
机电体化系统综合学科系统包括机械技术传感器技术测试技术电子技术控制技术机械电子学等极推动机械工业兵器行业行业发展技术结构产品结构技术功构成生产方式理体系均发生巨变化工业生产机械电气化迈进机电体化特征数字化动化高精度微型化功化智化时代
结合精密机械控制现代机械重方机械加工精度提高层次技术微机单片机等现代高科技仪器控制步进电机通步进电机实现精密工作台控制样简单机电体化系统重新复学知识 接触机电体化系统学期毕业设计定基础外工作作准备
关键词： 机械系统 驱动系统 电气系统 传送系统
第节 总体方案设计
1轴驱动系统设计方案
（1）根轴功率轴转速范围选择轴电机
（2）根电机转速轴转速设计轴传动链选择传动级数级传动级齿轮齿数
（3）根选定轴电机功率转速范围选择变频器型号（三菱FRS520SE04CH变频器作参考）设计变频器电气控制线路图
2 XYZ轴控制系统方案设计
（1）根轴功率调速范围运动精度求设计XYZ轴传动链选择传动级数级传动
（2）根轴功率调速范围运动精度求选择伺服驱动器交流伺服电动机型号（FANUC Series oiTC系列作参考）设计伺服驱动器电气控制线路
（3）根导程载荷选择滚珠丝杠型号确定支承方式
（4）根选定驱动器型号电动机参数机械运动部件参数进行惯量匹配验算电动机负载力校核轴刚度校核固频率计算死区误差计算刚度变化引起定位误差计算
3电气系统设计方案
电气系统设计参已数控铣床电气系统电路连接方式数控系统规定选Fanuc OI MATE MC根该数控系统控制性控制3伺服电动机轴开环轴（变频器）满足4轴联动数控铣床控制求该设计中求3轴伺服驱动器伺服电动机采Fanuc公司生产产品选驱动器电机间电器接口相互匹配
第二节 传动系统设计
1轴传动系统设计
11轴电机选择
根轴电机功率求查询机械设计手册[3]选择三相异步交流电动机型号JO2722具体参数：额定功率P30kW额定转速3000rpm额定电流56A效率η895功率素091
12变频器选择
根选定三相交流异步电机参数查询参考文献[5]选择变频器型号三菱FRV54030K具体参数：适电机功率：30 kw额定容量：438 kVA额定电流：1265 A调速范围0~3600rpm控制方式：闭环矢量控制调速：11500速度响应频率：800rads
13轴传动系统设计
轴高转速24000rpm传动i2400030008惯量条件图533534[1] 查轴传动机构应采2级传动传动分取i122 i236
选传动齿轮齿数分Z120Z244 Z320Z272模数m2mm齿宽b20mm强度校验略
2伺服驱动系统设计
21伺服传动机构设计
系统采半闭环伺服系统参考文献[4]中查伺服电机高转速nmax选 1500rmin2000rmin果伺服电机通联轴器丝杠直接连接i1XYZ轴快速进速度求达Vmax 15mmin取伺服电机高转速nmax1500rmin丝杠高转速nmax1500rmin滚珠丝杠导程
p 10 mm
根求数控铣床脉量δ00005 mm脉伺服电机转应发出脉数达
b20000
该伺服系统位置反馈采脉编码器方案选转5000脉编码器倍频器倍数4
22伺服电机选择
伺服电机高转速nmax1500rmin查询参考文献[4]选定伺服电机规格A06B0084Bxyz型号β221500具体参数：额定功率：14kw高转速nmax1500rmin转矩TS 20 Nm转动惯量00053 kg性满足系统求
23 滚珠丝杠选择
滚珠丝杠导程p10mm滚珠丝杠直径应量动载荷Cm选择
假设进力Ff5000N工作台质量200kg工件夹具质量300kg贴塑导轨摩擦数μ004丝杠载荷（摩擦力）
FminfG004（200+300）98196 N
丝杠载荷
Fmax5000+1965196 N
轴工作载荷（均载荷）
Fm35293 N
中Fmax Fmin 分丝杠轴载荷载荷单调式规律变化种转速机会相时Fm
丝杠高转速1500rmin工作台进速度1mmmin导程p10mm丝杠低转速01rmin取0均转速n（1500+0）2750 rmin丝杠工作寿命
L675
式中 L——工作寿命r1单位
T——丝杠寿命数控机床取T15000h例取T15000h
计算量动载荷Cm
Cm 464 kN
式中 ——载荷性质系数击取1~12般情况取12~15较击振动时取15~25例取 15
——精度影响系数例中取1
查表29[1]滚珠丝杠产品样中Cm 相额定动载荷CaCm24滚珠丝杠支承选择
传动系统丝杠采端轴固定端浮动结构形式丝杆长度取1200mm丝杠拉压长度150 mm 拉压长度900 mm工作台行程范围750 mm
3设计验算校核
31惯量匹配验算
（1）电动机轴总量负载转动惯量计算
丝杠转动惯量
JS 235 kg
式中ρ——丝杠材料钢密度取ρ78×103 kgm3
l ——滚珠丝杠长度l1200 mm
(2) 工作台刀架折算电机轴惯量
J1mm(p2π)2 500(0012π)2 126103 kg
(3) 联轴器加锁紧螺母等效惯量
直接取
J2 0001 kg
（4）负载总惯量
Jd J1+ J2+ JS 126103 +235+0001461103 kg
（5）惯量匹配验算
086
<086<1满足式541[1]惯量匹配合理
32伺服电机负载力校验
（1）伺服电机轴总惯量
J +Jd 00053+461103991103 kg
（2）空载启动时电动机轴惯性转矩
TJ JJ9911031556 Nm
式中 ——启动时间取01 S
(3)电动机轴量摩擦转矩
Nm
式中 ——伺服进传动链总效率取085
设滚动丝杠螺母副预紧力轴载荷13预紧力引起算电动机轴附加摩擦转矩
T0059 Nm
式中——滚珠丝杠传动效率取09
(4)空载启动时电动机轴总负载转矩
Tq TJ + Tμ+ T0 1556++05916514 Nm
Tq < TS 20 Nm 正常启动
33系统刚度计算
传动系统丝杠采端轴固定端浮动结构形式表58[1]列公式求丝杠拉压刚度
KLmax 176 Nm
KLmin 293 Nm
式中 E——拉压弹性模量ENm2
假定丝杠轴支撑轴承预紧忽略轴承座螺母座刚度影响表59[1]列公式求丝杠螺母机构综合拉压刚度
mN
144 Nm
mN
22 Nm
式545[1]计算出丝杠低扭转刚度
KTmin226 Nmrad
式中 G——材料切边模量GNm2
34固频率计算
丝杠质量
ms118 kg
丝杠工作台振系统低固频率
ωnc 5345 rads
折算丝杆轴系统总量转动惯量
JsdJi2991103 kg
果忽略电动机轴减速器中扭转变形系统低扭振固频率
ωnt 4775 rads
ωnc ωnt较高说明系统动态特性
35死区误差计算
设丝杠螺母机构采取消隙预紧措施式559[1]求摩擦力引起反死区误差
max 00027 mm
max约5脉量说明该系统较难满足单脉进求
36系统刚度变化引起定位误差计算
式560[1]求丝杠螺母机构综合拉压刚度变化引起定位误差
δKmax50000005 mm
系统定位精度002 mmδKmax00005<δ0004 mm系统刚度满足定位精度求
综述轴传动系统伺服驱动系统设计满足系统设计指标求
三 存问题改进意见
次课程设计部分组合起进行总体设计单独考虑基方面情况综合考虑库存进行认真考虑进行整体构思次课程设计作业程中设计方面没验理基础知识掌握牢固 数分析设计方面较薄弱暴露出方面知识欠缺验足整课程设计程中发现验方面十分缺乏空理知识没理性知识东西实际脱节觉课程设计需学相关知识系统联系起中暴露出身足改进
四 参考文献
[1] 郑堤唐洪 机电体化设计基础 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]伺服电机选择参考网址：httpwenkubaiducomview4a3b27c10c22590102029d3bhtml
[5]变频器选择参考网址： httpwenkubaiducomviewbd022c8a6529647d2728520fhtml
[6] 王爱玲 现代数控机床结构设计 北京：兵器工业出版社1999
[7] 王长春姜军生 机电体化综合实践指导 北京：高等教育出版社2004
五 致谢
课题选题进行程中老师悉心指导课程设计程中指导老师次帮助分析思路进行纳总结遇困难想放弃时候予支持鼓励指导老师严谨求实治学态度踏实坚韧工作精神终生受益谨老师致诚挚谢意崇高敬意
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机械电子学课程设计
年 级：
专 业： 机电体化技术
姓 名：
学 号：
指导老师：
时间： 2015 年 X 月 X日
机械电子学课程设计
目 录
课程设计务书………………………………………………………………1
1课程设计目意义 1
2课程设计务 1
3数控铣床性指标设计求 1
二 课程设计容 ………………………………………………………………1
摘…………………………………………………………………………1
关键词………………………………………………………………………2
第节 总体方案设计 ………………………………………………………2
1轴驱动系统设计方案 2
2 XYZ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轴传动系统设计 3
11轴电机选择 3
12变频器选择 3
13轴传动系统设计 3
2伺服驱动系统设计 3
21伺服传动机构设计 3
22伺服电机选择 4
23 滚珠丝杠选择 4
24滚珠丝杠支承选择 5
3设计验算校核 5
31惯量匹配验算 5
32伺服电机负载力校验 6
33系统刚度计算 7
34固频率计算 8
35死区误差计算 8
36系统刚度变化引起定位误差计算 8
三 存问题改进意见 9
四 参考文献 9
五 致谢 9
课程设计务书
1 课程设计目意义
机电体化门实践性强综合性技术学科涉知识领域非常广泛现代种先进技术构成机电体化技术基础机电体化系统设计基础课程设计属专业课程设计培养学生综合应学知识进行机电体化系统设计力
2 课程设计务
课程设计求学生设计数控铣床传动系统控制系统已数控系统基础根实际加工求进行二次开发生产数控系统伺服电动机驱动器伺服电机厂家厂家生产产品系统型号避免设计程中选型宽广考虑设计目训练事设计基力数控系统规定选Fanuc OI MATE MC根该数控系统控制性控制3伺服电动机轴开环轴（变频器）满足4轴联动数控铣床控制求考虑CNC控制器驱动器电机间电器接口相互匹配该设计中求3轴伺服驱动器伺服电动机采Fanuc公司生产产品
3 数控铣床性指标设计求
（1）轴转速范围：1000—24000 （rpm）
（2）轴电机功率：3037 kw
（3）XYZ轴快速进速度151515mminXYZ轴切削进速度110000 mmmin
（4）系统分辨率：00005mm重复精度002mm
二 课程设计容
摘
机电体化系统综合学科系统包括机械技术传感器技术测试技术电子技术控制技术机械电子学等极推动机械工业兵器行业行业发展技术结构产品结构技术功构成生产方式理体系均发生巨变化工业生产机械电气化迈进机电体化特征数字化动化高精度微型化功化智化时代
结合精密机械控制现代机械重方机械加工精度提高层次技术微机单片机等现代高科技仪器控制步进电机通步进电机实现精密工作台控制样简单机电体化系统重新复学知识 接触机电体化系统学期毕业设计定基础外工作作准备
关键词： 机械系统 驱动系统 电气系统 传送系统
第节 总体方案设计
1轴驱动系统设计方案
（1）根轴功率轴转速范围选择轴电机
（2）根电机转速轴转速设计轴传动链选择传动级数级传动级齿轮齿数
（3）根选定轴电机功率转速范围选择变频器型号（三菱FRS520SE04CH变频器作参考）设计变频器电气控制线路图
2 XYZ轴控制系统方案设计
（1）根轴功率调速范围运动精度求设计XYZ轴传动链选择传动级数级传动
（2）根轴功率调速范围运动精度求选择伺服驱动器交流伺服电动机型号（FANUC Series oiTC系列作参考）设计伺服驱动器电气控制线路
（3）根导程载荷选择滚珠丝杠型号确定支承方式
（4）根选定驱动器型号电动机参数机械运动部件参数进行惯量匹配验算电动机负载力校核轴刚度校核固频率计算死区误差计算刚度变化引起定位误差计算
3电气系统设计方案
电气系统设计参已数控铣床电气系统电路连接方式数控系统规定选Fanuc OI MATE MC根该数控系统控制性控制3伺服电动机轴开环轴（变频器）满足4轴联动数控铣床控制求该设计中求3轴伺服驱动器伺服电动机采Fanuc公司生产产品选驱动器电机间电器接口相互匹配
第二节 传动系统设计
1轴传动系统设计
11轴电机选择
根轴电机功率求查询机械设计手册[3]选择三相异步交流电动机型号JO2722具体参数：额定功率P30kW额定转速3000rpm额定电流56A效率η895功率素091
12变频器选择
根选定三相交流异步电机参数查询参考文献[5]选择变频器型号三菱FRV54030K具体参数：适电机功率：30 kw额定容量：438 kVA额定电流：1265 A调速范围0~3600rpm控制方式：闭环矢量控制调速：11500速度响应频率：800rads
13轴传动系统设计
轴高转速24000rpm传动i2400030008惯量条件图533534[1] 查轴传动机构应采2级传动传动分取i122 i236
选传动齿轮齿数分Z120Z244 Z320Z272模数m2mm齿宽b20mm强度校验略
2伺服驱动系统设计
21伺服传动机构设计
系统采半闭环伺服系统参考文献[4]中查伺服电机高转速nmax选 1500rmin2000rmin果伺服电机通联轴器丝杠直接连接i1XYZ轴快速进速度求达Vmax 15mmin取伺服电机高转速nmax1500rmin丝杠高转速nmax1500rmin滚珠丝杠导程
p 10 mm
根求数控铣床脉量δ00005 mm脉伺服电机转应发出脉数达
b20000
该伺服系统位置反馈采脉编码器方案选转5000脉编码器倍频器倍数4
22伺服电机选择
伺服电机高转速nmax1500rmin查询参考文献[4]选定伺服电机规格A06B0084Bxyz型号β221500具体参数：额定功率：14kw高转速nmax1500rmin转矩TS 20 Nm转动惯量00053 kg性满足系统求
23 滚珠丝杠选择
滚珠丝杠导程p10mm滚珠丝杠直径应量动载荷Cm选择
假设进力Ff5000N工作台质量200kg工件夹具质量300kg贴塑导轨摩擦数μ004丝杠载荷（摩擦力）
FminfG004（200+300）98196 N
丝杠载荷
Fmax5000+1965196 N
轴工作载荷（均载荷）
Fm35293 N
中Fmax Fmin 分丝杠轴载荷载荷单调式规律变化种转速机会相时Fm
丝杠高转速1500rmin工作台进速度1mmmin导程p10mm丝杠低转速01rmin取0均转速n（1500+0）2750 rmin丝杠工作寿命
L675
式中 L——工作寿命r1单位
T——丝杠寿命数控机床取T15000h例取T15000h
计算量动载荷Cm
Cm 464 kN
式中 ——载荷性质系数击取1~12般情况取12~15较击振动时取15~25例取 15
——精度影响系数例中取1
查表29[1]滚珠丝杠产品样中Cm 相额定动载荷CaCm
传动系统丝杠采端轴固定端浮动结构形式丝杆长度取1200mm丝杠拉压长度150 mm 拉压长度900 mm工作台行程范围750 mm
3设计验算校核
31惯量匹配验算
（1）电动机轴总量负载转动惯量计算
丝杠转动惯量
JS 235 kg
式中ρ——丝杠材料钢密度取ρ78×103 kgm3
l ——滚珠丝杠长度l1200 mm
(2) 工作台刀架折算电机轴惯量
J1mm(p2π)2 500(0012π)2 126103 kg
(3) 联轴器加锁紧螺母等效惯量
直接取
J2 0001 kg
（4）负载总惯量
Jd J1+ J2+ JS 126103 +235+0001461103 kg
（5）惯量匹配验算
086
<086<1满足式541[1]惯量匹配合理
32伺服电机负载力校验
（1）伺服电机轴总惯量
J +Jd 00053+461103991103 kg
（2）空载启动时电动机轴惯性转矩
TJ JJ9911031556 Nm
式中 ——启动时间取01 S
(3)电动机轴量摩擦转矩
Nm
式中 ——伺服进传动链总效率取085
设滚动丝杠螺母副预紧力轴载荷13预紧力引起算电动机轴附加摩擦转矩
T0059 Nm
式中——滚珠丝杠传动效率取09
(4)空载启动时电动机轴总负载转矩
Tq TJ + Tμ+ T0 1556++05916514 Nm
Tq < TS 20 Nm 正常启动
33系统刚度计算
传动系统丝杠采端轴固定端浮动结构形式表58[1]列公式求丝杠拉压刚度
KLmax 176 Nm
KLmin 293 Nm
式中 E——拉压弹性模量ENm2
假定丝杠轴支撑轴承预紧忽略轴承座螺母座刚度影响表59[1]列公式求丝杠螺母机构综合拉压刚度
mN
144 Nm
mN
22 Nm
式545[1]计算出丝杠低扭转刚度
KTmin226 Nmrad
式中 G——材料切边模量GNm2
34固频率计算
丝杠质量
ms118 kg
丝杠工作台振系统低固频率
ωnc 5345 rads
折算丝杆轴系统总量转动惯量
JsdJi2991103 kg
果忽略电动机轴减速器中扭转变形系统低扭振固频率
ωnt 4775 rads
ωnc ωnt较高说明系统动态特性
35死区误差计算
设丝杠螺母机构采取消隙预紧措施式559[1]求摩擦力引起反死区误差
max 00027 mm
max约5脉量说明该系统较难满足单脉进求
36系统刚度变化引起定位误差计算
式560[1]求丝杠螺母机构综合拉压刚度变化引起定位误差
δKmax50000005 mm
系统定位精度002 mmδKmax00005<δ0004 mm系统刚度满足定位精度求
综述轴传动系统伺服驱动系统设计满足系统设计指标求
三 存问题改进意见
次课程设计部分组合起进行总体设计单独考虑基方面情况综合考虑库存进行认真考虑进行整体构思次课程设计作业程中设计方面没验理基础知识掌握牢固 数分析设计方面较薄弱暴露出方面知识欠缺验足整课程设计程中发现验方面十分缺乏空理知识没理性知识东西实际脱节觉课程设计需学相关知识系统联系起中暴露出身足改进
四 参考文献
[1] 郑堤唐洪 机电体化设计基础 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]伺服电机选择参考网址：httpwenkubaiducomview4a3b27c10c22590102029d3bhtml
[5]变频器选择参考网址： httpwenkubaiducomviewbd022c8a6529647d2728520fhtml
[6] 王爱玲 现代数控机床结构设计 北京：兵器工业出版社1999
[7] 王长春姜军生 机电体化综合实践指导 北京：高等教育出版社2004
五 致谢
课题选题进行程中老师悉心指导课程设计程中指导老师次帮助分析思路进行纳总结遇困难想放弃时候予支持鼓励指导老师严谨求实治学态度踏实坚韧工作精神终生受益谨老师致诚挚谢意崇高敬意
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