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青島農(nóng)業(yè)大學海都學院 本科生畢業(yè)論文（設計） 題 目： 一種新型金相試樣拋光機的設計 姓 名： 張在杰 學 院： 海都學院 專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化 班 級： 2006.02 學 號： 020060574 指導教師： 劉玉高 完成時間： 2010.6 目 錄 摘 要 ..........................................................................................................................................I ABSTRACT ...........................................................................................................................II 1 緒論.......................................................................................................................................1 1.1 設計的目的和意義 ..........................................................................................................1 1.2 金相試樣拋光機的國內(nèi)外研究狀況 ..............................................................................1 1.2.1 國外拋光機的性能與特點 ................................................................................................................1 1.2.2 國內(nèi)拋光機的性能與特點 ................................................................................................................2 1.2.3 討論 .....................................................................................................................................................2 2 金相試樣拋光機設計思想及方案確定 .....................................................................4 2.1 設計要求 ..........................................................................................................................4 2.2 金相試樣拋光機整體方案的確定 ..................................................................................4 2.2.1 金相試樣拋光機類型分析 .............................................................................................4 2.2.2 金相試樣拋光機方案比較 ................................................................................................................5 2.2.3 綜合考慮選出最佳設計方案 .........................................................................................6 3 金相試樣拋光機機械設計.............................................................................................7 3.1 動力頭的設計 ..................................................................................................................7 3.2 加減壓機構的機械設計 ..................................................................................................9 3.3 齒輪箱的設計 ................................................................................................................10 3.3.1 齒輪設計 .........................................................10 3.3.2. 齒輪軸的設計 .....................................................15 3.3.3 絲杠的設計 ........................................................17 3.4 電機的計算選擇 .............................................................................................................20 3.5 拋光盤動力源電機的計算選擇 ..........................................21 3.6 帶輪的計算選擇 ......................................................22 4 夾具設計 ............................................................................................................................24 5 金相試樣拋光機調(diào)速部分設計 .................................................................................25 5.1 顯示面板設計 ................................................................................................................25 5.2 金相試樣拋光機控制系統(tǒng)整體框架設計思想 ..............................26 5.3 伺服電機的調(diào)速研究 ....................................................................................................26 6 總結(jié).....................................................................................................................................29 參考文獻 ................................................................................................................................30 致謝 .........................................................................................................................................31 I 摘 要 為了提高金相拋光機的加工效率，保證加工工件的平行度，本文在研究和分析了傳統(tǒng)拋光機工 藝的基礎上，設計了電控系統(tǒng)和主軸調(diào)速系統(tǒng)。本文主要就拋光壓力、拋光速度兩個方面的關鍵技 術作了詳細的描述?？蓪崿F(xiàn)拋光盤轉(zhuǎn)速實時可控。并研究出一種先進的加壓執(zhí)行機構，該機構能使 夾具上的壓力靈活調(diào)整，從而系統(tǒng)可根據(jù)不同的試樣調(diào)整加壓機構，給定合適的拋光壓力。實現(xiàn)拋 光壓力持續(xù)可調(diào)。并實現(xiàn)拋光盤轉(zhuǎn)速緩升穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速緩減的運行模式。目的是預防工件 在加速、減速工況下破碎及平滑加工平面的實現(xiàn)。盡量用軟件來代替了硬件，降低了成本，使系統(tǒng) 更加小巧輕便。該系統(tǒng)設計新穎，技術先進，具有很高的性能價格比，采用機電一體化技術，適合 國情，符合國際發(fā)展動態(tài)，但設計高自動化、低成本的適合我國國情的金相試樣拋光機仍然面臨有 待攻克的難題，提高各項技術和經(jīng)濟指標仍是今后拋光機設計需解決的主要內(nèi)容。 關鍵詞:金相試樣拋光機;電氣控制;拋光 II Abstract TO improve The Metallographic Sample Polishing Machine lapping efficiency and work piece parallelism，on the basic of analyzing and researching traditional lapping of double-sides lapping technology, electric and speed control systems are designed. The purpose of this was to prevent the work piece from broken while accelerating and realizing the flat surface. Replaced the hardware with the software，lowered the cost and made the system deft. The design of this system was novel, the technique was advanced, had the very high function price compare, adopted the electric control systems technique, was fit for the state of our nation, was fit for the international development status. But design The Polishing Machine with the high automation, low cost and keeping with our country step still need face the tickler waiting to resolve, increasing various technique and economic index is still the main contents in the Polishing machine designing. Keywords: Metallographic Sample Polishing Machine: electric control systems: Polish 3 青島農(nóng)業(yè)大學海都學院本科畢業(yè)設計開題報告
青島農(nóng)業(yè)大學海都學院
本科生畢業(yè)論文（設計）開題報告
題 目： 一種新型金相試樣拋光機的設計
姓 名： 張在杰
學 院： 海都學院
專 業(yè)： 機械設計制造及其自動化
班 級： 2006.02
學 號： 020060574
指導教師： 劉玉高
一、選題依據(jù)(擬開展研究項目的研究目的、意義等)
材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎，它可以直接反映出人類文明的程度。金屬材料的力學性能不僅與它的化學成分有關，也與它的組織結(jié)構有著密切的關系。了解它們之間的關系并掌握它們之間的變化規(guī)律，進行正確的金相分析是有效使用材料所必需的。
要進行金相分析，就必須制備能用于微觀觀察檢驗的樣品—金相試樣。通常，金相試樣制備要經(jīng)過以下幾個步驟：取樣、鑲嵌、磨光(粗磨和細磨)和拋光。每項操作都必須嚴格細心因為任何階段的失誤都可能影響以后的步驟，在極端的情況下，不正確的制作可能造成假組織，從而得出錯誤的結(jié)論。金相試樣的制備是通過切割機、鑲嵌機、磨/拋光機來完成的。
金相試樣的最終質(zhì)量是由拋光工順序決定的，拋光是金相制取試樣過程中至關重要的一環(huán)。拋光是將試樣上磨制產(chǎn)生的磨痕及變形層去掉，使其成為光滑鏡面的最后工序。拋光試樣的方法有機械拋光、電解拋光、化學拋光以及復合拋光等。機械拋光是現(xiàn)階段應用最為廣泛的拋光方法，其正確的工藝和操作方法是在保證獲得優(yōu)質(zhì)的試樣和其他條件(如邊緣保留及石墨和夾雜物保留等)的情況下具有最高的拋光速率選擇可靠性高的金相試樣拋光機，可以提高制樣效率和質(zhì)量，減少試樣廢品率，從而降低成本，提高經(jīng)濟效益，獲得樣品質(zhì)量的高度一致性。另外，金相檢驗是故障分析和質(zhì)量檢驗過程中一個不可缺少的手段，有時甚至比電鏡手段還重要，應視為一種常規(guī)的分析手段。造成故障的主要影響因素有：加工工藝(熱處理、表面處理、鑄造、焊接等)、加工方法和加工步驟不當造成的材料缺陷，以及使用中操作條件和環(huán)境的變化導致的損壞，都能通過金相檢驗來識別。制備金相樣品是金相檢驗中的必要步驟，而樣品制備的質(zhì)量受人為因素影響較大，在樣品的切割、磨光和拋光過程中，若操作不當，極易使樣品表面產(chǎn)生變形或使磨面產(chǎn)生變形層而影響檢驗效果。但隨著科學技術的進步，用微機控制的制取試樣的設備已經(jīng)問世，對各種材料有效制樣技術的數(shù)據(jù)庫己經(jīng)開始建立，用機械代替人工制樣已成為現(xiàn)實，而且制樣速度快，質(zhì)量高。
本課題設計一臺在現(xiàn)有拋光機的基礎上對其機械系統(tǒng)進行了技術改造，為金相試樣制備提供一種更好的操作界面。
二、國內(nèi)外同類研究或同類設計的概況綜述(在充分收集研究主題相關資料的基礎上，分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，提出問題，找到研究主題的切入點，附主要參考文獻)
2.1國外拋光機的性能與特點
(l)丹麥Struers公司研制的Abrapol-10型高科技自動化立地式金相拋光機。試樣可以不經(jīng)鑲嵌裝在特殊夾具上，夾具由另一電動機帶動，其轉(zhuǎn)動方向與拋光盤相反。夾具與拋光盤之間的壓力可以在0～7OON之間任意調(diào)節(jié)。當?shù)竭_預定拋光時間后，夾具自動抬起并停止。夾具的特點是能適應各種形狀的試樣。對于線材及尺寸較小的棒材試樣，可把試樣分成三組，用厚鋼板及螺釘固定在夾具上，每組可裝20～40個線材試樣，對于較大試樣每個夾具可以裝6塊。夾具上試樣孔的設計是使樣品與夾具及固定螺釘始終保持三點接觸。如果兩個人使用3臺這種設備，1小時可制備6至8個夾具試樣，實際上每個夾具試樣在3臺設備上的總有效時間總共只有6min，具有很高的拋光效率，而且試樣的拋光質(zhì)量能達到金相分析的要求。
(2)美國Buehler公司研制生產(chǎn)的vanguard型全自動拋光機從粗拋到最后精拋整個過程全自動完成，可以設置50個常用工作程序，操作界面友好，彩色液晶顯示，觸摸式操作，整個過程的每個工序之間都進行夾持器和樣品的清洗與烘干，充分保證了樣品制備的高效與高制性，操作過程的全自動化模式，節(jié)省了人工并提高了效率與質(zhì)量。試樣由拋光臂按照一定軌跡在拋光盤內(nèi)運動，拋光臂上的壓力可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，最大可達20N。在預定的拋光時間內(nèi)，此壓力將逐漸自動減小到零，這樣可減少拋光缺陷。拋光臂的速度也可以調(diào)節(jié)，每道工序只需2～5min，適用于各種材料。
2.2國內(nèi)拋光機的性能與特點
(1)上海長方光學有限公司生產(chǎn)的PG-1型金相拋光機配備0.2kw電機，拋光盤直徑為220mm，拋光速度可定制為900r/min～1400r/min。PG-l拋光機是采集多方面使用人員的意見和要求設計而成的，它具有傳動平穩(wěn)，噪音小，操作、維修方便等優(yōu)點。該機的拋光盤直徑和傳遞功率均大于國內(nèi)同類產(chǎn)品，能適合更多種材料的拋光要求。
(2)南京測控科學器材有限公司研制的GPV型金相變頻調(diào)速拋光機采用無級變速，從1400～500r/min，并具有數(shù)字顯示轉(zhuǎn)速的功能變頻調(diào)速是被理論和實踐證明的“節(jié)能明顯，功能豐富，性能穩(wěn)定”的調(diào)速裝置，根據(jù)不同材料，拋光時需要選擇合適的速度，得到最佳的效果。該機的優(yōu)點是能在很短的時間內(nèi)，達到最優(yōu)的拋光速度，并且消除試樣表面的劃痕，使試樣符合金相分析與研究的要求。
縱觀國內(nèi)外拋光機的狀況，國內(nèi)研發(fā)的拋光機在性能和外觀等方面還存在一定差距。例如，國內(nèi)研制的拋光機多數(shù)機型的拋光盤為單盤或雙盤，有水龍頭，但冷卻條件差由于冷卻條件差，試樣表面易發(fā)熱變灰暗，而且會繼續(xù)增厚形變擾動層，對快速拋光好試樣帶來麻煩；拋光盤轉(zhuǎn)速固定不變，而金相試樣制備過程不允許組織變形，軟相(石墨)脫落，硬相(碳化物)浮凸，拋光后試樣表面應光亮如鏡、無磨痕。為此，不同性質(zhì)的材料，需采取不同措施。
而國外研制的全自動拋光機，能夠自動控制冷卻液的流量，整個操作過程采用全自動化模式，節(jié)省了人工并有效地提高了研究效率與質(zhì)量。
我國金相試樣制備的研究開發(fā)雖然已有幾十年的歷史，并己取得了一定的成績，但是和國外相比仍然有明顯的不足，制約我國金相試樣制備技術的因素主要有以下幾個方面：
（1）我國目前還沒有金相試樣拋光機國家標準，金相試樣拋光機作業(yè)質(zhì)量的測試指標以及測試條件，各個生產(chǎn)研制單位大多是根據(jù)企業(yè)標準對金相試樣拋光進行測試檢驗，判定標準不一，影響了新機型的開發(fā)研制。
（2）缺乏懂金相知識與機械設計及其控制的綜合性人才, 這無形中增加了我國金相取樣制樣設備的研究和開發(fā)的難度。
（3）冶金、機械、汽車、拖拉機、兵器、航天航空、軸承、工模具等制造行業(yè)中所需的金屬材料類型多樣化, 由于各種金屬材料的物理、化學等性能不一使拋光機在試驗參數(shù)測定、確定最佳性能指標等方面有很大難度。
（4）金相試樣拋光的機制研究和系統(tǒng)的理論欠缺，研究手段相對落后。我國金相試樣拋光機的設計和開發(fā)要適合我國的具體國情，不僅要適合我國廣大金相工作者對金相試樣拋光機各種性能的要求, 提高制樣質(zhì)量和自動化程度，同時應考慮到金相工作者不同知識層次的需要,，使設備力求操作簡單，安全可靠，而且應考慮盡量降低成本，提高性能價格比，使金相試樣拋光機在各種規(guī)模、各種類型的企業(yè)實驗室得到應用和普及，促進我國金相事業(yè)的發(fā)展。
參考文獻
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[2]施興華. 拋光機在表面處理工藝上的應用比較 .紡織器材， 2005，32（6）：37-38
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[5]陳文娟，孫維連. 金相試樣拋光機的機械設計與控制系統(tǒng)的研究 . [碩士學位論文]. 河北: 河北農(nóng)業(yè)大學，2004
[6]王會強，孫維連，溫新林, 史立喜, 劉志國， 趙志剛. 國內(nèi)外金相試樣拋光機的發(fā)展概況. 熱處理， 2005，22（3）：7-16
[7]陳文娟，孫維連，楊鈺瑛，賈亞雷，李杰. 金相研磨拋光機自動控制系統(tǒng)的研究. 現(xiàn)代機械，2003，6：10-11
三、研究方案(研究內(nèi)容、目標、研究方法、技術路線、擬解決的問題、特色或創(chuàng)新點等)
本課題設計一臺在現(xiàn)有拋光機的基礎上對其機械系統(tǒng)進行了技術改造，為金相試樣制備提供一種更好的操作界面的一種新型的金相試樣拋光機。
拋光按其原理可以分為機械拋光，電解拋光，化學拋光，以及復合拋光。
(1)機械拋光
機械拋光是現(xiàn)階段應用最為廣泛的拋光方法，其正確的工藝和操作方法是在保證獲得優(yōu)質(zhì)的試樣和其他條件(如邊緣保留及石墨和夾雜物保留等)的情況下具有最高的拋光速率。
(2)電解拋光
電解拋光是對難以用機械方法拋光的金屬試樣進行拋光的重要手段，它可以克服金屬干擾層和機械巒晶假象等問題，對于用極低負荷的顯微硬度實驗的樣品或透射電鏡的薄膜試樣特別有用。但每種金屬和合金所使用的拋光液和電解規(guī)范不同，因此需要進行相當數(shù)量的試驗工作來確定電解拋光規(guī)范。
(3)化學拋光
化學拋光是完全依靠化學藥劑的腐蝕作用而得到光亮的拋光表面。這種方法操作簡便，不需要復雜的機械和電解設備，只需要選擇適合的化學拋光液和試驗最佳拋光規(guī)范?；瘜W拋光的速度低，拋光后的磨面，表面光滑但形成起伏的波形，不能達到十分平整的要求。
而金相試樣拋光機對機械設計的要求有:精度高、運行平穩(wěn)、工作可靠,具有良好的伺服性能。面對傳動機構則要求:轉(zhuǎn)動慣量小，以減小機械負載，避免對系統(tǒng)造成不良影響；剛度大，有利于減小動力損失，提高固有頻率，增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性；阻尼合適。為保證拋光精度和拋光質(zhì)量的要求，對所需的機械系統(tǒng)采用以下方案：
a. 設計動力頭。 因為在拋光過程中需要及時變換工件的運動方向,使拋光紋路復雜多變,這樣有利于降低表面粗糙度并保證表面均勻一致。 因此動力頭是拋光設計的技術關鍵,要設計出能帶動夾具上升和下降；按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié);驅(qū)動夾具旋轉(zhuǎn);拋光一定時間后能自動降低夾具上的彈性力的動力頭。
b.設計夾具。 金相試樣拋光機機械制樣采用夾具夾持試樣,夾具帶動試樣與磨盤相對摩擦,并在夾具上施加一定的壓力,夾具可以裝取多塊試樣以提高制樣效率,在夾具上所施加的壓力可以靈活調(diào)整。
c.控制方法的研究。在處理復雜系統(tǒng)控制問題時，傳統(tǒng)控制方法對于復雜性、不確定性、突變性所帶來的問題總有些力不從心。為了適應不同技術領域和社會發(fā)展對控制科學提出的新要求，我們必須發(fā)展新的控制模式。近年來，在傳統(tǒng)控制中加人邏輯推理和啟發(fā)式知識，將傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法等人工智能技術結(jié)合起來，充分利用人的控制知識對復雜系統(tǒng)進行智能化控制，逐漸形成拋光機的智能控制。
d.冷卻方式的研究。多數(shù)試樣拋光方法最重要的特點是拋光時產(chǎn)生高溫，會造成金相組織發(fā)生變化，給金相分析造成困難因而，金相取樣時必須進行充分冷卻。
四、進程計劃(各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進度、完成程度等)
1. 檢索國內(nèi)外的資料，在認真分析的基礎上確定合理方案，繪出草圖，完成開題報告：（5.1－5.6）
2.完成機械的總體設計：（5.6－5.16）
3.完成傳動機構的設計和運動協(xié)調(diào)分析和主要零部件的設計計算：（5.16-5.26）
4.繪制總裝圖和主要零件圖：（5.26-6.2）
5.編寫設計說明書，完成畢業(yè)論文：（6.2－6.10）
五、導師評語
指導教師簽字： 2010 年 月 日
六、教研室意見
教研室主任簽字： 200 年 月 日
七、學院意見
負責人簽字： 200 年 月 日
5
青島農(nóng)業(yè)大學海都學院本科畢業(yè)設計（論文）
1 緒論
1.1設計的目的和意義
材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎，它可以直接反映出人類文明的程度。金屬材料的力學性能不僅與它的化學成分有關，也與它的組織結(jié)構有著密切的關系。了解它們之間的關系并掌握它們之間的變化規(guī)律，進行正確的金相分析是有效使用材料所必需的。
要進行金相分析，就必須制備能用于微觀觀察檢驗的樣品—金相試樣。通常，金相試樣制備要經(jīng)過以下幾個步驟：取樣、鑲嵌、磨光(粗磨和細磨)和拋光。每項操作都必須嚴格細心因為任何階段的失誤都可能影響以后的步驟，在極端的情況下，不正確的制作可能造成假組織，從而得出錯誤的結(jié)論。金相試樣的制備是通過切割機、鑲嵌機、磨/拋光機來完成的。
金相試樣的最終質(zhì)量是由拋光工順序決定的，拋光是金相制取試樣過程中至關重要的一環(huán)。拋光是將試樣上磨制產(chǎn)生的磨痕及變形層去掉，使其成為光滑鏡面的最后工序。拋光試樣的方法有機械拋光、電解拋光、化學拋光以及復合拋光等。機械拋光是現(xiàn)階段應用最為廣泛的拋光方法，其正確的工藝和操作方法是在保證獲得優(yōu)質(zhì)的試樣和其他條件(如邊緣保留及石墨和夾雜物保留等)的情況下具有最高的拋光速率選擇可靠性高的金相試樣拋光機，可以提高制樣效率和質(zhì)量，減少試樣廢品率，從而降低成本，提高經(jīng)濟效益，獲得樣品質(zhì)量的高度一致性。
1.2金相試樣拋光機的國內(nèi)外研究狀況
1.2.1國外拋光機的性能與特點
目前，國外生產(chǎn)金相設備的廠家主要有丹麥的struers公司和美國的buehler公司．拋光機是他們的主要產(chǎn)品之一。struers公司為金相制備和分析提供了一種全新的高效、高再現(xiàn)性自動控制系統(tǒng)。它的主募研磨拋光產(chǎn)品有MAPS、AbraPol—10、AbraPlan—i0、Abramin辭。不同的系統(tǒng)可以適應不同的操作環(huán)境。這些系統(tǒng)一般由一個或幾個制備單元組成，每個單元包括研磨平臺、清潔平臺、干燥平臺，可以高效快速的完成制備任務。buehler公司的產(chǎn)品從研磨到最后拋光整個過程全自動完成，可以設置50個常用工作程序，操作界面友好， 彩色液晶顯示，觸摸式操作，整個過程的每個工序之間都進行夾持器和樣品的清洗與烘干，
充分保證了樣品制備的高效與高質(zhì)性，操作過程的全自動化模式，節(jié)省了人工并有效的提高了效率與質(zhì)量。上述兩家公司的產(chǎn)品價格昂貴，每臺價值均在10000美元以上，耗資巨大且配件消耗和材料仍需進口，不適合我國國情。
1.2.2國內(nèi)拋光機的性能與特點
國內(nèi)目前其它廠家的產(chǎn)品多為手工操作，生產(chǎn)效率低、安全性差。多數(shù)機型的拋光盤為單盤或雙盤，有水龍頭，但冷卻條件差，由于冷卻條件差，試樣表面易發(fā)熱變灰暗，而且會繼續(xù)增厚形變擾動層，對快速拋光好試樣帶來麻煩；拋光盤轉(zhuǎn)速固定不變。而金相試樣制各過程不允許組織變形，軟相(石墨)脫落，硬相(碳化物)浮雕．拋光后試樣表面應光亮如鏡，無磨痕，為此不同性質(zhì)的材料，需采取不同措施。如：拋光鑄鐵試樣時，試樣在拋光過程中應不斷旋轉(zhuǎn)，盡量縮短拋光時間。而拋光鋁制試樣時，需采用較輕的壓力和適當?shù)霓D(zhuǎn)速(400r／min)方可保證不出現(xiàn)變形層{有的機型則采取變頻無級變速1000r／min～50r／min，轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示，但拋光為手動操作，在手工操作中，壓力的大小僅憑手感控制，沒有被量化，因此制樣效率，準確性和再現(xiàn)性均不易保證。如南京測控科學器材設各有限公司的變頻調(diào)速拋光機，上海金相機械設備有限公司PW-I金相試樣拋光機。
1.2.3討論
縱觀國內(nèi)外拋光機的狀況，國內(nèi)研發(fā)的拋光機在性能和外觀等方面還存在一定差距。例如，國內(nèi)研制的拋光機多數(shù)機型的拋光盤為單盤或雙盤，有水龍頭，但冷卻條件差。由于冷卻條件差，試樣表面易發(fā)熱變灰暗，而且會繼續(xù)增厚形變擾動層，對快速拋光好試樣帶來麻煩；拋光盤轉(zhuǎn)速固定不變，而金相試樣制備過程不允許組織變形，軟相(石墨)脫落，硬相(碳化物)浮凸，拋光后試樣表面應光亮如鏡、無磨痕。為此，不同性質(zhì)的材料，需采取不同措施。而國外研制的全自動拋光機，能夠自動控制冷卻液的流量，整個操作過程采用全自動化模式，節(jié)省了人工并有效地提高了研究效率與質(zhì)量。
2 金相試樣拋光機設計思想及方案確定
2.1設計要求
金相試樣拋光機對機械設計的要求有：精度高、運行平穩(wěn)、工作可靠，具有良好的伺服性能。面對傳動機構則要求：轉(zhuǎn)動慣量小，以減小機械負載，避免對系統(tǒng)造成不良影響；剛度大，有利于減小動力損失，提高固有頻率，增加閉環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性；阻尼合適。
金相試樣拋光機對控制系統(tǒng)的要求有：能對壓力進行控制。因為試樣拋光過程要求動力頭能帶動夾具上升和下降．實現(xiàn)壓力增大和減小；能夠按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力；磨拋一定時間后能自動降低夾具上的彈性力。能對時間進行控制。拋光時間過長，試樣質(zhì)量無法保證，時間過短達不到拋光質(zhì)量。能對拋光速度控制。對不同材質(zhì)的試樣，需不同的拋光速度，方可保證材料的真實組織。
2.2金相試樣拋光機整體方案的確定
2.2.1金相試樣拋光機類型分析
拋光按其原理可以分為機械拋光，電解拋光，化學拋光，以及復合拋光。
(1)機械拋光
機械拋光是現(xiàn)階段應用最為廣泛的拋光方法，其正確的工藝和操作方法是在保證獲得優(yōu)質(zhì)的試樣和其他條件(如邊緣保留及石墨和夾雜物保留等)的情況下具有最高的拋光速率。
(2)電解拋光
電解拋光是對難以用機械方法拋光的金屬試樣進行拋光的重要手段，它可以克服金屬干擾層和機械巒晶假象等問題，對于用極低負荷的顯微硬度實驗的樣品或透射電鏡的薄膜試樣特別有用。但每種金屬和臺金所使用的拋光液和電解規(guī)范不同，因此需要進行相當數(shù)量的試驗工作來確定電解拋光規(guī)范。
(3)化學拋光
化學拋光是完全依靠化學藥劑的腐蝕作用而得到光亮的拋光表面。這種方法操作簡便，不需要復雜的機械和電解設備，只需要選擇適合的化學拋光液和試驗最佳拋光規(guī)范?；瘜W拋光的速度低，拋光后的磨面，表面光滑但形成起伏的波形，不能達到十分平整的要求。
綜合考慮各種拋光的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)采用機械拋光。
2.2.2金相試樣拋光機方案比較
第一種設計方案：自動減加壓機械裝置的設計，利用步進電機作為此裝置的動力源，通過一個比例為1:1的齒輪箱與動力頭相接。動力頭采用滾珠螺旋傳動，即在由螺母和螺桿的近似半圓形螺旋凹槽拼合而成的滾道中裝入適量的滾珠，并用螺母上制出的通路及導向輔助件構成閉合回路，以備滾珠連續(xù)循環(huán)。當步進電機逆時針轉(zhuǎn)時，帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動帶動固定在其上的螺母旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿下移，按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié);驅(qū)動夾具旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉(zhuǎn)時，帶動螺桿上移，實現(xiàn)對工件的減壓。
拋光裝置的設計，因為本次設計的目的是實現(xiàn)拋光的完全自動化，所以選擇直流伺服電機作為拋光盤的動力源，為保持拋光質(zhì)量，拋光速度不宜太快，一般為300-500r/min，而電機速度一般比較快，所以利用V帶傳動，以達到減速的目的。
控制系統(tǒng)的控制部分采用DSP模糊控制系統(tǒng)：數(shù)字信號處理器 DSP 采樣位置傳感器信號,獲得當前位置信息 ,從而得到電機的當前速度 ,通過與給定速度值比較 ,得到轉(zhuǎn)速誤差值 ,經(jīng)模糊控制器計算推理后 ,輸出 PWM脈沖信號 ,經(jīng)功率放大后 ,對直流電機進行控制。
第二種設計方案：直接用步進電機與一個帶有內(nèi)花鍵的絲杠相連，絲杠與主軸通過花鍵連接，使主軸能上下移動。當電機逆時針轉(zhuǎn)動時，絲杠帶動絲杠螺母轉(zhuǎn)動，只能向下運動壓縮彈簧，使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉(zhuǎn)動時，帶動螺母上移，不再壓縮彈簧，主軸上移，從而實現(xiàn)對工件的減壓。
拋光裝置的設計，直接用電機帶動拋光盤轉(zhuǎn)動。
控制系統(tǒng)的控制采用模糊PID控制, 模糊PID控制器由多種結(jié)構形式，但基本原理基本一致，即運用模糊數(shù)學的基本原理和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則以及有關信息作為知識存入計算機的知識庫中，然后計算機根據(jù)系統(tǒng)的實際響應情況運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以達到自動控制的目的。
2.2.3 綜合考慮選出最佳設計方案
參考各種形式的拋光機，為滿足設計要求本次設計的系統(tǒng)定為機電一體化系統(tǒng)。機械部分是采用步進電機為動力源，通過一個比例為1:1的齒輪箱與動力頭相接。動力頭采用滾珠螺旋傳動，當步進電機逆時針轉(zhuǎn)時，帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動帶動固定在其上的螺母旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿下移，按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié);驅(qū)動夾具旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉(zhuǎn)時，帶動螺桿上移，實現(xiàn)對工件的減壓。
控制部分采用PID模糊控制系統(tǒng)：利用此系統(tǒng)實現(xiàn)自動調(diào)壓，調(diào)速和對加工時間控制的目的。
3金相試樣拋光機機械設計
機電一體化機械系統(tǒng)要求精度高、運動平穩(wěn)、工作可靠，具有良好的伺服性能。金相試樣拋光機機械制樣是采用夾具夾持試樣，夾具帶動試樣與磨盤相對摩擦，并在夾具上施加一定的壓力，夾具可以裝夾多塊試樣以提高制樣效率，在夾具上所施加的壓力可以靈活調(diào)整。
機械部分主要包括動力頭、夾持盤、拋光盤、主體和外觀設計。
3.1動力頭的設計
在試樣拋光時，拋光運動軌跡應能保證工件加工表面和拋具表面上各點均有相同或相近的被切削條件和切削條件。對拋光運動軌跡的基本要求如下：
工件相對拋光盤作平面平行運動，能使工件上各點具有相同或相近的拋光行程。
工件上任一點，盡量不出現(xiàn)運動軌跡的周期性重復。
拋光運動平穩(wěn)，避免曲率過大的運動轉(zhuǎn)角。
保證工件走遍整個拋光盤表面，使拋光盤均勻磨損，保證工件表面的平面度。及時變換工件的運動方向．使拋光紋路復雜多變，有利于降低表面租糙度并保證表面均勻一致。
3-1動力頭示意圖
因此動力頭是拋光機設計的技術關鍵，動作要求：帶動夾具上升和F降；按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力：壓力在一定范圍內(nèi)自行譎節(jié)：驅(qū)動夾具旋轉(zhuǎn)；磨拋一定時間后能自動降低夾具上的彈性力。具體的設計如圖3-1所示：電機通過連軸器安裝在齒輪箱上，齒輪箱內(nèi)兩個齒輪的大小相等，另一齒輪與絲杠相連，絲杠通過固定在齒輪上的螺母轉(zhuǎn)動上下移動從而達到增壓減壓的效果。當步進電機逆時針轉(zhuǎn)時，帶動齒輪轉(zhuǎn)動，齒輪轉(zhuǎn)動帶動固定在其上的螺母旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿下移，按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內(nèi)自行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉(zhuǎn)時，帶動螺桿上移，實現(xiàn)對工件的減壓。使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，當達到指定位置時，輸出一個信號，使主軸上的壓力得到保持。當?shù)竭_設置時間的2/3時，電機順時針轉(zhuǎn)動，在脈沖信號作用下，每隔一定時間，壓力釋放一次，螺桿緩慢向上移動，逐步釋放主軸上的彈性力，當壓力低于20牛頓時停止釋放，并一直保持到設定時間到達，拋光機動力頭產(chǎn)生的壓力曲線如圖3—2壓力曲線圖所示。工作結(jié)束后，輸出一個信號使絲杠連續(xù)上升，到達上限后切斷電源停止運轉(zhuǎn)。
3-2壓力曲線圖
圖中可以看出Pl=P2=P3=P4=P5，而t
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