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青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目： 一種新型金相試樣拋光機(jī)的設(shè)計(jì) 姓 名： 張?jiān)诮? 學(xué) 院： 海都學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 2006.02 學(xué) 號(hào)： 020060574 指導(dǎo)教師： 劉玉高 完成時(shí)間： 2010.6 目 錄 摘 要 ..........................................................................................................................................I ABSTRACT ...........................................................................................................................II 1 緒論.......................................................................................................................................1 1.1 設(shè)計(jì)的目的和意義 ..........................................................................................................1 1.2 金相試樣拋光機(jī)的國內(nèi)外研究狀況 ..............................................................................1 1.2.1 國外拋光機(jī)的性能與特點(diǎn) ................................................................................................................1 1.2.2 國內(nèi)拋光機(jī)的性能與特點(diǎn) ................................................................................................................2 1.2.3 討論 .....................................................................................................................................................2 2 金相試樣拋光機(jī)設(shè)計(jì)思想及方案確定 .....................................................................4 2.1 設(shè)計(jì)要求 ..........................................................................................................................4 2.2 金相試樣拋光機(jī)整體方案的確定 ..................................................................................4 2.2.1 金相試樣拋光機(jī)類型分析 .............................................................................................4 2.2.2 金相試樣拋光機(jī)方案比較 ................................................................................................................5 2.2.3 綜合考慮選出最佳設(shè)計(jì)方案 .........................................................................................6 3 金相試樣拋光機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì).............................................................................................7 3.1 動(dòng)力頭的設(shè)計(jì) ..................................................................................................................7 3.2 加減壓機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì) ..................................................................................................9 3.3 齒輪箱的設(shè)計(jì) ................................................................................................................10 3.3.1 齒輪設(shè)計(jì) .........................................................10 3.3.2. 齒輪軸的設(shè)計(jì) .....................................................15 3.3.3 絲杠的設(shè)計(jì) ........................................................17 3.4 電機(jī)的計(jì)算選擇 .............................................................................................................20 3.5 拋光盤動(dòng)力源電機(jī)的計(jì)算選擇 ..........................................21 3.6 帶輪的計(jì)算選擇 ......................................................22 4 夾具設(shè)計(jì) ............................................................................................................................24 5 金相試樣拋光機(jī)調(diào)速部分設(shè)計(jì) .................................................................................25 5.1 顯示面板設(shè)計(jì) ................................................................................................................25 5.2 金相試樣拋光機(jī)控制系統(tǒng)整體框架設(shè)計(jì)思想 ..............................26 5.3 伺服電機(jī)的調(diào)速研究 ....................................................................................................26 6 總結(jié).....................................................................................................................................29 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................30 致謝 .........................................................................................................................................31 I 摘 要 為了提高金相拋光機(jī)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(jī)工 藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)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(gè)方面的關(guān)鍵技 術(shù)作了詳細(xì)的描述?？蓪?shí)現(xiàn)拋光盤轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)可控。并研究出一種先進(jìn)的加壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，給定合適的拋光壓力。實(shí)現(xiàn)拋 光壓力持續(xù)可調(diào)。并實(shí)現(xiàn)拋光盤轉(zhuǎn)速緩升穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速緩減的運(yùn)行模式。目的是預(yù)防工件 在加速、減速工況下破碎及平滑加工平面的實(shí)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(shè)計(jì)新穎，技術(shù)先進(jìn)，具有很高的性能價(jià)格比，采用機(jī)電一體化技術(shù)，適合 國情，符合國際發(fā)展動(dòng)態(tài)，但設(shè)計(jì)高自動(dòng)化、低成本的適合我國國情的金相試樣拋光機(jī)仍然面臨有 待攻克的難題，提高各項(xiàng)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)仍是今后拋光機(jī)設(shè)計(jì)需解決的主要內(nèi)容。 關(guān)鍵詞:金相試樣拋光機(jī);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(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告
青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院
本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告
題 目： 一種新型金相試樣拋光機(jī)的設(shè)計(jì)
姓 名： 張?jiān)诮?
學(xué) 院： 海都學(xué)院
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級(jí)： 2006.02
學(xué) 號(hào)： 020060574
指導(dǎo)教師： 劉玉高
一、選題依據(jù)(擬開展研究項(xiàng)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(chǔ)，它可以直接反映出人類文明的程度。金屬材料的力學(xué)性能不僅與它的化學(xué)成分有關(guān)，也與它的組織結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。了解它們之間的關(guān)系并掌握它們之間的變化規(guī)律，進(jìn)行正確的金相分析是有效使用材料所必需的。
要進(jìn)行金相分析，就必須制備能用于微觀觀察檢驗(yàn)的樣品—金相試樣。通常，金相試樣制備要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：取樣、鑲嵌、磨光(粗磨和細(xì)磨)和拋光。每項(xiàng)操作都必須嚴(yán)格細(xì)心因?yàn)槿魏坞A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(cuò)誤的結(jié)論。金相試樣的制備是通過切割機(jī)、鑲嵌機(jī)、磨/拋光機(jī)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(guān)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(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光以及復(fù)合拋光等。機(jī)械拋光是現(xiàn)階段應(yīng)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(jī)，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(jì)效益，獲得樣品質(zhì)量的高度一致性。另外，金相檢驗(yàn)是故障分析和質(zhì)量檢驗(yàn)過程中一個(gè)不可缺少的手段，有時(shí)甚至比電鏡手段還重要，應(yīng)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(dāng)造成的材料缺陷，以及使用中操作條件和環(huán)境的變化導(dǎo)致的損壞，都能通過金相檢驗(yàn)來識(shí)別。制備金相樣品是金相檢驗(yàn)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(dāng)，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(yàn)效果。但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，用微機(jī)控制的制取試樣的設(shè)備已經(jīng)問世，對(duì)各種材料有效制樣技術(shù)的數(shù)據(jù)庫己經(jīng)開始建立，用機(jī)械代替人工制樣已成為現(xiàn)實(shí)，而且制樣速度快，質(zhì)量高。
本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)在現(xiàn)有拋光機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)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(shè)計(jì)的概況綜述(在充分收集研究主題相關(guān)資料的基礎(chǔ)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(diǎn)，附主要參考文獻(xiàn))
2.1國外拋光機(jī)的性能與特點(diǎn)
(l)丹麥Struers公司研制的Abrapol-10型高科技自動(dòng)化立地式金相拋光機(jī)。試樣可以不經(jīng)鑲嵌裝在特殊夾具上，夾具由另一電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，其轉(zhuǎn)動(dòng)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(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)定拋光時(shí)間后，夾具自動(dòng)抬起并停止。夾具的特點(diǎn)是能適應(yīng)各種形狀的試樣。對(duì)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(gè)線材試樣，對(duì)于較大試樣每個(gè)夾具可以裝6塊。夾具上試樣孔的設(shè)計(jì)是使樣品與夾具及固定螺釘始終保持三點(diǎn)接觸。如果兩個(gè)人使用3臺(tái)這種設(shè)備，1小時(shí)可制備6至8個(gè)夾具試樣，實(shí)際上每個(gè)夾具試樣在3臺(tái)設(shè)備上的總有效時(shí)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(dá)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(dòng)拋光機(jī)從粗拋到最后精拋整個(gè)過程全自動(dòng)完成，可以設(shè)置50個(gè)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(gè)過程的每個(gè)工序之間都進(jìn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)，拋光臂上的壓力可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，最大可達(dá)20N。在預(yù)定的拋光時(shí)間內(nèi)，此壓力將逐漸自動(dòng)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(jī)的性能與特點(diǎn)
(1)上海長方光學(xué)有限公司生產(chǎn)的PG-1型金相拋光機(jī)配備0.2kw電機(jī)，拋光盤直徑為220mm，拋光速度可定制為900r/min～1400r/min。PG-l拋光機(jī)是采集多方面使用人員的意見和要求設(shè)計(jì)而成的，它具有傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音小，操作、維修方便等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)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(cè)控科學(xué)器材有限公司研制的GPV型金相變頻調(diào)速拋光機(jī)采用無級(jí)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(shí)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(shí)需要選擇合適的速度，得到最佳的效果。該機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能在很短的時(shí)間內(nèi)，達(dá)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(jī)的狀況，國內(nèi)研發(fā)的拋光機(jī)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(jī)多數(shù)機(jī)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(huì)繼續(xù)增厚形變擾動(dòng)層，對(duì)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(yīng)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(dòng)拋光機(jī)，能夠自動(dòng)控制冷卻液的流量，整個(gè)操作過程采用全自動(dòng)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(jī)，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(shù)的因素主要有以下幾個(gè)方面：
（1）我國目前還沒有金相試樣拋光機(jī)國家標(biāo)準(zhǔn)，金相試樣拋光機(jī)作業(yè)質(zhì)量的測(cè)試指標(biāo)以及測(cè)試條件，各個(gè)生產(chǎn)研制單位大多是根據(jù)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)金相試樣拋光進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)，判定標(biāo)準(zhǔn)不一，影響了新機(jī)型的開發(fā)研制。
（2）缺乏懂金相知識(shí)與機(jī)械設(shè)計(jì)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(shè)備的研究和開發(fā)的難度。
（3）冶金、機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)、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(xué)等性能不一使拋光機(jī)在試驗(yàn)參數(shù)測(cè)定、確定最佳性能指標(biāo)等方面有很大難度。
（4）金相試樣拋光的機(jī)制研究和系統(tǒng)的理論欠缺，研究手段相對(duì)落后。我國金相試樣拋光機(jī)的設(shè)計(jì)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(duì)金相試樣拋光機(jī)各種性能的要求, 提高制樣質(zhì)量和自動(dòng)化程度，同時(shí)應(yīng)考慮到金相工作者不同知識(shí)層次的需要,，使設(shè)備力求操作簡(jiǎn)單，安全可靠，而且應(yīng)考慮盡量降低成本，提高性能價(jià)格比，使金相試樣拋光機(jī)在各種規(guī)模、各種類型的企業(yè)實(shí)驗(yàn)室得到應(yīng)用和普及，促進(jìn)我國金相事業(yè)的發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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[3]陸長明. 基于DSP的超精密拋光機(jī)模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì). 2005年機(jī)電一體化論壇，2005，22（12）：11-13
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三、研究方案(研究?jī)?nèi)容、目標(biāo)、研究方法、技術(shù)路線、擬解決的問題、特色或創(chuàng)新點(diǎn)等)
本課題設(shè)計(jì)一臺(tái)在現(xiàn)有拋光機(jī)的基礎(chǔ)上對(duì)其機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)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(jī)。
拋光按其原理可以分為機(jī)械拋光，電解拋光，化學(xué)拋光，以及復(fù)合拋光。
(1)機(jī)械拋光
機(jī)械拋光是現(xiàn)階段應(yīng)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(duì)難以用機(jī)械方法拋光的金屬試樣進(jìn)行拋光的重要手段，它可以克服金屬干擾層和機(jī)械巒晶假象等問題，對(duì)于用極低負(fù)荷的顯微硬度實(shí)驗(yàn)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(jìn)行相當(dāng)數(shù)量的試驗(yàn)工作來確定電解拋光規(guī)范。
(3)化學(xué)拋光
化學(xué)拋光是完全依靠化學(xué)藥劑的腐蝕作用而得到光亮的拋光表面。這種方法操作簡(jiǎn)便，不需要復(fù)雜的機(jī)械和電解設(shè)備，只需要選擇適合的化學(xué)拋光液和試驗(yàn)最佳拋光規(guī)范。化學(xué)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(dá)到十分平整的要求。
而金相試樣拋光機(jī)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求有:精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠,具有良好的伺服性能。面對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則要求:轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，以減小機(jī)械負(fù)載，避免對(duì)系統(tǒng)造成不良影響；剛度大，有利于減小動(dòng)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(duì)所需的機(jī)械系統(tǒng)采用以下方案：
a. 設(shè)計(jì)動(dòng)力頭。 因?yàn)樵趻伖膺^程中需要及時(shí)變換工件的運(yùn)動(dòng)方向,使拋光紋路復(fù)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(dòng)力頭是拋光設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵,要設(shè)計(jì)出能帶動(dòng)夾具上升和下降；按設(shè)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(dòng)夾具旋轉(zhuǎn);拋光一定時(shí)間后能自動(dòng)降低夾具上的彈性力的動(dòng)力頭。
b.設(shè)計(jì)夾具。 金相試樣拋光機(jī)機(jī)械制樣采用夾具夾持試樣,夾具帶動(dòng)試樣與磨盤相對(duì)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(fù)雜系統(tǒng)控制問題時(shí)，傳統(tǒng)控制方法對(duì)于復(fù)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(yīng)不同技術(shù)領(lǐng)域和社會(huì)發(fā)展對(duì)控制科學(xué)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(shí)，將傳統(tǒng)控制理論與模糊邏輯、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等人工智能技術(shù)結(jié)合起來，充分利用人的控制知識(shí)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行智能化控制，逐漸形成拋光機(jī)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(diǎn)是拋光時(shí)產(chǎn)生高溫，會(huì)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(shí)必須進(jìn)行充分冷卻。
四、進(jìn)程計(jì)劃(各研究環(huán)節(jié)的時(shí)間安排、實(shí)施進(jìn)度、完成程度等)
1. 檢索國內(nèi)外的資料，在認(rèn)真分析的基礎(chǔ)上確定合理方案，繪出草圖，完成開題報(bào)告：（5.1－5.6）
2.完成機(jī)械的總體設(shè)計(jì)：（5.6－5.16）
3.完成傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)分析和主要零部件的設(shè)計(jì)計(jì)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(shè)計(jì)說明書，完成畢業(yè)論文：（6.2－6.10）
五、導(dǎo)師評(píng)語
指導(dǎo)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(xué)院意見
負(fù)責(zé)人簽字： 200 年 月 日
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青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
1 緒論
1.1設(shè)計(jì)的目的和意義
材料是人類生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，它可以直接反映出人類文明的程度。金屬材料的力學(xué)性能不僅與它的化學(xué)成分有關(guān)，也與它的組織結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系。了解它們之間的關(guān)系并掌握它們之間的變化規(guī)律，進(jìn)行正確的金相分析是有效使用材料所必需的。
要進(jìn)行金相分析，就必須制備能用于微觀觀察檢驗(yàn)的樣品—金相試樣。通常，金相試樣制備要經(jīng)過以下幾個(gè)步驟：取樣、鑲嵌、磨光(粗磨和細(xì)磨)和拋光。每項(xiàng)操作都必須嚴(yán)格細(xì)心因?yàn)槿魏坞A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(cuò)誤的結(jié)論。金相試樣的制備是通過切割機(jī)、鑲嵌機(jī)、磨/拋光機(jī)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(guān)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(jī)械拋光、電解拋光、化學(xué)拋光以及復(fù)合拋光等。機(jī)械拋光是現(xiàn)階段應(yīng)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(jī)，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(jì)效益，獲得樣品質(zhì)量的高度一致性。
1.2金相試樣拋光機(jī)的國內(nèi)外研究狀況
1.2.1國外拋光機(jī)的性能與特點(diǎn)
目前，國外生產(chǎn)金相設(shè)備的廠家主要有丹麥的struers公司和美國的buehler公司．拋光機(jī)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(dòng)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(yīng)不同的操作環(huán)境。這些系統(tǒng)一般由一個(gè)或幾個(gè)制備單元組成，每個(gè)單元包括研磨平臺(tái)、清潔平臺(tái)、干燥平臺(tái)，可以高效快速的完成制備任務(wù)。buehler公司的產(chǎn)品從研磨到最后拋光整個(gè)過程全自動(dòng)完成，可以設(shè)置50個(gè)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(gè)過程的每個(gè)工序之間都進(jìn)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(dòng)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(jià)格昂貴，每臺(tái)價(jià)值均在10000美元以上，耗資巨大且配件消耗和材料仍需進(jìn)口，不適合我國國情。
1.2.2國內(nèi)拋光機(jī)的性能與特點(diǎn)
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(jī)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(huì)繼續(xù)增厚形變擾動(dòng)層，對(duì)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(yīng)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(shí)，試樣在拋光過程中應(yīng)不斷旋轉(zhuǎn)，盡量縮短拋光時(shí)間。而拋光鋁制試樣時(shí)，需采用較輕的壓力和適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速(400r／min)方可保證不出現(xiàn)變形層{有的機(jī)型則采取變頻無級(jí)變速1000r／min～50r／min，轉(zhuǎn)速數(shù)字顯示，但拋光為手動(dòng)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(zhǔn)確性和再現(xiàn)性均不易保證。如南京測(cè)控科學(xué)器材設(shè)各有限公司的變頻調(diào)速拋光機(jī)，上海金相機(jī)械設(shè)備有限公司PW-I金相試樣拋光機(jī)。
1.2.3討論
縱觀國內(nèi)外拋光機(jī)的狀況，國內(nèi)研發(fā)的拋光機(jī)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(jī)多數(shù)機(jī)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(huì)繼續(xù)增厚形變擾動(dòng)層，對(duì)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(yīng)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(dòng)拋光機(jī)，能夠自動(dòng)控制冷卻液的流量，整個(gè)操作過程采用全自動(dòng)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(jī)設(shè)計(jì)思想及方案確定
2.1設(shè)計(jì)要求
金相試樣拋光機(jī)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的要求有：精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠，具有良好的伺服性能。面對(duì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)則要求：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，以減小機(jī)械負(fù)載，避免對(duì)系統(tǒng)造成不良影響；剛度大，有利于減小動(dòng)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(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的要求有：能對(duì)壓力進(jìn)行控制。因?yàn)樵嚇訏伖膺^程要求動(dòng)力頭能帶動(dòng)夾具上升和下降．實(shí)現(xiàn)壓力增大和減?。荒軌虬丛O(shè)定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力；磨拋一定時(shí)間后能自動(dòng)降低夾具上的彈性力。能對(duì)時(shí)間進(jìn)行控制。拋光時(shí)間過長，試樣質(zhì)量無法保證，時(shí)間過短達(dá)不到拋光質(zhì)量。能對(duì)拋光速度控制。對(duì)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(shí)組織。
2.2金相試樣拋光機(jī)整體方案的確定
2.2.1金相試樣拋光機(jī)類型分析
拋光按其原理可以分為機(jī)械拋光，電解拋光，化學(xué)拋光，以及復(fù)合拋光。
(1)機(jī)械拋光
機(jī)械拋光是現(xiàn)階段應(yīng)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(duì)難以用機(jī)械方法拋光的金屬試樣進(jìn)行拋光的重要手段，它可以克服金屬干擾層和機(jī)械巒晶假象等問題，對(duì)于用極低負(fù)荷的顯微硬度實(shí)驗(yàn)的樣品或透射電鏡的薄膜試樣特別有用。但每種金屬和臺(tái)金所使用的拋光液和電解規(guī)范不同，因此需要進(jìn)行相當(dāng)數(shù)量的試驗(yàn)工作來確定電解拋光規(guī)范。
(3)化學(xué)拋光
化學(xué)拋光是完全依靠化學(xué)藥劑的腐蝕作用而得到光亮的拋光表面。這種方法操作簡(jiǎn)便，不需要復(fù)雜的機(jī)械和電解設(shè)備，只需要選擇適合的化學(xué)拋光液和試驗(yàn)最佳拋光規(guī)范?；瘜W(xué)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(dá)到十分平整的要求。
綜合考慮各種拋光的優(yōu)缺點(diǎn)，本系統(tǒng)采用機(jī)械拋光。
2.2.2金相試樣拋光機(jī)方案比較
第一種設(shè)計(jì)方案：自動(dòng)減加壓機(jī)械裝置的設(shè)計(jì)，利用步進(jìn)電機(jī)作為此裝置的動(dòng)力源，通過一個(gè)比例為1:1的齒輪箱與動(dòng)力頭相接。動(dòng)力頭采用滾珠螺旋傳動(dòng)，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(dǎo)向輔助件構(gòu)成閉合回路，以備滾珠連續(xù)循環(huán)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固定在其上的螺母旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿下移，按設(shè)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(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加壓。當(dāng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)螺桿上移，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的減壓。
拋光裝置的設(shè)計(jì)，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的目的是實(shí)現(xiàn)拋光的完全自動(dòng)化，所以選擇直流伺服電機(jī)作為拋光盤的動(dòng)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(jī)速度一般比較快，所以利用V帶傳動(dòng)，以達(dá)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(hào)處理器 DSP 采樣位置傳感器信號(hào),獲得當(dāng)前位置信息 ,從而得到電機(jī)的當(dāng)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(jì)算推理后 ,輸出 PWM脈沖信號(hào) ,經(jīng)功率放大后 ,對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行控制。
第二種設(shè)計(jì)方案：直接用步進(jìn)電機(jī)與一個(gè)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(dòng)。當(dāng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，絲杠帶動(dòng)絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，只能向下運(yùn)動(dòng)壓縮彈簧，使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加壓。當(dāng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)螺母上移，不再壓縮彈簧，主軸上移，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的減壓。
拋光裝置的設(shè)計(jì)，直接用電機(jī)帶動(dòng)拋光盤轉(zhuǎn)動(dòng)。
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(gòu)形式，但基本原理基本一致，即運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)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(guān)信息作為知識(shí)存入計(jì)算機(jī)的知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以達(dá)到自動(dòng)控制的目的。
2.2.3 綜合考慮選出最佳設(shè)計(jì)方案
參考各種形式的拋光機(jī)，為滿足設(shè)計(jì)要求本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)定為機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)械部分是采用步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，通過一個(gè)比例為1:1的齒輪箱與動(dòng)力頭相接。動(dòng)力頭采用滾珠螺旋傳動(dòng)，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固定在其上的螺母旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿下移，按設(shè)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(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加壓。當(dāng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)螺桿上移，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)壓，調(diào)速和對(duì)加工時(shí)間控制的目的。
3金相試樣拋光機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)要求精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、工作可靠，具有良好的伺服性能。金相試樣拋光機(jī)機(jī)械制樣是采用夾具夾持試樣，夾具帶動(dòng)試樣與磨盤相對(duì)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(jī)械部分主要包括動(dòng)力頭、夾持盤、拋光盤、主體和外觀設(shè)計(jì)。
3.1動(dòng)力頭的設(shè)計(jì)
在試樣拋光時(shí)，拋光運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)能保證工件加工表面和拋具表面上各點(diǎn)均有相同或相近的被切削條件和切削條件。對(duì)拋光運(yùn)動(dòng)軌跡的基本要求如下：
工件相對(duì)拋光盤作平面平行運(yùn)動(dòng)，能使工件上各點(diǎn)具有相同或相近的拋光行程。
工件上任一點(diǎn)，盡量不出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的周期性重復(fù)。
拋光運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，避免曲率過大的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角。
保證工件走遍整個(gè)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(shí)變換工件的運(yùn)動(dòng)方向．使拋光紋路復(fù)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(dòng)力頭示意圖
因此動(dòng)力頭是拋光機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵，動(dòng)作要求：帶動(dòng)夾具上升和F降；按設(shè)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(dòng)夾具旋轉(zhuǎn)；磨拋一定時(shí)間后能自動(dòng)降低夾具上的彈性力。具體的設(shè)計(jì)如圖3-1所示：電機(jī)通過連軸器安裝在齒輪箱上，齒輪箱內(nèi)兩個(gè)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(dòng)上下移動(dòng)從而達(dá)到增壓減壓的效果。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)固定在其上的螺母旋轉(zhuǎn)，從而使螺桿下移，按設(shè)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(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加壓。當(dāng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)螺桿上移，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的減壓。使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，當(dāng)達(dá)到指定位置時(shí)，輸出一個(gè)信號(hào)，使主軸上的壓力得到保持。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置時(shí)間的2/3時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，在脈沖信號(hào)作用下，每隔一定時(shí)間，壓力釋放一次，螺桿緩慢向上移動(dòng)，逐步釋放主軸上的彈性力，當(dāng)壓力低于20牛頓時(shí)停止釋放，并一直保持到設(shè)定時(shí)間到達(dá)，拋光機(jī)動(dòng)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(gè)信號(hào)使絲杠連續(xù)上升，到達(dá)上限后切斷電源停止運(yùn)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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