一種新型金相試樣拋光機(jī)的設(shè)計

1、青島農(nóng)業(yè)大學(xué)海都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論1.1設(shè)計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(xì)磨)和拋光。每項操作都必須嚴(yán)格細(xì)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(jī)、鑲嵌機(jī)、磨/拋

2、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

3、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)性自動控制系統(tǒng)。它的主募研磨拋光產(chǎn)品有MAPS、AbraPol10、AbraPlani0、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(wù)。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(shè)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(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

4、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(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(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，試樣

5、在拋光過程中應(yīng)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(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速(400rmin)方可保證不出現(xiàn)變形層有的機(jī)型則采取變頻無級變速1000rmin50rmin，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(zhǔn)確性和再現(xiàn)性均不易保證。如南京測控科學(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

6、，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(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拋光機(jī)，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(jī)設(shè)計思想及方案確定2.1設(shè)計要求金相試樣拋光機(jī)對機(jī)械設(shè)計的要求有：精度高、運(yùn)行平穩(wěn)、工作可靠，具有良好的伺服性能。面對傳動機(jī)構(gòu)則要求：轉(zhuǎn)動慣量小，以減小機(jī)械負(fù)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

7、統(tǒng)的穩(wěn)定性；阻尼合適。金相試樣拋光機(jī)對控制系統(tǒng)的要求有：能對壓力進(jìn)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(shí)現(xiàn)壓力增大和減小；能夠按設(shè)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(jìn)行控制。拋光時間過長，試樣質(zhì)量無法保證，時間過短達(dá)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(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

8、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(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，對于用極低負(fù)荷的顯微硬度實(shí)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(jìn)行相當(dāng)數(shù)量的試驗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。綜合考慮各種

9、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)計方案：自動減加壓機(jī)械裝置的設(shè)計，利用步進(jìn)電機(jī)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(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(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)動夾具旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對工件的加壓。當(dāng)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)時，帶動螺桿上移，實(shí)現(xiàn)對工件的減壓。拋光裝置的設(shè)計，因為本次設(shè)計的目的是實(shí)

10、現(xiàn)拋光的完全自動化，所以選擇直流伺服電機(jī)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(jī)速度一般比較快，所以利用V帶傳動，以達(dá)到減速的目的?？刂葡到y(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(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)模糊控制器計算推理后 ,輸出 PWM脈沖信號 ,經(jīng)功率放大后 ,對直流電機(jī)進(jìn)行控制。第二種設(shè)計方案：直接用步進(jìn)電機(jī)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(dāng)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動時，絲杠帶動絲杠螺母轉(zhuǎn)動，只能向下運(yùn)動壓

11、縮彈簧，使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，實(shí)現(xiàn)對工件的加壓。當(dāng)電機(jī)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(shí)現(xiàn)對工件的減壓。拋光裝置的設(shè)計，直接用電機(jī)帶動拋光盤轉(zhuǎn)動?？刂葡到y(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)信息作為知識存入計算機(jī)的知識庫中，然后計算機(jī)根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況運(yùn)用模糊推理，即可自動實(shí)現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調(diào)整，以達(dá)到自動控制的目的。2.2.3 綜合考慮選出最佳設(shè)計方案參考各種形式的拋光機(jī)，為滿足設(shè)計要求本次設(shè)計的系統(tǒng)定為機(jī)電一體化系統(tǒng)。機(jī)械

12、部分是采用步進(jìn)電機(jī)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(dāng)步進(jìn)電機(jī)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(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)動夾具旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對工件的加壓。當(dāng)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)時，帶動螺桿上移，實(shí)現(xiàn)對工件的減壓?？刂撇糠植捎肞ID模糊控制系統(tǒng)：利用此系統(tǒng)實(shí)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(jī)機(jī)械設(shè)計機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)要求精度高、運(yùn)動平穩(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

13、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)械部分主要包括動力頭、夾持盤、拋光盤、主體和外觀設(shè)計。3.1動力頭的設(shè)計在試樣拋光時，拋光運(yùn)動軌跡應(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。對拋光運(yùn)動軌跡的基本要求如下：工件相對拋光盤作平面平行運(yùn)動，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)動軌跡的周期性重復(fù)。拋光運(yùn)動平穩(wěn)，避免曲率過大的運(yùn)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(yùn)動方向使拋光紋路復(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動力頭示意圖因此動力頭

14、是拋光機(jī)設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵，動作要求：帶動夾具上升和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(shè)計如圖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(dá)到增壓減壓的效果。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)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(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)對工件的加壓。當(dāng)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)時，帶動螺桿上移，實(shí)現(xiàn)對工件的減壓。使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，當(dāng)達(dá)到指定位置時，輸出一個信號，使主

15、軸上的壓力得到保持。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)置時間的2/3時，電機(jī)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(dāng)壓力低于20牛頓時停止釋放，并一直保持到設(shè)定時間到達(dá)，拋光機(jī)動力頭產(chǎn)生的壓力曲線如圖32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(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ttttt，這是由于壓力鐵釋放時間是要受壓力P的影響，壓力與絲杠的位移量有關(guān)，齒輪將絲杠的位移量傳遞給傳感器，傳感器將位移量轉(zhuǎn)變成電磁鐵釋放的電信號，所以在壓力大時釋放時間短，壓力小時釋放時間間隔長。這樣則使試樣在所

16、限制時間內(nèi)有效地保持了試樣在拋光盤內(nèi)摩擦，動力頭釋放壓力為1/5slr/86mm/r2/3100N/mm=5N，釋放壓力最小間隔為10秒鐘。32加、減壓機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計加減壓機(jī)構(gòu)是拋光機(jī)機(jī)體的關(guān)鍵組成部分，對拋光機(jī)的性能有很大影響。加減壓回路機(jī)械結(jié)構(gòu)的工作原理為：步進(jìn)電機(jī)通過法蘭安裝在套筒上電機(jī)軸上安裝一個帶有內(nèi)花鍵的絲杠與主軸通過花鍵連接，使主軸能上下移動。絲杠螺母銑出沿直徑方向的鍵槽。通常有一控制桿插入鍵槽內(nèi)當(dāng)步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動時絲杠螺母向下運(yùn)動壓縮彈簧，當(dāng)達(dá)到指定位置時，輸出一信號，使電磁鐵將控制桿從鍵槽中拉出，使絲杠螺母失去限制，隨絲杠一起轉(zhuǎn)動。在絲杠螺母與動力頭之間裝有彈簧以實(shí)現(xiàn)彈性力

17、的加載。彈簧服從虎克定律，即它受到的壓力與壓縮重為線性關(guān)系，因此壓力的測量可以轉(zhuǎn)化為位移的測量，位移的大小與電機(jī)的轉(zhuǎn)速和壓縮時間有關(guān)，在電機(jī)轉(zhuǎn)速給定的情況下，位移與時間里正比，可通過測量時間達(dá)到位移的測量。其理論計算如下：式中: f(x)=kx； （3-1）t=f(x)/n.s.k ( 3-2)Z步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù);N運(yùn)行拍數(shù);N電機(jī)的轉(zhuǎn)速;S絲杠的螺距;T電機(jī)反方向轉(zhuǎn)動的時間;f(x)拋光時所設(shè)定的壓力;由M= ; Q=mf 得 t=;因為M與f的乘積Q可由軟件得出，Q和f(x) 是程序求解t時的兩個輸入值，程序?qū)⑶蟪龅膖送入微處理器處理，就可以控制拋光機(jī)的壓力。3.3齒輪箱的設(shè)計3.3.1齒

18、輪設(shè)計摩擦力與步進(jìn)電機(jī)所受力相等即：F=F=100N P= =0.52W在齒輪設(shè)計中，小齒輪的轉(zhuǎn)矩為 T= T=82.8Nmm轉(zhuǎn)動速度n=60r/min按設(shè)計選用直齒圓柱齒輪傳動。精度等級：由表10-8 （該節(jié)中所指的表均指機(jī)械設(shè)計一書中的表）選6級精度因齒輪要求較低，受力很小。所以材料選擇為塑膠：主動齒輪、從動齒輪都用，選用兩齒輪都為Z1 =29,Z2 = iZ1 =129 =29計算如下：關(guān)于主軸傳動齒輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度計算（1）初步計算：轉(zhuǎn)矩:TI=82.8Nmm=0.0828Nm齒寬系數(shù):d 由表10-7 取d1.0接觸疲勞極限：Hlim可取 Hlim1=50MPa Hlim2=110

19、MPa初步計算的許用接觸應(yīng)力:H1=0.9Hlim1=0.9110=99Mpa 初步計算的小齒輪直徑：d5.81 （3-3）其中u=I=1,載荷系數(shù)K=1.3,材料的彈性影響系數(shù)Z=189.8MPa,所以，d=5.81=54mm結(jié)合齒輪箱的結(jié)構(gòu)取d154mm 初取齒寬：b=50mm（2）校核計算：圓周速度: (3-4)齒數(shù)Z和模數(shù)m: 模數(shù) 取m=2則 Z2= iZ1=29使用系數(shù)KA: 由表10-2取KA1.5動載系數(shù)KV: 由圖10-8取KV1.1齒間載荷分配系數(shù)KH: 先求端面重合度： (3-5) 重合度系數(shù): Z=1.49由此得： 齒間載荷分布系數(shù)KH: 由表10-4（非對稱支撐）=1

20、.265載荷系數(shù): K=KAKVKHKH=1.51.11.811.265=3.78彈性系數(shù)ZE 由表10-6查得材料的彈性影響系數(shù) 取ZE189.8節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù)ZH: 由圖10-30 可取ZH2.5總工作時間： th=10300820%=4800h應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL: 估計：107NL109則指數(shù)：m=8.78 NL1 = NV1 = 60ithi(Ti/Tmax) (3-6) =6016314800(18.780.2+0.58.780.5+0.28.780.3) =3.65107接觸壽命系數(shù)KHN:由圖10-19可取KHN1=1.13 KHN2=1.18許用接觸應(yīng)力H：接觸最小安全系數(shù)S: 取

21、失效概率為1%，安全系數(shù)取S1.05由式（10-12）得 H1 = = =764 Mpa (3-7) H2 = = =798 MPa (3-8)驗算： H=ZEZHZ (3-9)32.55MPa計算結(jié)果表明,接觸疲勞強(qiáng)度較為適合，齒輪齒寸無需調(diào)整。（3）齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗算：重合度系數(shù)Y：齒間載荷分配系數(shù)KF: 由表12.10 KF = = = 1.49齒向載荷分布系數(shù)KF:=7.4由表10-3 KF=1.25載荷系數(shù) K:K=KA KVKFKF=1.51.11.491.25=3.07齒形系數(shù)YF: 由表10-5 YF1=2.62 YF2=2.62應(yīng)力校正系數(shù)YSa: 由表10-5 Ysa1=

22、1.59 Ysa2=1.59彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE: 由圖10-20cFE1= 380 Mpa FE2= 380 MPa彎曲最小安全系數(shù)S:取 S1.25應(yīng)力循環(huán)次數(shù)NL: 估計3106NL1010則指數(shù)m=49.91 NL1= NV= (3-10) = 6013004800(149.910.2+0.549.910.5+0.249.910.3)= 3.63107原估計應(yīng)力循環(huán)次數(shù)正確。彎曲疲勞壽命系數(shù)KFN: 由圖10-18 KFN1=0.90 KFN2=0.90許用彎曲應(yīng)力F: 驗算：F1= =0.39MpaF1F2 = = =0.39MPa傳動無過載，故不作靜強(qiáng)度校核。（4）確定傳動主要尺寸

23、：計算實(shí)際分度圓直徑d d1 = mZ1 = 229 =58 mmd2 = mZ2 = 229 =58 mm計算中心距a = = = 58 mm計算齒輪寬度b =bd1 = 158 = 58 mm由表10-3先求：Ft = = =3.1N = =0.1 N/mm 100 N/mm合適3.3.2 齒輪軸的設(shè)計（1）輸入功率 P = 0.52W 轉(zhuǎn)速 n = 60 r/min 轉(zhuǎn)矩 T = 82.8 Nmm（2）求作用在齒輪上的力齒輪1的分度圓直徑d = 58 mm Ft = = = 2.9 N （3-11）Fr = Fttan20=2.9tan20=1.06 N（3）初步確定軸的最小直徑選軸的材

24、料為45#鋼，調(diào)質(zhì)處理，取A= 112d A =10 1.5112 =4.3 mm (3-12)取為d= 10 mm（4）軸的機(jī)構(gòu)設(shè)計1）根據(jù)軸向定位的要求確定軸的各段直徑和長度 3-3齒輪軸簡圖齒輪軸材料45鋼，調(diào)質(zhì)處理L1處為軸的最小直徑處，為10mm，L1 =45 mmL2 L3處安放軸承，初選為d2 = 20 mm2）軸承選擇及校核L2 L3處軸承初選為滾動軸承，因軸承只受徑向力，故選用深溝球軸承，初步選定軸承6206 GB/T 276-1994尺寸 dDB = 20 mm 42 mm 10 mm基本額定載荷 Cr =19.5 kN軸承校核主動齒輪軸受力情況如圖3-2。3-4 主動齒輪

25、軸受力情況根據(jù)受力分析和受力圖可以得出軸承的徑向力為F = = = 3.09 NF= = = 5.75 NF= F- F = 5.75 3.09 =2.66 N因軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)中有中等沖擊載荷，又由于不受軸向力，按機(jī)械設(shè)計表10-5查得為1.2到1.8，取，則有： N N軸承的壽命 因為，所以按軸承1的受力大小計算： h (3-13)故該軸承能滿足要求。在此裝備中齒輪潤滑用塑料潤滑劑，其軸采用潤滑油潤滑。3.3.3絲桿的設(shè)計本次設(shè)計選擇的絲杠為梯形螺紋，作為傳導(dǎo)螺旋，它以導(dǎo)向為主承受較小的軸向載荷。又因為齒輪分度圓為58mm,取直徑為24mm。則所設(shè)計的螺母在齒輪中的寬度為24，直徑為13mm,為

26、保證齒輪在齒輪箱中的定位，規(guī)定其長為74mm。在傳導(dǎo)過成中，齒輪受力較小，絲杠所受力最大為100N，在傳動中滾珠與螺文牙相摩擦，而滾珠強(qiáng)度一般高于螺紋牙。所以，只要校核螺紋牙強(qiáng)度即可。 P=F/A=F/=100/（3.14）=0.11w，故滿足耐磨條件。式中 螺紋中徑（mm）h螺紋牙工作高度(mm)，梯形螺紋h=0.5Pz螺紋旋合圈數(shù)螺母螺紋牙的強(qiáng)度計算螺紋牙多發(fā)生剪切和擠壓破壞，一般螺母的材料強(qiáng)度低于螺桿，故只需校核螺母螺紋牙的強(qiáng)度?？辜羟袕?qiáng)度條件計算： (3-14)式中： b 螺紋牙根的厚度，單位為mm，對于矩形螺紋，b=0.5P，對于梯形螺紋，b=0.65P，對于30鋸齒形螺紋，b=0.

27、75P，P為螺紋距； l彎曲力臂，單位為mm 螺母材料的許用切應(yīng)力，單位為MPa 所以； 100=0.16=0.6 =0.6/35 為螺母算選材料的許應(yīng)力，單位為MPa 螺母所選材料的屈服極限，單位為MPa 查機(jī)械設(shè)計表5-8知，取=240 則 =28.8 所以：故滿足此條件抗彎曲強(qiáng)度計算： (3-15)L =0.772 = =1.12 =（1.01.2）=（1.01.2）/35所以：48 滿足條件適合。絲杠的穩(wěn)定性計算：在工作過程中，絲杠受到的軸向力F大于某一臨界值時，可能會突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，絲杠承受的軸向力F（單位為N）必須小于臨界載F。則絲杠的穩(wěn)定性條件

28、為： S= (3-16)式中：S絲杠穩(wěn)定性的計算安全系數(shù)。 S絲杠穩(wěn)定性安全系數(shù)，對于傳力螺旋，S=3.55：對于傳導(dǎo)螺旋，S=2.54.0；對于精密活水平的，S 4。 F為臨界載荷，單位為N;根據(jù)柔度值的大小選用不同的公式計算，=。在此處，為絲杠長度系數(shù)，見機(jī)械設(shè)計表5-14：l為絲杠長度，單位為mm：i為危險界面的慣性半徑，單位為mm；因截面半徑為圓A=，則i=。所以，臨界載荷F可按歐拉公式計算，即 F= (3-17)式中：E材料的拉壓彈性模量，單位為MPa , E=2.06MPa； I危險截面的慣性矩，I=,單位為mm。 當(dāng)40時，可以不必進(jìn)行穩(wěn)定性校核。 所以：=10.240 滿足條件

29、合適，穩(wěn)定條件較好。為保證絲杠運(yùn)行時精確度高，對其進(jìn)行剛度計算：絲杠在工作過程中受到軸向載荷力F和伺服電機(jī)的力矩M的作用，所以 ，變形量： =+式中E、G分別為與絲杠材料有關(guān)的彈性模量和切變模量，E=206 GPa,G=79.4GPa查機(jī)械設(shè)計師手冊表1-8得。因為動力頭作用在工件上的力最高被定位100牛，所以取最大值T=100=2330N 根據(jù)拋光機(jī)的選擇滾動螺旋傳動的標(biāo)準(zhǔn)，知，取得最大值為11.16故 =+=0.0004+0.011=0.0114 3.4 電機(jī)的計算選擇動力頭驅(qū)動電機(jī)的計算選擇本機(jī)對電機(jī)的要求：動力頭的動力源提供電機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，因為步進(jìn)電機(jī)是一種把脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成

30、正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。其轉(zhuǎn)速具有三個特點(diǎn)：（1）轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比；(2) 在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓,負(fù)載，環(huán)境條件的波動而變化；（3）速度可調(diào)，能夠快速起動，制動和反轉(zhuǎn)。同時，步進(jìn)電機(jī)還具有定位精度高，同步運(yùn)行特性好的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，繪圖機(jī)，衛(wèi)星天線，自動記錄儀及數(shù)一模轉(zhuǎn)換器等設(shè)備上。功率計算因為步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。因為步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：P=M = P= P= 所以求得： f=400s其P為功率單位為

31、瓦，為每秒角速度，單位為弧度，n=60r/min為每分鐘轉(zhuǎn)速，M為力矩單位為牛頓米，f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS)。首先要保證步進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率。而在選用功率步進(jìn)電機(jī)時，首先要計算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有一定的余量保證其運(yùn)行可靠。在實(shí)際工作過程中，各種頻率下的負(fù)載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內(nèi)。 一般地說最大靜力矩Mmax大的電機(jī)，負(fù)載力矩大。其次應(yīng)使步距角和機(jī)械系統(tǒng)匹配，這樣可以得到機(jī)床所需的脈沖當(dāng)量。在機(jī)械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當(dāng)量，一是可以改變絲桿的導(dǎo)程，二是可以通過步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動來完成。但細(xì)分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是

32、由電機(jī)的固有特性所決定。 最后還應(yīng)當(dāng)估算機(jī)械負(fù)載的負(fù)載慣量和機(jī)床要求的啟動頻率，使之與步進(jìn)電機(jī)的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機(jī)床快速移動的需要。 運(yùn)行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機(jī)的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率時，電機(jī)特性的輸出力矩應(yīng)能驅(qū)動負(fù)載，并留有足夠的余量。所以，查機(jī)械設(shè)計師手冊表31-61知，55BYG4電機(jī)參數(shù)如表3-1，選擇55BYG4電機(jī)可以滿足金相研磨拋光機(jī)的要求。表3-1 55BYG4電機(jī)參數(shù)表電壓相數(shù)靜態(tài)電流步距角保持轉(zhuǎn)矩空載起動頻率空載轉(zhuǎn)動頻率步距角誤差12V41.2A1.8/0.9360Nm400s2500s3.5

33、拋光盤動力源電機(jī)的計算選擇伺服電動機(jī)又稱執(zhí)行電動機(jī)，在自動控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，把所收到的電信號轉(zhuǎn)換成電動機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。分為直流和交流伺服電動機(jī)兩大類，其主要特點(diǎn)是，當(dāng)信號電壓為零時無自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速隨著轉(zhuǎn)矩的增加而勻速下降，伺服電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子是永磁鐵，驅(qū)動器控制的U/V/W三相電形成電磁場，轉(zhuǎn)子在此磁場的作用下轉(zhuǎn)動，同時電機(jī)自帶的編碼器反饋信號給驅(qū)動器，驅(qū)動器根據(jù)反饋值與目標(biāo)值進(jìn)行比較，調(diào)整轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的角度。伺服電機(jī)的精度決定于編碼器的精度（線數(shù)）。經(jīng)對現(xiàn)在市面上大量的金相拋光機(jī)拋光盤轉(zhuǎn)速調(diào)查，選擇直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速。選擇計算; 因動力頭對拋光盤產(chǎn)生的最大壓力是100牛，拋光盤摩

34、擦系數(shù)最大取=0.1所以，轉(zhuǎn)矩T=100110=1100N ，轉(zhuǎn)速參數(shù)n=300500r/min 由公式：T=，所以P=0.058kW，查機(jī)械設(shè)計師手冊表31-59，選擇90SZ51電機(jī)表3-4-1轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率電壓電流電樞電流勵磁 允許正反轉(zhuǎn)速差5200Nm1500r/min80W110V1.1A0.23A100r/min所以，電機(jī)和拋光盤之間采用三角橡膠帶傳送，傳送比為1：3，在主軸周圍設(shè)計了一個方形承槽，上端用防水擋板與外殼固定在一起，水槽底部安裝有排水管道，以排除拋光時的污水。3.6帶輪的計算選擇 電機(jī)和拋光盤之間用窄V帶傳動，電機(jī)P=80W,查表8-6的工作情況系數(shù)K=1.1,故 P=

35、 KP=88W根據(jù)P，n (電機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min)由圖8-9確定選擇Y型由表8-3和8-7取主動帶輪的基準(zhǔn)直徑為d=26mm.則從帶輪的基準(zhǔn)直徑d=i d=3=78mm 查表8-7，取d=80mm 確定V帶的基準(zhǔn)長度和傳動中心距： 根據(jù)0.7（d+ d）2（d+ d），初步確定中心距a=53mm 計算帶所需的基準(zhǔn)長度 L=2 a+（d+ d）+ (3-18) = 2=220mm查機(jī)械設(shè)計師手冊表8-1-29得L=200實(shí)際中心距aa= a+=(53+200-220)=33mm計算V帶的根數(shù)z Z= (3-19)由n=1500r/min, d=26mm,i=3,查機(jī)械設(shè)計師手冊 表8-1-

36、33得P=0.04kw,K=0.96 則Z= =2.06取Z=3根4夾具的設(shè)計 （a） (b) (c)4-1夾持盤夾具(夾持盤)在保證拋光質(zhì)量中起著十分重要的作用。夾持盤中試樣安裝槽是根據(jù)試樣形狀和尺寸設(shè)計，常規(guī)試樣以圓柱形，柱形和片狀為主，因此設(shè)計了3種形狀如圖4-1所示。圖a主要用于夾持長方形試樣，長70mm，厚20 mm。圖b主要用于裝卡圓試樣，試樣大小為6-24，數(shù)量可有39塊標(biāo)準(zhǔn)試樣。圖c主要用于夾持薄片狀試樣，每一夾板內(nèi)可以夾一組薄片狀試樣。不規(guī)則試樣，尺寸極小的試樣和帶滲層的試樣，由于占比例不大，可采用鑲嵌方法。為了使多塊試樣便于裝卡在同一平面上，設(shè)計了一個裝樣平臺，使試樣裝卡時

37、凸出試樣夾持盤平面3 mm，裝卡時選用了內(nèi)六角螺絲作為緊固螺釘，以防試樣在裝卡時松動。5金相試樣拋光機(jī)調(diào)速部分設(shè)計5.1顯示面板的設(shè)計 5-1輸入與顯示面板如圖5-1 所示，液晶顯示屏上實(shí)時顯示三個拋光參數(shù)：時間，壓力，轉(zhuǎn)速。其中，時間采用分鐘和秒顯示，中間以冒號隔開（前兩位為分鐘數(shù)，后兩位為秒數(shù)）；壓力和轉(zhuǎn)速分別采用3 位顯示（000999）。當(dāng)按下“參數(shù)設(shè)定”按鍵時，光標(biāo)將在參數(shù)部位（開始時光標(biāo)定位在時間的分鐘部位）閃爍，每按一次，閃爍光標(biāo)將移位一次。此時，可通過“+”或“-”按鍵調(diào)整各個參數(shù)值。這樣，就可以根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定不同的拋光參數(shù)。當(dāng)各參數(shù)設(shè)定完畢且正確后，按下“啟動”鍵，拋光過程

38、正式開始?！皰伖獗P轉(zhuǎn)向”按鍵可以方便拋光過程中對拋光盤進(jìn)行手動控制?！巴Ｖ埂辨I可以及時中止拋光，以便于處理拋光過程中出現(xiàn)的一些意外狀況和問題。5.2金相試樣拋光機(jī)控制系統(tǒng)整體框架設(shè)計思想 5-2控制系統(tǒng)整體設(shè)計圖該控制系統(tǒng)可分為按鍵輸入模塊、液晶顯示模塊、監(jiān)測系統(tǒng)模塊、拋光機(jī)驅(qū)動模塊。按鍵輸入作為人機(jī)交互的輸入端，操作人員可通過它來設(shè)置拋光時間、拋光盤轉(zhuǎn)速、拋光壓力。核心處理器對按鍵輸入的工作參數(shù)進(jìn)行處理后，通過拋光機(jī)驅(qū)動模塊來控制整個拋光過程。拋光機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)測、采集拋光機(jī)工作過程中的拋光壓力和拋光轉(zhuǎn)速等拋光參數(shù)，并將采集的參數(shù)及時傳遞MCU進(jìn)行分析。液晶顯示模塊作為人機(jī)交互的輸出端

39、，可實(shí)時顯示當(dāng)前的轉(zhuǎn)速、壓力和拋光剩余時間，方便了工作人員操作。所以，該控制系統(tǒng)主要用來實(shí)現(xiàn)拋光參數(shù)界面設(shè)置，按照設(shè)置的拋光參數(shù)自動完成拋光作業(yè)，并對拋光狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)視的功能。驅(qū)動系統(tǒng)控制動力頭上升和下降，由壓力監(jiān)測系統(tǒng)將壓力傳回MCU；拋光盤電機(jī)的轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速監(jiān)測系統(tǒng)傳回MCU，從而形成完整的閉環(huán)控制系統(tǒng)。5.3 伺服電機(jī)的調(diào)速研究調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動控制系統(tǒng)，本系統(tǒng)研究的是直流伺服電動機(jī)。其轉(zhuǎn)速和其他參量關(guān)系可表示為： N= （5-1）式中，N一一轉(zhuǎn)速，r/minU一一電樞電壓，VI電樞電流，AR電樞回路總電阻，Q勵磁磁通，WbK電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)由上式可以看出，可以有三種方法調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度：(1)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；(2)減弱勵磁磁通；(3)改變電樞回路電阻R；對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速。減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速。但調(diào)速范圍不大，往往只配和調(diào)壓方案，在基速以上做小范圍的升速。因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。5-3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖模擬調(diào)速系統(tǒng)一般是由2個閉環(huán)構(gòu)成的，既速度閉環(huán)和電流閉環(huán)，為使二者能夠相互協(xié)調(diào)、發(fā)揮作用，在系統(tǒng)中設(shè)置了2個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流。2個反饋閉