1、新型金相试样抛光机的设计目 录摘 要 .IABSTRACT .II1 绪论.11.1 设计的目的和意义 .11.2 金相试样抛光机的国内外研究状况 .11.2.1 国外抛光机的性能与特点 .11.2.2 国内抛光机的性能与特点 .21.2.3 讨论 .22 金相试样抛光机设计思想及方案确定 .42.1 设计要求 .42.2 金相试样抛光机整体方案的确定 .42.2.1 金相试样抛光机类型分析 .42.2.2 金相试样抛光机方案比较 .52.2.3 综合考虑选出最佳设计方案 .63 金相试样抛光机机械设计.73.1 动力头的设计 .73.2 加减压机构的机械设计 .93.3 齿轮箱的设计 .10
2、3.3.1 齿轮设计 .103.3.2. 齿轮轴的设计 .153.3.3 丝杠的设计 .173.4 电机的计算选择 .203.5 抛光盘动力源电机的计算选择 .213.6 带轮的计算选择 .224 夹具设计 .245 金相试样抛光机调速部分设计 .255.1 显示面板设计 .255.2 金相试样抛光机控制系统整体框架设计思想 .265.3 伺服电机的调速研究 .266 总结.29参考文献 .30致谢 .31I摘 要为了提高金相抛光机的加工效率，保证加工工件的平行度，本文在研究和分析了传统抛光机工艺的基础上，设计了电控系统和主轴调速系统。本文主要就抛光压力、抛光速度两个方面的关键技术作了详细的描
3、述。可实现抛光盘转速实时可控。并研究出一种先进的加压执行机构，该机构能使夹具上的压力灵活调整，从而系统可根据不同的试样调整加压机构，给定合适的抛光压力。实现抛光压力持续可调。并实现抛光盘转速缓升稳定运行转速缓减的运行模式。目的是预防工件在加速、减速工况下破碎及平滑加工平面的实现。尽量用软件来代替了硬件，降低了成本，使系统更加小巧轻便。该系统设计新颖，技术先进，具有很高的性能价格比，采用机电一体化技术，适合国情，符合国际发展动态，但设计高自动化、低成本的适合我国国情的金相试样抛光机仍然面临有待攻克的难题，提高各项技术和经济指标仍是今后抛光机设计需解决的主要内容。关键词:金相试样抛光机;电气控制;
4、抛光IIAbstractTO 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 w
5、ork 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
6、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 s
7、till the main contents in the Polishing machine designing. Keywords: Metallographic Sample Polishing Machine: electric control systems: Polish本科毕业设计（论文）31 绪论1.1 设计的目的和意义材 料 是 人 类 生 产 和 生 活 的 物 质 基 础 ， 它 可 以 直 接 反 映 出 人 类 文 明 的 程 度 。 金 属 材料 的 力 学 性 能 不 仅 与 它 的 化 学 成 分 有 关 ， 也 与 它 的 组 织 结 构 有 着 密 切 的
8、关 系 。 了 解 它们 之 间 的 关 系 并 掌 握 它 们 之 间 的 变 化 规 律 ， 进 行 正 确 的 金 相 分 析 是 有 效 使 用 材 料 所 必需 的 。 要 进 行 金 相 分 析 ， 就 必 须 制 备 能 用 于 微 观 观 察 检 验 的 样 品 金 相 试 样 。 通 常 ，金 相 试 样 制 备 要 经 过 以 下 几 个 步 骤 ： 取 样 、 镶 嵌 、 磨 光 (粗 磨 和 细 磨 )和 抛 光 。 每 项操 作 都 必 须 严 格 细 心 因 为 任 何 阶 段 的 失 误 都 可 能 影 响 以 后 的 步 骤 ， 在 极 端 的 情 况 下 ，不
9、 正 确 的 制 作 可 能 造 成 假 组 织 ， 从 而 得 出 错 误 的 结 论 。 金 相 试 样 的 制 备 是 通 过 切 割 机 、镶 嵌 机 、 磨 /抛 光 机 来 完 成 的 。金 相 试 样 的 最 终 质 量 是 由 抛 光 工 顺 序 决 定 的 ， 抛 光 是 金 相 制 取 试 样 过 程 中 至 关 重要 的 一 环 。 抛 光 是 将 试 样 上 磨 制 产 生 的 磨 痕 及 变 形 层 去 掉 ， 使 其 成 为 光 滑 镜 面 的 最 后工 序 。 抛 光 试 样 的 方 法 有 机 械 抛 光 、 电 解 抛 光 、 化 学 抛 光 以 及 复 合
10、抛 光 等 。 机 械 抛光 是 现 阶 段 应 用 最 为 广 泛 的 抛 光 方 法 ， 其 正 确 的 工 艺 和 操 作 方 法 是 在 保 证 获 得 优 质 的试 样 和 其 他 条 件 (如 边 缘 保 留 及 石 墨 和 夹 杂 物 保 留 等 )的 情 况 下 具 有 最 高 的 抛 光 速 率选 择 可 靠 性 高 的 金 相 试 样 抛 光 机 ， 可 以 提 高 制 样 效 率 和 质 量 ， 减 少 试 样 废 品 率 ， 从 而降 低 成 本 ， 提 高 经 济 效 益 ， 获 得 样 品 质 量 的 高 度 一 致 性 。1.2 金相试样抛光机的国内外研究状况1.
11、2.1国外抛光机的性能与特点目前，国外生产金相设备的厂家主要有丹麦的struers公司和美国的buehler公司抛光机是他们的主要产品之一。struers公司为金相制备和分析提供了一种全新的高本科毕业设计（论文）4效、高再现性自动控制系统。它的主募研磨抛光产品有MAPS、AbraPol10、AbraPlani0、Abramin辞。不同的系统可以适应不同的操作环境。这些系统一般由一个或几个制备单元组成，每个单元包括研磨平台、清洁平台、干燥平台，可以高效快速的完成制备任务。buehler公司的产品从研磨到最后抛光整个过程全自动完成，可以设置50个常用工作程序，操作界面友好， 彩色液晶显示，触摸式操
12、作，整个过程的每个工序之间都进行夹持器和样品的清洗与烘干，充分保证了样品制备的高效与高质性，操作过程的全自动化模式，节省了人工并有效的提高了效率与质量。上述两家公司的产品价格昂贵，每台价值均在10000美元以上，耗资巨大且配件消耗和材料仍需进口，不适合我国国情。1.2.2国内抛光机的性能与特点国内目前其它厂家的产品多为手工操作，生产效率低、安全性差。多数机型的抛光盘为单盘或双盘，有水龙头，但冷却条件差，由于冷却条件差，试样表面易发热变灰暗，而且会继续增厚形变扰动层，对快速抛光好试样带来麻烦；抛光盘转速固定不变。而金相试样制各过程不允许组织变形，软相(石墨)脱落，硬相(碳化物)浮雕抛光后试样表面
13、应光亮如镜，无磨痕，为此不同性质的材料，需采取不同措施。如：抛光铸铁试样时，试样在抛光过程中应不断旋转，尽量缩短抛光时间。而抛光铝制试样时，需采用较轻的压力和适当的转速(400rmin)方可保证不出现变形层有的机型则采取变频无级变速1000rmin50rmin，转速数字显示，但抛光为手动操作，在手工操作中，压力的大小仅凭手感控制，没有被量化，因此制样效率，准确性和再现性均不易保证。如南京测控科学器材设各有限公司的变频调速抛光机，上海金相机械设备有限公司PW-I金相试样抛光机。1.2.3讨论纵观国内外抛光机的状况，国内研发的抛光机在性能和外观等方面还存在一定差距。例如，国内研制的抛光机多数机型的
14、抛光盘为单盘或双盘，有水龙头，但冷却条件差。由于冷却条件差，试样表面易发热变灰暗，而且会继续增厚形变扰动层，对快速抛光好试样带来麻烦；抛光盘转速固定不变，而金相试样制备过程不允许组织变形，软相(石墨)脱本科毕业设计（论文）5落，硬相(碳化物)浮凸，抛光后试样表面应光亮如镜、无磨痕。为此，不同性质的材料，需采取不同措施。而国外研制的全自动抛光机，能够自动控制冷却液的流量，整个操作过程采用全自动化模式，节省了人工并有效地提高了研究效率与质量。本科毕业设计（论文）62 金相试样抛光机设计思想及方案确定2.1设计要求金相试样抛光机对机械设计的要求有：精度高、运行平稳、工作可靠，具有良好的伺服性能。面对
15、传动机构则要求：转动惯量小，以减小机械负载，避免对系统造成不良影响；刚度大，有利于减小动力损失，提高固有频率，增加闭环伺服系统的稳定性；阻尼合适。金相试样抛光机对控制系统的要求有：能对压力进行控制。因为试样抛光过程要求动力头能带动夹具上升和下降实现压力增大和减小；能够按设定压力在夹具上产生弹性力；磨抛一定时间后能自动降低夹具上的弹性力。能对时间进行控制。抛光时间过长，试样质量无法保证，时间过短达不到抛光质量。能对抛光速度控制。对不同材质的试样，需不同的抛光速度，方可保证材料的真实组织。2.2金相试样抛光机整体方案的确定2.2.1金相试样抛光机类型分析抛光按其原理可以分为机械抛光，电解抛光，化学
16、抛光，以及复合抛光。(1)机械抛光机械抛光是现阶段应用最为广泛的抛光方法，其正确的工艺和操作方法是在保证获得优质的试样和其他条件(如边缘保留及石墨和夹杂物保留等)的情况下具有最高的抛光速率。(2)电解抛光电解抛光是对难以用机械方法抛光的金属试样进行抛光的重要手段，它可以克服金属干扰层和机械峦晶假象等问题，对于用极低负荷的显微硬度实验的样品或透射电镜的薄膜试样特别有用。但每种金属和台金所使用的抛光液和电解规范不同，因此需要进行本科毕业设计（论文）7相当数量的试验工作来确定电解抛光规范。(3)化学抛光化学抛光是完全依靠化学药剂的腐蚀作用而得到光亮的抛光表面。这种方法操作简便，不需要复杂的机械和电解
17、设备，只需要选择适合的化学抛光液和试验最佳抛光规范。化学抛光的速度低，抛光后的磨面，表面光滑但形成起伏的波形，不能达到十分平整的要求。综合考虑各种抛光的优缺点，本系统采用机械抛光。2.2.2金相试样抛光机方案比较第一种设计方案：自动减加压机械装置的设计，利用步进电机作为此装置的动力源，通过一个比例为 1:1 的齿轮箱与动力头相接。动力头采用滚珠螺旋传动，即在由螺母和螺杆的近似半圆形螺旋凹槽拼合而成的滚道中装入适量的滚珠，并用螺母上制出的通路及导向辅助件构成闭合回路，以备滚珠连续循环。当步进电机逆时针转时，带动齿轮转动，齿轮转动带动固定在其上的螺母旋转，从而使螺杆下移，按设定压力在夹具上产生弹性
18、力;压力在一定范围内自行调节;驱动夹具旋转，实现对工件的加压。当电机顺时针转时，带动螺杆上移，实现对工件的减压。抛光装置的设计，因为本次设计的目的是实现抛光的完全自动化，所以选择直流伺服电机作为抛光盘的动力源，为保持抛光质量，抛光速度不宜太快，一般为 300-500r/min，而电机速度一般比较快，所以利用 V 带传动，以达到减速的目的。控制系统的控制部分采用 DSP 模糊控制系统：数字信号处理器 DSP 采样位置传感器信号,获得当前位置信息 ,从而得到电机的当前速度 ,通过与给定速度值比较 ,得到转速误差值 ,经模糊控制器计算推理后 ,输出 PWM 脉冲信号 ,经功率放大后 ,对直流电机进行
19、控制。第二种设计方案：直接用步进电机与一个带有内花键的丝杠相连，丝杠与主轴通过花键连接，使主轴能上下移动。当电机逆时针转动时，丝杠带动丝杠螺母转动，只能向下运动压缩弹簧，使主轴下降并产生弹性力，实现对工件的加压。当电机顺时针转动时，带动螺母上移，不再压缩弹簧，主轴上移，从而实现对工件的减压。抛光装置的设计，直接用电机带动抛光盘转动。控制系统的控制采用模糊 PID 控制, 模糊 PID 控制器由多种结构形式，但基本原理本科毕业设计（论文）8基本一致，即运用模糊数学的基本原理和方法，把规则的条件、操作用模糊集表示，并把这些模糊控制规则以及有关信息作为知识存入计算机的知识库中，然后计算机根据系统的实
20、际响应情况运用模糊推理，即可自动实现对 PID 参数的最佳调整，以达到自动控制的目的。2.2.3 综合考虑选出最佳设计方案参考各种形式的抛光机，为满足设计要求本次设计的系统定为机电一体化系统。机械部分是采用步进电机为动力源，通过一个比例为 1:1 的齿轮箱与动力头相接。动力头采用滚珠螺旋传动，当步进电机逆时针转时，带动齿轮转动，齿轮转动带动固定在其上的螺母旋转，从而使螺杆下移，按设定压力在夹具上产生弹性力;压力在一定范围内自行调节;驱动夹具旋转，实现对工件的加压。当电机顺时针转时，带动螺杆上移，实现对工件的减压。控制部分采用 PID 模糊控制系统：利用此系统实现自动调压，调速和对加工时间控制的目的。
