一种新型金相试样抛光机整体结构设计和实现 机械制造专业

1、_一种新型金相试样抛光机整体结构设计摘 要为了提高金相抛光机的抛光速度和质量，在研究分析传统抛光机基础上，通过对抛光机机械部分的设计及控制部分的构思，使抛光机能够实现多次调节抛光压力，实现抛光盘旋转速度不同模式切换等功能。本文通过对金相试样抛光机机械部分的动力头、加减压机构、齿轮箱及夹具的设计，达到了抛光过程平稳、抛光均匀、抛光质量高的优点。同时通过PID模糊控制系统实现自动调压，调速及加工时间控制的目的。关键词：新型；金相试样；抛光机；机械抛光AbstractIn order to improve the polishing speed and quality of metallograph

2、ic polishing machine, on the basis of studying and analyzing the traditional polishing machine, through the design of the mechanical part and the conception of the control part of the polishing machine, the polishing pressure can be adjusted many times. The function of different mode switching of ro

3、tating speed of throwing disc is realized.In this paper, the power head, decompression mechanism, gearbox and fixture of the mechanical part of the metallographic sample polishing machine are designed to achieve the advantages of stable polishing process, uniform polishing and high polishing quality

4、. At the same time, the purpose of automatic voltage regulation, speed regulation and processing time control is realized by PID fuzzy control system.Keywords: new type; New type; metallographic sample; polishing machine; mechanical polishing.目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc85018799 1 绪论 PAGEREF

5、 _Toc85018799 h 1 HYPERLINK l _Toc85018800 1.1 设计的目的和意义 PAGEREF _Toc85018800 h 1 HYPERLINK l _Toc85018801 1.2 金相试样抛光机的国内外研究状况1 HYPERLINK l _Toc85018805 1.2.1 国外抛光机的性能与特点1 HYPERLINK l _Toc85018805 1.2.2 国内抛光机的性能与特点2 HYPERLINK l _Toc85018805 1.2.3 讨论2 HYPERLINK l _Toc85018802 2 金相试样抛光机设计要求及方案确定4 HYPER

6、LINK l _Toc85018803 2.1 设计要求4 HYPERLINK l _Toc85018804 2.2 金相试样抛光机整体方案的确定 PAGEREF _Toc85018804 h 4 HYPERLINK l _Toc85018805 2.2.1 金相试样抛光机类型分析4 HYPERLINK l _Toc85018805 2.2.2 金相试样抛光机方案比较5 HYPERLINK l _Toc85018805 2.2.3 综合考虑选出最佳设计方案6 HYPERLINK l _Toc85018806 3 金相试样抛光机机械设计7 HYPERLINK l _Toc85018807 3.1

7、 动力头的设计7 HYPERLINK l _Toc85018808 3.2 加减压机构的机械设计9 HYPERLINK l _Toc85018809 3.3 齿轮箱的设计10 HYPERLINK l _Toc85018810 3.3.1 齿轮设计10 HYPERLINK l _Toc85018811 3.3.2. 齿轮轴的设计 PAGEREF _Toc85018811 h 15 HYPERLINK l _Toc85018812 3.3.3 丝杠的设计 PAGEREF _Toc85018812 h 17 HYPERLINK l _Toc85018814 3.4电机的计算选择20 HYPERLIN

8、K l _Toc85018813 3.5抛光盘动力源电机的计算选择21 HYPERLINK l _Toc85018813 3.6 带轮的计算选择22 HYPERLINK l _Toc85018815 4夹具设计 PAGEREF _Toc85018815 h 24 HYPERLINK l _Toc85018818 5 金相试样抛光机调速部分设计 PAGEREF _Toc85018818 h 25 HYPERLINK l _Toc85018819 5.1 显示面板设计 PAGEREF _Toc85018819 h 25 HYPERLINK l _Toc85018813 5.2金相试样抛光机控制系统

9、整体框架设计思想 PAGEREF _Toc85018813 h 26 HYPERLINK l _Toc85018820 5.3 伺服电机的调速研究 PAGEREF _Toc85018820 h 26 HYPERLINK l _Toc85018821 6 总结 PAGEREF _Toc85018821 h 29 HYPERLINK l _Toc85018822 参考文献30 HYPERLINK l _Toc85018823 致谢311 绪论1.1设计的目的和意义人类赖以生存的物质基础就是生产原料，生产原料的利用程度直接反映经济发展的水平。对于大多数的金属原料除了自身的物理性能之外还与该原料的化学

10、性质结构有关。要想充分的利用金属原料，首先就要熟悉他们的物理状态和化学结构，也就是该金属原料的分子结构和原子结构，以及在什么状态下能够进行转换运用。对金属的组织结构进行分析首先我们用肉眼很难辨别，需要借助一定的化学仪器来进行观察，那么我们就需要制作金属样本。通常制作金属样本我们一般要经过以下步骤进行。先进性取样、然后将样本嵌入固定架、将样本打磨(粗磨和细磨)最后需要对样本进行抛光。在这几个环节我们都要格外的小心谨慎。一旦有一个环节出现问题，可能整个样本检测的结果都会出现错误结论。在整个环节中抛光这一环节是非常重要的，抛光的好坏会直接影响金相制取试样的结果。金属是怎样进行抛光的呢！首先我们需要用

11、磨砂纸片将金属层凹凸不平的表面打磨平滑。然后通过比如机械抛光或者一些电解的抛光方式进行。实践中进行抛光试样的方式非常多。而本文中提到的也只是众多之中的常用的两种。其中机械抛光是目前抛光做得最为精湛的，它能够保证试样的标本能够达到检测的最优效果。因此对于金相试样抛光机的选择是非常重要的，适合的抛光机不仅可以达到目标效果还可以减少试样残品的出现，可以节约大量的成本投入。1.2金相试样抛光机的国内外研究状况当前，在国外生产用于金相试样的抛光机的企业主要有丹麦的Struers公司和美国的Buehler公司，其中这两家公司的主要经营项目就是在抛光机开发和生产上。其中Struers公司生产的抛光机，主要设

12、计是希望能够实现抛光机自我进行抛光，能够高效的自动完成。这个企业的抛光机有多个系统比如MAPS、AbraPol10、AbraPlani0等。在不同的打磨环境下我们可以采用不同的系统进行操作。这几个系统都是由共同的制备单元构成，有的系统有一个制备单元有的有多个。每个单元里面都有具体的功能，比如可以进行研磨、清洗、干燥。多个制备单元就可以完成整个过程的处理工作。Buehler公司的产品从开始打磨到最后的抛光都不需要人为进行指示操作即可完成，该系统差不多可以容纳五十个工作程序，而且操作起来简单方便， 在整个打磨和抛光的过程都可以清楚的通过彩色液晶显示屏进行显示，在显示屏上我们可以通过手电触摸进行操作

13、。不仅可以高效的完成抛光还可以节约大量的劳动力成本。但是上述两家公司生产的产品在价格上都非常的昂贵。每台产品的单价折合成人民币差不多接近七百万左右。目前在国内抛光大多数还停留在人工操作上，主要原因除了缺乏资金之外。另外的就是没有自己的核心技术。目前国内使用的抛光机分为单盘和双盘两种类型。多数机型的抛光盘为单盘或双盘，无论哪一种都带有冷却装置，但是其冷却效果极差。因此经常在冷却的过程中由于冷却效果差的原因导致试样表面发红变黑。使得样本的厚度反而增加影响快速抛光的效果。样本的抛光制样要求非常的高，在抛光的过程中如果抛光转速过大很可能导致变形，软相(石墨)脱落，出现浮雕。在进行抛光试样时，我们为了防

14、止出现变形层，需要将抛光器设置为压力小转速慢。其中关于转速可以进行系统设置，但是在抛光上必须由人亲自完成。在人为进行操作过程中对手的压力很难掌控，压力的大小完全凭自己的感觉，因此一方面上速度比较满，抛光的质量也很难得到保障。目前在南京和上海分别生产出来了一种变频调速和PW-I型号的金属试样抛光机。通过对抛光机的比较，目前国内的抛光机在技术上还远远落后于其他国家。例如目前国内使用的抛光机分为单盘和双盘两种类型。多数机型的抛光盘有单盘或双盘，无论哪一种都带有冷却装置，但是其冷却效果极差。因此经常在冷却的过程中由于冷却效果差的原因导致试样表面发红变黑。而国外研制的全自动抛光机，能够实现自动控制冷却液

15、的流量，能够实现全自动化进行，不仅节约成本还提高了效率。 2 金相试样抛光机设计要求及方案确定2.1设计要求在设计金相试样抛光机上我们应该要做到：精确度高，各个环节能够很好的衔接，能够自动完成，其冷却装置能够实现流量自行控制。可以自动对样本的打磨程度进行计算。在进行传动机设计的时候：我们要将转动机停止时候的惯性调小。减少因为摩擦过大缩减了机械设备使用寿命；同时对固有频率进行重新设计，尽量提高其固有频率，让闭环伺服系统能够更好的处于稳定状态。在控制系统上要保证系统能够自动的调解压力器的大小。在试样抛光过程中我们需要在压力器的部位设置能够能带动夹具升降的动力装置以此来实现压力增减；因为抛光时间过长

16、或者过短都会影响抛光质量。同时在转速上我们需要设计能够识别材质的装置，根据材质的判断来主动调节转速的大小。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选择抛光按照它的工作原理可以将其划分为机械抛光，电解抛光，化学抛光等1、机械抛光机械抛光是目前使用范围最广的一种抛光技术，它的抛光速率在几个中是最快的，而且能够在该速率上保证抛光的质量效果。2、电解抛光电解抛光是是在机械抛光无法使用的情况下的一种替代措施，它不会受金属干扰层和机械峦晶假象的干扰，对于某些需要低负荷硬度样本或透射电镜的薄膜试样有特别大的作用。但是由于每种金属的本身的化学组织结构不同因此对电解的条件也要求不同。3、化

17、学抛光化学抛光主要是利用化学物质的一个腐蚀作用实现的，虽然方法比较简便但是在抛光速度上比其他抛光方法更慢，在进行样本打磨的过程中，虽然表面上看起来光滑，但是通过一定的仪器会发现有许多高低起伏的波纹大量出现，不能够达到抛光实验样本的要求。2.2.2综合考虑选出最佳设计方案通过对不同的抛光机械的功能的优缺点进行比较，最后本文主要采用综合性强的机械抛光进行研究。在设置的过程中为了能够满足不同材质的一个抛光要求，于是通过使用机械电子一体化系统对抛光机进行设计开发。驱动机械抛光机的主要动力是电动机装置，然后将相互可以重合的齿轮盒与动力装置进行连接，由发动机将热能转化为动能并通过滚珠螺旋装置带动进行。当向

18、前移动时候，电动机会进行逆向旋转，然后通过传力带带动齿轮转动，齿轮在转动的过程中就会触发压力装置使得螺母向下移动，这时候就会触动提前设置的压力按钮然后使夹子产生弹性。同样的道理减少压力做相反的过程就可以了。控制部件主要用的是模糊控制系统，他能够实现自动调节压力大小。3 金相试样抛光机机械部分设计3.1设计要求金相抛光机的机械系统运行的准确度高、运行的非常平稳、工作的安全性高的优点。金相试样抛光机使用的是夹具的方式，通过在夹具上施加一定的压力，和磨盘进行摩擦，并且还可以多块试样同时进行，这样使得制样的效率大大提高。同时，我们加在夹具上的压力还可以根据需要灵活的调整。机械部分主要是由动力头部分、夹

19、持盘、机械主体和外观的设计部分这几个部分组成。3.2动力头的设计在用金相部分抛光机实施抛光操作时，抛光运动必须保证轨迹到各个点的距离相近或相同，这样出来的产品才符合要求，因此，对抛光的轨迹具体要求如下：1、工件运动，抛光盘静止，使工件上的抛光轨迹到工件上的各个点的距离相同。2、工件上任一点不重复的进行抛光。也就是说运动轨迹尽量不重合。3、抛光要保持平稳，避免转动的幅度过大带来的变故。4、保证工件在整个抛光的平面磨损均匀。5、可以及时的改变抛光机上面的工件的运动方向，使得工件的纹路复杂，保证表面的相对光滑，并且均匀的分布。 3-1 动力头示意图动力头是整个金相试样抛光机的设计的关键所在，它的工作

20、原理简单的来说：就是动力头提供动力，通过控制夹具的上升和下降，在夹具上施加弹力，并且这部分的压力不是一个确定的值，可以在一定的范围内进行调节。带动夹具进行旋转；磨抛进行了一段时间之后加在上面的弹力就没有刚开始的那么大了，弹力就会自动的进行降低。其主要的部分如下图3-1所呈现的那样，电机通过齿轮带动齿轮来控制施加在夹具上面的弹力，因为半径不同的齿轮所需要的弹力不同，所以通过连接不同半径的齿轮，从而来控制在夹具上的弹力。当步进电机按照逆时针的方向进行转动时，来带动齿轮的转动，将螺杆向下移动，以此来控制施加在上面的压力，并且产生弹力;压力可以在一定的范围内根据自己的需要进行调节。当电机向顺时针的方向

21、旋转时，螺杆向上移动，将施加在工件上的压力减轻。当主轴向下运动，到达设置的标定的位置时，这时就输出的时保持这种弹力的信号，所以，意思就是保持施加在夹具上的压力不变。还可以设置固定的时间段，以此控制在不同的时间段内施加在上面的弹力的大小，并且在一定的时间内就释放一次，这种状况一直持续到时间到达，到达上限之后自动切断电源，一切停止。图3-2 压力曲线图3.2 加、减压机构的机械设计加减压机部分是控制施加在机体上的压力，是影响到抛光机的性能和使用寿命。加减压部分的工作原理简单的概述如下：步进电机通过花键连接，控制主轴使其能上下的移动。并且由一个控制杆进行控制，当步进电机向逆时针方向转动时，控制杆上的

22、螺母向下运动，使得下面的弹簧受到压缩，当这种压力施加到一定程度，就突然释放，使得螺母由规律的进行转动。在螺母和控制杆之间的弹簧起到的作用很关键。弹簧的压力由一定的规律，并且压力的大小和压缩出现的位移存在很密切的关系，可以通过物理公式将这种关系描述出来，在一定的时间段内，电机的转速越高，压缩的时间越长，弹簧被释放后的位移的长度就越大。并且存在一定的线性关系，所以我们可以通过测位移来计算其它不好测量的值。3.3齿轮箱的设计3.3.1齿轮设计摩擦力与步进电机所受力相等即：F=F=100N （3-3）P= =0.52W （3-4）在齿轮设计中，小齿轮的转矩为 T= （3-5） T=82.8Nmm 转动

23、速度n=60r/min，按设计选用直齿圆柱齿轮传动。精度等级：选6级精度。因齿轮要求较低，受力很小。计算如下：关于主轴传动齿轮齿面接触疲劳强度计算1、初步计算：齿宽系数：d1.0，初步计算的许用接触应力：H1=0.9Hlim1=0.9110=99Mpa 初步计算的小齿轮直径：d5.81 （3-6）所以，d=5.81=54mm 2、校核计算：圆周速度： (3-7)齿数Z和模数m：模数，取m=2，则，Z2= iZ1=29。使用系数KA：KA1.5，动载系数KV：取KV1.1，端面重合度： (3-8)重合度系数： Z=1.49，由此得： ，=1.265弹性系数ZE：取ZE189.8节点区域系数ZH：

24、取ZH2.5则指数：m=8.78 NL1 = NV1 = 60ithi(Ti/Tmax) (3-9) =6016314800(18.780.2+0.58.780.5+0.28.780.3)=3.65107 H1 = = =764 Mpa (3-10)H2 = = =798 MPa (3-11)3、齿根弯曲疲劳强度验算：重合度系数Y：齿间载荷分配系数KF： KF = = = 1.49齿向载荷分布系数KF：=7.4KF=1.25NL1= NV= (3-12) = 6013004800(149.910.2+0.549.910.5+0.249.910.3)= 3.63107原估计应力循环次数正确。许用

25、弯曲应力F: 验算： F1= （3-13）=0.39MpaF1F2 = （3-14）= =0.39MPa传动无过载，故不作静强度校核。4、确定传动主要尺寸：计算实际分度圆直径d d1 = mZ1 = 229 =58 mmd2 = mZ2 = 229 =58 mm计算中心距a = = = 58 mm计算齿轮宽度b =bd1 = 158 = 58 mm Ft = = =3.1N （3-15） = =0.1 N/mm 100 N/mm合适。3.3.2 齿轮轴的设计1、输入功率 P = 0.52W 转速 n = 60 r/min 转矩 T = 82.8 Nmm（2）求作用在齿轮上的力 Ft = = =

26、 2.9 N （3-16） Fr = Fttan20=2.9tan20=1.06 N（3）初步确定轴的最小直径选轴的材料为45#钢，调质处理，取A= 112d A =10 1.5112 =4.3 mm （3-17）取为d= 10 mm。2、轴的机构设计（1)在轴向定位要求下确定各段直径和长度。 3-3 齿轮轴简图L1是轴的最小直径处，为10mm，L1 =45 mm，L2 L3处安放轴承，初选为d2 = 20 mm。（2）轴承选择及校核尺寸 dDB = 20 mm 42 mm 10 mm基本额定载荷 Cr =19.5 kN轴承受力情况如图3-4所示。3-4 主动齿轮轴受力情况根据受力图分析可以得

27、出轴承的径向力为：F = = = 3.09 N （3-18）F= = = 5.75 N （3-19）F= F- F = 5.75 3.09 =2.66 N （3-20）则有： N N h (3-21)故该轴承能满足要求。3.3.3丝杆的设计本次设计选择的是梯形螺纹，它主要是起到导向的作用，承受的轴上面的负荷较小。有两种不同直径的齿轮。为了保证在箱子里面可以准确的定位，所以对其直径的长度进行了统一的规定，为74mm。在进行压力传导的过程中，齿轮上面受到的力较小，最大就是100N的力，在运行的过程中，滚珠因为半径小的原因，所以滚珠的强度大于螺纹牙。3.4 电机的计算选择3.4.1 动力头驱动电机的

28、选择动力头提供动力的是电机机体，一般我们是选择步进电机，因为步进电机发射的信号是有一定的规律的，使发射出去的脉冲信号和弹簧出现的位移成正相关的关系，简单的来说，就是具有以下几个特点：1、电机发射出去的脉冲频率越高，电机的运转速度就越快；2、脉冲频率非常的稳定，在一定的环境下不会出现波动的变化。；3、速度可以自由的进行调节，启动的时间短，运转稳定。除此之外，步进电机的频率的精确度非常高，并且运行稳定的特点，所以，这种类型的电机在各个领域都非常的受欢迎。比如：卫星天线和行车记录仪等等。通过查阅机械设计师手册中的数据整理了如表31-61，55BYG4电机的电机参数可以满足我们对电机的要求。表3-1

29、55BYG4电机参数表电压相数静态电流步距角保持转矩空载起动频率空载转动频率步距角误差12V41.2A1.8/0.9360Nm400s2500s3.4.2 抛光盘动力源电机的选择经过我们对市场上大量的金相抛光机不同运转速度的抛光盘的调查中，我们可以发现，我们选择电动机，用来作为执行的动力，把线性速度转为角速度输出去。并对其进行简单的分类。大概分为直流和交流电机两类，当电压为零时自转停止，转速因为惯性的作用还在持续的转动，但是速度在慢慢的降下来。电机内部是永磁铁的转芯，在运转的过程中会形成磁场，转子在磁场的力的作用下还可以持续的运行。同时电机把信号反馈给驱动器，驱动器根据和标准值向比较，来进行调

30、整电机的运转的角速度。查机械设计师手册表31-59，选择90SZ51电机。其主要参数如表3-2所示。表3-2 90SZ51电动机主要参数转矩转速功率电压电流电枢电流励磁 允许正反转速差5200Nm1500r/min80W110V1.1A0.23A100r/min4夹具的设计夹具的好坏是关系到式样抛光的质量的关键所在，它在期间起到的作用是很大的。夹具中的试样和槽里面的各项数据是匹配的，是根据式样的形状和相关的数据进行设计的，一般是圆柱形、柱形，还有片状。因此我们列举了3种该形状的夹具如图4-1所示。图a主要是为长方形的工件准备的，长70mm，厚20 mm。图b主要为圆形的工件准备的，试样大小为6

31、-24。图c主要是给薄片的式样准备的，它还可以夹不规则的式样、尺寸非常小的式样。如果非常小的话，可以采取将其镶嵌在大式样当中去。这样可以很好夹住，避免松动，同时还有螺丝钉用于试样的固定，这些都保证了式样在运动的过程中不会松动。 （a） (b) (c)4-1夹持盘5 金相试样抛光机调速部分设计5.1显示面板的设计液晶画面显示时间，压力，转速3个抛光系数，如图(5-1)所示。其中时间用分秒来计算，中间设定了压力和旋转速度的运转的值的显示。并且在下面设定了不同情形的参数的值，可以通过按“参数设定”按钮进行操作，当参数变动到一定的程度就在液晶屏上显示出来，通过闪烁灯来提示和计时，每次按键都会改变大的位

32、置。这时可以用+或-按钮调整每个变量的值。每个参数的设置完成后，在正确的情况下按启动键开始抛光。只要按“光驱旋转”按钮，就可以在投掷光盘的过程中手动进行控制。“停止”按钮可以立即停止，避免在操作中出现一些意外，导致不能机器受到破坏。5-1 输入与显示面板5.2金相试样抛光机控制系统整体框架设计思想我们在设计控制系统的时候可以设置多个控制模块，本系统中主要设置了键盘输入模块、液晶显示器模块、监控系统模块、抛光机驱动模块。其中按键输入模块是由人来启动，然后将启动程序命令输入到计算机系统当中，计算机系统将输入的信号转化成计算机语言的方式，在输入的时候要进行初始化设置，选中抛光时间选项，和光盘转速和压力器选项进行设置。然后在核心处理器中输入密码。然后将信息输入到抛光器驱动模块里面，然后按