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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(guó)內(nèi)外研究狀況
1.2.1國(guó)外拋光機(jī)的性能與特點(diǎn)
目前，國(guó)外生產(chǎn)金相設(shè)備的廠家主要有丹麥的struers公司和美國(guó)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(guó)國(guó)情。
1.2.2國(guó)內(nèi)拋光機(jī)的性能與特點(diǎn)
國(guó)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(guó)內(nèi)外拋光機(jī)的狀況，國(guó)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(guó)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(guó)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??；能夠按設(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(zhǎng)，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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