一种新型金相试样抛光机的设计.doc

新型金相试样抛光机的设计 目 录 摘 要 I矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖 ABSTRACT II聞創沟燴鐺險爱氇谴净 1 绪论 1残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟 1 1 设计的目的和意义 1酽锕极額閉镇桧猪訣锥 1 2 金相试样抛光机的国内外研究状况 1彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑 1 2 1 国外抛光机的性能与特点 1謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔 1 2 2 国内抛光机的性能与特点 2厦礴恳蹒骈時盡继價骚 1 2 3 讨论 2 2 金相试样抛光机设计思想及方案确定 4茕桢广鳓鯡选块网羈泪 2 1 设计要求 4 2 2 金相试样抛光机整体方案的确定 4鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴 2 2 1 金相试样抛光机类型分析 4籟丛妈羥为贍偾蛏练淨 2 2 2 金相试样抛光机方案比较 5預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴 2 2 3 综合考虑选出最佳设计方案 6渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦 3 金相试样抛光机机械设计 7 3 1 动力头的设计 7 3 2 加减压机构的机械设计 9 3 3 齿轮箱的设计 10 3 3 1 齿轮设计 10 3 3 2 齿轮轴的设计 15铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡 3 3 3 丝杠的设计 17擁締凤袜备訊顎轮烂蔷 3 4 电机的计算选择 20 3 5 抛光盘动力源电机的计算选择 21贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷 3 6 带轮的计算选择 22 4 夹具设计 24坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚 5 金相试样抛光机调速部分设计 25蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘 5 1 显示面板设计 25買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄 5 2 金相试样抛光机控制系统整体框架设计思想 26綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴 5 3 伺服电机的调速研究 26驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦 6 总结 29猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑 参考文献 30 致谢 31 I 摘摘 要要 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 锹籁饗迳琐筆襖鸥娅 薔 关键词 金相试样抛光机 电气控制 抛光 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 構氽頑黉碩饨荠龈话骛 Keywords Metallographic Sample Polishing Machine electric control systems Polish輒峄陽檉簖疖網 儂號泶 本科毕业设计 论文 3 1 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 尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅 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 识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒 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 凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴 1 2 金相试样抛光机的国内外研究状况 1 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 AbraPol 10 AbraPlan i0 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 恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦 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 鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫 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 400r min 方可保证不出现变形层 有的机型则采取变频无级变速 1000r min 50r min 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 硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹 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 阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖 本科毕业设计 论文 6 2 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 氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩 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 釷鹆資贏車贖孙滅獅赘 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 怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉 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 谚辞調担鈧谄动禪泻類 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 嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩 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 熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库 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 鶼渍螻偉阅劍鲰 腎邏蘞 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 行控制 纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛 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 颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷 抛光装置的设计 直接用电机带动抛光盘转动 本科毕业设计 论文 8 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 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 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻 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 銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼 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 本科毕业设计 论文 9 3金相试样抛光机机械设计 机电一体化机械系统要求精度高 运动平稳 工作可靠 具有良好的伺服性能 金 相试样抛光机机械制样是采用夹具夹持试样 夹具带动试样与磨盘相对摩擦 并在夹具 上施加一定的压力 夹具可以装夹多块试样以提高制样效率 在夹具上所施加的压力可 以灵活调整 挤貼綬电麥结鈺贖哓类 机械部分主要包括动力头 夹持盘 抛光盘 主体和外观设计 3 1 动力头的设计 在试样抛光时 抛光运动轨迹应能保证工件加工表面和抛具表面上各点均有相同或 相近的被切削条件和切削条件 对抛光运动轨迹的基本要求如下 赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈 工件相对抛光盘作平面平行运动 能使工件上各点具有相同或相近的抛光行程 工件上任一点 尽量不出现运动轨迹的周期性重复 抛光运动平稳 避免曲率过大的运动转角 保证工件走遍整个抛光盘表面 使抛光盘均匀磨损 保证工件表面的平面度 及时 变换工件的运动方向 使抛光纹路复杂多变 有利于降低表面租糙度并保证表面均匀一 本科毕业设计 论文 10 致 塤礙籟馐决穩 步进电机 轴承 联轴器 齿轮 轴 丝杠 螺母 键 图1 1 賽釙冊庫 3 1动力头示意图 此处省略 NNNNNNNNNNNN 字 如需要完整说明书和设计图纸 等 请联系 扣扣 九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计 下载 该论文已经通因此动力头是抛光机设计的技术关键 动作要求 带动夹具 上升和 F 降 按设定压力在夹具上产生弹性力 压力在一定范围内自行谲节 驱动夹具 旋转 磨抛一定时间后能自动降低夹具上的弹性力 具体的设计如图 3 1 所示 电机通 过连轴器安装在齿轮箱上 齿轮箱内两个齿轮的大小相等 另一齿轮与丝杠相连 丝杠 通过固定在齿轮上的螺母转动上下移动从而达到增压减压的效果 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 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 使主轴下降并产生弹性力 当达到指定位置 时 输出一个信号 使主轴上的压力得到保持 当到达设置时间的 2 3 时 电机顺时针 转动 在脉冲信号作用下 每隔一定时间 压力释放一次 螺杆缓慢向上移动 逐步释 放主轴上的弹性力 当压力低于 20 牛顿时停止释放 并一直保持到设定时间到达 抛光 机动力头产生的压力曲线如图 3 2 压力曲线图所示 工作结束后 输出一个信号使丝杠 连续上升 到达上限后切断电源停止运转 裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺 本科毕业设计 论文 11 图1 2 3 2压力曲线图 图中可以看出 Pl P2 P3 P4 P5 而 t t t t t 这是由于压力铁释放时间是 12345 要受压力 P 的影响 压力与丝杠的位移量有关 齿轮将丝杠的位移量传递给传感器 传 感器将位移量转变成电磁铁释放的电信号 所以在压力大时释放时间短 压力小时释放 时间间隔长 这样则使试样在所限制时间内有效地保持了试样在抛光盘内摩擦 动力头 释放压力为 1 5s lr 8 6mm r 2 3 100N mm 5N 释放压力最小间隔为 10 秒钟 仓嫗盤 紲嘱珑詁鍬齊驁 3 2加 减压机构的机械设计 加减压机构是抛光机机体的关键组成部分 对抛光机的性能有很大影响 加减压回 路机械结构的工作原理为 步进电机通过法兰安装在套筒上 电机轴上安装一个带有内 花键的丝杠 与主轴通过花键连接 使主轴能上下移动 丝杠螺母铣出沿直径方向的键 槽 通常有一控制杆插入键槽内 当步进电机逆时针转动时 丝杠螺母向下运动压缩弹 簧 当达到指定位置时 输出一信号 使电磁铁将控制杆从键槽中拉出 使丝杠螺母失 去限制 随丝杠一起转动 绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧 在丝杠螺母与动力头之间装有弹簧以实现弹性力的加载 弹簧服从虎克定律 即它 本科毕业设计 论文 12 受到的压力与压缩重为线性关系 因此压力的测量可以转化为位移的测量 位移的大小 与电机的转速和压缩时间有关 在电机转速给定的情况下 位移与时间里正比 可通过 测量时间达到位移的测量 骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙 其理论计算如下 式中 f x kx 3 1 瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉 t f x n s k 3 2 Z 步进电机转子齿数 N 运行拍数 N 电机的转速 S 丝杠的螺距 T 电机反方向转动的时间 f x 抛光时所设定的压力 由 M Q m f 得 t 因为 M 与 f 的乘积 Q 可由软件得出 Qks NZR 60 Q f x 和 f x 是程序求解 t 时的两个输入值 程序将求出的 t 送入微处理器处理 就可以控制 抛光机的压力 鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類 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 1 101 0 P 0 52W 1 A F1 2 5 314 3 210 本科毕业设计 论文 13 在齿轮设计中 小齿轮的转矩为 T 1 n p 1 1 5 10 5 95 T 82 8Nmm 1 60 52 0 5 95 1010 35 转动速度 n 60r min 按设计选用直齿圆柱齿轮传动 精度等级 由表 10 8 该节中所指的表均指 机械设计 一书中的表 选 6 级精度 因齿轮要求较低 受力很小 所以材料选择为塑胶 主动齿轮 从动齿轮都用 选 用两齿轮都为 Z1 29 Z2 iZ1 1 29 29栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬 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 转矩 TI 82 8Nmm 0 0828Nm 齿宽系数 d 由表 10 7 取 d 1 0 接触疲劳极限 Hlim可取 Hlim1 50MPa Hlim2 110MPa 初步计算的许用接触应力 H1 0 9 Hlim1 0 9 110 99Mpa 初步计算的小齿轮直径 d 5 81 3 1 3 2 2 11 1 H d E u ZuTK 3 其中 u I 1 载荷系数 K 1 3 材料的弹性影响系数 Z 189 8MPa 所以 1E 2 1 d 5 81 54mm 1 3 2 2 9911 8 189 11 8 823 1 结合齿轮箱的结构取 d1 54mm 初取齿宽 b 50mm 本科毕业设计 论文 14 2 校核计算 圆周速度 3 4 sm nd V 022 0 100060 60714 3 100060 11 齿数 Z 和模数 m 模数 取 m 29 1 29 54 1 1 Z d m 则 Z2 iZ1 2929 1 1 m d Z 使用系数 KA 由表 10 2 取 KA 1 5 动载系数 KV 由图 10 8 取 KV 1 1 齿间载荷分配系数 KH 先求 端面重合度 3 5 cos 11 2 388 1 21 ZZ 77 1 60 1 60 1 2 388 1 重合度系数 Z 1 49 2 77 1 4 由此得 45 0 49 1 11 22 Z KH 齿间载荷分布系数 KH 由表 10 4 非对称支撑 3 2 1 10 Cb d b BAKH 32 105030 0 116 0 09 1 1 265 载荷系数 K KAKVKH KH 1 5 1 1 1 81 1 265 3 78 弹性系数 ZE 由表 10 6 查得材料的弹性影响系数 取 ZE 189 8MPa 节点区域系数 ZH 由图 10 30 可取 ZH 2 5 总工作时间 th 10 300 8 20 4800h 本科毕业设计 论文 15 应力循环次数 NL 估计 107 NL 109 则指数 m 8 78 NL1 NV1 60 ithi Ti Tmax n i n 1 3 6 辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应 60 1 631 4800 18 78 0 2 0 58 78 0 5 0 28 78 0 3 3 65 107 接触寿命系数 KHN 由图 10 19 可取 KHN1 1 13 KHN2 1 18 许用接触应力 H 接触最小安全系数 S 取失效概率为 1 安全系数取 S 1 05 由式 10 12 得 H1 764 Mpa 3 7 S HHN1limK 05 1 13 1 710 H2 798 MPa 3 8 S HHN2limK 05 1 18 1 710 验算 H ZEZHZ 3 9 峴 ubd uKT 2 1 1 1 2 扬斕滾澗辐滠兴渙藺 1 11 5450 8 8278 3 2 74 05 2 9 189 2 32 55MPa 计算结果表明 接触疲劳强度较为适合 齿轮齿寸无需调整 3 齿根弯曲疲劳强度验算 重合度系数 Y 67 0 77 1 75 0 25 0 75 0 25 0 Y 齿间载荷分配系数 KF 由表 12 10 KF 1 49 Y 1 67 0 1 齿向载荷分布系数 KF 本科毕业设计 论文 16 7 4 h b 325 2 50 由表 10 3 KF 1 25 载荷系数 K K KA KVKF KF 1 5 1 1 1 49 1 25 3 07詩叁撻訥烬忧毀厉鋨 骜 齿形系数 YF 由表 10 5 YF1 2 62 YF2 2 62 应力校正系数 YSa 由表 10 5 Ysa1 1 59 Ysa2 1 59 弯曲疲劳强度极限 FE 由图 10 20c FE1 380 Mpa FE2 380 MPa 弯曲最小安全系数 S 取 S 1 25 应力循环次数 NL 估计 3 106 NL 1010 则指数 m 49 91 NL1 NV 3 10 n i h hii h t t T T trn 1 91 49 max 1 60 60 1 300 4800 149 91 0 2 0 549 91 0 5 0 249 91 0 3 则鯤愜韋瘓 賈晖园栋泷 3 63 107 原估计应力循环次数正确 7 7 1 1 2 1063 3 1 1063 3 I N N L L 弯曲疲劳寿命系数 KFN 由图 10 18 KFN1 0 90 KFN2 0 90 许用弯曲应力 F MPa S K FEFN F 6 273 25 1 38090 0 11 1 MPa S K FEFN F 6 273 25 1 38090 0 22 2 本科毕业设计 论文 17 验算 F1 mbd YYYK SaFaT 1 111 2 25450 59 1 62 2 8 8207 3 2 0 39Mpa F1 F2 11 221 SaFa SaFaF YY YY 59 1 62 2 59 1 62 2 39 0 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 2 29 58 mm d2 mZ2 2 29 58 mm 计算中心距 a 58 mm 2 21 dd 2 5858 计算齿轮宽度 b bd1 1 58 58 mm 由表 10 3 先求 Ft 3 1N 1 1 2 d T 54 8 822 本科毕业设计 论文 18 0 1 N mm 100 N mm b FK TA 50 1 35 1 合适 3 3 2 齿轮轴的设计 1 输入功率 P 0 52 W 1 转速 n 60 r min 1 转矩 T 82 8 Nmm 1 2 求作用在齿轮上的力 齿轮 1 的分度圆直径 d 58 mm 1 Ft 2 9 N 3 1 1 2 d T 58 8 822 11 胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻 Fr Fttan20 2 9 tan20 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 112 0 d A 10 1 5 112 4 3 mm 3 12 1 0 3 1 1 n P 2 3 60 2 5 鳃躋峽祷紉诵帮废掃減 取为 d 10 mm 1 4 轴的机构设计 1 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 本科毕业设计 论文 19 3 3 齿轮轴简图 齿轮轴材料 45 钢 调质处理 L1处为轴的最小直径处 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 L2 L3处轴承初选为滚动轴承 因轴承只受径向力 故选用深沟球轴承 初步选定轴 承 6206 GB T 276 1994稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜 尺寸 d D B 20 mm 42 mm 10 mm 基本额定载荷 Cr 19 5 kN 轴承校核轴承校核主动齿轮轴受力情况如图 3 2 3 4 主动齿轮轴受力情况 根据受力分析和受力图可以得出轴承的径向力为 F 3 09 N 22 FnFt 22 06 1 9 2 F 5 75 N 1 2 21 L LLF 58 10809 3 F F F 5 75 3 09 2 66 N 21 因轴承在运转中有中等冲击载荷 又由于不受轴向力 按 机械设计 表 10 5 查得 本科毕业设计 论文 20 p f 为 1 2 到 1 8 取 则有 3 1 p f N475 7 5 753 1 F 111 XfP p N 2 11991 63 1 222 FXfP p 轴承的寿命 因为 所以按轴承 1 的受力大小计算 21 PP h 3 13 93 6 1 6 106 5 175 7 19500 6060 10 60 10 P C n Lh 故该轴承能满足要求 在此装备中齿轮润滑用塑料润滑剂 其轴采用润滑油润滑 3 3 3 丝杆的设计 本次设计选择的丝杠为梯形螺纹 作为传导螺旋 它以导向为主承受较小的轴向载 荷 又因为齿轮分度圆为 58mm 取直径为 24mm 则所设计的螺母在齿轮中的宽度为 24 直径为 13mm 为保证齿轮在齿轮箱中的定位 规定其长为 74mm 在传导过成中 齿轮受 力较小 丝杠所受力最大为 100N 在传动中滚珠与螺文牙相摩擦 而滚珠强度一般高于 螺纹牙 所以 只要校核螺纹牙强度即可 陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟 P F A F 100 3 14 0 11w 故满足耐磨条hzd2 35 013 15 p 件 式中 螺纹中径 mm 2 d h 螺纹牙工作高度 mm 梯形螺纹 h 0 5P z 螺纹旋合圈数 螺母螺纹牙的强度计算 螺纹牙多发生剪切和挤压破坏 一般螺母的材料强度低于螺杆 故只需校核螺母螺 纹牙的强度 抗剪切强度条件计算 本科毕业设计 论文 21 3 14 14 3 Dbu F 式中 b 螺纹牙根的厚度 单位为 mm 对于矩形螺纹 b 0 5P 对于梯形螺纹 b 0 65P 对于 30 锯齿形螺纹 b 0 75P P 为螺纹距 沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應 l 弯曲力臂 单位为 mm 螺母材料的许用切应力 单位为 MPa 所以 100 0 16 8365 0 1314 3 0 6 0 6 3 5 s 为螺母算选材料的许应力 单位为 MPa 螺母所选材料的屈服极限 单位为 MPa 查 机械设计 表 5 8 知 s 取 240 s 则 28 8 所以 故满足此条件 抗弯曲强度计算 3 15 b Du FL b 2 14 3 6 b L 0 772 2 2D D 2 45 2224 1 12 b Du FL b 2 14 3 6 831314 3 772 0 1006 65 0 2 1 0 1 2 1 0 1 2 3 5 b s 所以 48 满足条件适合 b 96 48 b b 丝杠的稳定性计算 在工作过程中 丝杠受到的轴向力 F 大于某一临界值时 可能会突然发生侧向弯曲 而丧失其稳定性 因此 在正常情况下 丝杠承受的轴向力 F 单位为 N 必须小于临界 载 F 则丝杠的稳定性条件为 钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺 cr 本科毕业设计 论文 22 S 3 16 sc F Fa s S 懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮 式中 S 丝杠稳定性的计算安全系数 sc S 丝杠稳定性安全系数 对于传力螺旋 S 3 5 5 对于传导螺旋 ss S 2 5 4 0 对于精密活水平的 S 4 謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘 ss F 为临界载荷 单位为 N 根据柔度值的大小选用不同的公式计算 crs 在此处 为丝杠长度系数 见 机械设计 表 5 14 l 为丝杠长度 单位为 s i ul mm i 为危险界面的惯性半径 单位为 mm 因截面半径为圆 A 则 4 14 3 2 1d i 呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚 A I 4 1d 所以 临界载荷 F可按欧拉公式计算 即 cr F 3 17 cr 14 3 2 2 ul EL 式中 E 材料的拉压弹性模量 单位为 MPa E 2 06MPa 5 10 I 危险截面的惯性矩 I 单位为 mm 64 14 3 4 1d 4 当 40 时 可以不必进行稳定性校核 s 所以 10 2 40 满足条件合适 稳定条件较好 s 4 13 556 0 为保证丝杠运行时精确度高 对其进行刚度计算 丝杠在工作过程中受到轴向载荷力 F 和伺服电机的力矩 M 的作用 所以 变形量 tf PPP d E FP 2 1 14 3 4 14 3 24 1 2 16 d P G T 式中 E G 分别为与丝杠材料有关的弹性模量和切变模量 E 206 GPa G 79 4GPa 查 机械设计师手册 表 1 8 得 因为动力头作用在工件上的力最高被定位 100 牛 所以 本科毕业设计 论文 23 取最大值 T 100 2330N 根据抛光机的选择滚动螺旋传动的标准 1 0 233 mm P P 知 取得最大值为 11 16莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减 3 P 故 0 0004 0 011 0 0114 P 2 1320614 3 11 0 1004 24 2 14 3 13 4 79 75 3 233016 P 3 43 4 电机的计算选择电机的计算选择 动力头驱动电机的计算选择 本机对电机的要求本机对电机的要求 动力头的动力源提供电机选择步进电机 因为步进电机是一种 把脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行元件 其转速具有三个特 点 1 转速与脉冲频率成正比 2 在负载能力允许的范围内 不因电源电压 负载 环境条件的波动而变化 3 速度可调 能够快速起动 制动和反转 同时 步进电机 还具有定位精度高 同步运行特性好的特点 广泛应用于数控机床 绘图机 卫星天线 自动记录仪及数一模转换器等设备上 麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶 功率计算功率计算因为步进电机的输出力矩随转速升高而下降 且在较高转速时会急剧下降 所以其最高工作转速一般在 300 600RPM 納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬 因为步进电机一般在较大范围内调速使用 其功率是变化的 一般只用力矩来衡量 力 矩与功率换算如下 P M 60 14 3 2 n P 60 14 3 2 nM P 400 14 3 2 fM 本科毕业设计 论文 24 所以求得 f 400s 60 400n 其 P 为功率单位为瓦 为每秒角速度 单位为弧度 n 60r min 为每分钟转速 M 为力矩单位为牛顿 米 f 为每秒脉冲数 简称 PPS 風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙 首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率 而在选用功率步进电机时 首先要计算机械系统的负载转矩 电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证 其运行可靠 在实际工作过程中 各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内 一般地说最大静力矩 Mmax 大的电机 负载力矩大 其次应使步距角和机械系统匹配 这样可以得到机床所需的脉冲当量 在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量 一 是可以改变丝杆的导程 二是可以通过步进电机的细分驱动来完成 但细分只能改变其 分辨率 不改变其精度 精度是由电机的固有特性所决定 最后还应当估算机械负载 的负载惯量和机床要求的启动频率 使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的 余量 使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要 运行的最高频率与升速时 间的计算 由于电机的输出力矩随着频率的升高而下降 因此在最高频率时 电机特性 的输出力矩应能驱动负载 并留有足够的余量 灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹 所以 查 机械设计师手册 表 31 61 知 55BYG4 电机参数如表 3 1 选择 55BYG4 电机可以满足金相研磨抛光机的要求 铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝 表 3 1 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 9 360Nm400s2500s 3 5 抛光盘动力源电机的计算选择 伺服电动机又称执行电动机 在自动控制系统中 用作执行元件 把所收到的电信 号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出 分为直流和交流伺服电动机两大类 其主 要特点是 当信号电压为零时无自转现象 转速随着转矩的增加而匀速下降 伺服电机 内部的转子是永磁铁 驱动器控制的 U V W 三相电形成电磁场 转子在此磁场的作用下 转动 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器 驱动器根据反馈值与目标值进行比较 调整转子转动的角度 伺服电机的精度决定于编码器的精度 线数 攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸 本科毕业设计 论文 25 经对现在市面上大量的金相抛光机抛光盘转速调查 选择直流伺服电机转速 选择计算 因动力头对抛光盘产生的最大压力是 100 牛 抛光盘摩擦系数最大取 0 1 所以 转矩 T 100110 1100N 转速参数 n 300 500r min 趕輾雏纨颗锊讨跃满賺 1 0 mm 由公式 T 所以 P 0 058kW 查 机械设计师手册 表 31 n P9550000 9550000 5001100 59 选择 90SZ51 电机 表 3 4 1 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 min 所以 电机和抛光盘之间采用三角橡胶带传送 传送比为 1 3 在主轴周围设计了 一个方形承槽 上端用防水挡板与外壳固定在一起 水槽底部安装有排水管道 以排除 抛光时的污水 夹覡闾辁駁档驀迁锬減 3 6 带轮的计算选择 电机和抛光盘之间用窄 V 带传动 电机 P 80W 查表 8 6 的工作情况系数 K 1 1 故 A P K P 88W caA 根据 P n 电机转速 1500r min 由图 8 9 确定选择 Y 型 ca 由表 8 3 和 8 7 取主动带轮的基准直径为 d 26mm 1d 则从带轮的基准直径 d i d 3 78mm 2d1d 26 查表 8 7 取 d 80mm 2d 确定 V 带的基准长度和传动中心距 根据 0 7 d d 2 d d 初步确定中心距 a 53mm 1d2d 0 a 1d2d0 计算带所需的基准长度 本科毕业设计 论文 26 L 2 a d d 3 d 0 2 1d2d 0 2 1d2 4 d a dd 18 2 220mm 534 2680 8026 2 53 2 查 机械设计师手册 表 8 1 29 得 L 200 d 实际中心距 a a a 53 200 220 33mm 0 2 D LLd 计算 V 带的根数 z Z 3 19 la ca KKPP P 00 由 n 1500r min d 26mm i 3 查 机械设计师手册 表 8 1 33 得 P 0 04kw 1d0 K 0 96 则视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝 kwP01 0 89 0 K L Z 2 06 96 0 89 0 01 0 04 0 088 0 取 Z 3 根 本科毕业设计 论文 27 4 夹具的设计 安装槽螺栓挡板安装槽螺栓挡板 a b c 4 1 夹持盘 夹具 夹持盘 在保证抛光质量中起着十分重要的作用 夹持盘中试样安装槽是根据 试样形状和尺寸设计 常规试样以圆柱形 柱形和片状为主 因此设计了3种形状如图4 1所示 图a主要用于夹持长方形试样 长70mm 厚20 mm 图b主要用于装卡圆试样 试 本科毕业设计 论文 28 样大小为6 24 数量可有3 9块标准试样 图c主要用于夹持薄片状试样 每一夹板 内可以夹一组薄片状试样 不规则试样 尺寸极小的试样和带渗层的试样 由于占比例 不大 可采用镶嵌方法 为了使多块试样便于装卡在同一平面上 设计了一个装样平台 使试样装卡时凸出试样夹持盘平面3 mm 装卡时选用了内六角螺丝作为紧固螺钉 以防 试样在装卡时松动 偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠 5金相试样抛光机调速部分设计 5 1显示面板的设计 5 1输入与显示面板 本科毕业设计 论文 29 如图5 1 所示 液晶显示屏上实时显示三个抛光参数 时间 压力 转速 其中 时间采用分钟和秒显示 中间以冒号隔开 前两位为分钟数 后两位为秒数 压力和 转速分别采用3 位显示 000 999 当按下 参数设定 按键时 光标将在参数部位 开始时光标定位在时间的分钟部位 闪烁 每按一次 闪烁光标将移位一次 此时 可通过 或 按键调整各个参数值 这样 就可以根据实际需要设定不同的抛光 参数 当各参数设定完毕且正确后 按下 启动 键 抛光过程正式开始 抛光盘转 向 按键可以方便抛光过程中对抛光盘进行手动控制 停止 键可以及时中止抛光 以便于处理抛光过程中出现的一些意外状况和问题 緦徑铫膾龋轿级镗挢廟 5 2金相试样抛光机控制系统整体框架设计思想 5 2控制系统整体设计图 该控制系统可分为按键输入模块 液晶显示模块 监测系统模块 抛光机驱动模块 按键输入作为人机交互的输入端 操作人员可通过它来设置抛光时间 抛光盘转速 抛 光压力 核心处理器对按键输入的工作参数进行处理后 通过抛光机驱动模块来控制整 个抛光过程 抛光机监测系统可以实时监测 采集抛光机工作过程中的抛光压力和抛光 转速等抛光参数 并将采集的参数及时传递MCU进行分析 液晶显示模块作为人机交互的 输出端 可实时显示当前的转速 压力和抛光剩余时间 方便了工作人员操作 所以 本科毕业设计 论文 30 该控制系统主要用来实现抛光参数界面设置 按照设置的抛光参数自动完成抛光作业 并对抛光状态进行实时监视的功能 驱动系统控制动力头上升和下降 由压力监测系统 将压力传回MCU 抛光盘电机的转速由转速监测系统传回MCU 从而形成完整的闭环控制 系统 騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼 5 3 伺服电机的调速研究 调速系统是最基本的拖动控制系统 本系统研究的是直流伺服电动机 其转速和其 他参量关系可表示为 N 5 e K IRU