TEM脆性材料样品磁流变自动减薄机机床设计xxx

1、 HUNAN UNIVERSITY毕业设计(论文)设计论文题目：TEM脆性材料薄片样品磁流变自动减薄机机床设计学生姓名：学生学号：专业班级：学院名称：指导老师：学院院长：2015 年6 月 9日湖 南 大 学毕业论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在老师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名：日期：200 年 月 日毕业论文版权使用授权书本毕业论文作者完全了解学校有关保留、使用论文的

2、规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本论文。本论文属于1、保密 ，在_年解密后适用本授权书。2、不保密。（请在以上相应方框内打“”）学 生签名：日期：200 年 月 日指导教师签名：日期：200 年 月 日湖南大学毕业设计(论文)第 页第 页湖南大学毕业设计(论文)TEM脆性材料薄片样品磁流变自动减薄机机床设计摘 要 本文是以TEM脆性材料薄片样品磁流变试验台作为研究对象，运用磁流变光整加工技术（Magnetorheological

3、 finishing，MRF）设计一款磁流变自动减薄机的机床。主要进行X、Y、Z轴进给工作台机械结构设计,X、Y、Z轴进给工作台自动控制设计，机床立柱、导轨、床身设计。其中主要涉及的是X、Y、Z轴的滚珠丝杠的计算选型，以及步进电机的选型设计。根据给定的参数，进行具体的计算，再逐步对所选部件完成强度、刚度校核，验证部件的可靠性，提高机床的工作台精度。采用滑动导轨, 摩擦系数小，反应速度快，动态响应好。进给传动采用螺母滚珠丝杠，确保高定位精度。运用可编程控制器PLC控制X、Y、Z三轴的进给运动，调整研抛头与TEM样品之间的抛光间隙，然后利用研抛头的磁流变液在磁场作用下产生的剪切力来减薄TEM脆性材

4、料薄片样品，减少亚表面损伤，获得高精度的TEM脆性材料薄片样品。同时降低人工劳动强度，提高产品的生产效率。关键词：磁流变光整加工技术（MRF），TEM样品制样技术，X、Y、Z轴工作台进给， PLC控制AbstractIn this paper, the magnetic rheological and rheological axis of the TEM sample is used as the object of study, and a magnetic rheology automatic thinning machine is designed.Mainly carries on

5、the X、 Y、 Z axis feed mechanical structure design,X、 Y、 Z axis feed and Taiwan automatic control design, machine tool column, guide, bed design. Which mainly involved in the calculation of the ball screw of X、 Y、 Z axis, and the design of the stepping motor.According to the given parameters, th

6、e specific calculation, and then gradually to the selected parts of the strength, stiffness, verify the reliability of the components, improve the accuracy of machine tools. Linear rolling guide, friction coefficient is small, fast response, good dynamic response. Feed drive adopts double

7、nut ball screw to ensure high position accuracy.Using programming PLC control of X、 Y、 Z triaxial feed movement, adjust the polishing wheel and the TEM sample between the gap with magneto rheological fluid under the magnetic field generated shear force to flat sample thin, reduce the subsurface dama

8、ge and improve precision sheet samples. At the same time reduce labor intensity, improve the production efficiency of the product.Key words: Magnetorheological finishing, The sample preparation of Transmission electron microscope, X、Y、Z axis table feed, PLC control 湖南大学毕业设计(论文) 第 页目 录1绪论11.1课题背

9、景及目的11.1.1 透射电子显微镜样品制备方法11.1.2 磁流变光整加工技术（MRF）31.2 国内外研究现状和发展趋势31.2.1 国内TEM样品制备技术41.2.2 国外TEM样品制备技术51.3 研究目的及意义61.4 技术难点及解决方案71.5本文主要研究内容92磁流变自动减薄机总体方案设计102.1 设计要求102.2 总体方案112.3 X、Y轴进给工作台设计122.4 滚珠丝杠副的计算132.5 Z轴进给工作台设计272.6 X、Y、Z轴步进电机选型设计292.7 本章小结333.磁流变自动减薄机其他有关零部件设计343.1 支撑件设计343.2 导轨设计363.3 立柱设计

10、383.4 滚珠丝杠副的装配设计453.3 本章小结464.基于PLC的磁流变自动减薄机的控制设计474.1 磁流变自动减薄机电路控制分析474.2 磁流变自动减薄机元件选型504.3 磁流变自动减薄机控制梯形图设计51结论52致谢53参考文献54第 66 页 湖南大学毕业设计(论文) 1绪论1.1课题背景及目的1.1.1 透射电子显微镜样品制备方法(Transmission Electron Microscope,简称TEM)，指能看清的0.2nm的细微结构。原理:是把经加速和聚集的电子束投射到非常薄的样品上，电子与样品中的原子碰撞而改变方向，从而产生立体角散射。硅片的TEM图像如图1.1，

11、透射电子显微镜如图1.2。 图1.1 硅片的TEM图像 图1.2 透射电子显微镜TEM块体样品要求：透射电子束一般能穿透厚度100nm的薄层样品，由于电子束的穿透能力比较低、散射能力强；块体样品的制备是材料加工成型的过程，因此，要充分考虑材料本身的特性；透射电镜样品台只可放入直径3mm的圆片。实验中应用较为广泛的是使用块体样品进行TEM检验，但其中以脆性材料样品的制样工序最为麻烦，如图1.3。因为透射电子束一般穿透厚度为100nm以下的薄层样品，而且透射电镜样品台只能放入直径3mm的圆片，因此以脆性材料样品为例，TEM脆性材料薄片样品制备由圆片切割、单面抛光、凹坑、离子减薄大概四个工序组成 王

12、燕飞. 脆性材料界面透射电镜样品的制备J. 理化检验(物理册) ，2011 第4期 P225-228，制样工序制备流程如表1.1所示。··图1.3 脆性材料的加工特点及流程表1.1 脆性样品制样流程示意图圆片切割单面抛光打凹坑离子减薄脆性材料样品3mm单面抛光中心厚度1030m几纳米到几十纳米的薄区在样品的制备过程中，单面抛光和凹坑研磨工序采用人手操作，目的是为了减少机械研磨的损坏，但由此带来的问题是样品的制备效率低下，人工费时的问题。同时，样品在使用的过程中易破碎，人工研磨 陈国新. 透射电子显微镜样品制备技术J. 中科院宁波材料所.的凹坑薄区较小，使得人工研磨不利于验室

13、脆性材料样品TEM实验进行。凹坑后的样品如图1.5，凹坑中心厚度在10-30微米。 图1.5 凹坑后的样品1.1.2 磁流变光整加工技术（MRF）磁流变抛光是具有一定柔性的确定性去除的抛光方法，可获得极高的表面质量 张峰，余景池. 磁流变抛光技术J. 精密工程学报.。磁流变光整加工技术利用磁流变液在磁场中形成的柔性“小磨头”对工件表面进行抛光，属于软抛光方法 仇中军，张飞虎，董申. 光学玻璃研抛用磁流变液的研究J. 光学技术. 2002(06)，加工原理如图1.6所示. 图1.6 传统磁流变光整加工原理磁流变研磨抛光加工原理，是指液体状的磁流变液在磁场激励下，铁粉聚合成链，磨粒从游离状态聚合在

14、磁链中，在与工件表面接触区域产生较大剪切力，从而实现材料的去除 孙希威. 磁流变抛光机床数控系统关键技术研究D.黑龙江：哈尔滨工业大学，2006.，使工件获得很高的加工精度和很低的表面粗糙度。工件位于运动轮下方，并与运动轮有一个很小的固定距离。位于工件下方的电磁铁在运动轮与工件之间的狭小间隙产生一个高梯度磁场。磁流变液经过循环装置后，喷射到运动轮上，当磁流变液传送到该汇集间隙附近时，高强度磁场的存在令磁流变液流变性剧变，这样具有一定运动速度的黏塑性宾汉流体在与工件表面接触的区域内产生剪切力。调整工件的运动参数，即可令工件的表面材料被光滑地去除。与传统光学磨抛技术等硬加工方法比较，磁流变光整加工

15、技术具有切入量小，加工表面无刮伤痕迹，无亚表面损伤等特点，它是一种可控的、确定的光整加工技术 司鹄，彭向和. 磁流变材料的流变性能研究J. 材料科学与工程. 2002(01)。由于现今技术的发展，光学零件与超精密模具等表面质量要求高的精密零件需求大，而采用磁流变光整加工工艺能较好地完成抛光精密零件的目标，因而该技术的应用前景非常可观。磁流变光整加工技术具有以下优点：(1)适用于加工任何表面不同的工件，不论、表面粗糙度及几何形状变化，及对称关系 王琪民，徐国梁，金建峰. 磁流变液的流变性能及其工程应用J. 中国机械工程. 2002(03)；(2)磁流变液在研磨抛光中能反复使用，因此不存在不确定因

16、素如研磨头磨损、研磨温度变高的问题。(3)研磨头是柔性的，其硬度通过磁场控制可以使工件获得更高质量的加工精度，工件也不会存在机械研磨中造成的亚表面损伤。(4)磁流变光整加工技术提供了一种可以准确控制材料去除量的确定性加工方法，控制工艺参数可以精确地控制加工后的光学零件表面精度。1.2国内外研究现状和发展趋势1.2.1 国内TEM样品制备技术TEM常规样品制备技术现以国内的GatanTEM样品制备技术系统尤为成熟 汪建晓，孟光. 磁流变液研究进展J. 航空学报. 2002(01)。见图1.7，通过提供全套设备，设计显微镜观察，微调机构辅助，提高加工TEM薄片样品的效率。TEM样品制备过程及使用仪

17、器如图1.8所示。 图1.7 GatanTEM样品制备设备展示图1.8 Gantan系列机床的制备流程1.2.2 国外TEM样品制备技术国外已经实现磁流变抛光技术商业化，尤其以QED公司的磁流变抛光技术应用化程度最高，开出了一系列能够加工尺寸范围为50mm到1000mm的非球面、平面、球面、大尺寸棱镜等各种基本形状的磁流变抛光机床 QED TechnologiesOL.Q22-750P2 2011-08-86,MRF Machine. 。图1.9为QED公司开发出的倒置式抛光头式的Q22-750P2磁流变抛光机床，它可以加工750mm x1000mm的光学平面。Prokhorov等人对磁流变抛

18、光也进行了研究，对硬脆材料的抛光实验研究出不同抛光参数对表面粗糙度加和工效率的影响 W. I. Kordonski, D. Golini. Fundamentals of Magnetorheological Fluid Utilization in High Precision Finishing , Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, 1999,10（9）:683-689.，从理论上证明了磁流变抛光的可行性。德国的Deggendorf研究磁流变液中PH值的变化值 V. K. Jain Sunil Jha. Des

19、ign and Development of the Magnetorheological Abrasive Flow Finishing (MRAFF) Process，Machine Tools & Manufacture，2004，44:1019-1029.。在Q22系列机床基础上改进研磨液循环系统，印度理工大学Sunil Jha Winslow WM.Induced Vibrations of Suspensions. Journal of Applied Physics . 1949等人利用磁流变液的流动，磁流变加工能处理各种复杂的腔体内表面，并获得纳米级的表面质量；图1.1

20、0(a)为德国菲博士磁流变固磨料抛光抛光机，其功率为150 KW，能够加工各种集合形状的工件。韩国仁荷大学的KIM等研制了如图1.10(b)所示的磁流变液研磨抛光平台 Pritschow G,Daniel Ch,Junghans G,Sperling W."Open System Controllers-A Chanllenge for the future of the Machine Toll Industry". CIRP Annals 1993 Manufacturing Technology . 1993，并对BK7玻璃进行大量的基础实验，最终获得了表面粗糙度Ra

21、为3.8nm的光滑表面。 图1.9 QED公司Q22-750P2倒置式抛光机床 图1.10（a）德国MSF抛光机 （b）韩国抛光平台1.3 研究目的及意义TEM样品 ZHANG X,ZHANG Z.Advanced techniques in TEM specimen preparation. Progress in Transmission Electron Microscopy:Concepts and Techniques . 2001在透射电子显微镜中具有重要作用，电子束的穿透能力比较低，散射能力比较强，必须将其制成30m左右的超薄切片，脆性材料如陶瓷、半导体等材料容易开裂，磨样时要轻

22、柔。研磨精度要求高、研磨要柔和。传统TEM脆性材料薄片样品制备技术面临几个难点：凹坑打磨步骤中脆性样品损坏率高，使用机械研磨方法，因脆性样品晶体结构不一致，容易受到破碎，同时也产生亚表面损伤，使上表面质量变差，导致离子减薄时离子束射入速度有差异，提高实验观察难度；使用人工研磨方法，固然能减少引入的机械划痕，但人手操作会增加工件加工程度不确定性,操控不当会产生形变甚至穿孔等机械损伤；以已有的研究发现，凹坑打磨工序花费时间长，一小时的加工量以技术员的能力为主要因素，即人工操作时间长。所以现今的TEM脆性材料薄片样品制备技术的效率难以满足实验需要的TEM脆性材料薄片样品 东莞市辉碟自动化科技有限公司

23、数控磁流变抛光机床OL http：/。利用磁流体本身所具有的液体流动性和磁性，保持磨料和样品的相对运动，来研磨和平坦元件，可以降低样品亚表面损伤、样品开裂。设计一款磁流变自动减薄机机床，可以解决人工效率低下、样品装夹过程不准确，磨粉、磨液人工添加费时费力的问题，实现在研磨过程中自动监控、自动添加搅拌的作用。为进一步磁流变样品研磨的研究奠定基础。综合国内和国外的样品制备技术发展，可以得出，国内的传统的制备方法是无法适应实验室样品制备发展需求。然而，国外技术发展较国内已相当成熟，因此存在学习磁流变研磨抛光理论的重要性，加大实践的力度，设计一款磁流变自动减薄机机床，以此来为后续的实验研究打下基础，也

24、为缩小国内和国外的设备制造差距做出努力。1.4 技术难点及解决方案为更好设计出磁流变自动减薄机机床，前期做了一些实验，搭建了简易的工作台。前期主要完成的是磁流变的斜轴抛光实验，如图1.11。图1.11 斜轴磁流变抛光样品实验前期绘制了磁流变自动减薄机试验台的草图，为磁流变自动减薄机机床设计奠定良好基础，如图1.12。 图1.12 磁流变自动减薄机斜轴试验台中期进行磁流变自动减薄机设计中，发现设计和草图试验台类似的机床，不具有实际价值。因此，按照典型的立式铣床、立式磨床来设计一款既可以满足实验室基本要求、又实用的磁流变自动减薄机。后面经过分析和讨论，设计一款磁流变自动减薄机机床存在的重点是：X轴

25、进给工作台设计、Y轴进给工作台设计、Z轴进给工作台设计、床身设计、立柱设计、导轨设计、三轴进给自动控制设计。难点是：三轴进给工作台设计、三轴进给自动控制设计。由于材料的去除模型不易确定，磁流变液的粘度对于压力的影响，研抛头与工件表面的研磨压力无法监测，自动进给设计存在一定困难。在工作进行的同时，同组设计人员设计出一种研抛头，可以将研抛头整体部分固定在Z轴进给工作台上，带动研抛头做上下运动，通过调整研抛头与工件间隙来研磨抛光薄片样品。如图1.13所示。图1.13 磁流变自动减薄机研抛头只要Z轴上安装拖板可以带动磁流变减薄机的研抛头上下轮动，实现磁流变液在磁场作用下对于薄片样品的研磨抛光。磁流变液

26、在研抛头做圆周运动时，随着研抛头做循环往复运转。通过间隙的调整不断来平坦元件，降低如其他机械加工带来的亚表面损伤。 1.5本文主要研究内容1 根据典型立式铣床、磨床等机床的基本结构和磁流变自动减薄机的设计要求，利用机械设计的基本知识进行初步计算和设计，实现磁流变减薄机小型机床的自动进给机械结构设计。2 根据自动控制原理，对减薄机的工作台进给部分进行设计，完成电机选型设计，满足减薄机快速进给、快速移动的设计要求，为进一步样机设计、实验室数据获取奠定基础。2 磁流变自动减薄机总体方案设计本章主要对磁流变自动减薄机的X、Y轴自动进给工作、Z轴进给工作台 成大先主编.机械设计手册M. 化学工

27、业出版社, 2004、进给步进电机选型计算进行设计说明。2.1 设计要求技术参数1.立柱高度：750mm2.研抛头平面尺寸：260 300mm3. 研抛头至X轴工作台距离：最大380mm 最小100mm4. 研抛头至立柱距离：270mm5. X轴工作台至立柱距离：最大70mm 最小20mm6. 研抛头转速范围：0-500rpm7.各轴丝杠行程：X 420mm Y 320mm Z 470mm8.加工进给速度：6 m/min9. X、Y轴进给步进电机 王爱玲主编.现代数控机床M. 国防工业出版社, 2003：0-800rpm10.Z轴进给步进电机：0-1000rpm11.定位精度：±1

28、要求高速高效，结构简单可靠，功能强大，性能稳定，精度较高，可用于研磨抛光TEM样品薄片等。2.2总体方案草图6图2.1 总体方案侧视图54321 图2.2 总体方案主视图1. 床身 2.X轴进给工作台 3.监视器 4.Z轴进给工作台 5.立柱 6.Z轴进给工作台磁流变自动减薄机总体设计方案，如图2.1和图2.2。TEM脆性材料薄片样品磁流变自动减薄机总体装配图，如图2.3。图2.3 TEM脆性材料薄片样品磁流变自动减薄机总体装配图2.3 X、Y轴进给工作台设计微小型铣削类机床，采用伺服电机 林宋,田建君编著.现代数控机床M. 化学工业出版社, 2003+滚珠丝杆驱动方式;对于磁流变减薄机，可类

29、似采用步进电机+滚珠丝杠方式。不同切削方式下，纵向切削力、垂向切削力、进给速度、工作时间百分比、丝杠轴向载荷、丝杠转速等参数，如表2.1、2.2所示。不同机械的工作寿命如表2.3所示。表2.1 不同切削方式下，纵向切削力等参数变化切削方式纵向切削力Pxi(N)纵向切削力Pxi(N)进给速度Vi(m/min)工作时间百分比%丝杠轴向载荷(N)丝杠转速r/min强力切削200012000.6101060一般切削10002000.830185080精切削5002001501320100快速进给006108001500表2.2不同切削方式下，切削负载、进给速度等参数变化切削方式切削负载（N）进给速度V

30、（mm/s）使用时间比例t（%）丝杆轴向载荷F（N）纵向切削力Fx垂向切削力Fy重切削1580.052056一般切削1040.13051轻切削520.52045快速进给00103040表2.3不同类型机械的工作寿命机械类型Lh（小时）普通机械500010000数控机床20000精密机床20000测试机床15000航空机械1000磁流变自动减薄机的水平方向为X、Y轴，功能要求如下：1、 力学条件:工作台重量 W1=200N、工件及夹具最大重量 W2=200N、工作台导轨的摩擦 系数：静摩擦系数0=0.2，动摩擦系数1=0.1 2、 运动学条件:有效行程不高于500mm 、工作台快速进给速度 Vm

31、ax=6m/min，达到最高 速度的加速时间不高于0.2s3、 寿命条件：要求寿命20000小时（两班制工作十年）4、 精度、轴向间隙的选定：定位精度 1 、重复定位精度±1 X轴工作台叠放在Y轴工作台之上。2.4滚珠丝杠副的计算1) 滚珠丝杠副的导程计算 庄晓龙. C525立式车床的数控化改造D.浙江：浙江工业大学，2006.根据伺服电机的最高转速Nmax，工作台的最高传送速度Vmax可计算出导程 (2.1) 滚珠丝杠副的导程 mm：工作台最高移动速度 m/min : 电机最高转速 r/min i : 传动比因电机与丝杠直联，i=1由表2.1查得代入得，2）当量转速与当量载荷计算

32、王万新,姚俊红,冯瑞宁. 机床改造中滚珠丝杠的选择研究J. 德州学院学报. 2006(03)a.在任何方式下，滚珠丝杠的转速 (2.2)：丝杠转速 r/min i=1,2.,n：进给速度 m/min i=1,2.,n由表2.1查得，代入得，b.在任何方式下，滚珠丝杠的轴向载荷 (2.3):滚珠丝杠的轴向载荷：滚珠丝杠的纵向切削力：滚珠丝杠的垂向切削力由表2.1查得，已知：代入得，3) 当量转速计算表2.4不同轴向负载下转数、使用时间比例变化轴向负载转数使用时间比例（N）（min-1）（%）F1n1t1F2n2t2Fmnmtm (2.4)：当量转速 r/min:使用时间百分比查表2.4得，代入得

33、4) 当量载荷计算 (2.5)：当量载荷代入得，5） 滚珠丝杠的额定动载荷预期值计算表2.5不同程度冲击下，fw 参数振动、冲击速度（V）fw微小微速时，V0.25m/s11.2小低速时，0.25V1m/s1.21.5中中速时，1V2m/s1.22大高速时，V2m/s23.5表2.6不同精度等级下，fa 参数精度等级1,2,34,5,6710fa1.00.90.7表2.7不同可靠性下，Fc 参数可靠性%909593979899Fe10.620.530.440.330.21表2.8 不同预载情况下，fe参数预加负荷类型轻预载中预载重预载fea.按预期工作时间估算 (2.6):预

34、期额定动载荷按表2.5查得：轻微冲击取 fw=1.3按表2.6查得：13取按表2.7查得：可靠性97%取fc=0.44已知：Lh=20000小时代入得，b.拟采用滚珠丝杠副 朱金鑫. X6132铣床纵向滚珠丝杠副的设计J. 武汉船舶职业技术学院学报. 2006(04)方法，负载最大值Fmax计算： (2.7)按表2.8查得：中负荷类型预载取 Fe=4.5代入得，取以上最大值6）计算最小滚珠丝杠螺纹底径 张艳阳. 一种数控纵横锯边机的设计D.山东：山东轻工业学院，2012.a. 估算滚珠丝杠产生的轴向变形量最大值（按精度要求确定允许的丝杆螺纹底径最小值）1 （1/31/4）重复定位情况下精度值2

35、 （1/41/5）一般情况的定位精度值：轴向变形量最大值µm由重复定位情况下精度值10µm, 一般情况下的定位精度值25µm1.2.取两种结果的最小值µmb.滚珠丝杠螺纹底径最小值估算滚珠丝杠应该经过预拉伸，选择支承形式为两端固定。 (2.8)：滚珠丝杠底径最小值mm 行程+静摩擦力：已知：行程为500mm,代入得，滚珠丝杠副的规范选择a.内浮动法兰，直筒双螺母垫片b.计算出的在手册中选择合适的滚珠丝杠副型号FFZD2004-38) 预紧力计算 (2.9)其中，9） 行程补偿值与拉伸力计算a.行程补偿值计算 (2.10)式中： 温差取2.5b.预拉伸力

36、(2.11)代入得10）支承用的轴承规格、代号 李中华. 机床的数控改造及应用D. 华北电力大学（河北） 2006a.轴承所承受的最大轴向载荷 (2.12)代入得，b.轴承类型选择两端固定的支承形式，选背对背60°角接触推力球轴承c.轴承内径计算d 略小于取代入得，d.轴承预紧力计算预加负荷e.轴承型号规格选择当d=15mm，   预加负荷为：FBP所以选7602020-TVP推力角接触球轴承TVP- 玻璃纤维增强聚酰胺窗式实体保持架，钢球引导。单向，接触角 = 60°，限制公差主要参数如下：图2.1 602015-TVP推力角接触球轴承示意图 表2.9

37、 602015-TVP推力角接触球轴承主要参数主要参数数值d（mm）20D（mm）35B（mm）11a（mm）28Da12(mm)30da12（mm）20.5ra（mm）0.6rmin（mm）0.6质量m（kg）0.052轴向基本额定动载荷Ca（N）13100轴向基本额定静载荷C0a（N）24700动态最大轴向力Famax（N）6300脂润滑时的极限转速n（rpm）6700最少油润滑时的极限转速n（rpm）9000预载Fv(N)1300摩擦力矩Mr（N·mm）20轴向疲劳极限载荷Cua（N）2220预加负荷为：11 )滚珠丝杠副工作图设计计算 表2.10不同公称导程下的余程公称导程4

38、56810121620余程（Le）1620243240425060a.丝杠螺纹长度Ls：Ls=Lu+2Le   由表2.11查得余程Le=40b.两固定支承距离L1参照表格查出螺母安装联接尺寸，丝杠全长Lc.行程起点离固定支承距离L0由工作图得，Ls=380L1=42L0=30L=45012 ) 传动系统刚度计算表2.10不同支承方式下的参数支承方式简 图K2f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9a.丝杠抗压刚度计算 (2.13)b.丝杠最小抗压刚度计算 ：最小抗压刚度 

39、 d2：丝杠底径L1：固定支承距离=276 c.丝杠最大抗压刚度计算 (2.14)：最大抗压刚度 d.支承轴承组合刚度计算 邱峰. 桌面式微小铣床结构设计与仿真分析锯边机的设计D.吉林：长春理工大学，2009.一对预紧滚珠丝杠装配的轴承组合刚度值： (2.15)：一对预紧滚珠丝杠装配的轴承组合刚度值 ：滚珠直径  mmZ ：滚珠数：轴承轴向工作载荷最大值  N ：接触角大小由手册查出7602015-TVP轴承是预加载荷的2倍， Z=17 ：支承轴承座刚度值e.滚珠和滚道接触刚度值计算 (2.16)：滚珠及滚道接触刚度值：查手册上的刚度 ：预紧力 N：动载

40、荷额定值 N 代入得，13) 刚度验证计算及精度选择 董建国. 数控机床伺服系统刚度对定位精度影响的研究D. 兰州理工大学 2007a.刚度最大、最小值计算 (2.17)代入得， （2.18）代入得，b.系统刚度值验证计算 （2.19）：系统刚度N 在反向差值情况下的重复定位精度大小为10代入得，c.系统刚度变动造成的定位误差 （2.20） d.精度计算 ：在300mm内的行程变动量，定位精度-代入得，因此滚珠丝杠精度选择为等级3e.滚珠丝杠副的规格代号确定已确定的型号：FFZD2004-3公称直径：20    导程：4螺纹长度：420丝杠全长：450P类3级精度

41、FFZD2004-3-P3   /420×45014)临界压缩载荷验证计算  Fc ：2900 N丝杠所受最大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力F不用验算。15 ) 验算临界转速 （2.21）:临界转速  n/minf ：与支承形式有关的系数：丝杠底径：临界转速计算长度  mm查表2.1得，2.5 Z轴进给工作台设计 竖直方向为Z轴, 功能要求如下:1 力学条件 李园. 基于西门子SINUMERIK 802S的CA6140车床数控化改造D. 浙江工业大学 2007:工作台重量 Wz1=200N (约20Kg)；Z轴最大承重WY

42、2=300N (约30Kg) (主要是研抛头电机等部件的重量)；导向面无负载时的阻力f=5N；工作台导轨的摩擦系数：静摩擦系数0=0.2，动摩擦系数1=0.1 ；上升加速时的轴向力F = 806 N。表2.10 Z轴不同工作状态的切削负载工作状态切削负载（N）进给速度V（mm/s）使用时间比例t（%）丝杆轴向载荷F（N）轴向切削力FZX/Y向切削力FX/FY重切削815/12020816一般切削410/8040811轻切削25/3020808快速进给0015208052 运动学条件:有效行程不高于600mm ，工作台快速进给速Vmax=15m/min，达到最高速度的加速时间不高于0.2s。3

43、寿命条件：要求寿命20000小时（两班制工作十年）（4）精度、轴向间隙的选定：定位精度 1、重复定位精度±1 Z轴进给工作台设计计算和X、Y轴类似，由于时间问题，不再赘述。给出Z轴设计三维图片。如图2.3.图2.3 Z轴进给工作台三维建模图2.6 X、Y、Z轴步进电机选型设计1）负载力矩的计算 范超毅. 步进电机的选型与计算J.机械与液压.2008.a.负载力矩切削值的计算 （2.22）式中: 切削时丝杠轴向负载力,N；L 电机每转一圈时执行件轴向移动距离, m; 传动系统的总效率, = 0.9。已知：，b.负载力矩切削值 的计算 （2.23）式中: 不切削时丝杠的轴向负载力 (即为

44、空载时的导轨摩擦力 ), N。已知：,c.滚珠丝杠预紧的附加负载力矩的计算 （2.24）式中: 为丝杠预紧力, N; 丝杠螺母副基本导程, m; 为滚珠丝杠螺母副的效率, 取 = 0.96。已知：,2)电机轴负载力矩 的计算空载（快进）时，切削（工进）时，a.电机轴的加速力矩计算 （2.25）已知：，式中: 最快速度运动电机最高转速, r/m in; 电机转动惯量, kg.cm2 ; 折算到电机轴负载惯量, kg.cm2 ; ta反应时间.b.计算折算到电机轴上的加速力矩1.空载时启动加速力矩值 （2.26）2. 切削时加速力矩值 （2.27）3)最大静力矩的确定：取步进电机为4相 王莉. 全

45、自动组织脱水机控制系统及用户界面的研制D.湖北：华中科技大学，2005.，运行拍数为4拍，如表2.11则再由公式，则最大静力矩表2.11 系统空载启动力矩与所需步进电机最大静力矩的关系步进电机的相数33445566运行拍数Tq/Ts130.560.86640.70780.70750.809100.95160.866120.8664）最大运行频率计算 （2.28）已知，5） 步距角的选择根据计算出的负载力矩和磁流变自动减薄机研磨抛光柔性特点，选择步距角较小、较柔和的步进电机。因此X、Y轴进给工作台选择步距角为1.8°，型号为42HS3404A4的步进电机，主要参数如表2.12.表2.1

46、2 42HS3404A4的主要参数型号步距角(°)电流(A)电阻()电感(mH)静力矩(N.cm)定位力矩(N.cm)转动惯量(g.cm2)机身长L(mm)引线数(NO.)重量(g)42HS3404A41.80.43035281.634344220考虑Z轴在上下进给，带动拖板过程中平稳运动，且便于细微调整工作台薄片样本与研抛头间隙，需要步进电机接收到的电脉冲指令驱动的电机运转角度更小，更精密，因此选用步距角0.9°，型号为42HAP34BL4-TRO的步进电机。主要参数如表2.13.如图2.4 为X、Y、Z轴进给工作台装配图2.4 X、Y、Z轴进给工作台装配图2.8本章小结

47、本章用了较长的篇幅，进行X、Y、Z轴三轴进给工作台的设计和计算，其中从滚珠丝杠副的导程开始，进行了一系列当量载荷、当量转速、额定动载荷、滚珠丝杠底径的计算，依据滚珠丝杠的行程和底径选择了合适的轴承，完成正确的安装方式计算。最后依据丝杠的转速和进给工作台的精度要求，进行了步进电机的相关计算，完成步进电机的选型。从而完成磁流变自动减薄机的三轴进给工作台的结构设计。在此过程中，理论和实践结合，使得知识运用更加熟练。Y轴进给工作台叠放在X轴进给工作台上，带动工件做水平方向的前后左右运动，Z轴进给工作台上面安装拖板，带动磁流变自动减薄机研抛头和电机主体部分做上下移动，缓慢调整研抛头和工件间隙，减薄TEM脆性材料薄片样品。表2.13 42HAP34BL4-TRO的主要参数型号42HBP47BL4-TRO42HBS48BJ4-TRO42HAP34BL4-TRO42HAP40BL4-TRO相数2222步距角 1 .8° 1.8° 0.9° 0.9°静转矩0.33电流（A）31.5相电阻（）1.828.52.02.4相电感（mH）4.5804.54.0机（mm）474