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青島農(nóng)業(yè)大學海都學院本科畢業(yè)設計（論文）
1 緒論
1.1設計的目的和意義
材料是人類生產(chǎn)和生活的物質基礎，它可以直接反映出人類文明的程度。金屬材料的力學性能不僅與它的化學成分有關，也與它的組織結構有著密切的關系。了解它們之間的關系并掌握它們之間的變化規(guī)律，進行正確的金相分析是有效使用材料所必需的。
要進行金相分析，就必須制備能用于微觀觀察檢驗的樣品—金相試樣。通常，金相試樣制備要經(jīng)過以下幾個步驟：取樣、鑲嵌、磨光(粗磨和細磨)和拋光。每項操作都必須嚴格細心因為任何階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，從而得出錯誤的結論。金相試樣的制備是通過切割機、鑲嵌機、磨/拋光機來完成的。
金相試樣的最終質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械拋光、電解拋光、化學拋光以及復合拋光等。機械拋光是現(xiàn)階段應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，可以提高制樣效率和質量，減少試樣廢品率，從而降低成本，提高經(jīng)濟效益，獲得樣品質量的高度一致性。
1.2金相試樣拋光機的國內外研究狀況
1.2.1國外拋光機的性能與特點
目前，國外生產(chǎn)金相設備的廠家主要有丹麥的struers公司和美國的buehler公司．拋光機是他們的主要產(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)可以適應不同的操作環(huán)境。這些系統(tǒng)一般由一個或幾個制備單元組成，每個單元包括研磨平臺、清潔平臺、干燥平臺，可以高效快速的完成制備任務。buehler公司的產(chǎn)品從研磨到最后拋光整個過程全自動完成，可以設置50個常用工作程序，操作界面友好， 彩色液晶顯示，觸摸式操作，整個過程的每個工序之間都進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性，操作過程的全自動化模式，節(jié)省了人工并有效的提高了效率與質量。上述兩家公司的產(chǎn)品價格昂貴，每臺價值均在10000美元以上，耗資巨大且配件消耗和材料仍需進口，不適合我國國情。
1.2.2國內拋光機的性能與特點
國內目前其它廠家的產(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，而且會繼續(xù)增厚形變擾動層，對快速拋光好試樣帶來麻煩；拋光盤轉速固定不變。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．拋光后試樣表面應光亮如鏡，無磨痕，為此不同性質的材料，需采取不同措施。如：拋光鑄鐵試樣時，試樣在拋光過程中應不斷旋轉，盡量縮短拋光時間。而拋光鋁制試樣時，需采用較輕的壓力和適當?shù)霓D速(400r／min)方可保證不出現(xiàn)變形層{有的機型則采取變頻無級變速1000r／min～50r／min，轉速數(shù)字顯示，但拋光為手動操作，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，準確性和再現(xiàn)性均不易保證。如南京測控科學器材設各有限公司的變頻調速拋光機，上海金相機械設備有限公司PW-I金相試樣拋光機。
1.2.3討論
縱觀國內外拋光機的狀況，國內研發(fā)的拋光機在性能和外觀等方面還存在一定差距。例如，國內研制的拋光機多數(shù)機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，而且會繼續(xù)增厚形變擾動層，對快速拋光好試樣帶來麻煩；拋光盤轉速固定不變，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，拋光后試樣表面應光亮如鏡、無磨痕。為此，不同性質的材料，需采取不同措施。而國外研制的全自動拋光機，能夠自動控制冷卻液的流量，整個操作過程采用全自動化模式，節(jié)省了人工并有效地提高了研究效率與質量。
2 金相試樣拋光機設計思想及方案確定
2.1設計要求
金相試樣拋光機對機械設計的要求有：精度高、運行平穩(wěn)、工作可靠，具有良好的伺服性能。面對傳動機構則要求：轉動慣量小，以減小機械負載，避免對系統(tǒng)造成不良影響；剛度大，有利于減小動力損失，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。
金相試樣拋光機對控制系統(tǒng)的要求有：能對壓力進行控制。因為試樣拋光過程要求動力頭能帶動夾具上升和下降．實現(xiàn)壓力增大和減小；能夠按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力；磨拋一定時間后能自動降低夾具上的彈性力。能對時間進行控制。拋光時間過長，試樣質量無法保證，時間過短達不到拋光質量。能對拋光速度控制。對不同材質的試樣，需不同的拋光速度，方可保證材料的真實組織。
2.2金相試樣拋光機整體方案的確定
2.2.1金相試樣拋光機類型分析
拋光按其原理可以分為機械拋光，電解拋光，化學拋光，以及復合拋光。
(1)機械拋光
機械拋光是現(xiàn)階段應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
電解拋光是對難以用機械方法拋光的金屬試樣進行拋光的重要手段，它可以克服金屬干擾層和機械巒晶假象等問題，對于用極低負荷的顯微硬度實驗的樣品或透射電鏡的薄膜試樣特別有用。但每種金屬和臺金所使用的拋光液和電解規(guī)范不同，因此需要進行相當數(shù)量的試驗工作來確定電解拋光規(guī)范。
(3)化學拋光
化學拋光是完全依靠化學藥劑的腐蝕作用而得到光亮的拋光表面。這種方法操作簡便，不需要復雜的機械和電解設備，只需要選擇適合的化學拋光液和試驗最佳拋光規(guī)范?；瘜W拋光的速度低，拋光后的磨面，表面光滑但形成起伏的波形，不能達到十分平整的要求。
綜合考慮各種拋光的優(yōu)缺點，本系統(tǒng)采用機械拋光。
2.2.2金相試樣拋光機方案比較
第一種設計方案：自動減加壓機械裝置的設計，利用步進電機作為此裝置的動力源，通過一個比例為1:1的齒輪箱與動力頭相接。動力頭采用滾珠螺旋傳動，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向輔助件構成閉合回路，以備滾珠連續(xù)循環(huán)。當步進電機逆時針轉時，帶動齒輪轉動，齒輪轉動帶動固定在其上的螺母旋轉，從而使螺桿下移，按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內自行調節(jié);驅動夾具旋轉，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉時，帶動螺桿上移，實現(xiàn)對工件的減壓。
拋光裝置的設計，因為本次設計的目的是實現(xiàn)拋光的完全自動化，所以選擇直流伺服電機作為拋光盤的動力源，為保持拋光質量，拋光速度不宜太快，一般為300-500r/min，而電機速度一般比較快，所以利用V帶傳動，以達到減速的目的。
控制系統(tǒng)的控制部分采用DSP模糊控制系統(tǒng)：數(shù)字信號處理器 DSP 采樣位置傳感器信號,獲得當前位置信息 ,從而得到電機的當前速度 ,通過與給定速度值比較 ,得到轉速誤差值 ,經(jīng)模糊控制器計算推理后 ,輸出 PWM脈沖信號 ,經(jīng)功率放大后 ,對直流電機進行控制。
第二種設計方案：直接用步進電機與一個帶有內花鍵的絲杠相連，絲杠與主軸通過花鍵連接，使主軸能上下移動。當電機逆時針轉動時，絲杠帶動絲杠螺母轉動，只能向下運動壓縮彈簧，使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉動時，帶動螺母上移，不再壓縮彈簧，主軸上移，從而實現(xiàn)對工件的減壓。
拋光裝置的設計，直接用電機帶動拋光盤轉動。
控制系統(tǒng)的控制采用模糊PID控制, 模糊PID控制器由多種結構形式，但基本原理基本一致，即運用模糊數(shù)學的基本原理和方法，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)則以及有關信息作為知識存入計算機的知識庫中，然后計算機根據(jù)系統(tǒng)的實際響應情況運用模糊推理，即可自動實現(xiàn)對PID參數(shù)的最佳調整，以達到自動控制的目的。
2.2.3 綜合考慮選出最佳設計方案
參考各種形式的拋光機，為滿足設計要求本次設計的系統(tǒng)定為機電一體化系統(tǒng)。機械部分是采用步進電機為動力源，通過一個比例為1:1的齒輪箱與動力頭相接。動力頭采用滾珠螺旋傳動，當步進電機逆時針轉時，帶動齒輪轉動，齒輪轉動帶動固定在其上的螺母旋轉，從而使螺桿下移，按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內自行調節(jié);驅動夾具旋轉，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉時，帶動螺桿上移，實現(xiàn)對工件的減壓。
控制部分采用PID模糊控制系統(tǒng)：利用此系統(tǒng)實現(xiàn)自動調壓，調速和對加工時間控制的目的。
3金相試樣拋光機機械設計
機電一體化機械系統(tǒng)要求精度高、運動平穩(wěn)、工作可靠，具有良好的伺服性能。金相試樣拋光機機械制樣是采用夾具夾持試樣，夾具帶動試樣與磨盤相對摩擦，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整。
機械部分主要包括動力頭、夾持盤、拋光盤、主體和外觀設計。
3.1動力頭的設計
在試樣拋光時，拋光運動軌跡應能保證工件加工表面和拋具表面上各點均有相同或相近的被切削條件和切削條件。對拋光運動軌跡的基本要求如下：
工件相對拋光盤作平面平行運動，能使工件上各點具有相同或相近的拋光行程。
工件上任一點，盡量不出現(xiàn)運動軌跡的周期性重復。
拋光運動平穩(wěn)，避免曲率過大的運動轉角。
保證工件走遍整個拋光盤表面，使拋光盤均勻磨損，保證工件表面的平面度。及時變換工件的運動方向．使拋光紋路復雜多變，有利于降低表面租糙度并保證表面均勻一致。
3-1動力頭示意圖
因此動力頭是拋光機設計的技術關鍵，動作要求：帶動夾具上升和F降；按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力：壓力在一定范圍內自行譎節(jié)：驅動夾具旋轉；磨拋一定時間后能自動降低夾具上的彈性力。具體的設計如圖3-1所示：電機通過連軸器安裝在齒輪箱上，齒輪箱內兩個齒輪的大小相等，另一齒輪與絲杠相連，絲杠通過固定在齒輪上的螺母轉動上下移動從而達到增壓減壓的效果。當步進電機逆時針轉時，帶動齒輪轉動，齒輪轉動帶動固定在其上的螺母旋轉，從而使螺桿下移，按設定壓力在夾具上產(chǎn)生彈性力;壓力在一定范圍內自行調節(jié)，實現(xiàn)對工件的加壓。當電機順時針轉時，帶動螺桿上移，實現(xiàn)對工件的減壓。使主軸下降并產(chǎn)生彈性力，當達到指定位置時，輸出一個信號，使主軸上的壓力得到保持。當?shù)竭_設置時間的2/3時，電機順時針轉動，在脈沖信號作用下，每隔一定時間，壓力釋放一次，螺桿緩慢向上移動，逐步釋放主軸上的彈性力，當壓力低于20牛頓時停止釋放，并一直保持到設定時間到達，拋光機動力頭產(chǎn)生的壓力曲線如圖3—2壓力曲線圖所示。工作結束后，輸出一個信號使絲杠連續(xù)上升，到達上限后切斷電源停止運轉。
3-2壓力曲線圖
圖中可以看出Pl=P2=P3=P4=P5，而t
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