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一种新型金相试样抛光机的设计52

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。
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。
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。

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，
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。

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。

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。

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。
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。

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。
(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，因此需要进行相当数量的试验工作来确定电解抛光规范。
(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。
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。
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。
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。
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。
抛光装置的设计，直接用电机带动抛光盘转动。
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。

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。
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。

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。
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：
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致。
3-1动力头示意图
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。

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。

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。
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。
其理论计算如下：
式中: f(x)==kx； （3-1）
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=mf 得 t=;因为M与f的乘积Q可由软件得出，Q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。

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：
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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
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:φd 由表10-7 取φd＝1.0
接触疲劳极限：σHlim可取
σHlim1=50MPa σHlim2=110MPa
初步计算的许用接触应力:
[σH1]=0.9σHlim1=0.9×110=99Mpa
初步计算的小齿轮直径：
d≥5.81 （3-3）
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，
d=5.81=54mm
结合齿轮箱的结构取d1＝54mm
初取齿宽：b=50mm
（2）校核计算：
圆周速度:
(3-4)
齿数Z和模数m:
模数 取m=2
则 Z2= iZ1=29
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KHα: 先求
端面重合度：
(3-5)

重合度系数: Z==1.49
由此得：
齿间载荷分布系数KHβ: 由表10-4（非对称支撑）

=1.265
载荷系数: K=KAKVKHαKHβ=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＝189.8
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
应力循环次数NL: 估计：107<NL<109
则指数：m=8.78
NL1 = NV1 = 60γithi(Ti/Tmax) (3-6)
=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[бH]：
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
[бH1] = = =764 Mpa (3-7)
[бH2] = = =798 MPa (3-8)
验算： бH=ZEZHZε (3-9)
＝
＝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Yε：

齿间载荷分配系数KFɑ: 由表12.10
KF = = = 1.49
齿向载荷分布系数KFβ:
==7.4
由表10-3 KFɑ=1.25
载荷系数 K:K=KA KVKFαKFβ=1.5×1.1×1.49×1.25=3.07
齿形系数YFɑ: 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σFE: 由图10-20c
σFE1= 380 Mpa σFE2= 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)
= 60×1×300×4800×(149.91×0.2+0.549.91×0.5+0.249.91×0.3)
= 3.63×107
原估计应力循环次数正确。

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[σF]:

验算：
σF1=
=
=0.39Mpa≦[σF1]
σF2 =
=
=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
计算齿轮宽度
b =φbd1 = 1×58 = 58 mm
由表10-3先求：
Ft = = =3.1N
= =0.1 N/mm ＜100 N/mm
合适

3.3.2 齿轮轴的设计

（1）输入功率 P = 0.52 W
转速 n = 60 r/min
转矩 T = 82.8 Nmm
（2）求作用在齿轮上的力
齿轮1的分度圆直径d = 58 mm
Ft = = = 2.9 N （3-11）
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
d A =10 1.5112× =4.3 mm (3-12)
取为d= 10 mm
（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

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
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
F= = = 5.75 N
F= F- F = 5.75 – 3.09 =2.66 N
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
为1.2到1.8，取，则有：
N
N
轴承的寿命 因为，所以按轴承1的受力大小计算：
h (3-13)
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。
P=F/A=F/=100/（3.14）=0.11w，故满足耐磨条件。
式中 ——螺纹中径（mm）
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：
(3-14)
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；
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
[=0.6[ =0.6/3~5
[——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，取=240
则 [=28.8 所以：故满足此条件
抗弯曲强度计算：
(3-15)
L ===0.772
= =1.12
[=（1.0~1.2）[=（1.0~1.2）/3~5
所以：48[ [ 满足条件适合。
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：
S= (3-16)
式中：S——丝杠稳定性的计算安全系数。
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，S=2.5~4.0；对于精密活水平的，S 〉 4。
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，=。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i==。
所以，临界载荷F可按欧拉公式计算，即
F= (3-17)
式中：E——材料的拉压弹性模量，单位为MPa , E=2.06MPa；
I——危险截面的惯性矩，I=,单位为mm。
当<40时，可以不必进行稳定性校核。
所以：==10.2<40 满足条件合适，稳定条件较好。
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： =+
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，所以取最大值T=100=2330N 根据抛光机的选择滚动螺旋传动的标准，知，[取得最大值为11.16
故 =+=0.0004+0.011=0.0114< [

3.4 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：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。
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。
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：
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其P为功率单位为瓦，Ω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)。
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。
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。
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
12V
4
1.2A
1.8/0.9
360Nm
400s
2500s

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）。
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
由公式：T=，所以P==0.058kW，查《机械设计师手册》表31-59，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
5200Nm
1500r/min
80W
110V
1.1A
0.23A
100r/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。

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
P= KP=88W
根据P，n (电机转速1500r/min)由图8-9确定选择Y型
由表8-3和8-7取主动带轮的基准直径为d=26mm.
则从带轮的基准直径
d=i d=3=78mm
查表8-7，取d=80mm
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
计算带所需的基准长度
L=2 a+（d+ d）+ (3-18)
= [2]=220mm
查《机械设计师手册》表8-1-29得L=200
实际中心距a
a= a+=(53+200-220)=33mm
计算V带的根数z
Z= (3-19)
由n=1500r/min, d=26mm,i=3,查《机械设计师手册》 表8-1-33得P=0.04kw,,,K=0.96 则
Z= =2.06
取Z=3根

4夹具的设计

（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。

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
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。

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，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。

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= （5-1）
式中，N一一转速，r/min
U一一电枢电压，V
I——电枢电流，A
R——电枢回路总电阻，Q
——励磁磁通，Wb
K——电机结构决定的电动势常数
由上式可以看出，可以有三种方法调节电动机的速度：
(1)调节电枢供电电压U；
(2)减弱励磁磁通；
(3)改变电枢回路电阻R；
对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压方式为最好。改变电阻只能有级调速。减弱磁通虽然能够平滑调速。但调速范围不大，往往只配和调压方案，在基速以上做小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

5-3系统结构框图
模拟调速系统一般是由2个闭环构成的，既速度闭环和电流闭环，为使二者能够相互协调、发挥作用，在系统中设置了2个调节器，分别调节转速和电流。2个反馈闭环在结构上采用一环套一环的嵌套结构，这就是所谓的双闭环调速系统，他具有动态响应快、抗干扰能力强等优点，因而得到广泛地应用。图5-3是系统的结构框图，其中ASR，ACR分别是速度和电流调节器，通常是由模拟运放构成PI或PID电路；信号调理主要是对反馈信号进行滤波、放大。考虑到直流电机的数学模型，模拟调速系统动态传递函数关系。
在模拟调速系统的调试过程中，因电机的参数或负载的机械特性与理论值有较大差异，往往需要频繁更换R，C等元件来改变电路参数，以获得预期的动态性能指标，这样做起来非常麻烦，如果采用可编程模拟器件构成调节器电路，系统参数如增益、带宽甚至电路结构都可以通过软件进行修改，调试起来就非常方便了。

6总结
采用机电一体化技术设计的金相试样抛光机，系统可根据不同的试样调整加压机构，实现抛光压力的持续可调，并实现抛光盘转速缓升一稳定运行一转速缓建的运行模式。具有较高的性能价格比，提高了制样效率及准确性。please contact Q 305370