基于plc的自动金属表面抛光机设计Word格式.docx
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2.2.1金相试样抛光机类型分析 6
2.2.2金相试样抛光机方案比较 6
2.2.3综合考虑选出最佳设计方案 7
三方案设计及电动机选用 8
3.1主电机与抛光轮的连接设计 8
3.2移动工作台与工作台电机间的连接设计 9
3.3电动机的选择 10
3.3.1主轴电机的选择 10
3.3.2工作台电动机选择 13
四结构设计及相关强度校核 19
4.1工件保持架的选择 19
4.2小齿轮的选择 20
4.3内齿圈的选择 21
4.4保持架、内齿圈、小齿轮组成的轮系中各齿轮运动速度的确定 21
4.5其他齿轮的选择 22
4.5.1齿轮1的选择 22
4.5.2齿轮2的选择 23
4.5.3齿轮3和齿轮4的确定 23
4.6轴承的选择及其参数 24
4.7电动机的选择 25
4.8轴的设计及强度校核计算 25
五金相试样抛光机调速部分设计 27
5.1显示面板的设计 27
5.2金相试样抛光机控制系统整体框架设计思想 28
5.3伺服电机的调速研究 29
结论 30
参考文献 31
前言
1.1本文研究背景
随着科学技术的迅速发展，机械工业的发展方向是高速、精密、自动。
机械行业与金属材料热处理的关系越来越密切，金属和材料热处理的问题也在机械产品的设计与制作中日益增加。
通过实践证明得出，为了能发挥出金属材料的性能，保证材料的良好加工工艺，节省材料降低成本，获得具有理想性能和高质量的零件，合理选择金属材料安排好热处理工艺路线是十分重要的一步。
实际生产过程中很多早期的变形、磨损、断裂等损坏，这都是由于选材的不合理或是热处理工艺的不妥，致使零件的性能达不到标准的技术要求。
金相的观察及研究可以对金属材料的结构和性能有更好的了解，所以要想进行金属材料研究获得清晰地金相图十分重要。
金属式样在经过取样、镶嵌、磨制、抛光、侵蚀等工序的精心制备后才能更好地观察到金属式样的内部结构。
金相式样的制备需要切割机、镶嵌机、磨/抛光机三个机器完成，第三步抛光决定了金属式样的质量，所以抛光这一步是十分重要的。
金属式样成为光滑镜面的最后工序是将经磨制产生的磨痕和变形的地方去掉。
化学抛光、电解抛光、机械抛光及复合抛光，这几种方法都是常见的试样抛光方法。
现阶段使用最广泛的抛光方法就是机械抛光，在工艺和操作方法正确的条件下保证试样质量和其他条件相同，机械抛光具有较高的抛光速率及可靠性，同样机械抛光机可提高式样的效率与质量，同时具有废品率低、成本低、经济效益高、质量高的优点。
1.2研究现状
研磨和抛光在国内外有很长的历史。
玉器的雕琢，铜镜的制作，眼镜望远镜显微镜、望远镜镜片的磨制等这都证明了其历史的悠久。
1360年的绘画和文艺复兴时期发明距今已经有几百年了。
现在的抛光水平已经不仅仅局限在大批生产的透镜和棱镜上了，光学镜面和精密度要求很高的高形状光学平晶、平行平晶以及不同曲率的球面工件也能够完成了。
在各种加工方法中，研磨和抛光是最精密的加工。
在发展过程中现有的加工要求会逐渐不满足需求，所以进行技术改造和开发新型的超精密研磨抛光技术就是刻不容缓的了。
现在许多技术产品都需要高精度，所以精密和超精密加工现在已经成为在国际竞争中取得成功的关键技术。
精密和超精密加工制造出来的仪器设备对发展尖端的技术和发展国防工业至关重要。
现代科技技术的前沿和明天技术的基础就是精密工程、微细工程和纳米技术。
现代机械工业要致力加强提高加工精度的主要原因是：
提高精度有很多好处比如产品的性能和质量的提高，稳定性和可靠性的提高等；
促进了产品向小型化自动化发展，提高了零件生产效率。
超精密加工技术如今获得的重大进展使它成为了一种内容丰富的系统工程，不再局限于之前孤立的加工方法和单纯的工艺。
实现超精密加工，需要超精密的机床设备和刀具、超稳定的环境条件、需要运用计算机技术进行实时监测、需要及时反馈和补偿。
实现超精密加工需要把各个领域的技术成就集结起来。
根据国内外的超精密计技术发展趋势，再结合我国的实际情况，我国应开展以下五个方面的超精密加工技术基础研究：
1.超精密切削磨削的基本理论和工艺
2.超精密设备的精度，动特性和热稳定性
3.超精密加工精度检测及在线检测和误差补偿
4.超精密加工的环境条件
5.超精密加工的材料
国外在精密加工方面积累了喝多经验，对照我国实际情况来说，如果投入相当的人力物力来对精密和超精密加工技术进行研究与开发，我国将在八五和九五期间取得突破性进展，前期微米级加工技术稳定可以开始亚微米加工；
后期亚微米级加工稳定并开始纳米级加工的实验研究。
在15-20年内可以达到发达国家目前的水平，某些单项技术也可以达到国家先进水平。
国内目前厂家的产品多为生产效率低、安全性差的手工操作为主。
多数抛光机存在着大大小小的问题，抛光盘为单盘或多盘的机型较多，冷却条件差有的只是水龙头有的甚至没有，抛光盘的转速不能改变等。
在冷却方面，如果不能进行冷却，那么试样表面就会很容易发热并且变灰，因持续增厚而形变扰动层，难免影响到快抛光好的试样。
金相试样在制作过程中要根据材料的不同性质来采取相应措施，抛光后的试样要满足表面光亮无磨痕的要求，在制作过程中不允许组织变形，石墨这类的软相要脱落，而碳化物这类的硬相要浮雕都是不行的。
比如在抛光铸铁试样时，为了缩短抛光时间，抛光过程中要不断的旋转。
抛光铝制试样时为了不出现变形层，需要采用较轻压力和400r/min的适当转速。
现在有的机型可以用数字显示转速，并且可以在1000r／min～50r／min范围内进行变频无级变速，但这种机型需要手动操作，难免凭手感不能控制好压力的大小，所以这种机型的效率、准确性、再现性都不能保证。
比如南京测控科学器材有限公司生产的变频调速抛光机，上海金相机械设备有限公司生产的PW-I金相试样抛光机都是这样的。
二抛光机设计思想及方案确定
2.1设计要求
金相试样抛光机在机械设计中有着和高的要求，精确度要高，运行过程要平稳，工作必须可靠，伺服性能还要好。
金相试样抛光机对传动机的要求也很多，穿的记得转动惯量要小才能更好地减小机械负载，减少对系统造成得不良影响，为了减少动力损失提高固频率增加稳定性还要有较大的刚度，另外阻尼还要合适。
同样，金相试样抛光机对控制系统也有很多要求，因为试样抛光过程中需要动力头带动夹具上升和下降实现压力增大和减小所以要能对压力进行控制；
能够在夹具上产生与设定压力相应弹性力；
夹具上的弹性力需要在磨抛一段时间后自动降低。
并且金相抛光机要对时间能进行控制，时间过长质量就不能保证，时间过短达不到质量。
由于不同材质的试样需要不同的抛光速度才能保证材料的真实组织，所以抛光机需要能控制抛光速度。
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
按抛光原理可以将抛光分为机械、电解、化学、复合抛光四种。
现阶段应用最广泛的抛光方法是机械抛光。
机械抛光在正确工艺、操作方法下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）的情况下与其他的抛光方法相比具有最高的抛光速率。
机械抛光难以对金属试样抛光时可以用电解抛光来应对。
电解抛光对极低负荷的显微硬度实验的样品或透射电镜的薄膜试样及其有用，并且它能克服金属干扰层和机械峦晶假象等问题。
由于不同的金属试样所使用的抛光液和所对应的电解规范是不同的，所以电解抛光的规范需要进行多次试验工作才能确定。
化学抛光方法很简单，它完全依靠化学药剂的腐蚀作用来得到光亮的抛光表面，是不需要机械和电解设备参与的，同时化学抛光液和抛光规范也是要做合适的选择的。
化学抛光具有一定的缺点，比如速度低、磨面有波形不能达到平整的要求。
因此，本系统适合机械抛光来操作。
2.2.2金相试样抛光机方案比较
第一种设计方案：
对金相试样抛光机的自动减加压机械装置进行设计，首先相接的齿轮箱与动力头的比例为1:
1，其次此装置的动力源采用步进电机。
动力头的传动方法采用滚珠螺旋传动。
滚珠螺旋传动就是将螺母和螺杆的近似半圆形螺旋凹槽拼接成滚道，并在滚道中装入一定量的滚珠，滚道需要形成闭合回路，所以要用螺母上制出的通路及导向辅助件来构成闭合，这样滚珠就能连续循环滚动了。
步进电机逆时针转动就会带动齿轮转动，进而带动固定在齿轮上的螺母旋转。
螺母旋转的同时螺杆下移，夹具上产生了与设定压力对应的弹性力;
设定的压力在一定范围内具有自行调节的能力。
夹具在压力的驱动下旋转，此时工件就会感受到压力。
电动机顺时针旋转螺杆上移，工件的压力减小。
抛光装置方面，针对此次实现抛光自动化的设计目的，所以将抛光盘的动力源定为直流伺服电机。
一般转速为300-500r/min抛光质量比较好，速度过快不能保证抛光质量。
而电机速度一般比正常转速要快，必须进行减速，所以加了一个V带来传动。
设计采用ＤＳＰ模糊控制系统来完成控制系统的控制部分：
DSP模糊控制系统的原理是通过数字信号处理器DSP获得位置传感器信号,传感器发送当前位置信息,电机的当前速度就是由当前位置信息获得，把这个速度与给定速度值比较,,模糊控制器将上面比较的转速误差值计算推理，得到PWM脉冲信号并输出。
这个信号要经功率放大，才能对直流电机进行控制。
第二种设计方案：
将步进电机与丝杠相连，丝杠的内花键把丝杠和主轴连接起来，这样主轴就能上下移动了。
当电机逆时针转动时，通过丝杠带动螺母转动，因此只能向下压缩弹簧丝，这样主轴产生了向上的弹性力，工件受到了压力。
电机顺时针转动时与逆时针正好相反，工件的压力在这种情况下减小。
抛光装置的抛光盘转动由电机直接带动。
控制系统采用多种结构形式的模糊PID控制,虽然结构不同但基本原理基本一致。
其原理可以解释为将规则的条件、操作通过模糊数学的基本原理和方法运算后变成了模糊集表示，然后在计算机知识库中存入这些模糊控制规则及相关信息，计算机系统会根据传来的信息进行模糊推理，PID参数这时就可以自动调整为最佳，达到自动控制的目的。
2.2.3综合考虑选出最佳设计方案
为了满足本次机电一体化的系统设计要求，我们需要参考各种形式的抛光机。
机械部分的动力源采用步进电机，齿轮箱与动力头按照１:
１的比例相接。
为了达到自动调压、调速控制加工时间的目的，控制部分采用PID模糊控制系统。
三方案设计及电动机选用
3.1主电机与抛光轮的连接设计
抛光时抛光轮受到了多种外力如摩擦力、抛光切削力等。
抛光轮与电机的连接有主轴连接、弹性柱销联轴器连接等多种方法。
第一种方法选用的电机伸长长度有限，伸出轴只能键连接，因此不能满足要求，这种连接方法在抛光设计中不宜采取。
第二种方法可以满足要求，进行弹性柱销连接后，为了使主轴更加平稳可靠，可以再使用一对角接触轴承来配合连接，抛光轮和主轴之间再用螺母和挡圈固定。
弹性联轴器的功能有很多：
1、为了避免轴端产生过大的附加载荷，对在制造和安装误差造成所联接两轴的轴向位移,径向位移和角位移进行补偿。
2、可以缓和因电机工作而在轴上产生的扭转冲击。
3、当出现冲击吸收功相同的情况时，可以改变轴系的共振转速。
除了上述情况冲击扭矩和联轴器的惯性矩都影响共振转速。
共振转速随着冲击扭矩的降低而降低。
4、弹性联轴器还可以减轻轴的扭转振动。
这种情况只有联轴器的中间传力件采用具有增大摩擦阻尼的结构或具有较大内阻尼的材料时才能实现。
传动装置或其他机件的损坏往往是由于机器受到意外的过载造成的。
为了起到安全保护作用，需要在传动轴系中采用安全联轴器，这样在联轴器中的联接元件破断、分离或打滑时，传动的力流会发生中断或发生限制力流的传递。
图2-1抛光轮与轴和电机连接
3.2移动工作台与工作台电机间的连接设计
为了达到抛光机的设计要求，尽量遵循低成本、高质量、易装卸的原则，我们就要从抛光机的组织结构出发，使各组成成分更加精确，并进行良好的有机结合。
抛光机工作台的带动是通过电动机驱动和减速系统完成的，毛毡轮在电动机的带动来抛光工件，工作台由导轨和冷却系统组成。
根据毛毡轮与工件的相对位置将磨块分成了四类，分别是纵向进给外圆磨，切入磨，周边——端面磨，端面——平面磨。
根据上述分类，抛光机被分成了卧式和立式两种。
卧式抛光机，要根据其特点来设计传动方案，它的毛毡轮的速度较高而工作台的速度很小。
卧式抛光机的工作台进行速度较低的直线移动，其设计主要为带动工作台的传动系统的设计。
本方案设计是通过齿轮电机连接联轴器，然后通过联轴器与齿轮连接齿轮驱动齿条带动工作台移动连接示意图如下
电机与工作台连接示意图
3.3电动机的选择
卧式抛光机的工作原理是用抛光轮的圆周面抛光金属试样，被抛光的工件形式如图所示。
随工作台前后移动工作台上放置的试样会与抛光轮圆周面接触，两者的相对运用就是对试样面进行抛光的过程。
3.3.1主轴电机的选择
抛光力
可以根据上面卧式外圆磨床磨削力大小的计算方法来进行对抛光所需力的大小计算，估算结果如下：
外圆磨削的切向力计算经验公式：
（2-1）
外圆磨削主磨削力的经验公式的指数和系数值
材料
α
β
C
淬硬钢
0.6
—
0.7
-
22
未淬硬钢
0.5
0.5
21
铸铁
0.88
0.76
0.76
0.38
20
-
0.45
0.45
0.4
0.4
0.43
0.43
取=0.5=0.5
2.具体参数选择
拟定主轴电动机转速为，工作台速度为
抛光轮速度
由于抛光轮抛光工件尺寸为mm，选取直径为的抛光轮，则：
抛光轮速度为
工件速度
工件速度一般选择6m/min—10m/min
这里我们选择10m/min
查阅文献知取20
4）抛光力大小
根据上面公式得到的参数与公式（2-1）得：
=33.86N
5）抛光功率
主运动消耗的功率为
6）抛光轮电机功率
电动机与砂轮的连接通过联轴器与轴承，查阅《机械设计手册》取
则
因此抛光轮电机功率
选择电动机
为了减少存在的未知摩擦，可以选择Y系列（IP44）三相异步电动机（JB/T9616—1999），技术数据详情见下表：
主电动机技术数据表
型号
额定
功率
/kw
电动机转速
r/min
效
率
/%
功率
因数
重量
/kg
同步
转速
满载
Y100L-6
1.5
1000
940
77.5
0.74
33
2.0
2.2
电动机主要外形和尺寸以及示意图
中心高
H
外形尺寸
底角安装尺寸
地脚螺栓孔直径K
轴身尺寸
装键部位尺寸
100
3.3.2工作台电动机选择
在抛光的过程中，已知体积V，根据公式，我们需要先求得F的值。
由抛光轮的功率N=Frn
式中F是抛光轮与工件的摩擦力，通过抛光轮的半径r和抛光轮的转速n，将数值代入以下公式：
F=
则工件进给的功率为P=
分析：
运动传递在电动机驱动工作台前后移动过程中产生大量损失，所以所以在计算电机的输出功率要考虑一下。
轴承效率取，
联轴器效率，
齿轮齿条传动效率，取
在工作中要考虑到15％---20％的导轨摩擦损失（一般情况下）和在带动工作台运动时其他的带动作用如导轨、电机和电磁吸盘等，所以实际用于工件的效率很小，在条件下减去15％---20％得到，然后减去其他带动作用最终取为，因此电机的输出功率可以由下式计算得出：
现实情况下的电机转速都很高，功率也没这么小，要想通过多极减速的方式来获得较小的工件速度是不划算的，并且也会加大公建结构的复杂度，分析如下：
[1]依靠直线电机带动工作台：
直线电机具有直线传输运动、高速响应的特点，在系统取消了像丝杠这类响应时间常数大的机械动件后，闭环控制系统的动态响应能力和反应速度大幅度提高。
为了减少由于丝杠等机械机构和在插补运动时因系统滞后带来传动间隙以及误差和跟踪误差，更要采取直线驱动系统。
机床的定位精度也通过直线位置检测反馈装置的控制而大大提高。
在启动过程中跳过启动采取了“直接驱动”，因此可能会因中间环节的摩擦磨损而造成变速换向的运动滞后现象，提高了直线电机运动刚度使直线电机刚度高。
直线电机还具有较宽的选择速度和较短的加速过程。
由于取消了传动丝杠等部件的机械摩擦和使用无机械接触的滚动导轨和磁电悬浮导轨，大大降低了直线电机运动时的噪音。
没有中间环节，没有机械摩擦时的能量损耗，因此直线电机的的效率远远高于其他电机。
但是直线电机的性价比不高，本设计对抛光精度的要求没有这么高，使用这种造价的电机不能再社会上大规模推广，所以这个设计方案被否决了。
[2]选择伺服电机驱动滚珠丝杠带动工作台：
伺服系统机械元件运动时的发电机可以补助马达进行间接变速，这就是伺服电机。
伺服电机具有速度控制、准确定位、通过将电压信号转化成转矩和转速来控制对象的功能。
伺服电机的时间机电常数小、线速度高、能使动电压还能将所受信号按电动机轴上的角位移或角速度输出，因此在控制系统中被用作执行元件，其转子受输入信号控制，具有极快的反应速度。
伺服电机在电压信号为零的情况下是不能自转的，其转速随着转矩的增加而匀速下降。
由一个亿滚珠作为滚动媒介的滚动螺旋传动的体系就是滚珠丝杠传动系统，滚珠丝杠可以将简单的直线运动转换为回转运动。
滚珠丝杠的传动效率是传统滑动丝杠的2到4倍，其传动效率最高可达90%到98%。
在高效率的的传动下，由回转运动转化为直线运动也可以用于较小的扭矩，这种高效率的传动会增加推力。
滚动丝杠传动具有
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