TEM脆性材料樣品磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床設(shè)計(jì)xxx

1、 HUNAN UNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)設(shè)計(jì)論文題目：TEM脆性材料薄片樣品磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：學(xué)生學(xué)號(hào)：專業(yè)班級(jí)：學(xué)院名稱：指導(dǎo)老師：學(xué)院院長(zhǎng)：2015 年6 月 9日湖 南 大 學(xué)畢業(yè)論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。學(xué)生簽名：日期：200 年 月 日畢業(yè)論文版權(quán)使用授權(quán)書本畢業(yè)論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用論文的

2、規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本論文。本論文屬于1、保密 ，在_年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）學(xué) 生簽名：日期：200 年 月 日指導(dǎo)教師簽名：日期：200 年 月 日湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第 頁第 頁湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)TEM脆性材料薄片樣品磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床設(shè)計(jì)摘 要 本文是以TEM脆性材料薄片樣品磁流變?cè)囼?yàn)臺(tái)作為研究對(duì)象，運(yùn)用磁流變光整加工技術(shù)（Magnetorheological

3、 finishing，MRF）設(shè)計(jì)一款磁流變自動(dòng)減薄機(jī)的機(jī)床。主要進(jìn)行X、Y、Z軸進(jìn)給工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),X、Y、Z軸進(jìn)給工作臺(tái)自動(dòng)控制設(shè)計(jì)，機(jī)床立柱、導(dǎo)軌、床身設(shè)計(jì)。其中主要涉及的是X、Y、Z軸的滾珠絲杠的計(jì)算選型，以及步進(jìn)電機(jī)的選型設(shè)計(jì)。根據(jù)給定的參數(shù)，進(jìn)行具體的計(jì)算，再逐步對(duì)所選部件完成強(qiáng)度、剛度校核，驗(yàn)證部件的可靠性，提高機(jī)床的工作臺(tái)精度。采用滑動(dòng)導(dǎo)軌, 摩擦系數(shù)小，反應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好。進(jìn)給傳動(dòng)采用螺母滾珠絲杠，確保高定位精度。運(yùn)用可編程控制器PLC控制X、Y、Z三軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，調(diào)整研拋頭與TEM樣品之間的拋光間隙，然后利用研拋頭的磁流變液在磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生的剪切力來減薄TEM脆性材

4、料薄片樣品，減少亞表面損傷，獲得高精度的TEM脆性材料薄片樣品。同時(shí)降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。關(guān)鍵詞：磁流變光整加工技術(shù)（MRF），TEM樣品制樣技術(shù)，X、Y、Z軸工作臺(tái)進(jìn)給， 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 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第 頁目 錄1緒論11.1課題背

9、景及目的11.1.1 透射電子顯微鏡樣品制備方法11.1.2 磁流變光整加工技術(shù)（MRF）31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)31.2.1 國內(nèi)TEM樣品制備技術(shù)41.2.2 國外TEM樣品制備技術(shù)51.3 研究目的及意義61.4 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案71.5本文主要研究?jī)?nèi)容92磁流變自動(dòng)減薄機(jī)總體方案設(shè)計(jì)102.1 設(shè)計(jì)要求102.2 總體方案112.3 X、Y軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)122.4 滾珠絲杠副的計(jì)算132.5 Z軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)272.6 X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)選型設(shè)計(jì)292.7 本章小結(jié)333.磁流變自動(dòng)減薄機(jī)其他有關(guān)零部件設(shè)計(jì)343.1 支撐件設(shè)計(jì)343.2 導(dǎo)軌設(shè)計(jì)363.3 立柱設(shè)計(jì)

10、383.4 滾珠絲杠副的裝配設(shè)計(jì)453.3 本章小結(jié)464.基于PLC的磁流變自動(dòng)減薄機(jī)的控制設(shè)計(jì)474.1 磁流變自動(dòng)減薄機(jī)電路控制分析474.2 磁流變自動(dòng)減薄機(jī)元件選型504.3 磁流變自動(dòng)減薄機(jī)控制梯形圖設(shè)計(jì)51結(jié)論52致謝53參考文獻(xiàn)54第 66 頁 湖南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 1緒論1.1課題背景及目的1.1.1 透射電子顯微鏡樣品制備方法(Transmission Electron Microscope,簡(jiǎn)稱TEM)，指能看清的0.2nm的細(xì)微結(jié)構(gòu)。原理:是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。硅片的TEM圖像如圖1.1，

11、透射電子顯微鏡如圖1.2。 圖1.1 硅片的TEM圖像 圖1.2 透射電子顯微鏡TEM塊體樣品要求：透射電子束一般能穿透厚度100nm的薄層樣品，由于電子束的穿透能力比較低、散射能力強(qiáng)；塊體樣品的制備是材料加工成型的過程，因此，要充分考慮材料本身的特性；透射電鏡樣品臺(tái)只可放入直徑3mm的圓片。實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用較為廣泛的是使用塊體樣品進(jìn)行TEM檢驗(yàn)，但其中以脆性材料樣品的制樣工序最為麻煩，如圖1.3。因?yàn)橥干潆娮邮话愦┩负穸葹?00nm以下的薄層樣品，而且透射電鏡樣品臺(tái)只能放入直徑3mm的圓片，因此以脆性材料樣品為例，TEM脆性材料薄片樣品制備由圓片切割、單面拋光、凹坑、離子減薄大概四個(gè)工序組成 王

12、燕飛. 脆性材料界面透射電鏡樣品的制備J. 理化檢驗(yàn)(物理冊(cè)) ，2011 第4期 P225-228，制樣工序制備流程如表1.1所示。··圖1.3 脆性材料的加工特點(diǎn)及流程表1.1 脆性樣品制樣流程示意圖圓片切割單面拋光打凹坑離子減薄脆性材料樣品3mm單面拋光中心厚度1030m幾納米到幾十納米的薄區(qū)在樣品的制備過程中，單面拋光和凹坑研磨工序采用人手操作，目的是為了減少機(jī)械研磨的損壞，但由此帶來的問題是樣品的制備效率低下，人工費(fèi)時(shí)的問題。同時(shí)，樣品在使用的過程中易破碎，人工研磨 陳國新. 透射電子顯微鏡樣品制備技術(shù)J. 中科院寧波材料所.的凹坑薄區(qū)較小，使得人工研磨不利于驗(yàn)室

13、脆性材料樣品TEM實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。凹坑后的樣品如圖1.5，凹坑中心厚度在10-30微米。 圖1.5 凹坑后的樣品1.1.2 磁流變光整加工技術(shù)（MRF）磁流變拋光是具有一定柔性的確定性去除的拋光方法，可獲得極高的表面質(zhì)量 張峰，余景池. 磁流變拋光技術(shù)J. 精密工程學(xué)報(bào).。磁流變光整加工技術(shù)利用磁流變液在磁場(chǎng)中形成的柔性“小磨頭”對(duì)工件表面進(jìn)行拋光，屬于軟拋光方法 仇中軍，張飛虎，董申. 光學(xué)玻璃研拋用磁流變液的研究J. 光學(xué)技術(shù). 2002(06)，加工原理如圖1.6所示. 圖1.6 傳統(tǒng)磁流變光整加工原理磁流變研磨拋光加工原理，是指液體狀的磁流變液在磁場(chǎng)激勵(lì)下，鐵粉聚合成鏈，磨粒從游離狀態(tài)聚合在

14、磁鏈中，在與工件表面接觸區(qū)域產(chǎn)生較大剪切力，從而實(shí)現(xiàn)材料的去除 孫希威. 磁流變拋光機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究D.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2006.，使工件獲得很高的加工精度和很低的表面粗糙度。工件位于運(yùn)動(dòng)輪下方，并與運(yùn)動(dòng)輪有一個(gè)很小的固定距離。位于工件下方的電磁鐵在運(yùn)動(dòng)輪與工件之間的狹小間隙產(chǎn)生一個(gè)高梯度磁場(chǎng)。磁流變液經(jīng)過循環(huán)裝置后，噴射到運(yùn)動(dòng)輪上，當(dāng)磁流變液傳送到該匯集間隙附近時(shí)，高強(qiáng)度磁場(chǎng)的存在令磁流變液流變性劇變，這樣具有一定運(yùn)動(dòng)速度的黏塑性賓漢流體在與工件表面接觸的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生剪切力。調(diào)整工件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，即可令工件的表面材料被光滑地去除。與傳統(tǒng)光學(xué)磨拋技術(shù)等硬加工方法比較，磁流變光整加工

15、技術(shù)具有切入量小，加工表面無刮傷痕跡，無亞表面損傷等特點(diǎn)，它是一種可控的、確定的光整加工技術(shù) 司鵠，彭向和. 磁流變材料的流變性能研究J. 材料科學(xué)與工程. 2002(01)。由于現(xiàn)今技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)零件與超精密模具等表面質(zhì)量要求高的精密零件需求大，而采用磁流變光整加工工藝能較好地完成拋光精密零件的目標(biāo)，因而該技術(shù)的應(yīng)用前景非?？捎^。磁流變光整加工技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)適用于加工任何表面不同的工件，不論、表面粗糙度及幾何形狀變化，及對(duì)稱關(guān)系 王琪民，徐國梁，金建峰. 磁流變液的流變性能及其工程應(yīng)用J. 中國機(jī)械工程. 2002(03)；(2)磁流變液在研磨拋光中能反復(fù)使用，因此不存在不確定因

16、素如研磨頭磨損、研磨溫度變高的問題。(3)研磨頭是柔性的，其硬度通過磁場(chǎng)控制可以使工件獲得更高質(zhì)量的加工精度，工件也不會(huì)存在機(jī)械研磨中造成的亞表面損傷。(4)磁流變光整加工技術(shù)提供了一種可以準(zhǔn)確控制材料去除量的確定性加工方法，控制工藝參數(shù)可以精確地控制加工后的光學(xué)零件表面精度。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)1.2.1 國內(nèi)TEM樣品制備技術(shù)TEM常規(guī)樣品制備技術(shù)現(xiàn)以國內(nèi)的GatanTEM樣品制備技術(shù)系統(tǒng)尤為成熟 汪建曉，孟光. 磁流變液研究進(jìn)展J. 航空學(xué)報(bào). 2002(01)。見圖1.7，通過提供全套設(shè)備，設(shè)計(jì)顯微鏡觀察，微調(diào)機(jī)構(gòu)輔助，提高加工TEM薄片樣品的效率。TEM樣品制備過程及使用儀

17、器如圖1.8所示。 圖1.7 GatanTEM樣品制備設(shè)備展示圖1.8 Gantan系列機(jī)床的制備流程1.2.2 國外TEM樣品制備技術(shù)國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)磁流變拋光技術(shù)商業(yè)化，尤其以QED公司的磁流變拋光技術(shù)應(yīng)用化程度最高，開出了一系列能夠加工尺寸范圍為50mm到1000mm的非球面、平面、球面、大尺寸棱鏡等各種基本形狀的磁流變拋光機(jī)床 QED TechnologiesOL.Q22-750P2 2011-08-86,MRF Machine. 。圖1.9為QED公司開發(fā)出的倒置式拋光頭式的Q22-750P2磁流變拋光機(jī)床，它可以加工750mm x1000mm的光學(xué)平面。Prokhorov等人對(duì)磁流變拋

18、光也進(jìn)行了研究，對(duì)硬脆材料的拋光實(shí)驗(yàn)研究出不同拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度加和工效率的影響 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.，從理論上證明了磁流變拋光的可行性。德國的Deggendorf研究磁流變液中PH值的變化值 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系列機(jī)床基礎(chǔ)上改進(jìn)研磨液循環(huán)系統(tǒng)，印度理工大學(xué)Sunil Jha Winslow WM.Induced Vibrations of Suspensions. Journal of Applied Physics . 1949等人利用磁流變液的流動(dòng)，磁流變加工能處理各種復(fù)雜的腔體內(nèi)表面，并獲得納米級(jí)的表面質(zhì)量；圖1.1

20、0(a)為德國菲博士磁流變固磨料拋光拋光機(jī)，其功率為150 KW，能夠加工各種集合形狀的工件。韓國仁荷大學(xué)的KIM等研制了如圖1.10(b)所示的磁流變液研磨拋光平臺(tái) 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，并對(duì)BK7玻璃進(jìn)行大量的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，最終獲得了表面粗糙度Ra

21、為3.8nm的光滑表面。 圖1.9 QED公司Q22-750P2倒置式拋光機(jī)床 圖1.10（a）德國MSF拋光機(jī) （b）韓國拋光平臺(tái)1.3 研究目的及意義TEM樣品 ZHANG X,ZHANG Z.Advanced techniques in TEM specimen preparation. Progress in Transmission Electron Microscopy:Concepts and Techniques . 2001在透射電子顯微鏡中具有重要作用，電子束的穿透能力比較低，散射能力比較強(qiáng)，必須將其制成30m左右的超薄切片，脆性材料如陶瓷、半導(dǎo)體等材料容易開裂，磨樣時(shí)要輕

22、柔。研磨精度要求高、研磨要柔和。傳統(tǒng)TEM脆性材料薄片樣品制備技術(shù)面臨幾個(gè)難點(diǎn)：凹坑打磨步驟中脆性樣品損壞率高，使用機(jī)械研磨方法，因脆性樣品晶體結(jié)構(gòu)不一致，容易受到破碎，同時(shí)也產(chǎn)生亞表面損傷，使上表面質(zhì)量變差，導(dǎo)致離子減薄時(shí)離子束射入速度有差異，提高實(shí)驗(yàn)觀察難度；使用人工研磨方法，固然能減少引入的機(jī)械劃痕，但人手操作會(huì)增加工件加工程度不確定性,操控不當(dāng)會(huì)產(chǎn)生形變甚至穿孔等機(jī)械損傷；以已有的研究發(fā)現(xiàn)，凹坑打磨工序花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，一小時(shí)的加工量以技術(shù)員的能力為主要因素，即人工操作時(shí)間長(zhǎng)。所以現(xiàn)今的TEM脆性材料薄片樣品制備技術(shù)的效率難以滿足實(shí)驗(yàn)需要的TEM脆性材料薄片樣品 東莞市輝碟自動(dòng)化科技有限公司

23、數(shù)控磁流變拋光機(jī)床OL http：/。利用磁流體本身所具有的液體流動(dòng)性和磁性，保持磨料和樣品的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，來研磨和平坦元件，可以降低樣品亞表面損傷、樣品開裂。設(shè)計(jì)一款磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床，可以解決人工效率低下、樣品裝夾過程不準(zhǔn)確，磨粉、磨液人工添加費(fèi)時(shí)費(fèi)力的問題，實(shí)現(xiàn)在研磨過程中自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)添加攪拌的作用。為進(jìn)一步磁流變樣品研磨的研究奠定基礎(chǔ)。綜合國內(nèi)和國外的樣品制備技術(shù)發(fā)展，可以得出，國內(nèi)的傳統(tǒng)的制備方法是無法適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室樣品制備發(fā)展需求。然而，國外技術(shù)發(fā)展較國內(nèi)已相當(dāng)成熟，因此存在學(xué)習(xí)磁流變研磨拋光理論的重要性，加大實(shí)踐的力度，設(shè)計(jì)一款磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床，以此來為后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究打下基礎(chǔ)，也

24、為縮小國內(nèi)和國外的設(shè)備制造差距做出努力。1.4 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案為更好設(shè)計(jì)出磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床，前期做了一些實(shí)驗(yàn)，搭建了簡(jiǎn)易的工作臺(tái)。前期主要完成的是磁流變的斜軸拋光實(shí)驗(yàn)，如圖1.11。圖1.11 斜軸磁流變拋光樣品實(shí)驗(yàn)前期繪制了磁流變自動(dòng)減薄機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的草圖，為磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床設(shè)計(jì)奠定良好基礎(chǔ)，如圖1.12。 圖1.12 磁流變自動(dòng)減薄機(jī)斜軸試驗(yàn)臺(tái)中期進(jìn)行磁流變自動(dòng)減薄機(jī)設(shè)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和草圖試驗(yàn)臺(tái)類似的機(jī)床，不具有實(shí)際價(jià)值。因此，按照典型的立式銑床、立式磨床來設(shè)計(jì)一款既可以滿足實(shí)驗(yàn)室基本要求、又實(shí)用的磁流變自動(dòng)減薄機(jī)。后面經(jīng)過分析和討論，設(shè)計(jì)一款磁流變自動(dòng)減薄機(jī)機(jī)床存在的重點(diǎn)是：X軸

25、進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)、Y軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)、Z軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)、床身設(shè)計(jì)、立柱設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌設(shè)計(jì)、三軸進(jìn)給自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。難點(diǎn)是：三軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)、三軸進(jìn)給自動(dòng)控制設(shè)計(jì)。由于材料的去除模型不易確定，磁流變液的粘度對(duì)于壓力的影響，研拋頭與工件表面的研磨壓力無法監(jiān)測(cè)，自動(dòng)進(jìn)給設(shè)計(jì)存在一定困難。在工作進(jìn)行的同時(shí)，同組設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出一種研拋頭，可以將研拋頭整體部分固定在Z軸進(jìn)給工作臺(tái)上，帶動(dòng)研拋頭做上下運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)整研拋頭與工件間隙來研磨拋光薄片樣品。如圖1.13所示。圖1.13 磁流變自動(dòng)減薄機(jī)研拋頭只要Z軸上安裝拖板可以帶動(dòng)磁流變減薄機(jī)的研拋頭上下輪動(dòng)，實(shí)現(xiàn)磁流變液在磁場(chǎng)作用下對(duì)于薄片樣品的研磨拋光。磁流變液

26、在研拋頭做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，隨著研拋頭做循環(huán)往復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。通過間隙的調(diào)整不斷來平坦元件，降低如其他機(jī)械加工帶來的亞表面損傷。 1.5本文主要研究?jī)?nèi)容1 根據(jù)典型立式銑床、磨床等機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)和磁流變自動(dòng)減薄機(jī)的設(shè)計(jì)要求，利用機(jī)械設(shè)計(jì)的基本知識(shí)進(jìn)行初步計(jì)算和設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)磁流變減薄機(jī)小型機(jī)床的自動(dòng)進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2 根據(jù)自動(dòng)控制原理，對(duì)減薄機(jī)的工作臺(tái)進(jìn)給部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，完成電機(jī)選型設(shè)計(jì)，滿足減薄機(jī)快速進(jìn)給、快速移動(dòng)的設(shè)計(jì)要求，為進(jìn)一步樣機(jī)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)獲取奠定基礎(chǔ)。2 磁流變自動(dòng)減薄機(jī)總體方案設(shè)計(jì)本章主要對(duì)磁流變自動(dòng)減薄機(jī)的X、Y軸自動(dòng)進(jìn)給工作、Z軸進(jìn)給工作臺(tái) 成大先主編.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)M. 化學(xué)工

27、業(yè)出版社, 2004、進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)選型計(jì)算進(jìn)行設(shè)計(jì)說明。2.1 設(shè)計(jì)要求技術(shù)參數(shù)1.立柱高度：750mm2.研拋頭平面尺寸：260 300mm3. 研拋頭至X軸工作臺(tái)距離：最大380mm 最小100mm4. 研拋頭至立柱距離：270mm5. X軸工作臺(tái)至立柱距離：最大70mm 最小20mm6. 研拋頭轉(zhuǎn)速范圍：0-500rpm7.各軸絲杠行程：X 420mm Y 320mm Z 470mm8.加工進(jìn)給速度：6 m/min9. X、Y軸進(jìn)給步進(jìn)電機(jī) 王愛玲主編.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M. 國防工業(yè)出版社, 2003：0-800rpm10.Z軸進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)：0-1000rpm11.定位精度：±1

28、要求高速高效，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，功能強(qiáng)大，性能穩(wěn)定，精度較高，可用于研磨拋光TEM樣品薄片等。2.2總體方案草圖6圖2.1 總體方案?jìng)?cè)視圖54321 圖2.2 總體方案主視圖1. 床身 2.X軸進(jìn)給工作臺(tái) 3.監(jiān)視器 4.Z軸進(jìn)給工作臺(tái) 5.立柱 6.Z軸進(jìn)給工作臺(tái)磁流變自動(dòng)減薄機(jī)總體設(shè)計(jì)方案，如圖2.1和圖2.2。TEM脆性材料薄片樣品磁流變自動(dòng)減薄機(jī)總體裝配圖，如圖2.3。圖2.3 TEM脆性材料薄片樣品磁流變自動(dòng)減薄機(jī)總體裝配圖2.3 X、Y軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)微小型銑削類機(jī)床，采用伺服電機(jī) 林宋,田建君編著.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床M. 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003+滾珠絲桿驅(qū)動(dòng)方式;對(duì)于磁流變減薄機(jī)，可類

29、似采用步進(jìn)電機(jī)+滾珠絲杠方式。不同切削方式下，縱向切削力、垂向切削力、進(jìn)給速度、工作時(shí)間百分比、絲杠軸向載荷、絲杠轉(zhuǎn)速等參數(shù)，如表2.1、2.2所示。不同機(jī)械的工作壽命如表2.3所示。表2.1 不同切削方式下，縱向切削力等參數(shù)變化切削方式縱向切削力Pxi(N)縱向切削力Pxi(N)進(jìn)給速度Vi(m/min)工作時(shí)間百分比%絲杠軸向載荷(N)絲杠轉(zhuǎn)速r/min強(qiáng)力切削200012000.6101060一般切削10002000.830185080精切削5002001501320100快速進(jìn)給006108001500表2.2不同切削方式下，切削負(fù)載、進(jìn)給速度等參數(shù)變化切削方式切削負(fù)載（N）進(jìn)給速度V

30、（mm/s）使用時(shí)間比例t（%）絲桿軸向載荷F（N）縱向切削力Fx垂向切削力Fy重切削1580.052056一般切削1040.13051輕切削520.52045快速進(jìn)給00103040表2.3不同類型機(jī)械的工作壽命機(jī)械類型Lh（小時(shí)）普通機(jī)械500010000數(shù)控機(jī)床20000精密機(jī)床20000測(cè)試機(jī)床15000航空機(jī)械1000磁流變自動(dòng)減薄機(jī)的水平方向?yàn)閄、Y軸，功能要求如下：1、 力學(xué)條件:工作臺(tái)重量 W1=200N、工件及夾具最大重量 W2=200N、工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦 系數(shù)：靜摩擦系數(shù)0=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)1=0.1 2、 運(yùn)動(dòng)學(xué)條件:有效行程不高于500mm 、工作臺(tái)快速進(jìn)給速度 Vm

31、ax=6m/min，達(dá)到最高 速度的加速時(shí)間不高于0.2s3、 壽命條件：要求壽命20000小時(shí)（兩班制工作十年）4、 精度、軸向間隙的選定：定位精度 1 、重復(fù)定位精度±1 X軸工作臺(tái)疊放在Y軸工作臺(tái)之上。2.4滾珠絲杠副的計(jì)算1) 滾珠絲杠副的導(dǎo)程計(jì)算 莊曉龍. C525立式車床的數(shù)控化改造D.浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2006.根據(jù)伺服電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速Nmax，工作臺(tái)的最高傳送速度Vmax可計(jì)算出導(dǎo)程 (2.1) 滾珠絲杠副的導(dǎo)程 mm：工作臺(tái)最高移動(dòng)速度 m/min : 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 r/min i : 傳動(dòng)比因電機(jī)與絲杠直聯(lián)，i=1由表2.1查得代入得，2）當(dāng)量轉(zhuǎn)速與當(dāng)量載荷計(jì)算

32、王萬新,姚俊紅,馮瑞寧. 機(jī)床改造中滾珠絲杠的選擇研究J. 德州學(xué)院學(xué)報(bào). 2006(03)a.在任何方式下，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速 (2.2)：絲杠轉(zhuǎn)速 r/min i=1,2.,n：進(jìn)給速度 m/min i=1,2.,n由表2.1查得，代入得，b.在任何方式下，滾珠絲杠的軸向載荷 (2.3):滾珠絲杠的軸向載荷：滾珠絲杠的縱向切削力：滾珠絲杠的垂向切削力由表2.1查得，已知：代入得，3) 當(dāng)量轉(zhuǎn)速計(jì)算表2.4不同軸向負(fù)載下轉(zhuǎn)數(shù)、使用時(shí)間比例變化軸向負(fù)載轉(zhuǎn)數(shù)使用時(shí)間比例（N）（min-1）（%）F1n1t1F2n2t2Fmnmtm (2.4)：當(dāng)量轉(zhuǎn)速 r/min:使用時(shí)間百分比查表2.4得，代入得

33、4) 當(dāng)量載荷計(jì)算 (2.5)：當(dāng)量載荷代入得，5） 滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷預(yù)期值計(jì)算表2.5不同程度沖擊下，fw 參數(shù)振動(dòng)、沖擊速度（V）fw微小微速時(shí)，V0.25m/s11.2小低速時(shí)，0.25V1m/s1.21.5中中速時(shí)，1V2m/s1.22大高速時(shí)，V2m/s23.5表2.6不同精度等級(jí)下，fa 參數(shù)精度等級(jí)1,2,34,5,6710fa1.00.90.7表2.7不同可靠性下，F(xiàn)c 參數(shù)可靠性%909593979899Fe10.620.530.440.330.21表2.8 不同預(yù)載情況下，fe參數(shù)預(yù)加負(fù)荷類型輕預(yù)載中預(yù)載重預(yù)載fea.按預(yù)期工作時(shí)間估算 (2.6):預(yù)

34、期額定動(dòng)載荷按表2.5查得：輕微沖擊取 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小時(shí)代入得，b.擬采用滾珠絲杠副 朱金鑫. X6132銑床縱向滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)J. 武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào). 2006(04)方法，負(fù)載最大值Fmax計(jì)算： (2.7)按表2.8查得：中負(fù)荷類型預(yù)載取 Fe=4.5代入得，取以上最大值6）計(jì)算最小滾珠絲杠螺紋底徑 張艷陽. 一種數(shù)控縱橫鋸邊機(jī)的設(shè)計(jì)D.山東：山東輕工業(yè)學(xué)院，2012.a. 估算滾珠絲杠產(chǎn)生的軸向變形量最大值（按精度要求確定允許的絲桿螺紋底徑最小值）1 （1/31/4）重復(fù)定位情況下精度值2

35、 （1/41/5）一般情況的定位精度值：軸向變形量最大值µm由重復(fù)定位情況下精度值10µm, 一般情況下的定位精度值25µm1.2.取兩種結(jié)果的最小值µmb.滾珠絲杠螺紋底徑最小值估算滾珠絲杠應(yīng)該經(jīng)過預(yù)拉伸，選擇支承形式為兩端固定。 (2.8)：滾珠絲杠底徑最小值mm 行程+靜摩擦力：已知：行程為500mm,代入得，滾珠絲杠副的規(guī)范選擇a.內(nèi)浮動(dòng)法蘭，直筒雙螺母墊片b.計(jì)算出的在手冊(cè)中選擇合適的滾珠絲杠副型號(hào)FFZD2004-38) 預(yù)緊力計(jì)算 (2.9)其中，9） 行程補(bǔ)償值與拉伸力計(jì)算a.行程補(bǔ)償值計(jì)算 (2.10)式中： 溫差取2.5b.預(yù)拉伸力

36、(2.11)代入得10）支承用的軸承規(guī)格、代號(hào) 李中華. 機(jī)床的數(shù)控改造及應(yīng)用D. 華北電力大學(xué)（河北） 2006a.軸承所承受的最大軸向載荷 (2.12)代入得，b.軸承類型選擇兩端固定的支承形式，選背對(duì)背60°角接觸推力球軸承c.軸承內(nèi)徑計(jì)算d 略小于取代入得，d.軸承預(yù)緊力計(jì)算預(yù)加負(fù)荷e.軸承型號(hào)規(guī)格選擇當(dāng)d=15mm，   預(yù)加負(fù)荷為：FBP所以選7602020-TVP推力角接觸球軸承TVP- 玻璃纖維增強(qiáng)聚酰胺窗式實(shí)體保持架，鋼球引導(dǎo)。單向，接觸角 = 60°，限制公差主要參數(shù)如下：圖2.1 602015-TVP推力角接觸球軸承示意圖 表2.9

37、 602015-TVP推力角接觸球軸承主要參數(shù)主要參數(shù)數(shù)值d（mm）20D（mm）35B（mm）11a（mm）28Da12(mm)30da12（mm）20.5ra（mm）0.6rmin（mm）0.6質(zhì)量m（kg）0.052軸向基本額定動(dòng)載荷Ca（N）13100軸向基本額定靜載荷C0a（N）24700動(dòng)態(tài)最大軸向力Famax（N）6300脂潤(rùn)滑時(shí)的極限轉(zhuǎn)速n（rpm）6700最少油潤(rùn)滑時(shí)的極限轉(zhuǎn)速n（rpm）9000預(yù)載Fv(N)1300摩擦力矩Mr（N·mm）20軸向疲勞極限載荷Cua（N）2220預(yù)加負(fù)荷為：11 )滾珠絲杠副工作圖設(shè)計(jì)計(jì)算 表2.10不同公稱導(dǎo)程下的余程公稱導(dǎo)程4

38、56810121620余程（Le）1620243240425060a.絲杠螺紋長(zhǎng)度Ls：Ls=Lu+2Le   由表2.11查得余程Le=40b.兩固定支承距離L1參照表格查出螺母安裝聯(lián)接尺寸，絲杠全長(zhǎng)Lc.行程起點(diǎn)離固定支承距離L0由工作圖得，Ls=380L1=42L0=30L=45012 ) 傳動(dòng)系統(tǒng)剛度計(jì)算表2.10不同支承方式下的參數(shù)支承方式簡(jiǎn) 圖K2f一端固定一端自由0.251.8753.4一端固定一端游動(dòng)23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9a.絲杠抗壓剛度計(jì)算 (2.13)b.絲杠最小抗壓剛度計(jì)算 ：最小抗壓剛度 

39、 d2：絲杠底徑L1：固定支承距離=276 c.絲杠最大抗壓剛度計(jì)算 (2.14)：最大抗壓剛度 d.支承軸承組合剛度計(jì)算 邱峰. 桌面式微小銑床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析鋸邊機(jī)的設(shè)計(jì)D.吉林：長(zhǎng)春理工大學(xué)，2009.一對(duì)預(yù)緊滾珠絲杠裝配的軸承組合剛度值： (2.15)：一對(duì)預(yù)緊滾珠絲杠裝配的軸承組合剛度值 ：滾珠直徑  mmZ ：滾珠數(shù)：軸承軸向工作載荷最大值  N ：接觸角大小由手冊(cè)查出7602015-TVP軸承是預(yù)加載荷的2倍， Z=17 ：支承軸承座剛度值e.滾珠和滾道接觸剛度值計(jì)算 (2.16)：滾珠及滾道接觸剛度值：查手冊(cè)上的剛度 ：預(yù)緊力 N：動(dòng)載

40、荷額定值 N 代入得，13) 剛度驗(yàn)證計(jì)算及精度選擇 董建國. 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)剛度對(duì)定位精度影響的研究D. 蘭州理工大學(xué) 2007a.剛度最大、最小值計(jì)算 (2.17)代入得， （2.18）代入得，b.系統(tǒng)剛度值驗(yàn)證計(jì)算 （2.19）：系統(tǒng)剛度N 在反向差值情況下的重復(fù)定位精度大小為10代入得，c.系統(tǒng)剛度變動(dòng)造成的定位誤差 （2.20） d.精度計(jì)算 ：在300mm內(nèi)的行程變動(dòng)量，定位精度-代入得，因此滾珠絲杠精度選擇為等級(jí)3e.滾珠絲杠副的規(guī)格代號(hào)確定已確定的型號(hào)：FFZD2004-3公稱直徑：20    導(dǎo)程：4螺紋長(zhǎng)度：420絲杠全長(zhǎng)：450P類3級(jí)精度

41、FFZD2004-3-P3   /420×45014)臨界壓縮載荷驗(yàn)證計(jì)算  Fc ：2900 N絲杠所受最大軸向載荷Fmax小于絲杠預(yù)拉伸力F不用驗(yàn)算。15 ) 驗(yàn)算臨界轉(zhuǎn)速 （2.21）:臨界轉(zhuǎn)速  n/minf ：與支承形式有關(guān)的系數(shù)：絲杠底徑：臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度  mm查表2.1得，2.5 Z軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì) 豎直方向?yàn)閆軸, 功能要求如下:1 力學(xué)條件 李園. 基于西門子SINUMERIK 802S的CA6140車床數(shù)控化改造D. 浙江工業(yè)大學(xué) 2007:工作臺(tái)重量 Wz1=200N (約20Kg)；Z軸最大承重WY

42、2=300N (約30Kg) (主要是研拋頭電機(jī)等部件的重量)；導(dǎo)向面無負(fù)載時(shí)的阻力f=5N；工作臺(tái)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)：靜摩擦系數(shù)0=0.2，動(dòng)摩擦系數(shù)1=0.1 ；上升加速時(shí)的軸向力F = 806 N。表2.10 Z軸不同工作狀態(tài)的切削負(fù)載工作狀態(tài)切削負(fù)載（N）進(jìn)給速度V（mm/s）使用時(shí)間比例t（%）絲桿軸向載荷F（N）軸向切削力FZX/Y向切削力FX/FY重切削815/12020816一般切削410/8040811輕切削25/3020808快速進(jìn)給0015208052 運(yùn)動(dòng)學(xué)條件:有效行程不高于600mm ，工作臺(tái)快速進(jìn)給速Vmax=15m/min，達(dá)到最高速度的加速時(shí)間不高于0.2s。3

43、壽命條件：要求壽命20000小時(shí)（兩班制工作十年）（4）精度、軸向間隙的選定：定位精度 1、重復(fù)定位精度±1 Z軸進(jìn)給工作臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算和X、Y軸類似，由于時(shí)間問題，不再贅述。給出Z軸設(shè)計(jì)三維圖片。如圖2.3.圖2.3 Z軸進(jìn)給工作臺(tái)三維建模圖2.6 X、Y、Z軸步進(jìn)電機(jī)選型設(shè)計(jì)1）負(fù)載力矩的計(jì)算 范超毅. 步進(jìn)電機(jī)的選型與計(jì)算J.機(jī)械與液壓.2008.a.負(fù)載力矩切削值的計(jì)算 （2.22）式中: 切削時(shí)絲杠軸向負(fù)載力,N；L 電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈時(shí)執(zhí)行件軸向移動(dòng)距離, m; 傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率, = 0.9。已知：，b.負(fù)載力矩切削值 的計(jì)算 （2.23）式中: 不切削時(shí)絲杠的軸向負(fù)載力 (即為

44、空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力 ), N。已知：,c.滾珠絲杠預(yù)緊的附加負(fù)載力矩的計(jì)算 （2.24）式中: 為絲杠預(yù)緊力, N; 絲杠螺母副基本導(dǎo)程, m; 為滾珠絲杠螺母副的效率, 取 = 0.96。已知：,2)電機(jī)軸負(fù)載力矩 的計(jì)算空載（快進(jìn)）時(shí)，切削（工進(jìn)）時(shí)，a.電機(jī)軸的加速力矩計(jì)算 （2.25）已知：，式中: 最快速度運(yùn)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速, r/m in; 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量, kg.cm2 ; 折算到電機(jī)軸負(fù)載慣量, kg.cm2 ; ta反應(yīng)時(shí)間.b.計(jì)算折算到電機(jī)軸上的加速力矩1.空載時(shí)啟動(dòng)加速力矩值 （2.26）2. 切削時(shí)加速力矩值 （2.27）3)最大靜力矩的確定：取步進(jìn)電機(jī)為4相 王莉. 全

45、自動(dòng)組織脫水機(jī)控制系統(tǒng)及用戶界面的研制D.湖北：華中科技大學(xué)，2005.，運(yùn)行拍數(shù)為4拍，如表2.11則再由公式，則最大靜力矩表2.11 系統(tǒng)空載啟動(dòng)力矩與所需步進(jìn)電機(jī)最大靜力矩的關(guān)系步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)33445566運(yùn)行拍數(shù)Tq/Ts130.560.86640.70780.70750.809100.95160.866120.8664）最大運(yùn)行頻率計(jì)算 （2.28）已知，5） 步距角的選擇根據(jù)計(jì)算出的負(fù)載力矩和磁流變自動(dòng)減薄機(jī)研磨拋光柔性特點(diǎn)，選擇步距角較小、較柔和的步進(jìn)電機(jī)。因此X、Y軸進(jìn)給工作臺(tái)選擇步距角為1.8°，型號(hào)為42HS3404A4的步進(jìn)電機(jī)，主要參數(shù)如表2.12.表2.1

46、2 42HS3404A4的主要參數(shù)型號(hào)步距角(°)電流(A)電阻()電感(mH)靜力矩(N.cm)定位力矩(N.cm)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(g.cm2)機(jī)身長(zhǎng)L(mm)引線數(shù)(NO.)重量(g)42HS3404A41.80.43035281.634344220考慮Z軸在上下進(jìn)給，帶動(dòng)拖板過程中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，且便于細(xì)微調(diào)整工作臺(tái)薄片樣本與研拋頭間隙，需要步進(jìn)電機(jī)接收到的電脈沖指令驅(qū)動(dòng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)角度更小，更精密，因此選用步距角0.9°，型號(hào)為42HAP34BL4-TRO的步進(jìn)電機(jī)。主要參數(shù)如表2.13.如圖2.4 為X、Y、Z軸進(jìn)給工作臺(tái)裝配圖2.4 X、Y、Z軸進(jìn)給工作臺(tái)裝配圖2.8本章小結(jié)

47、本章用了較長(zhǎng)的篇幅，進(jìn)行X、Y、Z軸三軸進(jìn)給工作臺(tái)的設(shè)計(jì)和計(jì)算，其中從滾珠絲杠副的導(dǎo)程開始，進(jìn)行了一系列當(dāng)量載荷、當(dāng)量轉(zhuǎn)速、額定動(dòng)載荷、滾珠絲杠底徑的計(jì)算，依據(jù)滾珠絲杠的行程和底徑選擇了合適的軸承，完成正確的安裝方式計(jì)算。最后依據(jù)絲杠的轉(zhuǎn)速和進(jìn)給工作臺(tái)的精度要求，進(jìn)行了步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)計(jì)算，完成步進(jìn)電機(jī)的選型。從而完成磁流變自動(dòng)減薄機(jī)的三軸進(jìn)給工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在此過程中，理論和實(shí)踐結(jié)合，使得知識(shí)運(yùn)用更加熟練。Y軸進(jìn)給工作臺(tái)疊放在X軸進(jìn)給工作臺(tái)上，帶動(dòng)工件做水平方向的前后左右運(yùn)動(dòng)，Z軸進(jìn)給工作臺(tái)上面安裝拖板，帶動(dòng)磁流變自動(dòng)減薄機(jī)研拋頭和電機(jī)主體部分做上下移動(dòng)，緩慢調(diào)整研拋頭和工件間隙，減薄TEM脆性材料薄片樣品。表2.13 42HAP34BL4-TRO的主要參數(shù)型號(hào)42HBP47BL4-TRO42HBS48BJ4-TRO42HAP34BL4-TRO42HAP40BL4-TRO相數(shù)2222步距角 1 .8° 1.8° 0.9° 0.9°靜轉(zhuǎn)矩0.33電流（A）31.5相電阻（）1.828.52.02.4相電感（mH）4.5804.54.0機(jī)（mm）474