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小型金相试样切割机机械部分的设计凌人蛟;陈晖;练福军【摘要】小型自动化金相试样切割机由机械部分和控制部分组成,文中针对机械结构部分进行设计.设计的小型金相试样切割机机械部分由切割机构、进给机构、夹具、机体和冷却系统组成.采用切割系统固定不动、试样进给的切割方式工作.切割机构采用三相变速异步电动机变速驱动,以简化机械结构并实现切割速度可调.三个方向的进给采用步进电机驱动滚珠丝杠来实现.夹具采用了螺旋夹紧机构.【期刊名称】《机械工程师》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】3页(P11-13)【关键词】切割机;金相试样;螺旋夹紧;进给机构【作者】凌人蛟;陈晖;练福军【作者单位】东北林业大学机电工程学院,哈尔滨 150040;哈尔滨职业技术学院机械工程学院,哈尔滨 150081;东北林业大学机电工程学院,哈尔滨 150040;东北林业大学机电工程学院,哈尔滨 150040【正文语种】中文【中图分类】TG115.2151 引言金相试样的制作过程通常包括截取试样、镶嵌试样、磨平试样和抛光试样四个步骤［1］。
制样过程中每个阶段都必须细心操作，因为任何失误都会影响随后步骤试样的制取。
正确制得适合金相观察的试样是进行各种研究的基础。
制取失败的试样严重影响金相分析的组织，错误显微组织会带来不可估量的后果。
制备好的试样需要代表所要研究的对象，要保证金相试样的分析表面成镜面而没有划痕缺陷，否则不利于显微组织的观察［2］。
目前，在各个企业和科研院所制取试样的方法仍然停留在手工制取的阶段。
手工制样过程中步骤繁多，要求制样者具有熟练的技术水平和丰富的处理试样的经验，因而制取式样的效率非常低。
随着信息工程和控制论的飞速发展，计算机控制的机械制取金相试样的设备逐渐取代了传统的手工制取试样的设备，效率有了很大程度的提高，制取金相试样的质量也更加完美［3，4］。
国外的金相试样切割机的发展较好，但是价格昂贵。
国内的金相试样切割机自动化程度低，精度低，因此设计开发自动化的金相试样切割机具有重要的意义。
金刚石线锯截断机的设计与应用Design and application of diamond wire cutting machine杜红文1，席珍强2DU Hong-wen1, XI Zhen-qiang2（1. 浙江机电职业技术学院现代制造工程系，杭州 310053；2. 浙江理工大学材料研究中心，杭州 310051）摘 要：随着IC产业与光伏产业的迅速发展, 硅片的应用范围越来越大，对硅片加工技术越来越重视。
与发达国家相比，我国在硅材料的截断、切片等切割技术及设备等方面的研究与制造还相对落后。
本文较详细地介绍了采用固结磨粒金钢石线切割技术的截断机设计，并从切割尺寸、切割损耗及切割效率等方面对研制设备的使用效果进行了比较说明。
关键词：硅材料；固结磨料；金刚石线锯；截断机中图分类号：TP391 文献标识码：B 文章编号：1009-0134(2010)06-0052-03Doi: 10.3969/j.issn.1009-0134.2010.06.180 引言硅片是半导体工业的基础，也是构成太阳能光伏电池的核心元件,它的制造工艺和质量直接影响到成品太阳能电池发电转换效率、使用寿命等性能。
硅片的制造主要包括晶体生长—截断—磨外圆—切片—倒角—研磨—腐蚀—抛光—清洗等工序。
其中，截断工序的目的是切除硅锭（棒）的头部、尾部及超出客户规格的部分，将硅锭（棒）分段成客户切片设备可以处理的长度，或切取试片测量硅锭（棒）的电阻率、含氧率。
近年来，随着太阳能工业的迅猛发展,硅材料的需求量不断增加,切割加工量大幅增长。
目前的硅片切割技术研究方向主要在于硅锭（棒）截断、切片时如何减小切缝损失、增大切割尺寸及提高切割效率等方面。
现有的硅锭截断（包括头尾切割）设备大多采用金刚石外圆切割、带锯切割等方法来解决。
外圆切割方法简单，但刀片刚性差，易产生侧向摆动，切缝大，材料浪费大。
特别是对于切割大尺寸的单晶棒或铸成多晶硅块，为保证刀片刚性需要其自身厚度大，切缝更大，材料浪费尤为明显，很不经济。
图1 零件外形尺寸
图20 数控机床虚拟调试及验证
3. 结语
通过本文中提出的数控机床虚实联调的方法，基于数字化双胞胎技术，可以实现数控机床虚拟样机的设计、研发、调试与验控设备设计调试及加工与制造过程中借助“数控数字化双胞胎”可以实现从产品研发、设计、生产直到服务的全过程，从而缩短设计及研发周期，提升调试成功率，提高生产力、可用性和过程可靠性，优化加工精度、加工过程乃至维护和服务效率。
图2 不同位置示意图3 程序逻辑控制
2019年 第12期冷加工 图4 仿真模拟效果3. 结语本文提出一种比较高效的大型弧面加工方法，建立了加工数学模型，编写了通用的全参数化往复加工宏程序，针对不同的弧面，具有很好的适应性。
经实际加工验证，相比传统的加工方法，弧面精加工效率提高了8倍左右。
另外，加工过程更加平稳，加工品质得到很大程度提升。
参考文献：[1] 成大先．机械设计手册［M ］．北京：化学工业出版社，2002．[2] 梅三造．硬质合金刀具常识及使用方法［M ］．王洪波，戎圭明，译．北京：机械工业出版社，2009．（收稿日期：20190802）。
五轴激光切割机床结构设计研究【摘要】本研究旨在探讨五轴激光切割机床结构设计的优化方案及关键技术。
首先介绍了五轴激光切割机床的基本原理，然后对现有结构设计进行了分析，并提出了优化方案。
通过案例分析，探讨了五轴激光切割机床结构设计中的关键技术问题。
最后总结了结构设计的经验教训，并展望了未来研究的方向。
研究结果对于提高五轴激光切割机床的工作效率和精度具有重要意义，有望为相关领域的技术发展提供有益参考。
【关键词】五轴激光切割机床、结构设计、研究、优化、技术、案例分析、展望、建议、未来方向、结论、目的、意义、原理、分析、总结。
1. 引言1.1 背景介绍五轴激光切割机床是一种集激光切割和五轴数控加工为一体的高精度加工设备，能够对各种材料进行精密切割和加工。
随着工业制造的不断发展，对五轴激光切割机床的要求也越来越高，如提高切割精度、加工效率和稳定性等方面。
对五轴激光切割机床的结构设计进行深入研究具有重要意义。
目前，国内外对五轴激光切割机床的研究主要集中在结构设计和切割效果优化等方面。
由于五轴激光切割机床结构设计涉及多种学科知识，如机械设计、激光技术和控制技术等，因此存在着一定的挑战和难度。
本文旨在通过对五轴激光切割机床的结构设计进行深入研究，探讨现有机床结构设计的优缺点，提出结构设计优化方案，并结合实际案例分析，最终总结结构设计中的关键技术问题。
希望通过本研究能为五轴激光切割机床的进一步发展提供一定的参考和借鉴。
1.2 研究目的研究目的是为了深入探讨五轴激光切割机床结构设计领域的最新进展和趋势，为提高五轴激光切割机床的性能和精度提供技术支持。
通过分析现有五轴激光切割机床的结构设计，探讨其存在的问题和不足，提出优化方案和改进措施。
通过案例分析和关键技术探讨，为五轴激光切割机床的结构设计提供实践经验和技术支持。
最终旨在总结五轴激光切割机床结构设计的经验和教训，为未来的研究和发展提供参考和借鉴，推动五轴激光切割技术的进步和应用。
金相切割机的国内外研究概况金属零件的力学性能不仅与它的化学成分有关，也与它的金相组织密切相关。
金相检验是控制和评定产品质量不可缺少的重要手段，是科学研究中研究新材料、新工艺和提高金属制品内在质量的重要方法。
要进行金相分析，就必须制备能用于微观检验的样品——金相试样。
通常，金相试样的制备要经过取样、镶嵌、磨光和抛光几个步骤。
每个步骤都应该细心操作，因为任何阶段上的失误都可能影响最后的结果，因为这可能会造成组织假象，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。
金相试样的截取是金相试样制备过程中一个重要环节。
截取试样的方法有手锯、锯床、砂轮切割机和线切割机等等。
根据零件的形状和材料，选择适当的方法来切割。
目前砂轮切割机广泛应用于金相试样的截取上，主要原因是其适应性强，树脂砂轮片可切割软的金属零件如铜、铝及合金和硬的金属零件如淬火后的碳钢、高速钢；金刚石切割机可切割超硬材料如硬质合金、陶瓷等。
另外其切割速度快、劳动强度低、操作简便和切割成本低。
选择可靠性高的金相试样切割机，可以提高制样效率和质量，降低成本，提高经济效益。
金相试样截取的技术要求与机械行业中的金属切割、下料不同，金相试样的切割有它自身的要求和特点，截取的金相试样必须保持原有的组织状态，即必须保证所截取的试样的金相组织与原状态金相组织一致，这就要求：①在截取试样的过程中试样受热、受外力作用要尽量小；②配备良好的冷却系统，保证切口无过热和过烧现象；③精确控制进给量的大小，保证试样变形小，光洁度高；④砂轮切割机应配备精确的卡具和良好的运动机构，保证试样的切口垂直性好，切口余量小，零件装卡方便；⑤切割机应有良好的防护，保证使用安全。
作为室内使用的切割设备，切割机还必须具备较低的噪音，保证无噪音污染。
配备循环冷却系统，注意节约用水和室内清洁。
金相试样切割质量的好坏严重影响试样的组织结构，已逐步引起有关专家的重视。
近年来，国内外在切割机的性能上作了大量研究工作，研究出不少新机型，新一代切割设备，正由原来的手动操作，发展成为数显、数控及微电脑智能控制。
大型金相试样切割机的设计与研究孙维连，杨钰瑛，王会强河北农业大学机电工程学院河北保定071001摘要：针对金相试样的特殊要求，对金相试样的切割技术和磨削过程进行了研究，采用机电一体化系统设计思想，对其整体造型、机械结构和控制系统进行了设计，保证了金相试样的切割质量，提高了切割机的切割能力。
控制系统的核心采用PLC实现自动控制，采用变频调速器实现了砂轮片转速的无级可调，采用步进电机细分调速技术提高了切割机的控制精度，增强了切割不同材料的适应性。
关键词：金相试样PLC控制切割机The researched on the Metallographic sample cutting machine which based on four，s shaft Abstract：Because of requirement of the metallographic sample was special, this paper researched the cutting technology and the griding process of the metallophic sample.The metallographic sample cutter was analysed systemic according to the Mechatronics，system design principle and whole sculpt , machine, control system were designed, which assured the cutting quality of the metallophic sample and improved the capability of the cut. The core of the control system was PLC, the frequency conversion timing which achieved the grinding wheel’s stepless timing and automation. This improved the control precision of the cutting machine and boosted up the adaptability of cut various materials.Keywords：Metallographic sample; PLC control; cutter.1、引言金相试样切割机主要用于金相试样的截取和各种材料的下料、切口等，在冶金、汽车、航空航天等制造业中应用极为广泛。
大中型金相试样切割机基于复杂程序操作嵌入LC的研发探讨作者：黄金娥来源：《电子世界》2013年第10期【摘要】大中型金相试样切割机，主要以触摸式屏幕和编程用的控制设备为核心。
这种控制体系能够针对不同种类的金属，采取多种切割方式，变换切割速度。
对于金属的切割全过程，都是由PLC这种程序来进行宏观把握的。
操作人员可以通过点击触摸屏来设置各种切割参数，同时及时了解动态的切割流程。
基于复杂程序操作嵌入PLC，可以根据具体的情况来设定砂轮转动的速度，并适当调整切割配件的速度，进而提升大中型金相试样切割设备的控制精确程度。
为了增加操作系统切割金属的稳定程度和适应程度，本文着重探讨大中型金相试样切割机基于复杂程序操作嵌入PLC的研发技术。
【关键词】大中型金相试样切割机；基于复杂程序操作；嵌入PLC；研发1.前言大中型金相试样切割设备，是开展金相抽样研究活动的必要设备，它主要应用于获取金相试样、配置各种材料以及金属切口等。
目前，大中型金相试样切割设备被广泛使用在机械制造、冶金、汽车加工、航天等多种领域。
现存的大中型金相试样切割设备种类丰富，其中建立在微型处理器基础上的制样设施，运用了金相制造的前沿科技。
然而，这类设备的自动程度偏低，不能实现大型零件的直接取样。
为了达到行业制造的具体标准，推动金相试样研究的进步，我们需要研制精确度更高、性能更加优良和方便使用的金相试样切割体系。
技术人员依据金相试样的特殊性质，研制出了基于复杂程序操作嵌入PLC技术，并增添了触摸屏幕作为操作人员和设备之间的交互窗口。
这就弥补了传统设备在交互方面的缺陷，减少了输入操作和输出操作的端点数量，使得设备更加便于维护和管理。
2.大中型金相试样切割机原理金相试样切割设备，是金相样本抽取的专门设施。
为了保护被抽取金属样品的原有构造和结构性能，对于种类不同的金属物质，应当采用不同的切割方法和速度。
在金相试样切割的控制体系内部，我们设计了测量操作窗口、手动窗口和自动窗口三种窗口，并增添了一个级别较高的设计窗口和一个用于查看金属切割进程的窗口。
大型金相试样切割机的设计与研究孙维连，杨钰瑛，王会强河北农业大学机电工程学院河北保定071001摘要：针对金相试样的特殊要求，对金相试样的切割技术和磨削过程进行了研究，采用机电一体化系统设计思想，对其整体造型、机械结构和控制系统进行了设计，保证了金相试样的切割质量，提高了切割机的切割能力。
控制系统的核心采用PLC实现自动控制，采用变频调速器实现了砂轮片转速的无级可调，采用步进电机细分调速技术提高了切割机的控制精度，增强了切割不同材料的适应性。
关键词：金相试样PLC控制切割机The researched on the Metallographic sample cutting machine which based on four，s shaft Abstract：Because of requirement of the metallographic sample was special, this paper researched the cutting technology and the griding process of the metallophic sample.The metallographic sample cutter was analysed systemic according to the Mechatronics，system design principle and whole sculpt , machine, control system were designed, which assured the cutting quality of the metallophic sample and improved the capability of the cut. The core of the control system was PLC, the frequency conversion timing which achieved the grinding wheel’s stepless timing and automation. This improved the control precision of the cutting machine and boosted up the adaptability of cut various materials.Keywords：Metallographic sample; PLC control; cutter.1、引言金相试样切割机主要用于金相试样的截取和各种材料的下料、切口等，在冶金、汽车、航空航天等制造业中应用极为广泛。
目前国内缺乏大型的金相试样切割机，对较大的零件例如汽车曲轴直接进行取样比较困难，根据试样切割前后金相组织不变的基本要求，在满足各种零件的切割效率同时，本文对大型金相试样切割机进行了设计与研究，最大切割直径可达150mm，纵向切割范围可达300mm，满足了较大零件的截取和下料。
同普通机械行业中的金属切割不同，切割金相试样对保持原有组织状态比较严格，即必须保证所截取试样的金相组织与原部件组织一致，这就要求在截取试样的过程当中试样受热、受外力作用要尽量小，因为这两种情况都会引起一定的组织变化。
因此，在机械切割金属试样时要力求试样温度不超过1500C，使切口无过烧现象，试样真实性好。
金相试样切取的方法可根据取样零件的大小、材料的性能、现场的实际条件灵活的选择。
尽管有多种截取试样的方法，但是在金相实验室切取试样的要求为：切割面比较光滑平整，截面与轴线的垂直度好，砂轮切割机适用性强，可以切割软的金属零件如铜铝和较硬的金属零件如淬火后的碳钢、高速钢；并可以切割超硬材料如硬质合金、陶瓷等。
另外，还要求切割速度快，劳动强度低，操作简单、灵活，切取试样尺寸准确，大小适宜，切割成本低等优点。
根据以上要求，结合国内外现有切割机的特点和优点[2]，开始研发大型切割机。
2、大型金相切割机机械设计2.1 金相试样切割机的总体结构设计本设计通过机电一体化系统设计的思想对金相试样切割机的机械主体部分进行了分析与设计，机电一体化技术使传统的机械设计和改造有了新的思维方法和技术手段；而且信息处理技术是机电一体化技术中必不可少的部分，一个机械系统实现计算机控制，具有信息处理功能，才能实现生产过程的自动化[3]。
电子装置的有机融入，代替了复杂的机械装置，使设计的金相试样切割机比以往切割机在满足工作要求的前提下，结构简单、操作方便、可靠性和稳定性高、自动化程度与生产效率高。
切割机为立式结构形式，机械设备主要由动力传动装置、执行机构与卡具、冷却系统、机体四大部分组成。
根据工件运动和砂轮片运动形式可将金相切割机分为两类[4]，一类为工件运动，砂轮片固定不动的切割机；另一类为工件固定不动，砂轮片运动的切割机，而运动又分为曲线摆动和直线运动两种形式。
考虑到切割时砂轮片的受力和工件的重量，所以切割机设计为当切割较大工件时，砂轮片摆动而工件做往复运动的形式；当切割较小工件时，砂轮片摆动而工件固定不动的形式。
机械结构示意图如图1所示。
1.箱盖2.砂轮罩3.工作台4.砂轮5.电动机6.带轮7.立柱图1 机械结构简图切割过程中，刀具可以上下摆动实现切割进给，工作台可以实现横向和纵向的双向移动以方便切割。
砂轮片固定在切割轴上，电动机的输出转速经过二级V带传动实现砂轮的高速旋转。
砂轮轴通过横梁与2号轴相连，由步进电机通过蜗轮蜗杆带动横梁上下摆动来实现切割进给运动，并可以调节切割进给的距离。
考虑到砂轮轴的自身重量会增加蜗轮的负重而使得切割过程中产生振动影响切割质量，在夹板上通过定滑轮设配重将重量平衡。
主电动机为三相异步电动机，通过变频器实现无级调速。
工作台由横向丝杠和纵向丝杠带动，横向丝杠通过导块运动带动工作台移动。
丝杠两端分别安装步进电机和手轮，以满足不同的切割要求。
箱罩上设推拉门方便取放加工工件，正面开透视玻璃以观察切割进程。
在切割时，由于磨削阻力会产生大量的热，因此需加冷却液保证试样的充分冷却。
为方便吊起整台切割机，在底座的两旁安装吊环。
工作台下方安装两道筛子接取切割屑，底部安装内置水箱循环提供冷却液。
2.2传动机构设计传动采用V带传动，带传动是一种柔性传动机构，它特别适合于轴间距比较大的场合。
带传动是机械行业常用的传动方式，它能够缓冲和吸振，运行平稳，无噪声，应用简单。
切割机系统中，主电机的功能为带动切割片高速旋转，由于带传动具有上述优点，系统选用带传动进行增速提高切割片的转速。
两极传动保证摆臂旋转运动时不产生中心距的变化。
2.3 冷却系统的设计为了保证切割前后试样的金相组织不变，在切割的过程当中必须对试样冷却，冷却系统由水箱、冷却泵、出水管、回水管、过滤网组成。
在上电后砂轮片旋转的同时，冷却泵开始工作，把水箱中的冷却液泵出，通过出水管喷射到砂轮上，冷却液在高速旋转的砂轮离心力的作用下，流向试样的切割部位，使得砂轮和试样同时冷却。
冷却液通过过滤网过滤掉切屑后，由回水管流回水箱，节省了水资源，保证了切割质量。
2.4进给机构的设计由于大型试样切割机具备了两种切割模式，所以其进给也包括两部分，一是砂轮摆臂运行到下限值，工作台纵向运动，带动工件进给，从而对夹持工件进行匀速切割。
二是砂轮摆臂运行到切割部位，按要求进行匀速切割，当工件尺寸较大时，可采用砂轮臂间歇运动，工作台纵向进给往复运动，扩大切割大型零件切割尺寸。
而砂轮片的进给则是由步进电机通过蜗轮蜗杆带动横梁上下摆动，从而实现砂轮片的进给。
2.5夹具的设计试样在切割过程中由于受到砂轮片的径向力和摩擦力，所以试样的夹具应装夹可靠，否则在切割时，不能保证试样的垂直度，而且砂轮片易损坏造成危险。
此外，夹具应具有自锁功能，装夹方便[5]。
根据以上要求设计了一种快速夹紧夹具，其工作过程为：通过手柄推动夹具夹紧工件，然后旋转手柄，使夹具产生一个作用于工件的力，从而实现夹具的自锁。
此夹具装夹工作台面上，随着工作台的进给而运动，切割时试样受力均衡，可以防止截断后毛刺的产生。
而且操作简单、装夹方便，极大减轻了劳动强度，提高了切割的效率。
3、四轴大型金相试样切割机控制系统的硬件设计3.1 控制系统总体方案的确定在切割机控制系统主要以顺序控制为主，大部分要求是开关量控制，控制系统的核心采用可编程序控制器（PLC），这是因为：切割机的工作环境非常恶劣，在切割工件时，会有较强的振动、噪声产生，而且由于需要冷却工件，工作环境潮湿，由于PLC的输入／输出系统功能完善，性能可靠，能够适应于各种形式和性质的开关量和模拟量信号的输入和输出；PLC的硬件结构全部采用模块化结构，可以适应大小规模不同、功能复杂程度及现场环境各异的各种控制要求，为控制系统的硬件设计提供了方便、快捷的途径，可以大大缩短整个系统设计、生产、调试周期，节约系统投资；PLC维护操作方便，扩展容易，具有较好的性能和较高的可靠性，能在恶劣的工业环境下正常运行，一般平均无故障时间可达几万小时以上，PLC具有较高的性能／价格比。
另外，PLC还具有较完善的自诊断、自测试功能。
所以采用可编程序控制器来实现系统的控制[6]。
3.2 砂轮片速度调节由于砂轮片的转速对切割试样的质量影响较大，所以切割不同的试样时，砂轮片应具有不同的转速。
例如：切割硬度大试样时砂轮片应转速较高；而切割铜、铝等较软的试样时砂轮片转速较低。
为了调节砂轮片的转速必须对异步电动机进行变频调速，这样使得砂轮片的转速范围加大。
通过变频调速的电机可使砂轮片的转速从0—3400r/min可调。
3.3 工作平台横向进给和纵向进给的速度调节进给动力主要是由步进电机带动丝杠旋转，从而带动工作台的前后或左右移动。
步进电机的控制是由PLC 来实现的，PLC产生两路信号，一路为步进脉冲信号CP，步进电机驱动器每接收一个脉冲信号CP，就驱动步进电机旋转一步距角，脉冲信号CP的频率和步进电机的转速成正比，脉冲信号CP的个数决定了步进电机旋转的角度。
另一路为方向电平信号DIR，当DIR为高电平时，步进电机顺时针旋转；相反，当DIR为低电平时，步进电机为逆时针旋转。
这样，就可以通过调解PLC的输出信号来精确控制纵向进给的速度了。
通过调整PLC 的输出信号就能控制工作台的进给位置，达到精确定位的效果。
进给机构示意图如图2所示。
图2 平台进给机构简图4. 控制系统的结构由于本控制系统中有一台异步电动机，三台步进电机。
可以使用单台PLC进行多个对象的控制，只要适当的选用高性能的PLC，就可以完全实现系统的控制功能。
所以采用如图3所示的控制结构：本系统中， PLC利用传感器采集监控电机、变频器等有关的各类对象的信息，PLC经过对输入信息的处理，综合采集器所获得的信息，反馈控制监控对象。
