(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430074)

0 引言

電感耦合等離子體-質(zhì)譜儀(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)采用以電感耦合等離子體作為離子源(又稱“ICP光源”)，以質(zhì)譜儀進(jìn)行檢測(cè)的無機(jī)多元素分析技術(shù)。如何將等離子體有效穩(wěn)定地傳輸?shù)劫|(zhì)譜設(shè)備，是ICP-MS接口技術(shù)的重點(diǎn)。等離子體炬管應(yīng)便于拆卸和清洗保養(yǎng)，生成的等離子體應(yīng)最大限度地通過采集接口，保證離子源發(fā)生和采集的穩(wěn)定性，這是ICP-MS對(duì)采集接口的基本要求[1]。

通過軟件控制使采樣錐在ICP光源內(nèi)獲取最佳采樣位置，是提高ICP-MS接口能力的有效途徑之一。本文將三維移動(dòng)裝置與ICP的光源系統(tǒng)進(jìn)行整合，通過對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，為實(shí)現(xiàn)軟件控制奠定了硬件基礎(chǔ)。

1 整體設(shè)計(jì)

ICP光源系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)采用SolidWorks三維建模。該ICP光源三維移動(dòng)臺(tái)由三維移動(dòng)臺(tái)和光源安裝臺(tái)組成。三維移動(dòng)臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)由三個(gè)互相獨(dú)立的步進(jìn)系統(tǒng)組成[2]，并采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制；各步進(jìn)系統(tǒng)相互獨(dú)立，便于實(shí)現(xiàn)X、Y、Z三個(gè)方向上的精密移動(dòng)與單向調(diào)控。光源安裝臺(tái)位于設(shè)備頂層，用于安裝固定光源系統(tǒng)組件。該設(shè)計(jì)可通過軟件編程控制，將等離子體光源移動(dòng)至最佳接口位置。

2 三維移動(dòng)臺(tái)設(shè)計(jì)

移動(dòng)臺(tái)分三層：X方向行程最長(zhǎng)，質(zhì)量最大，置于底層；Y移動(dòng)臺(tái)在X移動(dòng)臺(tái)之上，X與Y步進(jìn)系統(tǒng)組成“十”字移動(dòng)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)X-Y坐標(biāo)移動(dòng)；Z移動(dòng)臺(tái)位于頂層，實(shí)現(xiàn)Z向升降移動(dòng)。

2.1 安裝底座與支承板設(shè)計(jì)

安裝底座與支承板是該移動(dòng)臺(tái)的基礎(chǔ)支承件，是各零部件連接的基礎(chǔ)，對(duì)加工表面與安裝孔相對(duì)位置的精度要求高，須具有較高的強(qiáng)度、剛度以及良好的工藝特性[3]。為保證安裝強(qiáng)度，確保彈性變形在允許范圍內(nèi)，該平臺(tái)安裝底座與支承件選用10 mm鋁合金板制件，可滿足設(shè)備要求。

X、Y底座兩側(cè)支承板用于安裝固定滑動(dòng)導(dǎo)軌。支承板與導(dǎo)軌安裝面全接觸，使接觸面積最大，從而提高接觸剛度，減小導(dǎo)軌受力產(chǎn)生的彎曲變形。Z方向支承件由升降絲桿與四根剛性壓縮彈簧組成。升降絲桿選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，以提高其機(jī)械性能[4]。壓縮彈簧分別安裝于四組導(dǎo)向部件上，兩端固定，防止彈簧失穩(wěn)，提高彈簧的不穩(wěn)定系數(shù)。鋼性壓縮彈簧，能減小升降螺桿的軸向負(fù)載和應(yīng)力變形，提高負(fù)載能力。同時(shí)，支承彈簧作為上下兩層的彈性元件，能夠起到有效的減振作用，減小振源(步進(jìn)電機(jī))對(duì)儀器產(chǎn)生的不良影響[5]。

2.2 導(dǎo)向設(shè)計(jì)

2.2.1X-Y十字移動(dòng)臺(tái)導(dǎo)向設(shè)計(jì)

移動(dòng)臺(tái)X-Y軸導(dǎo)向設(shè)計(jì)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副(直線導(dǎo)軌和一對(duì)導(dǎo)軌滑塊組成)，使導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)處于滾動(dòng)摩擦狀態(tài)，有效減小摩擦阻力，使工作臺(tái)移動(dòng)靈敏，避免低速運(yùn)動(dòng)而出現(xiàn)爬行動(dòng)作。同時(shí)，工作臺(tái)啟動(dòng)和運(yùn)行消耗功率小，滾動(dòng)導(dǎo)軌磨損小，保持精度持久性好。由于單個(gè)導(dǎo)軌面相對(duì)較窄，不能有效限制繞該方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，因此采用雙列導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，以限制繞該軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度。

2.2.2Z軸導(dǎo)向設(shè)計(jì)

Z軸導(dǎo)向用于保證移動(dòng)臺(tái)垂直方向的精密移動(dòng)。導(dǎo)向部件由直線軸承和導(dǎo)向光軸組成。該設(shè)計(jì)中采用四組平行的導(dǎo)向組導(dǎo)向，約束制繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，并限制承載平臺(tái)可能產(chǎn)生的傾斜位移誤差，提高導(dǎo)向精確度。滾動(dòng)直線軸承的引用能有效降低該方向上的摩擦阻力，提高該方向上的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。導(dǎo)向部件如圖1所示。

圖1 導(dǎo)向部件示意圖

導(dǎo)軌與導(dǎo)向軸運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，將會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損，影響儀器精度。因此，導(dǎo)軌及導(dǎo)向光軸表面應(yīng)采用硬化處理，以提高其表面接觸強(qiáng)度和耐磨性。

2.3 傳動(dòng)系統(tǒng)

X-Y向步進(jìn)電機(jī)提供的力矩主要克服系統(tǒng)在該方向所產(chǎn)生的摩擦阻力，Z向步進(jìn)電機(jī)提供的力矩主要克服載物臺(tái)自重及絲桿副產(chǎn)生的摩擦阻力。

2.3.1X-Y傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

X-Y方向采用螺旋傳動(dòng)，將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為平臺(tái)直線運(yùn)動(dòng)。滾珠絲桿較滑動(dòng)絲桿具有更高的傳動(dòng)效率，故采用滾珠絲桿作為傳動(dòng)元件。滾珠絲桿的安裝和支承結(jié)構(gòu)將直接影響其傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度。根據(jù)該課題中速回轉(zhuǎn)、高精度的技術(shù)指標(biāo)，滾珠絲桿采用一端固定、一端支撐的安裝方式[6]。絲桿固定端采用固定座固定，通過鎖緊螺母限制絲桿軸向竄動(dòng)。其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 X-Y方向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

2.3.2Z向傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

Z向采用同步帶輪傳動(dòng)與螺旋傳動(dòng)復(fù)合傳動(dòng)的方案。同步帶輪的引入，使該設(shè)備空間結(jié)構(gòu)更加緊湊。Z方向傳動(dòng)原理如圖3所示。Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過同步齒型帶將轉(zhuǎn)矩傳遞至從動(dòng)帶輪。從動(dòng)帶輪與升降軸鍵連接，帶動(dòng)升降軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，使升降螺母向上或向下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)升降。為保證同步帶輪的傳動(dòng)精度，同步齒型帶需具備合適的張緊度，因此采用中心距D可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)，根據(jù)需要微調(diào)中心距D。升降軸螺旋副采用梯形、單線螺紋滑動(dòng)絲桿，保證Z向的精度和自鎖要求。絲桿螺旋副采用長(zhǎng)旋合長(zhǎng)度，提高升降運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性。

圖3 Z方向傳動(dòng)原理圖

為減小升降軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)各接觸面間的摩擦阻力，軸系裝有推力滾針軸承和深溝球軸承。推力滾針軸承位于從動(dòng)帶輪與Z安裝底座間，以減小兩接觸面的摩擦阻力。深溝球軸承嵌入Z底座階梯孔內(nèi)，階梯軸肩與深溝球軸承外圈接觸，以限制軸承向上竄動(dòng)。同時(shí)升降軸底部安裝有擋圈，軸端擋圈采用單螺釘緊固，與深溝球軸承內(nèi)圈隨動(dòng)，防止升降軸向上竄動(dòng)。該設(shè)計(jì)使用滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，大大減小了絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦力，提高了傳動(dòng)效率，減小了電機(jī)所需驅(qū)動(dòng)力矩[7]。

2.4 行程保護(hù)裝置

三維移動(dòng)臺(tái)在X、Y、Z三個(gè)方向上均設(shè)有限位開關(guān)且成對(duì)安裝，用于在運(yùn)行過程中對(duì)行程的限位保護(hù)。限位開關(guān)是限定該移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)極限位置的電氣開關(guān)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)部件上的模塊撞擊行程開關(guān)時(shí)，限位開關(guān)的觸點(diǎn)動(dòng)作，將機(jī)械信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎庑盘?hào)，用來控制機(jī)械動(dòng)作或程序控制。由于以電磁信號(hào)(非接觸式)作為輸入動(dòng)作信號(hào)的接近開關(guān)，將會(huì)對(duì)等離子體裝置產(chǎn)生干擾，因此采用機(jī)械接觸式行程開關(guān)[8]。

X-Y方向的限位開關(guān)直接固定在兩側(cè)支承板上，并檢測(cè)導(dǎo)軌滑塊移動(dòng)是否觸碰開關(guān)。當(dāng)滑塊移動(dòng)超程觸動(dòng)限位開關(guān)時(shí)，控制系統(tǒng)將立即響應(yīng)該信號(hào)，并通過切斷電路或控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，達(dá)到預(yù)防超程的目的。Z向?qū)ｉT設(shè)計(jì)了“E”形裝鈑金固定座，以便于安裝限位開關(guān)。當(dāng)安裝臺(tái)向上或向下移動(dòng)超程時(shí)，Z移動(dòng)臺(tái)會(huì)觸動(dòng)開關(guān)，切斷電路或反向移動(dòng)。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量避免超行程操作，以避免超程行為對(duì)機(jī)械系統(tǒng)造成不良影響。

3 安裝臺(tái)設(shè)計(jì)

安裝臺(tái)用于安裝ICP光源發(fā)生設(shè)備——等離子體裝置。電感耦合等離子體裝置由等離子體炬管和高頻發(fā)生器組成[9]。三個(gè)石英同心管組成的等離子體炬管放在一個(gè)連接高頻發(fā)生器的環(huán)形線圈里。該安裝臺(tái)應(yīng)具備夾持炬管方便、高頻發(fā)生器抗干擾的能力，同時(shí)應(yīng)為氣路系統(tǒng)連接預(yù)留足夠空間。安裝臺(tái)示意圖如圖4所示。

圖4 光源系統(tǒng)安裝臺(tái)示意圖

炬管安裝采用炬管夾持座固定，便于拆卸炬管。該夾持座配有彈簧搭扣，使上下夾持塊夾緊炬管。為適應(yīng)等離子體炬管的高溫工作環(huán)境，夾持座采用具有耐高溫、耐腐蝕等特性的聚四氟乙烯[10]材料加工而成。

高頻發(fā)生器的電感線圈(RF線圈)兩端分別與銅接頭螺紋連接，并使炬管位于RF線圈內(nèi)部。高頻發(fā)生器通過兩條銅編織線與光源安裝臺(tái)上的銅接頭連接，由于銅編織線具備良好的伸縮延展性，因此連接后不影響移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)。為避免外部導(dǎo)體(如安裝臺(tái)、移動(dòng)臺(tái))對(duì)高頻發(fā)生器頻率可能產(chǎn)生的干擾，需對(duì)其進(jìn)行絕緣設(shè)計(jì)。

安裝臺(tái)采用具有不吸水、不導(dǎo)電、耐高溫等特性的電木[11]作為絕緣結(jié)構(gòu)。兩電木板直角組合安裝，組成電木支座，提高與安裝臺(tái)連接的穩(wěn)定性。電木支座一方面用于安裝銅接頭；另一方面對(duì)銅編織線起支撐固定作用，從而避免導(dǎo)體與高頻發(fā)生器線組接觸和距離過近引起的干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

ICP光源系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)是針對(duì)ICP[12]分析儀器而研發(fā)的微動(dòng)設(shè)備，具備良好的空間移動(dòng)能力和定位精度，整機(jī)設(shè)計(jì)空間緊湊、結(jié)構(gòu)合理，炬管拆卸更換簡(jiǎn)便。位置調(diào)控由軟件實(shí)現(xiàn)，方便直觀，進(jìn)一步提高了ICP設(shè)備的自動(dòng)化水平。經(jīng)試驗(yàn)樣機(jī)檢測(cè)，該設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，整機(jī)移動(dòng)精度可達(dá)0.02 mm，定位精度可達(dá)0.06 mm，能夠滿足ICP光源的移動(dòng)精度需求；改善了ICP接口的性能，提高了等離子體通過采樣錐的數(shù)質(zhì)量。該移動(dòng)臺(tái)可廣泛應(yīng)用于ICP儀器中光源系統(tǒng)的移動(dòng)，具有一定的推廣價(jià)值。

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