ICP光源系統的移動臺設計

(中國地質大學(武漢)機械與電子信息學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

電感耦合等離子體-質譜儀(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”)，以質譜儀進行檢測的無機多元素分析技術。如何將等離子體有效穩定地傳輸到質譜設備，是ICP-MS接口技術的重點。等離子體炬管應便于拆卸和清洗保養，生成的等離子體應最大限度地通過采集接口，保證離子源發生和采集的穩定性，這是ICP-MS對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。本文將三維移動裝置與ICP的光源系統進行整合，通過對其機械結構進行設計和分析，為實現軟件控制奠定了硬件基礎。

1 整體設計

ICP光源系統移動臺采用SolidWorks三維建模。該ICP光源三維移動臺由三維移動臺和光源安裝臺組成。三維移動臺的機械系統由三個互相獨立的步進系統組成[2]，并采用步進電機驅動控制；各步進系統相互獨立，便于實現X、Y、Z三個方向上的精密移動與單向調控。光源安裝臺位于設備頂層，用于安裝固定光源系統組件。該設計可通過軟件編程控制，將等離子體光源移動至最佳接口位置。

2 三維移動臺設計

移動臺分三層：X方向行程最長，質量最大，置于底層；Y移動臺在X移動臺之上，X與Y步進系統組成“十”字移動臺，實現水平面內X-Y坐標移動；Z移動臺位于頂層，實現Z向升降移動。

2.1 安裝底座與支承板設計

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

X、Y底座兩側支承板用于安裝固定滑動導軌。支承板與導軌安裝面全接觸，使接觸面積最大，從而提高接觸剛度，減小導軌受力產生的彎曲變形。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，調質處理，以提高其機械性能[4]。壓縮彈簧分別安裝于四組導向部件上，兩端固定，防止彈簧失穩，提高彈簧的不穩定系數。鋼性壓縮彈簧，能減小升降螺桿的軸向負載和應力變形，提高負載能力。同時，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(步進電機)對儀器產生的不良影響[5]。

2.2 導向設計

2.2.1X-Y十字移動臺導向設計

移動臺X-Y軸導向設計采用滾動直線導軌副(直線導軌和一對導軌滑塊組成)，使導軌運動處于滾動摩擦狀態，有效減小摩擦阻力，使工作臺移動靈敏，避免低速運動而出現爬行動作。同時，工作臺啟動和運行消耗功率小，滾動導軌磨損小，保持精度持久性好。由于單個導軌面相對較窄，不能有效限制繞該方向的轉動，因此采用雙列導軌設計，以限制繞該軸轉動的自由度。

2.2.2Z軸導向設計

Z軸導向用于保證移動臺垂直方向的精密移動。導向部件由直線軸承和導向光軸組成。該設計中采用四組平行的導向組導向，約束制繞Z軸轉動的自由度，并限制承載平臺可能產生的傾斜位移誤差，提高導向精確度。滾動直線軸承的引用能有效降低該方向上的摩擦阻力，提高該方向上的運動平穩性。導向部件如圖1所示。

圖1 導向部件示意圖

導軌與導向軸運動一段時間后，將會產生不同程度的磨損，影響儀器精度。因此，導軌及導向光軸表面應采用硬化處理，以提高其表面接觸強度和耐磨性。

2.3 傳動系統

X-Y向步進電機提供的力矩主要克服系統在該方向所產生的摩擦阻力，Z向步進電機提供的力矩主要克服載物臺自重及絲桿副產生的摩擦阻力。

2.3.1X-Y傳動結構設計

X-Y方向采用螺旋傳動，將回轉運動轉化為平臺直線運動。滾珠絲桿較滑動絲桿具有更高的傳動效率，故采用滾珠絲桿作為傳動元件。滾珠絲桿的安裝和支承結構將直接影響其傳動精度和傳動剛度。根據該課題中速回轉、高精度的技術指標，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。其傳動結構如圖2所示。

圖2 X-Y方向傳動結構圖

2.3.2Z向傳動結構設計

Z向采用同步帶輪傳動與螺旋傳動復合傳動的方案。同步帶輪的引入，使該設備空間結構更加緊湊。Z方向傳動原理如圖3所示。Z向驅動電機驅動主動帶輪轉動，通過同步齒型帶將轉矩傳遞至從動帶輪。從動帶輪與升降軸鍵連接，帶動升降軸同步轉動，使升降螺母向上或向下移動，實現工作臺升降。為保證同步帶輪的傳動精度，同步齒型帶需具備合適的張緊度，因此采用中心距D可調節設計，根據需要微調中心距D。升降軸螺旋副采用梯形、單線螺紋滑動絲桿，保證Z向的精度和自鎖要求。絲桿螺旋副采用長旋合長度，提高升降運動精度和穩定性。

圖3 Z方向傳動原理圖

為減小升降軸系轉動時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，階梯軸肩與深溝球軸承外圈接觸，以限制軸承向上竄動。同時升降軸底部安裝有擋圈，軸端擋圈采用單螺釘緊固，與深溝球軸承內圈隨動，防止升降軸向上竄動。該設計使用滾動摩擦代替滑動摩擦，大大減小了絲桿轉動時的摩擦力，提高了傳動效率，減小了電機所需驅動力矩[7]。

2.4 行程保護裝置

三維移動臺在X、Y、Z三個方向上均設有限位開關且成對安裝，用于在運行過程中對行程的限位保護。限位開關是限定該移動臺運動極限位置的電氣開關，當運動部件上的模塊撞擊行程開關時，限位開關的觸點動作，將機械信號轉變為電氣信號，用來控制機械動作或程序控制。由于以電磁信號(非接觸式)作為輸入動作信號的接近開關，將會對等離子體裝置產生干擾，因此采用機械接觸式行程開關[8]。

X-Y方向的限位開關直接固定在兩側支承板上，并檢測導軌滑塊移動是否觸碰開關。當滑塊移動超程觸動限位開關時，控制系統將立即響應該信號，并通過切斷電路或控制步進電機反轉，達到預防超程的目的。Z向專門設計了“E”形裝鈑金固定座，以便于安裝限位開關。當安裝臺向上或向下移動超程時，Z移動臺會觸動開關，切斷電路或反向移動。在實際應用中應盡量避免超行程操作，以避免超程行為對機械系統造成不良影響。

3 安裝臺設計

安裝臺用于安裝ICP光源發生設備——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生器組成[9]。三個石英同心管組成的等離子體炬管放在一個連接高頻發生器的環形線圈里。該安裝臺應具備夾持炬管方便、高頻發生器抗干擾的能力，同時應為氣路系統連接預留足夠空間。安裝臺示意圖如圖4所示。

圖4 光源系統安裝臺示意圖

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。為適應等離子體炬管的高溫工作環境，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線圈內部。高頻發生器通過兩條銅編織線與光源安裝臺上的銅接頭連接，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臺的移動。為避免外部導體(如安裝臺、移動臺)對高頻發生器頻率可能產生的干擾，需對其進行絕緣設計。

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

4 結束語

ICP光源系統移動臺是針對ICP[12]分析儀器而研發的微動設備，具備良好的空間移動能力和定位精度，整機設計空間緊湊、結構合理，炬管拆卸更換簡便。位置調控由軟件實現，方便直觀，進一步提高了ICP設備的自動化水平。經試驗樣機檢測，該設備運行平穩可靠，整機移動精度可達0.02 mm，定位精度可達0.06 mm，能夠滿足ICP光源的移動精度需求；改善了ICP接口的性能，提高了等離子體通過采樣錐的數質量。該移動臺可廣泛應用于ICP儀器中光源系統的移動，具有一定的推廣價值。

[1] 李冰，楊紅霞.電感耦合等離子質譜原理和應用[M].北京：地質出版社，2005.

[2] 吉愛紅，汪煒，陸俊華.三坐標精密移動平臺的研制[J].機械,2004，31(10):54-55.

[3] 李玉和，郭陽寬.現代精密儀器設計[M].2版.北京：清華大學出版社，2010.

[4] 黃紀淮.梯形絲杠材料選用及其熱處理[J].機械科學與技術，1989(2)：33-36.

[5] 機械設計手冊編委會.機械設計手冊(新版)第5卷[M].北京：機械工業出版社，2004:26-84.

[6] 周志紅，文懷興，楊東生.滾珠絲桿安裝方式的研究[J].北京：制造業自動化，2007，29(6):68-69.

[7] 濮良貴，紀名剛.機械設計[M].8版.北京：高等教育出版社，2006:307-341.

[8] 張宏建，黃志堯.自動檢測技術與裝置[M].2版.北京：化學工業出版社，2010.

[9] 劉虎生，邵宏翔.電感耦合等離子質譜技術與應用[M].北京：化學工業出版社，2007.

[10]路琴，呂少卉.聚四氟乙烯的性能及其在機械工程中的應用[J].農機使用與維修,2006(5):60-62.

[11]戴偉.用電木制造機械密封部件可行性研究[J].石油化工設備,2013,42(3)：99-101.

[12]李冰，楊紅霞.電感耦合等離子質譜原理和應用[M].北京：地質出版社，2005.