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JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)）
題目： 土壤重金屬激光快速檢測(cè)儀器設(shè)計(jì)
學(xué) 院： 工學(xué)院
姓 名： 許勇
學(xué) 號(hào)： 20101146
專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
年 級(jí)： 機(jī)制1004班
指導(dǎo)教師： 姚明印 職 稱：副教授
二0一四 年 五 月
摘 要
隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重，給生態(tài)環(huán)境和人健康造成很大危害，因此，對(duì)土壤重金屬污染物進(jìn)行快速定量檢測(cè)意義重大。本設(shè)計(jì)主要是應(yīng)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院生物光電實(shí)驗(yàn)室的土壤重金屬激光快速檢測(cè)儀而設(shè)計(jì)的，主要是為土壤重金屬激光快速檢測(cè)儀系統(tǒng)提供機(jī)械裝置，使其適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)又能便捷的完成簡(jiǎn)單戶外試驗(yàn)，本裝置主要包括運(yùn)動(dòng)部分工作部分，運(yùn)動(dòng)部分主動(dòng)要是框架底部的萬向輪是整個(gè)裝置能夠便捷的便捷移動(dòng)和框架每層層板的高度調(diào)節(jié)，工作部分主要是實(shí)驗(yàn)室升降臺(tái)，光學(xué)平臺(tái)以及光學(xué)鏡片保持架的高度角度的調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對(duì)被測(cè)物的快速檢測(cè)。
關(guān)鍵詞：萬向輪；型材；光學(xué)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)室升降臺(tái)；光學(xué)鏡片保持架
Abstract
With the development of modern society, the soil heavy metal pollution is more and more serious, the ecological environment and human health caused great harm, therefore, for the rapid quantitative detection of great significance to soil heavy metal pollutants. This design is mainly designed for heavy metals in the soil should be laser engineering college in Jiangxi Agricultural University Biological photoelectric laboratory detection, mainly provide machinery for soil heavy metal laser rapid detection system, which can adapt to the laboratory test and convenient to do simple outdoor test, the device mainly consists of moving part work, part of the active if movement universal wheel at the bottom of the frame is the whole device to be highly mobile and convenient framework convenient each layer of regulation, work is a major part of the laboratory platform, optical platform as well as the optical lens to maintain height adjustment angle frame, so as to achieve the rapid detection of analyzes.
Keywords: universal wheel; profile; optical platform, laboratory platform; optical lens holder
II
目 錄
摘 要 I
Abstract II
緒 論 1
1. 設(shè)計(jì)方案的確定 3
1.1 總體要求 3
1.2 設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià) 3
1.3 方案的確定 4
2. 裝置的設(shè)計(jì) 5
2.1車架的設(shè)計(jì) 5
2.2 運(yùn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 8
2.3 升降臺(tái)的設(shè)計(jì) 9
2.4 光學(xué)平臺(tái)的選擇 10
2.5 光學(xué)鏡片保持架的選擇 10
3. 總 結(jié) 12
參考文獻(xiàn) 13
致 謝 14
緒 論
目前常用的土壤重金屬檢測(cè)分析方法是火焰式原子吸收光譜法(FLAA)、石墨爐原子吸收光譜法(GFAA)、電感耦合等離子體質(zhì)譜法(ICP-MS)等[2-5]，這些檢測(cè)方法雖然有較高的檢測(cè)靈敏度，但其樣品預(yù)處理相當(dāng)繁瑣、分析周期長(zhǎng)，不能實(shí)現(xiàn)原位檢測(cè)，使其難以大量推廣應(yīng)用。因此，發(fā)展一種能快速、原位、多元素實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤污染物的檢測(cè)技術(shù)對(duì)環(huán)境治理有著相當(dāng)重要的意義。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)正在處于推廣階段，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院生物光電實(shí)驗(yàn)室承擔(dān)了省重點(diǎn)科研項(xiàng)目，主要研究激光檢測(cè)技術(shù)環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。
激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)是近些年隨著激光技術(shù)和光譜儀器的發(fā)展而興起的對(duì)元素定性和定量分析的一種光譜技術(shù)，具有快速、原位、操作便捷和多元素同時(shí)分析等特點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外LIBS技術(shù)的研究已形成了一個(gè)完整的體系。激光誘導(dǎo)無損檢測(cè)是激光單色性特征，投到被測(cè)物體上，并收集反射回的光線，進(jìn)行光譜分析，從而確定被測(cè)物體某種物質(zhì)的含量成分，目前生物光電實(shí)驗(yàn)室要將研究該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品，土壤檢測(cè)上的應(yīng)用。比如農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥是否超標(biāo)，土壤中重金屬的含量是否超標(biāo)等等。
而我所設(shè)計(jì)的激光檢測(cè)裝置是系統(tǒng)的機(jī)械部分，裝置主要包括運(yùn)動(dòng)部分和工作部分。
裝置要求靈活移動(dòng)，高度可調(diào)，包括光學(xué)平臺(tái)上的各個(gè)光學(xué)儀器可以靈活的定位，樣品在工作臺(tái)進(jìn)行可控的升降，從而對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)。
圖1整體裝配圖
圖中左邊部分是設(shè)備儀器安放裝置，可以根據(jù)儀器設(shè)備的大小調(diào)節(jié)每層層板的高度，底部安裝四個(gè)萬向輪，方便試驗(yàn)進(jìn)行的隨地點(diǎn)性，右邊是一個(gè)光學(xué)平臺(tái)，平臺(tái)上有調(diào)節(jié)樣品高度的升降臺(tái)和光學(xué)鏡片保持架，從而達(dá)到實(shí)驗(yàn)的要求功能。
1 設(shè)計(jì)方案的確定
1.1 總體要求
激光檢測(cè)裝置，主要是包括整個(gè)車體部分，車體的運(yùn)動(dòng)及升降臺(tái)部分，為達(dá)到實(shí)驗(yàn)的方便可靠進(jìn)行，先擬定幾個(gè)方案供選擇：
車體部分，1、整個(gè)小車框架采用角鋼的焊接形成，根據(jù)設(shè)備儀器的大小固定每層的空間，2、同樣是采用角鋼，角鋼上面按照一定的距離等距離打孔，通過螺栓與角鋼的固定形成可調(diào)每層空間大小的主題，車體還可以隨時(shí)拆裝。3、用市場(chǎng)上的合金型材以及配套的螺栓角碼對(duì)車體進(jìn)行組裝。
車體的運(yùn)動(dòng)：1、采用小型直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)一級(jí)渦輪桿轉(zhuǎn)動(dòng)減速，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳替給鏈輪，經(jīng)撓性鏈輪傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)車輪，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。2、采用小型柴油機(jī)電組驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)與上述方案類似。3、人力推動(dòng)，在車體底部安裝萬向輪。
實(shí)驗(yàn)室升降臺(tái)：1、采用螺旋連桿機(jī)構(gòu)，連桿下端保持水平而做平面運(yùn)動(dòng)，另一端其上下運(yùn)動(dòng)分量推動(dòng)工作臺(tái)面的升降。2、采用齒輪齒條機(jī)構(gòu)，齒條固定在機(jī)架，使工作臺(tái)面與齒輪相連，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)而獲得線性位移帶動(dòng)工作臺(tái)面的上下運(yùn)動(dòng)。3、采用液壓、氣壓等其他機(jī)構(gòu)。
1.2 設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)
針對(duì)以上幾種方案的，現(xiàn)予簡(jiǎn)單點(diǎn)評(píng)，已經(jīng)確定較為合理，或當(dāng)前設(shè)計(jì)條件下較為合適較為可行的方案。
車體部分的方案：選用市場(chǎng)上的合金型材以及配套的螺栓角碼進(jìn)行組裝。型材它重量輕，承重范圍在要求之內(nèi)，而且它具有配套的角碼和螺栓，拆裝方便，而且每層空間可以不受約束的調(diào)節(jié)，采購(gòu)方便，減少一定的費(fèi)用以及用角鋼帶來的加工人力物力。
車體運(yùn)動(dòng)方案：車體運(yùn)動(dòng)方案較為合理是直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，配備一個(gè)200W左右的直流電動(dòng)機(jī)即可實(shí)現(xiàn)較為穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。再加以配置24V蓄電池組，就可獲得較持久的航行。配以小型內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組驅(qū)動(dòng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)持久續(xù)航，又能為各實(shí)驗(yàn)儀器提供電源，但造價(jià)較為巨大。最為原始的是人力推動(dòng)或推動(dòng)，但其運(yùn)動(dòng)最為平穩(wěn)，最容易控制能最大限度地保護(hù)實(shí)驗(yàn)儀器。柴油機(jī)電組運(yùn)動(dòng)方案系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)計(jì)難度大，周期長(zhǎng)，個(gè)人無法在有限工程期限內(nèi)完成。蓄電池方案雖然可持久續(xù)航，但并沒有辦法為激光器，光譜儀，冷卻器，計(jì)算機(jī)提供交流電，故而流方案優(yōu)勢(shì)并不明顯，本實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸饕獜氖率覂?nèi)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，對(duì)野外作業(yè)要求不高，故不可以提供自身動(dòng)力源，而是車體底部安裝萬向輪，采用人力推動(dòng)。
試驗(yàn)升降臺(tái)的方案：選用螺旋連桿機(jī)構(gòu)，螺栓升降機(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)很好平穩(wěn)升降，具有自鎖性，能使工作臺(tái)平穩(wěn)的停留在某一高度，其他方案要么太復(fù)雜要么質(zhì)量太重價(jià)格高即不給予采納。
1.3 方案的確定
型材+萬向輪+螺旋連桿機(jī)構(gòu)升降臺(tái)。
2 裝置的設(shè)計(jì)
2.1車架的設(shè)計(jì)
車架采用型材SY-6-3030通過角碼螺栓的連接而成。
圖2 整體車架
圖3 型材以及連接示意圖
初步代計(jì)算載荷，并考慮安全域度，進(jìn)行選擇方鋼型材定載荷為800N車，現(xiàn)根據(jù)抗彎強(qiáng)度理論進(jìn)行設(shè)計(jì)，車架規(guī)格為600*400*600mm。右邊凸臺(tái)工作部分規(guī)格為400*400。
圖4 受力狀態(tài)圖表
計(jì)算車體部分最大載荷時(shí)的型材變形量：
=mm (一)
可以視為沒有影響。
由圖4也可以得出型材主體部分的強(qiáng)度符合實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的要求。
計(jì)算右邊凸臺(tái)靜載荷時(shí)的最大變形量，根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況，右邊的最大載荷為200N，校核如下：
最大變形量： (二）
可以視為沒有影響。
計(jì)算連接螺栓的強(qiáng)度：
有車體結(jié)構(gòu)可以看出最下面一層螺栓受到的拉應(yīng)力最大但是由八個(gè)連接螺栓等分，查鋼號(hào)手冊(cè)得出螺栓的屈服極限是345Mp，所以最大拉應(yīng)力
（三）
所有的型材都是通過角碼螺栓以及M8的螺母連接而成，如圖所示：
圖5角碼
圖6 連接螺栓
2.2 運(yùn)動(dòng)部分的設(shè)計(jì)
激光檢測(cè)裝置主要是在實(shí)驗(yàn)室工作，隨著生物光電實(shí)驗(yàn)室科研工作 的突破獎(jiǎng)來要適應(yīng)室外的要求,而且要求其工作時(shí)穩(wěn)定不動(dòng)，所以選擇帶剎車的橡膠輪萬向輪。車體部分安裝了4個(gè)萬向輪，根據(jù)實(shí)驗(yàn)儀器的重量，并且考慮留出一定的安全域，核定載200Kg，每只輪子承載50Kg。
萬向工業(yè)腳輪安裝在車體底部，采用萬向腳輪可以實(shí)現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，適應(yīng)運(yùn)動(dòng)的要求，萬向腳輪已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品，根據(jù)設(shè)計(jì)的要求及承載尺寸參數(shù)，選定型號(hào)，從專業(yè)的生產(chǎn)廠家訂購(gòu)。
每只輪子承載W=500N，高度要求H=100mm，選定萬向腳輪主要參數(shù)為：輪子高度H=100mm，載荷為500N，螺栓安裝。據(jù)此參閱相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)選定使用型號(hào)。
圖7 萬向輪
2.3 升降臺(tái)的設(shè)計(jì)
根據(jù)激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)要求，樣品在光學(xué)平臺(tái)上要上下移動(dòng)，所以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)室升降平臺(tái)，
圖8 升降臺(tái)
1-頂板； 2-螺釘； 3-螺母； 4-連接角鐵； 5-支板； 6-雙向螺桿； 7連接角鐵；
8-底板； 9-連桿 10-傳動(dòng)桿
桿架的連接：連桿螺旋機(jī)構(gòu)包括8片連桿，2個(gè)滑桿，2個(gè)傳動(dòng)桿，1個(gè)雙螺旋螺桿，連桿之間主要是螺釘螺母連接，連桿與滑桿也是螺母連接，傳動(dòng)桿與螺桿之間是螺紋副聯(lián)接，上下滑桿安裝在上下支座的壁槽中可自由滑動(dòng)，通過螺桿的旋鈕轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)升降臺(tái)內(nèi)部的支板拉伸和收縮，從而起到上下升降的作用。
連桿長(zhǎng)度設(shè)計(jì)：根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)120mm的往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程，進(jìn)行連桿長(zhǎng)度和設(shè)計(jì)，設(shè)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)中起始度，終始角度，其升降行程為：
mm (四）
計(jì)算得L＝115.38，現(xiàn)將L圓整到120，設(shè)計(jì)連桿的有效長(zhǎng)度為120mm，（有效長(zhǎng)度是指兩端鉸按中心的距離）。
設(shè)計(jì)螺桿長(zhǎng)度：螺桿是異攻雙頭螺紋，為了留有余地。左端為M460左旋螺紋右端為M460右旋螺紋，中間10mm不攻紋長(zhǎng)度，30mm長(zhǎng)度安裝旋轉(zhuǎn)手輪，螺桿的長(zhǎng)度為L(zhǎng)單位(mm）
L=60+60+10+30=160mm
2.4 光學(xué)平臺(tái)的選擇
激光檢測(cè)裝置中，車體右邊凸臺(tái)部分為實(shí)驗(yàn)主要操作部分，需要對(duì)各個(gè)光學(xué)設(shè)備或者儀器進(jìn)行固定，所以需要光學(xué)平臺(tái)，考慮到凸臺(tái)的載荷量以及凸臺(tái)平面的大小，最后選擇一個(gè)材質(zhì)為鋁合金的光學(xué)平板，10mm厚，標(biāo)準(zhǔn)的M6螺紋孔，孔間距為20mm陣列，如圖所示：
圖9 光學(xué)平板
2.5 光學(xué)鏡片保持架的選擇
在整個(gè)激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)中，鏡片是必不可少的，如何調(diào)整鏡片的高度以及鏡片的角度，就需要一個(gè)光學(xué)鏡片保持架，查閱資料得知此類組件也是經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化批量生產(chǎn)的通用產(chǎn)品，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)節(jié)高度為400mm，質(zhì)量不超過10Kg，選定使用型號(hào)。
圖10 光學(xué)鏡片保持架
3 總 結(jié)
至此畢業(yè)設(shè)計(jì)工作業(yè)已結(jié)束。筆者已經(jīng)完成了《土壤重金屬激光快速檢測(cè)儀器（機(jī)械部分）》相關(guān)工作量。即將迎來5月18日畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯，此做一簡(jiǎn)短總結(jié)。
我校根據(jù)機(jī)械工程專業(yè)特點(diǎn)，要求學(xué)生針對(duì)某一課題，綜合運(yùn)用本專業(yè)有關(guān)課程的理論和技術(shù)，作出解決實(shí)際問題的設(shè)計(jì)。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是高等學(xué)校教學(xué)過程的重要環(huán)節(jié)之一。相當(dāng)于一般畢業(yè)論文，是總結(jié)檢查學(xué)生在校期間的學(xué)習(xí)成果，是評(píng)定畢業(yè)成績(jī)的重要依據(jù)；同時(shí)，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，也使學(xué)生對(duì)某一課題作專門深入系統(tǒng)的研究，鞏固、擴(kuò)大、加深已有知識(shí)，培養(yǎng)綜合運(yùn)用已有知識(shí)獨(dú)立解決問題的能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)也是我們學(xué)生走上國(guó)家建設(shè)崗位前的一次重要的實(shí)習(xí)。
經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的時(shí)間對(duì)工程問題有了跟深入的認(rèn)識(shí)體會(huì)，為即將走上工作崗位的我添加了信心，添加了知識(shí)能量。也體會(huì)到了現(xiàn)代的畢業(yè)設(shè)計(jì)。跟學(xué)長(zhǎng)們交流發(fā)現(xiàn)了變化中的畢業(yè)設(shè)計(jì)，現(xiàn)代化的畢業(yè)設(shè)計(jì)。
隨心所欲翻手冊(cè)。做畢業(yè)設(shè)計(jì)時(shí)，我們很少翻閱厚達(dá)數(shù)千頁(yè)的設(shè)計(jì)手冊(cè)，取而代之的是電子版機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)。這使不可能“人手一冊(cè)”變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，而且查閱起來更便捷。
繪圖工具不同了，三角板，丁字尺雖沒睡覺，但他們只做了初期的草圖繪制。AutoCAD，PRO/E，等工具效率又高，制圖又準(zhǔn)確，簡(jiǎn)直是延長(zhǎng)了我們的手臂，想要的標(biāo)準(zhǔn)零件，總能順手拈來。又不僅限于制圖工具，MATLAB計(jì)算軟件也是我們必不可少的硬件裝備，它的強(qiáng)大計(jì)算功能以及程序的重復(fù)利用，是我們的設(shè)計(jì)很快到達(dá)最優(yōu)。
足不出戶做調(diào)研，鼠標(biāo)一點(diǎn)查資料。訪問網(wǎng)站查產(chǎn)品，了解某項(xiàng)產(chǎn)品階段，查看陌生零件的實(shí)物圖片，而查閱技術(shù)資料也可以登陸網(wǎng)上圖書館在線閱讀，并即時(shí)記錄、收藏、引用。
總之畢業(yè)設(shè)計(jì)的工作的變化映射著機(jī)械工程技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)實(shí)，鞭策著每位工程師技術(shù)人員不斷追求進(jìn)步，創(chuàng)造卓越。
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致 謝
這次畢業(yè)設(shè)計(jì)工作至此結(jié)束，整個(gè)學(xué)習(xí)和做論文的過程中，姚明印老師一直對(duì)我悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，首先向的指導(dǎo)老師姚明印老師表示感謝，感謝它的全程指導(dǎo)，以及全程的督促。
在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，一方面我深感自己知識(shí)的貧乏和平時(shí)鍛煉的重要性，深刻領(lǐng)會(huì)到實(shí)踐與理論的差異性；另一方面，通過這次獨(dú)立的設(shè)計(jì)，深深體會(huì)到理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合是學(xué)習(xí)和掌握知識(shí)的重要途徑。在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，使我提高了獨(dú)立思考問題和實(shí)際解決問題的能力。通過各種方式查找相關(guān)資料，發(fā)現(xiàn)自己很多地方的不足，此過程中我刻苦努力，虛心請(qǐng)教 ，不放過任何難點(diǎn)疑問，最主要還是要感謝老師的指導(dǎo)和幫助，在此，我再次向姚明印老師致以我最真誠(chéng)的感謝。
與此同時(shí)，班集體也給了我很大的幫助，同學(xué)劉世安，占旺龍，李蒙蒙指導(dǎo)技術(shù)計(jì)算的等個(gè)工作，再次表示感謝。最后感謝母校江西農(nóng)業(yè)大學(xué)給我提供了四年的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，迎來了今天這個(gè)畢業(yè)的時(shí)刻！在此也感謝個(gè)給評(píng)委老師給予作出的客觀點(diǎn)評(píng)！
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