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JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY
本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）
題目： 土壤重金屬激光快速檢測儀器設(shè)計
學(xué) 院： 工學(xué)院
姓 名： 許勇
學(xué) 號： 20101146
專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化
年 級： 機制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)代社會的發(fā)展，土壤重金屬污染越來越嚴重，給生態(tài)環(huán)境和人健康造成很大危害，因此，對土壤重金屬污染物進行快速定量檢測意義重大。本設(shè)計主要是應(yīng)江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院生物光電實驗室的土壤重金屬激光快速檢測儀而設(shè)計的，主要是為土壤重金屬激光快速檢測儀系統(tǒng)提供機械裝置，使其適應(yīng)實驗室試驗又能便捷的完成簡單戶外試驗，本裝置主要包括運動部分工作部分，運動部分主動要是框架底部的萬向輪是整個裝置能夠便捷的便捷移動和框架每層層板的高度調(diào)節(jié)，工作部分主要是實驗室升降臺，光學(xué)平臺以及光學(xué)鏡片保持架的高度角度的調(diào)節(jié)，從而達到對被測物的快速檢測。
關(guān)鍵詞：萬向輪；型材；光學(xué)平臺，實驗室升降臺；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)計方案的確定 3
1.1 總體要求 3
1.2 設(shè)計方案的評價 3
1.3 方案的確定 4
2. 裝置的設(shè)計 5
2.1車架的設(shè)計 5
2.2 運動部分的設(shè)計 8
2.3 升降臺的設(shè)計 9
2.4 光學(xué)平臺的選擇 10
2.5 光學(xué)鏡片保持架的選擇 10
3. 總 結(jié) 12
參考文獻 13
致 謝 14
緒 論
目前常用的土壤重金屬檢測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]，這些檢測方法雖然有較高的檢測靈敏度，但其樣品預(yù)處理相當(dāng)繁瑣、分析周期長，不能實現(xiàn)原位檢測，使其難以大量推廣應(yīng)用。因此，發(fā)展一種能快速、原位、多元素實時檢測土壤污染物的檢測技術(shù)對環(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)域也在不斷擴大，江西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院生物光電實驗室承擔(dān)了省重點科研項目，主要研究激光檢測技術(shù)環(huán)境監(jiān)測中的應(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分析等特點，在國內(nèi)外LIBS技術(shù)的研究已形成了一個完整的體系。激光誘導(dǎo)無損檢測是激光單色性特征，投到被測物體上，并收集反射回的光線，進行光譜分析，從而確定被測物體某種物質(zhì)的含量成分，目前生物光電實驗室要將研究該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品，土壤檢測上的應(yīng)用。比如農(nóng)產(chǎn)品中的農(nóng)藥是否超標，土壤中重金屬的含量是否超標等等。
而我所設(shè)計的激光檢測裝置是系統(tǒng)的機械部分，裝置主要包括運動部分和工作部分。
裝置要求靈活移動，高度可調(diào)，包括光學(xué)平臺上的各個光學(xué)儀器可以靈活的定位，樣品在工作臺進行可控的升降，從而對樣品進行檢測。
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，底部安裝四個萬向輪，方便試驗進行的隨地點性，右邊是一個光學(xué)平臺，平臺上有調(diào)節(jié)樣品高度的升降臺和光學(xué)鏡片保持架，從而達到實驗的要求功能。
1 設(shè)計方案的確定
1.1 總體要求
激光檢測裝置，主要是包括整個車體部分，車體的運動及升降臺部分，為達到實驗的方便可靠進行，先擬定幾個方案供選擇：
車體部分，1、整個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，車體還可以隨時拆裝。3、用市場上的合金型材以及配套的螺栓角碼對車體進行組裝。
車體的運動：1、采用小型直流電動機驅(qū)動，電動機經(jīng)一級渦輪桿轉(zhuǎn)動減速，將轉(zhuǎn)動傳替給鏈輪，經(jīng)撓性鏈輪傳動驅(qū)動車輪，從而實現(xiàn)運動。2、采用小型柴油機電組驅(qū)動，傳動與上述方案類似。3、人力推動，在車體底部安裝萬向輪。
實驗室升降臺：1、采用螺旋連桿機構(gòu)，連桿下端保持水平而做平面運動，另一端其上下運動分量推動工作臺面的升降。2、采用齒輪齒條機構(gòu)，齒條固定在機架，使工作臺面與齒輪相連，經(jīng)齒輪轉(zhuǎn)動而獲得線性位移帶動工作臺面的上下運動。3、采用液壓、氣壓等其他機構(gòu)。
1.2 設(shè)計方案的評價
針對以上幾種方案的，現(xiàn)予簡單點評，已經(jīng)確定較為合理，或當(dāng)前設(shè)計條件下較為合適較為可行的方案。
車體部分的方案：選用市場上的合金型材以及配套的螺栓角碼進行組裝。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)，采購方便，減少一定的費用以及用角鋼帶來的加工人力物力。
車體運動方案：車體運動方案較為合理是直流電動機驅(qū)動，配備一個200W左右的直流電動機即可實現(xiàn)較為穩(wěn)定的運動。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)燃機發(fā)電機組驅(qū)動，不僅可以實現(xiàn)持久續(xù)航，又能為各實驗儀器提供電源，但造價較為巨大。最為原始的是人力推動或推動，但其運動最為平穩(wěn)，最容易控制能最大限度地保護實驗儀器。柴油機電組運動方案系統(tǒng)復(fù)雜，設(shè)計難度大，周期長，個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，計算機提供交流電，故而流方案優(yōu)勢并不明顯，本實驗?zāi)壳爸饕獜氖率覂?nèi)實驗活動，對野外作業(yè)要求不高，故不可以提供自身動力源，而是車體底部安裝萬向輪，采用人力推動。
試驗升降臺的方案：選用螺旋連桿機構(gòu)，螺栓升降機構(gòu)，可以實現(xiàn)很好平穩(wěn)升降，具有自鎖性，能使工作臺平穩(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+螺旋連桿機構(gòu)升降臺。
2 裝置的設(shè)計
2.1車架的設(shè)計
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
初步代計算載荷，并考慮安全域度，進行選擇方鋼型材定載荷為800N車，現(xiàn)根據(jù)抗彎強度理論進行設(shè)計，車架規(guī)格為600*400*600mm。右邊凸臺工作部分規(guī)格為400*400。
圖4 受力狀態(tài)圖表
計算車體部分最大載荷時的型材變形量：
=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度符合實驗進行的要求。
計算右邊凸臺靜載荷時的最大變形量，根據(jù)實驗情況，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。
計算連接螺栓的強度：
有車體結(jié)構(gòu)可以看出最下面一層螺栓受到的拉應(yīng)力最大但是由八個連接螺栓等分，查鋼號手冊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 運動部分的設(shè)計
激光檢測裝置主要是在實驗室工作，隨著生物光電實驗室科研工作 的突破獎來要適應(yīng)室外的要求,而且要求其工作時穩(wěn)定不動，所以選擇帶剎車的橡膠輪萬向輪。車體部分安裝了4個萬向輪，根據(jù)實驗儀器的重量，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現(xiàn)靈活轉(zhuǎn)向，適應(yīng)運動的要求，萬向腳輪已經(jīng)標準化生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品，根據(jù)設(shè)計的要求及承載尺寸參數(shù)，選定型號，從專業(yè)的生產(chǎn)廠家訂購。
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)標準選定使用型號。
圖7 萬向輪
2.3 升降臺的設(shè)計
根據(jù)激光檢測實驗要求，樣品在光學(xué)平臺上要上下移動，所以根據(jù)實驗要求設(shè)計一個實驗室升降平臺，
圖8 升降臺
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-傳動桿
桿架的連接：連桿螺旋機構(gòu)包括8片連桿，2個滑桿，2個傳動桿，1個雙螺旋螺桿，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，通過螺桿的旋鈕轉(zhuǎn)動，帶動升降臺內(nèi)部的支板拉伸和收縮，從而起到上下升降的作用。
連桿長度設(shè)計：根據(jù)要求實現(xiàn)120mm的往復(fù)運動行程，進行連桿長度和設(shè)計，設(shè)連桿轉(zhuǎn)動中起始度，終始角度，其升降行程為：
mm (四）
計算得L＝115.38，現(xiàn)將L圓整到120，設(shè)計連桿的有效長度為120mm，（有效長度是指兩端鉸按中心的距離）。
設(shè)計螺桿長度：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不攻紋長度，30mm長度安裝旋轉(zhuǎn)手輪，螺桿的長度為L單位(mm）
L=60+60+10+30=160mm
2.4 光學(xué)平臺的選擇
激光檢測裝置中，車體右邊凸臺部分為實驗主要操作部分，需要對各個光學(xué)設(shè)備或者儀器進行固定，所以需要光學(xué)平臺，考慮到凸臺的載荷量以及凸臺平面的大小，最后選擇一個材質(zhì)為鋁合金的光學(xué)平板，10mm厚，標準的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
在整個激光檢測實驗中，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，就需要一個光學(xué)鏡片保持架，查閱資料得知此類組件也是經(jīng)標準化批量生產(chǎn)的通用產(chǎn)品，根據(jù)實驗要求，調(diào)節(jié)高度為400mm，質(zhì)量不超過10Kg，選定使用型號。
圖10 光學(xué)鏡片保持架
3 總 結(jié)
至此畢業(yè)設(shè)計工作業(yè)已結(jié)束。筆者已經(jīng)完成了《土壤重金屬激光快速檢測儀器（機械部分）》相關(guān)工作量。即將迎來5月18日畢業(yè)設(shè)計答辯，此做一簡短總結(jié)。
我校根據(jù)機械工程專業(yè)特點，要求學(xué)生針對某一課題，綜合運用本專業(yè)有關(guān)課程的理論和技術(shù)，作出解決實際問題的設(shè)計。 畢業(yè)設(shè)計是高等學(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，是評定畢業(yè)成績的重要依據(jù)；同時，通過畢業(yè)設(shè)計，也使學(xué)生對某一課題作專門深入系統(tǒng)的研究，鞏固、擴大、加深已有知識，培養(yǎng)綜合運用已有知識獨立解決問題的能力。畢業(yè)設(shè)計也是我們學(xué)生走上國家建設(shè)崗位前的一次重要的實習(xí)。
經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計的時間對工程問題有了跟深入的認識體會，為即將走上工作崗位的我添加了信心，添加了知識能量。也體會到了現(xiàn)代的畢業(yè)設(shè)計。跟學(xué)長們交流發(fā)現(xiàn)了變化中的畢業(yè)設(shè)計，現(xiàn)代化的畢業(yè)設(shè)計。
隨心所欲翻手冊。做畢業(yè)設(shè)計時，我們很少翻閱厚達數(shù)千頁的設(shè)計手冊，取而代之的是電子版機械設(shè)計手冊。這使不可能“人手一冊”變?yōu)楝F(xiàn)實，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，制圖又準確，簡直是延長了我們的手臂，想要的標準零件，總能順手拈來。又不僅限于制圖工具，MATLAB計算軟件也是我們必不可少的硬件裝備，它的強大計算功能以及程序的重復(fù)利用，是我們的設(shè)計很快到達最優(yōu)。
足不出戶做調(diào)研，鼠標一點查資料。訪問網(wǎng)站查產(chǎn)品，了解某項產(chǎn)品階段，查看陌生零件的實物圖片，而查閱技術(shù)資料也可以登陸網(wǎng)上圖書館在線閱讀，并即時記錄、收藏、引用。
總之畢業(yè)設(shè)計的工作的變化映射著機械工程技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)實，鞭策著每位工程師技術(shù)人員不斷追求進步，創(chuàng)造卓越。
參考文獻
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致 謝
這次畢業(yè)設(shè)計工作至此結(jié)束，整個學(xué)習(xí)和做論文的過程中，姚明印老師一直對我悉心指導(dǎo)和嚴格要求，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)計期間，一方面我深感自己知識的貧乏和平時鍛煉的重要性，深刻領(lǐng)會到實踐與理論的差異性；另一方面，通過這次獨立的設(shè)計，深深體會到理論與實踐的有機結(jié)合是學(xué)習(xí)和掌握知識的重要途徑。在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，使我提高了獨立思考問題和實際解決問題的能力。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，虛心請教 ，不放過任何難點疑問，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的感謝。
與此同時，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)計算的等個工作，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)機會，迎來了今天這個畢業(yè)的時刻！在此也感謝個給評委老師給予作出的客觀點評！
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