元素分析仪

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1、机电工程学院毕业设计方案论证报告设计题目:元素分析仪学生姓名：学 号:专业班级：指导教师： 年 月 日目次1 毕业设计前期准备11.1 实习调研总结11.2 微量元素分析仪未来的发展方向22 元素分析仪的机构组成与工作原理33 方案的比较与选择43.1 驱动元件的方案比较与选择43.2 传动机构的方案比较与选择53.3 机架方案的比较与选择84 方案论证结果 105 参考文献111 毕业设计前期准备1.1 实习调研总结微量元素分析仪在医疗部门应用广泛，主要是用来测定血液中的微量元素的 含量的。通过对微量元素在血液中的含量的情况分析来判断人体是否健康，可以 测定的元素包括锌、铁、钙、镁、汞、铅、

2、锰、铬等六到八种元素。目前，市面上的元素分析仪主要有三种类型：第一种主要是通过光学原理检测法，主要特点是工艺简单，测量结果不准确， 在医疗行业是严禁使用的。第二种主要是是原子吸收光谱分析法，特点是测量结果准确，一次性投入成 本高，一般只适用于三甲以上医院。第三种主要是是电化学分析法，测量结果准确，价格便宜，符合医用标准， 运营成本低。特别适用于县级医院，乡镇医院，妇幼保健院，疾控中心，以及私 营医院和诊所。图 1.1 元素分析仪在某有限公司进行了为期一周的实习，对元素分析仪有了更为直观的认识。 上图1.1 是元素分析仪的部分结构，通过与公司的工作人员交流，了解了在实践 应用中元素分析仪出现的主

3、要问题主要有：电极是通过磁铁连接的，在工作过程 中由于玻碳电极的转动导致电流不稳定影响使用性能。通过图 1 的右上部分发现 分析仪的可容纳样本太少，高峰期根本就忙不过来。1.2 微量元素分析仪未来的发展方向随着人们生活水平的提高，各种不常见病症的出现，儿童的健康状况引起了 人们的关注，微量元素分析法是一个在当前医疗条件下判断人体健康状况的好方 法，通过微量元素在血液中的含量分析来分析一些病症的发生可能。微量元素分析仪由最初的光学分析到电化学分析再到原子吸收光谱分析的 发展体现出它的市场需求巨大的一个现象，这就对分析仪有着更高的要求。未来 的发展趋势是：（1）智能化 （2）集成化 （3）绿色化

4、（4）网络化 实现分析仪的智能控制、绿色环保、远程交流是未来的研究方向，元素分析 仪的使用会产生一些废液，如何处理也成为一个棘手的问题。将分析仪、计算机、 打印机有效的集成在一起而不是简单的数据线连接，提高分析仪的工作效率以及 超大容量化也是未来的发展方向。2 元素分析仪的机构组成与工作原理微量元素分析仪是由驱动部分、传动部分、机架、托盘、控制元件等几个部 分构成。初步估算知道，下部的托盘面积达到了 700*550mm，尺寸限制使得托盘 不能够在平面内移动，则只能让处于上方的探针进行 X、Y、Z 三个方向的移动。 工作时由驱动元件带动传动系统获得 X、Y 两个方向的运动，用行程开关检测移 动的

5、具体位置，当到达指定位置后，通过驱动驱动探针的上下移动使得探针深入 样本液面以下合适的位置，通过小电机带动玻碳电极旋转搅拌样本液体开始检测 工作。3 方案的比较与选择3.1 驱动元件的方案比较与选择根据工作方式可知，需要使探针在X、Y、Z三个方向上精确定位，有这个特点可查阅相关资料初步选定伺服电动机（图3.1）与步进电动机（图3.2）。图 3.1 伺服电机伺服电动机可以使速度、位置等输出量可以根据输入量的变化而变化，控制 精度高，位置准确，承载能力好，低速运动平稳，噪音低，发热量小并且具有自 我保护的功能，在高精度机床中使用广泛。图 3.2 步进电机步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的

6、元件，在正常情况下，电 动机的转速只是取决于脉冲的信号，而不受别的影响。3.2 传动机构的方案比较与选择探针的移动是直线形式的，所以要求可以获得直线运动。而由电动机的旋转运动转变为直线运动可以采用一下几种形式：3.2.1 丝杠螺母副图 3.3 丝杠螺母丝杠螺母是将旋转运动转变为直线运动的理想运动，可以将扭矩转变为轴向 力矩，具有精度高、可逆性和效率高的有点。如上图3.3所示，丝杠转动可以驱 动1，2左右移动。采用丝杆螺母传动，将旋转运动转化为直线运动的特点主要有：可以实现较 高的精度，噪音较小，刚度高等特点，行程不是太高，速度慢，价格较高等。主 要应用在精度要求相对较高，行程较短，速度较慢的场

7、合。3.2.2 齿轮齿条副齿轮齿条（图3.4）可以实现将旋转运动转变为直线运动，根据齿条的特点 可以实现较大的行程，齿轮齿条完美的啮合可以使得速度、位置可以精确控制。图 3.4 齿轮齿条 齿轮齿条将旋转运动转为直线运动主要的优势在于：（1）根据机械加工的水平，可以实现不同的精度；（2）齿条可以根据需要进行拼接，行程可以调节；（3）由于是齿的啮合，所以可以实现很大的推力； 其主要的缺点有：（1）因为是齿啮合，有反向间隙的存在；（2）齿轮齿条的精度很难保证一致；（3）运行速度不高；（4）运行时的损耗较大，需要经过润滑；（5）齿轮齿条啮合时的振动幅度大，极易引起轴承的损害，噪音太大；（6）需要经常润

8、滑等。主要应用于行速度要求不高，重载，长距离行程的 场合。3.2.3 直线电机如下图3.5所示，直线电机直接将旋转输出形式转变为直线输出的形式，立 即获得直线运动。在这个过程中减少了传统方式中使用的机械结构，也就没有了 以前由机械结构带来的一些弊端。没有了机械损耗，也没有因为过多的机械结构 而带来的精度问题。图 3.5 直线电机使用直线电机的主要特点是：结构简单，动态响应性能好，定位精度搞，适 合高速度的直线运动，不存在离心力的约束，可以获得较高的加速度，易于控制 与调节，没有横向边缘效应，适应性强。3.2.4 带传动带传动（图3.6）是靠包裹在带轮上的柔性带来传递运动，主要分为摩擦型 和啮合

9、型两种。带传动由带轮与传送带组成，因此是一种挠性运动。当一侧带轮 转动时，利用带轮与传送带的摩擦或者啮合作用，将力和运动通过带传到另一侧 带轮。具有传动平稳，价格低廉，噪音低，结构简单，缓冲吸振等特点，在小型 机械中经常使用。图 3.6 带3.3 机架方案的比较与选择常用到的有铸铁、钢、工程塑料，使用铸铁（图3.7）容易形成复杂的形状， 价格较为便宜，具有很好的抗振性，内部摩擦大，主要缺点是生产周期长，单件 小批量生产时成本较高，废品率高，质量不容易控制，铸件的加工余量大，后续 加工麻烦。图 3.7 铸件用钢材焊接成机架（图3.8），由于钢的弹性模量大焊接的壁厚不是太厚， 其重量比同样刚度的机

10、架约轻20%，适合单件小批量生产，生产周期短，所需设 备简单，主要缺点是抗振性能不是太好，结构上需要采取防震措施。图 3.8 焊接件工程塑料（图3.9）可以用作代替金属制造机器零部件，具有良好的综合性 能，刚性大，变形小，可以在苛刻的环境中长期使用，主要缺点是价格较高，产 量不是很大。图 3.9 工程塑料4 方案论证结果驱动元件：伺服电机主要应用于高精度数控机床，定位精度高，价格昂贵， 而步进电机也可以实现一定精度的定位要求，价格相对比较便宜，故在此次微量 元素分析仪中选择步进电机。传动元件：微量元素分析仪主要应用在医疗机构，需要避免太大的噪音，因 此齿轮齿条传动是不合适的。直线电机价格比较贵

11、，不适合用在此处，初步估计 下方的托盘跨度比较大，用丝杠螺母难以保证刚度，不选择丝杠螺母传功。，因 此选用带传动。机架：在微量元素分析仪中，要保证机构紧凑，外观精美，因此选用 3mm 的不锈钢。参考文献1 濮良贵，陈国定，吴立言.机械设计（第九版） M. 北京: 高等教育出 版,20132 孙桓，陈作模，葛文杰机械原理（第七版）M 北京：高等教育出版 社，2006.53 朱张校，姚可夫工程材料（第四版）M.北京：清华大学出版社，20124 孟宪源现代机构手册M 北京：机械工业出版社5 曾励.机电一体化系统设计M.北京：高等工业出版社,20076 张建民等.机电一体化系统设计（第三版）M.北京：高等教育出版,20077 朱龙根，黄雨华机械系统设计M.北京：机械工业出版社，20008 张富洲机械零件课程设计指导书M.西安：西北工业大学出版社，2002