ICP光源系统的移动台设计

(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，湖北 武汉 430074)

0 引言

电感耦合等离子体-质谱仪(inductively coupled plasma-mass spectrometry，ICP-MS)采用以电感耦合等离子体作为离子源(又称“ICP光源”)，以质谱仪进行检测的无机多元素分析技术。如何将等离子体有效稳定地传输到质谱设备，是ICP-MS接口技术的重点。等离子体炬管应便于拆卸和清洗保养，生成的等离子体应最大限度地通过采集接口，保证离子源发生和采集的稳定性，这是ICP-MS对采集接口的基本要求[1]。

通过软件控制使采样锥在ICP光源内获取最佳采样位置，是提高ICP-MS接口能力的有效途径之一。本文将三维移动装置与ICP的光源系统进行整合，通过对其机械结构进行设计和分析，为实现软件控制奠定了硬件基础。

1 整体设计

ICP光源系统移动台采用SolidWorks三维建模。该ICP光源三维移动台由三维移动台和光源安装台组成。三维移动台的机械系统由三个互相独立的步进系统组成[2]，并采用步进电机驱动控制；各步进系统相互独立，便于实现X、Y、Z三个方向上的精密移动与单向调控。光源安装台位于设备顶层，用于安装固定光源系统组件。该设计可通过软件编程控制，将等离子体光源移动至最佳接口位置。

2 三维移动台设计

移动台分三层：X方向行程最长，质量最大，置于底层；Y移动台在X移动台之上，X与Y步进系统组成“十”字移动台，实现水平面内X-Y坐标移动；Z移动台位于顶层，实现Z向升降移动。

2.1 安装底座与支承板设计

安装底座与支承板是该移动台的基础支承件，是各零部件连接的基础，对加工表面与安装孔相对位置的精度要求高，须具有较高的强度、刚度以及良好的工艺特性[3]。为保证安装强度，确保弹性变形在允许范围内，该平台安装底座与支承件选用10 mm铝合金板制件，可满足设备要求。

X、Y底座两侧支承板用于安装固定滑动导轨。支承板与导轨安装面全接触，使接触面积最大，从而提高接触刚度，减小导轨受力产生的弯曲变形。Z方向支承件由升降丝杆与四根刚性压缩弹簧组成。升降丝杆选用45钢，调质处理，以提高其机械性能[4]。压缩弹簧分别安装于四组导向部件上，两端固定，防止弹簧失稳，提高弹簧的不稳定系数。钢性压缩弹簧，能减小升降螺杆的轴向负载和应力变形，提高负载能力。同时，支承弹簧作为上下两层的弹性元件，能够起到有效的减振作用，减小振源(步进电机)对仪器产生的不良影响[5]。

2.2 导向设计

2.2.1X-Y十字移动台导向设计

移动台X-Y轴导向设计采用滚动直线导轨副(直线导轨和一对导轨滑块组成)，使导轨运动处于滚动摩擦状态，有效减小摩擦阻力，使工作台移动灵敏，避免低速运动而出现爬行动作。同时，工作台启动和运行消耗功率小，滚动导轨磨损小，保持精度持久性好。由于单个导轨面相对较窄，不能有效限制绕该方向的转动，因此采用双列导轨设计，以限制绕该轴转动的自由度。

2.2.2Z轴导向设计

Z轴导向用于保证移动台垂直方向的精密移动。导向部件由直线轴承和导向光轴组成。该设计中采用四组平行的导向组导向，约束制绕Z轴转动的自由度，并限制承载平台可能产生的倾斜位移误差，提高导向精确度。滚动直线轴承的引用能有效降低该方向上的摩擦阻力，提高该方向上的运动平稳性。导向部件如图1所示。

图1 导向部件示意图

导轨与导向轴运动一段时间后，将会产生不同程度的磨损，影响仪器精度。因此，导轨及导向光轴表面应采用硬化处理，以提高其表面接触强度和耐磨性。

2.3 传动系统

X-Y向步进电机提供的力矩主要克服系统在该方向所产生的摩擦阻力，Z向步进电机提供的力矩主要克服载物台自重及丝杆副产生的摩擦阻力。

2.3.1X-Y传动结构设计

X-Y方向采用螺旋传动，将回转运动转化为平台直线运动。滚珠丝杆较滑动丝杆具有更高的传动效率，故采用滚珠丝杆作为传动元件。滚珠丝杆的安装和支承结构将直接影响其传动精度和传动刚度。根据该课题中速回转、高精度的技术指标，滚珠丝杆采用一端固定、一端支撑的安装方式[6]。丝杆固定端采用固定座固定，通过锁紧螺母限制丝杆轴向窜动。其传动结构如图2所示。

图2 X-Y方向传动结构图

2.3.2Z向传动结构设计

Z向采用同步带轮传动与螺旋传动复合传动的方案。同步带轮的引入，使该设备空间结构更加紧凑。Z方向传动原理如图3所示。Z向驱动电机驱动主动带轮转动，通过同步齿型带将转矩传递至从动带轮。从动带轮与升降轴键连接，带动升降轴同步转动，使升降螺母向上或向下移动，实现工作台升降。为保证同步带轮的传动精度，同步齿型带需具备合适的张紧度，因此采用中心距D可调节设计，根据需要微调中心距D。升降轴螺旋副采用梯形、单线螺纹滑动丝杆，保证Z向的精度和自锁要求。丝杆螺旋副采用长旋合长度，提高升降运动精度和稳定性。

图3 Z方向传动原理图

为减小升降轴系转动时各接触面间的摩擦阻力，轴系装有推力滚针轴承和深沟球轴承。推力滚针轴承位于从动带轮与Z安装底座间，以减小两接触面的摩擦阻力。深沟球轴承嵌入Z底座阶梯孔内，阶梯轴肩与深沟球轴承外圈接触，以限制轴承向上窜动。同时升降轴底部安装有挡圈，轴端挡圈采用单螺钉紧固，与深沟球轴承内圈随动，防止升降轴向上窜动。该设计使用滚动摩擦代替滑动摩擦，大大减小了丝杆转动时的摩擦力，提高了传动效率，减小了电机所需驱动力矩[7]。

2.4 行程保护装置

三维移动台在X、Y、Z三个方向上均设有限位开关且成对安装，用于在运行过程中对行程的限位保护。限位开关是限定该移动台运动极限位置的电气开关，当运动部件上的模块撞击行程开关时，限位开关的触点动作，将机械信号转变为电气信号，用来控制机械动作或程序控制。由于以电磁信号(非接触式)作为输入动作信号的接近开关，将会对等离子体装置产生干扰，因此采用机械接触式行程开关[8]。

X-Y方向的限位开关直接固定在两侧支承板上，并检测导轨滑块移动是否触碰开关。当滑块移动超程触动限位开关时，控制系统将立即响应该信号，并通过切断电路或控制步进电机反转，达到预防超程的目的。Z向专门设计了“E”形装钣金固定座，以便于安装限位开关。当安装台向上或向下移动超程时，Z移动台会触动开关，切断电路或反向移动。在实际应用中应尽量避免超行程操作，以避免超程行为对机械系统造成不良影响。

3 安装台设计

安装台用于安装ICP光源发生设备——等离子体装置。电感耦合等离子体装置由等离子体炬管和高频发生器组成[9]。三个石英同心管组成的等离子体炬管放在一个连接高频发生器的环形线圈里。该安装台应具备夹持炬管方便、高频发生器抗干扰的能力，同时应为气路系统连接预留足够空间。安装台示意图如图4所示。

图4 光源系统安装台示意图

炬管安装采用炬管夹持座固定，便于拆卸炬管。该夹持座配有弹簧搭扣，使上下夹持块夹紧炬管。为适应等离子体炬管的高温工作环境，夹持座采用具有耐高温、耐腐蚀等特性的聚四氟乙烯[10]材料加工而成。

高频发生器的电感线圈(RF线圈)两端分别与铜接头螺纹连接，并使炬管位于RF线圈内部。高频发生器通过两条铜编织线与光源安装台上的铜接头连接，由于铜编织线具备良好的伸缩延展性，因此连接后不影响移动台的移动。为避免外部导体(如安装台、移动台)对高频发生器频率可能产生的干扰，需对其进行绝缘设计。

安装台采用具有不吸水、不导电、耐高温等特性的电木[11]作为绝缘结构。两电木板直角组合安装，组成电木支座，提高与安装台连接的稳定性。电木支座一方面用于安装铜接头；另一方面对铜编织线起支撑固定作用，从而避免导体与高频发生器线组接触和距离过近引起的干扰。

4 结束语

ICP光源系统移动台是针对ICP[12]分析仪器而研发的微动设备，具备良好的空间移动能力和定位精度，整机设计空间紧凑、结构合理，炬管拆卸更换简便。位置调控由软件实现，方便直观，进一步提高了ICP设备的自动化水平。经试验样机检测，该设备运行平稳可靠，整机移动精度可达0.02 mm，定位精度可达0.06 mm，能够满足ICP光源的移动精度需求；改善了ICP接口的性能，提高了等离子体通过采样锥的数质量。该移动台可广泛应用于ICP仪器中光源系统的移动，具有一定的推广价值。

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[12]李冰，杨红霞.电感耦合等离子质谱原理和应用[M].北京：地质出版社，2005.