JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY 本科毕业论文（设计）
题目：土壤重金属激光快速检测仪器设计
学院：工学院
姓名：许勇
学号： 20101146
专业：机械设计制造及其自动化
年级：机制1004班
指导教师：姚明印职称：副教授
二0一四年五月
摘要
随着现代社会的发展，土壤重金属污染越来越严重，给生态环境和人健康造成很大危害，因此，对土壤重金属污染物进行快速定量检测意义重大。本设计主要是应江西农业大学工学院生物光电实验室的土壤重金属激光快速检测仪而设计的，主要是为土壤重金属激光快速检测仪系统提供机械装置，使其适应实验室试验又能便捷的完成简单户外试验，本装置主要包括运动部分工作部分，运动部分主动要是框架底部的万向轮是整个装置能够便捷的便捷移动和框架每层层板的高度调节，工作部分主要是实验室升降台，光学平台以及光学镜片保持架的高度角度的调节，从而达到对被测物的快速检测。
关键词：万向轮；型材；光学平台，实验室升降台；光学镜片保持架
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
目录
摘要.............................................................. I Abstract........................................................... II 绪论.. (1)
1. 设计方案的确定 (3)
1.1 总体要求 (3)
1.2 设计方案的评价 (3)
1.3 方案的确定 (4)
2. 装置的设计 (5)
2.1车架的设计 (5)
2.2 运动部分的设计 (8)
2.3 升降台的设计 (9)
2.4 光学平台的选择 (10)
2.5 光学镜片保持架的选择 (10)
3. 总结 (12)
参考文献 (13)
致谢 (14)
绪论
目前常用的土壤重金属检测分析方法是火焰式原子吸收光谱法(FLAA)、石墨炉原子吸收光谱法(GFAA)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等[2-5]，这些检测方法虽然有较高的检测灵敏度，但其样品预处理相当繁琐、分析周期长，不能实现原位检测，使其难以大量推广应用。因此，发展一种能快速、原位、多元素实时检测土壤污染物的检测技术对环境治理有着相当重要的意义。
激光诱导击穿光谱技术正在处于推广阶段，其应用领域也在不断扩大，江西农业大学工学院生物光电实验室承担了省重点科研项目，主要研究激光检测技术环境监测中的应用。
激光诱导击穿光谱技术是近些年随着激光技术和光谱仪器的发展而兴起的对元素定性和定量分析的一种光谱技术，具有快速、原位、操作便捷和多元素同时分析等特点，在国内外LIBS技术的研究已形成了一个完整的体系。激光诱导无损检测是激光单色性特征，投到被测物体上，并收集反射回的光线，进行光谱分析，从而确定被测物体某种物质的含量成分，目前生物光电实验室要将研究该技术在农产品，土壤检测上的应用。比如农产品中的农药是否超标，土壤中重金属的含量是否超标等等。
而我所设计的激光检测装置是系统的机械部分，装置主要包括运动部分和工作部分。
装置要求灵活移动，高度可调，包括光学平台上的各个光学仪器可以灵活的定位，样品在工作台进行可控的升降，从而对样品进行检测。
图1整体装配图
图中左边部分是设备仪器安放装置，可以根据仪器设备的大小调节每层层板的高度，底部安装四个万向轮，方便试验进行的随地点性，右边是一个光学平台，平台上有调节样品高度的升降台和光学镜片保持架，从而达到实
验的要求功能。
1 设计方案的确定
1.1 总体要求
激光检测装置，主要是包括整个车体部分，车体的运动及升降台部分，为达到实验的方便可靠进行，先拟定几个方案供选择：
车体部分，1、整个小车框架采用角钢的焊接形成，根据设备仪器的大小固定每层的空间，2、同样是采用角钢，角钢上面按照一定的距离等距离打孔，通过螺栓与角钢的固定形成可调每层空间大小的主题，车体还可以随时拆装。
3、用市场上的合金型材以及配套的螺栓角码对车体进行组装。
车体的运动：1、采用小型直流电动机驱动，电动机经一级涡轮杆转动减速，将转动传替给链轮，经挠性链轮传动驱动车轮，从而实现运动。2、采用小型柴油机电组驱动，传动与上述方案类似。3、人力推动，在车体底部安装万向轮。
实验室升降台：1、采用螺旋连杆机构，连杆下端保持水平而做平面运动，另一端其上下运动分量推动工作台面的升降。2、采用齿轮齿条机构，齿条固定在机架，使工作台面与齿轮相连，经齿轮转动而获得线性位移带动工作台面的上下运动。3、采用液压、气压等其他机构。
1.2 设计方案的评价
针对以上几种方案的，现予简单点评，已经确定较为合理，或当前设计条件下较为合适较为可行的方案。
车体部分的方案：选用市场上的合金型材以及配套的螺栓角码进行组装。型材它重量轻，承重范围在要求之内，而且它具有配套的角码和螺栓，拆装方便，而且每层空间可以不受约束的调节，采购方便，减少一定的费用以及用角钢带来的加工人力物力。
车体运动方案：车体运动方案较为合理是直流电动机驱动，配备一个200W 左右的直流电动机即可实现较为稳定的运动。再加以配置24V蓄电池组，就可获
得较持久的航行。配以小型内燃机发电机组驱动，不仅可以实现持久续航，又能为各实验仪器提供电源，但造价较为巨大。最为原始的是人力推动或推动，但其运动最为平稳，最容易控制能最大限度地保护实验仪器。柴油机电组运动方案系统复杂，设计难度大，周期长，个人无法在有限工程期限内完成。蓄电池方案虽然可持久续航，但并没有办法为激光器，光谱仪，冷却器，计算机提供交流电，故而流方案优势并不明显，本实验目前主要从事室内实验活动，对野外作业要求不高，故不可以提供自身动力源，而是车体底部安装万向轮，采用人力推动。
试验升降台的方案：选用螺旋连杆机构，螺栓升降机构，可以实现很好平稳升降，具有自锁性，能使工作台平稳的停留在某一高度，其他方案要么太复杂要么质量太重价格高即不给予采纳。
1.3 方案的确定
型材+万向轮+螺旋连杆机构升降台。
2 装置的设计
2.1车架的设计
车架采用型材SY-6-3030通过角码螺栓的连接而成。
图2 整体车架
图3 型材以及连接示意图
初步代计算载荷，并考虑安全域度，进行选择方钢型材定载荷为800N
车，现根据抗弯强度理论进行设计，车架规格为600*400*600mm 。右边
凸台工作部分规格为400*400。
图4 受力状态图表
计算车体部分最大载荷时的型材变形量：
=δ4310192???I E L F ==????43
10
2.157000048600800≈002.0mm (一) 可以视为没有影响。
由图4也可以得出型材主体部分的强度符合实验进行的要求。
计算右边凸台静载荷时的最大变形量，根据实验情况，右边的最大载荷
为200N ，校核如下：
最大变形量： 02.0102.157000034002001034
3
43≈????=???=I E L F δ (二） 可以视为没有影响。
计算连接螺栓的强度：
有车体结构可以看出最下面一层螺栓受到的拉应力最大但是由八个连接螺栓等分，查钢号手册得出螺栓的屈服极限是345Mp ，所以最大拉应力
][5.18414.31254
2
2σπσ<=?==Mp d F （三） 所有的型材都是通过角码螺栓以及M8的螺母连接而成，如图所示：
图5角码
图6 连接螺栓
2.2 运动部分的设计
激光检测装置主要是在实验室工作，随着生物光电实验室科研工作
的突破奖来要适应室外的要求,而且要求其工作时稳定不动，所以选择带刹车的橡胶轮万向轮。车体部分安装了4个万向轮，根据实验仪器的重量，并且考虑留出一定的安全域，核定载200Kg，每只轮子承载50Kg。
万向工业脚轮安装在车体底部，采用万向脚轮可以实现灵活转向，适应运动的要求，万向脚轮已经标准化生产的工业产品，根据设计的要求及承载尺寸参数，选定型号，从专业的生产厂家订购。
每只轮子承载W=500N，高度要求H=100mm，选定万向脚轮主要参数为：轮子高度H=100mm，载荷为500N，螺栓安装。据此参阅相关行业标准选定使用型号。
图7 万向轮
2.3 升降台的设计
根据激光检测实验要求，样品在光学平台上要上下移动，所以根据实验要求设计一个实验室升降平台，
图8 升降台
1-顶板； 2-螺钉； 3-螺母； 4-连接角铁； 5-支板； 6-双向螺杆； 7连接角铁； 8-底板； 9-连杆 10-传动杆
杆架的连接：连杆螺旋机构包括8片连杆，2个滑杆，2个传动杆，1个双螺旋螺杆，连杆之间主要是螺钉螺母连接，连杆与滑杆也是螺母连接，传动杆与螺杆之间是螺纹副联接，上下滑杆安装在上下支座的壁槽中可自由滑动，通过螺杆的旋钮转动，带动升降台内部的支板拉伸和收缩，从而起到上下升降的作用。
连杆长度设计：根据要求实现120mm 的往复运动行程，进行连杆长度和设计，设连杆转动中起始度 201=α，终始角度 602=α，其升降行程为： 120)20sin 60(sin 2=-? L mm (四）
计算得L ＝115.38，现将L 圆整到120，设计连杆的有效长度为120mm ，（有效长度是指两端铰按中心的距离）。
设计螺杆长度：螺杆是异攻双头螺纹，为了留有余地。左端为M4?60左旋螺纹右端为M4?60右旋螺纹，中间10mm 不攻纹长度，30mm 长度安装旋转手
轮，螺杆的长度为L单位(mm）
L=60+60+10+30=160mm
2.4 光学平台的选择
激光检测装置中，车体右边凸台部分为实验主要操作部分，需要对各个光学设备或者仪器进行固定，所以需要光学平台，考虑到凸台的载荷量以及凸台平面的大小，最后选择一个材质为铝合金的光学平板，10mm厚，标准的M6螺纹孔，孔间距为20mm阵列，如图所示：
图9 光学平板
2.5 光学镜片保持架的选择
在整个激光检测实验中，镜片是必不可少的，如何调整镜片的高度以及镜片的角度，就需要一个光学镜片保持架，查阅资料得知此类组件也是经标准化批量生产的通用产品，根据实验要求，调节高度为400mm，质量不超过10Kg，选定使用型号。
图10 光学镜片保持架
3 总结
至此毕业设计工作业已结束。笔者已经完成了《土壤重金属激光快速检测仪器（机械部分）》相关工作量。即将迎来5月18日毕业设计答辩，此做一简短总结。
我校根据机械工程专业特点，要求学生针对某一课题，综合运用本专业有关课程的理论和技术，作出解决实际问题的设计。毕业设计是高等学校教学过程的重要环节之一。相当于一般毕业论文，是总结检查学生在校期间的学习成果，是评定毕业成绩的重要依据；同时，通过毕业设计，也使学生对某一课题作专门深入系统的研究，巩固、扩大、加深已有知识，培养综合运用已有知识独立解决问题的能力。毕业设计也是我们学生走上国家建设岗位前的一次重要的实习。
经过这次毕业设计的时间对工程问题有了跟深入的认识体会，为即将走上工作岗位的我添加了信心，添加了知识能量。也体会到了现代的毕业设计。跟学长们交流发现了变化中的毕业设计，现代化的毕业设计。
随心所欲翻手册。做毕业设计时，我们很少翻阅厚达数千页的设计手册，取而代之的是电子版机械设计手册。这使不可能“人手一册”变为现实，而且查阅起来更便捷。
绘图工具不同了，三角板，丁字尺虽没睡觉，但他们只做了初期的草图绘制。AutoCAD，PRO/E，等工具效率又高，制图又准确，简直是延长了我们的手臂，想要的标准零件，总能顺手拈来。又不仅限于制图工具，MATLAB计算软件也是我们必不可少的硬件装备，它的强大计算功能以及程序的重复利用，是我们的设计很快到达最优。
足不出户做调研，鼠标一点查资料。访问网站查产品，了解某项产品阶段，查看陌生零件的实物图片，而查阅技术资料也可以登陆网上图书馆在线阅读，并即时记录、收藏、引用。
总之毕业设计的工作的变化映射着机械工程技术飞速发展的现实，鞭策着每位工程师技术人员不断追求进步，创造卓越。
参考文献
[1]何铭新钱可强徐祖茂主编《机械制图》，高等教育出版社，2010年第六版
[2]卓越科技计主编《AutoCAD2008机械绘图》，电子工业出版社，2009版
[3]濮良贵纪名刚主编《机械设计》，高等教育出版社，2006年第八版
[4]郑文纬吴克坚主编《机械原理》，高等教育出版社，第七版
[5]施平主编《机械工程专业英语教程》电子工业出版社，第八版
[6]邵立新夏素民孙江宏等编著《Pro/ENGINEER》3.0中文版，清华大学出版社2007年第一版
[7]于永泗齐民主编《机械工程材料》，大连理工大学出版社2007版
[8]刘鸿文主编《材料力学》I，第五版
[9]陈立德主编《机械制造装备设计课程设计》高等教育出版社，2007版
[10]王铎主编《理论力学》高等教育出版社，2002版
[11]软件版《机械设计手册》机械工业出版社
致谢
这次毕业设计工作至此结束，整个学习和做论文的过程中，姚明印老师一直对我悉心指导和严格要求，首先向的指导老师姚明印老师表示感谢，感谢它的全程指导，以及全程的督促。
在毕业设计期间，一方面我深感自己知识的贫乏和平时锻炼的重要性，深刻领会到实践与理论的差异性；另一方面，通过这次独立的设计，深深体会到理论与实践的有机结合是学习和掌握知识的重要途径。在整个毕业设计过程中，使我提高了独立思考问题和实际解决问题的能力。通过各种方式查找相关资料，发现自己很多地方的不足，此过程中我刻苦努力，虚心请教，不放过任何难点疑问，最主要还是要感谢老师的指导和帮助，在此，我再次向姚明印老师致以我最真诚的感谢。
与此同时，班集体也给了我很大的帮助，同学刘世安，占旺龙，李蒙蒙指导技术计算的等个工作，再次表示感谢。最后感谢母校江西农业大学给我提供了四年的学习机会，迎来了今天这个毕业的时刻！在此也感谢个给评委老师给予作出的客观点评！