（机械制造及其自动化专业论文）熔样机产品的优化设计和模拟仿真及其控制系统的开发.pdf

摘要 摘要 “没有先进装备技术的民族是没有未来的民族。 检测和计量问题是目前中 国发展的两大关键问题。高频熔样机是一种非常重要的检测计量仪器，它是为x 射线荧光分析制作样品的设备。目前，国内还需要大量向国外进口。因此，研制 高频熔样机对节约外汇、提高国内技术装备的制造能力、实现进口仪器零配件的 国产化具有重大意义。 我们与北京泰谱克科技发展有限公司合作，在借鉴吸收国外先进技术的基础 上，研发了一种高频熔样机。该仪器稳定可靠，技术先进，操作方便，熔样效率 高，制作出来的试样平整、均匀、透明、无气泡，达到了x 射线荧光分析制样 的要求。本课题利用三维造型软件s o l i d w o r k s2 0 0 7 ，主要设计了高频熔样机的 整机机架和坩埚转动系统，并绘制出高频熔样机的三维图形和零部件加工图，进 行了简单的仿真模拟。根据性价比最好的原则，我们精心选购了物廉价美的零部 件。经过对高频熔样机的系统搭建，最后，加工制造出来一台整机，装配调试后 性能良好。我参与了高频熔样机的整个设计制造过程，主要负责控制系统的研发。 我根据高频熔样机的工作流程和熔样过程要求稳定可靠等原则，选择p l c 作为 高频熔样机的控制器。利用功能顺序图，整体设计控制系统的程序，并充分考虑 了各种异常和突发事故。通过s t e p7 - m i c r o w i n 3 2 软件，编写了一套p l c 程序。 经过调试和试验，证明此套程序稳定可靠，完全符合设备要求。同时，我还根据 客户的要求，通过w i n c c 组态软件，组态了一套人机界面程序。根据试验和客 户的反应，证明此套程序稳定可靠，基本达到了客户的需求。 关键词：高频熔样机；s o l i d w o r k s ；p l c ；w i n c c a b s t r a c t 曼曼曼曼曼! 曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼! 曼曼鼍量量曼曼笪曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼量曼曼! 曼! 曼寰曼蔓曼曼曼曼曼i i a b s t r a c t “t h en a t i o nw i t h o u th i g ht e c h n i q u eo fe q u i p m e n th a sn of u t u r e t h eq u e s t i o n so f i n s p e c t i o na n dm e t r o l o g ya r et h ek e yq u e s t i o n so ft h ea c t u a ld e v e l o p m e n ti nc h i n a h i g h f r e q u e n c yf u s i o nm a c h i n e i sav e r yi m p o r t a n ti n s p e c t i o na n dm e t r o l o g ye q u i p m e n t ，w h i c hm a k e s s a m p l e sf o rxr a d i a lf l u o r e s c e n t n o w , w ei m p o r tm a n yt h e s ee q u i p m e n t sf r o mo v e r s e a s s o ，t h e d e v e l o po fh i g hf r e q u e n c ym a c h i n ei so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c ef o rs a v i n gi m p o re x c h a n g e ， i m p r o v i n go u rp o w e ri nm a k i n gt e c h n i c a le q u i p m e n t ，t h en a t i o n a l i z a t i o n so fi m p o r te q u i p m e n t w e c o o p e r a t ew i t hb e i j i n gt o p c o p et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tc o l t d ，a n dd e v e l o pak i n d o f h i g hf r e q u e n c yf u s i o nm a c h i n e t h ei n s t r u m e n ti sr e l i a b l ea n dd e p e n d a b l e ，o fe a s yo p e r a t i o n ，w i t h h i g ht e c h n o l o g ya n dh i g hf u s i o n a le f f i c i e n c y t h es a m p l em a d eb yi ti ss m o o t h ，s y m m e t r i c a l ， t r a n s p a r e n ta n dw i t h o u ta i rb l a d d e r , w h i c ha c h i e v e st h ed e m a n d so ft h es a m p l em a k i n gi nx r a d i a l f l u o r e s c e n t t h et h e s i sd e s i g n st h em a c h i n ef r a n l ea n dt h ee m c i b l er o t a t i o n a lp l a t f o r mb y s o l i d w o r k s2 0 0 7 ，a n dd r a w st h e3d i m e n s i o n sd r a w i n go fh i g hf r e q u e n c yf u s i o nm a c h i n ea n di t s a c c e s s o r ym a c h i n i n gc h a r t s w ea l s om a k es i m p l ee m u l a t i o n o nt h ep r i n c i p l eo fb e s tp e r f o r m a n c e r a t i op r i c e ，w ec h o o s ea n db u yt h eb e s ta c c e s s o r y a tl a s t ，w es u c c e e di nf a b r i c a t i n gah i g h f r e q u e n c yf u s i o nm a c h i n e ，w h o s ep e r f o r m a n c ei st e s t e dv e r yw e l l ip a r t i c i p a t ei nt h ew h o l e c o u r s eo ft h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo ft h eh i g hf r e q u e n c yf u s i o nm a c h i n e a n dit a k ec h a r g e w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o ls y s t e m 1c h o o s ep l ca st h ec o n t r o l l e r , c o n s i d e r i n gi t sw o r k f l o wa n dd e p e n d a b l ed e m a n d s t h e nid e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e m a n du s i n gt h es e q u e n t i a lf u n o t i o n c h a r t , id e s i g ni t sf l o w b a s e do ni t , ic o m p i l eas e to f p r o g r a mb ys t e p7 一m i c r 0 侧i n 3 2 w h i c h i s t e s t e dd e p e n d a b l ea n dv e r yw e l l ia l s oc o m p i l eas e to fp r o g r a mi nh u m a n - m a c h i n e - i n t e r f a c e 、) l ，i 伍w i n c cs o f t w a r e ，w h i c hi sa l s ot e s t e dd e p e n d a b l ea n dm e e t i n gt h eu s e r s d e m a n d s k e y w o r d s ：h i 幽f r e q u e n c y f u s i o nm a c h i n e ；s o l i d w o r k s ；p 【c ；w i n c c i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 躲扣坪啉埘f 沙 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名： 碲翩签名：矾协赶 日期：肱r 烈 第1 章绪论 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 前美国光学协会( o s a ) 主席、“波分复用之父”厉鼎毅先生指出：中国目前 发展有两个大的问题需要注意一下，一个是i n s p e c t i o n ( 检测) 问题，另一个是 m c t r o l o g y ( 计量) 问题；目前中国发展到这一步这两个问题是比较关键的问题， 一是影响到在国际上的形象，另外也影响到以后产品的销路。王大珩院士也指出： 仪器不是机器，仪器是认识和改造物质世界的工具，而机器只能改造却不能认识 物质世界；测量技术是信息技术的重要组成部分，是信息技术的源头；仪器仪表 是工业生产的倍增器，科学研究的先行官，军事上的战斗力和社会生活中的物化 法官。x 射线荧光分析技术( x l 玎) 就是一种非常重要的检测技术，x 射线荧光 分析仪和高频熔样机是非常重要的检测仪器。因此研究高频熔样机具有非常重要 的意义【1 3 1 。 高频熔样机( 如图1 所示) 是为x 射线荧光分析制作样品的设备。目前， x 射线荧光分析技术( 强) 广泛应用于冶金、地质、化工、建材、石油、农业、 环境保护等领域，成为生产控制、科学研究必不可少的分析方法。它具有谱线简 单，干扰少；灵敏度高；智能软件与仪器硬件的最佳组合可以形成高智能的自动 化分析系统，试样加工简单，分析速度快，偶然误差小；宽广的元素分析范围( 目 前能分析原子序数大于或等于b c 的所有元素) 和含量覆盖范围 ( o 0 0 0 1 n 10 0 ) ；无环境污染等优点，这些特点都会让x 射线荧光分析技术 有更广阔的应用空间。但是由于各企业对仪器掌握程度的不同，尤其是所选用的 制样方法不同，而使得仪器的使用效果有很大不同，在测量结果上差别也很大。 因为高频熔样机利用了高频感应加热原理，使用高频感应炉加热时，无需预热， 加热速度快。可以采用进口热电偶或高温红外测温仪进行温度采集从而进行温度 的控制。其所有动作全由程序控制自动完成，可以自动摇匀，制出的试样均匀可 靠。熔融技术的改进与发展，对于适应当今分析领域的高效自动化要求，改进过 程控制的质量，降低消耗成本，确保高效、快速、高质量的分析要求，越来越显 示出其重要性和必要性【4 j 。 i ! 窑i ：些奎：三茎堡圭耋堡 图1 - 1 高频熔样机效果囤 f i g l - 1 h i 曲f i e q u e n e y f u s i o n m a c h i n e 由于高精度的x 射线荧光分析和标准分析方法的推广，将普遍采用玻璃熔 融法进行制样，它是目前最佳的制样方法。国外的元素分析仪器，凡是室内使用 的，没有不配备熔融设备的。而国内用熔融法的却少之叉少。我国每年进口大型 元素分析仪器有数百台，每年外汇有几千万美元，但由于不用熔融法制样，使仪 器不能发挥出应有的水平，给国家和企业造成了不小的损失。近年来，随着我 国经济的发展、对外贸易的增加，对产品质量控制的重视程度也不断提高，购置 仪器及熔样设备的数日也明显增多驯。因此，研制具有自主知识产权的x 射线 荧光分析熔样机对节约外汇、提高国内技术装各的制造能力、实现进口仪器零配 件的国产化，提高自主创新能力有重大意义。 1 2x 射线荧光分析技术 x 射线是由高能量粒子轰击原子所产生的电磁辐射，具有波、粒二像性。众 所周知，任何物质都是由元素构成的，当元素原子受x 射线或其他高能辐射激 发后其内层电子在不同能级问发生跃迁，发射出特征x 射线谱线，称为荧光x 射线。各元素的特征x 射线波长与元素的原子结构( 原子序数) 有关，x 射线 的强度又与分析元素的浓度相对应，根据这一原理可以对特测样品进行定性定量 分析t l - l 3 l 。 x 射线荧光分析法在冶金、地质、化工、机械、石油、建筑材料等工业部门， 农业和医药卫生以及物理、化学、生物、地理学、环境、天文及考古等科学研究 部门都获得了广泛的应用。x 射线荧光分析能有效地用于测定薄膜的厚度和组 成，如冶金镀层或金属薄片的厚度，金属腐蚀、感光材料、磁性录音带薄膜厚度 和组成。它也可用于动态的分析上，测定某一体系在物理化学作用过程中组成的 变化情况，例如，相变产生的金属间的扩散、固体从溶液中沉淀的速度、固体在 固体中扩散和固体在溶液中溶解度等u q 。 随着计算机技术的普及，x 射线荧光分析的应用范围不断扩大，已被定为国 第1 章绪论 际标准( i s o ) 分析方法之一【1 7 。2 3 1 。 x 荧光分析技术应用领域有： ( 1 ) 用于陶瓷材料及色釉料中各元素的分析检测； ( 2 ) 用于水泥产品原料、渣块元素成分的检测； ( 3 ) 钢中炭、锰含量分析； ( 4 ) 检测石化产品中的硫元素，监控作为生产效率指标的f e ，n a ，s b 及k 元 素；分析石油焦、废油里的s ，n i ，c l 和v 含量； ( 5 ) 监控润滑油里的添加剂和稳定剂； ( 6 ) 分析大气中浮游尘、气溶胶、水源污染情况及食品中含有的有害金属等； ( 7 ) 分析血样、头发、牙齿、淋巴细胞、活性酶中微量元素与人体健康、疾 病的相关性； ( 8 ) 无损分析古玩文物成分：辨别真伪，确定其年份； ( 9 ) 分析飞船带回的月岩、陨石等成分； ( 1 0 ) 测定地下水样中砷浓度，依据金矿与砷同时存在的特征找出金矿； ( 1 1 ) 分析土壤中微量元素，确定作物种植的适宜性。 除以上应用例子外，x 荧光技术还可用于半导体中微量杂质的测定、表面污 染的监控等，而且其应用面还在不断拓展。 1 3 样品制备技术 1 3 1 样品的制备方法 x 射线荧光分析针对不同的分析对象与分析要求，可对固体、液体、粉末进 行分析。它是一种表面分析技术，其作用深度与元素分析射线的能量和试样的元 素组成有关，一般是从微米到厘米不等，因此，分析样片表面必须是均匀的，并 对整个试样具有代表性。对于粉末样品，目前试样的制取有粉末压片法、熔融法 世 号手。 粉末压片法以其制样简单、速度快、分析成本低而被大多数水泥企业采用。 但是x 射线荧光强度与压制样品的压力和样品的颗粒大小有很大关系。粒度、 矿物等不均匀效应的影响会降低某些元素的精密度和准确度，同时每次制得的试 样粒度与做标准曲线时的粒度不可能完全一致，使得颗粒效应也是无法克服的。 因此，这两种效应的存在影响着分析结果的精确性。 由表1 一l 可知，随着粉磨时间的增加和粒度的变化，荧光分析仪所测得的 各元素的强度也随之变化，而x 射线荧光仪是通过测得的特征x 射线荧光强度 北京工业大学丁学硕士学位 转换为浓度来实现对浓度的测定的。强度随粉磨时间变化，浓度必然要发生变化， 也必然影响分析精度【2 4 1 。 表1 1 生料粉磨时间和x 射线荧光强度的关系 t a b l e l 1t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec r o c u st i m ea n df l u o r e s c e n ti n t e n s i t y 、磨粉时间，sm g a l s i k c af e 9 01 8 1 7 53 3 8 5 56 3 1 2 61 1 1 7 62 2 2 2 5 93 3 3 5 1 8 01 8 2 7 43 2 7 7 76 4 3 6 1 41 1 2 1 8 62 1 8 6 5 93 4 2 8 2 4 01 8 3 4 53 2 2 0 56 4 3 9 1 42 1 3 32 1 8 4 4 5 53 4 3 1 3 3 0 01 8 3 2 l3 1 7 6 46 4 5 8 2 61 1 2 2 8 52 1 7 9 7 3 93 4 9 6 4 3 0 0 9 01 0 0 8 00 9 3 8 21 0 2 31 0 0 4 70 9 8 0 71 0 4 8 2 4 0 1 8 01 0 0 3 90 9 8 2 41 0 0 0 51 0 0 0 50 9 9 9 01 0 0 9 6 有些岩石、矿物类样品即使磨成很小的颗粒，也是不均匀的。其原因是矿物 组成很复杂，只有通过熔融形成玻璃体，方能消除矿物效应和颗粒度效应。熔融 法是将样品和熔剂按照一定比例混合后，在一定温度下熔融，制成均匀的玻璃体， 制成的样片能消除试样的粒度、矿物、偏析等不均匀效应，同时也可降低样品元 素间的吸收和增强效应，会明显的提高分析的精度和准确度，而且熔融后的标准 样片可长期保存，要消除颗粒效应及矿物效应，只有采用熔融法。因此熔融法成 为x 射线荧光分析技术的主要制样方法。 1 3 2 高频感应加热方法的优点 熔融法制样按照加热方式又分为燃气加热、硅碳棒加热和高频感应加热等。 燃气加热使用特别的燃烧头，产生富氧火焰，通过控制燃气气流的大小来控制温 度，熔融完成后样品自动倾注至预热的铸模( 或烧杯) ，并在冷却喷嘴的精确控 制下冷却，收缩成片。它的优点是加热速度较快，并且同时可熔解几个试样，自 动倒样，且价格也较便宜，但是缺点也很突出：一个就是要用燃气，且不能用热 值较低的煤气，而必须使用乙炔、天然气等，且这些气体属危险品，管理上也比 较麻烦。另一个就是根据气流量来控制温度，无法直接测得温度，所以温度控制 准确度低。另外国内燃气质量不高，杂质多，不能保证每瓶气体的热值都一致， 所以即使气流控制得再好，也不能保证温度的一致性，也就不能保证制样的一致 性。硅碳棒加热采用铂铑铂热电偶对炉膛内的温度进行测量、显示、控制，可 使炉膛内的温度自动保持恒温。内炉衬采用高铝炉膛，该电阻炉具有升温速度快， 保温性能好，空载损耗小，炉温均匀，可同时熔解多个样品，制样速度快等优点。 但是这种熔融炉工作强度大，特别是1 3 0 0 左右的高温，操作者很难忍受，又 由于在熔融时必须加入脱模剂，脱模剂有一定的毒性，人在旁边不利健康。另外， 使用热电偶在高温情况下很容易被氧化，需要经常更换，用起来不太方便【2 5 , 2 6 。 高频感应熔样机很好的解决了上述各种设备存在的问题。它主要有以下一些 第1 章绪论 特点： ( 1 ) 加热温度足够高： ( 2 ) 加热效率高，节能； ( 3 ) 非接触加热； ( 4 ) 可以局部加热； ( 5 ) 温度容易控制，产品质量好： ( 6 ) 作业环境好，占地少，几乎没有热、噪声和灰尘污染。 1 4 高频熔样机的研究和发展现状 早期的感应加热设备一般都应用在机械加工行业，例如热透成型、表面热处 理和钎焊等生产工艺。2 0 世纪9 0 年代后期，随着电力电子器件与技术有了新的 突破，美国、日本、德国等发达国家使用双极型绝缘栅晶体管i g b t 功率开关器 件成功的开发出了新型的高频感应加热设备【2 7 】。与老设备相比较，这类新设备具 有能耗低、效率高、重量轻、体积小、操作维修安全方便、运行功率因数高、对 电网干扰小、调功范围大，适应性强、信息技术和智能控制融为一体、控制保护 电路简单可靠等优势。随着改革开放的深入与我国制造业的发展，我国国内也逐 步引进了此类设备，然而因进口设备价格较高，严重制约了高频感应加热设备在 国内的推广应用。 近年来，由于国内需求的增加，我国在高频感应加热设备方面发展也很迅速。 例如，郑州大学和郑州科创电子有限公司研发的x g 系列新型高频感应加热设 备，以i g b t 为主要器件组成全桥逆变谐振电路，以国际上常用的s g 3 5 2 5 器件 及高精密运放器件，实现p w m 功能及各项保护控制功能【2 3 1 。控制电路由 s g 3 5 2 5 、m o s 数字模块、运算放大器等完成控制脉冲形成、放大、调宽、振荡 频率变化的频率自动跟踪，功率大小的调控及威胁电路安全的自动保护。 现在，高频感应加热设备的应用越来越广泛。华中科技大学材料学院模具技 术国家重点实验室采用高频感应加热蒸发一冷凝法( 如图l - - 2 ) 制备了2 0 ，2 5 ， 5 0 n m 三种不同粒度的纳米铝粉，并运用x 射线衍射( ) 和透射电镜( t b m ) 对纳米铝粉进行表征，使用差热分析( d t a ) 研究了不同粒径纳米铝粉的热学行 为。我国在x 射线荧光分析的基础研究、应用研究和仪器制造等方面取得了一 些可喜的进展，有许多成果已广泛被国内外学者所采用阱4 0 1 。随着我国x 射线 荧光分析技术的蓬勃发展，与之配套的熔融设备也越来越受到重视。熔融技术的 改进与发展，对于适应当今分析领域的高效自动化要求，改进过程控制的质量， 降低消耗成本，确保高效、快速、高质量的分析要求，越来越显示出其重要性和 必要性。对于高精度的x 射线荧光分析和标准分析方法的推广将普遍采用玻璃 北京t 业大学丁学硕十学位 熔融法进行制样，它是目前最佳的制样方法。国外的元素分析仪器，凡是室内使 用的，没有不配备熔融设备的。而国内用熔融法的却少之又少。我国每年进口大 型元素分析仪器在数百台，每年用外汇在几千万美元，但由于不用熔融法制样， 使仪器不能发挥出应有的水平，给国家和企业造成了不小的损失。 ， ) 4 姒 闫伯一 5 卜 1 高频感应器2 收集室3 抽真空 4 坩埚5 气体充入管 图1 2 华中科大高频感应加热实验装置 f i g l - 2h i g hf ，c q u e n c yi n d u c t i o nh e a t i n gt e s td e v i c ei nh u a z h o n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y 美国s p e xs a m p l e p r e p ( c a n a d ak a t a n a x ) 公司的全自动电加热融熔装置 ( k a t a n a xk 1f u s i o n ) 如图l 一3 所示，k 1 是美国s p e x ( c a n a d a k a t a n a x ) 公司的 一款全自动电加热熔样机。融熔时间、振荡时间、振荡速度、冷却时间，全部可 以编程控制，保证了样品的一致性和均匀性，真正做到不同样品仅是其成分不同 而没有其他不同，对操作而言绝对安全。每台加热器每小时可融熔7 8 个样品。 k 1 型全自动熔融机具有加热速度快、炉温均匀、操作简单、运行平稳、性能可 靠、熔样制片重现性好等特点，各项性能指标均领先世界。主要是为x 射线荧 光、i c p 、i c p m s 测试分析，样品预处理玻璃融片【4 l 删。 图i - 3 美国s 蝉( c a n a d a k a t m a x ) 公司的k i 全自动电加热捧样机 f i g l l a e l 一3 蛐d e 曲如dj o m d f 酗a a t o m a t l o n a l f t 商o n 瑚c h i n e - c h e k i m a d e i n u s a s p c x ( c a n a d a k a 劬曲 近几年，国内也有不少单位研制高频熔样机，而且已经开始推向市场。图 1 _ 4 是广州威士达电子科技有限公司的h m s t - i i - m x z 高频熔样机。 图i - 4 h m s t - i i - m x z 高频熔样机 l f i g u 雎1 - 4 i m s t - i i - m x h i 曲h 哪i 棚c y p 雌1 0 n m a c h i n e 近年来，随着我国经济的发展、对外贸易的增加，对产品质量控制的重视程 度也不断提高购置仪器及熔样设备的数目也明显增多。因此，研制具有自主知 识产权的x 射线荧光分析熔样机对节约外汇、提高国内技术装备的制造能力、实 现进口仪器零配件的国产化有重大意义。目前国内市场出现的大部分属于单工位 熔片机，即熔融、冷却到取样在一卟位置上完成，这样的结构工作效率较低。如 果可以实现同时进行熔融和冷却，就可以大大的提高工作效率。本课题吸取国内 外高频感应熔片机的先进技术，采用程序自动控制整个过程，可以自动进行待熔 试样的放置、加热熔融试样和对已熔融试样的冷却，节约时间，提高工作效率， 而且对温度信号的采集和处理进行改进。这样可咀降低故障率，增强设备的稳定 性。 本课题研发的高频熔样机采用的技术先进，操作方便，制作出来的试样平整、 北京t 业大学t 学硕士学位 均匀、透明、无气泡，达到了x 射线荧光分析制样要求。笔者希望研发的高频 熔样机整体性能指标与国外同类产品相当，性能价格比具有明显优势。笔者希望， 在产品推向市场后，可以替代进口产品，节约外汇，减小购买者的经济负担，提 升我国分析仪器、设备的制造水平和市场竞争力。 高频熔样机的发展方向是自动化程度更高，设备更加小型化，熔融速度更快 4 t i 。 1 5 本文研究内容 本课题主要的研究内容是： ( 1 ) x 射线荧光仪分析技术和高频熔样机特点的介绍。对比了现有的制样方 法，突显了高频感应加热技术的优势，总结了高频熔样机的特点和优点，并研究 其国内外现状及其发展前景，肯定了高频熔样机的研究价值。 ( 2 ) 高频熔样机的原理及其系统搭建。根据高频熔样机的加热原理和主要功 能组成，根据物廉价美，满足功能要求的原则，精心选择系统需要选购的零部件， 合理搭建系统。经过安装调试，高频熔样机满足功能要求，达到了物廉价美的要 求。 ( 3 ) 高频熔样机的结构设计。运用s o l i d w o r k s 2 0 0 7 对高频熔样机进行三维建 模和装配。分析了几种关键设计结构，通过比较确定了最终的优化结构。并对关 键部分进行了运动仿真，比如坩埚转动系统。 ( 4 ) 控制系统硬件组成。介绍了高频熔样的硬件组成，步进电机的原理，控 制系统的电路图。 ( 5 ) 高频熔样机的p l c 编程。利用功能顺序图设计了整机的程序流程，应用 西门子的编程工具s t e p 7 一m i c r o w i n 3 2 编写了高频熔样机的控制程序。主要分析 了其温度控制过程和p i d 控制程序。 ( 6 ) 高频熔样机人机界面的组态。应用西门子的触摸屏和w i n c c 软件，组态 高频熔样机的人机界面。 8 第2 章高频熔样机的原理及其系统搭建 第2 章高频熔样机的原理及其系统搭建 2 1 熔样机的工作原理和组成 高频熔样机是为x 射线荧光分析制作样品的设备，所以要了解高频熔样机的 工作原理，必须介绍x 射线荧光分析技术和高频感应加热技术，其中高频感应加 热技术是高频熔片机的基本原理。 2 1 1 高频感应加热技术 大块金属在交变磁场中或相对磁场运动时，在金属内会出现流线为闭合涡旋 状的感应电流，该电流叫涡旋电流，简称涡流。涡流产生的原因由法拉第电磁感 应定律嘲可知，当通过闭合回路的磁通量发生变化时，将产生感应电动势，形成 感应电流。由于金属内部处处可以构成回路，当大块金属处在变化着的磁场中或 者相对磁场运动时，穿过金属任意回路的磁通量都可能发生变化，在磁通量变化 过程中，金属块内将产生感应电流，这种电流的流线在金属块内自行闭合，形成 涡流。如图2 - 1 所示，对绕在圆柱形铁心上的螺线管通以交变电流时，在铁心内 沿轴线方向产生交变的磁通，从而在铁心横截面上激发交变的涡旋电场，铁心中 的自由电子就在这涡旋电场作用下绕铁心轴线往复地做涡旋运动，形成涡旋电 流。涡旋电流的强度与加在螺线管上的交变电流的频率成正比。因为纯金属的电 阻非常小，所以很小的感应电动势往往可以在金属内部激起强大的涡流，产生大 量的焦耳热，这就是涡流的热效应。利用涡流的热效应来加热金属，这种加热方 法叫高频感应加热。 交 流 电 源 图2 - 1 涡电流的产生( 线圈中的电流正在增加) f i 9 2 1t h eg e n e r a t i o no f e d d yc u r r e n t 根据法拉第电磁感应定律：通过任何一个闭合导体回路所包围面积的磁通量 发生变化时，这回路中将产生感应电动势，并有感应电流产生，此电流的大小决 定于通过该回路所包围面积内磁通量变化的大小，其方向为感应电流产生的磁场 北京丁业大学工学硕士学位 将抵抗该回路所围面积内磁通量的变化。 将一金属导体外面套上一个匝数为n 。的线圈，当交变电流i 。通过感应线圈 时，感应线圈内就会产生交变磁通量，使感应线圈中的工件受到电磁感应而产 生感应电动势e 。设工件的等效匝数为n 2 ，则感应电动势为： e ：一2 譬( 2 - 1 ) 如果磁通是交变的，设= ms i n c o t ，则可得到感应电动势为： e ：一2 譬：一2 中j 】l ，c o s c o t ( 2 2 ) 式中m 是交变磁通的最大值。因此感应电动势的有效值： e ：2 7 r 丁f n 2 0 u ：4 4 4 f a 2 0 材 2 “ ( 2 - 3 ) 式中厂为交变电流的频率。在金属导体横截面内产生的涡流值厶与感应电动势和 涡流回路的阻抗z 相关。 1 2 = 詈2 丽1 5 q q 式中： 天：工件的等效电阻( q ) ； 置：涡流回路中等效的感抗( q ) ； 感应电动势e 在工件中产生感应电流i ：，i ：使工件内部( 更确切地说，是工 件表面的电流投入深度0 层) 开始加热，其焦耳热为： q = 0 2 4 1 2 2 肌号罄竽 ， 式中： q ：电流通过电阻产生的热； 厶：感应电流有效值( a ) 5 r ：工件的等效电阻( q ) o t ：工件通电的时间( s ) o 金属中产生的功率为： p = e 1 c o s a o = 4 4 4 n 乞肘i c o s o( 2 - 6 ) 利用高频感应对金属加热时，在金属内部同时进行加热，加热温度高，速度 快，操作简单，也避免用其他燃料加热对环境造成的污染。为了使被加热金属不 受污染，在高温下不发生氧化，可以将其在真空室里加热。这适合于熔炼特种钢、 难熔或活性较强的金属。涡流的热效应还广泛用于焊接、半导体材料的提纯、晶 体管和集成电路的外延生长技术等方面。 第2 章高频熔样机的原理及其系统搭建 2 1 2 熔样机的主要组成部分和工作过程 熔样机主要分为以下五部分： 1 加热系统：包括高频感应电源、加热控制电板、导电管和涡流管。主要功 能是对样品进行升温加热。通过加热控制电板控制高频感应电源的功率，使涡流 管中产生涡流，进行升温加热。此设备有两处涡流管。一处涡流管用于对铂金杯 中的样品进行熔样加热；另一处涡流管用于对将铂金碟进行预热。其中铂金碟用 于盛放熔样后的样品。其系统原理图如图2 2 所示： 图2 2 加热系统原理图 f i 9 2 - 2t h ep r i n c i p l ec h a r to f h e a t i n gs y s t e m 2 水冷系统：包括水泵、水箱、水管。主要功能使设备散热冷却，达到快速 升温和降温的目的。需要散热的设备有加热控制电板、高频加热电源和涡流管。 因为铂金杯处的涡流管需要左右摆动，所以连接此处涡流管的导电管既需要导电 和通水，又要能扭动。此处导电管的寿命对高频荣样机的正常使用非常重要。其 系统原理图如图2 3 所示： ? 抽水 图2 - 3 水冷系统原理图 f i 9 2 。3t h ep r i n c i p l ec h a r to f c o o l i n gs y s t e m 3 p l c 控制系统及人机界面。 4 整机机架。整机机架用来安装水热系统、水冷系统、控制系统和机械系统 的支架。 5 机械运动系统：包括坩埚转动台、铸碟基座、铸碟夹具、风扇、坩埚盖、 j ! 至三些奎茎三耋塑圭兰堡 坩蜗、白金杯、白金铸碟等。( 见图2 - 4 和图2 - 5 所示) l 口 科囊餐辫戡。 土雨r 自雨丽丽 油压机装配 * i$ m * & * * 【t tt d * 目l l 【l - t l l * t p k - y y j - 0 2 0 0 1 l 图2 - 5 熔样机铸碟夹具 h 醇- 5 t h ee a s t d i s h j i g o f f u s i o n m a c h i n e 此高频熔样机所具有的特点： ( 1 1 稳定可靠：本产品的核心高频加热技术经过多年的实际应用，稳定可靠。 仪器的核心控制部分采用国际上最先进的西门子数字可编程控制器，其使用寿命 达1 0 万小时以上。 ( 2 ) 自动化程度高：本产品内置多种常用的熔样模式，完全采用自动化操作。 熔样温度可在5 0 0 ( 2 一1 4 0 0 之问随意调节，并采用德国进口的温度控制仪对温 度进行精确的闭环控制。 ( 3 ) 操作简单：本产品采用图形化、触摸屏全中文界面。 ( 4 ) 即开即用：开机即可熔样不用像一般电热炉那样，需要预热几个小时。 北京工业大学工学硕十学位 2 2 高频熔样机的系统搭建 根据高频熔样机的功能要求和主要组成部分，其系统搭建过程如下： ( 1 ) 加热系统和水冷系统的选型和安装调试。 ( 2 ) 整机机架和坩埚转动台及铸碟夹具通过三维建模软件辅助设计开发。 ( 3 ) 风扇、汽缸、气阀、步进电机、步进电机驱动器、位置传感器、温度传感 器等的选型和安装调试。 ( 4 ) 高频熔样机控制系统的开发，包括硬件系统和软件系统。 ( 5 ) 系统联合调试和试验。 2 3 硬件选型 2 3 1 加热设备的选型 我们选择深圳市双平电源有限公司的s p 15 系列感应加热设备，基于它的以 下特点： ( 1 ) 采用m o s f e t 功率器件和其公司第一代变流控制技术； ( 2 ) 设备最简单，最轻巧，价格最低； ( 3 ) 操作简单，几分钟即可学会； ( 4 ) 安装简单，只需接电和水即可使用，无需专人安装； ( 5 ) 自动控制型可调节加热、保温过程的功率和时间，有利于提高加热质量 的重复性，简化工人操作； ( 6 ) 分体式机型主要用于工作环境脏、高温、有腐蚀性等恶劣条件。 2 3 2 电机的选型 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的电磁机械装置。在非超载 的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受 负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性 关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、 位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机具有下述特点： ( 1 ) 一般来说，输入脉冲数与其位移量有严格的对应关系，步距误差不会累 积。 第2 章高频熔样机的原理及其系统搭建 ( 2 ) 稳定运行时的转速与控制脉冲的频率有严格的对应关系。 上述这些关系，在负载能力范围内不因电流、电压、负载大小、环境条件的 波动而变化。 ( 3 ) 控制性能好，在一定的频率下，能按照控制脉冲的要求快速启动、停止 和反转。改变控制脉冲频率，电动机转速可以在很宽的范围内平滑调节。与采用 其他伺服元件组成的闭环系统比较，这种系统可以省去反馈传感器、放大器、积 分器和数模转换器，使系统结构简单、性能稳定、工作可靠和成本低廉。这正是 本文研发的高频熔样机需要的电机性能。 选择步进电机的原则主要考虑两个方面，一方面要具有良好的力矩频率特 性，另一方面是有足够的静态最大力矩。综合考虑，我们选择了金坛市三鑫电机 有限公司的4 2 b y g l 0 2 ，电压1 2 v ，重量0 2 千克，静转矩2 0 千克厘米，步距 角1 8 度，完全符合使用要求，又重量轻，且价格便宜。 步进电机驱动器也选择金坛市三鑫电机有限公司的产品m s d 0 8 m 型 号。m s d 0 8 此列步进电机驱动器是一款高性能步进电机专用驱动器。该驱动器 采用世界上最新的双极恒流斩波驱动控制技术，具有输出速度高和输出力矩大的 特点，特别是细分型驱动器更显示出电机运转精度高、振动小、噪音低的特点。 其参数如下：外形尺寸2 1 8 1 3 5 8 0 m m ；单电源供电a c l l 2 2 0 v ；驱动电流： 1 。8 v ( 八组电流可调) ；细分数2 , - , 2 0 0 细分( 十三组细分数可调) ；内部有过压、 过流、过热保护电路。此驱动器的功能、设置和接线图如图2 - 6 所示： 图2 - 6 步进电机驱动器接线图 f i 9 2 - 6t h ew i r i n gd i a g r a mo fs t e p p e rm o t o rd r i v e r 北京t 业大学工学硕士学位 2 3 3 控制器的选型 由于传统的继电接触器控制系统存在接线复杂、通用性和灵活性较差等缺 点，为了适应现代化工业生产日趋复杂以及多样化的特点，于是p l c 诞生了， 并不断发展着。其主要特点如下：1 抗干扰能力强，可靠性高。2 控制系统结构 简单，通用性强。3 编程方便，易于使用。4 功能完善。5 设计、施工、调试的 周期短。6 体积小，维护操作方便。 目前，p l c 在国内外已广泛应用于钢铁、采矿、石油、化工、电力、建材、 机械制造、汽车、轻纺、造纸、交通运输、环保及文化娱乐等各种行业。其使用 领域有：开关量的逻辑控制，模拟量控制，运动控制，过程控制，数据处理，通 信及联网。 鉴于p l c 的上述特点，本文研发的高频熔样机采用p l c 控制。 西门子s 7 2 0 0 系列p l c 具有极高的性价比，适用于各行各业，各种场合中 的检测、监测及控制的自动化。s 7 2 0 0 系列的强大功能使其无论在独立运行中， 或相连成网络皆能实现复杂控制功能。 s 7 2 0 0 系列具有鲜明的特点：1 极高的可靠性：2 极丰富的指令集；3 数据 安全性；4 易于掌握，操作便捷；5 丰富的内置集成功能；6 实时特性；7 强劲的 通讯能力；8 丰富的扩展模块。 所以，我们选用s 7 2 0 0 系列p l c 作为高频熔样机的控制器。 第3 章高频熔样机的三维结构设计 第3 章高频熔样机的三维结构设计 3 1 产品研发流程 c a d 环境下的产品设计可以提高产品开发效率，使设计师能通观全局，从 一开始就考虑到产品生命周期的各个环节，包括使用、维修、改进、报废等。各 种专业背景下的设计人员能同时参与，对产品的结构、质量、制造、成本、市场、 用户等性能做出综合评价，及时纠正设计中的问题，优化设计方案，将发现问题、 解决问题的工作都压缩到前期的设计阶段，减少实施过程中不必要的错误，缩短 产品开发的周期。进行计算机辅助设计要求企业内部建立设计、制造一体化信息 系统管理机制，创建相关设计人员的协同工作环境，建立合理的数据管理制度1 6 j 。 3 1 1 产品研发的过程 产品研发分为四个阶段。1 概念的提出，市场调研分析和产品定位。2 概念 设计和方案评价。3 方案设计和评价修改。4 制造生产和设计发布。具体流程开 发流程如图3 1 所示。 北京i l k 大学t 学硕士学位 圈习商 市场研究 i7 i ! ! ：竺! ：! i 可崮 i 性研究 i 7 l 兰兰掣 i 厂哥应 仿真模型 一1 l：= = ! 三：i vr _ 咂垂壹圈- 叫毽震嘉卜 图3 - 1 产品研发设计流程图 f i 9 3 - 1t h ef l o wc h a r to fp r o d u c td e v e l o p m e n td e s i g n 以上设计流程面向产品设计开发过程中与研发工程师相关的项目，我并未参 与以上所有任务，而是和其他专业人员共同协作完成。 1 8 第3 章高频熔样机的三维结构设计 3 1 2 计算机辅助产品建模 计算机辅助产品建模过程可概括为：1 建立基本体；2 增加形态特征( 对基 本体进行切割、叠加等操作) ；3 细节设计和调整；4 表面材质处理；5 产品场景 渲染；6 拆分零部件；7 结构设计和零件装配；8 设计评测和修改。 数字化模型一旦建立起来，就可以即时显示、修改、存储和传递，对外观方 案的评价和检测也可以在计算机中进行，同时，利用快速成型设备可以将设计数 据准确输出，保证设计的原汁原味。 产品建模的方法为：1 确定轮廓尺寸和零部件位置；2 选择合适的技术，合 适的三维制图软件；3 分析形体特征，确定表达方案；4 获取特征