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工业设计/产品设计 |
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创新的XYZ导螺杆自动机械装置 |
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作者：Al Presher |
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一种极具创新的XYZ导螺杆自动机械装置，具有能将运动控制子系统嵌入更小的机械覆盖区的设计，成为了加速科学实验采样分析系统的重要组成。这种新液体色谱分析系统中的运动控制子系统，使用一个导螺杆和两个花键轴导轨结合的形式。它通过利用花健轴导轨作为直线滑动机构以及在Z方向上的驱动器，能有效地处理液体样本从而节省空间。
液体色谱分析法的进展
Waters公司新的ACQUITY超高效液相色谱系统(UPLC)在分离科学领域开辟了新的范畴。这种系统使用1.7微米的粒子。与目前实验室所用的HPLC(使用更大粒子)相比，它能提高九倍以上的处理能力，三倍以上的常规敏感度，两倍的分辨率或峰值能力。
应用于Waters公司新ACQUITY液相色谱系统的更小的机械覆盖区需要在主单
元和可选择模块上使用更小的内部元件，而且可选择模块上有21 块附加样品盘。
UPLC工艺把样品分析时间从一分钟降低到最短十五秒。通过提供更高的分辨率，敏感度和速度，该公司说UPLC 能极大地提高生产力并为科学家们一次单独的实验操作提供更多信息。
设计挑战：更小的覆盖区
对研究这种新产品的工程师们来说，ACQUITY系统的性能当然是最优先考虑的课题，而同时他们也努力开发一种机械覆盖区更小的系统。更小的机械覆盖区设计将占用实验室平台上更小的空间，从而确保用户能在平台上更便利地放置其他各类模块。
一个导螺杆和两个花键轴导轨结合的方式为自动取样管理器提供
小型化和空间节省方法。
完成这个目标需要在主单元和可选择模块上使用更小的内部元件，在可选择模块上有21块附加样品盘。据一位在Waters UPLC工程项目担任主要工程师的 Ken Plant说， 最初创造所需部件的努力并没有达到预期的目的。
定制运动解决方案
为了设计新的机械装置，Plant与Kerk Motion共同生产一种样品管理器。这种管理器满足体积小的要求，生产速度更高并且符合UPLC概念所要求的性能。
当其他的销售商仍在销售非定制产品时，Kerk已可以提供客户定制并具适应性的产品
“当其他的销售商仍在销售非定制产品时，Kerk已可以提供客户定制并具适应性的产品，”Plant说， “Kerk 希望使他们的产品定制化以便能融和到我们的系统中。”
位于样品管理器内的运动子系统可以驱动一种XYZ机械装置，机械装置上的针头从各样品盘中吸取液体样品。ACQUITY臂结合一只1/4英寸导螺杆和两只特别定制的Kerk螺母，实现在X方向和Y方向上的运动。Z方向上的运动是通过两个花键轴和轴衬实现的。
空间节省方法
该系统的设计采用导螺杆和平行于导螺杆的两只键轴导轨，导螺杆中心置于两只键轴间，一轴沿着导螺杆轴向前进，同时在同一运动空间还需要两个Z轴方向的运动。设计中的关键是需要键轴导轨既能作为线型滑动装置又能作为在Z方向上的驱动装置。通过使用两只直线键轴，该设计可以驱动任何一只键轴或另一只来实现Z方向上运动。
“导轨起两个作用， 可以实现滑动，也可以在Z轴方向上驱动装配件。”一位在Kerk Motion项目中工作的应用工程师 Bob Hawkins说，“该系统能在盘装样品上定位；一旦定位到样品瓶上，它会用中空针刺穿瓶上端。”第二Z轴使用一吸管穿孔提取液体样品。要想实现穿孔，需要相对较高压力，而第二Z轴 (吸管提取流体样品) 就几乎不需要任何压力。
定制滑轮设计
另一个富有挑战的设计是键轴上的滑轮安排。在滑轮/滑块结合的轴承部分，滑轮壁厚仅有万分之一英寸，设计团队尝试过不同的方法，因为滑轮体积较小，所以就有对滑轮相对于键轴的同心性和接触方面的顾虑。 皮带与滑轮不接触的外端与轴承接触，当滑轮回来滑动时，位于滑轮的两边的轴承支撑滑轮支架。
“最初我们使用铝质滑轮，中心钻孔，压紧在复合键轴轴衬套上，”Hawkins说，“结果因为滑轮外壁太薄，不能使用传统嵌入法或其他方法加固两个元件。内部的衬套也会因有较大的扭矩而旋转。 我们实在提不出连接两个元件的可靠方法。不仅如此，铝质滑轮上的衬套， 尽管用TFE阳极表面电镀处理过，仍然不可避免会磨损。”
结果，这个设计团队选取了三百多种不锈材料，最后用303号不锈钢制成滑轮衬套，压紧于铸造出来的滑轮端，通过对滑轮进行铸造，加工，钻孔，并且将衬压紧在滑轮端。最终整个滑轮的长度不超过1.5英寸。
关注可靠性
由于空间的限制和所需要的功能，仅提供可行的设计还不够，还需要关注设计的可靠性。“特别是在实验室和医疗应用中，一切都要求体积更小，可靠性更高且成本更低廉。” Hawkins说，“我们在键轴上使用KerkoteTPE涂层来减少摩擦和磨损，这是该应用的关键。因为使用材料量少不允许大量磨损。任何键轴或衬套的磨损都可能造成旋转运动停止。”
DESIGN NEWS China(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(10/7/2006) |
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