本发明涉及精密机械传动及控制技术领域，特别是涉及一种用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置。
背景技术：
有机碳(oc)和元素碳(ec)是pm2.5的重要成分，对其连续监测对于研究大气化学反应和污染物的源解析有重要意义。
碳质组分是大气气溶胶的重要组成成分，碳质组分包括有机碳(oc)、元素碳(ec)和少量碳酸盐(cc)。含盐颗粒物能通过直接、间接作用于辐射强迫，影响区域、全球气候变化。oc的光散射作用和ec的强吸光作用可不同程度地降低大气能见度；oc中还含有大量的致癌、致畸和致突变物质，严重影响人类生命健康安全。因此，科学、准确并且连续监测大气中的oc和ec的含量，对于研究碳颗粒物的形成机制，研究大气化学反应和污染物的源解析具有重要的意义。
离线有机碳/元素碳(oc/ec)分析仪是一款采用热光法测量原理、可以准确测定oc和ec的分析仪。现有技术中，美国sunset实验室的离线oc/ec分析仪采用自动进样，每批次最多18个样品。国产都是在线连续监测自动取样的有机碳/元素碳(oc/ec)分析仪，尚还没有成熟的离线有机碳/元素碳(oc/ec)分析仪。
由于测量的对象是空气，被取的样品是厚度0.9mm，直径8mm的石英膜。石英膜上采集的是受污染的空气，在抓取石英膜的过程中，既不能让样品膜变形，也不能让膜上采集的样品颗粒受到破坏，同时，附着污染源的样品石英膜会被送进900度的氧化炉进行氧化还原反应，因此，在高温、软、超薄及微小的条件下，如何实现对空气污染样品膜精确无误自动循环进样、出样，已成为本技术领域中亟待解决的技术问题。
技术实现要素：
为解决以上技术问题，本发明提供一种用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，实现对样品薄膜精准自动换样控制，节省人力，提高工作效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，包括工作平台、旋转平台、升降平台、换样平台、样品供给平台和控制系统，所述旋转平台、所述升降平台、所述换样平台和所述样品供给平台均与所述控制系统连接，所述工作平台包括平台底座、微调装置和样品托定位座，所述旋转平台、所述样品供给平台、所述微调装置和所述样品托定位座均安装于所述平台底座上，所述微调装置用于调节所述样品托定位座的位置，所述升降平台安装于所述旋转平台上，所述换样平台安装于所述升降平台上，所述样品供给平台包括多个样品托，所述换样平台用于抓取或放下所述样品托，所述升降平台用于驱动所述换样平台在竖直方向上往复运动，所述旋转平台用于驱动所述升降平台和所述换样平台旋转。
优选地，所述旋转平台包括旋转电机、滑台底座和两个光耦限位开关底座，所述旋转电机固定于所述平台底座上，所述滑台底座与所述旋转电机连接且设置于所述旋转电机上方，所述升降平台安装于所述滑台底座上，两个光耦限位开关底座固定于所述滑台底座一侧，且两个所述光耦限位开关底座设置于所述升降平台同一侧，一个所述光耦限位开关底座上安装有一个光耦限位开关，所述旋转电机和所述光耦限位开关均与所述控制系统连接。
优选地，所述升降平台包括步进电机、丝杠滑台和限位块，所述丝杠滑台沿竖直方向固定于所述滑台底座上，所述步进电机与所述丝杠滑台连接，所述步进电机用于驱动所述丝杠滑台的滑台运动，所述限位块固定于所述滑台的一侧，且所述限位块与所述光耦限位开关设置于同一侧，所述步进电机与所述控制系统连接，所述换样平台安装于所述滑台上。
优选地，所述换样平台包括换样电机、支撑臂、导向滑台和抓斗，所述支撑臂固定于所述滑台上，所述换样电机安装于所述支撑臂上端，所述换样电机与所述控制系统连接，所述抓斗包括连接块和沿周向均匀设置于所述连接块底部的多个棘爪片，各所述棘爪片的内壁上均设置有开合凸起，所述连接块固定于所述支撑臂下端，所述连接块上部设置有一个方形导向孔，所述导向滑台包括一体式连接的方形块和导向柱，所述导向滑台设置于所述抓斗内部，所述方形块与所述方形导向孔结构相匹配，所述换样电机穿过所述支撑臂与所述方形块连接，所述换样电机用于驱动所述导向滑台沿竖直方向往复运动，所述导向滑台能够通过与所述开合凸起接触使得所述抓斗在水平方向张开。
优选地，所述样品供给平台还包括伺服电机和转盘，所述伺服电机固定于所述平台底座上，所述转盘与所述伺服电机连接且设置于所述伺服电机上方，所述转盘上沿周向设置有多个样品托孔，所述样品托孔用于放置所述样品托。
优选地，所述控制系统包括控制电路板以及分别与所述控制电路板连接的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，所述旋转电机上安装有所述第一编码器，所述第一驱动器与所述旋转电机连接，所述步进电机上安装有所述第二编码器，所述第二驱动器与所述步进电机连接，所述换样电机上安装有所述第三编码器，所述第三驱动器与所述换样电机连接，所述伺服电机上安装有所述第四编码器，所述第四驱动器与所述伺服电机连接，所述光耦限位开关与所述控制电路板连接。
优选地，所述样品托孔和所述样品托均为倒锥形，所述样品托与所述样品托孔结构相匹配。
优选地，各所述棘爪片内壁的底部均设置有倾斜凸起，所述倾斜凸起的倾角与所述样品托的倾角一致。
优选地，所述微调装置包括两个顶杆螺栓，所述平台底座包括基座和设置于所述基座上部的凸台，所述旋转平台和所述样品供给平台安装于所述基座上，所述凸台上设置有定位座槽，所述样品托定位座设置于定位座槽中，两个所述顶杆螺栓分别设置于所述凸台两侧，两个所述顶杆螺栓均伸至所述定位座槽中且能够与所述样品托定位座接触。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
本发明提供的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，旋转平台、升降平台、换样平台和样品供给平台均与控制系统连接，工作平台包括平台底座、微调装置和样品托定位座，微调装置用于调节样品托定位座的位置，换样平台用于抓取或放下样品托，升降平台用于驱动换样平台在竖直方向上往复运动，旋转平台用于驱动升降平台和换样平台在供给点和进样点之间来回旋转，控制系统能够控制旋转平台、升降平台、换样平台和样品供给平台协调运动，并按设定的时间到达指定的位置，由此实现自动将装有样品薄膜的样品托由样品供给平台移动至进样点，在很小的空间内实现对样品薄膜精准自动换样控制，具有安装简易、容易拆卸、操作简单、时间精准同步、位移精准、全自动化、节省人力等优点，适用于高温、近乎静态环境、超薄且软的条件的自动化控制的离线有机碳/元素碳(oc/ec)分析仪联用使用条件。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置的立体结构示意图；
图2为本发明提供的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置的正视图；
图3为本发明提供的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置的俯视图；
图4为本发明中旋转平台和升降平台的局部放大图；
图5为本发明中抓斗的结构示意图；
图6为本发明中抓斗的剖视图；
图7为本发明中导向滑台的结构示意图；
图8为本发明中样品托的结构示意图；
图9为本发明提供的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置的工作流程图。
附图标记说明：1、平台底座；2、微调装置；3、样品托定位座；4、旋转电机；5、滑台底座；6、光耦限位开关底座；7、限位块；8、丝杠滑台；9、光耦限位开关；10、步进电机；11、换样电机；12、支撑臂；13、导向滑台；131、方形块；132、导向柱；14、抓斗；141、连接块；142、棘爪片；143、方形导向孔；144、开闭凸起；145、倾斜凸起；15、伺服电机；16、转盘16；17、样品托。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，实现对样品薄膜精准自动换样控制，节省人力，提高工作效率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-4所示，本实施例提供一种用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，包括工作平台、旋转平台、升降平台、换样平台、样品供给平台和控制系统，旋转平台、升降平台、换样平台和样品供给平台均与控制系统连接，工作平台包括平台底座1、微调装置2和样品托定位座3，旋转平台、样品供给平台、微调装置2和样品托定位座3均安装于平台底座1上，微调装置2用于调节样品托定位座3的位置，工作平台上微调装置2用于旋转位置的微调校正，升降平台安装于旋转平台上，换样平台安装于升降平台上，样品供给平台包括多个样品托17，换样平台用于抓取或放下样品托17，升降平台用于驱动换样平台在竖直方向上往复运动，旋转平台用于驱动升降平台和换样平台在供给点和进样点之间来回旋转。控制系统能够控制旋转平台、升降平台、换样平台和样品供给平台协调运动，并按设定的时间到达指定的位置，由此实现自动将装有样品薄膜的样品托17由样品供给平台移动至进样点，在很小的空间内实现对样品薄膜精准自动换样控制，具有安装简易、容易拆卸、操作简单、时间精准同步、位移精准、全自动化、节省人力等优点，适用于高温、近乎静态环境、超薄且软的条件的自动化控制的离线有机碳/元素碳(oc/ec)分析仪联用使用条件。具体地，关于各个平台的精度等级设计，五个平台的系统总误差设计计算必须精确计算与控制。
旋转平台包括旋转电机4、滑台底座5和两个光耦限位开关底座6，旋转电机4固定于平台底座1上，滑台底座5与旋转电机4连接且设置于旋转电机4上方，升降平台安装于滑台底座5上，两个光耦限位开关底座6固定于滑台底座5一侧，且两个光耦限位开关底座6设置于升降平台同一侧，一个光耦限位开关底座6上安装有一个光耦限位开关9，一个光耦限位开关9位于另一个光耦限位开关9的正上方，旋转电机4和光耦限位开关9均与控制系统连接。具体地。旋转电机4的固定端通过螺栓固定在平台底座1，滑台底座5通过9个定位螺钉固定在旋转电机4的旋转端上，旋转电机4能够驱动滑台底座5和升降平台沿水平方向旋转一定的角度。
升降平台包括步进电机10、丝杠滑台8和限位块7，丝杠滑台8沿竖直方向固定于滑台底座5上，步进电机10与丝杠滑台8连接，步进电机10设置于所述丝杠滑台8下方，步进电机10用于驱动丝杠滑台8的滑台运动，限位块7固定于滑台的一侧，且限位块7与光耦限位开关9设置于同一侧，步进电机10与控制系统连接，换样平台安装于滑台上。限位块7与两个光耦限位开关9配合来限制滑台上升和下降的位置，具体地，当限位块7触碰到任一光耦限位开关9时，信号传递至控制系统，控制系统控制步进电机10停止运动，进而实现滑台上升和下降位置的限制。
换样平台包括换样电机11、支撑臂12、导向滑台13和抓斗14，支撑臂12固定于滑台上，换样电机11安装于支撑臂12上端，换样电机11与控制系统连接，如图5-6所示，抓斗14包括连接块141和沿周向均匀设置于连接块141底部的多个棘爪片142，具体地，抓斗14下部为圆柱状，将抓斗14下部的圆柱段加工成厚度0.5-1mm薄片，且沿圆周均布切开12个孔，使得抓斗14下部形成12个棘爪片142。各棘爪片142的内壁上均设置有开合凸起，连接块141通过螺栓固定于支撑臂12下端，连接块141上部设置有一个方形导向孔143，如图7所示，导向滑台13包括一体式连接的方形块131和导向柱132，导向滑台13设置于抓斗14内部，方形块131与方形导向孔143结构相匹配，换样电机11穿过支撑臂12与方形块131连接，换样电机11用于驱动导向滑台13沿竖直方向往复运动，导向滑台13能够通过与开合凸起接触使得抓斗14在水平方向张开固定幅度，开闭凸起144的高度和距离棘爪片142底部的长度是关联的，直接决定棘爪片142张开的幅度，可根据实际需求设置。具体地，开闭凸起144为矩形凸起、三角形凸起或者梯形凸起。通过在抓斗14上部设置方形导向孔143、抓斗14的内壁设置开闭凸起144以及抓斗14的内壁底部设置倾斜凸起145，不仅能起到对导向滑台13的导向及限位的作用，同时还能精准控制抓斗14的开合幅度大小，从而能自由的抓取和放下样品托17。
工作时，取样系统结束和启动前，换样平台的抓斗14都处在初始位置(绝对安全位置)，换样开始时，旋转平台和升降平台同时或者先后启动，当旋转到样品供给平台供给点位正上方设定的位置时，换样电机11同步启动，换样电机11带动导向滑台13精准的位移，配合抓斗14巧妙的结构设计，进而控制抓斗14的开合，从而实现对装有样品的样品托17抓起来和放下去的动作设计。抓斗14从样品供给平台供给点位上抓取一个样品，通过控制系统控制升降平台、旋转平台和换样平台把样品托17精准放到进样点，即样品托定位座3上，在此过程中，可以通过微调装置2调整样品托定位座3的位置使其与抓斗14对准，升降平台升起到固定位置等待。等待样品检测完成后，通过控制系统控制升降平台、换样平台和旋转平台把检测完的样品放回原位，形成一个完整周期。
样品供给平台还包括伺服电机15和转盘16，伺服电机15固定于平台底座1上，转盘16与伺服电机15连接且设置于伺服电机15上方，转盘16上沿周向设置有多个样品托孔，样品托孔用于放置样品托17。具体地，伺服电机15的固定端通过螺栓固定在平台底座1，转盘16通过多个定位螺钉固定在伺服电机15的旋转端上。于本具体实施例中，样品托孔和样品托17均设置为24个。样品托17材质必须能承受1000度以上高温，具体地，本实施例中的样品托17为耐高温的刚玉样品托，24个样品托孔在圆周上均匀分布的加工误差必须严格控制在一定范围内。
如图8所示，样品托孔和样品托17均为倒锥形，样品托17与样品托孔结构相匹配，使得样品托17便于准确导向入位及抓取。各棘爪片142内壁的底部均设置有倾斜凸起145，倾斜凸起145的倾角与样品托17的倾角一致，不仅可以增大棘爪片142与样品托17的接触面积，增大摩擦力，还可以分解样品托17的重力，减轻棘爪片142的承重。于本具体实施例中，倾斜凸起145为三角形凸起或梯形凸起。
具体地，控制系统包括控制电路板以及分别与控制电路板连接的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，旋转电机4上安装有第一编码器，第一驱动器与旋转电机4连接，步进电机10上安装有第二编码器，第二驱动器与步进电机10连接，换样电机11上安装有第三编码器，第三驱动器与换样电机11连接，伺服电机15上安装有第四编码器，第四驱动器与伺服电机15连接，光耦限位开关9与控制电路板连接。控制系统通过以上四个高精度的编码器、四个驱动器以及设计的时序指令，配合光耦限位开关9，控制旋转平台的旋转电机4、升降平台的步进电机10、换样平台的换样电机11和样品供给平台的伺服电机15这四个电机的联动，使得四个电机能够准确无误的完成指定动作和位移并到达特定的供给点和进样点位，以确保换样装置能精确的完成指定动作。
微调装置2包括两个顶杆螺栓，平台底座1包括基座和设置于基座上部的凸台，旋转平台和样品供给平台安装于基座上，凸台上设置有定位座槽，样品托定位座3设置于定位座槽中，两个顶杆螺栓分别设置于凸台两侧，两个顶杆螺栓均伸至定位座槽中且能够与样品托定位座3接触，通过拧动顶杆螺栓来调节样品托定位座3在凸台上的位置。
具体使用过程为：如图9所示，将24个石英膜样品放入样品托17中，样品托17放入转盘16中，启动控制系统，控制系统控制旋转电机4使得换样平台转动到转盘16设定的固定的供给点正上方，步进电机10同步或者先后启动，与此同时，换样电机11正转，导向滑台13向下运动顶到抓斗14内壁的开闭凸台，抓斗14张开，当抓斗14底面降到距离样品托17上表面固定处时，步进电机10停止，换样电机11反转，抓斗14的12个棘爪片142闭合，抓住样品托17，然后步进电机10启动并驱动滑台上升，旋转电机4同步或者先后启动，将样品托17转移到进样点即样品托定位座3正上方，然后步进电机10驱动滑台下降，样品托17下降到进样点正上方固定处时，换样电机11同步启动，样品托17进入进样点时，抓斗14也完全张开，然后步进电机10驱动安装于滑台上的换样平台上升到进样点正上方待命，等待样品进入检测系统，待检测完出来，步进电机10驱动安装于滑台上的换样平台下降到样品托17处，换样平台启动抓住样品托17，步进电机10与旋转电机4同步或者先后启动，将样品托17转移到转盘16供给点正上方，步进电机10驱动换样平台下降至转盘16上方固定处，换样电机11启动，当样品托17准确进入转盘16供给点时，抓斗14也已经完全张开，进而实现将检测完的样品放回原位，形成一个完整周期。随后步进电机10驱动换样平台升起到一定高度，下一个未检测的样品托17在伺服电机15的驱动下进入供给点，进入下一个换样程序，如此循环24次，完成一轮24次样品的自动检测，检测完抓斗14归回初始位置(绝对安全位置)。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
1.一种用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，包括工作平台、旋转平台、升降平台、换样平台、样品供给平台和控制系统，所述旋转平台、所述升降平台、所述换样平台和所述样品供给平台均与所述控制系统连接，所述工作平台包括平台底座、微调装置和样品托定位座，所述旋转平台、所述样品供给平台、所述微调装置和所述样品托定位座均安装于所述平台底座上，所述微调装置用于调节所述样品托定位座的位置，所述升降平台安装于所述旋转平台上，所述换样平台安装于所述升降平台上，所述样品供给平台包括多个样品托，所述换样平台用于抓取或放下所述样品托，所述升降平台用于驱动所述换样平台在竖直方向上往复运动，所述旋转平台用于驱动所述升降平台和所述换样平台旋转。
2.根据权利要求1所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，所述旋转平台包括旋转电机、滑台底座和两个光耦限位开关底座，所述旋转电机固定于所述平台底座上，所述滑台底座与所述旋转电机连接且设置于所述旋转电机上方，所述升降平台安装于所述滑台底座上，两个光耦限位开关底座固定于所述滑台底座一侧，且两个所述光耦限位开关底座设置于所述升降平台同一侧，一个所述光耦限位开关底座上安装有一个光耦限位开关，所述旋转电机和所述光耦限位开关均与所述控制系统连接。
3.根据权利要求2所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，所述升降平台包括步进电机、丝杠滑台和限位块，所述丝杠滑台沿竖直方向固定于所述滑台底座上，所述步进电机与所述丝杠滑台连接，所述步进电机用于驱动所述丝杠滑台的滑台运动，所述限位块固定于所述滑台的一侧，且所述限位块与所述光耦限位开关设置于同一侧，所述步进电机与所述控制系统连接，所述换样平台安装于所述滑台上。
4.根据权利要求3所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，所述换样平台包括换样电机、支撑臂、导向滑台和抓斗，所述支撑臂固定于所述滑台上，所述换样电机安装于所述支撑臂上端，所述换样电机与所述控制系统连接，所述抓斗包括连接块和沿周向均匀设置于所述连接块底部的多个棘爪片，各所述棘爪片的内壁上均设置有开合凸起，所述连接块固定于所述支撑臂下端，所述连接块上部设置有一个方形导向孔，所述导向滑台包括一体式连接的方形块和导向柱，所述导向滑台设置于所述抓斗内部，所述方形块与所述方形导向孔结构相匹配，所述换样电机穿过所述支撑臂与所述方形块连接，所述换样电机用于驱动所述导向滑台沿竖直方向往复运动，所述导向滑台能够通过与所述开合凸起接触使得所述抓斗在水平方向张开。
5.根据权利要求4所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，所述样品供给平台还包括伺服电机和转盘，所述伺服电机固定于所述平台底座上，所述转盘与所述伺服电机连接且设置于所述伺服电机上方，所述转盘上沿周向设置有多个样品托孔，所述样品托孔用于放置所述样品托。
6.根据权利要求5所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，所述控制系统包括控制电路板以及分别与所述控制电路板连接的第一编码器、第二编码器、第三编码器、第四编码器、第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器，所述旋转电机上安装有所述第一编码器，所述第一驱动器与所述旋转电机连接，所述步进电机上安装有所述第二编码器，所述第二驱动器与所述步进电机连接，所述换样电机上安装有所述第三编码器，所述第三驱动器与所述换样电机连接，所述伺服电机上安装有所述第四编码器，所述第四驱动器与所述伺服电机连接，所述光耦限位开关与所述控制电路板连接。
7.根据权利要求5所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，所述样品托孔和所述样品托均为倒锥形，所述样品托与所述样品托孔结构相匹配。
8.根据权利要求7所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，各所述棘爪片内壁的底部均设置有倾斜凸起，所述倾斜凸起的倾角与所述样品托的倾角一致。
9.根据权利要求1所述的用于离线有机碳元素碳分析仪上的自动换样装置，其特征在于，所述微调装置包括两个顶杆螺栓，所述平台底座包括基座和设置于所述基座上部的凸台，所述旋转平台和所述样品供给平台安装于所述基座上，所述凸台上设置有定位座槽，所述样品托定位座设置于定位座槽中，两个所述顶杆螺栓分别设置于所述凸台两侧，两个所述顶杆螺栓均伸至所述定位座槽中且能够与所述样品托定位座接触。
技术总结