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至中国科学仪器制造典范——中物院三项重大科学仪器专项掠影

服装知识发布时间:2021-10-06

中国科学仪器制造典范——中物院三项重大科学仪器专项掠影 中国科学仪器制造典范——中物院3项重大科学仪器专项掠影 时间:2016⑻⑴9 10:47:00 来源:

仪器信息网编辑特别走进中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,就4极质量分析器的 批量化制造 1探究竟,中物院6所所长王宝瑞等接待了仪器信息网编辑1行。同时,仪器信息网带回中物院承当的其他2项 国家重大科学仪器装备开发专项 的新进展 《高速小型复合份子泵的开发和利用》、《高精度惯性仪表校准检测装置研制及利用》。

仪器信息网讯 2011年,科技部、财政部启动 国家重大科学仪器装备开发专项 2016年4月,综合验收项目 《高精度4极质量分析器的工程化研制与利用》项目在京验收通过。仪器信息网编辑在项目验收评审会了解到,项目组为4极质量分析器研制与利用成功研发了零部件专用加工、装配、丈量、测试设备与装置,构成了工艺、工程化图纸和质量与可靠性保障方案,已具有了批量化制造能力。2016年5月,仪器信息网编辑特别走进中国工程物理研究院机械制造工艺研究所,就4极质量分析器的 批量化制造 1探究竟,中物院机械制造工艺研究所所长王宝瑞等接待了仪器信息网编辑1行。同时,是我们的核心竞争力仪器信息网带回中物院承当的其他2项 国家重大科学仪器装备开发专项 的新进展 《高速小型复合份子泵的开发和利用》、《高精度惯性仪表校准检测装置研制及利用》。

4极质谱历史可追溯到20世纪50年代,1953年Paul申请4极质量分析器的德国专利,并在50年代完成4极质量分析器的大部份奠基工作;1965年德国Varian MAT生产台商业4极质量分析器弹簧试验机使用标准质谱计,60年代末过渡到商业生产阶段。今天,4极质量分析器已被用于多种科学仪器,如3重4极质量分析器质谱仪、4极线性离子阱和包括4极质量分析器离子导引各种串连质谱仪等。这些仪器已被广泛利用于对化学和生物成份的质量分析,环境保护,食品安全等领域。

我国曾是世界较早研制4极质量分析器质谱计的国家之1,60年代初南京工学实时处理数字信号院曾研制4极质谱探漏仪,1965年北京分析仪器厂与清华大学合作研制出 ZHL-01型4极质量分析器质谱计。在随后的几10年,我国质谱人员1直致力于该仪器研发;但是,直到今天,每一年在中国市场出售的国产4极质量分析器质谱仪远低于100台。

从公然文献看到: 我国几近所有的传统的金属切削机床都没法把陶瓷件加工成超精密复杂形状的零件,̷̷我们分几批次在不同的生产单位分别试制了10余件陶瓷轴承,̷̷试制的4极质量分析器轴承件4个定位孔的形位公差也在0.20mm左右,而实际要求公差在 0.003mm之内,̷̷我们认为国内现有条件下,要求机械加工能保证4极质量分析器组件的精度不太现实,只能采取其它方法到达其精度要求。 北京某仪器公司的研究人员也尝试采取 基于慢走丝切割技术的双曲面4极质量分析器加工方法 ,金属杆整体先固定在陶瓷环上,再进行慢走丝加工,试图避开陶瓷环加工困难,但结果其实不理想。我们也注意到,国产4极质量分析器质谱仪在国内已开始销售多年,但是其核心部件 4极质量分析器基本全赖于进口。这也是制约国内国产4极质谱仪发展的重要缘由之1。为了解决该类仪器 空心化 问题,在2011年,《高精度4极质量分析器的工程化研制与利用项目》列入 国家重大科学仪器装备开发专项 。

4极质量分析器组件从纯机械结构上可以分为两个部份,4根极杆、两个陶瓷极座。极杆从形状上可以辨别为圆杆和双曲面杆;从极杆材料上分为金属、陶瓷。就圆杆而言,对GCMS通常所需的5微米以下的加工精度,现有中国加工精度完全能满足需求;对LCMS 所需2微米以下的精度要求,则是有点困难了。部份仪器企业拜托生产极杆的企业虽然可以满足4极质量分析器中的金属圆杆加工精度要求,加工个把不是问题,但要批量到达这个要求,则需要人机的结合。据了解,双曲面极杆先被使用,但是存在加工费用高昂的问题,后来逐步被圆杆获得了主流位置。对类似 LCMS使用的高性能4极质量分析器,通常需要采取陶瓷、石英等高硬度、低膨胀的材料,不锈钢、钼等高性能合金已没法满足要求。陶瓷、石英等高硬度材料的精密加工也是1个困难。据某些人士自行丈量,Sciex公司部份产品4极质量分析器整体精度大约在0.6微米~1.5微米之间。4极质量分析器质谱计的质量范围和大分辨率是基本的两个参数,这两个参数与5个基本参数相干:极杆长度、极杆上大供给电压、4极场半径、射频电压的频率和离子入射能量,4极质量分析器组件的精度可以说是在其中起决定性作用。虽然单根金属极杆加工难度不高,但是其加工的成品率是个问题;陶瓷极杆的加工、陶瓷座的加工要实现相匹配的精度,也是个困难;再者将极杆、陶瓷座装配到3微米的综合精度,并且满足不同用户环境下的使用要求,这个更是个困难。

突破陶瓷加工工艺、组件装配工艺,实现 4极质量分析器 中国制造

走进中物院机械制造工艺研究所,看见了排列整齐、型号众多的4极质量分析器组件样品:普通金属、钼金属镀金、陶瓷镀金4极质量分析器组件,固然也少不了现今热门的金属双曲面4极质量分析器。让人瞠目的,是按序排列的生产线、装配线、测试线,特别是走近1台台自主研发的专用机床装备,其中包括超精密车磨1体复合金刚石机床,实现金属杆磨削、陶瓷杆磨削、陶瓷镀金杆镀层车削等功能,该机床采取的自主研发静压主轴具有0.05微米的回转精度,加工的极杆圆度可达0.2微米-0.4微米,圆柱度小于1微米。

项目组介绍了围绕4极质量分析器研发和制造获得的成果,其中包括研制的4极质量分析器零件各类专用精密加工机床、丈量测试等装置;攻克了陶瓷镀金极杆导电镀复层的制备、超精密加工及精密电镀金等关键制造技术困难,成功研制出高精度陶瓷镀金极杆;研发了金属双曲面极杆的制造工艺;以表面镀金技术和工艺,提高了钼极杆抗氧化污染能力。项目规范定型了加工工艺,终构成了高精度、系列化、批量化零件制造能力。产品通过比对测试和异地测试,各项性能优良,得到用户的好评和信赖。同时,中物院机械制造工艺研究所建立了完全的4极质量分析器组件测试线。目前,已销售了上百套4极质量分析器分析器,并实现了出口。

中物院机械制造工艺研究所同时也是 国家重大科学仪器装备开发专项 《高速小型复合份子泵的开发和利用》项目的承当单位,中物院机械制造工艺研究所所长王宝瑞介绍到,份子泵项目预计将于今年完成验收,目前正处于可靠性实验期间。走进份子泵生产车间,在 复合份子泵可靠性摸底实验 的大横幅下, 1 字排开3个型号12台正高速运转的立式涡轮份子泵;固然也少不了看看各种高、大、上的机床等加工装备,和整齐的流水装配线。份子泵项目组介绍到,这是为了满足 国家重大科学仪器专项 有关可靠性指南的规定,正在进行复合份子泵可靠性指标平均无故障间隔时间为8000小时的摸底实验,排列的份子泵24小时不停机运行。王腐蚀问题较为严重宝瑞介绍到,基于重仪专项可靠性指南的要求,项目组在设计研发、原材料选择、制造加工等环节均引入 可靠性 概念,并分别进行了份子泵的大气冲击、振动、温湿度、高海拔等环境可靠性实验验证。为了保证顺利通太重仪专项可靠性指南相干要求,用流水装配线生产的产品进行整机MTBF 8000小时的可靠性摸底实验,3种份子泵样机已顺利通过第3方性能测试,抽速、紧缩比、极限压强等指标接近国外先进水平。份子泵额定转速为72000转/分钟,高转速可达90000转/分钟。

访问中物院进程中,我们也了解到,中物院承当了多项 国家重大科学仪器装备开发专项 ,中物院整体工程研究所承当的《高精度惯性仪表校准检测装置研制及利用》项目将于今年年底验收。高精度惯性仪表校准装置的名字比较晦涩,对非惯性仪器仪表领域的人来讲;但如果说这是1台高精度水平离心机,这就比较好理解了。高精度惯性导航在航空航天、国防科技、测绘导航等领域利用广泛,高精度惯性仪表校准检测装置是高精度惯性导航仪表的关键检测校准装备,惯性校准项目于2011年启动。惯性校准项目核心指标为大载荷10kg、相对标准不肯定度10⑹、稳态线加速度100g,这是1个比肩世界高水平的精密离心机研制项目。

作为我国科学实验用离心机研制的龙头单位, 中物院整体所同步于欧美于1960年代开始大型离心机研制工作,至今已研制交付各类离心机410余台;正在承当的离心机设计开发项目包括:国内容量大的土工离心机、国内指标先进的振动复合例行实验机、国内精度高的精密离心机和国内首台自主研制的高性能载人离心机等。整体所生产的离心机为我国多个型号战略、战术武器及战机部组件检测、定型提供了实验平台;为我国多个水利、交通工程建设提供工程设计验证平台。上世纪90年代,整体所已研制多台加速度相对不肯定度为1 10⑶的精密离心机。在惯性校准项目进行中,于2014年向重庆某用户单位交付加速度相对不肯定度为10⑷量级的精密离心机,经太长时间使用,用户反馈非常满意;到2016年5月,已有4台类似装备交付用户,产生了良好的经济效益。

站在离心机主机眼前,就1个感觉 大 。为了提供100g的加速度,离心机转盘直径达2.2m,由双向大承载高精度空气轴承支持,仅主机机械系统就重达7吨。为了实现加速度相对标准不肯定度10⑹的指标,离心机运转时,主轴回转误差必须控制在0.5微米之内,每圈时间差仅为1纳秒。站在离心机旁边,听着项目组成员详细介绍如何把10⑹这个指标分解为20多个影响因素进行了系统的研究分析,如,装备本身的制造、安装、丈量误差,地球引力、地脉动,空气温度、湿度,乃至月球引力、天体运行等影响参数相互关系等。其实,笔者这时候候正站在高精度惯性仪表校准检测装置上面 安装离心机的、直径16 米、重达1800吨的基座上;而1800吨的基座由几10组隔振器从横向和纵向两个方向进行支持;这1切,只是由于无人行走地面的稳定性大约在10⑸g左右,运行的离心机必须比地面更稳。项目组介绍,随项目的不断推动,在精密机电、轴承、精密丈量系统、微震动隔震系统和工艺、材料、装配方面获得了大量成果,并已产生1亿多产值。项目组介绍到,经过近1年的安装、测试,高精度惯性仪表校准检测装置各项指标均满足项目要求,弥补了我国大量程高精度惯性导航仪表装备检测校准的科学仪器领域空白,已准备好了迎接年底的国家验收。

3项国家重大科学仪器装备开发专项,综合考验中物院在超精密加工方面的硬实力,考察了其踏实认真的工作风格,复杂系统工程组织、实行的能力,期待尽早听见份子泵项目和惯性校准项目通过科技部综合验收的消息。科技部资源配置与管理司吴学梯副司长在《4极质量分析器研制与利用》项目验收评审会上表示:希望项目组作为科学仪器核心部件的研制方,要加强与国内外质谱仪器研制单位和生产企业紧密合作,不断提高相干产品的核心竞争力。另外,也希望国内研制和生产质谱仪器的单位和企业,要有使命感和责任感,齐心协力,支持国内质谱部件生产商不断完善和提高产品性能,共同为国产质谱研制事业贡献气力。为此,中物院正在准备建立相干的产业化团队,尽快实现项目成果的产业转化。随着4极杆中国制造的实现,相信1定有优秀的国产质谱企业站出来,进1步解决4极杆高精度射频电路等方面的困难,展现出企业优良的系统集成能力,为用户提供优秀的国产4极杆质谱仪。