多軸中子單色器姿態調整裝置的製作方法

2023-10-11 23:58:24

專利名稱：多軸中子單色器姿態調整裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於中子散射技術，具體涉及一種多軸中子單色器姿態調整裝置。
背景技術：
基於反應堆中子源的大多數中子散射譜儀都需要單色中子(具有固定波長或能量的中子)作探針，中子單色化過程一般由晶體單色器來完成。在中子入射孔道和出射孔道固定的情況下，單色器的位置和姿態對單色中子束流的強度及其分布有著非常重要的影響。為了引出高質量的單色中子束以滿足實驗需求，必須對單色器位置和姿態進行多自由度的精細調節，這就需要特定的裝置來實現該功能，即多軸中子單色器姿態調整裝置。目前相關的技術文獻均沒有公開類似裝置功能實現的具體技術細節。德國柏林中子散射中心E3譜儀的單色器姿態調整裝置，採用三個不同單色器轉換使用，換位臺位於最上層，採用旋轉換位的方式，其他調節裝置不詳。慕尼黑中子散射中心STRESS-SPEC譜儀預留了三個單色器位置，換位裝置採用上下移動的方式來實現，其他調節裝置不詳，該裝置缺點是需要較大的高度空間以完成移動換位的功能。

發明內容
本發明的目的在於針對中子散射譜儀高分辨的要求和輻射屏蔽的空間局限性，提供了一套精巧實用的多軸中子單色器姿態調整裝置。本發明的技術方案如下一種多軸中子單色器姿態調整裝置，包括機械臺體以及通過電纜與機械臺體相連接的控制系統，其中，所述的機械臺體包括設置在底盤上的旋轉臺，旋轉臺上設有平移調節器，在平移調節器上方設有傾斜調節器，傾斜調節器上設置單色器轉位轉臺，機械臺體的各運動機構帶動單色器進行多自由度的位置組合調節；所述的控制系統包括設有控制軟體的工控計算機以及通過驅動器對步進電機實現控制的電機控制單元。進一步，如上所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其中，所述的平移調節器由X 軸方向平移調節器和Y軸方向平移調節器組成，兩個平移調節器呈上下結構設置，平移調節方向相互垂直，均採用電機帶動絲槓的傳動方式在水平方向上運動；在X軸方向平移調節器和Y軸方向平移調節器的運動極限位置處分別設有電接近開關和機械限位裝置，電機軸上設有剎車制動器。進一步，如上所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其中，所述的傾斜調節器包括一個豎直設置的扇形蝸輪，由步進電機驅動的水平蝸杆與扇形蝸輪嚙合，單色器轉位轉臺固定在扇形蝸輪上方，在扇形蝸輪的轉動導軌上設有碼盤尺和相應的讀數頭；在傾斜調節器的轉動極限位置處分別設有電接近開關和機械限位裝置，傾斜調節器安裝臺的側面設有剎車制動器。進一步，如上所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其中，所述的單色器轉位轉臺包括由步進電機驅動的水平蝸杆以及與水平蝸杆相嚙合的水平蝸輪，單色器安裝平臺固定在水平蝸輪上；蝸杆軸的一端裝有旋轉編碼器作為位置傳感器，單色器安裝平臺上設有傳感器作為角位置精度標定，轉角極限位置處設有電接近開關和機械限位裝置。更進一步，如上所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其中，所述的單色器轉位轉臺的旋轉軸與設置在底盤上的旋轉臺的旋轉軸相互錯開，呈偏心結構布置。進一步，如上所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其中，所述的控制系統的工控計算機內設有用於接收機械臺體上各運動機構位置信號的傳感器細分計數接口模板，以及控制驅動信號的輸入輸出控制模板。本發明的有益效果如下(1)本發明集光機電和計算機控制技術為一體，通過軟體和硬體的配合遠程控制臺體，實現在特殊工作環境下，多軸高精度穩定運行；(2)該裝置結構緊湊精巧，實現了在整體有限的空間內五軸高精度運動軸的集成， 外形尺寸不超過0480 χ 430mm,布拉格角度轉動精度設置為0.005°，平移精度為O. 05mm， 傾斜調節臺和轉位轉臺精度分別為0.01°和0.05° ；(3)針對長期偏心承重QOKg)工作狀態，採用高精度斷電剎車制動器，保證高精度定位和穩定運行，裝置使用過程中需要對重約20Kg的單色器進行不斷的姿態調整，工作狀態絕大多數情況下處於斷電偏心承重狀態，採用特殊制動技術，保證斷電情況下的高精度定位；(4)系統通過軟硬體配合，實現自動故障監測和處理保護功能，實時監測各功能單元，一旦發生故障，即根據故障性質做出相應的處理，形成對轉臺的保護。


圖1為多軸中子單色器姿態調整裝置的基本組成示意圖；圖2為旋轉臺的結構示意圖；圖3為傾斜調節器的結構示意圖；圖4為轉位轉臺的結構示意圖；圖5為工控計算機系統基本硬體配置示意圖；圖6為調整裝置的一個控制迴路的控制原理示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明進行詳細的描述。中子單色器姿態調整裝置的功能主要是用來安放晶體單色器，並可以進行遠程控制單色器的旋轉、平移和傾斜，對單色器進行姿態調整以保證得到需要的單色中子。該裝置是一項集光機電和計算機控制技術為一體的五自由度運動設備，其設計難點是如何在有限的空間內實現多軸高精度運動軸的集成，並能在相對密閉的強輻射環境中，長期偏心承重下始終保證高精度定位和穩定運行。放置該裝置的空間局限性來源於輻射屏蔽的需求，從屏蔽角度來看，單色器屏蔽內部空間越小越好，但要保證為單色器和單色器臺的調整範圍留有充足空間。高精度的運動調整來源於譜儀的高分辨需求。中子散射實驗中不同研究對象需要使用不同的單色器，根據具體實驗樣品的特點選用不同的單色器。為了獲得不同的中子波長，還需要改變單色器的起飛角。
如圖1所示，多軸中子單色器姿態調整裝置包括機械臺體以及通過電纜9與機械臺體相連接的控制系統10，其中，所述的機械臺體包括設置在底盤1上的旋轉臺2，旋轉臺 2上設有平移調節器，平移調節器由X軸方向平移調節器3和Y軸方向平移調節器4組成， 兩個平移調節器呈上下結構設置，平移調節方向相互垂直；在y軸方向平移調節器4上方設有傾斜調節器5，傾斜調節器5上設置單色器轉位轉臺6，機械臺體的各運動機構帶動單色器7進行五自由度的位置組合調節(三個旋轉軸和兩個平移軸)。本實施例中單色器轉位轉臺6的旋轉軸與設置在底盤1上的旋轉臺2的旋轉軸相互錯開，呈偏心結構布置，因此， 在傾斜調節器5上設有相應的配重8。控制系統(電控櫃)10包括設有控制軟體的工控計算機以及通過驅動器對步進電機實現控制的電機控制單元。上述機械臺體的各個部件均為獨立部件，結構上保證各獨立部件上下安裝面的平行度，按規定的尺寸關係從下而上裝配在一起，滿足整體的水平度。Χ、γ軸方向平移調節器 3、4支承在旋轉臺2上，傾斜調節器5支承在Χ、Υ軸方向平移調節器3、4上，迴轉軸線在單色器晶面中心(轉位轉臺6檯面上方120mm，設計保證)，與Y軸平行(裝配時調節)。轉位轉臺6支承在傾斜調節器5上。旋轉臺2與傾斜調節器5裝配時基本共面，電氣調試時通過用戶單色器確定最終共面位置(由於傾斜調節器5可沿X、Y方向移動，所以調試時保證 X、Y軸方向平移調節器零位時傾斜調節器5和旋轉臺2共面)。旋轉臺2的底盤裝有水平調節機構與吊裝用的吊環。為了便於拆裝，旋轉臺2的基座上有電連接器支架，一頭與各調節器的電機、限位傳感器或編碼器連接，另一頭通過適當通道與電控櫃連接。各調節器的設計除了蝸杆副有自鎖能力外，傾斜調節器5與Y軸方向平移調節器4、X軸方向平移調節器 3在適當位置處裝有剎車制動器。下面詳細介紹各組分結構相關情況。單色器的底盤1尺寸約為048Oinm。與旋轉臺2的基座聯合裝有調平螺釘裝置， 調平螺釘裝置為三個頂絲、三個壓緊螺釘，待單色器整體固緊於大鼓後進行最終調平工作 (裝入屏蔽體空腔前預先基本調平)。旋轉臺2安裝臺面尺寸約為0350mm，軸係為精密機械軸承，驅動方式可以採用多種傳動模式。本實施例中驅動方式為步進電機經蝸輪副減速機構、行星輪減速機驅動，如圖 2所示，蝸杆11帶動蝸輪12將步進電機的軸向轉動轉化為蝸輪水平向的轉動，並經行星輪進一步減速。輸出軸上裝絕對式角編碼器。運動轉角為士 180°，工作極限位置處裝有電接近開關和機械限位裝置作為限位保護。為了保證整體裝置調平精度，安裝臺面必須與旋轉臺的軸線垂直。蝸杆減速機構考慮了消隙機構，可以將蝸輪做成兩片，其間用拉伸彈簧連接，有利於傳動平穩，保證位置精度。X、Y軸方向平移調節器3、4為兩個精密線性模組，互為垂直安裝。帶有伸縮護罩的精密線性模組作精化處理，以保證上下安裝面平行以及碼盤尺與相應的讀數頭的方便安裝。兩個平移調節器呈上下結構設置，平移調節方向相互垂直，均採用電機帶動絲槓的傳動方式在水平方向上運動，工作範圍士 15mm，限位運動範圍士20mm。絲槓由步進電機驅動，裝有適當的碼盤尺與相應的讀數頭，用於位置讀出。工作極限位置處裝有電接近開關和機械限位裝置作為限位保護。剎車制動器安裝於步進電機同軸上，電機斷電時制動。裝配時根據實際情況使X向的精密線性模組的軸線置於與單色器轉位轉臺6、傾斜調節器5聯合質心共面的位置，以便減少不利的幹擾力矩。傾斜調節器5由扇形圓弧面軌道支承於四點滾輪上，由四個斜面青銅塊調節預緊並組成軸向止推，迴轉中心距轉位轉臺6的臺面(單色器安裝面)上方120mm。如圖3所示，其結構包括一個豎直設置的扇形蝸輪13，由步進電機驅動的水平蝸杆14與扇形蝸輪13 嚙合，單色器轉位轉臺6固定在扇形蝸輪13上方，驅動方式為步進電機經蝸輪副減速機構驅動，減速比對0。工作轉角為士 10°，限位轉角為士 13°，為節省空間，蝸輪做成扇形。轉動導軌適當位置處裝有碼盤尺與相應的讀數頭，用於角位置讀出。工作極限位置處裝有電接近開關和機械限位裝置作為限位保護。蝸杆減速機構考慮了消隙機構，蝸杆座一端固定， 一端彈簧支承，可調節蝸輪和蝸杆的間隙，有利於傳動平穩，保證位置精度。剎車制動器裝於傾斜調節器5安裝臺的側面，電機斷電時制動。單色器轉位轉臺6安裝臺面尺寸約為0300mm,單色器裝於其上。軸係為精密機械軸承，如圖4所示，轉位轉臺包括由步進電機驅動的水平蝸杆15以及與水平蝸杆相嚙合的水平蝸輪16，單色器安裝平臺17固定在水平蝸輪16上，驅動方式為步進電機經蝸杆減速機構驅動，減速比100。蝸杆軸一端裝有旋轉編碼器作為位置傳感器。工作位置為0°及180°，工作位置處裝有傳感器作為角位置精度標定，轉角極限位置(電氣限位範圍-75° +255° )處裝有電接近開關和機械限位裝置作為限位保護。為了方便調平讀出， 檯面上裝有水準泡裝置。蝸杆減速機構考慮了消隙機構，可以將蝸輪做成兩片，其間用拉伸彈簧連接，這樣有利於傳動平穩，保證位置精度。控制系統是中子單色器臺最終實現功能和技術性能指標的重要組成部分。單色器臺的控制主要分為兩個部分，第一部分為工業控制計算機及其軟體，其主要完成單色器臺的各種控制操作、數據輸入輸出、各功能模塊的管理、故障自動監測和安全保護處理等功能；第二部分為步進電機的控制單元，主要是通過驅動器完成對步進電機的運動控制。系統方案的主要特點可以概括為1)採用工控PC計算機與功能模塊相結合的數字式控制結構，友好的人機圖形界面提供靈活、完善的操作方式並能顯示系統工作狀態；2)採用碼盤尺、旋轉編碼器、絕對式角度編碼器作為運動測量反饋元件；3)軟、硬體結合的多級故障檢測、處理措施，實現系統安全運行保護及分析診斷功能；4)計算機軟體基於WINDOWS作業系統，採用面向對象和模塊化設計相結合的編制方法，具有功能擴充能力。工控計算機是電控系統的主要部分，它完成單色器臺的各種控制操作、數據輸入輸出和各功能模塊的管理功能，軟硬體相結合完成單色器臺的故障自動監測和安全保護處理功能。控制計算機內搭載有位置傳感器細分計數接口模板、輸入輸出控制模板，與各運動機構、位置傳感器、電機驅動器一起構成控制系統，實現各機構的運動控制，並通過對控制計算機上的圖形化人機界面控制臺的操作實現單色器臺五大運動部件的分別單獨工作。單色器臺測控系統基於控制計算機的多級控制系統，採用模塊化配置，不同的電路模塊完成不同的功能。計算機控制系統基本硬體配置如圖5所示。傳感器細分計數接口模板用於接收位置傳感器發送的絕對、增量位置信號，並形成相應的位置編碼；輸入輸出控制模板用於接收零/限位傳感器及驅動器狀態信號，輸出對驅動器的控制信號；零/限位傳感器用於確定相應運動機構的基準位置和運動範圍的限制位置。控制軟體主要由人機界面及控制管理部件組成，主要功能是實現用戶界面輸入輸出管理；單色器臺運動控制功能管理；故障自動監測和安全保護處理功能管理。人機界面用來實現各種用戶輸入輸出管理，引導用戶對單色器臺進行各種操作控制。控制管理部件用來實現對單色器臺的各種運動控制功能管理及故障檢測、安全保護控制，將人機界面輸入的各種指令、參數進行分解、翻譯並下達到各個軸的驅動器中，同時將各個軸驅動器和傳感器返回的信息整理為用戶可見的信息。輸入管理包括控制指令的輸入和運動參數的輸入。控制指令包括軸選、歸零、停止、定位、點動等；運動參數各數據按設計要求範圍輸入。 輸出管理包括狀態指示燈、狀態顯示、數據顯示、數據保存幾個模塊。狀態指示燈設置三組指示燈，分別指示上下電、運行停止和故障狀態；狀態顯示當前的運動參數；數據顯示各運動軸的位置參數；數據保存模塊在軟體每次退出運行時，會把單色器臺所有軸的當前位置信息保存起來，以便下次使用。該軟體基於Microsoft Windows2000或Windows XP作業系統平臺，利用Microsoft Visual C開發完成。驅動電機和驅動控制器主要用來執行控制系統發出的命令，運動到指定的位置。 電機驅動器是驅動控制系統的重要組成部分。中子單色器臺中各運動軸均採用與各自步進電機配套的驅動控制器。通過採用屏蔽、隔離等電磁兼容性措施，使之既滿足步進電機驅動的要求，又保證電磁兼容性的要求。通過專用編程軟體實現的內部程序控制功能下載到驅動器的控制模塊後，經判斷輸入信號的狀態分別實現歸零、正向定位、反向定位、正向點動、 反向點動、正向限位、反向限位等，同時通過驅動器輸出信號的狀態判斷步進電機的工作狀態以及是否到達限位等。運動的測量與反饋是實現單色器臺運動控制的關鍵技術之一。單色器臺各軸高精度的定位都是建立在高精度的位置環控制基礎之上。各個位置傳感器實時測量運動部件的當前位置並反饋給控制計算機，運動時以設置的運動軌跡(驅動器規定)向目標位置運動， 以當前位置和目標位置的偏差為基礎修正並調節使其最終到達符合精度要求的目標位置， 到達目標位置後修正調節過程停止，必要時(最終位置發生變化)可定時啟動修正調節。中子單色器臺的控制由旋轉臺、X、Y軸方向平移調節器、傾斜調節器、轉位轉臺五個獨立的迴路組成，圖6表示了單迴路的原理框圖。為了可靠實現單色器臺的運動控制，單色器臺選用高解析度、高精度、寬速率範圍的旋轉編碼器作為單色器臺軸角運動的測量與反饋部件；選用光電式碼盤尺作為單色器臺直線運動的測量與反饋部件。編碼器及碼盤尺的信號經過集成數字讀數細分裝置處理後輸出具有方向特徵的正交信號，可形成位置脈衝計數，最終實現軸角及直線位置的測量和反饋。編碼器還具有基準標記信號，用於單色器臺轉角零位基準位置的確定。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬於本發明權利要求及其同等技術的範圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種多軸中子單色器姿態調整裝置，包括機械臺體以及通過電纜與機械臺體相連接的控制系統，其特徵在於所述的機械臺體包括設置在底盤(1)上的旋轉臺O)，旋轉臺上設有平移調節器(3、4)，在平移調節器(3、4)上方設有傾斜調節器(5)，傾斜調節器(5)上設置單色器轉位轉臺(6)，機械臺體的各運動機構帶動單色器(7)進行多自由度的位置組合調節；所述的控制系統(10)包括設有控制軟體的工控計算機以及通過驅動器對步進電機實現控制的電機控制單元。
2.如權利要求1所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其特徵在於所述的平移調節器由X軸方向平移調節器C3)和Y軸方向平移調節器(4)組成，兩個平移調節器呈上下結構設置，平移調節方向相互垂直，均採用電機帶動絲槓的傳動方式在水平方向上運動；在X 軸方向平移調節器⑶和Y軸方向平移調節器⑷的運動極限位置處分別設有電接近開關和機械限位裝置，電機軸上設有剎車制動器。
3.如權利要求1所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其特徵在於所述的傾斜調節器( 包括一個豎直設置的扇形蝸輪(13)，由步進電機驅動的水平蝸杆(14)與扇形蝸輪 (13)嚙合，單色器轉位轉臺固定在扇形蝸輪(1 上方，在扇形蝸輪的轉動導軌上設有碼盤尺和相應的讀數頭；在傾斜調節器的轉動極限位置處分別設有電接近開關和機械限位裝置，傾斜調節器安裝臺的側面設有剎車制動器。
4.如權利要求1所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其特徵在於所述的單色器轉位轉臺(6)包括由步進電機驅動的水平蝸杆(1 以及與水平蝸杆(1 相嚙合的水平蝸輪 (16)，單色器安裝平臺(17)固定在水平蝸輪(16)上；蝸杆軸的一端裝有旋轉編碼器作為位置傳感器，單色器安裝平臺上設有傳感器作為角位置精度標定，轉角極限位置處設有電接近開關和機械限位裝置。
5.如權利要求4所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其特徵在於所述的單色器轉位轉臺(6)的旋轉軸與設置在底盤上的旋轉臺O)的旋轉軸相互錯開，呈偏心結構布置。
6.如權利要求1-5中任意一項所述的多軸中子單色器姿態調整裝置，其特徵在於所述的控制系統(10)的工控計算機內設有用於接收機械臺體上各運動機構位置信號的傳感器細分計數接口模板，以及控制驅動信號的輸入輸出控制模板。
全文摘要
本發明屬於中子散射技術，具體涉及一種多軸中子單色器姿態調整裝置。該調整裝置包括機械臺體以及通過電纜與機械臺體相連接的控制系統，其中，所述的機械臺體包括設置在底盤上的旋轉臺，旋轉臺上設有平移調節器，在平移調節器上方設有傾斜調節器，傾斜調節器上設置單色器轉位轉臺，機械臺體的各運動機構帶動單色器進行多自由度的位置組合調節；所述的控制系統包括設有控制軟體的工控計算機以及通過驅動器對步進電機實現控制的電機控制單元。本發明集光機電和計算機控制技術為一體，可以對中子單色器進行五自由度的運動調節。
文檔編號G01T7/00GK102253405SQ20111017949
公開日2011年11月23日 申請日期2011年6月28日 優先權日2011年6月28日
發明者劉曉龍, 劉蘊韜, 吳展華, 孫凱, 張莉, 李天富, 李峻宏, 李眉娟, 李際周, 楊浩智, 梁峰, 焦學勝, 王子軍, 王洪立, 肖紅文, 胡瑞, 陳東風, 韓松柏, 高建波 申請人:中國原子能科學研究院