CN102253405B

CN102253405B - 多轴中子单色器姿态调整装置

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Publication number: CN102253405B
Application number: CN201110179496.XA
Authority: CN
Inventors: 高建波; 李峻宏; 刘晓龙; 李际周; 陈东风; 刘蕴韬; 王洪立; 孙凯; 肖红文; 韩松柏; 李眉娟; 张莉; 吴展华; 李天富; 焦学胜; 梁峰; 杨浩智; 王子军; 胡瑞
Original assignee: China Institute of Atomic of Energy
Current assignee: China Institute of Atomic of Energy
Priority date: 2011-06-28
Filing date: 2011-06-28
Publication date: 2014-01-08
Anticipated expiration: 2031-06-28
Also published as: CN102253405A

Abstract

本发明属于中子散射技术，具体涉及一种多轴中子单色器姿态调整装置。该调整装置包括机械台体以及通过电缆与机械台体相连接的控制系统，其中，所述的机械台体包括设置在底盘上的旋转台，旋转台上设有平移调节器，在平移调节器上方设有倾斜调节器，倾斜调节器上设置单色器转位转台，机械台体的各运动机构带动单色器进行多自由度的位置组合调节；所述的控制系统包括设有控制软件的工控计算机以及通过驱动器对步进电机实现控制的电机控制单元。本发明集光机电和计算机控制技术为一体，可以对中子单色器进行五自由度的运动调节。

Description

多轴中子单色器姿态调整装置

技术领域

本发明属于中子散射技术，具体涉及一种多轴中子单色器姿态调整装置。

背景技术

基于反应堆中子源的大多数中子散射谱仪都需要单色中子(具有固定波长或能量的中子)作探针，中子单色化过程一般由晶体单色器来完成。在中子入射孔道和出射孔道固定的情况下，单色器的位置和姿态对单色中子束流的强度及其分布有着非常重要的影响。为了引出高质量的单色中子束以满足实验需求，必须对单色器位置和姿态进行多自由度的精细调节，这就需要特定的装置来实现该功能，即多轴中子单色器姿态调整装置。

目前相关的技术文献均没有公开类似装置功能实现的具体技术细节。德国柏林中子散射中心E3谱仪的单色器姿态调整装置，采用三个不同单色器转换使用，换位台位于最上层，采用旋转换位的方式，其他调节装置不详。慕尼黑中子散射中心STRESS-SPEC谱仪预留了三个单色器位置，换位装置采用上下移动的方式来实现，其他调节装置不详，该装置缺点是需要较大的高度空间以完成移动换位的功能。

发明内容

本发明的目的在于针对中子散射谱仪高分辨的要求和辐射屏蔽的空间局限性，提供了一套精巧实用的多轴中子单色器姿态调整装置。

本发明的技术方案如下：一种多轴中子单色器姿态调整装置，包括机械台体以及通过电缆与机械台体相连接的控制系统，其中，所述的机械台体包括设置在底盘上的旋转台，旋转台上设有平移调节器，在平移调节器上方设有倾斜调节器，倾斜调节器上设置单色器转位转台，机械台体的各运动机构带动单色器进行多自由度的位置组合调节；所述的控制系统包括设有控制软件的工控计算机以及通过驱动器对步进电机实现控制的电机控制单元。

进一步，如上所述的多轴中子单色器姿态调整装置，其中，所述的平移调节器由X轴方向平移调节器和Y轴方向平移调节器组成，两个平移调节器呈上下结构设置，平移调节方向相互垂直，均采用电机带动丝杠的传动方式在水平方向上运动；在X轴方向平移调节器和Y轴方向平移调节器的运动极限位置处分别设有电接近开关和机械限位装置，电机轴上设有刹车制动器。

进一步，如上所述的多轴中子单色器姿态调整装置，其中，所述的倾斜调节器包括一个竖直设置的扇形蜗轮，由步进电机驱动的水平蜗杆与扇形蜗轮啮合，单色器转位转台固定在扇形蜗轮上方，在扇形蜗轮的转动导轨上设有码盘尺和相应的读数头；在倾斜调节器的转动极限位置处分别设有电接近开关和机械限位装置，倾斜调节器安装台的侧面设有刹车制动器。

进一步，如上所述的多轴中子单色器姿态调整装置，其中，所述的单色器转位转台包括由步进电机驱动的水平蜗杆以及与水平蜗杆相啮合的水平蜗轮，单色器安装平台固定在水平蜗轮上；蜗杆轴的一端装有旋转编码器作为位置传感器，单色器安装平台上设有传感器作为角位置精度标定，转角极限位置处设有电接近开关和机械限位装置。

更进一步，如上所述的多轴中子单色器姿态调整装置，其中，所述的单色器转位转台的旋转轴与设置在底盘上的旋转台的旋转轴相互错开，呈偏心结构布置。

进一步，如上所述的多轴中子单色器姿态调整装置，其中，所述的控制系统的工控计算机内设有用于接收机械台体上各运动机构位置信号的传感器细分计数接口模板，以及控制驱动信号的输入输出控制模板。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明集光机电和计算机控制技术为一体，通过软件和硬件的配合远程控制台体，实现在特殊工作环境下，多轴高精度稳定运行；

(2)该装置结构紧凑精巧，实现了在整体有限的空间内五轴高精度运动轴的集成，外形尺寸不超过

布拉格角度转动精度设置为0.005°，平移精度为0.05mm，倾斜调节台和转位转台精度分别为0.01°和0.05°；

(3)针对长期偏心承重(20Kg)工作状态，采用高精度断电刹车制动器，保证高精度定位和稳定运行，装置使用过程中需要对重约20Kg的单色器进行不断的姿态调整，工作状态绝大多数情况下处于断电偏心承重状态，采用特殊制动技术，保证断电情况下的高精度定位；

(4)系统通过软硬件配合，实现自动故障监测和处理保护功能，实时监测各功能单元，一旦发生故障，即根据故障性质做出相应的处理，形成对转台的保护。

附图说明

图1为多轴中子单色器姿态调整装置的基本组成示意图；

图2为旋转台的结构示意图；

图3为倾斜调节器的结构示意图；

图4为转位转台的结构示意图；

图5为工控计算机系统基本硬件配置示意图；

图6为调整装置的一个控制回路的控制原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

中子单色器姿态调整装置的功能主要是用来安放晶体单色器，并可以进行远程控制单色器的旋转、平移和倾斜，对单色器进行姿态调整以保证得到需要的单色中子。该装置是一项集光机电和计算机控制技术为一体的五自由度运动设备，其设计难点是如何在有限的空间内实现多轴高精度运动轴的集成，并能在相对密闭的强辐射环境中，长期偏心承重下始终保证高精度定位和稳定运行。放置该装置的空间局限性来源于辐射屏蔽的需求，从屏蔽角度来看，单色器屏蔽内部空间越小越好，但要保证为单色器和单色器台的调整范围留有充足空间。高精度的运动调整来源于谱仪的高分辨需求。中子散射实验中不同研究对象需要使用不同的单色器，根据具体实验样品的特点选用不同的单色器。为了获得不同的中子波长，还需要改变单色器的起飞角。

如图1所示，多轴中子单色器姿态调整装置包括机械台体以及通过电缆9与机械台体相连接的控制系统10，其中，所述的机械台体包括设置在底盘1上的旋转台2，旋转台2上设有平移调节器，平移调节器由X轴方向平移调节器3和Y轴方向平移调节器4组成，两个平移调节器呈上下结构设置，平移调节方向相互垂直；在y轴方向平移调节器4上方设有倾斜调节器5，倾斜调节器5上设置单色器转位转台6，机械台体的各运动机构带动单色器7进行五自由度的位置组合调节(三个旋转轴和两个平移轴)。本实施例中单色器转位转台6的旋转轴与设置在底盘1上的旋转台2的旋转轴相互错开，呈偏心结构布置，因此，在倾斜调节器5上设有相应的配重8。控制系统(电控柜)10包括设有控制软件的工控计算机以及通过驱动器对步进电机实现控制的电机控制单元。

上述机械台体的各个部件均为独立部件，结构上保证各独立部件上下安装面的平行度，按规定的尺寸关系从下而上装配在一起，满足整体的水平度。X、Y轴方向平移调节器3、4支承在旋转台2上，倾斜调节器5支承在X、Y轴方向平移调节器3、4上，回转轴线在单色器晶面中心(转位转台6台面上方120mm，设计保证)，与Y轴平行(装配时调节)。转位转台6支承在倾斜调节器5上。旋转台2与倾斜调节器5装配时基本共面，电气调试时通过用户单色器确定最终共面位置(由于倾斜调节器5可沿X、Y方向移动，所以调试时保证X、Y轴方向平移调节器零位时倾斜调节器5和旋转台2共面)。旋转台2的底盘装有水平调节机构与吊装用的吊环。为了便于拆装，旋转台2的基座上有电连接器支架，一头与各调节器的电机、限位传感器或编码器连接，另一头通过适当通道与电控柜连接。各调节器的设计除了蜗杆副有自锁能力外，倾斜调节器5与Y轴方向平移调节器4、X轴方向平移调节器3在适当位置处装有刹车制动器。下面详细介绍各组分结构相关情况。

单色器的底盘1尺寸约为

与旋转台2的基座联合装有调平螺钉装置，调平螺钉装置为三个顶丝、三个压紧螺钉，待单色器整体固紧于大鼓后进行最终调平工作(装入屏蔽体空腔前预先基本调平)。

旋转台2安装台面尺寸约为

轴系为精密机械轴承，驱动方式可以采用多种传动模式。本实施例中驱动方式为步进电机经蜗轮副减速机构、行星轮减速机驱动，如图2所示，蜗杆11带动蜗轮12将步进电机的轴向转动转化为蜗轮水平向的转动，并经行星轮进一步减速。输出轴上装绝对式角编码器。运动转角为±180°，工作极限位置处装有电接近开关和机械限位装置作为限位保护。为了保证整体装置调平精度，安装台面必须与旋转台的轴线垂直。蜗杆减速机构考虑了消隙机构，可以将蜗轮做成两片，其间用拉伸弹簧连接，有利于传动平稳，保证位置精度。

X、Y轴方向平移调节器3、4为两个精密线性模组，互为垂直安装。带有伸缩护罩的精密线性模组作精化处理，以保证上下安装面平行以及码盘尺与相应的读数头的方便安装。两个平移调节器呈上下结构设置，平移调节方向相互垂直，均采用电机带动丝杠的传动方式在水平方向上运动，工作范围±15mm，限位运动范围±20mm。丝杠由步进电机驱动，装有适当的码盘尺与相应的读数头，用于位置读出。工作极限位置处装有电接近开关和机械限位装置作为限位保护。刹车制动器安装于步进电机同轴上，电机断电时制动。装配时根据实际情况使X向的精密线性模组的轴线置于与单色器转位转台6、倾斜调节器5联合质心共面的位置，以便减少不利的干扰力矩。

倾斜调节器5由扇形圆弧面轨道支承于四点滚轮上，由四个斜面青铜块调节预紧并组成轴向止推，回转中心距转位转台6的台面(单色器安装面)上方120mm。如图3所示，其结构包括一个竖直设置的扇形蜗轮13，由步进电机驱动的水平蜗杆14与扇形蜗轮13啮合，单色器转位转台6固定在扇形蜗轮13上方，驱动方式为步进电机经蜗轮副减速机构驱动，减速比240。工作转角为±10°，限位转角为±13°，为节省空间，蜗轮做成扇形。转动导轨适当位置处装有码盘尺与相应的读数头，用于角位置读出。工作极限位置处装有电接近开关和机械限位装置作为限位保护。蜗杆减速机构考虑了消隙机构，蜗杆座一端固定，一端弹簧支承，可调节蜗轮和蜗杆的间隙，有利于传动平稳，保证位置精度。刹车制动器装于倾斜调节器5安装台的侧面，电机断电时制动。

单色器转位转台6安装台面尺寸约为

单色器装于其上。轴系为精密机械轴承，如图4所示，转位转台包括由步进电机驱动的水平蜗杆15以及与水平蜗杆相啮合的水平蜗轮16，单色器安装平台17固定在水平蜗轮16上，驱动方式为步进电机经蜗杆减速机构驱动，减速比100。蜗杆轴一端装有旋转编码器作为位置传感器。工作位置为0°及180°，工作位置处装有传感器作为角位置精度标定，转角极限位置(电气限位范围-75°～+255°)处装有电接近开关和机械限位装置作为限位保护。为了方便调平读出，台面上装有水准泡装置。蜗杆减速机构考虑了消隙机构，可以将蜗轮做成两片，其间用拉伸弹簧连接，这样有利于传动平稳，保证位置精度。

控制系统是中子单色器台最终实现功能和技术性能指标的重要组成部分。单色器台的控制主要分为两个部分，第一部分为工业控制计算机及其软件，其主要完成单色器台的各种控制操作、数据输入输出、各功能模块的管理、故障自动监测和安全保护处理等功能；第二部分为步进电机的控制单元，主要是通过驱动器完成对步进电机的运动控制。系统方案的主要特点可以概括为：

1)采用工控PC计算机与功能模块相结合的数字式控制结构，友好的人机图形界面提供灵活、完善的操作方式并能显示系统工作状态；

2)采用码盘尺、旋转编码器、绝对式角度编码器作为运动测量反馈元件；

3)软、硬件结合的多级故障检测、处理措施，实现系统安全运行保护及分析诊断功能；

4)计算机软件基于WINDOWS操作系统，采用面向对象和模块化设计相结合的编制方法，具有功能扩充能力。

工控计算机是电控系统的主要部分，它完成单色器台的各种控制操作、数据输入输出和各功能模块的管理功能，软硬件相结合完成单色器台的故障自动监测和安全保护处理功能。控制计算机内搭载有位置传感器细分计数接口模板、输入输出控制模板，与各运动机构、位置传感器、电机驱动器一起构成控制系统，实现各机构的运动控制，并通过对控制计算机上的图形化人机界面控制台的操作实现单色器台五大运动部件的分别单独工作。

单色器台测控系统基于控制计算机的多级控制系统，采用模块化配置，不同的电路模块完成不同的功能。计算机控制系统基本硬件配置如图5所示。传感器细分计数接口模板用于接收位置传感器发送的绝对、增量位置信号，并形成相应的位置编码；输入输出控制模板用于接收零/限位传感器及驱动器状态信号，输出对驱动器的控制信号；零/限位传感器用于确定相应运动机构的基准位置和运动范围的限制位置。

控制软件主要由人机界面及控制管理部件组成，主要功能是实现用户界面输入输出管理；单色器台运动控制功能管理；故障自动监测和安全保护处理功能管理。人机界面用来实现各种用户输入输出管理，引导用户对单色器台进行各种操作控制。控制管理部件用来实现对单色器台的各种运动控制功能管理及故障检测、安全保护控制，将人机界面输入的各种指令、参数进行分解、翻译并下达到各个轴的驱动器中，同时将各个轴驱动器和传感器返回的信息整理为用户可见的信息。输入管理包括控制指令的输入和运动参数的输入。控制指令包括轴选、归零、停止、定位、点动等；运动参数各数据按设计要求范围输入。输出管理包括状态指示灯、状态显示、数据显示、数据保存几个模块。状态指示灯设置三组指示灯，分别指示上下电、运行停止和故障状态；状态显示当前的运动参数；数据显示各运动轴的位置参数；数据保存模块在软件每次退出运行时，会把单色器台所有轴的当前位置信息保存起来，以便下次使用。该软件基于Microsoft Windows2000或Windows XP操作系统平台，利用Microsoft Visual C开发完成。

驱动电机和驱动控制器主要用来执行控制系统发出的命令，运动到指定的位置。电机驱动器是驱动控制系统的重要组成部分。中子单色器台中各运动轴均采用与各自步进电机配套的驱动控制器。通过采用屏蔽、隔离等电磁兼容性措施，使之既满足步进电机驱动的要求，又保证电磁兼容性的要求。通过专用编程软件实现的内部程序控制功能下载到驱动器的控制模块后，经判断输入信号的状态分别实现归零、正向定位、反向定位、正向点动、反向点动、正向限位、反向限位等，同时通过驱动器输出信号的状态判断步进电机的工作状态以及是否到达限位等。

运动的测量与反馈是实现单色器台运动控制的关键技术之一。单色器台各轴高精度的定位都是建立在高精度的位置环控制基础之上。各个位置传感器实时测量运动部件的当前位置并反馈给控制计算机，运动时以设置的运动轨迹(驱动器规定)向目标位置运动，以当前位置和目标位置的偏差为基础修正并调节使其最终到达符合精度要求的目标位置，到达目标位置后修正调节过程停止，必要时(最终位置发生变化)可定时启动修正调节。

中子单色器台的控制由旋转台、X、Y轴方向平移调节器、倾斜调节器、转位转台五个独立的回路组成，图6表示了单回路的原理框图。为了可靠实现单色器台的运动控制，单色器台选用高分辨率、高精度、宽速率范围的旋转编码器作为单色器台轴角运动的测量与反馈部件；选用光电式码盘尺作为单色器台直线运动的测量与反馈部件。编码器及码盘尺的信号经过集成数字读数细分装置处理后输出具有方向特征的正交信号，可形成位置脉冲计数，最终实现轴角及直线位置的测量和反馈。编码器还具有基准标记信号，用于单色器台转角零位基准位置的确定。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种多轴中子单色器姿态调整装置，包括机械台体以及通过电缆与机械台体相连接的控制系统，其特征在于：所述的机械台体包括设置在底盘（1）上的旋转台（2），旋转台上设有平移调节器（3、4），在平移调节器（3、4）上方设有倾斜调节器（5），倾斜调节器（5）上设置单色器转位转台（6），机械台体的各运动机构带动单色器（7）进行多自由度的位置组合调节；所述的控制系统（10）包括设有控制软件的工控计算机以及通过驱动器对步进电机实现控制的电机控制单元；所述的平移调节器由X轴方向平移调节器（3）和Y轴方向平移调节器（4）组成，两个平移调节器呈上下结构设置，平移调节方向相互垂直，均采用电机带动丝杠的传动方式在水平方向上运动；在X轴方向平移调节器（3）和Y轴方向平移调节器（4）的运动极限位置处分别设有电接近开关和机械限位装置，电机轴上设有刹车制动器；所述的倾斜调节器（5）包括一个竖直设置的扇形蜗轮（13），由步进电机驱动的水平蜗杆（14）与扇形蜗轮（13）啮合，单色器转位转台固定在扇形蜗轮（13）上方，在扇形蜗轮的转动导轨上设有码盘尺和相应的读数头；在倾斜调节器的转动极限位置处分别设有电接近开关和机械限位装置，倾斜调节器安装台的侧面设有刹车制动器；所述的单色器转位转台（6）包括由步进电机驱动的水平蜗杆（15）以及与水平蜗杆（15）相啮合的水平蜗轮（16），单色器安装平台（17）固定在水平蜗轮（16）上；蜗杆轴的一端装有旋转编码器作为位置传感器，单色器安装平台上设有传感器作为角位置精度标定,转角极限位置处设有电接近开关和机械限位装置。

2.如权利要求1所述的多轴中子单色器姿态调整装置，其特征在于：所述的单色器转位转台（6）的旋转轴与设置在底盘上的旋转台（2）的旋转轴相互错开，呈偏心结构布置。

3.如权利要求1或2所述的多轴中子单色器姿态调整装置，其特征在于：所述的控制系统（10）的工控计算机内设有用于接收机械台体上各运动机构位置信号的传感器细分计数接口模板，以及控制驱动信号的输入输出控制模板。