CN104764758A - 一种利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法，使用可编程机械臂作为样品台与欧拉环相比具有更大的灵活性，既可以实现欧拉环的常用功能，还能在不破坏样品的情况下通过编程解决样品尺寸各异问题，真正实现无损检测，从而节省测试环境的造价与实验成本。同时，使用串口线连接机械臂与数据获取计算机，通过数据获取软件与机械臂控制程序的密切配合，可以完美实现晶体织构的自动化测量，从而大幅降低人力消耗。

Description

一种利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法

技术领域

本发明属于晶体材料织构测量技术领域，具体涉及在中子衍射环境下，利用机械臂实现晶体材料内部织构的无损检测方法。

背景技术

晶体学织构是指多晶体的取向分布状态明显偏离随机分布的一种取向分布结构，是现代先进晶体材料非常重要的特性。晶体材料的织构测量可以通过X射线衍射或中子衍射实现。相较于X射线，中子在穿透深度以及区分相邻元素等方面具有明显优势，业界普遍认为中子衍射分析技术是未来分析晶体材料内部织构的唯一技术手段。

利用中子衍射技术测量晶体材料内部织构，常规方法是在中子衍射谱仪平台上，借助欧拉环完成测量工作。该实验要求欧拉环能控制样品绕Z轴作360°自转、绕中子束的中心轴作180°公转，转动步进角视具体情况而定。由于织构测量实验对转动角步进精度要求苛刻，不同的实验中的样品尺寸各异，需要不同的轨道半径（欧拉环半径）配合，这些因素大幅增加了欧拉环的加工难度，且导致其成本昂贵。另外，晶体织构测量必须测量成千上万的衍射谱才能得到一个完整的极图，从而分析获得晶体织构。每个衍射谱测量时间视中子束流强度而定，通常在分钟量级，整个织构测量时间通常以天为单位。为了节省时间与人力消耗，织构测量的自动化是非常必要的。

目前国内没有进行过相关技术研究，在国际上也鲜有研究过该技术。尽管在2010年发表在《Materials Science Forum》第652卷的文章《The Robot Concept at STRESS-SPEC for the Characterisation or Semi-Finished Products》以及2011年发表在《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A》第642卷的文章《Texture analysis at neutron diffractometer STRESS-SPEC》中已经使用过这类方法，但均未披露相关技术问题，尤其是如何实现整个测量过程自动化问题并未得到解决。因此，到底如何使用机械臂来实现晶体材料内部织构的中子衍射无损自动测量，则是现有技术中有待解决的问题。

发明内容

本发明公开了一种利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法，使用可编程机械臂作为样品台与欧拉环相比具有更大的灵活性，既可以实现欧拉环的常用功能，还能在不破坏样品的情况下通过编程解决样品尺寸各异问题，真正实现无损检测，从而节省测试环境的造价与实验成本。同时，使用串口线缆连接机械臂与数据获取计算机，通过数据获取软件与机械臂运动控制程序的密切配合，可以完美实现晶体织构的自动化测量，从而大幅降低人力消耗。

一种利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法，包括硬件构造和软件实现两部分。所述的硬件构造包括：机械臂基座、第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、第四转动轴、第五转动轴、第六转动轴、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、样品夹具、测试样品、计算机、控制柜启动开关、示教器、控制柜等部分；上述所有转动轴均由电机控制旋转，控制柜与机械臂基座之间通过控制电缆连接，计算机与控制柜之间通过串口通讯线缆连接；所述的软件包括数据获取软件与机械臂运动控制程序，控制柜经控制柜启动开关启动后，机械臂运动控制程序及数据获取软件通过控制电缆及串口通讯线缆设置各机械臂旋转和走位的时间点，进而实现对测试样品的精密定位控制；数据获取软件具有可视化用户界面，用于获取衍射谱数据，实验时根据实际情况输入少量测量参数即可，机械臂运动控制程序可通过示教器输入和修改；所述方法包括以下软件实现流程：（1）由数据获取软件读取机械臂发出的允许测量信号，读取成功后即开始测量衍射谱，读取失败则再次读取；（2）测量衍射谱的过程中由数据获取软件实时存储衍射谱数据，单次衍射谱测量完成后，数据获取软件向机械臂发送允许旋转或走位信号；（3）机械臂运动控制程序读取允许旋转或走位信号后即开始旋转或走位；（4）机械臂旋转或走位完成后，机械臂运动控制程序向数据获取软件发送允许测量信号；（5）返回流程（1），如此循环，直至织构测量完成。

测试样品能绕样品轴向在0-360度范围内自转，并能绕中子束在0-180度范围内公转，旋转步长可调（精度优于0.1度，通常选择为5度）。

第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、第四转动轴、第五转动轴、第六转动轴、第一机械臂、第二机械臂及第三机械臂的动作均由机械臂运动控制程序进行控制，实验时可根据实际情况修改程序中的少量位置参数即可，该控制程序可由示教器直接输入或通过计算机导入。

所述数据获取软件具有可视化用户界面及批处理功能，通过与机械臂运动控制程序之间的串口通讯实现了晶体织构的自动化测量，实验时根据实际情况输入少量测量参数即可。

所述机械臂运动控制程序控制机械臂旋转和走位的时间点由串口通信电缆传输信号进行控制，在织构测量过程中，程序不可进行修改并完全自动运行。

所述的样品夹具具备自校准功能，可确保测试样品轴向中心始终垂直于夹具法兰平面。

所述的样品夹具采用铝合金材料加工，不易被中子活化，可反复使用。

附图说明

图1 为本发明的利用机械臂实现晶体材料内部中子衍射织构测量的整体硬件结构示意图；

图2 为本发明的利用机械臂实现晶体材料内部中子衍射织构测量的软件结构实现流程图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明的利用机械臂实现晶体材料内部中子衍射织构测量的整体硬件结构示意图。其中包括：机械臂基座1、第一转动轴2、第二转动轴3、第三转动轴4、第四转动轴5、第五转动轴6、第六转动轴7、第一机械臂8、第二机械臂9、第三机械臂10、样品夹具11、测试样品12、计算机13、控制柜启动开关14、示教器15、控制柜16等部分，上述所有转动轴均由电机控制旋转。控制柜16与机械臂基座1之间通过控制电缆17连接，计算机13与控制柜16之间通过串口通讯线缆18连接。控制柜16经控制柜启动开关14启动后，通过计算机13或示教器15编译运动控制及数据获取程序，通过控制电缆17及串口通讯线缆18设置各机械臂旋转和走位的时间点，进而实现对测试样品12的精密定位控制。

第一转动轴2、第二转动轴3、第三转动轴4、第四转动轴5、第五转动轴6、第六转动轴7、第一机械臂8、第二机械臂9及第三机械臂10的动作由控制柜16上的示教器15进行控制。而示教器15对各机械臂及转动轴的控制可以分为手动控制与程序控制，手动控制是指使用示教器15上的按钮直接控制各机械臂及转动轴动作，程序控制是指使用编辑好的程序来控制各机械臂及转动轴动作。控制各机械臂及转动轴动作的程序可以通过示教器15输入控制柜16，也可通过计算机13输入控制柜16，但不能使用计算机13中的程序直接控制各机械臂及转动轴运动。

计算机13与其他中子衍射谱仪数据获取电子学系统相连，通过安装在计算机13中的数据获取软件，可以自动地获取衍射谱。但由于要求测试样品能绕样品轴向在0-360度范围内自转，并能绕中子束在0-180度范围内公转，旋转步长可调（精度优于0.1度，通常选择为5度），每执行一步便要测量一个衍射谱，因此晶体材料的织构测量需要大量（通常大于1000）的衍射谱，此时必须将数据获取软件与各机械臂及转动轴的控制程序有机结合起来，使整个程序完成织构的自动化测量。将数据获取软件与各机械臂及转动轴控制程序有机结合的通信模式采用的是串口通信，硬件连接方法即是使用串口通讯线缆18直接连接至控制柜16中的串口即可。

图2为本发明的利用机械臂实现晶体材料内部中子衍射织构测量的软件结构实现流程图，主要实现流程如下：

（1）  步骤21为初始动作。首先对串口进行设置，使机械臂运动控制程序与数据获取程序可进行相互通信。机械臂运动控制程序应包括机械臂每一步的位姿参数（根据实验要求而定）与读取和写入串口的功能；数据获取程序应包括测量控制与读取和写入串口的功能。

（2）  步骤21完成后，步骤31启动，机械臂程序控制机械臂运动，步骤32启动，当机械臂到达测量织构的位姿后，步骤33启动，即刻通过串口向数据获取软件发送样品到位信号。随后机械臂程序将读取测量停止串口信号，即步骤34，在读取测量停止串口信号成功之前，机械臂将保持当前状态不变。

（3）  流程（1）中的步骤21完成后，步骤22也随即启动，此时数据获取软件原本处于停止测量状态，间隔1s循环读取串口信号，即步骤23，一旦读取成功即跳出循环执行步骤24，否则执行步骤22，继续下一个循环继续读取机械臂发出的串口信号。

（4）  数据获取软件读取串口信号成功之后，数据获取软件便开始向数据获取模块发送开始测量命令，同时将获取衍射谱数据，在计算机显示屏上显示衍射谱，即步骤24。

（5）  数据获取软件中输入的测量参数决定数据获取过程的结束时刻：如果参数选择的是监视器计数模式，则监视器计数到达指定数值之后，便停止测量；如果参数选择的是监视器计时模式，则监视器计时到达指定数值之后，便停止测量。

（6）  当数据获取软件停止进行数据获取之后，即步骤25执行完成，步骤26启动，数据获取软件即可向机械臂运动控制程序发送串口命令，表明衍射谱测量已停止。

（7）  步骤34启动，随即步骤35开始执行读取数据获取软件向机械臂运动控制程序发送的测量停止串口信号，若读取成功则随即执行步骤36使机械臂按照已设程序进行动作，判断是否移动到位，即步骤37。若机械臂移动到位，则执行步骤38，向数据获取软件发送串口信号，指示移动已到位。

（8）  执行步骤27，判断织构测量是否完成，若完成，则织构测量结束，即步骤28；若未完成，则执行步骤2。如此循环，直至整个织构测量过程结束。

3.织构测量与控制过程

织构测量与控制过程的步骤如下：

（1）使用样品夹具夹上测量样品。

（2）连接好机械臂控制柜电源，然后给机械臂上电。

（3）使用机械臂控制柜上的示教器控制机械臂，使样品移动到测量点P，使用刻度尺测量测量点与法兰平面的距离d（该距离为样品绕中子束旋转的路径半径），并作好记录。

（4）使用示教器设置工具长度为d，即为样品旋转的路径半径。

（5）位置参数确定：使用示教器“手动控制”模式控制机械臂沿实验路径移动和旋转，观察中子束是否打在测量点P；如果中子束在全过程都能准确打在测量点P上，则使用示教器记录该点位置信息；如果中子束没能准确打在P点，则需要调节d或重新确定测量点P的位置。

（6）将记录的位置参数通过示教器输入织构测量的控制程序中。

（7）在数据获取软件中选择串口信息与测量参数，并运行该软件。

（8）将机械臂运动控制程序在“自动控制”模式下运行。

（9）织构测量将按程序进行测量，直至测量结束并退出。

Claims (4)

1.一种利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法，所述方法包括硬件构造与软件实现两部分，所述的硬件构造包括：机械臂基座、第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、第四转动轴、第五转动轴、第六转动轴、第一机械臂、第二机械臂、第三机械臂、样品夹具、测试样品、计算机、控制柜启动开关、示教器、控制柜；上述所有转动轴均由电机控制旋转，控制柜与机械臂基座之间通过控制电缆连接，计算机与控制柜之间通过串口通讯线缆连接；所述的软件包括数据获取软件与机械臂运动控制程序，控制柜经控制柜启动开关启动后，机械臂运动控制程序及数据获取软件通过控制电缆及串口通讯线缆设置各机械臂旋转和走位的时间点，进而实现对测试样品的精密定位控制；数据获取软件具有可视化用户界面，用于获取衍射谱数据，实验时根据实际情况输入少量测量参数即可，机械臂运动控制程序可通过示教器输入和修改；所述方法包括以下软件实现步骤：

首先由数据获取软件读取机械臂发出的允许测量信号，读取成功后即开始测量衍射谱，读取失败则再次读取；

测量衍射谱的过程中由数据获取软件实时存储衍射谱数据，单次衍射谱测量完成后，数据获取软件向机械臂发送允许旋转或走位信号；

机械臂运动控制程序读取允许旋转或走位信号后即开始旋转或走位；

机械臂旋转或走位完成后，机械臂运动控制程序向数据获取软件发送允许测量信号；

再返回第一步，如此循环，直至织构测量完成。

2.根据权利要求1所述的利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法，其特征在于，所述测试样品能绕样品轴向在0-360度范围内自转，并能绕中子束在0-180度范围内公转，旋转步长可调。

3.根据权利要求1所述的利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法，其特征在于，第一转动轴、第二转动轴、第三转动轴、第四转动轴、第五转动轴、第六转动轴、第一机械臂、第二机械臂及第三机械臂的动作均由机械臂运动控制程序进行控制，实验时根据实际情况修改程序中的少量位置参数，所述的控制程序由示教器直接输入或通过计算机导入。

4.根据权利要求1所述的利用机械臂实现晶体内部织构的中子衍射测量方法，其特征在于：所述的样品夹具采用铝合金材料制成。