CN107064192B - 一种高精度的第二中子束线开关 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中子束线开关技术领域，尤指一种应用于中子散射谱仪用于实现中子束线开和关之间切换的一种高精度的第二中子束线开关，通过操控系统启动开关，转动系统带动传动系统转动，传动系统的传动轴将扭矩传递到旋转圆台系统，旋转圆台和内部的中子导管一起转动90°，此时碳化硼挡板截断中子束流，旋转圆台反向旋转90°，中子导管导通，通过90°往复运动实现中子导管开启和关闭的切换；本发明部件之间均采用台阶或者销结构进行刚性连接和同轴处理，采用电机驱动，编码器反馈控制，限位开关进行辅助控制，光栅位尺对终端位置进行反馈和定位，操作简单，运动时间短，导通状态时重复定位精度高，能够快速方便的实现中子导管的开启和关闭。
Description
技术领域
本发明涉及一种中子束线开关技术领域，尤指一种应用于中子散射谱仪用于实现中子束线开和关之间切换的一种高精度的第二中子束线开关。
背景技术
中子谱仪主要用于研究各类物质的结构和性质，目前在世界各国建造的中子谱仪可以分为两类，一类称为中子散裂源谱仪，中子散裂源是基于加速器加速质子轰击靶产生中子；另一类称为中子反应堆谱仪，中子反应堆是基于铀裂变产生中子。中子束线开关在中子谱仪中用来打开和切断中子束流，在导通状态时，中子束是通过中子导管等中子光学部件传输到样品上。对于中子散裂源谱仪，每个谱仪在散裂靶站中都有一个束线开关，称为主束线开关，由于靶站中的主开关比较庞大，开启和关闭的时间较长，因此，大部分的中子散裂源谱仪都会在谱仪大厅中的中子束线上建造第二个中子束线开关。如美国的中子散裂源（SNS）的磁反射谱仪BL4A，液态反射谱仪BL4B，以及工程粉末谱仪都在谱仪束线上建造了一个第二中子束线开关，第二中子束线开关一般设计轻便并且开关方便，操作时间短，且由于位于中子束流传输线上，所以要求的精度比较高。英国的中子散裂源（ISIS）和日本的中子散裂源（J-PACK）等在从靶站引出中子束线后，也大都在束线上建造了第二中子束线开关。而对于反应堆谱仪，往往一个中子孔道引出若干条中子谱仪，这些谱仪都要在谱仪大厅中的谱仪束线上设置这样一个与中子散裂源谱仪第二中子束线开关类似的中子束线开关。常见的中子数线开关是旋转式或者上下、左右平移式的。为了减少中子束流的损失，中子束线开关中的中子导管往往处于真空环境下并且第二中子束线开关在导通状态时的重复定位精度需要和中子导管相同。而中子导管的准直安装精度要求很高，达到0.05mm。本发明就是针对存在于谱仪束线上，这样一种操作方便，运动时间短，重复定位精度高的第二中子束线开关的设计。
现有的中子束线开关主要采用液压或者气压驱动，通过的上下运动方式进行开和关的切换。例如公开号为CN201410354538、名称为“一种中子通道闸门装置”的中国发明专利，公开了一种通过气缸驱动，使中子通道上下运动，利用限位开关进行信号反馈，从而实现中子通道的开启和关闭。由于采用气压驱动，限位开关进行信号反馈。在中子通道开启时，重复定位精度就比较低。虽然专利号为201310399825.0，专利名称为中子束线开关及准直安装方法的中国发明专利，公开了一种不采用液压或气压驱动的中子束线开关及准直安装方法，主要通过凹台与凸台的阶梯式配合以实现所述束线开关的准直安装，尤其公开了一种用密封圈加法兰密封真空，同时也起到实现中子导通的作用真空壳体系统，但仅限于实现的真空壳体系统以及准直安装方法依然难以保证中子束线开关内的中子导管重复定位精度问题，很难满足中子束流高精度的要求。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明旨在现有技术中进行突破创新，提供一种中子束线开关，尤指一种应用于中子散射谱仪，用以解决现有技术中子束线开关定位及重复定位精度低的技术问题的一种高精度的第二中子束线开关。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高精度的第二中子束线开关，所述的开关主要包括从下往上安装的底座、转动系统、传动系统、真空壳体系统、旋转圆台系统和操控系统；其中转动系统安装在底座上，传动系统通过联轴器与转动系统同轴转动连接，旋转圆台系统与传动系统同轴转动连接，所述的真空壳体系统有真空壳体，传动系统上部分和旋转圆台系统安装在真空壳体内，操控系统与转动系统电性连接。
所述的转动系统主要包括安装底板、承载板、屏蔽套环、电机、高精度转台和转动轴，电机和高精度转台连接后安装在底板上，其中高精度转台安装在底板的中心位置上，转动轴的下半部分通过台阶结构和高精度转台同心固定连接，转动轴的上部分与联轴器连接；屏蔽套环安装在承载板上方。
所述的传动系统的下部分安装在屏蔽套环内部，上部分安装在的真空壳体系统内，传动系统主要包括传动轴、磁流体、连接圆盘系统和固定杆，所述的传动轴底部与联轴器连接，磁流体设置在真空壳体系统的壳体外部轴段位置，用于密封传动轴与壳体轴孔安装时的缝隙；连接圆盘系统通过固定杆整体安装到壳体系统内，传动轴和连接圆盘系统之间通过采用键进行过盈配合。
所述的旋转圆台系统安装在真空壳体系统内，主要包括呈圆柱体状的旋转圆台，所述的旋转圆台系统通过固定杆安装在连接圆盘系统上，旋转圆台侧面设置有横向贯穿旋转圆台中心的中子导管，正对中子导管位置将旋转圆台逆时针旋转90°后的旋转圆台侧面位置设置有碳化硼挡块；旋转圆台顶面设置有光栅尺和限位开关触发挡块。
所述的操控系统主要包括电性相连的控制器、控制键和编码器系统，其中所述的控制键和编码器系统安装在旋转圆台顶面上，所述的编码器系统主要包括光栅尺和读数头，其中光栅尺能随着圆台转动，读数头固定在旁边，所述的控制键主要包括旋转式机械限位开关和限位开关触发挡块，旋转圆台顶面上还设置有真空连接器从旋转圆台顶面贯穿延伸在顶盖外部，读数头的信号线和限位开关的信号线通过真空连接器引出到顶盖外部。
所述的底板安装在底座上方，承载板通过销钉固定安装在底板上方，承载板中部设置有高精度转台和电机的安装位。
所述的高精度转台呈台阶圆台状的转盘结构，底部通过定位销定位后通过螺钉固定安装在底板的中心位置上。
所述的屏蔽套环呈轴向中空的套环状，侧面设置有两个孔，通过销钉定位，通过螺钉贯穿承载板固定安装在底板上，转动系统上部分和传动系统下部分轴向安装在屏蔽套环内。
所述的传动系统还包括深沟球轴承、轴承支架和推力滚子轴承，深沟球轴承有两个，分别固定传动轴的上下两点，使传动轴位于壳体中心位置，限制轴的水平移动；推力滚子轴承设置在用于固定传动轴上点的深沟球轴承上方，用于固定传动轴上端部位，轴承支架和壳体之间以及磁流体和壳体之间均采用台阶结构进行同轴定位，防止挤压磁流体。
所述的推力滚子轴承属于上下分离式轴承，采用过盈配合方式把推力滚子轴承的上部分放入轴承上部套件，把推力滚子轴承的下半部分放入轴承下部套件后用以承载旋转圆台系统的重量，使得传动轴不承受轴向载荷。
所述的固定杆的顶部开有螺纹孔，通过螺钉固定旋转圆台系统和连接圆盘系统。
所述的旋转式机械限位开关有四个，包括第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关和第四限位开关。
所述的限位开关触发挡块有两块，包括第一限位开关触发挡块和第二限位开关触发挡块。
通过操控系统启动开关，转动系统中电机带动高精度转台转动时转动轴带动传动系统中的传动轴转动，然后传动系统的传动轴将扭矩传递到真空壳体中的旋转圆台系统，旋转圆台和内部的中子导管一起转动90°，此时碳化硼挡板截断中子束流，旋转圆台反向旋转90°，中子导管导通，通过90°往复运动实现中子导管开启和关闭的切换。
本发明的有益效果体现在：本发明所有的部件之间均采用台阶或者销结构进行刚性连接和同轴处理，同时电机、高精度转台等核心驱动部件位于真空壳体外部，采用磁流体进行动密封，真空壳体承载旋转圆台的重量，转动轴和传动轴均不承受轴向载荷，并且采用电机驱动，编码器反馈控制，限位开关进行辅助控制，光栅位尺对终端位置进行反馈和定位的工作原理，使得本发明操作简单，运动时间短，导通状态时重复定位精度高，能够快速方便的实现中子导管的开启和关闭。
附图说明
图1是本发明的主视结构示意图。
图2是本发明的俯视结构示意图。
图3是本发明在图2中A-A方向上的剖面结构示意图。
图4是本发明中传动系统的局部侧视结构示意图。
图5是本发明中传动系统的局部俯视结构示意图。
图6是本发明在图5中A-A方向上的剖面结构示意图。
图7是本发明中连接圆盘系统的结构示意图。
图8是本发明中旋转圆台的立体结构示意图。
图9是本发明中顶盖的俯视结构示意图。
图10是本发明中的顶盖主视结构示意图。
图11是本发明中的屏蔽套环的结构示意图。
图12是本发明中处于导通中子束流状态的结构示意图。
图13是本发明中处于关闭中子束流状态的结构示意图。
附图标注说明： 1-底座，2-壳体，3-联轴器，4-底板，5-承载板，6-屏蔽套环，61-孔， 7-电机，8-高精度转台，9-转动轴，10-传动轴，11-磁流体，12-连接圆盘，13-固定杆，14-旋转圆台，15-中子导管，16-碳化硼挡块，17-光栅尺，18-第一限位开关触发挡块，19-第二限位开关触发挡块，20-真空连接器，21-第一限位开关，22-第二限位开关，23-第三限位开关，24-第四限位开关，25-深沟球轴承，26-轴承支架，27-推力滚子轴承，28-轴承上部套件，29-轴承下部套件,30-顶盖。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：
如图1-11所示，一种高精度的第二中子束线开关，所述的开关主要包括从下往上安装的底座1、转动系统、传动系统、真空壳体系统、旋转圆台系统和操控系统；其中转动系统安装在底座1上，传动系统通过联轴器3与转动系统同轴转动连接，旋转圆台系统与传动系统同轴转动连接，所述的真空壳体系统有真空壳体2，壳体2上表面设置有吊环方便吊装和维护，传动系统上部分和旋转圆台系统安装在真空壳体2内，操控系统与转动系统电性连接，其中所述的真空壳体系统的真空壳体2结构及实现真空方式采用的是专利号为201310399825.0中公开的结构以及准直安装方法，更具体的是通过凹台与凸台的阶梯式配合以实现所述束线开关的准直安装，以及用密封圈加法兰密封真空，同时也起到实现中子导通的作用真空壳体系统。
所述的转动系统主要包括安装底板4、承载板5、屏蔽套环6、电机7、高精度转台和转动轴9，所述的底板4安装在底座1上方，承载板5通过销钉固定安装在底板4上方，承载板5中部设置有高精度转台和电机7的安装位；电机7和高精度转台连接后通过安装位安装在底板4上，其中高精度转台安装在底板4的中心位置上，所述的高精度转台呈台阶圆台状的转盘结构，底部通过定位销定位后通过螺钉固定安装在底板4的中心位置上；转动轴9的下半部分通过台阶结构和高精度转台同心固定连接，转动轴9的上部分与联轴器3连接；屏蔽套环6安装在承载板5上方；所述的屏蔽套环6呈轴向中空的套环状，侧面设置有两个孔61，能为在将转动轴9和传动轴10通过联轴器3连接在一起时提供安装空间，可以通过这两个孔61拧紧联轴器3，并且在拆卸的时候，可以通过这两个孔61松开联轴器3，然后把联轴器3以上的部分整体吊走，方便局部维护；屏蔽套环6通过销钉定位，通过螺钉贯穿承载板5固定安装在底板4上，转动系统上部分和传动系统下部分轴向安装在屏蔽套环6内。
所述的传动系统的下部分安装在屏蔽套环6内部，上部分安装在的真空壳体系统内，传动系统主要包括传动轴10、磁流体11、连接圆盘12系统和固定杆13，所述的传动轴10底部与联轴器3连接，转动轴9和传动轴10通过联轴器3连接，可以实现硬性连接保证传动精度的前提下，避免因为安装而导致转轴在运动过程中卡死；磁流体11设置在真空壳体系统的壳体2外部轴段位置，用于密封传动轴10与壳体2轴孔安装时的缝隙；连接圆盘12系统通过固定杆13整体安装到壳体系统内，传动轴10和连接圆盘12系统之间通过采用键进行过盈配合；所述的传动系统还包括深沟球轴承25、轴承支架26和推力滚子轴承27，深沟球轴承25有两个，分别固定传动轴10的上下两点，使传动轴10位于壳体2中心位置，限制轴的水平移动；推力滚子轴承27设置在用于固定传动轴10上点的深沟球轴承25上方，用于固定传动轴10上端部位，轴承支架26和壳体2之间以及磁流体11和壳体2之间均采用台阶结构进行同轴定位，防止挤压磁流体；其中所述的推力滚子轴承27属于上下分离式轴承，采用过盈配合方式把推力滚子轴承27的上部分放入轴承上部套件28，把推力滚子轴承27的下半部分放入轴承下部套件29后用以承载旋转圆台系统的重量，使得传动轴10不承受轴向载荷；更具体地说推力滚子轴承27的作用是用来承载整个旋转部分，包括旋转圆台14和连接圆盘12，从而将重量传递到壳体2上，保证传动轴10不承受轴向载荷。
所述的旋转圆台系统安装在真空壳体系统内，主要包括呈圆柱体状的旋转圆台14，所述的旋转圆台系统通过固定杆13安装在连接圆盘12系统上，所述的固定杆13的顶部开有螺纹孔，通过螺钉固定旋转圆台系统和连接圆盘12系统；旋转圆台14侧面设置有横向贯穿旋转圆台14中心的中子导管15，正对中子导管15位置将旋转圆台14逆时针旋转90°后的旋转圆台14侧面位置设置有碳化硼挡块16。
所述的操控系统主要包括电性相连的控制器、控制键和编码器系统，其中所述的控制键和编码器系统安装在旋转圆台14顶面上，所述的编码器系统主要包括光栅尺17和读数头，其中光栅尺17能随着圆台转动，读数头固定在旁边的填充块上，填充块和壳体通过螺杆固定连接在一起，读数头保持不动，编码器系统直接对目标旋转部件进行反馈控制，限位开关起辅助定位及过位保护作用，所述的控制键主要包括旋转式机械限位开关和限位开关触发挡块，旋转圆台14顶面上还设置有真空连接器20从旋转圆台14顶面贯穿延伸在顶盖外部，读数头的信号线和限位开关的信号线通过真空连接器20引出到顶盖外部，其中电机7的动力线通过驱动器接入控制器，读数头的信号线和限位开关的信号线直接接入控制器。
所述的控制键主要包括旋转式机械限位开关和限位开关触发挡块，所述的限位开关触发挡块有两块，包括第一限位开关触发挡块18和第二限位开关触发挡块19，所述的旋转式机械限位开关有四个，包括第一限位开关21、第二限位开关22、第三限位开关23和第四限位开关24；限位开关的信号线通过固定架固定在顶盖30上，通过顶部的真空连接器20引出。
使用本发明时，通过操控系统启动开关，转动系统中电机7带动高精度转台转动时转动轴9带动传动系统中的传动轴10转动，然后传动系统的传动轴10将扭矩传递到真空壳体2中的旋转圆台系统，旋转圆台14和内部的中子导管15一起转动90°，此时碳化硼挡块16截断中子束流，旋转圆台14反向旋转90°，中子导管15导通，通过90°往复运动实现中子导管15开启和关闭的切换；即当旋转圆台14内的中子导管15处于导通状态时，中子束流通过中子导管15，此时第一限位开关触发挡块18依次触发第一限位开关21和第二限位开关22，通过编码器系统进行反馈使中子导管15精确定位；当处于导通状态的旋转圆台14内的中子导管15逆时针旋转90°时，处于关闭状态，碳化硼挡块16截断中子束流，此时第二限位开关触发挡块19触发第三限位开关23和第四限位开关24使其处于非触发状态，如果第四限位开关24同样被触发则说明转动过位。
实施例：假定本发明处于初始状态，即中子导管15处于导通状态。
如图13所示，关闭中子束流时，电机7驱动高精度转台转动，产生扭矩，扭矩通过转动轴9、联轴器3、传动轴10传递到旋转圆盘，由于旋转圆台14和连接圆盘12系统是通过固定杆13和螺钉固定在一起的，进而驱动旋转圆台14带动里面的中子导管15转动，转动到90°位置时，第二限位开关触发挡块19触发第三限位开关23和第四限位开关24，转动停止，碳化硼挡块16正对中子束流。
如图12所示，导通中子束流时，电机7反转驱动高精度转台逆向转动，产生扭矩，同样通过传动系统驱动旋转圆台14带着中子导管15转动，转动过程中，编码器系统时刻进行检测和位置反馈，第一限位开关触发挡块18依次触发第一限位开关21和第二限位开关22，继续转动到预定位置时，停止转动，此时，中子导管15正对中子束流，传输中子。
本发明在安装方面，电机7，高精度转台等核心驱动部件位于真空壳体2外部，采用磁流体进行动密封；真空壳体2承载旋转圆台14的重量，转动轴9和传动轴10不承受轴向载荷；传动轴10和真空壳体2之间采用磁流体11进行密封，旋转圆台14固定在连接圆盘12上，连接圆盘12通过推力滚子轴承27设置在真空壳体2的底部，承载板5及屏蔽套环6承载着真空壳体系统，承载板5及屏蔽套环6安装在水平底板4上，更具体的说，传动系统只起到传递扭矩的作用，并不承受竖直方向的载荷；在连接方面，转动轴9和传动轴10之间通过联轴器3连接，水平底板4和承载板5及屏蔽套环6之间、承载板5及屏蔽套环6和真空壳体2之间均采用销定位或者台阶定位做到同轴；高精度转台和传动系统之间采用台阶进行同轴定位；真空壳体2和推力滚子轴承27组件之间、推力滚子轴承27组件和连接圆盘12之间、连接圆盘12和旋转圆台14之间均采用台阶定位进行同轴处理；转动系统和传动系统之间，传动轴10和连接圆盘12之间，以及连接圆盘12和旋转圆台14之间的连接均采用硬性连接同轴，保证转动精度；在驱动控制方面，采用电机7驱动，编码器反馈控制，限位开关进行辅助控制，编码器中圆光栅位于旋转圆台14顶部，对终端位置进行反馈和定位，使得本发明操作简单，运动时间短，导通状态时重复定位精度高，能够快速方便的实现中子导管15的开启和关闭。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种高精度的第二中子束线开关，所述的开关主要包括从下往上安装的底座、转动系统、传动系统、真空壳体系统、旋转圆台系统和操控系统；其中转动系统安装在底座上，传动系统通过联轴器与转动系统同轴转动连接，旋转圆台系统与传动系统同轴转动连接，所述的真空壳体系统有真空壳体，传动系统上部分和旋转圆台系统安装在真空壳体内，操控系统与转动系统电性连接；其特征在于：
所述的转动系统主要包括安装底板、承载板、屏蔽套环、电机、高精度转台和转动轴，电机和高精度转台连接后安装在底板上，其中高精度转台安装在底板的中心位置上，转动轴的下半部分通过台阶结构和高精度转台同心固定连接，转动轴的上部分与联轴器连接；屏蔽套环安装在承载板上方；
所述的传动系统的下部分安装在屏蔽套环内部，上部分安装在的真空壳体系统内，传动系统主要包括传动轴、磁流体、连接圆盘系统和固定杆，所述的传动轴底部与联轴器连接，磁流体设置在真空壳体系统的壳体外部轴段位置，用于密封传动轴与壳体轴孔安装时的缝隙；连接圆盘系统通过固定杆整体安装到壳体系统内，传动轴和连接圆盘系统之间通过采用键进行过盈配合；
所述的旋转圆台系统安装在真空壳体系统内，主要包括呈圆柱体状的旋转圆台，所述的旋转圆台系统通过固定杆安装在连接圆盘系统上，旋转圆台侧面设置有横向贯穿旋转圆台中心的中子导管，正对中子导管位置将旋转圆台逆时针旋转90°后的旋转圆台侧面位置设置有碳化硼挡块；旋转圆台顶面设置有光栅尺和限位开关触发挡块；
所述的操控系统主要包括电性相连的控制器、控制键和编码器系统，其中所述的控制键和编码器系统安装在旋转圆台顶面上，所述的编码器系统主要包括光栅尺和读数头，其中光栅尺能随着圆台转动，读数头固定在旁边，所述的控制键主要包括旋转式机械限位开关和限位开关触发挡块，旋转圆台顶面上还设置有真空连接器从旋转圆台顶面贯穿延伸在顶盖外部，读数头的信号线和限位开关的信号线通过真空连接器引出到顶盖外部。
2.根据权利要求1所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的底板安装在底座上方，承载板通过销钉固定安装在底板上方，承载板中部设置有高精度转台和电机的安装位。
3.根据权利要求1所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的高精度转台呈台阶圆台状的转盘结构，底部通过定位销定位后通过螺钉固定安装在底板的中心位置上。
4.根据权利要求1所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的屏蔽套环呈轴向中空的套环状，侧面设置有两个孔（61），通过销钉定位，通过螺钉贯穿承载板固定安装在底板上，转动系统上部分和传动系统下部分轴向安装在屏蔽套环内。
5.根据权利要求1所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的传动系统还包括深沟球轴承、轴承支架和推力滚子轴承，深沟球轴承有两个，分别固定传动轴的上下两点，使传动轴位于壳体中心位置，限制轴的水平移动；推力滚子轴承设置在用于固定传动轴上点的深沟球轴承上方，用于固定传动轴上端部位，轴承支架和壳体之间以及磁流体和壳体之间均采用台阶结构进行同轴定位，防止挤压磁流体。
6.根据权利要求5所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的推力滚子轴承属于上下分离式轴承，采用过盈配合方式把推力滚子轴承的上部分放入轴承上部套件，把推力滚子轴承的下半部分放入轴承下部套件后用以承载旋转圆台系统的重量，使得传动轴不承受轴向载荷。
7.根据权利要求1所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的固定杆的顶部开有螺纹孔，通过螺钉固定旋转圆台系统和连接圆盘系统。
8.根据权利要求1所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的旋转式机械限位开关有四个，包括第一限位开关、第二限位开关、第三限位开关和第四限位开关。
9.根据权利要求1所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：所述的限位开关触发挡块有两块，包括第一限位开关触发挡块和第二限位开关触发挡块。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种高精度的第二中子束线开关，其特征在于：通过操控系统启动开关，转动系统中电机带动高精度转台转动时转动轴带动传动系统中的传动轴转动，然后传动系统的传动轴将扭矩传递到真空壳体中的旋转圆台系统，旋转圆台和内部的中子导管一起转动90°，此时碳化硼挡板截断中子束流，旋转圆台反向旋转90°，中子导管导通，通过90°往复运动实现中子导管开启和关闭的切换。
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