CN107490590A - 一种中子衍射应力谱仪样品台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种中子衍射应力谱仪样品台，包括样品安装板、控制样品安装板水平运动的水平运动系统、控制样品安装板垂直运动的垂直升降系统以及控制样品安装板、中子衍射应力谱仪探测器和截捕器旋转的旋转运动系统；所述样品安装板设于所述水平运动系统上，所述水平运动系统下方连接垂直升降系统，所述垂直升降系统连接旋转运动系统，所述旋转运动系统底部连接气浮支撑系统；所述旋转运动系统包括样品台自转部件、样品台支撑机构和摆动连接部件，所述样品台自转部件用于控制样品安装板绕中心轴转动，所述摆动连接部件通过圆弧导轨安装于所述样品台支撑机构上，用于连接探测器、截捕器并沿圆弧导轨运动。

Description

一种中子衍射应力谱仪样品台

技术领域

本发明涉及材料结构与性能的原位测量技术领域，更具体地，涉及一种中子衍射应力谱仪样品台。

背景技术

中子散射技术的应用始于1946年，美国橡树岭国家实验室的Shull研究员首次利用基于反应堆的中子源开展中子衍射实验，旨在分析材料内部的微观静态结构，中子衍射分析技术同X射线分析方法类似，均是根据衍射峰的位移计算应变，然后转化为应力结果。对比后者，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目前多晶材料内部三维应力无损检测的唯一技术手段。材料的内部结构变化与其外部加载环境之间的对应关系是材料领域的重要研究方向。

1950年前后，加拿大巧克里弗实验室Brockhouse研究员首次利用非弹性中子散射技术研究材料的微观动力学特征，为中子散射技术的应用开创了一片新的天地。相比X射线，因为中子具有电中性、穿透能力强、具有磁矩、可分辨轻质元素和同位素等优势，使其成为研究物质结构和动力学性质的理想体探针。经过半个世纪的发展，中子散射技术已广泛应用于化学、凝聚态物理、材料科学及生命科学等多学科领域的研究中，中子散射大型科学装置为众多学科及前沿交叉领域提供了先进的研究手段，已经成为基础科学研究和先进工业应用的重要平台。

真实而直接测量材料和构件深部的应力场一直是众多科学家和工程师追求的目标，而大型复杂构件在极端制造与服役情况下时，其加工和服役内部应力的分布状态难以通过理论分析和传统的无损测试手段准确获得，极大地阻碍了高端构件的发展。由于中子穿透构件的能力较强且对构件没有损害，使得中子散射技术能够直接检测结构深部晶体材料的原子面间距离变化，来体现材料内部的应力状态。建造一台中子应力谱仪是现代工程制造和工程材料研究的必备手段，样品台是影响谱仪测量精度和测量范围的关键性部件之一，是样品精确运动、定位和测量的基础。

目前，国际上许多中子散射实验室都已经建立了用于测量应力的中子衍射应力谱仪，并配置了多自由度样品台，其中，澳大利亚ANSTO的KOWARI中子衍射应力谱仪配备的样品台综合性能最先进，其最大承重可达1吨，可实现Z轴600毫米行程的垂直升降和X轴、Y轴±250毫米行程的水平移动。澳大利亚ANSTO的KOWARI中子衍射应力谱仪配备的样品台虽然综合性能国际上最先进，但不足之处也很明显：对大重量样品进行中子衍射应力测试时，若样品重心相对样品台中心偏离较大(即偏载)，往往导致垂直升降部件卡住，不能正常工作，极大地影响中子衍射应力谱仪的测试工作。

而在国内，虽然已经建立了中子衍射应力谱仪，但是与之配套的多自由度、大承重、大行程、高精度、运行平稳的样品台亟需研制。

中国原子能科学研究院已有的中子衍射应力谱仪配备了可承重200公斤的小样品台，该中子衍射应力谱仪已远远落后于国际先进水平，只能满足小体积、小重量工件的中子衍射应力测试需求。因此，需要创造性的研制一台更加精密、承重量更大的中子衍射谱仪。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种中子衍射应力谱仪样品台，解决了现有技术的中子谱仪样品台中样品运动行程小、运动精度底、承载能力不足的问题。

在中子束散射的特殊环境下，为降低二次核污染，确保实验人员的安全，样品台主体结构设计采用不易被中子活化的材料。

根据本发明的一个方面，提供一种中子衍射应力谱仪样品台，包括样品安装板、控制样品安装板水平运动的水平运动系统、控制样品安装板垂直运动的垂直升降系统以及控制样品安装板、中子衍射应力谱仪样探测器和截捕器旋转的旋转运动系统；所述样品安装板设于所述水平运动部件上，所述水平运动系统下方连接垂直升降系统，所述垂直升降系统连接旋转运动系统，所述旋转运动系统底部连接气浮支撑系统；所述旋转运动系统包括样品台自转部件、样品台支撑机构和摆动连接部件，所述样品台自转部件用于控制样品安装板绕中心轴转动，所述摆动连接部件通过圆弧导轨安装于所述样品台支撑机构上，用于连接探测器、截捕器及中子衍射应力谱仪的配套设备并沿圆弧导轨运动。

作为优选的，还包括气浮支撑系统，所述气浮支撑系统设于所述旋转运动部件下方；所述气浮支撑系统至少包括三个沿圆周均匀分布的气浮轴承组，所述每个气浮轴承组包括连接为一体的四个气浮轴承。

作为优选的，所述每个气浮轴承组中两个气浮轴承为一对气浮轴承，通过第一连接杆连接，两对气浮轴承间通过第二连接杆连接，第二连接杆上方连接支撑块；所述第一连接杆两端位置开设通孔，中间位置处设有用于实现铰接的第一销轴，用于实现两个气浮轴承上下调节，所述第二连接杆中间位置处设有用于实现铰接的第二销轴，用于实现两对气浮轴承的左右调节，所述支撑块两端开设两个螺纹孔用于安装连接气管的气阀，顶部开设有四个螺纹孔用于气浮轴承组结构与样品台底部的紧固连接。

作为优选的，所述水平运动系统包括X轴运动部件和Y轴运动部件，所述X轴运动部件和Y轴运动部件相互垂直设置，所述样品安装板安装于所述X轴运动部件上，用于固定待测应力的工件和加载环境配置装置，所述X轴运动部件安装于所述Y轴运动部件上。

作为优选的，所述X轴运动部件和Y轴运动部件都包括驱动元件和导向元件，所述驱动元件包括滚珠丝杠和伺服电机，所述导向元件包括导杆和滑块；所述导杆至少包括两根，且分别对称平行设于所述滚珠丝杠两侧，所述滚珠丝杠连接所述伺服电机，所述滑块安装于所述导轨上；所述样品安装板与所述X轴运动部件、所述X轴运动部件与所述Y轴运动部件间通过滚珠丝杠和导向元件连接。

作为优选的，所述垂直升降系统包括多级套筒机构和升降导向机构，所述升降导向机构和多级套筒机构的最内套筒连接所述水平运动系统。

作为优选的，所述每相邻套筒间沿圆周均匀分布有多组直立导轨和滑块单元，且所述每相邻的两节套筒间设有限位部件；所述导轨设于相邻两层套筒中内层套筒的外侧，所述滑块单元由两个滑块上下排列组成，设于所述相邻两层套筒中外层套筒内侧的上半部分，与导轨位置对应，滑块单元与导轨配合工作；所述限位部件包括设于套筒外侧底部处的第一限位机构，以及对应设于相邻外部套筒内侧顶部的第二限位机构。

作为优选的，所述样品台支撑机构包括耳座、支撑圆筒和支撑底板，所述耳座设于所述支撑圆筒上，所述支撑圆筒设于所述支撑底板上；所述样品台自转部件包括伺服电机、减速机和回转机构，所述伺服电机设于耳座上并通过减速机连接所述回转机构，所述摆动连接部件包括两个承载滑座、四个伺服电机、四个减速机和摆动机构；所述摆动机构包括圆弧形齿条和小齿轮，所述承载滑座共有两个，分别连接与样品台协同工作的探测器与截捕器，所述承载滑座上部安装有两个伺服电机，所述伺服电机连接所述减速机，所述减速机输出轴连接小齿轮，所述承载滑座滑动安装在所述圆弧形导轨上，所述减速机通过齿轮连接所述圆弧形齿条。

作为优选的，所述回转机构包括齿轮圈、回转小齿轮和回转轴承，所述回转轴承安转于所述支撑圆筒上部，所述回转轴承的内圈上部安装有齿轮圈，所述齿轮圈连接所述垂直运动系统；所述支撑圆筒上安装有两组伺服电机和减速机，所述减速机的输出轴上安装有回转小齿轮，所述回转小齿轮与所述齿轮圈啮合。

作为优选的，所述支撑底板整体为圆形、前部带一个缺口并设有圆环定位凸台，所述支撑圆筒和圆弧形齿条通过所述圆环定位凸台安装于所述支撑底板上，所述圆弧形导轨安装于圆弧形齿条上方，所述圆弧形导轨与圆弧形齿条的回转角度为210°。

本申请提出了一种中子衍射应力谱仪样品台，通过设置水平运动系统和垂直升降系统、旋转运动系统，可实现四自由度的运动，即X轴方向和Y轴方向的水平运动、Z轴方向的垂直运动、以及绕Z轴的旋转运动；垂直升降系统的动力元件采用二级电动缸，配合多级升降套筒与导轨滑块单元组成的导向系统，在保证大行程和高承重的同时，样品台具有较高的垂直运动精度和良好的偏载承受能力，且结构简洁紧凑、维护方便，实现了大承重、抗偏载、高精度的Z轴向高度定位；旋转运动系统采用电机-减速机-回转机构的传动路线，采用双电机消除间隙、提高控制精度；在保证精度与各部件的强度、刚度、转速和转向的前提下，尽量使其结构简单，体积小；气浮支撑系统通过设计多个铰链结构组合使用气浮轴承，能保证组合承载力较为稳定且垂直于样品台底面，实现了样品台的平稳运行；当单个轴承通过缝隙时，其性能变化对整组的承载力和运行平稳性影响极小，提高样品台的运动精度；本发明在尽可能减少样品装夹次数的情况下具有多自由度、大承重、大行程、高精度、运行平稳的特点，可满足大体积、大重量工件内部应力中子衍射应力测试的需要。

附图说明

图1为根据本发明实施例的中子应力谱仪结构框图；

图2为根据本发明实施例的中子应力谱仪竖截面图；

图3为根据本发明实施例的中子应力谱仪三维结构示意图；

图4为根据本发明实施例的垂直运动部件横截面示意图；

图5为根据本发明实施例的旋转运动部件结构框图；

图6为根据本发明实施例的支撑机构框图

图7为根据本发明实施例的气浮系统结构框图。

附图标记：

样品安装板-1 水平运动系统-2 垂直升降系统-3 旋转运动系统-4

气浮支撑系统-5 X轴运动部件-6 Y轴运动部件-7 支撑机构-43

样品台自转部件-41 摆动连接部件-42 圆弧导轨44 驱动元件-61

承载滑座-421 小齿轮-424 圆弧形齿条-423 支撑机构43

滚珠丝杠-611 导杆-621 伺服电机-8 升降机构-31

多级套筒机构-32 导轨-331 滑块单元-332 内套筒-321

中套筒-322 外套筒-323 支撑底板-412 支撑圆筒-413

耳座-414 回转轴承-415 齿轮圈-417 回转小齿轮-418

圆环定位凸台-419 气浮系统-51 气浮轴承组-511

第一连接杆-512 第二连接杆-513 支撑块-514

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1至图7示出了一种中子衍射应力谱仪样品台，它的性能直接决定了谱仪的先进性。如图1至图3所示，中子衍射应力谱仪样品台包括样品安装板1，所述样品安装板1用于安装被测试件和样品环境加载装置，还包括控制样品安装板1水平运动的水平运动系统2，控制样品安装板1垂直运动的垂直升降系统3，控制样品安装板1旋转的旋转运动系统4；所述样品安装板1设于所述水平运动系统2上，所述水平运动系统2下方连接垂直升降系统3，所述垂直升降系统3连接旋转运动系统4；所述旋转运动系统4包括样品台自转部件41、支撑机构43和探测器摆动部件42，所述样品台自转部件41用于控制样品安装板1沿中心轴转动，所述探测器、截捕器摆动连接部件42通过圆弧导轨44安装于所述样平台支撑机构上，用于连接中子应力谱仪的配套设备(绕屏蔽大鼓中心Z轴摆动的连接部件、探测器、截捕器绕样品台中心Z轴摆动连接部件)并沿圆弧导轨43运动。

传统精密仪器样品台三维位移小、承重小、精度较低，无法满足大体积、大重量样品高精度测量的需求，目前国内尚无公开的有关中子衍射应力谱仪样品台的文献或商业产品。本发明通过设置水平运动系统2和垂直升降系统3、旋转运动系统4，可实现四自由度的运动，创造性的设计出大行程、大承重、低噪声、高平稳、高可靠性、高精度的样品台，可满足大体积大重量样品中子衍射应力测试的需求，填补了中子应力谱领域的空白。

作为优选的，所述水平运动系统2包括X轴运动部件6和Y轴运动部件7，所述X轴运动部件6和Y轴运动部件7相互垂直设置，X轴运动部件6和Y轴运动部件7的两个移动轴(X轴、Y轴)构成样品台1移动的水平移动坐标系，所述X轴运动部件6和Y轴运动部件7上设有光栅尺，所述样品台1安装于所述X轴运动部件6上，所述X轴运动部件6用于控制所述样平台沿X轴运动，所述X轴运动部件6安装于所述Y轴运动部件7上，所述Y轴运动部件7用于控制X轴运动部件6整体沿Y轴运动，从而实现样平台沿Y轴运动，进而实现样品台1在水平方向两个垂直轴的运动，是样品台1能够实现到达水平运动系统2中任一点。

作为优选的如图3所示，所述X轴运动部件6和Y轴运动部件7结构相同，所述X轴运动部件6包括驱动元件61和导向元件，所述驱动元件61包括滚珠丝杠611、导杆621和伺服电机8，所述导612在X轴运动部件6中作为X轴在Y轴运动部件6中作为Y轴，所述导杆621包括偶数根均匀对称设于所述滚珠丝杠611两侧，在本实施例中，包括两根高精度研磨级的滚珠丝杠611，运动精度能达到微米级别，导杆621分别对称设于所述滚滚珠丝杠611两侧，所述滚珠丝杠611连接所述伺服电机8，所述导向元件安装于所述滚导杆621上，所述滚导612两端设有电限位部件和机械限位部件；所述样品安装板1与所述X轴运动部件6、所述X轴运动部件6与所述Y轴运动部件7间通过滚珠丝杠611和导向元件连接，在本实施例中，所述导向元件为滑动部件，导向元件与滚导杆621滑动连接并可沿滚导杆621滑动，具体的，样平台与X轴运动部件6的导向元件固定连接、与滚珠丝杠611啮合连接，所述X轴运动部件6与Y轴运动部件7的导向元件固定连接、与滚珠丝杠611啮合连接。在本实施例中，所述伺服电机8驱动所述滚珠丝杠611运动，将滚珠丝杠611的旋转运动变为样平台所需的直线运动，进而带动所述样平台沿X轴运动部件6的滚导杆621移动，带动X轴运动部件6沿Y轴运动部件7的滚导杆621运动，进而实现样平台的移动，精度能达到微米级别；X轴与Y轴方向行程均达到±250毫米，运动精度能达到25微米。

作为优选的，中子衍射应力测试时，样品台需与中子束协同工作，而反应堆出射中子束设定高度为1400mm，受中子束出射高度的限制，样品台Z方向的平移设计为多级伸缩式升降机构，所述垂直升降系统3采用二级电动缸做驱动，配合多级伸缩式升降机构31，包括升降机构31和多级套筒机构32，所述多级套筒机构32包括若干节套接的套筒，所述二级电动缸顶部升降机构31和多级套筒机构32的最内侧套筒连接所述水平运动系统2。

在本实施例中，如图4所示，气浮轴承的连接部件不仅要保证轴承之间稳定连接，还必须满足轴承位置之间相互调节的要求。另外，由于受到中子束高度1400mm的限制，且样品台Z向行程需满足550mm(样品台台面最高位置1400mm、最低位置850mm)，气浮轴承组合的整体高度尺寸需要严格控制。所述多级套筒机构32为三级套筒机构，分别为由内而外套设的内套筒321、中筒322和外套筒323，所述升降机构31为二级电动缸，作为三级套筒机构的驱动部件，所述三级套筒机构内部中空，所述二级电动缸安装于三级套筒机构内部，所述每相邻套筒间均匀分布有四根直立定位导轨331，且所述每相邻的两节套筒间设有限位部件34；所述导轨331包括设于相邻套筒间内层套筒外侧(内、中套筒321/322的外侧)的八根导轨331，所述滑块单元332包括两个上下排列的特殊设计的滑块，设于所述中、外套筒322/323内侧的上半部分，与导轨位置对应，一个滑块单元与一根导轨配合工作。所述限位部件34包括设于套筒外侧底部处的第一限位机构，以及对应设于相邻外部套筒内侧顶部的第二限位机构。在上升过程中，二级电动缸推动水平移动平台向上移动时，三级套筒机构的内套筒321会随水平移动平台一起向上运动，同时安装在上面的导轨也会向上滑动，而中套筒保持不动，内、中套筒的相对运动通过安装在内套筒外侧的导轨与安装在中套筒内侧的滑块单元相对运动来实现，当上升到275mm时，内套筒321与中套筒322之间的第一限位机构和第二限位机构抵接，此时电动缸继续顶升，则第中套筒322随内套筒321一起向上运动，外套筒323保持不动，中、外套筒323的相对运动通过安装在中套筒外侧的导轨331与安装在外套筒323内侧的滑块单元332相对运动来实现，直到最大行程550mm处。下降时，因为中套筒322重力大，故其会最先下降，然后是内套筒321下降，升降行程达到550毫米，垂直位移精度达到25微米。实现了大承重，高精度，可承受偏载的Z轴向高度定位。

在本实施例中，所述垂直运动部件中通过对各导轨331的受力仿真结果分析与优化，在保证大行程和高承重的同时，能够实现较高精度，同时，还具备传动效率高，响应快，动态好,直线传动速率范围广，电气系统同步性好，环境适应性好，工作寿命长，维护简单、方便等优点。

具体的，如图6所示，所述支撑机构包括支撑底板412、支撑圆筒413、耳座414，所述支撑底板412上设有圆环定位凸台419，所述支撑圆筒413通过所述圆环定位凸台419安装定位于支撑底板412上，所述支撑圆筒413内部中空且内部通过加筋设计，使其能在保证强度和刚度要求的同时减轻起重量，所述支撑底板412为前部设有缺口的圆形底板，使样平台中心能够更接近屏蔽大鼓中心；所述支撑圆筒413外侧安装有多个耳座414，所述支撑圆筒413上部安装有回转轴承415，所述回转轴承415的内圈上部安装有齿轮圈417，所述齿轮圈417为大齿轮，其内侧与垂直运动系统固定连接，外侧为均匀分布的齿轮。所述支撑圆筒413上安装有两个行星减速机，所述两个减速机通过耳座414安装于支撑圆筒413上，所述行星减速机的输出轴上安装有回转小齿轮418，所述回转小齿轮418为小齿轮，所述回转小齿轮418与所述齿轮圈417啮合，减速机与回转机构之间通过回转小齿轮418与齿轮圈417的啮合方式实现动力传递，齿轮部分选用靠、高效率、长寿命、易加工、易安装的渐开线齿轮机构，比蜗轮蜗杆机构更有优势，采取双伺服电机8消除间隙、提高控制精度。

作为优选的，如图5和图6所示，所述样品台自转部件41包括伺服电机8、减速机和回转机构，所述伺服电机8设于耳座414上并通过减速机连接所述回转机构，所述摆动连接部件42包括两个承载滑座421、四个伺服电机8、四个减速机和摆动机构；所述摆动机构包括圆弧形齿条423和小齿轮424，所述承载滑座421共有两个，分别连接与样品台协同工作的探测器与截捕器，所述承载滑座321上部安装有两个伺服电机8，所述伺服电机连接所述减速机，所述减速机输出轴连接小齿轮424，所述承载滑座421滑动安装在所述圆弧形导轨44上，所述减速机通过小齿轮424连接所述圆弧形齿条423。减速机与回转机构之间通过啮合的方式实现动力传递，齿轮部分设计为渐开线齿轮机构，采取双伺服电机8消除间隙、提高控制精度，探测器、截捕器摆动结构采用渐开线齿轮机构与圆弧形齿条423配合，采用圆弧导轨44定位，承载滑座421分别连接探测器与截捕器，可在210°的圆弧导轨44上做圆弧运动在保证各部件的强度、刚度、转速和转向的前提下，尽量使其结构简单，体积小。

根据本发明实施例的方案，样品安装板1绕自身旋转运动角度大于360°，探测器和截捕器可绕样品安装板1摆动，样品安装板1回转精度达到0.005°，探测器摆动精度达到0.0045°。

所述圆弧形齿条与圆弧形导轨44通过圆环定位凸台419安装定位于所述支撑底板412上，探测器、截捕器摆动连接部件42采用渐开线齿轮机构配合，采用圆弧导轨44定位，圆弧导轨44的回转角度为210°，所述圆弧导轨44上刻有自转光栅尺度。采用双电机消除间隙，提高控制精度。在保证各部件的强度、刚度、转速和转向的前提下，尽量使其结构简单，体积小。

作为优选的，如图7所示，还包括气浮支撑系统5，所述气浮支撑系统5设于所述旋转运动系统4下方，用于支撑样平台整体；所述气浮支撑系统5至少包括三个气浮组51，所述每个气浮轴承组51上设有连接旋转运动系统4底部支撑底板的连接部件，所述多组气浮系统51均匀分布于旋转运动系统4下方，所述每个气浮轴承组51包括连接为一体的四个气浮轴承511。

在本实施例中，所述每个气浮轴承组51中两个气浮轴承511组成一对气浮轴承511，通过第一连接杆512连接，所述第一连接杆512两端位置开设通孔，通过螺栓与气浮轴承511紧固连接，两对气浮轴承511间通过第二连接杆513连接；所述第一连接杆512中间位置处设有用于实现铰接功能的第一销轴，用于实现两个气浮轴承511上下调节，所述第二连接杆513中间位置处设有用于实现铰接的第二销轴，用于实现两对气浮轴承511的左右调节。

连接部件为一支撑块514，支撑块514开设有四个螺纹孔，用于与样品台1底部支撑底板的组件紧固连接，支撑块514两端开设有两个螺纹孔用于安装连接气管的气阀，气浮轴承511有高压源、二级减压阀、节流器以及气体平面润滑轴承组成，通过空气压缩机、干燥器、储气罐、粗过滤器、干燥器、精过滤器和调压装置，最后通过气浮轴承511实现承压。在本实施例中每组有四个气浮轴承511，其中两个气浮轴承511通过铰链结构连接在一起组成一对，每对轴承之间也通过铰链结构连接起来，这样一组中就包含三个铰链结构。通过计算仿真比较，确定气浮轴承511的最佳气膜厚度，并确定带有三角形均压槽的气浮轴承511，综合承载性能最佳。

在本实施例中，气浮系统51的主要工作元件是平面气体静压轴承，俗称气浮垫。该轴承以气体作为润滑介质，具有高精度、低噪声、污染小等特点，广泛应用于精密测量场合。但由于气体密度较小，容易受到压缩，相对传统轴承，气浮轴承511的刚度和承载力普遍较低。通过设计多个铰链结构组合使用气浮轴承能保证组合承载力较为稳定且垂直于样品台1底面；当单个轴承通过缝隙时，其性能变化对整组的承载力影响较小；气浮系统51共有三组，比较容易调平。平台在全缩状态下总高度不大于850毫米，总重量2.3吨，气浮支撑系统5最大承重4.8吨，各项参数满足谱仪整体目标的需要，达到世界一流水平。

气浮支撑系统5位于样品台1最下层，承载着样品台1台体，通过特殊设计的支撑块514与旋转运动部件4的支撑组件连接；旋转运动部件4的支撑底板412与垂直升降部件3的外套筒相连；垂直升降机构采用电动伸缩缸，使用频率相对于X与Y方向水平移动机构较少，所以将垂直升降机构安装在样品台1台体中间层；电动伸缩缸顶部与水平运动部件底部连接；水平运动部件的X轴部件固定在Y轴的导杆621上，这样X轴上的滑台就是运动对象，即可由Y轴控制导轨的Y方向运动，也可由X轴控制滑台的X方向运动，由于X与Y方向水平移动机构行程较大，使用频率高，所以将其安装在样品台1台体的最上层。样品安装板置于X与Y方向水平移动系统之上。样品台具有4个自由度(X、Y、Z方向平移及绕Z方向旋转)、最大承重1吨、平移精度25微米、旋转精度0.005度的特点，可实现大体积、大重量样品的安装和快速准确的选点定位。工作时，将待测样品安装定位于样品安装板上，通过调节电动缸的伸缩，带动支撑套筒垂直升降，调节样品的垂直高度；通过调整水平部件X、Y轴方向的位置，带动样品水平运动；通过调整回转机构的角度，带动套筒筒体、水平运动系统旋转运动使样品运动到待测角度。样品台的运动使待测样品处于合适的空间位置，便于对其内部具体待测位置检测。

本申请提出了一种中子衍射应力谱仪样品台，通过设置水平运动系统和垂直升降系统、旋转运动系统，可实现四自由度的运动，即X轴方向和Y轴方向的水平运动、Z轴方向的垂直运动、以及绕Z轴的旋转运动；垂直升降系统的动力元件采用二级电动缸，配合多级升降套筒与导轨滑块单元组成的导向系统，实现了大承重，高精度、抗偏载、高可靠性、高平稳性运动；旋转运动部件采用电极-减速机-回转机构的传动路线，采用双电机消除间隙、提高控制精度，在保证各部件的强度、刚度、转速和转向的前提下，尽量使其结构简单，体积小；气浮支撑系统通过设计多个铰链结构组合使用气浮轴承，能保证组合承载力较为稳定且垂直于样品台底面，实现了样品台的平稳运行；当单个轴承通过缝隙时，其性能变化对整组的承载力和运行平稳性影响较小，提高样品台的运动精度；本发明在尽可能减少样品装夹次数的情况下满足样品内部检测需求，具有多自由度、大承重、大行程、高精度、运行平稳的特点，可满足大体积、大重量工件内部应力中子衍射应力测试的需要。

最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，包括样品安装板、控制样品安装板水平运动的水平运动系统、控制样品安装板垂直运动的垂直升降系统以及控制样品安装板、中子衍射应力谱仪探测器和截捕器旋转的旋转运动系统；所述样品安装板设于所述水平运动系统上，所述水平运动系统下方连接垂直升降系统，所述垂直升降系统连接旋转运动系统，所述旋转运动系统底部连接气浮支撑系统；所述旋转运动系统包括样品台自转部件、样品台支撑机构和摆动连接部件，所述样品台自转部件用于控制样品安装板绕中心轴转动，所述摆动连接部件通过圆弧导轨安装于所述样品台支撑机构上，用于连接探测器、截捕器并沿圆弧导轨运动。

2.根据权利要求1所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，还包括气浮支撑系统，所述气浮支撑系统设于所述旋转运动系统下方；所述气浮支撑系统至少包括三个沿圆周均匀分布的气浮轴承组，所述每个气浮轴承组包括连接为一体的四个气浮轴承。

3.根据权利要求2所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述每个气浮轴承组中两个气浮轴承为一对气浮轴承，通过第一连接杆连接，两对气浮轴承间通过第二连接杆连接，第二连接杆上方连接支撑块；所述第一连接杆两端位置开设通孔，中间位置处设有用于实现铰接的第一销轴，用于实现两个气浮轴承上下调节，所述第二连接杆中间位置处设有用于实现铰接的第二销轴，用于实现两对气浮轴承的左右调节，所述支撑块两端开设两个螺纹孔用于安装连接气管的气阀，顶部开设有四个螺纹孔用于气浮轴承组结构与样品台底部的紧固连接。

4.根据权利要求1所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述水平运动系统包括X轴运动部件和Y轴运动部件，所述X轴运动部件和Y轴运动部件相互垂直设置，所述样品安装板安装于所述X轴运动部件上，用于固定待测应力的工件和加载环境配置装置，所述X轴运动部件安装于所述Y轴运动部件上。

5.根据权利要求4所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述X轴运动部件和Y轴运动部件都包括驱动元件和导向元件，所述驱动元件包括滚珠丝杠和伺服电机，所述导向元件包括导杆和滑块；所述导杆至少包括两根，且分别对称平行设于所述滚珠丝杠两侧，所述滚珠丝杠连接所述伺服电机，所述滑块安装于所述导轨上；所述样品安装板与所述X轴运动部件、所述X轴运动部件与所述Y轴运动部件间通过滚珠丝杠和导向元件连接。

6.根据权利要求1所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述垂直升降系统包括多级套筒机构和升降导向机构，所述升降导向机构和多级套筒机构的最内套筒连接所述水平运动系统。

7.根据权利要求6所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述每相邻套筒间沿圆周均匀分布有多组直立导轨和滑块单元，且所述每相邻的两节套筒间设有限位部件；所述导轨设于相邻两层套筒中内层套筒的外侧，所述滑块单元由两个滑块上下排列组成，设于所述相邻两层套筒中外层套筒内侧的上半部分，与导轨位置对应，滑块单元与导轨配合工作；所述限位部件包括设于套筒外侧底部处的第一限位机构，以及对应设于相邻外部套筒内侧顶部的第二限位机构。

8.根据权利要求1所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述样品台支撑机构包括耳座、支撑圆筒和支撑底板，所述耳座设于所述支撑圆筒上，所述支撑圆筒设于所述支撑底板上；所述样品台自转部件包括伺服电机、减速机和回转机构，所述伺服电机设于耳座上并通过减速机连接所述回转机构，所述摆动连接部件包括两个承载滑座、四个伺服电机、四个减速机和摆动机构；所述摆动机构包括圆弧形齿条和小齿轮，所述承载滑座共有两个，分别连接与样品台协同工作的探测器与截捕器，所述承载滑座上部安装有两个伺服电机，所述伺服电机连接所述减速机，所述减速机输出轴连接小齿轮，所述承载滑座滑动安装在所述圆弧形导轨上，所述减速机通过齿轮连接所述圆弧形齿条。

9.根据权利要求8所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述回转机构包括齿轮圈、回转小齿轮和回转轴承，所述回转轴承安转于所述支撑圆筒上部，所述回转轴承的内圈上部安装有齿轮圈，所述齿轮圈连接所述垂直运动系统；所述支撑圆筒上安装有两组伺服电机和减速机，所述减速机的输出轴上安装有回转小齿轮，所述回转小齿轮与所述齿轮圈啮合。

10.根据权利要求9所述的中子衍射应力谱仪样品台，其特征在于，所述支撑底板整体为圆形、前部带一个缺口并设有圆环定位凸台，所述支撑圆筒和圆弧形齿条通过所述圆环定位凸台安装于所述支撑底板上，所述圆弧形导轨安装于圆弧形齿条上方，所述圆弧形导轨与圆弧形齿条的回转角度为210°。