CN110455839B - 一种用于中子散射的多功能自动换样台 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种用于中子散射的多功能自动换样台。本申请的多功能自动换样台包括支架、工作台、升降模组、回转台模组、水平移动模组和样品架模组；支架用于将整个多功能自动换样台支撑起来，工作台水平设置于支架的顶部；升降模组用于控制回转台模组和水平移动模组上下移动，实现样品上下移动；回转台模组用于转动样品，水平移动模组用于控制样品架模组水平移动，样品架模组用于放置样品。本申请的多功能自动换样台，结构设计合理，能够充分利用中子散射实验的有限空间进行多样品自动换样，同时结合多类型样品环境的切换，能够在同一中子束线上，实现同一状态的样品环境切换变化；并且，定位精度高，重复定位精度可靠，性能稳定，操作方便。

Description

一种用于中子散射的多功能自动换样台

技术领域

本申请涉及中子检测设备领域，特别是涉及一种用于中子散射的多功能自动换样台。

背景技术

中国散裂中子源是重大科技基础设施项目，中国散裂中子源的运行必将带动我国在中子散射科学领域的快速发展，增加开展基础科学研究的实验手段，进而促进我国在基础科学领域的进步。

散裂中子源在进行中子散射实验时，会有不同的样品环境需求，例如常温实验、低温实验、高温实验、磁场实验等，会涉及到大数量的标准样品，因此需要研发一种适用于散裂中子源进行中子散射实验的多功能自动换样装置，以满足中子散射实验的自动化使用需求。

发明内容

本申请的目的是提供一种专门用于中国散裂中子源的中子散射的多功能自动换样台。

本申请采用了以下技术方案：

本申请公开了一种用于中子散射的多功能自动换样台，包括支架、工作台、升降模组、回转台模组、水平移动模组和样品架模组；支架用于将整个多功能自动换样台支撑起来，工作台水平设置于支架的顶部；升降模组包括升降模组底座、升降模组平台、升降支撑结构和升降驱动装置；升降模组底座固定安装在工作台上；升降模组平台通过升降支撑结构安装在升降模组底座上；升降模组底座上竖立的设置有导轨，升降支撑结构上设置有与升降模组底座的导轨配合连接结构；升降驱动装置驱动升降模组平台和升降支撑结构沿升降模组底座的导轨上下移动；回转台模组包括回转轴、回转工作台和回转驱动装置；升降模组平台具有一个通孔，回转轴伸出该通孔；回转工作台安装于回转轴的端部，并且平行设置于升降模组平台的正上方，回转工作台用于安装需要转动进行位置调整的样品；回转驱动装置用于驱动回转轴和回转工作台转动；水平移动模组包括水平移动模组底座、X向移动板、第一水平驱动装置、Y向移动板和第二水平驱动装置；水平移动模组底座安装在升降模组平台上，水平移动模组底座上水平设置有X方向的第一导轨；X向移动板滑动安装于第一导轨上，并由第一水平驱动装置驱动X向移动板沿第一导轨移动；X向移动板上水平设置有与X方向垂直的Y方向的第二导轨；Y向移动板滑动安装于第二导轨上，并由第二水平驱动装置驱动Y向移动板沿第二导轨移动；Y向移动板用于安装需要水平移动的样品架模组，样品架模组用于放置样品。

需要说明的是，本申请的多功能自动换样台特别针对中子散射实验而设计，中子散射实验是在一个相对封闭的空间内进行，因此，其空间是有限的；本申请的自动换样台整体结构上，充分利用中子散射实验有限的空间，实现多样品的自动换样；同时结合多类型样品环境的切换，能够在同一中子束线上，实现同一状态的样品环境切换变化。本申请的自动换样台定位精度高，重复定位精度可靠，性能稳定；并且，本申请的一种实现方式中，通过软件控制程序进行远程控制和操作，既能本地操作，又能够实现远程控制，便于硬件切换，使用简单方便。

优选的，工作台包括位移板和调平板；位移板水平安装于支架的顶部，位移板角落对应的位置设有固定块，固定块固定安装在支架的侧边上，通过固定块对位移板进行水平位置的微调和固定；位移板的四个角落分别设置有支撑柱，调平板通过支撑柱支撑安装在位移板的正上方，并且，通过支撑柱可以微调调平板水平角度，使调平板保持水平；调平板用于安装升降模组。

需要说明的是，本申请将工作台分别设计为位移板和调平板的结构形式，位移板可以实现工作台的水平位置微调，在多功能自动换样台整体安装稳当的情况下，通过位移板的微调能够使样品的初始位置更准确。虽然本申请的多功能自动换样台本身设计有水平移动模组，但是，在水平移动模组处于初始位置状态时，即便多功能自动换样台的安装是经过准确计算的，仍然难免会存在安装误差，位移板的设计就可以很好的纠正误差。位移板的作用是避免水平位置的误差，而调平板的作用则是纠正水平倾斜的误差。可以理解，虽然原则上要求工作台的安装必须保持水平，即整个工作台包括位移板和调平板都必须是水平的，但是，同样难免存在安装误差，调平板的设计，就可以很好的纠正细微的角度误差，使得调平板保持水平，以确保安装在调平板上的其它组件的水平。

优选的，固定块上开设有两个孔，分别用于安装拉杆和顶杆；拉杆与位移板固定连接，固定块上安装拉杆的孔为光滑内壁，拉杆伸出固定块的部分具有外螺纹并配套有螺母，通过旋紧螺母拉动位移板；顶杆与位移板接触连接，固定块上安装顶杆的孔具有内螺纹，相应的顶杆设置有匹配的外螺纹，通过旋紧顶杆将位移板顶紧固定。

需要说明的是，拉杆和顶杆的作用是通过推拉移动位移板，实现其位置的微调，固定块及其相应的拉杆和顶杆，根据需要安装于位移板的角度；可以理解，并不是位移板的四个角落都需要安装固定块，只要能够实现其前后左右位移即可，本申请的一种实现方式中，就是在位移板的三个角落安装了四个固定块，以实现移动。

优选的，支架的顶部具有一个支架平台，位移板安装在支架平台上，并且，位移板上还设置有一个锁紧压板，锁紧压板的中心竖立延伸一个螺杆，位移板相应的位置处具有一个相匹配的内螺纹通孔，锁紧压板的螺杆穿过位移板的内螺纹通孔，抵压在支架平台上，通过旋紧锁紧压板使其螺杆抵紧支架平台，从而将位移板锁紧固定。

需要说明的是，锁紧压板的作用是固定位移板，在位移板微调完成后，虽然固定块也有固定作用，但是为了避免误操作，本申请的改进方案中设计了一个锁紧压板，将位移板的位置锁紧固定。本申请的一种实现方式中，锁紧压板是通过螺杆抵压实现锁紧的，可以理解，不排除还可以采用其它形式，只要能够固定位移板的位置即可。

优选的，升降模组平台的通孔对应的位置处，于升降模组平台的下表面安装有一个凹形的顶座，回转驱动装置安装于顶座围成的凹槽内。

需要说明的是，回转台模组安装于升降模组平台上，为了能够便于切换实验模式，同时合理利用空间，回转驱动装置置于升降模组平台下方，升降驱动装置驱动升降模组上升或者下降时，整个回转台模组也一起上升或下降。

优选的，水平移动模组中，第一水平驱动装置为自动丝杆电机，第二水平驱动装置为手动丝杆驱动。

优选的，升降模组中，升降驱动装置为涡轮升降机。

优选的，样品架模组包括样品架底板、下层样品架和上层样品架；样品架底板安装于Y向移动板上，样品架底板的两侧分别竖立延伸有样品架支架；下层样品架安装在样品架底板上，上层样品架叠放在下层样品架的上方，并且，通过样品架支架固定上层样品架的位置。

需要说明的是，如前面提到的，中子散射实验内部的空间是有限的，本申请的一种实现方式中，将样品架设计为两层结构，即下层样品架和上层样品架，这样可以更好的利用空间容纳更多的样品，本申请的一种实现方式中，整个样品架模组可以容纳36个样品。

优选的，样品架底板的表面设置有一个换样滑组，换样滑组设置有导轨，下层样品架可以沿换样滑组的导轨滑动到指定的安装位置或者移出安装位置，以便于换样。

需要说明的是，换样滑组的作用就是便于样品架滑动位移，方便进行换样操作，同时也便于自动化控制。

优选的，回转台模组中，回转驱动装置包括驱动电机和与之配合的减速电机，减速电机通过联轴器与回转轴连动。

本申请的有益效果在于：

本申请的多功能自动换样台，结构设计合理，能够充分利用中子散射实验的有限空间进行多样品自动换样，同时结合多类型样品环境的切换，能够在同一中子束线上，实现同一状态的样品环境切换变化；并且，定位精度高，重复定位精度可靠，性能稳定，操作方便。

附图说明

图1是本申请实施例中多功能自动换样台的正面结构示意图；

图2是本申请实施例中多功能自动换样台的侧面结构示意图；

图3是本申请实施例中多功能自动换样台的立体结构示意图；

图4是本申请实施例中样品架模组的正面结构示意图；

图5是本申请实施例中样品架模组的立体结构示意图；

图6是本申请实施例中样品架模组的样品架底板的结构示意图；

图7是本申请实施例中水平移动模组的正面结构示意图；

图8是本申请实施例中水平移动模组的立体结构示意图；

图9是本申请实施例中升降模组的正面结构示意图；

图10是本申请实施例中升降模组的图9所示R-R剖视结构示意图；

图11是本申请实施例中升降模组的立体结构示意图；

图12是本申请实施例中升降支撑结构的立体结构示意图；

图13是本申请实施例中升降模组底座的立体结构示意图；

图14是本申请实施例中回转台模组的结构示意图；

图15是本申请实施例中回转台模组的图14所示M-M剖视结构示意图；

图16是本申请实施例中工作台和支架组装的正面结构示意图；

图17是本申请实施例中工作台和支架组装的俯视结构示意图；

图18是本申请实施例中工作台和支架组装的立体结构示意图；

图19是本申请实施例中工作台的调平板的结构示意图；

图20是本申请实施例中工作台的位移板的结构示意图；

图21是本申请实施例中工作台的固定块的结构示意图；

图22是本申请实施例中固定块的图21所示B-B剖视结构示意图；

图23是本申请实施例中支架的立体结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本申请作进一步详细说明。以下实施例仅对本申请进行进一步说明，不应理解为对本申请的限制。

实施例

本例用于中子散射的多功能自动换样台，如图1至图3所示，包括支架1、工作台2、升降模组3、回转台模组4、水平移动模组5和样品架模组6；支架1用于将整个多功能自动换样台支撑起来，工作台2水平设置于支架1的顶部；升降模组3用于控制样品架模组6上下移动；回转台模组4和水平移动模组5都是用于安装样品或样品架模组的，使用时可根据需要选择将样品或样品架模组6安装在回转台模组4或水平移动模组5上；回转台模组4可以实现旋转作业，水平移动模组5可以实现在水平面上进行前后左右移动；样品架模组6用于放置样品。

本例的样品架模组6，如图4和图5所示，包括样品架底板61、下层样品架62和上层样品架63；以水平移动模组5为例，样品架底板61安装于水平移动模组5的工作平面上，样品架底板61，如图6所示，其两侧分别竖立延伸有样品架支架611；下层样品架62安装在样品架底板61上，上层样品架63叠放在下层样品架62的上方，并且，通过样品架支架611固定上层样品架63的位置。进一步的改进方案中，样品架底板61的表面设置有一个换样滑组612，换样滑组612设置有导轨，下层样品架62可以沿换样滑组612的导轨滑动到指定的安装位置或者移出安装位置，以便于换样。

本例的水平移动模组5，如图7和图8所示，包括水平移动模组底座51、X向移动板52、第一水平驱动装置53、Y向移动板54和第二水平驱动装置55；水平移动模组底座51安装在升降模组的工作平面上，水平移动模组底座51上水平设置有X方向的第一导轨511；X向移动板52滑动安装于第一导轨511上，并由第一水平驱动装置53驱动X向移动板52沿第一导轨511移动；X向移动板52上水平设置有与X方向垂直的Y方向的第二导轨521；Y向移动板54滑动安装于第二导轨521上，并由第二水平驱动装置55驱动Y向移动板54沿第二导轨521移动；Y向移动板54用于安装需要水平移动的样品架模组6，样品架模组6用于放置样品，具体的，样品架底板61安装于Y向移动板54上。本例的第一水平驱动装置53为自动丝杆电机，第二水平驱动装置55为手动丝杆驱动。水平移动模组5设置于回转台模组4旁边，两者预留可供样品架模组6水平移动的空间。

本例的升降模组3，如图9至图11所示，包括升降模组底座31、升降模组平台32、升降支撑结构33和升降驱动装置34；升降模组底座31固定安装在工作台2上；升降模组平台32通过升降支撑结构33安装在升降模组底座31上；升降模组底座31上竖立的设置有升降导轨，升降支撑结构33上设置有与升降模组底座31的升降导轨配合连接结构；升降驱动装置34驱动升降模组平台32和升降支撑结构33沿升降模组底座31的升降导轨上下移动。本例的升降支撑结构33，如图12所示，为L型支架；两个L型支架分别设置于升降模组平台32的两个端部，从而将升降模组平台32支撑起来，并且L型支架内设置有若干个支架筋板331，进一步稳固L型支架的形状，本例具体的，每个L型支架内设置了三个支架筋板。本例的升降模组底座31，如图13所示，升降模组底座31呈凹槽形结构，两个侧壁的外壁分别设置有升降导轨311，凹槽内部设置有若干个底座筋板312，用于支撑和稳固升降导轨311。本例的升降驱动装置34为涡轮升降机。

本例的回转台模组4，如图1，包括回转轴41、回转工作台42和回转驱动装置43；如图11所示，升降模组平台32具有一个通孔321，回转轴41伸出该通孔321；回转工作台42安装于回转轴41的端部，并且平行设置于升降模组平台32的正上方，回转工作台42用于安装需要转动进行位置调整的超导、高温、磁场和原位实验等，即样品安装于回转工作台42上；回转驱动装置43用于驱动回转轴41和回转工作台42转动。可以理解，如果选择使用回转台模组4，则需要拆除水平移动模组5，以方便样品转动。

本例的一种改进方式中，如图9和图11所示，升降模组平台32的通孔321对应的位置处，于升降模组平台32的下表面安装有一个凹形的顶座322，回转驱动装置43安装于顶座322围成的凹槽内。并且，如图14所示，回转驱动装置包括驱动电机431和与之配合的减速电机432，如图15所示，减速电机432通过联轴器44与回转轴41连动。

本例的工作台2，如图16至图18所示，包括位移板21和调平板22；位移板21水平安装于支架1的顶部，位移板21角落对应的位置设有固定块211，固定块211固定安装在支架1的侧边上，通过固定块211对位移板21进行水平位置的微调和固定；位移板21的四个角落分别设置有支撑柱212，调平板22通过支撑柱212支撑安装在位移板21的正上方，并且，通过支撑柱212可以微调调平板22水平角度，使调平板22保持水平；调平板22用于安装升降模组3。调平板的结构如图19所示，位移板的结构如图20所示。

其中，固定块211如图21和图22所示，其开设有两个孔，分别用于安装拉杆2111和顶杆2112；拉杆2111与位移板21固定连接，固定块211上安装拉杆2111的孔为光滑内壁，拉杆2111伸出固定块211的部分具有外螺纹并配套有螺母，通过旋紧螺母拉动位移板21；顶杆2112与位移板21接触连接，固定块211上安装顶杆2112的孔具有内螺纹，相应的顶杆2112设置有匹配的外螺纹，通过旋紧顶杆2112将位移板21顶紧固定。

本例的一种改进方式中，如图23所示，支架1的顶部具有一个支架平台11，如图18所示，位移板21安装在支架平台11上，并且，位移板21上还设置有一个锁紧压板213，锁紧压板213的中心竖立延伸一个螺杆，位移板21相应的位置处具有一个相匹配的内螺纹通孔，锁紧压板213的螺杆穿过位移板21的内螺纹通孔，抵压在支架平台11上，通过旋紧锁紧压板213使其螺杆抵紧支架平台11，将位移板21锁紧固定。

本例的水平移动模组，在标准实验中能使多样品进行自动换样依次实验，控制精度在0.1mm内；回转台模组为旋转机构，在不同样品环境实验中能转动样品达到精确实验位置，控制精度在0.001°；升降模组为升降机构，在实验中能升降样品及样品环境，控制精度在0.05mm内；工作台设计为微调结构，使用激光跟踪仪测量调节整个设备处于实验位置，保证平面度、位置度和垂直度，控制精度均在0.2mm内。

本例用于中子散射的多功能自动换样台，主要由工作台的微调节机构、升降模组的升降机构、水平移动模组的平移机构、回转台模组的转动机构组成；其结构设计主要考虑针对不同的样品实验环境，采取两种不同的工作结构：1、针对普通样品测量，使用的机构为升降机构和平移机构，能够对36个样品依次进行自动换样实验；2、针对超导、高温、磁场和原位实验，使用的机构为升降机构和旋转机构，需要拆除平移机构，平移机构与平台间有定位销及螺栓连接，保证拆装的定位精度及固定。由于旋转机构需要根据不同的样品环境进行实验，需要针对不同实验进行配备过渡工装，促使实验顺利进行，预留的接口为通用法兰结构。

本例的多功能自动换样台，其关键在于：

1、使用范围：在中子实验中，充分利用现有技术的空间，实现多样品自动换样实验。

2、可塑性：充分考虑了标准实验的自动换样，在有限的空间内，实现多样品自动换样；同时结合了多类型样品环境的切换，能够在同一中子束线上，实现同一状态的样品环境切换变化。

3、使用性能：定位精度高，重复定位精度可靠，性能稳定。

4、操作方便：本例的多功能自动换样台可以通过软件控制程序进行操作，能够实现远程操作和本地操作，并且硬件切换方便。

以上内容是结合具体的实施方式对本申请所作的进一步详细说明，不能认定本申请的具体实施只局限于这些说明。对于本申请所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种用于中子散射的多功能自动换样台，其特征在于：包括支架(1)、工作台(2)、升降模组(3)、回转台模组(4)、水平移动模组(5)和样品架模组(6)；

所述支架(1)用于将整个多功能自动换样台支撑起来，所述工作台(2)水平设置于支架(1)的顶部；

所述升降模组(3)包括升降模组底座(31)、升降模组平台(32)、升降支撑结构(33)和升降驱动装置(34)；所述升降模组底座(31)固定安装在工作台(2)上；所述升降模组平台(32)通过升降支撑结构(33)安装在升降模组底座(31)上；所述升降模组底座(31)上竖立的设置有导轨，所述升降支撑结构(33)上设置有与所述升降模组底座(31)的导轨配合连接结构；所述升降驱动装置(34)驱动升降模组平台(32)和升降支撑结构(33)沿升降模组底座(31)的导轨上下移动；

所述回转台模组(4)包括回转轴(41)、回转工作台(42)和回转驱动装置(43)；所述升降模组平台(32)具有一个通孔(321)，所述回转轴(41)伸出该通孔(321)；回转工作台(42)安装于回转轴(41)的端部，并且平行设置于升降模组平台(32)的正上方，回转工作台(42)用于安装需要转动进行位置调整的样品；回转驱动装置(43)用于驱动回转轴(41)和回转工作台(42)转动；

所述水平移动模组(5)包括水平移动模组底座(51)、X向移动板(52)、第一水平驱动装置(53)、Y向移动板(54)和第二水平驱动装置(55)；所述水平移动模组底座(51)安装在所述升降模组平台(32)上，水平移动模组底座(51)上水平设置有X方向的第一导轨(511)；所述X向移动板(52)滑动安装于所述第一导轨(511)上，并由第一水平驱动装置(53)驱动X向移动板(52)沿第一导轨(511)移动；所述X向移动板(52)上水平设置有与X方向垂直的Y方向的第二导轨(521)；所述Y向移动板(54)滑动安装于所述第二导轨(521)上，并由第二水平驱动装置(55)驱动Y向移动板(54)沿第二导轨(521)移动；

所述Y向移动板(54)用于安装需要水平移动的样品架模组(6)，所述样品架模组(6)用于放置样品。

2.根据权利要求1所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述工作台(2)包括位移板(21)和调平板(22)；

所述位移板(21)水平安装于所述支架(1)的顶部，位移板(21)角落对应的位置设有固定块(211)，固定块(211)固定安装在所述支架(1)的侧边上，通过固定块(211)对位移板(21)进行水平位置的微调和固定；

所述位移板(21)的四个角落分别设置有支撑柱(212)，所述调平板(22)通过支撑柱(212)支撑安装在位移板(21)的正上方，并且，通过支撑柱(212)可以微调调平板(22)水平角度，使调平板(22)保持水平；

所述调平板(22)用于安装所述升降模组(3)。

3.根据权利要求2所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述固定块(211)上开设有两个孔，分别用于安装拉杆(2111)和顶杆(2112)；

所述拉杆(2111)与所述位移板(21)固定连接，固定块(211)上安装拉杆(2111)的孔为光滑内壁，拉杆(2111)伸出固定块(211)的部分具有外螺纹并配套有螺母，通过旋紧螺母拉动位移板(21)；

所述顶杆(2112)与所述位移板(21)接触连接，固定块(211)上安装顶杆(2112)的孔具有内螺纹，相应的顶杆(2112)设置有匹配的外螺纹，通过旋紧顶杆(2112)将位移板(21)顶紧固定。

4.根据权利要求2所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述支架(1)的顶部具有一个支架平台(11)，所述位移板(21)安装在支架平台(11)上，并且，位移板(21)上还设置有一个锁紧压板(213)，锁紧压板(213)的中心竖立延伸一个螺杆，位移板(21)相应的位置处具有一个相匹配的内螺纹通孔，锁紧压板(213)的螺杆穿过位移板(21)的内螺纹通孔，抵压在支架平台(11)上，通过旋紧锁紧压板(213)使其螺杆抵紧支架平台(11)，将位移板(21)锁紧固定。

5.根据权利要求1所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述升降模组平台(32)的通孔(321)对应的位置处，于升降模组平台(32)的下表面安装有一个凹形的顶座(322)，所述回转驱动装置(43)安装于顶座(322)围成的凹槽内。

6.根据权利要求1所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述水平移动模组(5)中，第一水平驱动装置(53)为自动丝杆电机，第二水平驱动装置(55)为手动丝杆驱动。

7.根据权利要求1所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述升降模组(3)中，升降驱动装置(34)为涡轮升降机。

8.根据权利要求1所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述样品架模组(6)包括样品架底板(61)、下层样品架(62)和上层样品架(63)；

所述样品架底板(61)安装于Y向移动板(54)上，样品架底板(61)的两侧分别竖立延伸有样品架支架(611)；

所述下层样品架(62)安装在所述样品架底板(61)上，所述上层样品架(63)叠放在下层样品架(62)的上方，并且，通过所述样品架支架(611)固定上层样品架(63)的位置。

9.根据权利要求8所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述样品架底板(61)的表面设置有一个换样滑组(612)，换样滑组(612)设置有导轨，所述下层样品架(62)可以沿换样滑组(612)的导轨滑动到指定的安装位置或者移出安装位置，以便于换样。

10.根据权利要求1所述的多功能自动换样台，其特征在于：所述回转台模组(4)中，回转驱动装置(43)包括驱动电机(431)和与之配合的减速电机(432)，减速电机(432)通过联轴器(44)与回转轴(41)连动。

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