CN1303453C - 同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统 - Google Patents

Abstract

一种机械设备领域的同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，转轴一端设有编码器，转轴另一端设晶体槽，晶体微调压板、第一晶体设在晶体槽内，晶体压板、压块水管法兰焊合压住第一晶体后与晶体槽连接，压块水管法兰焊合与第一晶体侧面之间用O形圈密封连接，晶体槽下底面拧有调整螺钉，编码器安装支架与编码器、转角仪连接，转角仪、传动连接板、传动连接套依次连接，传动连接套与转轴用定位键固定，转轴上背靠背设有角接触轴承，由轴承座支撑，轴承座一端与磁流体密封组件连接，压块水管法兰焊合与转轴之间通过O形圈密封连接，管接头插入编码器安装支架所在轴段上设置的两个对称的孔中。本发明节省了空间，一定程度上消除摩擦产生的热量。

Description

同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统

技术领域

本发明涉及的是一种驱动转轴系统，特别是一种同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，用于机械设备领域。

背景技术

目前，同步辐射双晶单色器中的第一晶体转轴驱动系统主要包括转轴、一晶托架、Huber转角仪、角度探测器、真空密封装置和冷却系统。它们的结构设计和相对位置布置对双晶单色器的性能有直接的影响。

经文献检索发现，王峰等人2001年8月在《光学精密工程》第9卷第4期上发表的《同步辐射X射线双晶单色仪能量扫描》中描述了已研制成功的合肥同步辐射光源(HLS)的第一晶体转轴驱动系统。文中指出，在真空腔体的内侧，夹持一晶的托架直接与转台连成一体，腔体外侧固定有转角仪和角度探测器，盖板上装有自行研制的磁流体密封轴承，作为真空与大气的动态隔离。角度探测器与转轴之间通过联轴器联结，它们的轴线互相重合。这种结构的不足之处是角度探测器和轴端之间的联轴器容易产生扭转误差，使得探测器不能精确反映转轴的转角。而且，安装时，必须保证转轴中心线必须通过一晶晶面，而一晶托架与转台相连，由于转台与转轴之间的安装误差，增加了的安装的难度和调节的复杂性。另外，合肥同步辐射光源(HLS)的第一晶体转轴驱动系统没有设计冷却系统。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种双晶单色器第一晶体驱动转轴系统。使其通过高精度的增量式旋转编码器与转轴直联的方式保证转轴系统转角的精确性，并利用磁性流体真空传动装置保持双晶单色器腔体内的高真空度。大部分的水冷通道直接沿轴向通过转轴，不仅节省了空间，且在冷却第一晶体的同时，还能在一定程度上消除磁流体密封组件和转轴由于摩擦产生的热量。

本发明是根据以下的技术方案实现的，本发明包括：晶体微调压板，晶体压板，磁流体密封组件，角接触轴承，转角仪，定位键，传动连接板，编码器，编码器安装支架，管接头，传动连接套筒，轴承座，转轴，O形圈，压块水管法兰焊合，第一晶体，微调螺钉。

其连接方式为：在转轴的一端加工出一个中心与转轴中心重合的突出的圆形轴端，在其中心上开一个螺孔，使用编码器自带的内六角螺钉通过编码器的中心孔拧入轴端上的螺孔。编码器孔正好与轴端配合，其中编码器孔的直径精度为φ15₀ ^+0.005mm，轴端直径精度为φ15_-0.005 ^-0.001mm，轴端表面轴向跳动为0.01mm。突出轴端附近的表面需要与编码器的表面接触，所以所需的表面轴向跳动为0.0005mm。编码器安装支架与编码器的法兰部分连接，再与转角仪的壳体连接。转角仪与传动连接板之间固定连接，传动连接板与传动连接套连接，传动连接套与转轴之间用定位键固定，同时通过紧定螺钉与转轴连接。转轴上背靠背安装一对角接触轴承，由轴承座支撑。

转轴的另一端设有晶体槽，晶体微调压板装入晶体槽内后，再放入第一晶体，晶体压板、压块水管法兰焊合压住第一晶后与晶体槽连接，压块水管法兰焊合与第一晶体侧面之间分别用O形圈密封连接。在晶体槽的下底面拧有调整螺钉。另外第一晶体上还开有许多微通道。

在与编码器连接的转轴的那一端铣出两个与中心对称的圆形凹槽，从凹槽中心分别沿转轴的轴向打两个细长的通道，并用螺塞塞住。两通道在接近转轴的另一端时，改为与原来方向垂直的径向，分别通向外部。通向外部的两个孔分别与压块水管法兰焊合相接，压块水管法兰焊合上的法兰与转轴之间分别通过O形圈密封连接，再用螺钉固定。在编码器安装支架所在轴段上打两个对称的孔与两通道相通，在这两个孔中分别插入管接头。

磁流体密封组件包括：磁性流体，永久磁铁，磁极，O型密封圈，压盖，壳体。其连接方式为：在转轴上加工出两段多级环形间隙，其中充满了磁性流体，磁性流体主要由精制油和二酯组成，具有较高的磁化强度和粘度。磁极分别安装在两段多级间隙上，永久磁铁置于磁极之间，永久磁铁产生的磁通经过磁极形成磁场作用于磁性流体，使磁性流体被吸住在间隙内，形成磁流体“O”型环，从而把间隙堵住，达到密封的目的。再在磁极和永久磁体外套上壳体，壳体与磁极之间安装O形圈以起到静密封的作用，然后安装压盖，壳体和压盖之间用螺钉固定。

轴承座由金属盘和金属套两部分焊接而成，金属盘一端与转角仪的壳体之间用螺钉连接，金属套一端与磁流体密封组件的壳体通过螺钉连接，并安装O形圈。金属套的法兰部分再与真空腔体通过螺钉连接，同时使用O形圈密封连接。

本发明运行时，转角仪自带有步进电机，给步进电机通电，带动转角仪中的涡轮蜗杆传动，使转角仪通过传动连接板、传动连接套筒和定位键带动转轴绕着轴线转动，同时带动第一晶体随着转轴一起转动。而固定不动的磁流体密封组件与转轴之间则形成相对的转动，使磁性流体和转动轴上的环形间隙、永久磁体和磁极形成动态密封回路，保证第一晶体所在的转轴的左侧的高真空度。转轴通过螺钉的连接将转动传给编码器，编码器直接测量转轴的转角即实际的Bragg转角，其读出精度为一角秒。从一个管接头注入一定温度和速率的离子水，水沿着一条通道流入，经过压块水管法兰焊合流进第一晶体的微通道，形成微通道型冷却结构。离子水再从另一压块水管法兰焊合和另一条通道通过另一个管接头流出，从而完成第一晶体水冷的功能。

本发明具有实质性特点和显著进步。采用了磁流体密封这种技术，为适应真空环境，磁性流体密封圈标准设计压力大于两个大气压，所以是绝对安全的。而且磁性流体包围整个转轴，成为隔绝空气、水气、烟雾等元素的密封圈，可以保证几乎无泄漏，无机械磨损，使用寿命长。采取转轴与编码器直联的方式，可以消除因联轴器的扭转变形而产生的误差，提高了Bragg转角的精度，有利于双晶单色器工作的有效性。所采用的转角仪具有高精度、高负载和结构紧凑等特点，其外表面经过抛光、阳极处理、镀铬，最小步程角为0.18”，重复精度小于2”，最大承载荷达到3600N。其自带的步进电机采用三相混合式步进电机，以1000步/转驱动转角仪内精制的1∶360涡轮蜗杆副和1∶20的齿轮变速器，产生平滑、无后冲且重复精度高的角位移。而且，在转角仪的连接部件传动连接套筒与转轴之间不仅通过定位键连接，还使用紧定螺钉固定，使转角仪带动转轴旋转时不会因为定位键和键槽之间的间隙而产生滞后现象。本发明中，放置第一晶体的晶体槽是直接由转轴加工而成的，避免了安装过程的误差，并且第一晶体下装有晶体微调压板和调整螺钉，可精确地调整第一晶体晶面的位置使之通过转轴中心线。本发明的水冷系统的通道经过转轴内部，不仪可适当减小整个系统尺寸，还对转轴及其上安装的零部件，如轴承、磁流体密封部件等起到一定的冷却作用。

附图说明

图1本发明结构正向剖面示意图

图2第一晶体及水冷结构俯视结构示意图

图3第一晶体及水冷结构侧视结构示意图

图4磁流体密封组件结构示意图

具体实施方式

如图1、图2、图3和图4所示，本发明包括：晶体微调压板1，2个晶体压板2，磁流体密封组件3，2个角接触轴承4，O形圈16、20，带步进电机的转角仪6，定位键7，传动连接板8，编码器安装支架9，编码器10，管接头12，传动连接套筒13，轴承座14，转轴15，2个压块水管法兰焊合17，第一晶体18，微调螺钉19。

其连接方式为：在转轴15的一端加工出一个中心与转轴15中心重合的突出的圆形轴端，在其中心上开一个螺孔，使用编码器10自带的内六角螺钉通过编码器10的中心孔拧入轴端上的螺孔。编码器孔正好与轴端配合，其中编码器孔的直径精度为φ15₀ ^+0.005mm，轴端直径精度为φ15_-0.005 ^-0.001mm，轴端表面轴向跳动为0.01mm。突出轴端附近的表面需要与编码器10的表面接触，所以所需的表面轴向跳动为0.0005mm。编码器安装支架9通过螺钉与编码器10的法兰部分连接，再与转角仪6的壳体用螺钉连接。转角仪6与传动连接板8之间通过螺钉固定连接，传动连接板8再用螺钉与传动连接套13连接，传动连接套13与转轴15之间用定位键7固定，同时通过紧定螺钉与转轴15连接。转轴15上背靠背安装一对角接触轴承4，由轴承座14支撑，轴承座14一端与磁流体密封组件3连接。

转轴15的另一端设有一个晶体槽，将晶体微调压板1装入晶体槽内后，再放入第一晶体18，2个晶体压板2压住第一晶体18的晶面边缘后与晶体槽用螺钉连接。2个压块水管法兰焊合17压住第一晶体18的侧面后与晶体槽用螺钉连接，压块水管法兰焊合17与第一晶体18侧面之间分别用2个O形圈16密封连接。在晶体槽的下底面拧有4个调整螺钉19。另外第一晶体18上还开有许多微通道。

在与编码器10连接的转轴15的那一端铣出两个与中心对称的圆形凹槽，从凹槽中心分别沿转轴15的轴向打两个细长的通道，并用2个螺塞11塞住。两通道在接近转轴15的另一端时，改为与原来方向垂直的径向，分别通向外部。通向外部的两个孔分别与2个压块水管法兰焊合17相接，压块水管法兰焊合17上的法兰与转轴15之间分别通过O形圈20密封连接，再用螺钉固定。在编码器安装支架9所在轴段上打两个对称的孔与两通道相通，在这两个孔中分别插入2个管接头12。

磁流体密封组件3包括：磁性流体26，永久磁铁23，2个磁极24，O型密封圈25，压盖27，壳体21。其连接方式为：在转轴15上加工出两段多级环形间隙，其中充满了磁性流体26，磁性流体26主要由精制油和二酯组成，具有较高的磁化强度和粘度。2个磁极24分别安装在两段多级间隙上，永久磁铁23置于磁极24之间，永久磁铁23产生的磁通经过磁极24形成磁场作用于磁性流体26，使磁性流体26被吸住在间隙内，形成磁流体“O”型环，从而把间隙堵住，达到密封的目的。再在磁极24和永久磁体26外套上壳体21，壳体21与磁极24之间安装O形圈25以起到静密封的作用，然后安装压盖27，壳体21和压盖27之间用螺钉固定。

轴承座14由金属盘和金属套两部分焊接而成，金属盘一端与转角仪6的壳体之间用螺钉连接，金属套一端与磁流体密封组件3的壳体21通过螺钉连接，并安装O形圈22。金属套的法兰部分再与真空腔体通过螺钉连接，同时使用O形圈5密封连接。

本发明运行时，给转角仪6自带的步进电机通电，带动转角仪6中的涡轮蜗杆传动，使转角仪6通过传动连接板8、传动连接套筒13和定位键7带动转轴15绕着轴线转动，同时带动第一晶体18随着转轴15一起转动。而固定不动的磁流体密封组件3与转轴15之间则形成相对的转动，使磁性流体26和转动轴15上的环形间隙、永久磁体25和磁极27形成动态密封回路，保证第一晶体18所在的转轴15的左侧的高真空度。转轴15通过螺钉的连接将转动传给编码器10，编码器10直接测量转轴15的转角即实际的Bragg转角，其读出精度为一角秒。从一个管接头12注入一定温度和速率的离子水，水沿着一条通道流入，经过压块水管法兰焊合17流进第一晶体18的微通道，形成微通道型冷却结构。离子水再从另一压块水管法兰焊合17和另一条通道通过另一个管接头12流出，从而完成一晶水冷的功能。

Claims (6)

1、一种同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，包括：晶体微调压板(1)、晶体压板(2)、磁流体密封组件(3)、角接触轴承(4)、转角仪(6)、定位键(7)、传动连接板(8)、编码器安装支架(9)、编码器(10)、管接头(12)，传动连接套筒(13)、轴承座(14)、转轴(15)、O形圈(16、20)、压块水管法兰焊合(17)、第一晶体(18)和微调螺钉(19)，其特征在于，转轴(15)一端设有圆形轴端，转轴(15)的圆形轴端中心上有一个螺孔，编码器(10)通过自带的内六角螺钉经过编码器(10)的中心孔拧入圆形轴端上的螺孔，转轴(15)的另一端设有晶体槽，晶体微调压板(1)装入晶体槽内后，再放入第一晶体(18)，晶体压板(2)、压块水管法兰焊合(17)压住第一晶体(18)后与晶体槽连接，压块水管法兰焊合(17)与第一晶体(18)侧面之间用O形圈(16)密封连接，晶体槽的下底面拧有调整螺钉(19)，编码器安装支架(9)与编码器(10)连接，再与转角仪(6)的壳体连接，转角仪(6)与传动连接板(8)固定连接，传动连接板(8)与传动连接套(13)连接，传动连接套(13)与转轴(15)之间用定位键(7)固定，转轴(15)上背靠背设有一对角接触轴承(4)，由轴承座(14)支撑，轴承座(14)一端与磁流体密封组件(3)连接，与编码器(10)连接的转轴(15)的一端设有两通道，两通道分别与压块水管法兰焊合(17)相接，压块水管法兰焊合(17)上的法兰与转轴(15)之间通过O形圈(20)密封连接，编码器安装支架(9)所在轴段上设两个对称的孔，这两个孔中分别插入管接头(12)。

2、根据权利要求1所述的同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，其特征是，转轴(15)的圆形轴端，是中心与转轴(15)中心重合的突出的圆形轴端，编码器(10)的中心孔正好与转轴(15)的圆形轴端配合，其中编码器(10)的中心孔的直径精度为φ15₀ ^+0.005mm，圆形轴端直径精度为φ15_-0.005 ^-0.001mm，圆形轴端表面轴向跳动为0.01mm，转轴(15)的圆形轴端附近的表面与编码器(10)的表面接触，表面轴向跳动为0.0005mm。

3、根据权利要求1或者2所述的同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，其特征是，与编码器(10)连接的转轴(15)的一端设有两个与中心对称的圆形凹槽，从凹槽中心分别沿转轴(15)的轴向打两个细长的通道，并用螺塞(11)塞住，两通道在接近转轴(15)的另一端时，改为与轴向垂直的径向，分别通向外部，通向外部的两通道分别与压块水管法兰焊合(17)相接，编码器安装支架(9)所在轴段上的两个孔与两通道相通。

4、根据权利要求1所述的同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，其特征是，晶体压板(2)压住第一晶体(18)的晶面边缘后与晶体槽用螺钉连接，压块水管法兰焊合(17)压住第一晶体(18)的侧面后与晶体槽用螺钉连接，第一晶体(18)上还设有许多微通道。

5、根据权利要求1所述的同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，其特征是，磁流体密封组件(3)包括磁性流体(26)，永久磁铁(23)，磁极(24)，O形圈(25)，压盖(27)，壳体(21)，其连接关系为：在转轴(15)上设置两段多级环形间隙，其中充满了磁性流体(26)，磁极(24)设置在两段多级间隙上，永久磁铁(23)置于磁极(24)之间，永久磁铁(23)产生的磁通经过磁极(24)形成磁场作用于磁性流体(26)，使磁性流体(26)被吸住在间隙内，形成磁流体“O”型环，从而把间隙堵住，再在磁极(24)和永久磁体(26)外套上壳体(21)，壳体(21)与磁极(24)之间设置O形圈(25)，然后设置压盖(27)，壳体(21)和压盖(27)之间用螺钉固定。

6、根据权利要求1或者5所述的同步辐射双晶单色器第一晶体驱动转轴系统，其特征是，轴承座(14)由金属盘和金属套两部分焊接而成，金属盘一端与转角仪(6)的壳体连接，金属套一端与磁流体密封组件(3)的壳体(21)连接，并设置O形圈(22)，金属套的法兰部分再与真空腔体连接，同时通过O形圈(5)密封。

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