专利名称：一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置的制作方法
技术领域：
本发明属于分析材料原子分子结构和磁结构的技术领域，具体涉及一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置。
背景技术：
中子衍射技术的研究与应用始于二十世纪40年代，在最近二十年得以迅速发展，硬件技术和应用研究取得了长足的进步。在欧洲、美国、加拿大、日本、澳大利亚等发达国家和地区，己建立了较多高水平的中子衍射实验室。我国科技界已认识到中子衍射技术的落后局势，在国内拟改建的中物院的300#反应堆(以下简称新堆)和北京原子能科学研究院的中国先进研究堆(CARR)中，都把中子衍射技术作为反应堆应用技术的重点之一，近几年内将有十几台谱仪相继在这两个堆上建成。在中子衍射技术中，使用得最多、最广泛的是中子粉末衍射方法。目前，中子粉末衍射已成为研究材料原子分子结构和磁结构的标准实验技术，特别是在Rietveld峰形分析法引入粉末衍射的数据分析后，粉末中子衍射的应用更是迅速增加。这是因为，所研究的大部分材料(特别是新材料)很难生成实验要求的足够大的单晶样品，即使能够得到大的单晶体，由于存在消光等系统误差，也使得粉末衍射成为比单晶体衍射更有利的选择。因此，目前世界上的中子衍射实验室，尽管规模不同，实力不等，研究领域各有侧重，实验设施不尽相同，几乎都配备有水平高低不等的粉末中子衍射谱仪。高分辨率中子粉末衍射谱仪是一项综合性的系统工程，其综合利用了核电子学理论、关键单元部件技术、计量与测试分析技术、误差处理技术、运动控制技术等，因此，具有技术高度集成的特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，能从不同角度位置分析超导材料、纳米材料、磁性材料等多种材料的空间几何结构(键长、键角等)，确定原子位置、分子间距、磁结构(磁性原子的排列和取向、磁矩的大小等)。本发明为解决技术问题所采用的技术方案是:本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，其特点是，所述的运动装置包括支撑平台单元、样品台单元、探测器运载单元。其中，所述支撑平台单元包括搬运气垫、八角台架、调平垫块、圆环平台。所述样品台单元包括伺服电机、圆托架、外回转套筒、圆光栅、芯轴、伸缩套筒、伸缩杆、样品。所述的探测器运载单元包括连接杆、运载托盘、气浮垫、驱动电机、摩擦轮。其连接关系是，所述的支撑平台单元中的数个搬运气垫底面与地面接触，八角台架通过搬运气垫的螺杆与搬运气垫连接，调平垫块对应安装在八角台架上端的八个角上，圆环平台通过螺杆安装在调平垫块上方。所述样品台单元中的圆托架安装在圆环平台的中心圆孔内，伺服电机通过螺钉固定安装在圆托架下方，伺服电机的输出轴通过联轴器与芯轴连接，在伺服电机上方的芯轴外围设置有外回转套筒，圆光栅安装在外回转套筒的上方，芯轴依次穿过外回转套筒、圆光栅与伸缩套筒连接，在伸缩套筒的内孔里设置有伸缩杆，通过螺钉确定伸缩杆的位置，伸缩杆的上端安装有三爪卡盘，样品安装在伸缩杆的三爪卡盘中；所述探测器运载单元中的运载托盘位于圆环平台的平面上，数个气浮垫通过螺杆安装在运载托盘的下方，运载托盘通过气浮垫悬浮在圆环平台的平面上，连接杆一端与外回转套筒连接，另一端与运载托盘连接，驱动电机安装在运载托盘下方的数个气浮垫之间，摩擦轮固定在运载托盘下方的驱动电机输出轴的前端。所述的运载托盘上设置有数个对不同角度的中子计数的探测器。所述的控制单元包括工控机、数据采集卡、运动控制卡，数据采集卡、运动控制卡安装在工控机内，工控机通过线缆与样品台单元中的伺服电机、探测器运载单元中的驱动电机分别连接。所述的连接杆设置的数量为I飞个，分别与运载托盘、外回转套筒等角度均布连接。所述的搬运气垫设置的数量为Γ8个。所述的调平垫块设置的数量为8个。所述的气浮垫设置的数量为8 24个。所述的圆环平台采用花岗岩材料。所述的样品台单元的芯轴可围绕样品中心线匀速回转并精确定位。所述的探测器运载单元采用高承载的气浮垫支承结构，驱动电机带动摩擦轮驱动运载托盘绕样品的中心线转动，圆光栅反馈位置精度。所述的八个探测器可以随运载托盘同时移动。所述的探测器运载单元采用气浮垫支承。本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置有益效果是:所述的运动装置采用高刚度的圆钢管和方形钢管焊接八角支架，支撑花岗岩材料的圆环平台，相对于铸铁、钢等材料 可明显提高平面精度和长期稳定性，实现平面度5微米的加工要求；样品台采用18位串行编码的伺服电机器实现样品优于0.005°的定位和重复定位精度，样品台单元的芯轴可以匀速转动和精确定位，有利于扩展应用领域，而且样品的夹持灵活，定位快速准确，操作简便；探测器运载单元采用高承载的气浮垫支承结构，该结构无摩擦、无振动、承载力高，驱动电机带动摩擦轮驱动，三根高刚度连接杆连接样品台单元的外回转套筒和运载托盘，圆光栅反馈运载托盘的位置精度，实现优于0.005°的定位精度，八个探测器固定在运载单元上可以随运载托盘同时移动，提高工作效率。本发明能从不同角度位置分析超导材料、纳米材料、磁性材料等多种材料的空间几何结构，确定原子位置、分子间距、磁结构。
图1为本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置的结构示意 图2为本发明中的局部结构示意图中:1.搬运气垫 2.八角台架 3.伺服电机 4.调平垫块 5.圆环平台 6.圆托架 7.外回转套筒 8.圆光栅 9.芯轴 10.伸缩套筒
11.伸缩杆 12.样品 13.连接杆 14.运载托盘 15.气浮垫 16.驱动电机 17.摩擦轮。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行进一步的详细描述:
实施例1
图1为本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置的结构示意图，图2为本发明中的局部结构示意图。在图1、2中，本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，包括支撑平台单元、样品台单元、探测器运载单元。其中，所述支撑平台单元包括搬运气垫、八角台架2、调平垫块、圆环平台5 ;所述样品台单元包括伺服电机3、圆托架6、外回转套筒7、圆光栅8、芯轴9、伸缩套筒10、伸缩杆11、样品12 ;所述的探测器运载单元包括连接杆、运载托盘14、气浮垫、驱动电机16、摩擦轮17 ;其连接关系是，所述的支撑平台单元中的数个搬运气垫底面与地面接触，八角台架2通过搬运气垫的螺杆与搬运气垫连接，调平垫块对应安装在八角台架2上端的八个角上，圆环平台5通过螺杆安装在调平垫块上方；所述样品台单元中的圆托架6安装在圆环平台5的中心圆孔内，伺服电机3通过螺钉固定安装在圆托架6下方,伺服电机3的输出轴通过联轴器与芯轴9连接,在伺服电机3上方的芯轴9外围设置有外回转套筒7，圆光栅8安装在外回转套筒7的上方，芯轴9依次穿过外回转套筒
7、圆光栅8与伸缩套筒10连接，在伸缩套筒10的内孔里设置有伸缩杆11，通过螺钉确定伸缩杆11的位置，伸缩杆11的上端安装有三爪卡盘，样品12安装在伸缩杆11的三爪卡盘中；所述探测器运载单元中的运载托盘14位于圆环平台5的平面上，数个气浮垫通过螺杆安装在运载托盘14的下方，运载托盘14通过气浮垫悬浮在圆环平台5的平面上，连接杆一端与外回转套筒7连接，另一端与运载托盘14连接，驱动电机16安装在运载托盘14下方的数个气浮垫之间，摩擦轮17固定在运载托盘14下方的驱动电机16输出轴的前端；所述的运载托盘14上设置有八个对不同角度的中子计数的探测器。所述的控制单元包括工控机、数据采集卡、运动控制卡，数据采集卡、运动控制卡安装在工控机内，工控机通过线缆与样品台单元中的伺服电机3、探测器运载单元中的驱动电机16分别连接。本实施例中，所述的连接杆设置的数量为三个，分别与运载托盘、外回转套筒等角度均布连接，连接杆13为其中一个，如图2所示。所述的搬运气垫设置的数量为八个，搬运气垫I为其中一个。所述的调平垫块设置的数量为八个，调平垫块4为其中一个。所述的气浮垫设置的数量为十六个，气浮垫15为其中一个。所述的圆环平台采用花岗岩材料。所述的样品台单元的芯轴9可围绕样品12中心线匀速回转并精确定位。所述的探测器运载单元采用高承载的气浮垫支承结构，驱动电机16带动摩擦轮17驱动运载托盘14绕样品12的中心线转动，圆光栅8反馈位置精度。所述的八个探测器可以随运载托盘14同时移动。所述的探测器运载单元采用气浮垫支承。本发明中的八个搬运气垫用于调整整机位置和室内搬运，八角台架2支承圆环平台5，其上的八个调平垫块用于调整圆环平台5上表面与地面的平行度，以保证样品12安装后与地面垂直；样品台单元中的圆托架6与支撑平台单元中的圆环平台5连接，伺服电机3驱动芯轴9匀速旋转并反馈位置精度，使得中子束经准直器聚焦、经单色器选频，轰击在样品12的表面，伸缩套筒10和伸缩杆11用于调节不同长度的样品12中心距地面的高度保持不变；探测器运载单元的连接杆连接样品台单元的外回转套筒7和探测器运载单元的运载托盘14，运载托盘14采用高承载的十六个气浮垫支承，并通过驱动电机16和摩擦轮17驱动其在圆环平台5上无摩擦运动，圆光栅8定位和重复定位精度。本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，按结构单元分类包括支撑平台单元、样品台单元、探测器运载单元；支撑平台单元是整个运动装置的基础，样品台单元和探测器运载单元固定其上并同轴运动。样品台单元夹持样品12或环境设备，可以匀速转动和精密定位。探测器运载单元固定探测器系统，八个探测器在圆环平台上可以同时无摩擦且平稳摆动。在本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，按控制分包括样品旋转轴和探测器旋转轴，样品旋转轴为样品台单元中的样品12围绕其中心线旋转，探测器旋转轴为探测器运载单元中的运载托盘围绕样品12中心线与样品12同轴转动。本发明在具体实施中，通过控制单元控制样品旋转轴和探测器旋转轴的旋转。本发明的用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置的装配过程是:将搬运气垫安装到八角台架2上，并基本调平八角台架2上表面，安装调平垫块和圆环平台5 ；安装伺服电机3、圆托架6、外回转套筒7、圆光栅8、芯轴9、伸缩套筒10、伸缩杆11、样品12，将安装好的样品台组件安装到圆环平台5上，调整伸缩杆11使样品12中心距地面的高度满足要求，检测样品12中心回转精度，并调节调平垫块4使样品12的回转轴线与地面的垂直度满足要求；安装连接杆、运载托盘14、气浮垫、驱动电机16、摩擦轮17，将安装好的探测器运载单元组件连接到样品台单元组件上，调节气浮垫的气膜间隙使十六个气浮垫的气膜间隙几乎相等，即各气浮垫的受力情况大致相等，调节摩擦轮17与圆环平台5之间的摩擦力，保证探测器运载单元可以在圆环平台5正常运转。检测探测器运载单元的定位和重复定位精度，完成整个机构的装配。本发明的一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置是这样工作的:工作时用搬运气垫将整机调整到合适位置；气浮垫支承，摩擦轮17驱动探测器运载单元运动到测量位置；中子束经准直器聚焦、经单色器选频，轰击在样品12上，样品12可以绕中心回转，使样品12的不同位置面对中子束；探测器运载单元上的八个探测器对不同角度的中子计数，最终生成样品12的衍射谱线用于分析样品12的结构等特性。实施例2
本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，所述的连接杆设置的数量为二个。所述的搬运气垫设置的数量为四个。所述的气浮垫设置的数量为八个。
权利要求
1.一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，其特征在于，所述的运动装置包括支撑平台单元、样品台单元、探测器运载单元、控制单元；其中，所述支撑平台单元包括搬运气垫、八角台架(2)、调平垫块、圆环平台(5);所述样品台单元包括伺服电机(3)、圆托架(6)、外回转套筒(7)、圆光栅(8)、芯轴(9)、伸缩套筒(10)、伸缩杆(11)、样品(12)；所述的探测器运载单元包括连接杆、运载托盘(14)、气浮垫、驱动电机(16)、摩擦轮(17)；其连接关系是，所述的支撑平台单元中的数个搬运气垫底面与地面接触，八角台架(2)通过搬运气垫的螺杆与搬运气垫连接，调平垫块对应安装在八角台架(2)上端的八个角上，圆环平台(5)通过螺杆安装在调平垫块上方；所述样品台单元中的圆托架(6)安装在圆环平台(5)的中心圆孔内，伺服电机(3)通过螺钉固定安装在圆托架(6)下方，伺服电机(3)的输出轴通过联轴器与芯轴(9)连接，在伺服电机(3)上方的芯轴(9)外围设置有外回转套筒(7)，圆光栅(8)安装在外回转套筒(7)的上方，芯轴(9)依次穿过外回转套筒(7)、圆光栅(8)与伸缩套筒(10)连接，在伸缩套筒(10)的内孔里设置有伸缩杆(11)，伸缩杆(11)的上端安装有三爪卡盘，样品(12)安装在伸缩杆(11)的三爪卡盘中；所述探测器运载单元中的运载托盘(14)位于圆环平台(5)的平面上，数个气浮垫通过螺杆安装在运载托盘(14)的下方，运载托盘(14)通过气浮垫悬浮在圆环平台(5)的平面上，连接杆一端与外回转套筒(7)连接，另一端与运载托盘(14)连接，驱动电机(16)安装在运载托盘(14)下方的数个气浮垫之间，摩擦轮(17)固定在运载托盘(14)下方的驱动电机(16)输出轴的前端；所述的运载托盘(14)上设置有数个对不同角度的中子计数的探测器；所述的控制单元包括工控机、数据采集卡、运动控制卡，数据采集卡、运动控制卡安装在工控机内，工控机通过线缆与样品台单元中的伺服电机(3)、探测器运载单元中的驱动电机(16)分别连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，其特征在于:所述的连接 杆设置的数量为I飞个，分别与运载托盘、外回转套筒等角度均布连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，其特征在于:所述的搬运气垫设置的数量为Γ8个。
4.根据权利要求1所述的一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，其特征在于:所述的调平垫块设置的数量为8个。
5.根据权利要求1所述的一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，其特征在于:所述的气浮垫设置的数量为8 24个。
6.根据权利要求1所述的一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置，其特征在于:所述的圆环平台(5)采用花岗岩材料。
全文摘要
本发明提供了一种用于高分辨中子粉末衍射谱仪的精密主体运动装置。所述的运动装置中的支撑平台单元采用花岗岩材料的圆环平台可实现平面度5微米的加工要求；样品台单元采用18位串行编码器的伺服电机可实现芯轴匀速转动和精确定位、样品的夹持灵活、定位快速准确、操作简便，有利于扩展应用领域；探测器运载单元采用高承载的气浮垫支承，无摩擦和振动，驱动电机带动摩擦轮驱动运载托盘转动，圆光栅反馈位置精度；控制单元控制伺服电机和驱动电机运行，实现样品和运载托盘同轴转动，且定位和重复定位精度优于0.005°。本发明能从不同角度位置分析超导材料、纳米材料、磁性材料等多种材料的空间几何结构，确定原子位置、分子间距、磁结构。
文档编号G01N23/207GK103149227SQ20131008190
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月15日 优先权日2013年3月15日
发明者吉方, 陶继忠, 谢超美, 夏欢, 朱成银, 雷艳华, 岳晓斌, 赵午云, 刘坤, 鱼胜利, 吴祉群, 刘龙斌 申请人:中国工程物理研究院机械制造工艺研究所