一种X射线衍射仪蜗轮偏心补偿系统、补偿方法、电子设备及计算机可读存储介质与流程

本发明涉及x射线检测，尤其涉及一种x射线衍射仪蜗轮偏心补偿系统及方法。

背景技术：

1、x射线衍射仪作为材料科学、冶金工程、地质勘探等领域的核心分析设备，其核心功能是通过探测x射线与样品相互作用产生的衍射信号，实现对样品物相组成、晶体结构、晶格参数等关键信息的精准分析。角度调节精度是决定x射线衍射仪分析性能的核心指标之一，直接影响衍射峰的定位准确性、峰形完整性以及最终分析结果的可靠性。

2、为满足高精度角度调节需求，现有x射线衍射仪普遍采用蜗轮蜗杆传动机构驱动射线源与探测器进行同步或独立旋转调节。蜗轮蜗杆传动具有传动比大、运动平稳、噪声低、自锁性能优良等固有优势，能够有效降低驱动机构的体积占比，同时实现较高的角度调节分辨率，因此在精密仪器的角度传动系统中得到广泛应用。

3、然而，在实际工程应用中，蜗轮蜗杆传动机构的安装精度难以达到理想状态，蜗轮的安装偏心误差成为无法完全规避的技术难题。该偏心误差源于蜗轮与安装轴的同轴度偏差、装配过程中的定位误差以及传动机构装配间隙等多重因素，其会导致射线源与探测器的实际旋转角度偏离预设调节角度。具体而言，当蜗轮存在安装偏心时，在传动过程中会产生角度偏移误差，使得射线源发射的x射线束无法按照预设的角度照射于样品探测区域，同时探测器也无法准确捕捉目标角度的衍射信号，进而导致衍射峰偏移、峰宽变大、信噪比降低等问题，严重影响x射线衍射仪的分析精度和稳定性。

4、目前，针对蜗轮蜗杆驱动的x射线衍射仪角度调节误差问题，行业内多通过优化装配工艺、提升零件加工精度等方式进行缓解，但此类方案不仅显著提高了生产制造成本和装配难度，且对安装偏心误差的补偿效果有限，难以从根本上解决该误差对角度调节准确性的影响。因此，在保障蜗轮蜗杆传动机构原有高精度调节优势的基础上，如何有效克服蜗轮安装偏心误差带来的角度调节偏差，是相关领域有待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种x射线衍射仪蜗轮偏心补偿系统，该x射线衍射仪蜗轮偏心补偿系统通过在蜗杆处设置抵紧机构和传感器，利用蜗杆因蜗轮偏心而发生的偏转状态变化来间接获取蜗轮的安装偏心信息，无需直接测量蜗轮本身，从而为后续的偏心补偿提供可靠的数据基础。

2、第一方面，本发明提供了一种x射线衍射仪蜗轮偏心补偿系统，包括蜗轮和蜗杆，所述蜗轮围绕旋转轴旋转，所述蜗杆用于驱动所述蜗轮旋转，且所述蜗杆一端通过偏转轴位置固定铰接，以通过偏转与所述蜗轮保持啮合；还包括抵紧机构，用于使所述蜗杆与所述蜗轮保持啮合，且所述蜗轮和所述蜗杆的啮合点位于所述偏转轴和所述抵紧机构之间；传感器，设置于所述抵紧机构处，用于测量所述蜗杆因蜗轮偏心引起的偏转状态；控制装置，被配置为：基于所述传感器的测量结果，获得与所述蜗轮安装偏心相关的补偿信息，以用于补偿所述蜗轮因安装偏心引起的角度误差。本发明通过在所述蜗杆处设置所述抵紧机构和所述传感器，利用所述蜗杆因所述蜗轮偏心而发生的偏转状态变化来间接获取所述蜗轮的安装偏心信息，无需直接测量所述蜗轮本身，解决了所述蜗轮安装完成后难以直接测量其偏心参数的工程难题，从而为后续的偏心补偿提供了可靠的数据基础。

3、可选的，所述传感器为形变力传感器或位移传感器。所述形变力传感器可以是一体式结构，也可以是由力传感器和弹性形变组件构成的组合式结构。

4、可选的，所述补偿信息为所述蜗轮的安装偏心距。通过所述抵紧机构中的所述传感器测量所述蜗杆的偏转状态，间接计算出所述蜗轮的安装偏心距，实现了对偏心量的精确量化，从而为后续偏心误差的补偿提供重要参数信息。

5、可选的，所述传感器为形变力传感器，所述形变力传感器的固定端位置固定，所述形变力传感器的活动端与所述蜗杆铰接；所述控制装置被配置为：记录所述形变力传感器在所述蜗轮旋转过程中的最短长度和最长长度，基于所述最短长度、所述最长长度及已知几何参数计算获得所述安装偏心距。通过所述形变力传感器与所述蜗杆的铰接，将所述蜗杆的偏转运动转换为所述形变力传感器的长度变化，再通过所述蜗轮旋转一周过程中的长度极值，结合已知几何参数可以反算出安装偏心距。

6、可选的，所述已知几何参数包括：b为所述形变力传感器固定端在竖直方向与所述偏转轴的间距，c为所述形变力传感器固定端在水平方向与所述偏转轴的间距，l为所述偏转轴至所述形变力传感器活动端的长度，d为所述偏转轴至所述旋转轴轴心的水平距离，h为所述偏转轴至所述旋转轴轴心的竖直距离，r为所述蜗轮的分度圆半径；定义中间参数δ为：；则所述安装偏心距d为：；其中，k0为所述最短长度，k1为所述最长长度。通过上述几何关系推导，只需测量所述形变力传感器的最短长度和最长长度，即可精确计算出所述蜗轮的安装偏心距，无需对所述蜗轮本身进行直接测量。

7、可选的，所述控制装置还被配置为：基于所述安装偏心距，获得所述蜗杆的偏转角与目标旋转角度的关系式。在获得安装偏心距后，进一步建立所述蜗杆偏转角与所述目标旋转角度之间的函数关系，为后续的补偿提供基础。

8、可选的，所述蜗杆偏转角与所述目标旋转角度的关系式为：；其中，β为所述蜗杆偏转角，θ为所述目标旋转角度，d为所述安装偏心距，r为所述蜗轮的分度圆半径；m为θ=0时所述偏转轴至啮合点之间的长度，且θ=0时，所述旋转轴轴心、所述蜗轮圆心和所述啮合点三者共线，否则引入相位参数φ。该关系式基于所述蜗杆、所述蜗轮和所述抵紧机构之间的几何约束关系建立，给出了所述蜗杆偏转角与所述目标旋转角度之间的精确数学关系，为偏心补偿提供了定量依据。

9、可选的，所述控制装置还被配置为：引入相位参数φ，以表征所述目标旋转角度为0时所述蜗轮的偏心初始位置，使所述补偿信息适用于所述蜗轮圆心位于任意初始位置的情形。通过引入相位参数，将基于特定初始条件（θ=0时所述旋转轴轴心、蜗轮圆心和啮合点三者共线）推导的公式推广至任意初始位置，大大扩展了补偿方案的适用范围。

10、可选的，所述补偿信息为所述蜗杆的偏转角与目标旋转角度的拟合关系。在此方案中，无需先计算出安装偏心距，而是直接通过实验数据拟合所述蜗杆的偏转角与所述目标旋转角度的关系，从而简化了计算流程，降低了系统对几何参数测量精度的依赖。

11、可选的，所述传感器为形变力传感器，所述形变力传感器的固定端位置固定，所述形变力传感器的活动端与所述蜗杆铰接；所述形变力传感器读数的最小值或最大值对应的状态被设为θ=0；所述控制装置被配置为：将所述形变力传感器的当前读数转换为相对于所述最小值或最大值的距离变化量δk，根据所述距离变化量δk计算所述蜗杆的偏转角β：其中，l为所述形变力传感器与所述蜗杆的铰接点到所述偏转轴的距离。该方案通过所述形变力传感器的读数变化直接计算所述蜗杆的偏转角，无需预先知道安装偏心距，计算过程简洁高效。

12、可选的，所述控制装置还被配置为：在不同目标旋转角度θ下，拟合获得所述蜗杆偏转角与所述目标旋转角度之间的对应关系β=f(θ)，并基于所述对应关系建立驱动弧长s(θ)与目标旋转角度θ的关系式：s(θ)=[θ±f(θ)]·r；其中，r为所述蜗轮的分度圆半径。通过实验拟合直接建立补偿关系，避免了复杂的几何推导，在实际工程应用中具有更高的响应速度和实现便利性。其中“±”号取决于：θ=0时，所述蜗轮圆心、所述旋转轴轴心和所述啮合点三者共线，且θ正向变化时，啮合点朝着与所述蜗轮转动方向相反的方向移动，取“−”号；θ=0时，所述蜗轮圆心、所述旋转轴轴心和所述啮合点三者共线，且θ正向变化时，啮合点朝着与所述蜗轮转动方向相同的方向移动，取“+”号；θ=0时，所述蜗轮圆心、所述旋转轴轴心和所述啮合点三者不共线，则引入相位参数；且θ=0时，f(θ)为0，否则f(θ)也需要引入相位参数。

13、可选的，所述形变力传感器的测量值处于最大值时，所述形变力传感器与所述蜗杆的铰接位点为第一位置；所述形变力传感器的测量值处于最小值时，所述形变力传感器与所述蜗杆的铰接位点为第二位置；所述形变力传感器的位置固定铰接端、所述第一位置、以及所述第二位置，它们三者共线。需要说明的是，该共线为近似共线而非严格共线；在所述近似共线条件下，所述形变力传感器与所述蜗杆的铰接位点在任意所述目标旋转角度下，与所述第一位置或所述第二位置的距离近似等于所述形变力传感器的形变长度，从而简化了所述蜗杆的偏转角计算参数的测量复杂度。

14、可选的，所述形变力传感器与所述蜗杆的铰接位点到所述偏转轴轴线的距离，大于所述蜗杆与所述蜗轮啮合点到所述偏转轴轴线的距离。该几何约束确保了所述形变力传感器对所述蜗杆的偏转具有更大的测量灵敏度，有利于放大微小的偏转产生的形变信号。

15、可选的，所述拟合获得的关系式β=f(θ)的拟合复杂度可根据补偿精度需求配置。精度要求低时采用低阶拟合以降低计算量，精度要求高时采用高阶拟合以提高补偿精度。该可配置的拟合策略使得系统能够在计算效率和补偿精度之间灵活平衡，适应不同精度等级的x射线衍射仪需求。

16、可选的，所述控制装置还被配置为：使所述蜗轮与所述蜗杆之间始终按照预定方向旋转，当需要回转角度时，先使所述蜗轮反向转动使其实际旋转角度小于0°角，然后再正向转动到所述目标旋转角度，以降低所述蜗轮与所述蜗杆之间的啮合间隙差异引起的传动比波动。通过单向旋转和过零复位策略，从根源上消除了正反向回程间隙对传动比稳定性的影响，保证了偏心补偿方案的实施效果。

17、本发明提供的一种x射线衍射仪蜗轮偏心补偿系统，包括蜗轮、蜗杆、抵紧机构、传感器和控制装置，通过在蜗杆处设置抵紧机构和传感器，利用蜗杆因蜗轮偏心而发生的偏转状态变化来间接获取蜗轮的安装偏心信息，无需直接测量蜗轮本身，解决了蜗轮安装完成后难以直接测量偏心参数的工程难题；进一步地，基于所获得的补偿信息建立目标旋转角度与驱动行程之间的对应关系，实现对蜗轮安装偏心引起角度误差的精确补偿，从而有效提升x射线衍射仪的角度调节精度和测量稳定性。

18、第二方面，本发明还提供了一种x射线衍射仪蜗轮偏心补偿方法，应用于包括蜗轮和蜗杆的系统，所述蜗轮围绕旋转轴旋转，所述蜗杆用于驱动所述蜗轮旋转，且所述蜗杆一端通过偏转轴位置固定铰接，以通过偏转与所述蜗轮保持啮合，所述方法包括：通过设置于所述蜗杆处的抵紧机构，使所述蜗杆与所述蜗轮保持紧密啮合；通过设置于所述抵紧机构处的传感器，测量所述蜗杆因蜗轮偏心引起的偏转状态；基于所述传感器的测量结果，获得与所述蜗轮安装偏心相关的补偿信息，以用于补偿所述蜗轮因安装偏心引起的角度误差。

19、可选的，所述补偿信息为所述蜗轮的安装偏心距、或蜗杆偏转角与目标旋转角度的拟合关系。