肖松文何泳成何振強(qiáng)左太森林 雄程 賀

1（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

2（散裂中子源科學(xué)中心 東莞 523803）

材料的性能是由其微觀組分和特征結(jié)構(gòu)共同決定的，在微觀組分確定的情況下，通過調(diào)節(jié)材料的多尺度特征結(jié)構(gòu)，達(dá)到提高其性能的目的，一直是基礎(chǔ)科研與工業(yè)界共同追求的目標(biāo)，正在中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）當(dāng)中建設(shè)的微小角中子散射譜儀（Very Small Angle Neutron Scattering Spectrometer，VSANS）就是為更好實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)而研發(fā)的新一代小角中子散射譜儀［1?5］。通過加載高低溫、高低壓、磁場等樣品環(huán)境，微小角中子散射譜儀可以充分利用中子的高穿透性、可進(jìn)行襯度匹配測量等優(yōu)勢，獲取樣品內(nèi)部多尺度結(jié)構(gòu)隨外界條件改變而變化的信息，形成一個(gè)應(yīng)用廣泛的多功能測試平臺，為基礎(chǔ)科研和工業(yè)應(yīng)用服務(wù)，解決許多重大的關(guān)系國計(jì)民生的科學(xué)問題。

圖1為微小角中子散射譜儀物理設(shè)計(jì)示意圖，在微小角中子散射譜儀的物理設(shè)計(jì)中，中子從慢化器出來經(jīng)過22 m長距離飛行后到達(dá)樣品，被樣品散射之后的中子進(jìn)入到后端的探測器；為了在一次實(shí)驗(yàn)中獲取到樣品盡可能多的低角、中角及高角散射數(shù)據(jù)，在樣品后端設(shè)計(jì)三組可前后移動(dòng)的中子探測器，第一探測器布置在距離樣品1~3 m的位置，主要用于探測高角散射中子，第二探測器布置在距離樣品3~6 m的位置，主要用于探測中角散射中子，第三探測器布置在距離樣品6~11 m的位置，主要用于探測低角散射中子；每組中子探測器包括支撐結(jié)構(gòu)及底部的移動(dòng)小車，整體重量約為2 t；為了減少中子的空氣散射，三組探測器均放置在一個(gè)內(nèi)徑?2 600 mm、長12 m的散射腔中，散射腔內(nèi)部為10 Pa左右的真空環(huán)境；依據(jù)不同實(shí)驗(yàn)需求，需要移動(dòng)三組探測器到距離樣品不同的位置來探測散射中子，第三探測器的移動(dòng)行程最大要求做到5 m；中子從樣品到探測器的飛行距離精度將影響到小角中子散射的飛行時(shí)間實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，典型的小角中子散射實(shí)驗(yàn)希望樣品到探測器的距離精度達(dá)到200 μm，因此，散射腔內(nèi)部的探測器移動(dòng)小車的定位精度必須小于200 μm。

圖1 微小角中子散射譜儀物理設(shè)計(jì)示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical design of VSANS

三臺探測器移動(dòng)小車中最大行程需要達(dá)到5 m，傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)形式中滾珠絲杠傳動(dòng)精度非常高，但三臺小車需要安裝三套滾珠絲杠，而長滾珠絲杠的造價(jià)非常高，且整個(gè)結(jié)構(gòu)將很復(fù)雜，因此不適合采用滾珠絲桿傳動(dòng)。而采用齒輪齒條的傳動(dòng)形式結(jié)構(gòu)更簡單，造價(jià)更低，維護(hù)也更方便，整個(gè)結(jié)構(gòu)中只需要一根齒條就可以滿足三臺小車運(yùn)動(dòng)，每臺小車上配備一個(gè)齒輪和驅(qū)動(dòng)電機(jī)即可，因此本設(shè)計(jì)中探測器移動(dòng)小車采用齒輪齒條進(jìn)行傳動(dòng)。但是由于齒輪齒條嚙合存在齒向間隙［6?10］，這對探測器移動(dòng)小車的定位精度會存在較大影響，因此需對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算驗(yàn)證，并通過精度測試結(jié)果來驗(yàn)證該驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的定位精度。

1 探測器移動(dòng)小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 雙導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝方法

設(shè)計(jì)采用左右兩條THK HSR30LC15SS+11440LT-II滾珠導(dǎo)軌來支撐，每個(gè)探測器小車左右各安裝兩個(gè)滾珠滑塊，單個(gè)滑塊的基本額定動(dòng)載荷為48.9 kN，4個(gè)滑塊的基本額定動(dòng)載荷為195.6 kN，也就是整體可承重19 t的載荷，由于探測器移動(dòng)小車總重不超過2 t，因此完全夠用。由于導(dǎo)軌最長只能加工4 m，因此每邊導(dǎo)軌均采用三段拼接形成，導(dǎo)軌中心間距1 322 mm。圖2為散射腔內(nèi)部的左右導(dǎo)軌分布示意圖。

圖2 散射腔內(nèi)部雙導(dǎo)軌分布示意Fig.2 The structural diagram of the distribution of the double guide rails in the vacuum scattering tank

由于探測器小車移動(dòng)范圍較大，為了確保在整個(gè)導(dǎo)軌行程上運(yùn)行平穩(wěn)及獲得高的定位精度，安裝時(shí)需要調(diào)節(jié)左右兩條導(dǎo)軌的頂面與散射腔腔體中心軸線高度不超過200 μm；同時(shí)需要調(diào)節(jié)左右導(dǎo)軌的兩側(cè)面平行度，調(diào)至左右導(dǎo)軌上任意位置兩側(cè)的平行度不大于50 μm。

如圖3所示，為了滿足導(dǎo)軌調(diào)整需求，設(shè)計(jì)采用角鋼直接焊接在散射腔腔體內(nèi)壁一側(cè)，焊接時(shí)通過激光跟蹤儀測量整個(gè)角鋼頂面任意位置距腔體中心軸線的高度比理論值稍微低2~5 mm；焊接完成后再安裝粗調(diào)底板，通過激光跟蹤儀測量，通過在底部添加不同數(shù)量墊片可調(diào)整粗調(diào)底板頂面與腔體中心軸線的高度至±2 mm精度以內(nèi)，粗調(diào)底板側(cè)面也可通過膠錘敲擊調(diào)整至與腔體中心軸線水平距離±1 mm以內(nèi)；再安裝高程精調(diào)底板，通過激光跟蹤儀測量，并通過高程精調(diào)底板上設(shè)置的多組頂拉螺釘來調(diào)整高程精調(diào)底板頂面與腔體中心軸線的高度至±50 μm以內(nèi)；最后安裝導(dǎo)軌，在導(dǎo)軌兩側(cè)每隔160 mm安裝一組對頂水平微調(diào)座，并在導(dǎo)軌拼接線的兩側(cè)增加兩組水平微調(diào)座，首先通過跟蹤儀測量兩根導(dǎo)軌側(cè)面與腔體中心水平距離，并通過導(dǎo)軌兩側(cè)的對頂水平微調(diào)座來調(diào)整水平距離至±50 μm精度以內(nèi)；由于激光跟蹤儀長距離測距精度較差，沒法滿足導(dǎo)軌高精度調(diào)整要求，在工程實(shí)際當(dāng)中一般采用千分表來測量導(dǎo)軌兩側(cè)平行度；因此通過架設(shè)千分表（千分表最小讀數(shù)為2 μm）在一側(cè)導(dǎo)軌滑塊上，并以該側(cè)導(dǎo)軌為基準(zhǔn)，千分表球頭測量另一側(cè)導(dǎo)軌側(cè)面，并通過被測導(dǎo)軌兩側(cè)的水平微調(diào)座精確微調(diào)被測導(dǎo)軌與基準(zhǔn)導(dǎo)軌上任意位置的千分表讀數(shù)值在±25 μm以內(nèi)，至此導(dǎo)軌支撐結(jié)構(gòu)安裝完畢。

圖3 散射腔內(nèi)部雙導(dǎo)軌調(diào)整結(jié)構(gòu)示意Fig.3 The diagram of the adjustment structure of the double guide rails in the vacuum scattering tank

散射腔加工制造完成后實(shí)際安裝時(shí)左右兩側(cè)12 m長導(dǎo)軌頂面高差激光跟蹤儀測量值為100 μm，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求的200 μm，左右兩側(cè)導(dǎo)軌的側(cè)面平行度千分表測量值為34 μm，優(yōu)于設(shè)計(jì)要求的50 μm。

1.2 齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖4為齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖，直齒條布置在左側(cè)導(dǎo)軌內(nèi)側(cè)邊，直接安裝在高程精調(diào)底板上，與導(dǎo)軌平行布置，探測器移動(dòng)小車左側(cè)安裝有一套動(dòng)力機(jī)構(gòu)，該動(dòng)力機(jī)構(gòu)由一套kollmorgen AKM32E伺服電機(jī)、一套減速比1∶35行星輪減速機(jī)和一個(gè)直齒輪組成。以下是該套機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)選型的計(jì)算過程：

圖4 探測器移動(dòng)小車驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 The structural diagram of the driving system for the detector trolleys

探測器移動(dòng)小車加上臺面的探測器總重大概2 t，設(shè)計(jì)加速時(shí)間0.5 s，最大速度20 mm·s-1，滾動(dòng)導(dǎo)軌阻力系數(shù)0.01，末端拖鏈附加力大概500 N，因此系統(tǒng)加速度為：

探測器移動(dòng)小車加速啟動(dòng)最大力為：

直齒輪模數(shù)m=2，齒數(shù)為25，因此直齒輪分度圓直徑為D=50 mm，直齒輪配合齒條轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所走過的距離為：

則動(dòng)力機(jī)構(gòu)所需轉(zhuǎn)速為：

直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)為單邊受力，因此直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所需扭矩為：

取三倍安全系數(shù)，則動(dòng)力機(jī)構(gòu)所需最小輸出扭矩為：

由于該扭矩較大，設(shè)計(jì)配備1∶35的行星輪減速機(jī)，因此所需電機(jī)扭矩為：

電機(jī)所需額定轉(zhuǎn)速為：

由于所選kollmorgen AKM32E伺服電機(jī)在轉(zhuǎn)速為260 r·min-1時(shí)額定扭矩為2.03 Nm，因此該伺服電機(jī)選型是合適的。

1.3 探測器移動(dòng)小車定位精度理論分析

伺服電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)減速后帶動(dòng)直齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，直齒輪與齒條嚙合從而把齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為齒輪在齒條上的直線移動(dòng)。該kollmorgen伺服電機(jī)配備了旋轉(zhuǎn)變壓器，該旋轉(zhuǎn)變壓器經(jīng)過AKD伺服放大器插補(bǔ)之后的分辨率計(jì)數(shù)為每圈65 536，因此不考慮反向間隙的情況下齒輪驅(qū)動(dòng)最小步進(jìn)值為：

因此從理論計(jì)算上看，該套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的最小步進(jìn)值非常小，驅(qū)動(dòng)精度非常高；但是由于齒輪齒條傳動(dòng)存在齒向間隙會對小車的定位精度產(chǎn)生影響，因此直齒輪安裝時(shí)需要特別注意盡量減小齒向間隙，一般安裝時(shí)通過減小齒輪和齒條之間的距離來減小齒向間隙；依據(jù)機(jī)械加工及裝配經(jīng)驗(yàn)，8級齒輪齒條的齒向間隙一般調(diào)整到100 μm以內(nèi)為合格，因此可以推算只要加工及裝配合格，探測器移動(dòng)小車200 μm的定位精度是可以實(shí)現(xiàn)的。

2 探測器移動(dòng)小車驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度測試

由于三臺探測器移動(dòng)小車的結(jié)構(gòu)相同，因此該文只對第三探測器移動(dòng)小車雙向重復(fù)定位精度測試方法及結(jié)果進(jìn)行討論。

2.1 測試方法

散射腔及探測器移動(dòng)小車制造安裝完成后，使用Leica AT403絕對激光跟蹤儀對探測器移動(dòng)小車進(jìn)行定位精度測試；Leica AT403絕對激光跟蹤儀適合超大空間范圍內(nèi)的精密坐標(biāo)測量，測量范圍可達(dá)320 m，被廣泛地應(yīng)用于機(jī)床安裝、零部件檢測、機(jī)械件的組裝及大型設(shè)備與工裝的校準(zhǔn)、定位與檢測等環(huán)節(jié)，其絕對測距精度為±10 μm。圖5為現(xiàn)場使用AT403激光跟蹤儀進(jìn)行測試的情況。

圖5 使用激光跟蹤儀對探測器移動(dòng)小車進(jìn)行重復(fù)定位精度測量Fig.5 Repeated positioning accuracy test of the detector trolleys with the use of laser tracker

測試時(shí)，探測器3總移動(dòng)行程為5 250 mm，從0位置開始，每隔750 mm測量一個(gè)點(diǎn)，總行程測量8個(gè)點(diǎn)，往返測量5次。圖6為探測器移動(dòng)小車精度測試方法示意圖。

圖6 探測器移動(dòng)小車精度測試方法示意圖Fig.6 Schematic diagram of repeated positioning accuracy test method of the detector trolleys

2.2 數(shù)據(jù)處理

探測器小車在任意目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行單向定位時(shí)，會產(chǎn)生5個(gè)不同的實(shí)際定位點(diǎn)Pij，用實(shí)際定位點(diǎn)Pij減去目標(biāo)位置Pi即為該次運(yùn)動(dòng)的位置偏差值Xij，根據(jù)五次測量的偏差值就可確定該點(diǎn)的單向平均位置偏差值X—i和位置偏差的單向標(biāo)準(zhǔn)不確定度Si。通過激光跟蹤儀所測數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表1所示。

依據(jù)機(jī)床檢驗(yàn)通則第二部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復(fù)定位精度的確定等文獻(xiàn)所提數(shù)據(jù)處理方法［11?16］，對以上數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并制作出探測器移動(dòng)小車的定位精度及雙向重復(fù)定位精度曲線，如圖7所示。

曲線最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的整個(gè)變化范圍即為定位精度A，而雙向重復(fù)定位精度則是指8個(gè)目標(biāo)位置的雙向重復(fù)定位精度的最大值。因此由圖7可知，探測器移動(dòng)小車在5 250 mm的移動(dòng)行程內(nèi)的雙向重復(fù)定位精度為R=140 μm，定位精度為A=167 μm。從圖7還可以看出，齒輪齒條傳動(dòng)單向定位精度也比較高，正向重復(fù)定位精度為R↑=52 μm，反向重復(fù)定位精度為R↓=65 μm。影響齒輪齒條傳動(dòng)精度的主要因素為反向差值較大，反向差值所反映的就是齒輪齒條嚙合時(shí)的齒向間隙，從表1可以看出，750 mm位置點(diǎn)反向差值最大達(dá)到了-87 μm，所以導(dǎo)致了該點(diǎn)雙向重復(fù)定位精度最差。另外因?yàn)樾谐梯^大，長齒條齒形加工誤差的累積以及齒條安裝精度的偏差也會對探測器移動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)精度產(chǎn)生較大影響。

表1 探測器移動(dòng)小車雙向精度測試數(shù)據(jù)Table 1 Data of bidirectional accuracy test of the detector trolleys

3 結(jié)語

為滿足微小角中子散射譜儀探測器移動(dòng)小車對重負(fù)載、大行程和較高定位精度的要求，設(shè)計(jì)了雙導(dǎo)軌導(dǎo)向，齒輪齒條傳動(dòng)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，通過伺服電機(jī)的高精度控制實(shí)現(xiàn)對探測器移動(dòng)小車的較高精度定位控制。通過激光跟蹤儀對探測器移動(dòng)小車的往返5次定位測試可知，其雙向重復(fù)定位精度為140 μm，定位精度為167 μm。測試結(jié)果表明：齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)能夠滿足微小角中子散射譜儀探測器移動(dòng)小車所要求的200 μm的定位精度。

作者貢獻(xiàn)聲明肖松文：負(fù)責(zé)系統(tǒng)方案的提出、設(shè)計(jì)、建造、測試及論文撰寫；何泳成：負(fù)責(zé)探測器移動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)和控制；何振強(qiáng)：負(fù)責(zé)探測器移動(dòng)小車激光跟蹤儀測量、標(biāo)定及重復(fù)定位精度測試；左太森：負(fù)責(zé)譜儀物理光路設(shè)計(jì)以及重復(fù)定位精度測量數(shù)據(jù)的收集和整理；林雄：參與探測器移動(dòng)小車的建造、重復(fù)定位精度測試以及文章的修訂；程賀：負(fù)責(zé)本項(xiàng)目的監(jiān)督、管理和指導(dǎo)，以及文章最終版本的修訂。