高能同步輻射光源中基于四層滑動導軌的磁鐵在線調節機構研制

吳　蕾，楊　澍，李春華，王梓豪，季大恒，李敏賢，陳思雨，徐元迪，宗劉旭,2

高能同步輻射光源中基于四層滑動導軌的磁鐵在線調節機構研制

吳蕾1，楊澍1，李春華1，王梓豪1，季大恒1，李敏賢1，陳思雨1，徐元迪1，宗劉旭1,2

（1. 中國科學院 高能物理研究所 北京 100049；2. 中國科學院大學 北京 100049）

在高能同步輻射光源（HEPS）儲存環中，基于束流光學參數校正的需要，所有的六極磁鐵將安裝在基于束流位置進行遠程電動調節的機構上。HEPS六極鐵在線調節機構需要在高負載下實現超高精度和穩定性，研制難度較大，前期進行方案設計和樣機研制有利于為工程實施建立堅實的基礎。本文對基于四層滑動導軌的調節機構進行樣機研制和測試，探索提高運動精度和減小運動姿態角度誤差的加工和裝配工藝方法，以準確掌握該方案調節機構的性能，包括線性運動精度、運動姿態角度誤差和磁鐵支撐系統穩定性。經測試，在450 kg六極磁鐵負載下，該調節機構在磁軸位置高度上的運動精度好于5 μm；調節機構沿運動軸的俯仰角誤差≤2″，搖擺角和滾動角誤差≤3″；安裝調節機構后磁鐵支撐系統的整體固有頻率＞54 Hz。實測結果表明，基于四層滑動導軌的磁鐵在線調節機構最終能達到所需的線性運動精度和運動姿態角度誤差要求，且其高剛度特點可以滿足HEPS磁鐵支撐系統高穩定性的要求。但是，板件之間巨大的滑動摩擦會在運動過程中帶來非運動方向的位移耦合，該耦合量需要根據束流的物理需求進行評估。

磁鐵在線調節機構；滑動導軌；運動精度；穩定性

高能同步輻射光源（HEPS）是我國“十三五”期間建設的重大科學裝置，將于2025年底投入使用。建成后，HEPS將成為中國第一個高能同步輻射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步加速器輻射光源。HEPS儲存環加速器的電子束能量為6 GeV，可提供300 KeV高能X射線，可以有效滿足國家戰略和工業核心創新能力等相關研究中對高能、高亮度X射線的迫切需求，從而將我國同步輻射光源擴展到高能區[1-3]。HEPS儲存由48個7BA單元組成。圖1是一個7BA結構單元布局。其中MP-Ⅰ和MP-Ⅱ磁鐵支撐系統中有各有三臺六極磁鐵，全環共計288臺。所有六極磁鐵將安裝于電動調節機構上，以實現磁鐵的支撐和基于束流位置的遠程在線調整，滿足束流光學參數校正需求。加速器以往常用的光學參數校正方法以改變四極磁鐵的強度作為校正手段，但HEPS采用該方法效果差，控制能力有限。物理研究分析HEPS儲存環的光學參數對六極磁鐵橫向位置誤差的敏感性更高，因此提出根據束流參數反饋，采用遠程在線調節機構實現水平和垂直方向調節六極鐵位置，校正束流光學參數，輔助實現HEPS設計性能。HEPS在國際上首次大批量應用六極磁鐵在線調節機構，這也是HEPS關鍵創新點之一。物理設計要求六極磁鐵調節機構在水平和垂直方向調節磁軸的線性運動精度需優于5 μm[4]。另外，由于磁鐵磁軸距離磁鐵調節機構有約250 mm的高差，調節機構的運動姿態角度容易因高度的放大而導致磁軸位置發生變化，因此對調節機構運動過程中的姿態角度提出了比較高的要求，即沿運動軸的俯仰角需小于2″，擺動角和滾動角需小于3″，優于國際上其他加速器項目中的要求[5-8]。此外，作為MP磁鐵支撐系統中的薄弱環節，調節機構需要盡可能地增加剛度，以滿足整個MP磁鐵支撐系統的基頻高于54 Hz的高穩定性要求[9,10]。六極磁鐵振動放大倍數要求相對較低，不大于2。HEPS磁鐵在線調節機構的研制存在以下幾個方面的難點：一是調節機構需要在高負載下同時實現高精度和高穩定性。HEPS儲存環六極磁鐵重量高達450 kg，比國際上其他類似使用在線調節機構的磁鐵重量高一個數量級。而運動精度和穩定性指標相互制約，高負載下矛盾更為凸出，需要尋找合適的平衡點。二是調節機構安裝空間有限，設計高度空間＜150 mm，調節機構結構需緊湊。三是運動過程中姿態角度誤差要求高，對機構加工和裝配經驗要求高。

圖1 一個7BA單元布局

為實現調節機構的功能要求，解決工程問題，本文提出了基于四層滑動導軌楔形運動結構的磁鐵在線調節機構，其結構緊湊，可以適用較低的高度安裝空間。下文將詳細介紹其結構設計和性能測試。

1 結構設計

磁鐵在線調節機構主要由四層板組成，如圖2所示。電機1驅動最上層水平滑動板實現調節機構水平方向運動。中間兩層楔形板用于垂直移動。電機2驅動下層垂動板沿水平方向運動，從而抬升上層垂動板。上層垂動板受到滾動導軌的約束，水平方向保持不動，實現垂向運動。楔形板的角度比均為 1∶25，為無驅動時自鎖結構。最底層為底板。運動板基體板材為HT300，具有耐摩特性。該機構板件之間面面接觸，形成滑動導軌，具有高剛度的特點，但同時也將引入巨大的摩擦力。理論上，該機構水平和垂直運動相互獨立。為了實現調節機構的高運動精度，利用絕對式光柵尺來反饋板件位置。為了減小摩擦，在板的兩側面加裝滾針排，板件間使用潤滑脂潤滑。

圖2 基于四層滑動導軌的磁鐵在線調節機構結構

運動過程中，控制系統下發（?，?）的運動命令，調節機構下層垂動板執行命令1=?/sin，使上層垂動板完成?y的動作。水平運動板執行命令2=?完成水平動作。水平和垂直方向的運動相互獨立。

由于步進電機在低速運動下更平穩，且在大規模應用中更經濟，因此使用步進電機驅動板件。根據計算，下層垂動板需要更大的驅動力，約為3 N·m。步進電機與1∶100諧波減速器配合使用的輸出額定轉矩為 10 N·m，可以滿足驅動力需求。絲杠選用精度等級為0的高精密絲杠，螺距為5 mm，以便保障運動精度和減小運動姿態角度誤差。絲杠采用兩端同時固定的安裝方式，固定端可以對絲杠施加適當的預緊力，同時可以承受軸向力，增強絲杠的支撐剛度。板材的運動位置由絕對光柵尺閉環反饋，絕對光柵尺的精度優于1 μm。

為了滿足高運動精度和降低運動姿態角度誤差，需要機械加工廠對板材進行高精度的加工和裝配。經過試驗，總結其關鍵工藝包括：

（1）在粗加工和半精加工后，對板材進行熱處理以釋放應力并減少變形。

（2）在精加工階段，與運動精度和運動姿態角誤差相關的裝配面加工精度為5 μm。

（3）在裝配階段，使用刮研技術對摩擦面進行刮研，使摩擦面的平面度達到0.5 μm。圖3為刮研后的摩擦面。

（4）保證絲高精度安裝。圖4為設計加工的絲杠安裝輔助工裝檢棒，根據檢棒測量數據對絲杠安裝面進行研磨，提高絲杠安裝精度，使絲杠與運動導軌之間的平行度小于1 μm。

圖3 刮研后的導軌摩擦面

圖4 絲杠安裝輔助工裝檢棒

2 性能測試

2.1 線性運動精度

研制過程中，完成調節機構組裝后，對其線性運動精度進行了初步的測試（本文所做運動性能測試均為帶450 kg負載），水平方向測試行程范圍為±0.9 mm，垂直方向測試行程范圍為±0.6 mm。初測結果顯示水平方向單向運動的重復性約4 μm（見圖5），垂直方向單向運動的重復性約2 μm（見圖6）。在水平和垂直運動中都發現了較大的回程誤差，水平方向上回程誤差約為5 μm，垂直方向上回程誤差約為19 μm。另外，調節機構垂向運動時，水平方向發生了耦合，耦合量約30 μm，該耦合量僅發生在運動起步瞬間，受到水平光柵尺位置反饋的校正以及控制程序的跟隨性調節，該耦合量在啟動后迅速消失。可以看到，初步測試階段調節機構運動運動精度遠達不到設計要求。

圖5 初測水平運動精度

圖6 初測垂直運動精度

為尋找回程誤差原因，進行了相關測試。由于垂直方向的運動是由下層垂動板水平運動轉化而來，因此通過監測板件水平位移來查找原因。采用DVRT（差動可變磁阻傳感器）傳感器監測調節機構在多個位置的水平位移，包括平動板、上層垂動板、滾動導軌安裝板的上部，如圖7所示。理論上，調節機構執行水平運動時，只有平動板發生水平位移，但通過監測發現，在實際運動過程中平動板發生換向運動時，上層垂動板會發生同向的約4 μm的位移，從而導致了水平運動時存在回程差；調節機構執行垂向運動時，上層垂動板在滾動導軌的約束下，只會隨著下層垂動板的運動發生升高或者降低，但在實際運動過程中，上層垂動板在水平方向上產生了30 μm的位移。對監測結果分析，總結導致回程差的原因主要分為兩部分：第一是由于運動板件和導軌安裝板剛性不足。調節機構在有限的高度允許空間（150 mm）內被分成了四層，因此每一層的厚度設計空間有限，板件偏薄，其剛性不足以抵消在巨大的滑動摩擦力驅動下產生的變形和位移。第二是滾動導軌間存在一定的間隙，導致回程間隙變化。

為減少誤差，在調節機構外部加裝圖8所示導軌安裝板加強結構，提高導軌安裝板的剛度。當調節機構執行反向運動命令時，運動精度顯著提高，回程誤差顯著降低。絕對線性運動精度在水平方向上約為0.7 μm（見圖9），在垂直方向上約為 1.7 μm（見圖 10），水平和垂直方向的運動精度均好于5 μm的設計要求。另外，垂向運動啟動瞬間依然存在水平耦合，但該耦合量從30 μm降低到約12 μm。與物理方面討論確定，HEPS使用六極磁鐵調節機構進行垂向調整時可調整為低流強模式，可忽略其運動軌跡，僅要求最終目標位置的準確性。因此該耦合量可滿足HEPS物理需求。

圖7 DVRT傳感器監測位置

圖8 導軌安裝板加強結構

圖9 水平方向運動精度

圖10 垂直方向運動精度

2.2 運動姿態角誤差

使用光電自準直儀和水平儀測量運動過程中調節機構姿態角變化。圖11和12分別為水平運動和垂直運動中的姿態角。水平和垂直方向運動時其俯仰角均小于2″，搖擺角和滾動角均小于3″，滿足設計要求。研制過程中發現姿態角對加工和裝配精度的影響非常敏感，必須注重板件的平面度、平行度等形位公差以及絲杠安裝精度。

2.3 固有頻率測試

為模擬HEPS儲存環實際安裝情況，在工廠研制了與HEPS MP單元同種類型的地基、基座、共架支架以及模擬負載，并開展磁鐵支撐系統的固有頻率相關測試，如圖13所示。將六極鐵調節機構安裝到磁鐵支架系統中，測量整個系統的固有頻率。采用振動傳感器（IEPE壓力加速度計）和錘擊法獲得調節機構的動態性能。圖14為磁鐵支撐系統的振動傳遞曲線和振型。其中點2布設于六極鐵，點9～12布設于六極鐵調節機構，點13～16布設于共架磁鐵支架，點17～19布設于混凝土基座。測量結果顯示安裝調節機構前后的六極鐵模擬負載的振動放大倍率小于 1.1（見表 1）。整個磁鐵支撐系統的基頻為54.6 Hz，略高于MP磁鐵支撐系統的頻率要求。最大振幅方向為六極鐵沿束流方向的擺動。因此，測試結果表明，基于四層滑動導軌的磁鐵調節機構的結構形式及其整體剛度可以滿足HEPS對磁鐵支撐系統的穩定性要求。

圖11 水平運動過程中姿態角

圖12 垂直運動過程中姿態角

圖13 調節機構安裝在磁鐵支撐系統中

圖14 振動傳遞曲線和振型

表1 調節機構的振動放大

續表

方向1～100 Hz振幅/mm放大倍數 地面六極鐵 水平1.37 × 10-41.48 × 10-41.09 垂直0.000 3050.000 3071.01

3 小結

本文研制了基于四層滑動導軌的六極磁鐵在線調節機構并進行了測試。450 kg負載下水平方向線性運動精度約為0.7 μm，垂直方向線性運動精度約為1.7 μm。水平和垂直方向運動時其俯仰角誤差均小于2″，搖擺角和滾動角誤差均小于3″，調節機構運動精度和運動姿態角誤差均滿足設計要求。調節機構啟動瞬間帶來非運動方向的耦合，垂向運動啟動瞬間水平方向耦合。將繼續研究減小或消除耦合量的方法，滿足機器物理對調節機構運動軌跡的高階物理需求。安裝調節機構后磁鐵支撐系統的整體固有頻率＞54 Hz，調節機構結構形式的整體剛度可以滿足 HEPS 對磁鐵支撐系統的穩定性要求。

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Development of the Mover based on the Four-layer Sliding Guide in HEPS

WU Lei1，YANG Shu1，LI Chunhua1，WANG Zihao1，JI Daheng1，LI Minxian1，CHEN Siyu1，XU Yuandi1，ZONG Liuxu1，2

（1. Institute of high Energy Physics of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China；2. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China）

In the storage ring of HEPS, all sextupoles will be installed on Beam Based Alignment Mover for beam optical correction. HEPS Mover needs to achieve high precision and be with high stability under high load. It is essential to develop the prototype before project implementation. A prototype of Mover based on the four-layer sliding guide has been developed to explore the processing and assembly process methods and tested to realize its performance, including the motion accuracy, angle error and stability of the magnet support system. Under 450 kg load of sextupoles, the motion accuracy of the Mover is higher than 5 μm. The pitch, roll and yaw along the Mover motion is better than 2-3”. The overall natural frequency of the magnet support system after installing the Mover is higher than 54 Hz. Through the test, the performance of the four-layer sliding guide Mover is definite. and the characteristics of high stability of the sliding scheme are determined.The measured results show that the four-layer sliding guide Mover can finally reach the required absolute accuracy and attitude angle. However, the huge sliding friction between the sliding plates will still bring the coupling in the beginning of vertical motion.

Mover; Sliding guide; Motion accuracy; Stability

TL54

A

0258-0918（2023）05-1196-07

2023-01-06

吳 蕾（1989—），女，山東青島人，博士研究生，高級工程師，現主要從事核技術及應用方面研究