高精度氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度測(cè)試

肖松文 孫 遠(yuǎn) 韓慶夫,3 周愛(ài)玉,3 朱 濤

1（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 東莞分部 東莞 523803）

2（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523808）

3（北京同步輻射實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

4（中國(guó)科學(xué)院物理研究所 北京 100190）

高精度氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及精度測(cè)試

肖松文1,2孫 遠(yuǎn)1,2韓慶夫1,2,3周愛(ài)玉1,2,3朱 濤4

1（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 東莞分部 東莞 523803）

2（東莞中子科學(xué)中心 東莞 523808）

3（北京同步輻射實(shí)驗(yàn)室 北京 100049）

4（中國(guó)科學(xué)院物理研究所 北京 100190）

針對(duì)中國(guó)散裂中子源(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)多功能反射譜儀反射臂對(duì)重負(fù)載、大行程及高精度的運(yùn)動(dòng)要求，采用氣浮支承加摩擦輪驅(qū)動(dòng)的組合結(jié)構(gòu)。先通過(guò)氣浮支承實(shí)現(xiàn)反射臂與地面之間無(wú)接觸無(wú)摩擦，再通過(guò)摩擦輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)反射臂繞著樣品臺(tái)中心進(jìn)行精確定位運(yùn)動(dòng)。為驗(yàn)證該方案的可行性進(jìn)行氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)的研制，并通過(guò)對(duì)氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精度測(cè)試得知在全行程范圍內(nèi)其單向重復(fù)定位精度為0.00031°，單向定位精度為0.0009°。試驗(yàn)結(jié)果表明氣浮支承加摩擦輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)能夠滿(mǎn)足多功能反射譜儀反射臂的運(yùn)動(dòng)要求。

氣浮支承，摩擦輪驅(qū)動(dòng)，精度測(cè)試

中子反射技術(shù)是通過(guò)測(cè)量界面薄膜材料對(duì)中子的反射分析獲知界面處0.5–500nm尺度內(nèi)結(jié)構(gòu)成分等信息的先進(jìn)材料表征技術(shù)，反射中子和X光一樣是研究各類(lèi)薄膜材料結(jié)構(gòu)特性的有力工具[1–2]。在目前的中國(guó)散裂中子源工程(Chinese Spallation Neutron Source, CSNS)[3–4]建設(shè)中，多功能反射譜儀是首期建設(shè)的三條譜儀之一。在反射譜儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，入射中子經(jīng)過(guò)兩組狹縫準(zhǔn)直之后首先打到豎直放置的薄膜樣品表面，薄膜樣品放置在一個(gè)六維可調(diào)樣品臺(tái)上，樣品中心距離地面高度1300mm，通過(guò)六維可調(diào)樣品臺(tái)來(lái)調(diào)節(jié)薄膜樣品與入射中子之間的入射角，入射中子被薄膜樣品表面反射之后形成反射中子束。在六維可調(diào)樣品臺(tái)后設(shè)置有一反射臂，反射臂上放置有一臺(tái)位置靈敏中子探測(cè)器，探測(cè)器距離樣品中心2000mm，為了實(shí)現(xiàn)探測(cè)器對(duì)反射中子的探測(cè)，反射臂必須繞著樣品中心旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的反射角位置。目前典型的中子反射及衍射實(shí)驗(yàn)對(duì)于旋轉(zhuǎn)角度的定位精度要求達(dá)到0.001°?？紤]到多樣化的實(shí)驗(yàn)需求，中子入射角設(shè)計(jì)范圍為0°–65°，相對(duì)應(yīng)的反射臂旋轉(zhuǎn)所需能實(shí)現(xiàn)的反射角為0°–130°，反射臂設(shè)計(jì)長(zhǎng)寬高分別為1750mm×1000mm× 800mm，重量為1200kg。

目前采用傳統(tǒng)的圓弧導(dǎo)軌副來(lái)支撐反射臂的結(jié)構(gòu)很難滿(mǎn)足如此重負(fù)載、大行程及高精度的運(yùn)動(dòng)要求，因?yàn)閷?dǎo)軌副屬于剛性接觸，導(dǎo)軌副之間不可避免會(huì)產(chǎn)生摩擦，而且剛性結(jié)構(gòu)無(wú)法有效阻隔機(jī)械振動(dòng)[5]。為了滿(mǎn)足反射臂對(duì)重負(fù)載、大行程及高精度的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)采用非接觸式的氣浮支撐的結(jié)構(gòu)方式來(lái)取代機(jī)械接觸式的導(dǎo)軌副結(jié)構(gòu)，從而有效避免剛性接觸所帶來(lái)的摩擦及振動(dòng)傳遞等缺點(diǎn)[6–7]。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于氣浮技術(shù)的應(yīng)用多用于負(fù)載很輕行程較短的超精密氣浮定位平臺(tái)[5–7]，而對(duì)于重負(fù)載、大行程及高精度的氣浮支承平臺(tái)的應(yīng)用還沒(méi)有。因此我們針對(duì)多功能反射譜儀反射臂的應(yīng)用要求設(shè)計(jì)并制造了一套氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)。本文將詳細(xì)介紹氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)的結(jié)構(gòu)，并通過(guò)樣機(jī)的精度測(cè)試來(lái)驗(yàn)證氣浮支承結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)精度。

1 氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 氣浮臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣浮支承結(jié)構(gòu)采用氣體作為潤(rùn)滑介質(zhì)，通過(guò)在氣浮支承底面和支承平面之間形成一層氣體薄膜來(lái)實(shí)現(xiàn)支承和潤(rùn)滑的功能[5]。本設(shè)計(jì)中采用德國(guó)Aerolas公司所提供的?160mm圓形氣浮墊，考慮到三點(diǎn)支撐的穩(wěn)定性，在正六邊形試驗(yàn)平臺(tái)的三邊各分布一組氣浮墊。每組氣浮墊結(jié)構(gòu)如圖1所示，在連接板左右各安裝一球頭螺桿，球頭螺桿的球頭安裝到左右兩個(gè)氣浮墊頂部的球頭槽內(nèi)，連接板中間安裝有一個(gè)轉(zhuǎn)軸，轉(zhuǎn)軸的另一端安裝在安裝板上，安裝板通過(guò)螺釘固定在試驗(yàn)平臺(tái)底部。這種雙球頭支撐加中間轉(zhuǎn)軸連接的雙氣浮墊結(jié)構(gòu)允許左右氣浮墊與地面有不同角度的傾斜，能夠更好地適應(yīng)地面的不平整性以及負(fù)載的波動(dòng)。

圖1 雙氣浮墊組合結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of composite structure of two air bearings.

氣浮墊對(duì)支撐平面的平面度要求很高，本設(shè)計(jì)中氣浮臺(tái)將放置在一塊1000mm×2000mm的花崗巖平臺(tái)上，單個(gè)氣浮墊設(shè)計(jì)氣隙高度為30μm，花崗巖平臺(tái)的平面度設(shè)計(jì)要求為5μm (300mm×300mm面積內(nèi))。因此當(dāng)氣浮墊工作時(shí)，氣浮墊的氣隙高度要大于花崗巖平面的平面度，此時(shí)氣浮墊與花崗巖平臺(tái)之間不接觸無(wú)摩擦，花崗巖平臺(tái)設(shè)計(jì)采用花崗巖拼接再研磨工藝制造。氣浮臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 氣浮臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of air floating stage.

1.2 轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

樣品臺(tái)底座設(shè)置在花崗巖平臺(tái)一側(cè)，氣浮臺(tái)工作時(shí)需要繞著樣品臺(tái)底座中心旋轉(zhuǎn)，因此在樣品臺(tái)底座處安裝一個(gè)交叉滾柱軸環(huán)，軸環(huán)的內(nèi)圈固定，而外圈則通過(guò)一塊厚2mm、寬200mm的薄鋼板與放置在花崗巖平臺(tái)上的氣浮臺(tái)固定相連。使用薄鋼板的原因是薄鋼板的正面受力時(shí)很容易彎曲，而側(cè)面受力時(shí)變形很小，因此薄鋼板的使用既能夠保證氣浮臺(tái)工作時(shí)完全浮起也能保證氣浮臺(tái)始終繞著樣品中心旋轉(zhuǎn)。

在氣浮臺(tái)一側(cè)設(shè)置有一個(gè)摩擦輪，摩擦輪使用摩擦系數(shù)高且耐磨的聚氨酯材料，摩擦輪與花崗巖平臺(tái)之間有預(yù)壓，氣浮墊工作時(shí)，氣浮臺(tái)完全浮起，此時(shí)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過(guò)摩擦輪與花崗巖臺(tái)面之間的靜摩擦力帶動(dòng)氣浮臺(tái)繞著樣品中心轉(zhuǎn)動(dòng)。

氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)整體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3所示。

圖3 氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.3 Schematic diagram of rotation stage with air bearing support structure.

1.3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣浮支撐轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，使用美國(guó)DELTA TAU公司的UMAC運(yùn)動(dòng)控制器作為核心控制部件，UMAC運(yùn)動(dòng)控制器輸出指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，在樣品臺(tái)底座處設(shè)置有一雷尼紹絕對(duì)值圓光柵作為氣浮臺(tái)的轉(zhuǎn)角測(cè)量和反饋部件。通過(guò)絕對(duì)值圓光柵實(shí)時(shí)反饋氣浮臺(tái)的旋轉(zhuǎn)角度給UMAC運(yùn)動(dòng)控制器，從而形成氣浮支撐轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的閉環(huán)運(yùn)動(dòng)控制，通過(guò)位置開(kāi)關(guān)限位保護(hù)氣浮臺(tái)的運(yùn)動(dòng)行程。

圖4 氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.4 Schematic diagram of rotation stage with air bearing support control structure.

1.4 氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)精度理論分析

氣浮臺(tái)的驅(qū)動(dòng)部件為摩擦輪，摩擦輪的最小步進(jìn)值將直接影響到氣浮臺(tái)的旋轉(zhuǎn)定位精度。 摩擦輪使用的電機(jī)為五相步進(jìn)電機(jī)，五相步進(jìn)電機(jī)的最小步距角為E=0.02°，摩擦輪直徑D=120mm，則摩擦輪的最小步進(jìn)值為：

摩擦輪設(shè)計(jì)時(shí)距離樣品中心距離為R=1100mm，則氣浮臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的最小步進(jìn)角為：

考慮到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器20倍的電子細(xì)分，則氣浮臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度的分辨率為0.00005°，對(duì)于反射及衍射實(shí)驗(yàn)所要求0.001°的定位精度理論上能夠滿(mǎn)足。

2 氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)精度測(cè)試

氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精度主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)定位精度和重復(fù)定位精度，定位精度是氣浮臺(tái)在控制系統(tǒng)控制下摩擦輪驅(qū)動(dòng)定位所能達(dá)到的精度，重復(fù)定位精度是指氣浮臺(tái)在摩擦輪驅(qū)動(dòng)下反復(fù)進(jìn)行定位所得到的位置精度的一致程度。由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，反射臂只會(huì)從零點(diǎn)往一個(gè)方向進(jìn)行定位，因此本文僅探討氣浮臺(tái)的單向定位精度及單向重復(fù)定位精度。

2.1 測(cè)試方法

實(shí)際使用中反射臂負(fù)載重達(dá)1200kg，但是受限于制造的花崗巖平臺(tái)的承重能力，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)氣浮臺(tái)上所加載的鉛磚負(fù)載只有800kg。使用ELCOMAT 3000型雙軸電子自準(zhǔn)直儀進(jìn)行角度測(cè)量，ELCOMAT 3000雙軸電子自準(zhǔn)直儀是一種高精度的角度測(cè)量?jī)x器，測(cè)量范圍為±1000''，分辨率最小為0.005''。

氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)中氣浮臺(tái)的轉(zhuǎn)角行程為45°左右，受限于自準(zhǔn)直儀的測(cè)量范圍最大只能達(dá)到不到0.5°，因此為了測(cè)試氣浮臺(tái)全行程的重復(fù)定位精度及定位精度，在此從花崗巖測(cè)試平臺(tái)左側(cè)往右側(cè)每隔5°依次取點(diǎn)，分別標(biāo)記為1、2、3、4、5、6、7、8總共8點(diǎn)，在每個(gè)點(diǎn)均架設(shè)自準(zhǔn)直儀進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)氣浮臺(tái)首先轉(zhuǎn)動(dòng)到該點(diǎn)左側(cè)5°處，然后再由左往右運(yùn)動(dòng)到該點(diǎn)進(jìn)行定位，在每點(diǎn)均進(jìn)行6次往返測(cè)試。測(cè)試方法如圖5所示。測(cè)試時(shí)氣浮墊一直保持上浮狀態(tài)。

圖5 氣浮支撐轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)精度測(cè)試方法示意圖Fig.5 Accuracy test method of rotation stage with air bearing support.

圖6 為在現(xiàn)場(chǎng)使用自準(zhǔn)直儀進(jìn)行測(cè)試的情況。

圖6 使用自準(zhǔn)直儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)精度測(cè)量Fig.6 Accuracy test with the use of autocollimator.

2.2 數(shù)據(jù)處理

在繞著樣品底座中心每一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)定位時(shí)，將產(chǎn)生6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)6次測(cè)量的偏差值就可確定該點(diǎn)的平均位置偏差值和位置偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度Si[8–11]。

每次運(yùn)動(dòng)的位置偏差值Xij為：

由n次單向趨近某一位置iP所得的平準(zhǔn)位置偏差值為：

通過(guò)對(duì)某一位置iP的n次單向趨近所獲得的位置偏差標(biāo)準(zhǔn)不確定度的估算值為：

從式(5)可以看出測(cè)量次數(shù)越多，標(biāo)準(zhǔn)偏差的標(biāo)準(zhǔn)不確定度越小，試驗(yàn)數(shù)據(jù)越可靠[12]。

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，某一位置iP的單向重復(fù)定位精度為：

而軸線(xiàn)單向定位精度則為：

通過(guò)電子自準(zhǔn)直儀所測(cè)數(shù)據(jù)及通過(guò)式(7)對(duì)數(shù)據(jù)所做的處理結(jié)果如表1所示。

利用表1所處理的數(shù)據(jù)做出氣浮臺(tái)的單向定位精度和單向重復(fù)定位精度曲線(xiàn)如圖7所示。

表1 氣浮支撐轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)單向精度測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Data of unidirectional accuracy test of rotation stage with air bearing support.

圖7 氣浮支撐轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的單向定位精度和重復(fù)定位精度曲線(xiàn)Fig.7 Positioning accuracy and repeatability positioning accuracy curves of rotation stage with air bearing support.

曲線(xiàn)最高點(diǎn)與最低點(diǎn)的整個(gè)變化范圍即為定位精度A，而重復(fù)定位精度則是繞軸線(xiàn)任意位置Pi點(diǎn)的重復(fù)定位精度的最大值。因此由圖7可知，氣浮臺(tái)的單向重復(fù)定位精度為R=0.00031°，單向定位精度為A=0.0009°。

3 結(jié)語(yǔ)

為滿(mǎn)足多功能反射譜儀反射臂對(duì)重負(fù)載、大行程及高精度的運(yùn)動(dòng)要求，設(shè)計(jì)采用氣浮支承和摩擦輪驅(qū)動(dòng)的組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)氣浮實(shí)現(xiàn)了反射臂與地面之間不接觸無(wú)摩擦，再通過(guò)摩擦輪驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)反射臂繞著樣品中心進(jìn)行精確定位運(yùn)動(dòng)。為了驗(yàn)證該方案的可行性進(jìn)行了氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)樣機(jī)的研制，氣浮臺(tái)由三組氣浮墊支撐，并放置在一塊1000mm×2000mm的花崗巖平臺(tái)上，氣浮臺(tái)與放置在花崗巖平臺(tái)一側(cè)的樣品臺(tái)底座處的交叉滾柱軸環(huán)通過(guò)薄鋼板相連，在氣浮臺(tái)的一側(cè)設(shè)置有一摩擦輪。氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的行程為45°，測(cè)試時(shí)氣浮臺(tái)所加負(fù)載為800kg。通過(guò)使用雙軸電子自準(zhǔn)直儀對(duì)氣浮支承轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的精度測(cè)試可知，其單向重復(fù)定位精度為0.00031°，單向定位精度為0.0009°。試驗(yàn)結(jié)果表明氣浮支承加摩擦輪驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的定位精度要優(yōu)于反射及衍射實(shí)驗(yàn)所要求的0.001 °，能滿(mǎn)足多功能反射譜儀反射臂的運(yùn)動(dòng)要求。

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CLC TH113.2, TL99

Structure design and accuracy test of high precision rotation stage with air bearing support

XIAO Songwen1,2SUN Yuan1,2HAN Qingfu1,2,3ZHOU Aiyu1,2,3ZHU Tao4

1(China Spallation Neutron Source, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Dongguan 523803, China)
2(Dongguan Institute of Neutron Science, Dongguan 523808, China)
3(Beijing Synchrotron Radiation Facility, Beijing 100049, China)
4(Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

Background: Multi-purpose Reflectometer (MR) is one of the three spectrometers under construction at China Spallation Neutron Source (CSNS). The reflection arm is a key component in MR, which is used to carry the neutron detector. The size of the reflection arm is 1750 mm×1000 mm×800mm (L×W×H), and the weight is 1200kg. The reflection arm should rotate around the sample center with a rotation range of 130°, and the accuracy of the rotation should be higher than 0.001°. Purpose: This study aims to design the structure with the combination of air bearing support and friction wheel drive for the movement request of heavy load, large travel and high precision in the reflection arm. Methods: A high precision rotation stage with air bearing support is developed to verify the feasibility of this structure in which no contact and friction between reflection arm and granite floor when the air bearing works. The air floating stage is supported by three sets of air bearings, which is placed on a granite platform with the size of 1000 mm×2000 mm, a sample stage base is located on one side of the granite platform, a sheet steel is used to connect the air floating stage and the cross roller bearing which is installed in the sample stage base, a friction wheel is installed in the side of the air floating stage. The rotation range of the air floating stage is 45°, and the load of the air floating stage under test is 800kg. Results: The accuracy test indicates that the rotation stage with air bearing support can offer the repeatability positioning accuracy of 0.00031°, and the positioning accuracy of 0.0009° within the scope of whole rotation range. Conclusion: These results show that the structure with the combination of air bearing support and friction wheel drive can satisfy the movement requirement of the reflection arm in MR.

Air bearing support, Friction wheel drive, Accuracy test

TH113.2，TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.030403

中國(guó)散裂中子源(CSNS)工程項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)資助

肖松文，男，1987年出生，2011年畢業(yè)于東北大學(xué)，主要從事中子譜儀機(jī)械設(shè)計(jì)

韓慶夫，E-mail: hanqf@ihep.ac.cn

2014-11-19，

2014-12-25