一種磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)

臧宗旸， 廖樹(shù)清， 龍全紅

（中國(guó)工程物理研究院 流體物理研究所106室，四川 綿陽(yáng)621900）

0 引 言

束流傳輸系統(tǒng)是加速器的重要組成部分，因此對(duì)束流傳輸元件的參數(shù)測(cè)量就顯得尤為重要，其中包括對(duì)加速腔中螺線管線圈中軸線磁場(chǎng)分布[1-2]的測(cè)量。螺線管線圈中軸線磁場(chǎng)分布為束流力學(xué)物理模擬提供必要的數(shù)據(jù)支撐，便于更好地進(jìn)行束流傳輸物理模擬計(jì)算。實(shí)際磁場(chǎng)測(cè)量過(guò)程中使用激光跟蹤儀在空間建立基準(zhǔn)坐標(biāo)，通過(guò)測(cè)量磁測(cè)探頭與螺線管線圈在基準(zhǔn)坐標(biāo)中的位置來(lái)確定二者之間的位置關(guān)系，因此獲取磁測(cè)探頭與螺線管線圈之間的位置關(guān)系成為工作重點(diǎn)。加速腔由螺線管線圈、其他部件和螺線管線圈殼體共同組成，4個(gè)加速腔又組成了加速組元[3]。如果采用手持式高斯計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)，需要將加速組元拆卸成單個(gè)加速腔才能準(zhǔn)確地測(cè)量磁場(chǎng)分布，而每個(gè)加速腔質(zhì)量近1 t，拆卸過(guò)程比較麻煩，測(cè)量過(guò)程不具有連續(xù)性、銜接性，因此一定程度上增加了工作難度，大大降低了工作效率。如果直接對(duì)已經(jīng)組裝好的加速組元中的單個(gè)加速腔螺線管線圈進(jìn)行精確的磁場(chǎng)測(cè)量[4-5]，由于加速組元管道為細(xì)長(zhǎng)管道，磁測(cè)探頭在加速組元管道內(nèi)移動(dòng)過(guò)程中量程較長(zhǎng)，空間不可視，要對(duì)磁測(cè)探頭進(jìn)行精確定位并且獲取探頭位置，一些傳統(tǒng)手段不易實(shí)現(xiàn)，為此專門(mén)設(shè)計(jì)了一種高效率磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)。

1 磁測(cè)探頭與螺線管線圈位置關(guān)系測(cè)量的重要性

螺線管線圈磁場(chǎng)分布的精確測(cè)量需要滿足兩個(gè)條件：1）磁測(cè)探頭與螺線管線圈的空間位置關(guān)系的精確測(cè)量；2）具備高精度的磁測(cè)探頭。只有二者測(cè)量精度同時(shí)滿足要求，才能最終保證螺線管線圈磁場(chǎng)分布的精確測(cè)量。此前我們已經(jīng)選用了一種高精度的磁測(cè)探頭，因此磁測(cè)探頭與待測(cè)螺線管線圈的相對(duì)位置的精確測(cè)量成為整個(gè)測(cè)量過(guò)程中需要解決的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

2 現(xiàn)有工況下測(cè)量難點(diǎn)分析

1）驅(qū)動(dòng)磁測(cè)探頭并且保持高直線度移動(dòng)難度大。由于加速腔組元管道為φ148 mm的細(xì)長(zhǎng)管道，空間過(guò)于狹小，如果采用傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式(如絲杠)等來(lái)驅(qū)動(dòng)磁測(cè)探頭，無(wú)法保持磁測(cè)探頭在加速組元管道內(nèi)沿軸向的高直線度移動(dòng)。

2）不易精確跟蹤磁測(cè)探頭軸向位移變化。長(zhǎng)度近2450 mm的加速組元管道中完全不可視,不容易實(shí)現(xiàn)探頭軸向位移的精確跟蹤。

3）不易精確定位磁測(cè)探頭在加速組元管道中的徑向位置。如果將磁測(cè)探頭伸入φ148 mm加速組元管道后，無(wú)法確定其在加速組元管道中的徑向位置。

基于上述情況專門(mén)設(shè)計(jì)了一種高效率磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)，伸入加速組元管道并將其固定在螺線管線圈殼體前封板上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)機(jī)構(gòu)在組元管道外部的固定，然后對(duì)已經(jīng)組裝好的加速組元中螺線管線圈進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量，效果如圖1所示。

圖1 磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)裝入加速組元管道中示意圖

3 磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

1）結(jié)構(gòu)組成。磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)由前滑輪、前滑輪固定座、固定板、磁測(cè)探頭、探頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、光柵尺、光柵尺讀數(shù)頭、導(dǎo)軌滑塊、安裝板、直線導(dǎo)軌、半月形墊塊、后搖輪、后搖輪手柄、后搖輪固定座、鋼絲繩組成，如圖2、圖3所示。

圖2 磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)局部示意圖

圖3 磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)整體示意圖

2）具體安裝方式。在直線導(dǎo)軌下方以430 mm為間距等間距安裝6個(gè)半月形墊塊，使半月形墊塊與直線導(dǎo)軌保持剛性連接，然后在半月形墊塊上面安裝光柵尺，最后依次安裝剩余零部件（后搖輪手柄除外），此時(shí)可以將整個(gè)機(jī)構(gòu)從加速組元前端伸入加速組元管道內(nèi)部，直至固定板與螺線管線圈殼體前封板完全貼合，并安裝后搖輪手柄，最后用螺釘連接固定板與螺線管線圈殼體前封板，最終實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)構(gòu)在加速組元管道內(nèi)的固定。

3.2 設(shè)計(jì)中關(guān)鍵問(wèn)題的解決

1）細(xì)長(zhǎng)組元管道中磁測(cè)探頭高直線度移動(dòng)解決方案。用一根鋼絲繩從安裝板前端引出，從前滑輪底部繞過(guò)頂部，然后再?gòu)暮髶u輪頂部繞過(guò)底部，最后與安裝板后端連接，通過(guò)搖動(dòng)后搖輪上的手柄即可實(shí)現(xiàn)導(dǎo)軌滑塊的移動(dòng)，后搖輪驅(qū)動(dòng)鋼絲繩，鋼絲繩牽引安裝板，使得安裝板帶動(dòng)磁測(cè)探頭與光柵尺讀數(shù)頭在直線導(dǎo)軌上同步滑動(dòng)，利用鋼絲繩驅(qū)動(dòng)磁測(cè)探頭在高直線度的直線導(dǎo)軌上滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了探頭在狹小空間的驅(qū)動(dòng)，同時(shí)確保了磁測(cè)探頭長(zhǎng)行程直線運(yùn)動(dòng)路徑的直線度。

2）精確跟蹤磁測(cè)探頭軸向位移變化。將磁測(cè)探頭與光柵尺讀數(shù)頭同時(shí)固定在安裝板上，并與導(dǎo)軌滑塊固定，光柵尺讀數(shù)頭連接一數(shù)顯屏，磁測(cè)探頭連接磁場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示屏，并同時(shí)放置在加速組元管道外部。磁測(cè)探頭移動(dòng)的過(guò)程中，操作人員只需要通過(guò)光柵尺讀數(shù)數(shù)字顯示屏即可看到磁測(cè)探頭所處的軸向位置，這樣在加速組元管道外部就實(shí)現(xiàn)了精確跟蹤磁測(cè)探頭在加速組元管道中的軸向位移變化。

3）探頭徑向位置精確定位。半月形墊塊與加速組元管道均為φ148 mm并有間隙配合，管道尺寸為φ148+0.060，半月形墊塊尺寸為φ148-0.05-0.10，二者最小理論間隙為0.05 mm，最大理論間隙為0.16 mm，磁測(cè)探頭裝卡在探頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)（如圖4）上并固定在安裝板上，通過(guò)探頭調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磁測(cè)探頭上、下、左、右4個(gè)方向的調(diào)節(jié)，來(lái)修正半月形墊塊與加速組元管道間隙配合帶來(lái)的偏差。具體解決方法為：左右方向在安裝過(guò)程中基本保持對(duì)稱，因此其間隙帶來(lái)的間隙偏差很小，上下方向間隙偏差由于重力原因集中向下偏，假設(shè)真實(shí)間隙為最大間隙0.16 mm，并且認(rèn)為向下偏了0.16 mm，我們?nèi)∑渲虚g值0.08 mm，向上調(diào)節(jié)0.08 mm即可滿足磁測(cè)探頭與加速組元管道同軸度的使用要求。在磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)裝入加速組元管道前，通過(guò)激光跟蹤儀測(cè)量對(duì)中使磁測(cè)探頭與加速組元管道同軸，由于整個(gè)機(jī)構(gòu)具有很高的剛性，將機(jī)構(gòu)裝入加速組元管道后仍然能夠確保磁測(cè)探頭與加速組元管道的徑向精確位置關(guān)系。

如圖4所示，磁測(cè)探頭裝卡在探頭卡子里面，并將探頭卡子裝入在卡槽座縱向槽里面，通過(guò)縱向固定螺釘連接探頭卡子和卡槽座，稍微松動(dòng)縱向固定螺釘，并通過(guò)調(diào)節(jié)縱向調(diào)節(jié)螺釘即可實(shí)現(xiàn)探頭卡子在卡槽座的槽里上下滑動(dòng)。以同樣的方式在安裝板上開(kāi)橫向槽使卡槽座裝入安裝板橫向槽里，通過(guò)橫向固定螺釘連接卡槽座和安裝板，稍微松動(dòng)橫向固定螺釘并調(diào)節(jié)橫向調(diào)節(jié)螺釘，即可實(shí)現(xiàn)卡槽座在安裝板橫向槽里的左右滑動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)了磁測(cè)探頭在上、下、左、右4個(gè)方向的調(diào)節(jié)。

4 使用效果對(duì)比

運(yùn)用磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)測(cè)量磁場(chǎng)與手持式高斯計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)的效果對(duì)比如表1所示。

表1 磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)與手持式高斯計(jì)測(cè)量磁場(chǎng)的效果對(duì)比

5 結(jié) 語(yǔ)

為了在不可視的細(xì)長(zhǎng)加速組元管道中實(shí)現(xiàn)磁測(cè)探頭的精確定位和位置獲取，設(shè)計(jì)了一種高效率磁測(cè)探頭定位及位置獲取機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)巧妙應(yīng)用了光柵尺在不可視空間中可以獲取磁測(cè)探頭位置的特性，同時(shí)利用了狹小空間鋼絲繩便捷驅(qū)動(dòng)磁測(cè)探頭的優(yōu)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁測(cè)探頭在不可視空間中所處位置的精確讀取，最終實(shí)現(xiàn)了中軸線磁場(chǎng)分布的精確測(cè)量。該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路可以推廣到其他不可視及狹長(zhǎng)空間的各種測(cè)量工作中。