微小角中子散射譜儀探測器移動小車驅(qū)動機構(gòu)設計及精度測試

肖松文何泳成何振強左太森林 雄程 賀

1（中國科學院高能物理研究所 北京 100049）

2（散裂中子源科學中心 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，正在中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）當中建設的微小角中子散射譜儀（Very Small Angle Neutron Scattering Spectrometer，VSANS）就是為更好實現(xiàn)這一目標而研發(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，形成一個應用廣泛的多功能測試平臺，為基礎(chǔ)科研和工業(yè)應用服務，解決許多重大的關(guān)系國計民生的科學問題。

圖1為微小角中子散射譜儀物理設計示意圖，在微小角中子散射譜儀的物理設計中，中子從慢化器出來經(jīng)過22 m長距離飛行后到達樣品，被樣品散射之后的中子進入到后端的探測器；為了在一次實驗中獲取到樣品盡可能多的低角、中角及高角散射數(shù)據(jù)，在樣品后端設計三組可前后移動的中子探測器，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)不同實驗需求，需要移動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間實驗數(shù)據(jù)的準確性，典型的小角中子散射實驗希望樣品到探測器的距離精度達到200 μm，因此，散射腔內(nèi)部的探測器移動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計示意圖Fig.1 Schematic diagram of physical design of VSANS

三臺探測器移動小車中最大行程需要達到5 m，傳統(tǒng)的驅(qū)動形式中滾珠絲杠傳動精度非常高，但三臺小車需要安裝三套滾珠絲杠，而長滾珠絲杠的造價非常高，且整個結(jié)構(gòu)將很復雜，因此不適合采用滾珠絲桿傳動。而采用齒輪齒條的傳動形式結(jié)構(gòu)更簡單，造價更低，維護也更方便，整個結(jié)構(gòu)中只需要一根齒條就可以滿足三臺小車運動，每臺小車上配備一個齒輪和驅(qū)動電機即可，因此本設計中探測器移動小車采用齒輪齒條進行傳動。但是由于齒輪齒條嚙合存在齒向間隙［6?10］，這對探測器移動小車的定位精度會存在較大影響，因此需對該結(jié)構(gòu)進行詳細的設計計算驗證，并通過精度測試結(jié)果來驗證該驅(qū)動機構(gòu)的定位精度。

1 探測器移動小車結(jié)構(gòu)設計

1.1 雙導軌支撐結(jié)構(gòu)設計及安裝方法

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

圖2 散射腔內(nèi)部雙導軌分布示意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范圍較大，為了確保在整個導軌行程上運行平穩(wěn)及獲得高的定位精度，安裝時需要調(diào)節(jié)左右兩條導軌的頂面與散射腔腔體中心軸線高度不超過200 μm；同時需要調(diào)節(jié)左右導軌的兩側(cè)面平行度，調(diào)至左右導軌上任意位置兩側(cè)的平行度不大于50 μm。

如圖3所示，為了滿足導軌調(diào)整需求，設計采用角鋼直接焊接在散射腔腔體內(nèi)壁一側(cè)，焊接時通過激光跟蹤儀測量整個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)；最后安裝導軌，在導軌兩側(cè)每隔160 mm安裝一組對頂水平微調(diào)座，并在導軌拼接線的兩側(cè)增加兩組水平微調(diào)座，首先通過跟蹤儀測量兩根導軌側(cè)面與腔體中心水平距離，并通過導軌兩側(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，沒法滿足導軌高精度調(diào)整要求，在工程實際當中一般采用千分表來測量導軌兩側(cè)平行度；因此通過架設千分表（千分表最小讀數(shù)為2 μm）在一側(cè)導軌滑塊上，并以該側(cè)導軌為基準，千分表球頭測量另一側(cè)導軌側(cè)面，并通過被測導軌兩側(cè)的水平微調(diào)座精確微調(diào)被測導軌與基準導軌上任意位置的千分表讀數(shù)值在±25 μm以內(nèi)，至此導軌支撐結(jié)構(gòu)安裝完畢。

圖3 散射腔內(nèi)部雙導軌調(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際安裝時左右兩側(cè)12 m長導軌頂面高差激光跟蹤儀測量值為100 μm，優(yōu)于設計要求的200 μm，左右兩側(cè)導軌的側(cè)面平行度千分表測量值為34 μm，優(yōu)于設計要求的50 μm。

1.2 齒輪齒條傳動結(jié)構(gòu)設計

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

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

探測器移動小車加上臺面的探測器總重大概2 t，設計加速時間0.5 s，最大速度20 mm·s-1，滾動導軌阻力系數(shù)0.01，末端拖鏈附加力大概500 N，因此系統(tǒng)加速度為：

探測器移動小車加速啟動最大力為：

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)動一圈所走過的距離為：

則動力機構(gòu)所需轉(zhuǎn)速為：

直齒輪轉(zhuǎn)動時為單邊受力，因此直齒輪轉(zhuǎn)動時所需扭矩為：

取三倍安全系數(shù)，則動力機構(gòu)所需最小輸出扭矩為：

由于該扭矩較大，設計配備1∶35的行星輪減速機，因此所需電機扭矩為：

電機所需額定轉(zhuǎn)速為：

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

1.3 探測器移動小車定位精度理論分析

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

因此從理論計算上看，該套驅(qū)動機構(gòu)的最小步進值非常小，驅(qū)動精度非常高；但是由于齒輪齒條傳動存在齒向間隙會對小車的定位精度產(chǎn)生影響，因此直齒輪安裝時需要特別注意盡量減小齒向間隙，一般安裝時通過減小齒輪和齒條之間的距離來減小齒向間隙；依據(jù)機械加工及裝配經(jīng)驗，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，探測器移動小車200 μm的定位精度是可以實現(xiàn)的。

2 探測器移動小車驅(qū)動機構(gòu)精度測試

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

2.1 測試方法

散射腔及探測器移動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小車進行定位精度測試；Leica AT403絕對激光跟蹤儀適合超大空間范圍內(nèi)的精密坐標測量，測量范圍可達320 m，被廣泛地應用于機床安裝、零部件檢測、機械件的組裝及大型設備與工裝的校準、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激光跟蹤儀進行測試的情況。

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

測試時，探測器3總移動行程為5 250 mm，從0位置開始，每隔750 mm測量一個點，總行程測量8個點，往返測量5次。圖6為探測器移動小車精度測試方法示意圖。

圖6 探測器移動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點進行單向定位時，會產(chǎn)生5個不同的實際定位點Pij，用實際定位點Pij減去目標位置Pi即為該次運動的位置偏差值Xij，根據(jù)五次測量的偏差值就可確定該點的單向平均位置偏差值X—i和位置偏差的單向標準不確定度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)機床檢驗通則第二部分：數(shù)控軸線的定位精度和重復定位精度的確定等文獻所提數(shù)據(jù)處理方法［11?16］，對以上數(shù)據(jù)進行處理并制作出探測器移動小車的定位精度及雙向重復定位精度曲線，如圖7所示。

曲線最高點與最低點的整個變化范圍即為定位精度A，而雙向重復定位精度則是指8個目標位置的雙向重復定位精度的最大值。因此由圖7可知，探測器移動小車在5 250 mm的移動行程內(nèi)的雙向重復定位精度為R=140 μm，定位精度為A=167 μm。從圖7還可以看出，齒輪齒條傳動單向定位精度也比較高，正向重復定位精度為R↑=52 μm，反向重復定位精度為R↓=65 μm。影響齒輪齒條傳動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的齒向間隙，從表1可以看出，750 mm位置點反向差值最大達到了-87 μm，所以導致了該點雙向重復定位精度最差。另外因為行程較大，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小車運動精度產(chǎn)生較大影響。

表1 探測器移動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小車對重負載、大行程和較高定位精度的要求，設計了雙導軌導向，齒輪齒條傳動的驅(qū)動結(jié)構(gòu)，通過伺服電機的高精度控制實現(xiàn)對探測器移動小車的較高精度定位控制。通過激光跟蹤儀對探測器移動小車的往返5次定位測試可知，其雙向重復定位精度為140 μm，定位精度為167 μm。測試結(jié)果表明：齒輪齒條傳動結(jié)構(gòu)能夠滿足微小角中子散射譜儀探測器移動小車所要求的200 μm的定位精度。

作者貢獻聲明肖松文：負責系統(tǒng)方案的提出、設計、建造、測試及論文撰寫；何泳成：負責探測器移動小車的運動和控制；何振強：負責探測器移動小車激光跟蹤儀測量、標定及重復定位精度測試；左太森：負責譜儀物理光路設計以及重復定位精度測量數(shù)據(jù)的收集和整理；林雄：參與探測器移動小車的建造、重復定位精度測試以及文章的修訂；程賀：負責本項目的監(jiān)督、管理和指導，以及文章最終版本的修訂。