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(dòng)導(dǎo)軌的磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)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(guó)科學(xué)院 高能物理研究所 北京 100049;2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)
在高能同步輻射光源(HEPS)儲(chǔ)存環(huán)中,基于束流光學(xué)參數(shù)校正的需要,所有的六極磁鐵將安裝在基于束流位置進(jìn)行遠(yuǎn)程電動(dòng)調(diào)節(jié)的機(jī)構(gòu)上。HEPS六極鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要在高負(fù)載下實(shí)現(xiàn)超高精度和穩(wěn)定性,研制難度較大,前期進(jìn)行方案設(shè)計(jì)和樣機(jī)研制有利于為工程實(shí)施建立堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。本文對(duì)基于四層滑動(dòng)導(dǎo)軌的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行樣機(jī)研制和測(cè)試,探索提高運(yùn)動(dòng)精度和減小運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角度誤差的加工和裝配工藝方法,以準(zhǔn)確掌握該方案調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的性能,包括線性運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角度誤差和磁鐵支撐系統(tǒng)穩(wěn)定性。經(jīng)測(cè)試,在450 kg六極磁鐵負(fù)載下,該調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在磁軸位置高度上的運(yùn)動(dòng)精度好于5 μm;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)沿運(yùn)動(dòng)軸的俯仰角誤差≤2″,搖擺角和滾動(dòng)角誤差≤3″;安裝調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)后磁鐵支撐系統(tǒng)的整體固有頻率>54 Hz。實(shí)測(cè)結(jié)果表明,基于四層滑動(dòng)導(dǎo)軌的磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)最終能達(dá)到所需的線性運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角度誤差要求,且其高剛度特點(diǎn)可以滿足HEPS磁鐵支撐系統(tǒng)高穩(wěn)定性的要求。但是,板件之間巨大的滑動(dòng)摩擦?xí)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中帶來(lái)非運(yùn)動(dòng)方向的位移耦合,該耦合量需要根據(jù)束流的物理需求進(jìn)行評(píng)估。
磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu);滑動(dòng)導(dǎo)軌;運(yùn)動(dòng)精度;穩(wěn)定性
高能同步輻射光源(HEPS)是我國(guó)“十三五”期間建設(shè)的重大科學(xué)裝置,將于2025年底投入使用。建成后,HEPS將成為中國(guó)第一個(gè)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(chǔ)存環(huán)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(guó)家戰(zhàn)略和工業(yè)核心創(chuàng)新能力等相關(guān)研究中對(duì)高能、高亮度X射線的迫切需求,從而將我國(guó)同步輻射光源擴(kuò)展到高能區(qū)[1-3]。HEPS儲(chǔ)存由48個(gè)7BA單元組成。圖1是一個(gè)7BA結(jié)構(gòu)單元布局。其中MP-Ⅰ和MP-Ⅱ磁鐵支撐系統(tǒng)中有各有三臺(tái)六極磁鐵,全環(huán)共計(jì)288臺(tái)。所有六極磁鐵將安裝于電動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)上,以實(shí)現(xiàn)磁鐵的支撐和基于束流位置的遠(yuǎn)程在線調(diào)整,滿足束流光學(xué)參數(shù)校正需求。加速器以往常用的光學(xué)參數(shù)校正方法以改變四極磁鐵的強(qiáng)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(chǔ)存環(huán)的光學(xué)參數(shù)對(duì)六極磁鐵橫向位置誤差的敏感性更高,因此提出根據(jù)束流參數(shù)反饋,采用遠(yuǎn)程在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水平和垂直方向調(diào)節(jié)六極鐵位置,校正束流光學(xué)參數(shù),輔助實(shí)現(xiàn)HEPS設(shè)計(jì)性能。HEPS在國(guó)際上首次大批量應(yīng)用六極磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),這也是HEPS關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)之一。物理設(shè)計(jì)要求六極磁鐵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在水平和垂直方向調(diào)節(jié)磁軸的線性運(yùn)動(dòng)精度需優(yōu)于5 μm[4]。另外,由于磁鐵磁軸距離磁鐵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)有約250 mm的高差,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角度容易因高度的放大而導(dǎo)致磁軸位置發(fā)生變化,因此對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的姿態(tài)角度提出了比較高的要求,即沿運(yùn)動(dòng)軸的俯仰角需小于2″,擺動(dòng)角和滾動(dòng)角需小于3″,優(yōu)于國(guó)際上其他加速器項(xiàng)目中的要求[5-8]。此外,作為MP磁鐵支撐系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié),調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要盡可能地增加剛度,以滿足整個(gè)MP磁鐵支撐系統(tǒng)的基頻高于54 Hz的高穩(wěn)定性要求[9,10]。六極磁鐵振動(dòng)放大倍數(shù)要求相對(duì)較低,不大于2。HEPS磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的研制存在以下幾個(gè)方面的難點(diǎn):一是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)需要在高負(fù)載下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高精度和高穩(wěn)定性。HEPS儲(chǔ)存環(huán)六極磁鐵重量高達(dá)450 kg,比國(guó)際上其他類似使用在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的磁鐵重量高一個(gè)數(shù)量級(jí)。而運(yùn)動(dòng)精度和穩(wěn)定性指標(biāo)相互制約,高負(fù)載下矛盾更為凸出,需要尋找合適的平衡點(diǎn)。二是調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝空間有限,設(shè)計(jì)高度空間<150 mm,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)需緊湊。三是運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)角度誤差要求高,對(duì)機(jī)構(gòu)加工和裝配經(jīng)驗(yàn)要求高。
圖1 一個(gè)7BA單元布局
為實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的功能要求,解決工程問(wèn)題,本文提出了基于四層滑動(dòng)導(dǎo)軌楔形運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),其結(jié)構(gòu)緊湊,可以適用較低的高度安裝空間。下文將詳細(xì)介紹其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能測(cè)試。
磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由四層板組成,如圖2所示。電機(jī)1驅(qū)動(dòng)最上層水平滑動(dòng)板實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)水平方向運(yùn)動(dòng)。中間兩層楔形板用于垂直移動(dòng)。電機(jī)2驅(qū)動(dòng)下層垂動(dòng)板沿水平方向運(yùn)動(dòng),從而抬升上層垂動(dòng)板。上層垂動(dòng)板受到滾動(dòng)導(dǎo)軌的約束,水平方向保持不動(dòng),實(shí)現(xiàn)垂向運(yùn)動(dòng)。楔形板的角度比均為 1∶25,為無(wú)驅(qū)動(dòng)時(shí)自鎖結(jié)構(gòu)。最底層為底板。運(yùn)動(dòng)板基體板材為HT300,具有耐摩特性。該機(jī)構(gòu)板件之間面面接觸,形成滑動(dòng)導(dǎo)軌,具有高剛度的特點(diǎn),但同時(shí)也將引入巨大的摩擦力。理論上,該機(jī)構(gòu)水平和垂直運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的高運(yùn)動(dòng)精度,利用絕對(duì)式光柵尺來(lái)反饋板件位置。為了減小摩擦,在板的兩側(cè)面加裝滾針排,板件間使用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。
圖2 基于四層滑動(dòng)導(dǎo)軌的磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)
運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,控制系統(tǒng)下發(fā)(?,?)的運(yùn)動(dòng)命令,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)下層垂動(dòng)板執(zhí)行命令1=?/sin,使上層垂動(dòng)板完成?y的動(dòng)作。水平運(yùn)動(dòng)板執(zhí)行命令2=?完成水平動(dòng)作。水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng)相互獨(dú)立。
由于步進(jìn)電機(jī)在低速運(yùn)動(dòng)下更平穩(wěn),且在大規(guī)模應(yīng)用中更經(jīng)濟(jì),因此使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板件。根據(jù)計(jì)算,下層垂動(dòng)板需要更大的驅(qū)動(dòng)力,約為3 N·m。步進(jìn)電機(jī)與1∶100諧波減速器配合使用的輸出額定轉(zhuǎn)矩為 10 N·m,可以滿足驅(qū)動(dòng)力需求。絲杠選用精度等級(jí)為0的高精密絲杠,螺距為5 mm,以便保障運(yùn)動(dòng)精度和減小運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角度誤差。絲杠采用兩端同時(shí)固定的安裝方式,固定端可以對(duì)絲杠施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力,同時(shí)可以承受軸向力,增強(qiáng)絲杠的支撐剛度。板材的運(yùn)動(dòng)位置由絕對(duì)光柵尺閉環(huán)反饋,絕對(duì)光柵尺的精度優(yōu)于1 μm。
為了滿足高運(yùn)動(dòng)精度和降低運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角度誤差,需要機(jī)械加工廠對(duì)板材進(jìn)行高精度的加工和裝配。經(jīng)過(guò)試驗(yàn),總結(jié)其關(guān)鍵工藝包括:
(1)在粗加工和半精加工后,對(duì)板材進(jìn)行熱處理以釋放應(yīng)力并減少變形。
(2)在精加工階段,與運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角誤差相關(guān)的裝配面加工精度為5 μm。
(3)在裝配階段,使用刮研技術(shù)對(duì)摩擦面進(jìn)行刮研,使摩擦面的平面度達(dá)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(shè)計(jì)加工的絲杠安裝輔助工裝檢棒,根據(jù)檢棒測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)絲杠安裝面進(jìn)行研磨,提高絲杠安裝精度,使絲杠與運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌之間的平行度小于1 μm。
圖3 刮研后的導(dǎo)軌摩擦面
圖4 絲杠安裝輔助工裝檢棒
研制過(guò)程中,完成調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)組裝后,對(duì)其線性運(yùn)動(dòng)精度進(jìn)行了初步的測(cè)試(本文所做運(yùn)動(dòng)性能測(cè)試均為帶450 kg負(fù)載),水平方向測(cè)試行程范圍為±0.9 mm,垂直方向測(cè)試行程范圍為±0.6 mm。初測(cè)結(jié)果顯示水平方向單向運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性約4 μm(見(jiàn)圖5),垂直方向單向運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性約2 μm(見(jiàn)圖6)。在水平和垂直運(yùn)動(dòng)中都發(fā)現(xiàn)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)垂向運(yùn)動(dòng)時(shí),水平方向發(fā)生了耦合,耦合量約30 μm,該耦合量?jī)H發(fā)生在運(yùn)動(dòng)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(diào)節(jié),該耦合量在啟動(dòng)后迅速消失。可以看到,初步測(cè)試階段調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)精度遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。
圖5 初測(cè)水平運(yùn)動(dòng)精度
圖6 初測(cè)垂直運(yùn)動(dòng)精度
為尋找回程誤差原因,進(jìn)行了相關(guān)測(cè)試。由于垂直方向的運(yùn)動(dòng)是由下層垂動(dòng)板水平運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化而來(lái),因此通過(guò)監(jiān)測(cè)板件水平位移來(lái)查找原因。采用DVRT(差動(dòng)可變磁阻傳感器)傳感器監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在多個(gè)位置的水平位移,包括平動(dòng)板、上層垂動(dòng)板、滾動(dòng)導(dǎo)軌安裝板的上部,如圖7所示。理論上,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)執(zhí)行水平運(yùn)動(dòng)時(shí),只有平動(dòng)板發(fā)生水平位移,但通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn),在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中平動(dòng)板發(fā)生換向運(yùn)動(dòng)時(shí),上層垂動(dòng)板會(huì)發(fā)生同向的約4 μm的位移,從而導(dǎo)致了水平運(yùn)動(dòng)時(shí)存在回程差;調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)執(zhí)行垂向運(yùn)動(dòng)時(shí),上層垂動(dòng)板在滾動(dòng)導(dǎo)軌的約束下,只會(huì)隨著下層垂動(dòng)板的運(yùn)動(dòng)發(fā)生升高或者降低,但在實(shí)際運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,上層垂動(dòng)板在水平方向上產(chǎn)生了30 μm的位移。對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,總結(jié)導(dǎo)致回程差的原因主要分為兩部分:第一是由于運(yùn)動(dòng)板件和導(dǎo)軌安裝板剛性不足。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)在有限的高度允許空間(150 mm)內(nèi)被分成了四層,因此每一層的厚度設(shè)計(jì)空間有限,板件偏薄,其剛性不足以抵消在巨大的滑動(dòng)摩擦力驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生的變形和位移。第二是滾動(dòng)導(dǎo)軌間存在一定的間隙,導(dǎo)致回程間隙變化。
為減少誤差,在調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)外部加裝圖8所示導(dǎo)軌安裝板加強(qiáng)結(jié)構(gòu),提高導(dǎo)軌安裝板的剛度。當(dāng)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)執(zhí)行反向運(yùn)動(dòng)命令時(shí),運(yùn)動(dòng)精度顯著提高,回程誤差顯著降低。絕對(duì)線性運(yùn)動(dòng)精度在水平方向上約為0.7 μm(見(jiàn)圖9),在垂直方向上約為 1.7 μm(見(jiàn)圖 10),水平和垂直方向的運(yùn)動(dòng)精度均好于5 μm的設(shè)計(jì)要求。另外,垂向運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)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(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行垂向調(diào)整時(shí)可調(diào)整為低流強(qiáng)模式,可忽略其運(yùn)動(dòng)軌跡,僅要求最終目標(biāo)位置的準(zhǔn)確性。因此該耦合量可滿足HEPS物理需求。
圖7 DVRT傳感器監(jiān)測(cè)位置
圖8 導(dǎo)軌安裝板加強(qiáng)結(jié)構(gòu)
圖9 水平方向運(yùn)動(dòng)精度
圖10 垂直方向運(yùn)動(dòng)精度
使用光電自準(zhǔn)直儀和水平儀測(cè)量運(yùn)動(dòng)過(guò)程中調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)姿態(tài)角變化。圖11和12分別為水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)中的姿態(tài)角。水平和垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)其俯仰角均小于2″,搖擺角和滾動(dòng)角均小于3″,滿足設(shè)計(jì)要求。研制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)姿態(tài)角對(duì)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。
為模擬HEPS儲(chǔ)存環(huán)實(shí)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(fù)載,并開(kāi)展磁鐵支撐系統(tǒng)的固有頻率相關(guān)測(cè)試,如圖13所示。將六極鐵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝到磁鐵支架系統(tǒng)中,測(cè)量整個(gè)系統(tǒng)的固有頻率。采用振動(dòng)傳感器(IEPE壓力加速度計(jì))和錘擊法獲得調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能。圖14為磁鐵支撐系統(tǒng)的振動(dòng)傳遞曲線和振型。其中點(diǎn)2布設(shè)于六極鐵,點(diǎn)9~12布設(shè)于六極鐵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),點(diǎn)13~16布設(shè)于共架磁鐵支架,點(diǎn)17~19布設(shè)于混凝土基座。測(cè)量結(jié)果顯示安裝調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)前后的六極鐵模擬負(fù)載的振動(dòng)放大倍率小于 1.1(見(jiàn)表 1)。整個(gè)磁鐵支撐系統(tǒng)的基頻為54.6 Hz,略高于MP磁鐵支撐系統(tǒng)的頻率要求。最大振幅方向?yàn)榱鶚O鐵沿束流方向的擺動(dòng)。因此,測(cè)試結(jié)果表明,基于四層滑動(dòng)導(dǎo)軌的磁鐵調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及其整體剛度可以滿足HEPS對(duì)磁鐵支撐系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。
圖11 水平運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)角
圖12 垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程中姿態(tài)角
圖13 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)安裝在磁鐵支撐系統(tǒng)中
圖14 振動(dòng)傳遞曲線和振型
表1 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)放大
續(xù)表
方向1~100 Hz振幅/mm放大倍數(shù) 地面六極鐵 水平1.37 × 10-41.48 × 10-41.09 垂直0.000 3050.000 3071.01
本文研制了基于四層滑動(dòng)導(dǎo)軌的六極磁鐵在線調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)并進(jìn)行了測(cè)試。450 kg負(fù)載下水平方向線性運(yùn)動(dòng)精度約為0.7 μm,垂直方向線性運(yùn)動(dòng)精度約為1.7 μm。水平和垂直方向運(yùn)動(dòng)時(shí)其俯仰角誤差均小于2″,搖擺角和滾動(dòng)角誤差均小于3″,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)精度和運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角誤差均滿足設(shè)計(jì)要求。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)啟動(dòng)瞬間帶來(lái)非運(yùn)動(dòng)方向的耦合,垂向運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)瞬間水平方向耦合。將繼續(xù)研究減小或消除耦合量的方法,滿足機(jī)器物理對(duì)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡的高階物理需求。安裝調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)后磁鐵支撐系統(tǒng)的整體固有頻率>54 Hz,調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)形式的整體剛度可以滿足 HEPS 對(duì)磁鐵支撐系統(tǒng)的穩(wěn)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(jí)工程師,現(xiàn)主要從事核技術(shù)及應(yīng)用方面研究