高能同步辐射光源中基于四层滑动导轨的磁铁在线调节机构研制

吴　蕾，杨　澍，李春华，王梓豪，季大恒，李敏贤，陈思雨，徐元迪，宗刘旭,2

高能同步辐射光源中基于四层滑动导轨的磁铁在线调节机构研制

吴蕾1，杨澍1，李春华1，王梓豪1，季大恒1，李敏贤1，陈思雨1，徐元迪1，宗刘旭1,2

（1. 中国科学院 高能物理研究所 北京 100049；2. 中国科学院大学 北京 100049）

在高能同步辐射光源（HEPS）储存环中，基于束流光学参数校正的需要，所有的六极磁铁将安装在基于束流位置进行远程电动调节的机构上。HEPS六极铁在线调节机构需要在高负载下实现超高精度和稳定性，研制难度较大，前期进行方案设计和样机研制有利于为工程实施建立坚实的基础。本文对基于四层滑动导轨的调节机构进行样机研制和测试，探索提高运动精度和减小运动姿态角度误差的加工和装配工艺方法，以准确掌握该方案调节机构的性能，包括线性运动精度、运动姿态角度误差和磁铁支撑系统稳定性。经测试，在450 kg六极磁铁负载下，该调节机构在磁轴位置高度上的运动精度好于5 μm；调节机构沿运动轴的俯仰角误差≤2″，摇摆角和滚动角误差≤3″；安装调节机构后磁铁支撑系统的整体固有频率＞54 Hz。实测结果表明，基于四层滑动导轨的磁铁在线调节机构最终能达到所需的线性运动精度和运动姿态角度误差要求，且其高刚度特点可以满足HEPS磁铁支撑系统高稳定性的要求。但是，板件之间巨大的滑动摩擦会在运动过程中带来非运动方向的位移耦合，该耦合量需要根据束流的物理需求进行评估。

磁铁在线调节机构；滑动导轨；运动精度；稳定性

高能同步辐射光源（HEPS）是我国“十三五”期间建设的重大科学装置，将于2025年底投入使用。建成后，HEPS将成为中国第一个高能同步辐射光源，也是世界上亮度最高的第四代同步加速器辐射光源。HEPS储存环加速器的电子束能量为6 GeV，可提供300 KeV高能X射线，可以有效满足国家战略和工业核心创新能力等相关研究中对高能、高亮度X射线的迫切需求，从而将我国同步辐射光源扩展到高能区[1-3]。HEPS储存由48个7BA单元组成。图1是一个7BA结构单元布局。其中MP-Ⅰ和MP-Ⅱ磁铁支撑系统中有各有三台六极磁铁，全环共计288台。所有六极磁铁将安装于电动调节机构上，以实现磁铁的支撑和基于束流位置的远程在线调整，满足束流光学参数校正需求。加速器以往常用的光学参数校正方法以改变四极磁铁的强度作为校正手段，但HEPS采用该方法效果差，控制能力有限。物理研究分析HEPS储存环的光学参数对六极磁铁横向位置误差的敏感性更高，因此提出根据束流参数反馈，采用远程在线调节机构实现水平和垂直方向调节六极铁位置，校正束流光学参数，辅助实现HEPS设计性能。HEPS在国际上首次大批量应用六极磁铁在线调节机构，这也是HEPS关键创新点之一。物理设计要求六极磁铁调节机构在水平和垂直方向调节磁轴的线性运动精度需优于5 μm[4]。另外，由于磁铁磁轴距离磁铁调节机构有约250 mm的高差，调节机构的运动姿态角度容易因高度的放大而导致磁轴位置发生变化，因此对调节机构运动过程中的姿态角度提出了比较高的要求，即沿运动轴的俯仰角需小于2″，摆动角和滚动角需小于3″，优于国际上其他加速器项目中的要求[5-8]。此外，作为MP磁铁支撑系统中的薄弱环节，调节机构需要尽可能地增加刚度，以满足整个MP磁铁支撑系统的基频高于54 Hz的高稳定性要求[9,10]。六极磁铁振动放大倍数要求相对较低，不大于2。HEPS磁铁在线调节机构的研制存在以下几个方面的难点：一是调节机构需要在高负载下同时实现高精度和高稳定性。HEPS储存环六极磁铁重量高达450 kg，比国际上其他类似使用在线调节机构的磁铁重量高一个数量级。而运动精度和稳定性指标相互制约，高负载下矛盾更为凸出，需要寻找合适的平衡点。二是调节机构安装空间有限，设计高度空间＜150 mm，调节机构结构需紧凑。三是运动过程中姿态角度误差要求高，对机构加工和装配经验要求高。

图1 一个7BA单元布局

为实现调节机构的功能要求，解决工程问题，本文提出了基于四层滑动导轨楔形运动结构的磁铁在线调节机构，其结构紧凑，可以适用较低的高度安装空间。下文将详细介绍其结构设计和性能测试。

1 结构设计

磁铁在线调节机构主要由四层板组成，如图2所示。电机1驱动最上层水平滑动板实现调节机构水平方向运动。中间两层楔形板用于垂直移动。电机2驱动下层垂动板沿水平方向运动，从而抬升上层垂动板。上层垂动板受到滚动导轨的约束，水平方向保持不动，实现垂向运动。楔形板的角度比均为 1∶25，为无驱动时自锁结构。最底层为底板。运动板基体板材为HT300，具有耐摩特性。该机构板件之间面面接触，形成滑动导轨，具有高刚度的特点，但同时也将引入巨大的摩擦力。理论上，该机构水平和垂直运动相互独立。为了实现调节机构的高运动精度，利用绝对式光栅尺来反馈板件位置。为了减小摩擦，在板的两侧面加装滚针排，板件间使用润滑脂润滑。

图2 基于四层滑动导轨的磁铁在线调节机构结构

运动过程中，控制系统下发（∆，∆）的运动命令，调节机构下层垂动板执行命令1=∆/sin，使上层垂动板完成∆y的动作。水平运动板执行命令2=∆完成水平动作。水平和垂直方向的运动相互独立。

由于步进电机在低速运动下更平稳，且在大规模应用中更经济，因此使用步进电机驱动板件。根据计算，下层垂动板需要更大的驱动力，约为3 N·m。步进电机与1∶100谐波减速器配合使用的输出额定转矩为 10 N·m，可以满足驱动力需求。丝杠选用精度等级为0的高精密丝杠，螺距为5 mm，以便保障运动精度和减小运动姿态角度误差。丝杠采用两端同时固定的安装方式，固定端可以对丝杠施加适当的预紧力，同时可以承受轴向力，增强丝杠的支撑刚度。板材的运动位置由绝对光栅尺闭环反馈，绝对光栅尺的精度优于1 μm。

为了满足高运动精度和降低运动姿态角度误差，需要机械加工厂对板材进行高精度的加工和装配。经过试验，总结其关键工艺包括：

（1）在粗加工和半精加工后，对板材进行热处理以释放应力并减少变形。

（2）在精加工阶段，与运动精度和运动姿态角误差相关的装配面加工精度为5 μm。

（3）在装配阶段，使用刮研技术对摩擦面进行刮研，使摩擦面的平面度达到0.5 μm。图3为刮研后的摩擦面。

（4）保证丝高精度安装。图4为设计加工的丝杠安装辅助工装检棒，根据检棒测量数据对丝杠安装面进行研磨，提高丝杠安装精度，使丝杠与运动导轨之间的平行度小于1 μm。

图3 刮研后的导轨摩擦面

图4 丝杠安装辅助工装检棒

2 性能测试

2.1 线性运动精度

研制过程中，完成调节机构组装后，对其线性运动精度进行了初步的测试（本文所做运动性能测试均为带450 kg负载），水平方向测试行程范围为±0.9 mm，垂直方向测试行程范围为±0.6 mm。初测结果显示水平方向单向运动的重复性约4 μm（见图5），垂直方向单向运动的重复性约2 μm（见图6）。在水平和垂直运动中都发现了较大的回程误差，水平方向上回程误差约为5 μm，垂直方向上回程误差约为19 μm。另外，调节机构垂向运动时，水平方向发生了耦合，耦合量约30 μm，该耦合量仅发生在运动起步瞬间，受到水平光栅尺位置反馈的校正以及控制程序的跟随性调节，该耦合量在启动后迅速消失。可以看到，初步测试阶段调节机构运动运动精度远达不到设计要求。

图5 初测水平运动精度

图6 初测垂直运动精度

为寻找回程误差原因，进行了相关测试。由于垂直方向的运动是由下层垂动板水平运动转化而来，因此通过监测板件水平位移来查找原因。采用DVRT（差动可变磁阻传感器）传感器监测调节机构在多个位置的水平位移，包括平动板、上层垂动板、滚动导轨安装板的上部，如图7所示。理论上，调节机构执行水平运动时，只有平动板发生水平位移，但通过监测发现，在实际运动过程中平动板发生换向运动时，上层垂动板会发生同向的约4 μm的位移，从而导致了水平运动时存在回程差；调节机构执行垂向运动时，上层垂动板在滚动导轨的约束下，只会随着下层垂动板的运动发生升高或者降低，但在实际运动过程中，上层垂动板在水平方向上产生了30 μm的位移。对监测结果分析，总结导致回程差的原因主要分为两部分：第一是由于运动板件和导轨安装板刚性不足。调节机构在有限的高度允许空间（150 mm）内被分成了四层，因此每一层的厚度设计空间有限，板件偏薄，其刚性不足以抵消在巨大的滑动摩擦力驱动下产生的变形和位移。第二是滚动导轨间存在一定的间隙，导致回程间隙变化。

为减少误差，在调节机构外部加装图8所示导轨安装板加强结构，提高导轨安装板的刚度。当调节机构执行反向运动命令时，运动精度显著提高，回程误差显著降低。绝对线性运动精度在水平方向上约为0.7 μm（见图9），在垂直方向上约为 1.7 μm（见图 10），水平和垂直方向的运动精度均好于5 μm的设计要求。另外，垂向运动启动瞬间依然存在水平耦合，但该耦合量从30 μm降低到约12 μm。与物理方面讨论确定，HEPS使用六极磁铁调节机构进行垂向调整时可调整为低流强模式，可忽略其运动轨迹，仅要求最终目标位置的准确性。因此该耦合量可满足HEPS物理需求。

图7 DVRT传感器监测位置

图8 导轨安装板加强结构

图9 水平方向运动精度

图10 垂直方向运动精度

2.2 运动姿态角误差

使用光电自准直仪和水平仪测量运动过程中调节机构姿态角变化。图11和12分别为水平运动和垂直运动中的姿态角。水平和垂直方向运动时其俯仰角均小于2″，摇摆角和滚动角均小于3″，满足设计要求。研制过程中发现姿态角对加工和装配精度的影响非常敏感，必须注重板件的平面度、平行度等形位公差以及丝杠安装精度。

2.3 固有频率测试

为模拟HEPS储存环实际安装情况，在工厂研制了与HEPS MP单元同种类型的地基、基座、共架支架以及模拟负载，并开展磁铁支撑系统的固有频率相关测试，如图13所示。将六极铁调节机构安装到磁铁支架系统中，测量整个系统的固有频率。采用振动传感器（IEPE压力加速度计）和锤击法获得调节机构的动态性能。图14为磁铁支撑系统的振动传递曲线和振型。其中点2布设于六极铁，点9～12布设于六极铁调节机构，点13～16布设于共架磁铁支架，点17～19布设于混凝土基座。测量结果显示安装调节机构前后的六极铁模拟负载的振动放大倍率小于 1.1（见表 1）。整个磁铁支撑系统的基频为54.6 Hz，略高于MP磁铁支撑系统的频率要求。最大振幅方向为六极铁沿束流方向的摆动。因此，测试结果表明，基于四层滑动导轨的磁铁调节机构的结构形式及其整体刚度可以满足HEPS对磁铁支撑系统的稳定性要求。

图11 水平运动过程中姿态角

图12 垂直运动过程中姿态角

图13 调节机构安装在磁铁支撑系统中

图14 振动传递曲线和振型

表1 调节机构的振动放大

续表

方向1～100 Hz振幅/mm放大倍数 地面六极铁 水平1.37 × 10-41.48 × 10-41.09 垂直0.000 3050.000 3071.01

3 小结

本文研制了基于四层滑动导轨的六极磁铁在线调节机构并进行了测试。450 kg负载下水平方向线性运动精度约为0.7 μm，垂直方向线性运动精度约为1.7 μm。水平和垂直方向运动时其俯仰角误差均小于2″，摇摆角和滚动角误差均小于3″，调节机构运动精度和运动姿态角误差均满足设计要求。调节机构启动瞬间带来非运动方向的耦合，垂向运动启动瞬间水平方向耦合。将继续研究减小或消除耦合量的方法，满足机器物理对调节机构运动轨迹的高阶物理需求。安装调节机构后磁铁支撑系统的整体固有频率＞54 Hz，调节机构结构形式的整体刚度可以满足 HEPS 对磁铁支撑系统的稳定性要求。

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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

吴 蕾（1989—），女，山东青岛人，博士研究生，高级工程师，现主要从事核技术及应用方面研究