微小角中子散射谱仪探测器移动小车驱动机构设计及精度测试

肖松文何泳成何振强左太森林 雄程 贺

1（中国科学院高能物理研究所 北京 100049）

2（散裂中子源科学中心 东莞 523803）

材料的性能是由其微观组分和特征结构共同决定的，在微观组分确定的情况下，通过调节材料的多尺度特征结构，达到提高其性能的目的，一直是基础科研与工业界共同追求的目标，正在中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）当中建设的微小角中子散射谱仪（Very Small Angle Neutron Scattering Spectrometer，VSANS）就是为更好实现这一目标而研发的新一代小角中子散射谱仪［1‒5］。通过加载高低温、高低压、磁场等样品环境，微小角中子散射谱仪可以充分利用中子的高穿透性、可进行衬度匹配测量等优势，获取样品内部多尺度结构随外界条件改变而变化的信息，形成一个应用广泛的多功能测试平台，为基础科研和工业应用服务，解决许多重大的关系国计民生的科学问题。

图1为微小角中子散射谱仪物理设计示意图，在微小角中子散射谱仪的物理设计中，中子从慢化器出来经过22 m长距离飞行后到达样品，被样品散射之后的中子进入到后端的探测器；为了在一次实验中获取到样品尽可能多的低角、中角及高角散射数据，在样品后端设计三组可前后移动的中子探测器，第一探测器布置在距离样品1~3 m的位置，主要用于探测高角散射中子，第二探测器布置在距离样品3~6 m的位置，主要用于探测中角散射中子，第三探测器布置在距离样品6~11 m的位置，主要用于探测低角散射中子；每组中子探测器包括支撑结构及底部的移动小车，整体重量约为2 t；为了减少中子的空气散射，三组探测器均放置在一个内径∅2 600 mm、长12 m的散射腔中，散射腔内部为10 Pa左右的真空环境；依据不同实验需求，需要移动三组探测器到距离样品不同的位置来探测散射中子，第三探测器的移动行程最大要求做到5 m；中子从样品到探测器的飞行距离精度将影响到小角中子散射的飞行时间实验数据的准确性，典型的小角中子散射实验希望样品到探测器的距离精度达到200 μm，因此，散射腔内部的探测器移动小车的定位精度必须小于200 μm。

图1 微小角中子散射谱仪物理设计示意图Fig.1 Schematic diagram of physical design of VSANS

三台探测器移动小车中最大行程需要达到5 m，传统的驱动形式中滚珠丝杠传动精度非常高，但三台小车需要安装三套滚珠丝杠，而长滚珠丝杠的造价非常高，且整个结构将很复杂，因此不适合采用滚珠丝杆传动。而采用齿轮齿条的传动形式结构更简单，造价更低，维护也更方便，整个结构中只需要一根齿条就可以满足三台小车运动，每台小车上配备一个齿轮和驱动电机即可，因此本设计中探测器移动小车采用齿轮齿条进行传动。但是由于齿轮齿条啮合存在齿向间隙［6‒10］，这对探测器移动小车的定位精度会存在较大影响，因此需对该结构进行详细的设计计算验证，并通过精度测试结果来验证该驱动机构的定位精度。

1 探测器移动小车结构设计

1.1 双导轨支撑结构设计及安装方法

设计采用左右两条THK HSR30LC15SS+11440LT-II滚珠导轨来支撑，每个探测器小车左右各安装两个滚珠滑块，单个滑块的基本额定动载荷为48.9 kN，4个滑块的基本额定动载荷为195.6 kN，也就是整体可承重19 t的载荷，由于探测器移动小车总重不超过2 t，因此完全够用。由于导轨最长只能加工4 m，因此每边导轨均采用三段拼接形成，导轨中心间距1 322 mm。图2为散射腔内部的左右导轨分布示意图。

图2 散射腔内部双导轨分布示意Fig.2 The structural diagram of the distribution of the double guide rails in the vacuum scattering tank

由于探测器小车移动范围较大，为了确保在整个导轨行程上运行平稳及获得高的定位精度，安装时需要调节左右两条导轨的顶面与散射腔腔体中心轴线高度不超过200 μm；同时需要调节左右导轨的两侧面平行度，调至左右导轨上任意位置两侧的平行度不大于50 μm。

如图3所示，为了满足导轨调整需求，设计采用角钢直接焊接在散射腔腔体内壁一侧，焊接时通过激光跟踪仪测量整个角钢顶面任意位置距腔体中心轴线的高度比理论值稍微低2~5 mm；焊接完成后再安装粗调底板，通过激光跟踪仪测量，通过在底部添加不同数量垫片可调整粗调底板顶面与腔体中心轴线的高度至±2 mm精度以内，粗调底板侧面也可通过胶锤敲击调整至与腔体中心轴线水平距离±1 mm以内；再安装高程精调底板，通过激光跟踪仪测量，并通过高程精调底板上设置的多组顶拉螺钉来调整高程精调底板顶面与腔体中心轴线的高度至±50 μm以内；最后安装导轨，在导轨两侧每隔160 mm安装一组对顶水平微调座，并在导轨拼接线的两侧增加两组水平微调座，首先通过跟踪仪测量两根导轨侧面与腔体中心水平距离，并通过导轨两侧的对顶水平微调座来调整水平距离至±50 μm精度以内；由于激光跟踪仪长距离测距精度较差，没法满足导轨高精度调整要求，在工程实际当中一般采用千分表来测量导轨两侧平行度；因此通过架设千分表（千分表最小读数为2 μm）在一侧导轨滑块上，并以该侧导轨为基准，千分表球头测量另一侧导轨侧面，并通过被测导轨两侧的水平微调座精确微调被测导轨与基准导轨上任意位置的千分表读数值在±25 μm以内，至此导轨支撑结构安装完毕。

图3 散射腔内部双导轨调整结构示意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实际安装时左右两侧12 m长导轨顶面高差激光跟踪仪测量值为100 μm，优于设计要求的200 μm，左右两侧导轨的侧面平行度千分表测量值为34 μm，优于设计要求的50 μm。

1.2 齿轮齿条传动结构设计

图4为齿轮齿条传动结构示意图，直齿条布置在左侧导轨内侧边，直接安装在高程精调底板上，与导轨平行布置，探测器移动小车左侧安装有一套动力机构，该动力机构由一套kollmorgen AKM32E伺服电机、一套减速比1∶35行星轮减速机和一个直齿轮组成。以下是该套机构设计选型的计算过程：

图4 探测器移动小车驱动结构示意Fig.4 The structural diagram of the driving system for the detector trolleys

探测器移动小车加上台面的探测器总重大概2 t，设计加速时间0.5 s，最大速度20 mm·s-1，滚动导轨阻力系数0.01，末端拖链附加力大概500 N，因此系统加速度为：

探测器移动小车加速启动最大力为：

直齿轮模数m=2，齿数为25，因此直齿轮分度圆直径为D=50 mm，直齿轮配合齿条转动一圈所走过的距离为：

则动力机构所需转速为：

直齿轮转动时为单边受力，因此直齿轮转动时所需扭矩为：

取三倍安全系数，则动力机构所需最小输出扭矩为：

由于该扭矩较大，设计配备1∶35的行星轮减速机，因此所需电机扭矩为：

电机所需额定转速为：

由于所选kollmorgen AKM32E伺服电机在转速为260 r·min-1时额定扭矩为2.03 Nm，因此该伺服电机选型是合适的。

1.3 探测器移动小车定位精度理论分析

伺服电机经过减速机减速后带动直齿轮转动，直齿轮与齿条啮合从而把齿轮的转动转换为齿轮在齿条上的直线移动。该kollmorgen伺服电机配备了旋转变压器，该旋转变压器经过AKD伺服放大器插补之后的分辨率计数为每圈65 536，因此不考虑反向间隙的情况下齿轮驱动最小步进值为：

因此从理论计算上看，该套驱动机构的最小步进值非常小，驱动精度非常高；但是由于齿轮齿条传动存在齿向间隙会对小车的定位精度产生影响，因此直齿轮安装时需要特别注意尽量减小齿向间隙，一般安装时通过减小齿轮和齿条之间的距离来减小齿向间隙；依据机械加工及装配经验，8级齿轮齿条的齿向间隙一般调整到100 μm以内为合格，因此可以推算只要加工及装配合格，探测器移动小车200 μm的定位精度是可以实现的。

2 探测器移动小车驱动机构精度测试

由于三台探测器移动小车的结构相同，因此该文只对第三探测器移动小车双向重复定位精度测试方法及结果进行讨论。

2.1 测试方法

散射腔及探测器移动小车制造安装完成后，使用Leica AT403绝对激光跟踪仪对探测器移动小车进行定位精度测试；Leica AT403绝对激光跟踪仪适合超大空间范围内的精密坐标测量，测量范围可达320 m，被广泛地应用于机床安装、零部件检测、机械件的组装及大型设备与工装的校准、定位与检测等环节，其绝对测距精度为±10 μm。图5为现场使用AT403激光跟踪仪进行测试的情况。

图5 使用激光跟踪仪对探测器移动小车进行重复定位精度测量Fig.5 Repeated positioning accuracy test of the detector trolleys with the use of laser tracker

测试时，探测器3总移动行程为5 250 mm，从0位置开始，每隔750 mm测量一个点，总行程测量8个点，往返测量5次。图6为探测器移动小车精度测试方法示意图。

图6 探测器移动小车精度测试方法示意图Fig.6 Schematic diagram of repeated positioning accuracy test method of the detector trolleys

2.2 数据处理

探测器小车在任意目标点进行单向定位时，会产生5个不同的实际定位点Pij，用实际定位点Pij减去目标位置Pi即为该次运动的位置偏差值Xij，根据五次测量的偏差值就可确定该点的单向平均位置偏差值X—i和位置偏差的单向标准不确定度Si。通过激光跟踪仪所测数据及数据处理结果如表1所示。

依据机床检验通则第二部分：数控轴线的定位精度和重复定位精度的确定等文献所提数据处理方法［11‒16］，对以上数据进行处理并制作出探测器移动小车的定位精度及双向重复定位精度曲线，如图7所示。

曲线最高点与最低点的整个变化范围即为定位精度A，而双向重复定位精度则是指8个目标位置的双向重复定位精度的最大值。因此由图7可知，探测器移动小车在5 250 mm的移动行程内的双向重复定位精度为R=140 μm，定位精度为A=167 μm。从图7还可以看出，齿轮齿条传动单向定位精度也比较高，正向重复定位精度为R↑=52 μm，反向重复定位精度为R↓=65 μm。影响齿轮齿条传动精度的主要因素为反向差值较大，反向差值所反映的就是齿轮齿条啮合时的齿向间隙，从表1可以看出，750 mm位置点反向差值最大达到了-87 μm，所以导致了该点双向重复定位精度最差。另外因为行程较大，长齿条齿形加工误差的累积以及齿条安装精度的偏差也会对探测器移动小车运动精度产生较大影响。

表1 探测器移动小车双向精度测试数据Table 1 Data of bidirectional accuracy test of the detector trolleys

3 结语

为满足微小角中子散射谱仪探测器移动小车对重负载、大行程和较高定位精度的要求，设计了双导轨导向，齿轮齿条传动的驱动结构，通过伺服电机的高精度控制实现对探测器移动小车的较高精度定位控制。通过激光跟踪仪对探测器移动小车的往返5次定位测试可知，其双向重复定位精度为140 μm，定位精度为167 μm。测试结果表明：齿轮齿条传动结构能够满足微小角中子散射谱仪探测器移动小车所要求的200 μm的定位精度。

作者贡献声明肖松文：负责系统方案的提出、设计、建造、测试及论文撰写；何泳成：负责探测器移动小车的运动和控制；何振强：负责探测器移动小车激光跟踪仪测量、标定及重复定位精度测试；左太森：负责谱仪物理光路设计以及重复定位精度测量数据的收集和整理；林雄：参与探测器移动小车的建造、重复定位精度测试以及文章的修订；程贺：负责本项目的监督、管理和指导，以及文章最终版本的修订。