陳文軍 馬力禎 蔡國(guó)柱 王少明 楊雅清 殷學(xué)軍 袁建東

1（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)臂在SSC-Linac RFQ測(cè)量中的組合應(yīng)用

陳文軍1,2馬力禎1蔡國(guó)柱1王少明1楊雅清1殷學(xué)軍1袁建東1

1（中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

SSC-Linac RFQ (Separated Sector Cyclotron Linac Radio Frequency Quadrupolec)是中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所和北京大學(xué)共同研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)高電荷態(tài)強(qiáng)流重離子連續(xù)波四桿型加速器，機(jī)械加工的高精度是RFQ能否順利出束的關(guān)鍵步驟之一。為了檢測(cè)其機(jī)械形位公差，采用了激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)測(cè)量臂合理組合應(yīng)用的測(cè)量新方法，使兩種高精度的測(cè)量?jī)x器能揚(yáng)長(zhǎng)避短，克服了大尺度工件形位公差傳統(tǒng)測(cè)量方法的不足，使其在測(cè)量過程中發(fā)揮其最優(yōu)的使用性和操作性，有效地提高了工作效率，從而保證RFQ高精度的測(cè)量結(jié)果。

激光跟蹤儀，關(guān)節(jié)測(cè)量臂，RFQ

由中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所和北京大學(xué)重離子物理研究所共同研制的國(guó)內(nèi)首臺(tái)高電荷態(tài)強(qiáng)流重離子連續(xù)波四桿型RFQ (Radio Frequency Quadrupolec)加速器是中國(guó)科學(xué)院近代物理研究所強(qiáng)流重離子直線加速器的注入器，設(shè)計(jì)工作頻率53.667MHz，注入能量3.728keV·u?1，輸出能量143keV·u?1，質(zhì)荷比3?7，長(zhǎng)度2.5m。其機(jī)械制造加工和焊接公差要求極高，其加工精度能否滿足要求是RFQ能否順利出束的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。機(jī)械工件形位誤差的測(cè)量問題在機(jī)械制造業(yè)中占有重要地位，尤其是大型工件的形位誤差直接決定它的工作性能。傳統(tǒng)的零件形位誤差檢測(cè)通常使用卡尺、直角尺、高度尺等測(cè)量工具，對(duì)大型零件形位誤差的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，一直缺乏完備可行的方法和手段。激光跟蹤儀和測(cè)量臂以其攜帶性、精確性、可靠及易操作性為應(yīng)用“測(cè)量坐標(biāo)值原則”實(shí)現(xiàn)工件加工誤差在線檢測(cè)提供了可能。在裝配位置檢測(cè)中，為了完成RFQ機(jī)械形位公差測(cè)量，我們采用了激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)測(cè)量臂兩種高精度儀器的組合測(cè)量來(lái)完成檢測(cè)任務(wù)[1]。

1 激光跟蹤儀及關(guān)節(jié)測(cè)量臂介紹

激光跟蹤儀是一臺(tái)以激光為測(cè)距手段配以反射標(biāo)靶的儀器，它同時(shí)配有繞兩個(gè)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)角機(jī)構(gòu)，形成一個(gè)完整球坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)。可以用它來(lái)測(cè)量靜止目標(biāo)、跟蹤和測(cè)量移動(dòng)目標(biāo)或它們的組合[1]。激光跟蹤儀系統(tǒng)同時(shí)也是一種便攜式高精度的動(dòng)態(tài)或者靜態(tài)的三維坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備，其測(cè)量范圍達(dá)到70m，點(diǎn)位精度達(dá)到5×10?6(2σ)，廣泛應(yīng)用于校準(zhǔn)、機(jī)器安裝、部件檢測(cè)、工具組裝、設(shè)置以及逆向工程中[2]。

關(guān)節(jié)測(cè)量臂參照空間支導(dǎo)線測(cè)量原理實(shí)現(xiàn)三維坐標(biāo)測(cè)量功能，是便攜的接觸式測(cè)量?jī)x器。和三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)比較，關(guān)節(jié)測(cè)量臂的測(cè)頭安置非常靈活。相對(duì)于激光跟蹤儀來(lái)說，不需要測(cè)點(diǎn)的通視條件，因此在一些測(cè)點(diǎn)通視條件較差的情況下（隱藏點(diǎn)）非常有效[3]。驗(yàn)收測(cè)量中采用的是Faro 的2.4 m鉑金型儀器，主要的技術(shù)指標(biāo)為單點(diǎn)重復(fù)性精度，0.025mm[4]。

2 SA軟件介紹

SA (Spatial Analyzer)是美國(guó)New River Kinematics公司開發(fā)的一個(gè)強(qiáng)大的圖形化測(cè)量平臺(tái)軟件，通過它可以聯(lián)接驅(qū)動(dòng)幾乎所有的便攜式測(cè)量設(shè)備，包括各種廠家型號(hào)的激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)測(cè)量臂、經(jīng)緯儀、激光掃描儀、室內(nèi)GPS (Global Positioning System)等。圖形化的界面可以完成任何復(fù)雜的測(cè)量分析任務(wù)，比如，各種形式的測(cè)量方式、形位檢測(cè)、設(shè)備定位安裝、變形監(jiān)測(cè)、擬向工程、三維控制網(wǎng)測(cè)量等幾乎所有測(cè)量任務(wù)，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)不確定度分析符合GUN標(biāo)準(zhǔn)。它廣泛應(yīng)用于飛機(jī)制造、汽車制造、航天、造船、核工程等諸多領(lǐng)域。我們?cè)赗FQ測(cè)量中的激光跟蹤儀和測(cè)量臂的配套軟件均為SA，它能將不同種類和型號(hào)的測(cè)量?jī)x器所獲取的數(shù)據(jù)很好地統(tǒng)一在一起，為我們的測(cè)量工作帶來(lái)很大的便利。

3 激光跟蹤儀與測(cè)量臂的比較及組合應(yīng)用

激光跟蹤儀測(cè)量范圍大，通?？梢赃_(dá)到幾十米的測(cè)量范圍，如API T3可以測(cè)量大到60m，Leica AT401測(cè)量范圍更大，能達(dá)到160m。而測(cè)量臂測(cè)量范圍通常在2m左右[5–6]。由于激光跟蹤儀采用的是球坐標(biāo)的測(cè)量原理，所以測(cè)頭與測(cè)量目標(biāo)之間必須有光線連接，不能被遮擋，而測(cè)量臂采用多關(guān)節(jié)相聯(lián)系的測(cè)量方式，只要能被測(cè)量觸頭接觸到，即能夠完成測(cè)量[3]。所以，即使在工件的背面，只要能夠被測(cè)量觸頭接觸到，就能完成測(cè)量。這樣，就測(cè)量方式而言，兩種儀器是能夠互補(bǔ)的[4]。

由于RFQ腔長(zhǎng)約3m，超出了測(cè)量臂單站的測(cè)量工作范圍，要完整測(cè)量腔體內(nèi)部電極，需要依次分幾次測(cè)量，并且要把幾次測(cè)量的數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來(lái)。雖然激光跟蹤儀能夠測(cè)量這個(gè)尺度，但是在測(cè)量RFQ腔體內(nèi)部電極的時(shí)候，由于激光跟蹤儀的通視要求，會(huì)有很多隱蔽的部位是無(wú)法測(cè)量的，而且還有可能會(huì)因?yàn)橥ㄒ晽l件不好而增加測(cè)量誤差，所以我們采用了激光跟蹤儀和測(cè)量臂相結(jié)合的方法。

預(yù)先在RFQ的上蓋板面的法蘭上粘接10個(gè)靶標(biāo)測(cè)量點(diǎn)，并且用激光跟蹤儀測(cè)量這些靶標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后再把測(cè)量臂架設(shè)在RFQ的一端，測(cè)量就近的靶標(biāo)點(diǎn)，用SA軟件將激光跟蹤儀的測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量臂的測(cè)量數(shù)據(jù)作最佳擬合來(lái)統(tǒng)一測(cè)量數(shù)據(jù)。激光跟蹤儀和測(cè)量臂兩種儀器所測(cè)數(shù)據(jù)的三維坐標(biāo)之間滿足空間相似變換的公式：

式中，λ為比例因子；Δx、Δy、Δz 為三個(gè)軸線上的偏移；R(φ)、R(ω)、R(κ)分別為繞 x 軸、y 軸、z 軸的旋轉(zhuǎn)矩陣。式(1)中的7個(gè)參數(shù)，就是第一組數(shù)據(jù)的坐標(biāo)系在第二組數(shù)據(jù)坐標(biāo)系的位置關(guān)系的參量，當(dāng)有足夠多的測(cè)量數(shù)據(jù)，Bestfit解算就確定了實(shí)測(cè)站的位置，如圖1。

圖1 激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)測(cè)量臂組合測(cè)量RFQ腔內(nèi)電極示意圖Fig.1 Schematic diagram of the combination of laser tracker and articulated arm in the RFQ mechanical survey.

在RFQ機(jī)械測(cè)量的轉(zhuǎn)站過程中激光跟蹤儀和測(cè)量臂的最佳擬合數(shù)據(jù)均方根(Root-Mean-Square, RMS)為0.06mm，程序界面如圖2。

圖2 激光跟蹤儀與測(cè)量臂測(cè)量數(shù)據(jù)擬合結(jié)果Fig.2 Data fitting measured by laser tracker and articulated arm.

4 測(cè)量數(shù)據(jù)分析

形位誤差檢測(cè)的被測(cè)要素都是一些連續(xù)的幾何要素，難于測(cè)遍全部的要素來(lái)取得無(wú)限多的相關(guān)數(shù)據(jù)。因此，結(jié)合設(shè)計(jì)要求和工藝特點(diǎn)建立不同的測(cè)量模型，以測(cè)得的有限數(shù)據(jù)來(lái)表征被測(cè)要素的全貌。激光跟蹤儀和測(cè)量臂的曲面擬合計(jì)算的特點(diǎn)為形位誤差的檢測(cè)開辟了方便有效的途徑。例如，在平面測(cè)量中，可以通過點(diǎn)坐標(biāo)的比較得出平面度誤差值及兩擬合面的角度值，用擬合計(jì)算所得的平面矢量可以評(píng)價(jià)與其它要素間的位置誤差，圓柱面上測(cè)得的點(diǎn)組坐標(biāo)擬合計(jì)算即可得到圓柱軸心線等[7?9]，以下就RFQ機(jī)械測(cè)量中的各種形位誤差作具體分析。

4.1 RFQ機(jī)械測(cè)量中的坐標(biāo)系定義

SA軟件提供了豐富的坐標(biāo)建立方式，可以使用被測(cè)工件上的平面、定位孔、定位點(diǎn)作為創(chuàng)建坐標(biāo)的基準(zhǔn)，也可以針對(duì)不同的測(cè)量需要?jiǎng)?chuàng)建多個(gè)坐標(biāo)系，以下為RFQ的坐標(biāo)定義：

束軸：RFQ兩端法蘭中心點(diǎn)連線所確定的直線。法蘭中心點(diǎn)為真空密封刀口圓心。

主坐標(biāo)系：原點(diǎn)在入口法蘭中心點(diǎn)；以束軸為z軸，束流傳輸方向?yàn)閦軸正方向；x軸為電極水平方向；y軸為電極豎直方向。

腔內(nèi)坐標(biāo)系：將主坐標(biāo)系繞z軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°所得的坐標(biāo)系。

束孔：電極極頭調(diào)制面確定在加速器橫向平面內(nèi)的幾何孔徑。

電極垂直角度：水平與豎直電極對(duì)稱面的法線夾角。

束孔中心線：中水平和豎直電極對(duì)稱面的交線。

4.2 電極分段垂直角度誤差分析

沿束軸方向，按電極支撐結(jié)構(gòu)將電極分為11段。通過利用SA軟件的查詢分析，圖 3為電極垂直角度數(shù)據(jù)沿束軸方向的誤差分布。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，由工件尺寸（電極底面到束軸距離）38mm計(jì)算得到電極垂直角度最大偏差為0.12°，相應(yīng)最大安裝偏差為0.08mm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.049mm。

圖3 各段電極垂直角度誤差分布圖Fig.3 Each electrode perpendicular angle distributes chart.

4.3 束孔中心誤差分布點(diǎn)

根據(jù)采樣數(shù)據(jù)，計(jì)算在上述11個(gè)電極分段內(nèi)各段的束孔中心線，取每段線的中點(diǎn)，得出束孔中心分布點(diǎn)。在主坐標(biāo)系內(nèi)，圖4為各束孔中心點(diǎn)在橫向平面內(nèi)的分布圖。

圖4 束孔中心點(diǎn)在橫向平面的分布圖Fig.4 Distribution of tie hole central point at traverse planar charts.

4.4 電極束孔中心線相對(duì)束軸的同軸度

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，束孔相對(duì)束軸（主坐標(biāo)系z(mì)軸）的同軸度為0.17mm。x方向平均偏差?0.06mm，公差0.053mm，夾角?0.01mrad；y方向平均偏差0.004mm，公差0.067mm，夾角?0.065mrad。

4.5 電極安裝偏差量

在腔內(nèi)坐標(biāo)系內(nèi)測(cè)量四根電極上表面和側(cè)面相對(duì)設(shè)計(jì)位置的偏差量。各電極在x和y方向的平均偏差量如表1所示。

表1 RFQ腔內(nèi)電極的平均偏差量Table 1 Average deviation of electrode in RFQ chamber.

5 結(jié)語(yǔ)

傳統(tǒng)的形位誤差測(cè)量方法中，在提取被測(cè)要素?cái)M合建立基準(zhǔn)和測(cè)量工件型面被測(cè)要素點(diǎn)的過程中，工裝、量具的累計(jì)誤差在所難免，而且形成誤差的原因眾多和分析困難，尤以大型工件為甚。激光跟蹤儀和測(cè)量臂組合后直接在被測(cè)要素上采點(diǎn)測(cè)量，減少了模擬環(huán)節(jié)帶來(lái)的不確定誤差。測(cè)量時(shí)，樣本點(diǎn)精度的控制使量化最小條件成為可能，矢量圖形給形狀誤差的測(cè)量分析帶來(lái)了空間趨勢(shì)的直觀感受，空間坐標(biāo)曲面擬合計(jì)算建立的點(diǎn)、線、面不再是基準(zhǔn)與被測(cè)要素的簡(jiǎn)單關(guān)系，而是可以對(duì)其形狀和位置進(jìn)行相互綜合評(píng)價(jià)的空間幾何要素組合。隨著激光跟蹤儀和測(cè)量臂在工件形位誤差測(cè)量組合應(yīng)用的進(jìn)一步開發(fā)，相信其一定會(huì)在形位誤差檢測(cè)領(lǐng)域大放異彩。SSC-Linac小直線RFQ于2014年4月4日順利出束，輸出能量為141.9keV·u?1，流強(qiáng)達(dá)到149.5μA，傳輸效率好于80%。通過使用激光跟蹤儀和測(cè)量臂的組合應(yīng)用測(cè)量，在SSC-Linac小直線的RFQ的機(jī)械測(cè)量中發(fā)揮了重要作用。根據(jù)元件精確的機(jī)械加工尺寸的控制與標(biāo)定結(jié)果，和后繼的預(yù)準(zhǔn)直和現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)直與RFQ的順利出束密不可分。另外，本文所述的激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)測(cè)量臂的組合應(yīng)用及精度比較等方法可以為儀器在精密機(jī)械等行業(yè)的應(yīng)用提供一定的參考。

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CLC TL505

Combination application of laser tracker and articulated arm in survey of SSC-Linac RFQ

CHEN Wenjun1,2Ma Lizhen1CAI Guozhu1WANG Shaoming1YANG Yaqing1YIN Xuejun1YUAN Jiandong1
1(Institute of Modern Physics, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China)
2(University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

Background: Separated Sector Cyclotron Linac Radio Frequency Quadrupolec (SSC-Linac RFQ) is the first domestic high charge state accelerator developed together by Institute of Modern Physical, Chinese Academy of Sciences and Peking University. High precision mechanical control is one of the key indicators for RFQ to obtain needful beam. Purpose: The aim is to detect the mechanical tolerances of form and position of large scale workpiece shape. Methods: The new survey method that combining laser tracker and articulated arm are adopted to overcome the shortcomings of measuring the shape and position tolerances of large-scale workpiece. Results: The measuring efficiency was effectively improved, which ensured the high precision RFQ measurement results. Conclusion: SSC-Linac RFQ beam was successfully obtained on April 4, 2014, with the output energy of 141.9 keV·u?1, current 149.5 μA, and the transmission efficiency higher than 80%. The combined application of measurement using laser tracker and a measuring arm ensures the accuracy of mechanical measurement of SSC-Linac small line in RFQ.

Laser tracker, Articulated arm, Radio Frequency Quadrupolec (RFQ)

TL505

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.020403

No.11375243、No.10635090)資助

陳文軍，男，1981年出生，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，現(xiàn)為在職碩士研究生，核技術(shù)專業(yè)，從事加速器準(zhǔn)直測(cè)量工作

2014-10-27，

2014-11-29