陳文軍 馬力禎 蔡國柱 王少明 楊雅清 殷學(xué)軍 袁建東

1（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國科學(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測量中的組合應(yīng)用

陳文軍1,2馬力禎1蔡國柱1王少明1楊雅清1殷學(xué)軍1袁建東1

1（中國科學(xué)院近代物理研究所 蘭州 730000）

2（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 合肥 230026）

SSC-Linac RFQ (Separated Sector Cyclotron Linac Radio Frequency Quadrupolec)是中國科學(xué)院近代物理研究所和北京大學(xué)共同研制的國內(nèi)首臺高電荷態(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。為了檢測其機(jī)械形位公差，采用了激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)測量臂合理組合應(yīng)用的測量新方法，使兩種高精度的測量儀器能揚(yáng)長避短，克服了大尺度工件形位公差傳統(tǒng)測量方法的不足，使其在測量過程中發(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高精度的測量結(jié)果。

激光跟蹤儀，關(guān)節(jié)測量臂，RFQ

由中國科學(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內(nèi)首臺高電荷態(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關(guān)鍵指標(biāo)。機(jī)械工件形位誤差的測量問題在機(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通常使用卡尺、直角尺、高度尺等測量工具，對大型零件形位誤差的現(xiàn)場檢測，一直缺乏完備可行的方法和手段。激光跟蹤儀和測量臂以其攜帶性、精確性、可靠及易操作性為應(yīng)用“測量坐標(biāo)值原則”實現(xiàn)工件加工誤差在線檢測提供了可能。在裝配位置檢測中，為了完成RFQ機(jī)械形位公差測量，我們采用了激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)測量臂兩種高精度儀器的組合測量來完成檢測任務(wù)[1]。

1 激光跟蹤儀及關(guān)節(jié)測量臂介紹

激光跟蹤儀是一臺以激光為測距手段配以反射標(biāo)靶的儀器，它同時配有繞兩個軸轉(zhuǎn)動的測角機(jī)構(gòu)，形成一個完整球坐標(biāo)測量系統(tǒng)?？梢杂盟鼇頊y量靜止目標(biāo)、跟蹤和測量移動目標(biāo)或它們的組合[1]。激光跟蹤儀系統(tǒng)同時也是一種便攜式高精度的動態(tài)或者靜態(tài)的三維坐標(biāo)測量設(shè)備，其測量范圍達(dá)到70m，點位精度達(dá)到5×10?6(2σ)，廣泛應(yīng)用于校準(zhǔn)、機(jī)器安裝、部件檢測、工具組裝、設(shè)置以及逆向工程中[2]。

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

2 SA軟件介紹

SA (Spatial Analyzer)是美國New River Kinematics公司開發(fā)的一個強(qiáng)大的圖形化測量平臺軟件，通過它可以聯(lián)接驅(qū)動幾乎所有的便攜式測量設(shè)備，包括各種廠家型號的激光跟蹤儀、關(guān)節(jié)測量臂、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)雜的測量分析任務(wù)，比如，各種形式的測量方式、形位檢測、設(shè)備定位安裝、變形監(jiān)測、擬向工程、三維控制網(wǎng)測量等幾乎所有測量任務(wù)，同時測量數(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。我們在RFQ測量中的激光跟蹤儀和測量臂的配套軟件均為SA，它能將不同種類和型號的測量儀器所獲取的數(shù)據(jù)很好地統(tǒng)一在一起，為我們的測量工作帶來很大的便利。

3 激光跟蹤儀與測量臂的比較及組合應(yīng)用

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

由于RFQ腔長約3m，超出了測量臂單站的測量工作范圍，要完整測量腔體內(nèi)部電極，需要依次分幾次測量，并且要把幾次測量的數(shù)據(jù)統(tǒng)一起來。雖然激光跟蹤儀能夠測量這個尺度，但是在測量RFQ腔體內(nèi)部電極的時候，由于激光跟蹤儀的通視要求，會有很多隱蔽的部位是無法測量的，而且還有可能會因為通視條件不好而增加測量誤差，所以我們采用了激光跟蹤儀和測量臂相結(jié)合的方法。

預(yù)先在RFQ的上蓋板面的法蘭上粘接10個靶標(biāo)測量點，并且用激光跟蹤儀測量這些靶標(biāo)點數(shù)據(jù)，然后再把測量臂架設(shè)在RFQ的一端，測量就近的靶標(biāo)點，用SA軟件將激光跟蹤儀的測量數(shù)據(jù)和測量臂的測量數(shù)據(jù)作最佳擬合來統(tǒng)一測量數(shù)據(jù)。激光跟蹤儀和測量臂兩種儀器所測數(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)有足夠多的測量數(shù)據(jù)，Bestfit解算就確定了實測站的位置，如圖1。

圖1 激光跟蹤儀和關(guān)節(jié)測量臂組合測量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)械測量的轉(zhuǎn)站過程中激光跟蹤儀和測量臂的最佳擬合數(shù)據(jù)均方根(Root-Mean-Square, RMS)為0.06mm，程序界面如圖2。

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

4 測量數(shù)據(jù)分析

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

4.1 RFQ機(jī)械測量中的坐標(biāo)系定義

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

束軸：RFQ兩端法蘭中心點連線所確定的直線。法蘭中心點為真空密封刀口圓心。

主坐標(biāo)系：原點在入口法蘭中心點；以束軸為z軸，束流傳輸方向為z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：水平與豎直電極對稱面的法線夾角。

束孔中心線：中水平和豎直電極對稱面的交線。

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)測量結(jié)果，由工件尺寸（電極底面到束軸距離）38mm計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

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

圖4 束孔中心點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束軸的同軸度

根據(jù)測量數(shù)據(jù)，束孔相對束軸（主坐標(biāo)系z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)測量四根電極上表面和側(cè)面相對設(shè)計位置的偏差量。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

傳統(tǒng)的形位誤差測量方法中，在提取被測要素擬合建立基準(zhǔn)和測量工件型面被測要素點的過程中，工裝、量具的累計誤差在所難免，而且形成誤差的原因眾多和分析困難，尤以大型工件為甚。激光跟蹤儀和測量臂組合后直接在被測要素上采點測量，減少了模擬環(huán)節(jié)帶來的不確定誤差。測量時，樣本點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量分析帶來了空間趨勢的直觀感受，空間坐標(biāo)曲面擬合計算建立的點、線、面不再是基準(zhǔn)與被測要素的簡單關(guān)系，而是可以對其形狀和位置進(jìn)行相互綜合評價的空間幾何要素組合。隨著激光跟蹤儀和測量臂在工件形位誤差測量組合應(yīng)用的進(jìn)一步開發(fā)，相信其一定會在形位誤差檢測領(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量臂的組合應(yīng)用測量，在SSC-Linac小直線的RFQ的機(jī)械測量中發(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)直測量工作

2014-10-27，

2014-11-29