CN110455249A - 基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，包括：S10：将待测多极磁铁放置在磁铁支座上；S20：利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的位置，建立基准坐标系；S30：将传感器穿过待测多极磁铁的孔径并支撑在两个电控平移台上；S40：利用三坐标测量机测量传感器的位置，获得传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线之间的位置偏差；S50：判断位置偏差是否在预设的偏差范围内，若是则表示待测多极磁铁的磁场准直完毕；若否，则执行步骤S60；S60：调整两个电控平移台，使传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线趋于重合，返回步骤S40、S50。上述准直方法，精度高，时间短，适用于各类多极磁铁的磁场准直，也适用于多极磁铁和多种传感器之间的准直。

Description

基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法

技术领域

本申请一般涉及粒子加速器磁场测量技术，具体涉及基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法。

背景技术

多极磁铁是粒子加速器中的基础和重要部件，多极磁铁按种类可分为二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁等，主要作用分别用于束流的偏转、束流的聚焦和消除束流色散。粒子加速器的束流从多极磁铁气隙中经过，线圈励磁情况下，磁铁气隙中有特定的磁场，为了保证束流在正确的轨迹上运动，对磁场质量提出了严格的要求。而在高能同步辐射加速器中，磁铁数量众多，磁铁孔径小，磁场梯度高，磁场质量要求非常严格，这对磁铁准直提出了更高的要求。

多极磁铁的磁场测量：将传感器安装在磁铁孔径内，通过传感器在磁铁孔径内平移或转动，或者磁铁励磁升降电流，使传感器感应磁通变化得到感应信号，通过对感应信号进行分析得到磁场质量。传感器有感应线圈、张力线、振动线或脉冲线等。磁场测量的第一步是将传感器准直到磁铁的机械中心位置处。准直的精度直接影响磁场测量的精度。

通常准直利用激光跟踪仪、水准仪和经纬仪等仪器为代表的光学准直方法，利用被测量磁铁的基准面和准直靶标来实现磁铁和传感器相对位置关系的确定。传统加速器的磁铁孔径较大，一般直径在60mm以上。利用光学方法进行准直，即采用经纬仪和水准仪来进行水平和高程的确定，准直的精度大概为0.05mm。

然而，新一代高能加速器的磁铁孔径小，约在25mm左右，磁铁孔径的减小给磁铁的加工制造和获得高精度磁场质量带来了困难，同时对磁铁的准直精度提出了更高的要求。新一代高能加速器的多极磁铁准直精度要求在15μm内，常规的激光跟踪仪、水准仪和经纬仪的准直精度无法满足要求，准直效率低下；且现有的准直方法主要是手动调节磁铁位置，使磁铁的机械中心与传感器的位置一致，耗时长。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法。

本发明提供一种基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，实施所述准直方法的准直装置包括：三坐标测量机，所述三坐标测量机的工作平台上设置有用于放置待测多极磁铁的磁铁支座以及两个用于支撑传感器的电控平移台，两个电控平移台分布于所述磁铁支座相对的两侧，所述传感器的两端分别置于两个所述电控平移台上，且所述传感器能够穿过待测多极磁铁的孔径，包括以下步骤：

S10：将待测多极磁铁放置在磁铁支座上；

S20：利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的位置，建立基准坐标系，所述基准坐标系的原点为待测多极磁铁的中心；

S30：将传感器穿过待测多极磁铁的孔径，使传感器的两端分别支撑在两个电控平移台上；

S40：利用三坐标测量机测量所述传感器的位置，获得传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线之间的位置偏差；

S50：判断所述位置偏差是否在预设的偏差范围内，若是则表示待测多极磁铁的磁场准直完毕；若否，则执行步骤S60；

S60：调整两个电控平移台，使所述传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线趋于重合，返回步骤S40、S50。

优选的，所述利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的位置，建立基准坐标系包括：

利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的外部轮廓，依据测得的外部轮廓的坐标值建立工件坐标系；

在工件坐标系下测量待测多极磁铁的内部依据测得的内部的坐标值确定待测多极磁铁的中心位置，以待测多极磁铁的中心位置为原点，以待测多极磁铁的孔径的轴线方向为X轴，以垂直于三坐标测量机的工作平台的方向为Z轴，根据原点、X轴、Z轴确定Y轴，建立基准坐标系。

优选的，在步骤S20之前还包括：

将待测多极磁铁的三维机械模型导入三坐标测量机中，三坐标测量机根据待测多极磁铁的三维机械模型规划测量路径。

优选的，所述预设的偏差范围为3μm至5μm。

优选的，所述传感器为线圈传感器。

优选的，所述传感器为金属丝传感器。

优选的，所述电控平移台为二维电控平移台。

优选的，所述电控平移台为三维电控平移台。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

采用三坐标测量机进行多极磁铁磁场测量的准直工作，方便灵活，准直精度高，准直时间短，适用于不同孔径、长度的各类多极磁铁的磁场测量准直，也适用于多极磁铁和多种传感器之间的准直。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明实施例提供的基于三坐标测量机的多极磁铁准直装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

为测量多极磁铁的磁场质量，对待测多极磁铁励磁，由传感器感应磁通变化得到感应信号，通过对感应信号的分析以得到磁场质量，为确保磁场测量的精度，在进行磁场测量之前，先将传感器与待测多极磁铁进行准直。如图1所示，本发明实施例提供一种基于三坐标测量机的多极磁铁准直装置，包括：三坐标测量机1，三坐标测量机1的工作平台上设置有用于放置待测多极磁铁2的磁铁支座3以及两个用于支撑传感器4的电控平移台5，两个电控平移台5分布于磁铁支座3相对的两侧，传感器4的两端分别置于两个电控平移台5上，且传感器4能够穿过待测多极磁铁2的孔径。

进一步地，传感器4为线圈传感器。

进一步地，传感器4为金属丝传感器，金属丝传感器可以是振动线、张力线或脉冲线。

该申请中传感器为线圈传感器或金属丝传感器，适用于各种孔径的多极磁铁，尤其适用于小孔径的多极磁铁，例如约30mm大小孔径的多极磁铁。

进一步地，电控平移台5为二维电控平移台。沿多极磁铁的孔径的轴向，通过人工调整两个二维电控平移台之间的间距，使得传感器穿过多极磁铁的孔径，传感器的两端支撑在两个二维电控平移台上。

进一步地，电控平移台5为三维电控平移台，便于自动化高精度调节传感器两端的位置。

一方面两个电控平移台5起到支撑传感器的作用，另一方面通过电控平移台的移动可以调整传感器的位置，由于电控平移台定位准确度高，有利于提高准直精度和效率。

该申请中待测多极磁铁可以是二极磁铁、四极磁铁、六极磁铁或八极磁铁，且三坐标测量机的工作平台优选为大理石平台，不磁化、不变形、硬度高、不会出现划痕，且使用寿命长，有利于提高准直精度。多极磁铁放置在磁铁支座上，两侧的电控平移台根据多极磁铁的孔径中心的高度和多极磁铁的孔径内磁场的纵向分布进行定位，两侧的电控平移台的位置相对放置在磁铁支座上的多极磁铁是对称放置的，如果多极磁铁的有效长度长，则两端的电控平移台之间的间距远，反之则距离近。

该申请通过三坐标测量机来测量多极磁铁三个空间维度上的多个点，建立磁铁的机械坐标系作为磁场测量的基准坐标系，然后测量传感器的位置，得到传感器与磁铁中心位置的偏差，通过电控平移台移动传感器，使其位置与磁铁的中心轴线趋于重合，完成磁场测量的准直工作。

由于三坐标测量机的测量精度为3-5μm，而经纬仪和水准仪的测量精度为50μm，相比于经纬仪和水准仪测量精度有效提高了一个数量级。

本发明还提供一种基于三坐标测量机的多极磁铁准直系统，包括上述基于三坐标测量机的多极磁铁准直装置和控制装置，控制装置和三坐标测量机及电控平移台通过数据线连接，进行控制和反馈。控制装置优选为计算机或工控机。

例如控制装置为工控机，工控机接收三坐标测量机测得的多极磁铁的中心轴线的位置信息、传感器的中心线的位置信息，工控机根据多极磁铁的中心轴线的位置信息和传感器的中心线的位置信息，控制两个电控平移台移动，由工控机控制三坐标测量机的测针的移动以及电控平移台的移动，并计算传感器的中心线与多极磁铁的中心轴线之间的位置偏差，在位置偏差达到预设的偏差范围之前，不断调整电控平移台的位置，使得传感器的中心线与多极磁铁的中心轴线趋于重合。

如图2所示，本发明还提供一种基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，包括以下步骤：

S10：将待测多极磁铁放置在磁铁支座上；

S20：利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的位置，建立基准坐标系，基准坐标系的原点为待测多极磁铁的中心；

S30：将传感器穿过待测多极磁铁的孔径，使传感器的两端分别支撑在两个电控平移台上；

S40：利用三坐标测量机测量传感器的位置，获得传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线之间的位置偏差；

S50：判断位置偏差是否在预设的偏差范围内，若是则表示待测多极磁铁的磁场准直完毕；若否，则执行步骤S60；

S60：调整两个电控平移台，使传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线趋于重合，返回步骤S40、S50。

进一步地，利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的位置，建立基准坐标系包括：

利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的外部轮廓，依据测得的外部轮廓的坐标值建立工件坐标系，即通过三坐标测量机确定待测多极磁铁的外部轮廓上的多个点的坐标，初步确定待测多极磁铁的工件坐标系；

在工件坐标系下测量待测多极磁铁的内部确定待测多极磁铁的中心位置，以待测多极磁铁的中心位置为原点，以待测多极磁铁的孔径的轴线方向为X轴，以垂直于三坐标测量机的工作平台的方向为Z轴，根据原点、X轴、Z轴确定Y轴，建立基准坐标系。

该申请中两个电控平移台分别支撑传感器的两端，传感器的中心线与待测多极磁铁的孔径的轴线平行或趋于重合。对于步骤S40，如传感器为线圈传感器，利用三坐标测量机的测针接触线圈传感器，测量线圈传感器的外形拟合得到线圈传感器的中心线的位置。如传感器为金属丝传感器，由于金属丝具有细长的结构，利用三坐标测量机的测针测得金属丝的两端拟合得到金属丝传感器的中心线的位置。

进一步地，在步骤S20之前还包括：将待测多极磁铁的三维机械模型导入三坐标测量机中，三坐标测量机根据待测多极磁铁的三维机械模型规划测量路径。其中测量路径包括待测点、前进距离、回退距离等参数，三坐标测量机的测针沿测量路径采集测量点的坐标。

进一步地，预设的偏差范围为3μm至5μm。该申请中，预设的偏差范围与三坐标测量机的测量精度相关，偏差越小，越能够使得传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线重合或趋于重合。

该申请采用三坐标测量机进行多极磁铁磁场测量的准直工作，方便灵活，准直精度高，准直时间短，适用于不同孔径和长度的各类多极磁铁的磁场测量准直，也适用于多极磁铁和多种传感器之间的准直。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (8)

1.一种基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，实施所述准直方法的准直装置包括：三坐标测量机，所述三坐标测量机的工作平台上设置有用于放置待测多极磁铁的磁铁支座以及两个用于支撑传感器的电控平移台，两个电控平移台分布于所述磁铁支座相对的两侧，所述传感器的两端分别置于两个所述电控平移台上，且所述传感器能够穿过待测多极磁铁的孔径，其特征在于，所述准直方法包括以下步骤：

S10：将待测多极磁铁放置在磁铁支座上；

S20：利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的位置，建立基准坐标系，所述基准坐标系的原点为待测多极磁铁的中心；

S30：将传感器穿过待测多极磁铁的孔径，使传感器的两端分别支撑在两个电控平移台上；

S40：利用三坐标测量机测量所述传感器的位置，获得传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线之间的位置偏差；

S50：判断所述位置偏差是否在预设的偏差范围内，若是则表示待测多极磁铁的磁场准直完毕；若否，则执行步骤S60；

S60：调整两个电控平移台，使所述传感器的中心线与待测多极磁铁的中心轴线趋于重合，返回步骤S40、S50。

2.根据权利要求1所述的基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，其特征在于，所述利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的位置，建立基准坐标系包括：

利用三坐标测量机测量待测多极磁铁的外部轮廓，依据测得的外部轮廓的坐标值建立工件坐标系；

在工件坐标系下测量待测多极磁铁的内部，依据测得的内部的坐标值确定待测多极磁铁的中心位置，以待测多极磁铁的中心位置为原点，以待测多极磁铁的孔径的轴线方向为X轴，以垂直于三坐标测量机的工作平台的方向为Z轴，根据原点、X轴、Z轴确定Y轴，建立基准坐标系。

3.根据权利要求1所述的基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，其特征在于，在步骤S20之前还包括：

将待测多极磁铁的三维机械模型导入三坐标测量机中，三坐标测量机根据待测多极磁铁的三维机械模型规划测量路径。

4.根据权利要求1至3任一项所述的基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，其特征在于，所述预设的偏差范围为3μm至5μm。

5.根据权利要求1至3任一项所述的基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，其特征在于，所述传感器为线圈传感器。

6.根据权利要求1至3任一项所述的基于三坐标测量机的多极磁铁准直方法，其特征在于，所述传感器为金属丝传感器。

7.根据权利要求1至3任一项所述的基于三坐标测量机的多极磁铁准直装置，其特征在于，所述电控平移台为二维电控平移台。

8.根据权利要求1至3任一项所述的基于三坐标测量机的多极磁铁准直装置，其特征在于，所述电控平移台为三维电控平移台。