CN111489331A - 一种超导腔虚拟切频方法 - Google Patents

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Abstract

一种超导腔虚拟切频方法，本发明涉及超导腔虚拟切频方法。本发明的目的是为了解决现有的切频方法需要循环多次才能完成，费时费力，并且很难保证精度的问题。过程为：一、在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点；二、得到扫描模型；三、将扫描模型数据导入逆向分析软件中，将扫描模型与标准笛卡尔坐标系进行对齐；四、得到高频面内轮廓；五、导出布尔运算产生的模型；六、导入电磁场计算软件中，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率，找到频率中目标频率对应的切频变量参数；七、将零件放置在铣床上，按照目标频率对应的切频变量参数进行加工，得到目标尺寸零件。本发明用于粒子加速器技术领域。

Description

一种超导腔虚拟切频方法
技术领域
本发明涉及超导腔虚拟切频方法。本发明属于粒子加速器技术领域。
背景技术
超导加速腔具有加速效率高、高频热损耗小的优点。超导加速器已经成为直线对撞机、自由电子激光、散裂中子源、先进光源、加速器驱动核能嬗变装置(ADS)等大科学装置的核心器件。世界上已经发展了椭球腔、Spoke腔、半波长腔(HWR)、四分之一波长腔(QWR)等多种超导腔型，目前基本上所有类型超导腔的制作采用的原材料都是高纯铌板，经过冲压成型，然后电子束焊接而成。
超导腔的频率是评价其性能的关键指标之一，频率与工件尺寸有关。在焊接之前，需要修改超导腔内导体的尺寸，以满足频率的要求。传统的切频方法是：零件未加工到目标尺寸，通过不断测频、加工，来使目标频率和尺寸贴近目标值。这个过程可能需要循环多次才能完成，费时费力，并且很难保证精度。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的切频方法需要循环多次才能完成，费时费力，并且很难保证精度的问题，而提出一种超导腔虚拟切频方法。
一种超导腔虚拟切频方法具体过程为：
步骤一、在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点；
步骤二、在3D扫描仪开始工作之前对3D扫描仪进行校准；3D扫描仪校准后将快门时间设置为6～7ms，分辨率设置为0.2～0.5mm，然后开始对超导腔内导体零件进行扫描，得到扫描模型；
扫描分为两部分：零件的正面扫描和背面扫面，分别扫描后采用标志点合并的方法对扫描模型进行合并处理，导出超导腔内导体零件表面，得到超导腔内导体零件点云数据，即扫描模型数据；
步骤三、将扫描模型数据导入逆向分析软件Geomagic design X中，将扫描模型与标准笛卡尔坐标系进行对齐；
步骤四、逆向分析软件Geomagic design X将对齐后的扫描模型进行高频面分析，把高频面分为不同形状的区域，然后将不同形状的区域进行曲面重构，得到高频面内轮廓；
步骤五、建立一个封闭的长方体区域，将得到的高频面内轮廓包裹住，进行布尔运算，得到高频面包络起来的一个封闭区域，导出布尔运算产生的模型；
步骤六、将导出的布尔运算产生的模型导入电磁场计算软件Cst studio suite中，设置不同切频变量参数，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率，找到频率中目标频率对应的切频变量参数，目标频率对应的切频变量参数就是实际超导腔零件需要加工的尺寸；
步骤七、将零件放置在铣床上，按照步骤六中计算得到的目标频率对应的切频变量参数进行加工，得到目标尺寸零件。
本发明的有益效果为：
本发明基于3D扫描的方法采集超导腔的高频面，重构超导腔零件高频面的形状与尺寸，通过数值计算的方法得到零件所需加工的最终尺寸，实现虚拟切频，可以将以前的5～6次加工次数减小至1～2次，在保证精度的同时，减少超导腔的加工次数，大大提高了超导腔的加工效率，省时省力。
与现有的切频方法相比：本发明实现了实际加工的虚拟制造过程，可以将实际加工过程在计算机上虚拟完成，控制了超导腔零件加工成本；减少实际加工次数，提高了加工的效率，为超导腔的批量生产奠定了基础。
附图说明
图1为本发明所提供的方法流程图；通过3D扫描仪和数值计算方法，可以直接得到超导腔零件频率与尺寸的关系，此时，只需要加工一次就可以得到频率满足要求的零件；
图2为传统切频流程图；因为无法得到超导腔零件频率与尺寸的具体关系，因此要对零件加工和测频多次后，才能使零件频率满足要求，这个过程费时费力；
图3为扫描模型效果图；图中内表面为超导请零件的正面(高频面)，外表面为反面，此图为正反两次扫描合并后的结果；
图4为1.3G 9cell型超导腔实物图；
图5为长端腔、短端腔和哑铃(8个)示意图；长端腔、短端腔、哑铃就是需要加工的零件，需要测量和模拟的频率的就是指这些零件，当这些零件切频完成后，将它们焊接起来，焊后的样子如图4所示；
图6为将扫描模型与笛卡尔坐标系对齐后的扫描模型示意图；
图7为步骤四中划分完不同区域后的的模型轮廓图；
图8为布尔运算之后的模型图；
图9为将模型导入软件Cst studio suite中，计算零件达到目标尺寸时的频率图；
图10为建立封闭的长方体区域后的示意图；
图11a是长方体被内表面布尔运算分割后的示意图；
图11b是长方体被外表面布尔运算分割后的示意图；
图11c指的是外表面和内表面中间夹的部分结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式一种超导腔虚拟切频方法具体过程为：
步骤一、在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点(图3中的橙黄色以及蓝色部分的圆形点就是标志点)；
步骤二、在3D扫描仪开始工作之前对3D扫描仪进行校准；3D扫描仪校准后将快门时间设置为6～7ms，分辨率设置为0.2～0.5mm，然后开始对超导腔内导体零件进行扫描，得到扫描模型(扫描出来的正面模型和背面模型)；
扫描分为两部分：零件的正面扫描和背面扫面(正面是图3里橙黄色(也可以叫做内表面或高频面)，背面是图3里蓝色(外表面)。零件的频率只与内表面有关，与外表面无关。扫描外表面的目的是方便逆向建模。)，分别扫描后采用标志点合并的方法对扫描模型进行合并处理，导出超导腔内导体零件表面，得到超导腔内导体零件点云数据，即扫描模型数据；
步骤三、将扫描模型数据导入逆向分析软件Geomagic design X中，将扫描模型与标准笛卡尔坐标系进行对齐，为高频面内轮廓提取做准备；
步骤四、逆向分析软件Geomagic design X将对齐后的扫描模型进行高频面分析(如图6)，把高频面分为不同形状的区域(这些不同形状的区域就是图1里第二步中表面带有颜色的部分，每一种颜色都代表一个区域，每次分的区域会有所不同。原理：逆向分析软件会分析扫描模型表面，根据曲率值将表面划分为不同几何特征的区域(图1中一个颜色就代表一个区域，每一个区域的曲率值相近，不同区域的曲率值不连续或相差较大；))，然后将不同形状的区域进行曲面重构(曲面重构就是将划分好的不同曲率的区域进行拟合，生成连续的曲面。在指逆向分析软件中，选择需要拟合的领域，需要拟合的领域是不同形状的区域，然后软件会自动拟合。)，得到高频面内轮廓(内轮廓就是指将不同区域拟合之后的连续表面。)；
这是通过曲面重构得到的模型表面(内表面+外表面，只有表面，也就是说内表面和外表面中间是空的，这不是个实体，只是表面)；
曲面重构会影响最终的结果，曲面重构时选择不同的区域最终会得到不同的结果。一般情况下，曲面重构需要选择内表面所有的区域进行拟合；但有的时候会出现曲率突变的区域(这可能是3D扫描时带来的误差)，那么这个领域就需要忽略，不参与曲面重构。
步骤五、建立一个封闭的长方体区域，将得到的高频面内轮廓包裹住，如图10，进行布尔运算，得到高频面包络起来的一个封闭区域，导出布尔运算产生的模型；
图10是建立封闭的长方体区域后的结果，这个长方体区域正好可以把曲面重构得到的模型表面包裹起来；
长方体被曲面重构得到内表面和外表面分割，产生了三个部分，如图11a、11b、11c，图11a是长方体被曲面重构得到内表面，图11b长方体被曲面重构得到外表面，图11c指的是外表面和内表面中间夹的部分。(有点类似于，长方体可以被两个平行的平面分割成三部分)
导出模型，如图11c所示(图11a、图11b两部分不要了，频率只与这部分有关)
步骤六、将导出的布尔运算产生的模型导入电磁场计算软件Cst studio suite中，设置不同切频变量参数，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率，找到频率中目标频率对应的切频变量参数，目标频率对应的切频变量参数就是实际超导腔零件需要加工的尺寸；
目标频率是事先设定的；
计算出目标频率下的切频变量参数，这个参数也就是实际零件需要加工的尺寸。
切频变量参数是指在铣床上零件需要切削的尺寸。它与频率的关系：切频变量每增加一点，零件频率就会增大一点。当切频变量增加到一定数值时，零件的频率正好增大到目标频率，此时停止切削。(频率不能过大，也不能过小，这也是切频的难点)。
步骤七、将零件放置在铣床上，按照步骤六中计算得到的目标频率对应的切频变量参数进行加工，得到目标尺寸零件；
直接利用模拟结果确定零件需要加工的尺寸，这样加工一次就可以达到目标频率，大大提高生产效率。
整个过程需要用到3个软件。
(1)ZGScan。这是3D扫描时需要用的软(在步骤二中使用)。从它导出.stl格式文件。(2)Geomagic design X。这是逆向分析软件(在步骤四、五中使用)。从它导出.stp格式文件。
(3)Cst studio suite。这是电磁场计算软件，可以模拟零件的频率(在步骤六中使用))
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一中在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点(图3中的橙黄色以及蓝色部分的圆形点就是标志点)，具体过程为：
在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点，保证在15cm(直径为15cm的圆)范围内有3～4个标志点。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述步骤二中在3D扫描仪开始工作之前对3D扫描仪进行校准；3D扫描仪校准后将快门时间设置为6～7ms，分辨率设置为0.2～0.5mm，然后开始对超导腔内导体零件进行扫描，得到扫描模型(扫描出来的正面模型和背面模型)；具体过程为：
校准后3D扫描仪的Calib RMSE≤0.13mm，保证仪器精度；
所述Calib RMSE为校准均方根误差(Calib(Calibrate)为校准，RMSE(Root MeanSquare Error)为均方根误差)。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是，所述步骤五中进行布尔运算过程为：长方体被曲面重构得到内表面和外表面，将整个长方体分割成三部分。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤二中扫描模型数据格式为“.stl”格式。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述步骤五中布尔运算产生的模型格式为“.stp”格式，为数值计算做准备。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述步骤六中设置不同切频变量参数，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率；具体过程为：
设置切频变量参数从1mm到5mm每隔0.05mm线性增大，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
本实施例具体是按照以下步骤制备的：
对1.3G 9cell型超导腔进行加工制造，如图4所示。在加工过程中，将超导腔分为3个部分，长端腔、短端腔和哑铃(8个)，如图5所示。需要改变8个哑铃的尺寸，以满足频率的要求，具体步骤如下：
(1)将扫描标志点贴在哑铃表面上，保证15cm范围内至少有3个标志点；
(2)校准扫描仪并设置好扫描参数，分别扫描哑铃的外表面和内表面，将扫描出来的模型合并导出，如图3；
(3)将扫描模型导入软件Geomagic design X中，并把扫描模型与笛卡尔坐标系对齐，如图6；
(4)提取扫描模型高频面的轮廓，如图7；
(5)将所提取的高频面轮廓封闭，导出模型，如图8；
(6)将模型导入软件Cst studio suite中，计算零件达到目标尺寸时的频率，如图9；
(7)对零件进行尺寸加工。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种超导腔虚拟切频方法，其特征在于：所述方法具体过程为：
步骤一、在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点；
步骤二、在3D扫描仪开始工作之前对3D扫描仪进行校准；3D扫描仪校准后将快门时间设置为6～7ms，分辨率设置为0.2～0.5mm，然后开始对超导腔内导体零件进行扫描，得到扫描模型；
扫描分为两部分：零件的正面扫描和背面扫面，分别扫描后采用标志点合并的方法对扫描模型进行合并处理，导出超导腔内导体零件表面，得到超导腔内导体零件点云数据，即扫描模型数据；
步骤三、将扫描模型数据导入逆向分析软件Geomagic design X中，将扫描模型与标准笛卡尔坐标系进行对齐；
步骤四、逆向分析软件Geomagic design X将对齐后的扫描模型进行高频面分析，把高频面分为不同形状的区域，然后将不同形状的区域进行曲面重构，得到高频面内轮廓；
步骤五、建立一个封闭的长方体区域，将得到的高频面内轮廓包裹住，进行布尔运算，得到高频面包络起来的一个封闭区域，导出布尔运算产生的模型；
步骤六、将导出的布尔运算产生的模型导入电磁场计算软件Cst studio suite中，设置不同切频变量参数，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率，找到频率中目标频率对应的切频变量参数，目标频率对应的切频变量参数就是实际超导腔零件需要加工的尺寸；
步骤七、将零件放置在铣床上，按照步骤六中计算得到的目标频率对应的切频变量参数进行加工，得到目标尺寸零件。
2.根据权利要求1所述一种超导腔虚拟切频方法，其特征在于：所述步骤一中在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点，具体过程为：
在所需要扫描的超导腔内导体零件上贴好扫描标志点，保证在15cm范围内有3～4个标志点。
3.根据权利要求1或2所述一种超导腔虚拟切频方法，其特征在于：所述步骤二中在3D扫描仪开始工作之前对3D扫描仪进行校准；3D扫描仪校准后将快门时间设置为6～7ms，分辨率设置为0.2～0.5mm，然后开始对超导腔内导体零件进行扫描，得到扫描模型；具体过程为：
校准后3D扫描仪的Calib RMSE≤0.13mm；
所述Calib RMSE为校准均方根误差。
4.根据权利要求3所述一种超导腔虚拟切频方法，其特征在于：所述步骤五中进行布尔运算过程为：长方体被曲面重构得到内表面和外表面，将整个长方体分割成三部分。
5.根据权利要求4所述一种超导腔虚拟切频方法，其特征在于：所述步骤二中扫描模型数据格式为“.stl”格式。
6.根据权利要求5所述一种超导腔虚拟切频方法，其特征在于：所述步骤五中布尔运算产生的模型格式为“.stp”格式。
7.根据权利要求6所述一种超导腔虚拟切频方法，其特征在于：所述步骤六中设置不同切频变量参数，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率；具体过程为：
设置切频变量参数从1mm到5mm每隔0.05mm线性增大，分别计算出不同切频变量参数下超导腔零件的频率。
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