一种高稳定性自动调节机构

本发明涉及束流高稳定性精密自动调节领域，更具体地涉及一种高稳定性自动调节机构。

背景技术：

先进光源大科学装置的关键性能指标是束流轨道的稳定性。影响束流轨道稳定性的主要因素之一是加速器关键元件的机械稳定性，包括沉降影响的长期稳定性、温度波动影响的中期稳定性和大地振动影响的短期稳定性。随着先进光源大科学装置的发展，对光源的品质和稳定性要求越来越高。在第四代光源或硬x自由电子激光装置的波荡器段更是提出了关键聚焦元件四极磁铁的纳米级稳定性要求。

目前，基于束流的准直调节通常采用改变束流能量的方法，把引起束流轨道变化的来源归结到关键元件的位置偏差，通过对不同能量下束流位置探头(bpm)测量数据的计算分析，得出关键元件的偏离量和bpm的偏离，从而给出合适的调整方案。从束流位置的角度对关键元件进行直接在线调整，可以大幅提高束流的稳定性。但是该方法对关键元件的支撑调节机构的要求非常高，其需要实现高精度准直，满足束流的纳米级高稳定性要求。

现有的支撑调节机构通常包括一层支架和二层支撑，一层支架固定在地面上，二层支撑固定在一层支架上，且两者之间设置有垫板，通过手动调节垫板的高度做沉降补偿，费时费力，且只能在停束流情况下通过重新准直调整，无法做到远程在线调节。此外，现有的支撑调节机构通常采用弹簧阻尼器或橡胶垫被动减振，虽然可以减少高频振动，但是无法降低大地本底在嘈杂环境中的低频振动，无法满足束流的纳米级稳定性要求。此外，现有的支撑调节机构为钢结构支撑，当温度变化±0.1℃时，1米左右高度的钢结构支撑在竖直方向产生的位置变化就已经达到了微米级，无法满足束流的纳米级稳定性要求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高稳定性自动调节机构，以对束流元件的位置进行远程自动调节，提高其位置稳定性。

本发明提供一种高稳定性自动调节机构，包括：固定在地面的底板和设置于所述底板上的支撑平台，所述底板和所述支撑平台之间设置有垫板，其特征在于，所述支撑平台上固定有电动滑台和温度位移反馈机构。

进一步地，所述温度位移反馈机构包括支架、调节螺杆和位移传感器，所述支架固定在所述支撑平台上，所述调节螺杆设置在所述支架上，所述位移传感器设置在所述调节螺杆上，所述调节螺杆位于所述电动滑台上方。

进一步地，所述电动滑台包括电机、第一层滑台结构和第二层滑台结构，所述第一层滑台结构设置于所述支撑平台上，所述第二层滑台结构设置于所述第一层滑台结构上，所述电机分别与所述第一层滑台结构和所述第二层滑台结构相连。

进一步地，所述第一层滑台结构包括第一滚珠丝杠、第一导轨和第一滑台，所述第一导轨固定在所述支撑平台上，所述第一滑台滑设在所述第一导轨上，所述第一滚珠丝杠与所述第一滑台相连；所述第二层滑台结构包括第二滚珠丝杠、第二导轨和第二滑台，所述第二导轨固定在第一滑台上，所述第二滑台滑设在所述第二导轨上，所述第二滚珠丝杠与所述第二滑台相连；所述电机分别与所述第一滚珠丝杠和所述第二滚珠丝杠相连。

进一步地，还包括减振台和纳米定位台，所述减振台固定在所述电动滑台上，所述纳米定位台固定在所述减振台上。

进一步地，所述支撑平台为大理石平台。

进一步地，所述支架由因瓦(invar)材料制成。

进一步地，所述底板与地面通过地脚螺栓及灌浆固定。

本发明的高稳定性自动调节机构，通过控制装置控制电动滑台对束流元件位置进行调整，可实现微米级别的高精度调节；通过温度位移反馈机构，可精确捕捉和反馈温度变化引起的位移变化，并对束流元件的位置进行相应调整，从而提高束流元件的位置稳定性；采用减振台主动减振，有效衰减支撑平台周围环境传递到束流元件上的振动。

附图说明

图1为本发明实施例提供的高稳定性自动调节机构的结构示意图；

图2为本发明的高稳定性自动调节机构的底板的结构示意图；

图3为本发明的高稳定性自动调节机构去除第一滑台以上部分后的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种高稳定性自动调节机构，用于支撑束流元件100或200并对其位置进行调节而保持其位置的稳定性，包括底板1、垫板2、支撑平台3，底板1固定在地面，支撑平台3设置在底板1上并与底板1可拆卸连接，垫板2夹设在底板1和支撑平台3之间，通过调整垫板2的尺寸可调整支撑平台3的高度，从而使其高度保持稳定，不受地面沉降的影响；支撑平台3上表面设置有电动滑台4，束流元件100置于电动滑台4的上表面；自支撑平台3的侧面向上延伸有一温度位移反馈机构5，用于监控和反馈束流元件受到温度变化引起的位置变化；当束流元件100和200的位置发生变化后，电动滑台4可根据需要进行滑动，从而对束流元件100和200的位置进行调整，保持其位置稳定性。

束流元件有很多种，不同束流元件的稳定性和位置精度要求也不相同。束流元件100(包括校正铁、移相器、腔式束流位置检测器(cbpm)等)对稳定性和位置精度要求不是太高，其可放置在电动滑台4上，由电动滑台4对其位置进行调整即可满足精度要求。束流元件200(例如四极磁铁)对稳定性和位置精度要求较高，需要达到纳米级精度，电动滑台4无法满足其精度要求，因此，还可在电动滑台4上依次设置减振台61和纳米定位台62，束流元件200置于纳米定位台62上，减振台61用于主动衰减该自动调节机构的原始振动，纳米定位台62则用于对束流元件200的位置进行纳米级调整，使其位置满足精度要求。

支撑平台3包括平台本体和平台底板，平台本体与平台底板通过底板下沉孔螺栓连接，底板1上设置有四个l型块7，分别位于支撑平台3的四个底角处，l型块7通过竖直方向的螺栓固定在底板1上，l型块7上设有竖直方向的螺栓孔和水平方向的螺栓孔，通过竖直方向的螺栓孔与底板1螺栓连接，另一螺栓旋入水平方向的螺栓孔后，一端顶到支撑平台3的平台底板侧面，用于调节支撑平台3的水平方向，调节到位后即可松开，也可将l型块7拆除。底板1和支撑平台3之间设置有顶起螺栓8，用于对支撑平台3进行辅助支撑，当需要调节支撑平台3的高度时，先将支撑平台3抬起，并由顶起螺栓8顶住支撑平台3的平台底板，然后更换所需尺寸的垫板2，完成后放下顶起螺栓8，通过螺栓9将支撑平台3、垫板2和底板1固定连接。

支撑平台3为天然花岗岩大理石平台，其稳定性好，热膨胀系数低，受温度变化影响的变形小，且其平面度好，其平面度可以做到20微米级别，加工成本也较低，由于大理石是无磁的，因此，对束流位置影响也低。

如图2所示，底板1上设置有四个准直孔11，用于放置靶球，靶球配合激光跟踪仪采集底板1的三维坐标，通过采集的坐标值，可将底板1精确调平至0.02mm。精确调平后，底板1通过地脚螺栓及灌浆与地面固定，然后再通过螺栓与支撑平台3固定。为保证底板1内部灌浆均匀，其上设置有三个灌浆孔12。通过灌浆可以保证底板1与地面的有效固定，从而提高了该自动调节机构的稳定性。

在本实施例中，电动滑台4包括电机41、减速器42和两层滑台结构，其中第二层滑台结构设置于第一层滑台结构之上，电机41通过减速器42分别与两层滑台结构相连并驱动其进行滑动。具体的，第一层滑台结构包括第一导轨431、第一滑块432、第一滑台44和第一滚珠丝杠47，第一导轨431为两个，分别相对设置在支撑平台3顶面的两侧，第一滑块432滑设在第一导轨431中，第一滑台44固定在第一滑块432上，第一滚珠丝杠47固定在支撑平台3上，并与第一滑台44相连，电机41通过减速器42与第一滚珠丝杠47相连，以驱动第一滚珠丝杠47运转，从而使第一滑台44沿第一导轨431滑动；第二层滑台结构包括第二导轨451、第二滑块452、第二滑台46、和第二滚珠丝杠48，第二导轨451为两个，分别固定在第一滑台44顶面的两侧，第二滑块452滑设在第二导轨451中，第二滑台46固定在第二滑块452上，第二滚珠丝杠48固定在第一滑台44上，并分别与减速器42和第二滑台46相连，在电机41和减速器42的驱动下，第二滚珠丝杠48带动第二滑台46沿第二导轨451滑动。

如图3所示，第一滑台44为三根横梁和三根纵梁焊接成的框架结构，其两端横梁的底面分别与第一滑块432固定连接，第二导轨451分别固定在两端横梁的顶面，第二滚珠丝杠48则固定在第一滑台44中间的横梁上。具体的，第二滚珠丝杠48包括螺杆481、螺母482和两个轴承483，螺杆481穿过螺母482后通过两个轴承483固定在第一滑台44中间的横梁上，螺杆481的一端通过联轴器与减速器42相连，螺母482则与第二滑台46通过螺栓固定连接，在电机41和减速器42的驱动下，螺杆481转动，使螺母482在螺杆481上滑动，从而带动第二滑台46相应滑动。第一滚珠丝杠47的结构与第二滚珠丝杠48的结构相同，此处不再赘述，第一滚珠丝杠47通过两个轴承固定在支撑平台3上，其螺杆的一端与减速器42通过联轴器相连，螺母则与第一滑台44中间的横梁底面固定连接，螺杆转动时，螺母带动第一滑台44沿第一导轨431滑动。

第一导轨431设置在支撑平台3的上表面，其为水平面，高度无变化，因此，第一滑台44沿第一导轨431滑动时，其水平位置可得到调整。第一滑台44的三个横梁的上表面为倾斜设置，具有一定坡度，这样第二导轨451也为倾斜设置，当第二滑台46沿其滑动时，第二滑台46的高度将发生变化，从而实现对第二滑台46高度的调整。束流元件100放置于第二滑台46上，通过第一滑台44和第二滑台46之间的配合移动，即前后和上下移动，从而可调节束流元件的水平位置和高度。优选的，第一滑台44和第二滑台46上均设置有光栅尺49，用于测量并反馈每层导轨上下连接部件间的精确相对位移，电机41根据束流元件的位置驱动减速器42和滚珠丝杠，带动滑台上的束流元件移动至所需位置。光栅尺49的分辨率可达0.1微米，电动滑台4的定位精度可达±2.5微米。

温度位移反馈机构5包括支架51、调节螺杆52、锁紧螺母53和电容位移传感器54，其中，支架51底部通过螺栓固定在支撑平台3上，顶部位于电动滑台4的上方并设置有螺孔，螺孔外设置有锁紧螺母53，调节螺杆52旋入该螺孔和锁紧螺母53内，通过锁紧螺母53固定在支架51上，通过转动，调节螺杆52可实现上下移动；电容位移传感器54固定在调节螺杆52上，用于监测和反馈束流元件受到温度变化引起的位置变化。优选地，调节螺杆52为内径为10mm的空心杆，电容位移传感器54的直径为9mm，电容位移传感器54位于该空心杆内并露出探测面，一止动螺钉穿过调节螺杆和电容位移传感器54以使两者固定连接，这样，通过转动调节螺杆52即可使电容位移传感器54的探测面缓慢靠近束流元件，直至探测面与束流元件100或200的距离为电容位移传感器54量程的一半(例如，量程为0.5mm，则距离调为0.25mm)，当束流元件100或200随温度变化产生较大热膨胀时，其与电容位移传感器探测面之间的距离会发生变化，此时，需要通过电动滑台4或纳米定位台62对束流元件的位置进行调节，从而使其位置保持稳定。

在本实施例中，支架51采用因瓦(invar)材料，因瓦(invar)材料的热膨胀系数极低，能在很宽的温度范围内保持固定长度，这样支架51就可以认为是一个不随温度变化的标准尺，减少支架51对束流元件与电容位移传感器之间的距离变化的影响。

减振台61固定在第二滑台46上，其为音圈电机驱动，其内设置有音圈电机和振动传感器，音圈电机的永磁体安装在减振台61的底面，音圈电机的线圈则安装在减振台61的顶面，振动传感器用于监测减振台61的本底振动，根据振动传感器的振动信号，音圈电机运转，减少1-100hz的振动，从而起到减振作用。纳米定位台62固定在减振台61上，可由压电陶瓷驱动，其可实现纳米精度的位置调节。纳米定位台62可根据实际需要采用不同型号的压电纳米定位台，例如，在本实施例中，纳米定位台62采用芯明天xd-604型号的压电纳米定位台。

本发明的高稳定性自动调节机构还包括控制装置300，其分别与电机41、光栅尺49、音圈电机、振动传感器和纳米定位台62电连接或通信连接，通过光栅尺反馈的或定位台62反馈的束流元件的位置，控制电机41或纳米定位台62使束流元件至所需的位置；控制装置300还可接收振动传感器反馈的振动信号，经过减振算法后，驱动音圈电机进行减振。在使用时，控制装置300放置于束流轨道之外，其余部件则位于束流轨道内，这样，通过控制装置300可方便地实现对束流元件的位置的调节。控制装置300例如可以采用单片机或计算机等。

下面以四极磁铁为例，说明本发明的高稳定性自动调节机构操作过程和原理：

四极磁铁振动稳定度要求1-100hz均方根位移小于100nm，调节步长50nm，大地本底振动1-100hz均方根位移200nm左右。四极磁铁通过支撑板固定在纳米定位台62上，通过转动调节螺杆52使电容位移传感器的探测面与四极磁铁之间的距离为电容位移传感器量程的一半，在束流轨道运行期间，减振台61一直开启衰减传到四极磁铁的地基振动至100nm以内；当短时间电容位移传感器读数无变化，该自动调节机构不动作；当温度变化时，四极磁铁和其支撑板产生膨胀或收缩导致电容位移传感器读数变化，位移变化超过50nm不超过纳米定位台62量程时，由纳米定位台62对其位置进行调整，电动滑台4不工作；当位移变化在纳米定位台62量程和电动滑台4量程之间时，先由电动滑台4将其位置调整到纳米定位台62量程内(即微米范围内)，然后再通过纳米定位台62调整到位；当地板沉降导致位移变化超过电动滑台4量程时，先通过垫板2调整支撑平台3的高度，完成毫米级别的调整，然后再依次通过电动滑台4和纳米定位台62完成微米级别和纳米级别的调整，从而使四极磁铁调整到位。

本发明实施例提供的高稳定性自动调节机构，通过控制装置300控制电动滑台4对束流元件位置进行调整，可实现微米级别的高精度调节；通过温度位移反馈机构，可精确捕捉和反馈稳定变化引起的位移变化，并对束流元件的位置进行相应调整，从而提高束流元件的位置稳定性；采用减振台61主动减振，有效衰减支撑平台周围环境传递到束流元件上的振动。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。