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SX-700单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量.doc

SX-700单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量.d…

上传者: 莫家小熙 2017-11-11 评分 4.5 0 59 8 269 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《SX-700单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量doc》,可适用于高等教育领域,主题内容包含SX单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量SX单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量第卷第期年月光学精密工程OpticsandPre符等。

SX单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量SX单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量第卷第期年月光学精密工程OpticsandPrecisionEngineeringVoNoJan文章编号X()SX单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量吴坤,薛松,卢启鹏,彭忠琦,陈家华,刘楷(中国科学院上海应用物理研究所,上海中国科学院研究生院,北京中国科学院长春光学精密机械物理研究所,吉林长春)摘要:为了使上海光源(SSRF)研制的SX一单色器的主要设计指标波长扫描转角重复精度满足优于"的要求,研究了单色器的波长扫描组件一光栅正弦机构的转角精度误差来源设计单色器结构时,运用有限元分析软件ANSYS对光栅正弦机构进行数值模拟计算并根据模拟结果对光栅正弦机构的转角重复精度进行了误差分析,得到的转角重复精度为"依据分析结果制定了工程设计方案,并成功加工,装配了SX一单色器利用作者建立的一套由光电自准直仪组成的测试系统对光栅正弦机构的转角重复精度进行测试,实测精度为"结果表明,设计的SSRF的SX一单色器光栅正弦机构的转角重复精度满足设计要求关键词:SX一单色器正弦机构转角精度数值模拟中图分类号:TH文献标识码:ASimulationanalysisandmeasurementofrotationanglerepeatabilityforgratingsinemechanismofSXmonochromatorWUKunXUESong,IUQipeng,PENGZhongqi,CHENJiahua,LIUKai'(ShanghaiInstituteofAppliedPhysics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai,ChinaGraduateUniversity,'ChineseAcademyofSciences,Beijing,ChinaChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun,China)Abstract:TodesignaSX一monochromatorforShanghaiSynchrotronRadiationFacility(SSRF)andtoenableitsmaindesignindex,therotationanglerepeatabilityofscanningphotonenergy,tobelessthan",theerrorsourcesaffectingtherotationanglerepeatabilityofthegratingsinemechanismareinvestigatedandthenthegratingsinemechanismissimulatednumericallybyusingthefiniteelementsoftwareANSYSTheerrorsfortherotationanglerepeatabilityofthegratingsinemech客nismareanalyzedaccordingtotheresultsofthenumericalsimulationwhichshowsthattherotatiohanglerepeatabilityi'sBasedontheanalysis,aSX一monochromatorisdesigned,andtheanglerepeatabilityofthegratingsinemechanismismeasuredwithanautocollimatorsystemdesignedbyUS收稿日期:修订日期:基金项目:国家大科学工程上海光源工程资助项目(NoSSNooXQO)光学精密工程第卷Measuredresultsindicatethattherotationanglerepeatabilityofthedesignedmonoehromatoris",whichmeetstherequirementsofthegratingsinemechanismfortherotationanglerepeatabilityKeywords:SXmonochromatorsinemechanismrotationanglerepeatabilitynumericalsimulation引言SX一单色器是平面光栅单色器,最早由Petersen提出,年由法国的Zeiss公司组织实施,成功研制出了着名的SX一单色器经过国外科学家的多年研究优化,SXOO单色器出现了很多不同的版式,虽基本元件依然是前置平面镜和平面光栅,但性能得到大幅度改善该单色器可以采用多种交替的运行模式,具有光子输出通量高,能量分辨率,光谱纯度和像斑质量好,能量工作范围宽,光束传输效率高等诸多优良特性l,也越来越多地运用于同步辐射光束线中,但其设计和制造难度也非常大上海光源(ShanghaiSynchrotronRadiationFacility,SSRF)软X射线谱学显微光束线站主要用于以材料,环境,生物,有机地球化学,陨星为研究对象的研究中光源采用EPU(EllipticallyPolarizedUndulator)插入件,能够提供各种各样极化状态的软X射线由于SX单色器的优良特性,故被采用作该条光束线的分光设备该单色器距离光源m,工作在平行光模式下,无入射狭缝,出射狭缝固定,光学放大倍数在,可调节,通过改变包含角来选择波长,工作量程为,eV根据波长扫描分辨率的要求,光栅正弦机构在全量程(,eV)内转角重复精度要优于国家重大科学工程上海光源(SSRF)在国内首次采用SX一光栅单色器,由于该单色器的精度要求很高,国内加工制造水平有限,在缺乏工程经验的情况下自行研制并保证按期完成是有风险的为了保证单色器研制成功,并达到要求的精度指标,本文从机械精度误差的角度,分析了影响光栅正弦机构波长扫描精度的主要因素,并运用有限元软件ANSYS对光栅正弦机构进行了数值模拟计算和分析,在此基础上针对各主要误差来源,制定了工程设计解决方案最后,通过测试验证了模拟计算值的可靠性光栅正弦机构的转角精度误差源分析SSRF的SX一单色器由波长扫描机构,驱动机构以及调节结构等组成,通过对几种常用的波长扫描方式进行比较,SX一单色器波长扫描采用正弦机构,该机构主要由平面镜正弦机构和光栅正弦机构组成光栅正弦机构包括:滑台,光栅扫描驱动杆,光栅驱动平台,顶点机构,正弦杆,光栅扫描机构底板等,光栅正弦机构示意图如图所示光栅正弦机构由步进电机驱动滑台滚珠丝杠做直线运动,通过柔性波纹管密封将外部直线运动传递到真空室内,经过驱动杆推动正弦杆,使得光栅绕转轴转动图光栅正弦机构示意图FigSchematicdiagramofgratingsinemechanism根据光栅衍射方程mAd(sinasin卢),式中m为衍射级次(这里Tn取),单色光波长与光栅转角的关系为r一dCOS()sin,()式中d为光栅常数,a为入射角,p为衍射角设正弦杆长度为L,滑台的直线位移为z,正弦杆的转角为,则应满足z=:=Lsin,()可见影响转角精度是滑台的直线位移z和正弦杆长L,这也是最终影响波长分辨率的因素而影响x和L的因素则表现为机械结构的误差,主要误差源为:()丝杠螺距累计误差S()正弦杆有效杆距误差()零位时正弦杆与第期吴坤,等:SX一单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量丝杠不垂直,表现为驱动杆水平挠度"()顶点机构轴承套与驱动平台接触滑动面的倾斜(由于偏心距存在),表现为驱动杆轴向变化量l()正弦杆挠度变化量av()转动轴和正弦杆末端滚动轴的径向跳动()线性编码器精度()轴系误差第()项具有周期变化的特点而()()()()项主要是由于光栅扫描驱动杆和正弦杆的变形引起的,因此除了提高加工精度要求外,要求正弦杆和驱动杆有较好的抗弯曲能力()项是由制造精度和装配精度决定,可以通过提高加工精度和装配精度降低其影响()项的精度取决于编码器的精度()项的精度取决于加工制造误差由上可见,光栅正弦机构要达到较高的转角精度,设计时除了选购合理的部件外,其主要部件必须具有较好的刚度特性光栅正弦机构主要部件的数值模拟计算设计单色器时,为获得较好刚度特性的正弦机构,运用有限元分析软件ANSYS对正弦杆进行了数值模拟计算,以获得在自重状态下最佳的正弦杆(正弦杆挠度变化量最小)同时对光栅扫描驱动杆进行静力分析,获得了光栅正弦机构零位时的驱动杆水平挠度和驱动杆轴向变化量z这些计算值是单色器光栅正弦机构转角精度分析的依据正弦杆受力的数值模拟SX一单色器工作在Pa的真空环境下,波长扫描过程中由于步进机驱动滑台的速度很低,可以近似认为正弦杆处于稳定的平衡状态,只受重力作用对正弦杆进行材料和截面的优化是基于有剪切变形的Timoshenko梁弯曲理论"由于正弦杆在厚度方向没有受到外力作用,假设在厚度方向不发生任何变形,可以将模型简化为受均布载荷平面剪切弯曲梁简支梁,一端只有一个自由度(ROTZ,即绕转轴的转动),另一端有两个自由度(UX,ROTZ,即水平滑动和绕转轴的转动)由于不同的材料和截面形状,其抗弯截面系数和力学性能不同,杆的变形会产生不同的结果因此计算时,正弦杆的截面采用了如图所示的种截面,杆长取为mm,材料分别采用较常用的Cr不锈钢和A硬铝计算了正弦杆处于O到之问每隔位置处的有效杆距变化量,采用BEAM单元,沿梁的纵向划分为个单元,分析结果如图,所示lymmCHANlT图种不同截面尺寸FigSevenkindsofdifferentcrosssectiondimensions墓嚣雪一,I矗r嚣r=t|lllll)图材料为A硬铝时正弦杆有效杆距变化量曲线图FigChangeofpotentlengthdeflectionofsinbarofaluminumalloy鱼詹一C,皇一,一lllllll)图材料为Crl不锈钢时正弦杆有效杆距变化量曲线图FigChangeofpotentlengthdeflectionofsinbarofstainlesssteel从图和图可以看出,光栅正弦杆自重情况下,无论是哪种材料,I型和T型以及RECT一目一一胡一闩胡几UIIluq口一luQloAJBulJoQ磊U光学精密工程第卷型截面的正弦杆挠度变化量相对于其他截面形状都较小在整个转角范围不同位置处,材料为Cr不锈钢时的正弦杆挠度变化量比A硬铝的变化量小约为nm考虑到加工和装配的方便,截面形状选用RECTO型,且材料选用Cr不锈钢经计算得:材料为Cr不锈钢,截面形状为RECTO的正弦杆,在光栅正弦机构O到转动过程中,其挠度变化量为m,有效杆距变化量为Om图列举了光栅扫描角度为,材料为Cr不锈钢,截面形状为RECTO时的正弦杆轴向形变云图图正弦杆轴向形变云图FigContourdisplayofsinbaraxialdeflection驱动杆受力的数值模拟单色器工作时,在步进电机驱动下,滑台滚珠丝杠带动驱动杆做直线运动,柔性波纹管密封将驱动杆分隔在Pa的真空环境和大气环境下单色器扫描过程中,驱动杆速度很低,整个运动过程非常稳定,要求无抖动,因此近似认为驱动杆处于平衡状态下根据结构特点,设计时使负压和驱动组件部分重力相抵消,认为驱动杆受到顶点机构的压力和重力作用光栅转角从到扫描过程中,正弦杆顶点机构轴承套在驱动杆顶面会产生,mm的滑移,因此简化驱动杆受力模型为偏心受压,顶端偏心受压(无自由度限制),底部固定由于驱动杆是变截面杆,截面尺寸与部分段杆长相差不大,因此选用实体单元SLID,材料为Cr不锈钢按照驱动杆实际装配关系对驱动杆施加边界条件和载荷,分析了光栅角,,,和时的驱动杆形变ANSYS分析结果见表图列举了光栅扫描角度为,材料为Cr不锈钢的驱动杆受压形变云图表jANSYS分析结果TabResultsofANSYScalculation光栅角度位置()驱动杆的压缩量mmOOO图驱动杆受压形变云图FigContourdisplayofdriveroddeflection经过计算得零位时水平挠度"z一Ixm根据表,可算得驱动杆的轴向变化量均方差一um正弦机构转角重复精度分析根据正弦机构的运动关系和光栅衍射方程,可推出前项误差源对波长读数精度的影响遵循以下公式:=dcs(a~)~S,()=dcs(a~)Xl,()欷=dcOS(),()一cs()csOX,()sin(溉)=sinsin,且=arcsin()()其中,为位时正弦杆与丝杠的夹角之差,即位误差取d一mm,口一,=,全量程S一mm,S一mm一把模拟得到的数值代入第期吴坤,等:SX一单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量式(),(),(),(),(),得=xnlTl,OnlTi,一,nlTl,一nFn由于各项误差相互独立它们对波长读数的影响应取矢量和,则波长读数误差为:…一~一m,()根据式(),可得前四项误差源对转角精度的影响为:a一,一()dcos()cos跏标准方差为肚m,转动轴和正弦杆末端滚动轴的径向跳动均取rn,线性编码器精度为m,轴系误差取A一,则由几何学知识得Ammm一A雎TIvrmIi"AOMmmm="最后得六项误差源对转角精度的影响为:一干目:千厮一"()可见光栅正弦机构转角重复精度计算值为",优于设计要求的精度指标",理论上验证了设计满足要求结构设计方案考虑由上面精度分析可知:,》,且Ae,A和A较大,可见丝杠螺距累计误差,驱动杆的刚度,轴承径向跳动误差,线性编码器的精度以及轴系误差对光栅正弦机构转角精度影响较为明显,结构设计时应尽量降低上述误差源的影响为了降低上述误差源的影响,设计时特别引入了光栅尺,因此丝杠螺距累计误差和线性编码器的精度将由光栅尺决定,通过光栅尺的闭环补偿系统降低了上述两项误差为了增强驱动杆的抗变形能力,在考虑特殊的热处理工艺同时,让正弦杆顶点机构轴承套在驱动杆顶面有一mm的预先偏置距离,同时用两根弹簧把顶点机构和驱动组件拉在一起单色器设计课题组特别设计了一个偏心轴机构,来降低轴系误差影响光栅正弦机构转角重复精度测试根据具体情况本文采用精度优于的光电自准直仪对光栅正弦机构转角重复精度进行测量光栅正弦机构转角重复精度的测量示意图如图所示,考虑回程误差的影响,从正向和反向分别到达待测点的误差不同,因此需要测量正反两个方向的误差这里规定滑台从下往上走时为正向,从上往下走时为反向图光栅正弦机构转角重复精度测试示意图FigSchematicdiagramofanglerepeatabilitymeasurementforgratingsinemechanism在相同条件下,对lTlm到mii之间的任一位置点进行O组测量,每组测量次,取每组O次测量的算术平均值,从而得到一列算术平均值,把测量列算术平均值的标准偏差作为光栅正弦机构的转角重复精度,光栅转角精度的重复性测试结果如表所示由测量结果可知,光栅正弦机构的转角重复精度最大为,优于设计要求精度指标表光栅正弦机构转角重复精度TabAnglerepeatabilityofgratingsinemechanism光学精密工程第卷结论对SSRF首次采用的软X波段分光仪器SX一平面光栅单色器进行了研究,为达到要求的设计指标,在结构设计时,运用有限元分析软件ANSYS对单色器的关键组件正弦机构进行了数参考文献:PETERSENHBESSYtechnicalreportTRBerlin:BESSY,PIMPALEAV,DESHPANDESK,BHDEVGDesigncOnsiderationsfortherotationofaplanepremirrorofamonochromatorforreflectingsynchrotronradiationontothesamespotofthedispersinggraXingofthexuVbeamlineJAppliedOptics,,():一IRIEMERF,TRGERBessySX一UHVmonochromator:designfeaturesandkinematicconceptJNucInstrumMethods,,():PETERSENH,JUNGC,HELLWINGC,口ZReviewofplanegratingfocusingforsoftxraymonochromatorsJRevSicInstrum,,():PETERSENHTheplanegratingandellipticalmirror:anewopticalconfigurationformonochromatorsJOptCommmum,,():BRAUNW,PETERSENH,FELDHAUSJ,作者简介:吴坤(一),男,安徽肥东人,博士研究生,年于合肥工业大学获学士学位,研究方向为精密机械设计和工程CAE分析Email:wukunsinapaCCn值模拟,基于模拟结果对光栅正弦机构的转角重复精度进行了误差分析,结果为"根据数值模拟结果制定了单色器工程设计方案,最后在上海光源实验大厅对单色器进行了现场测试,测试结果为",远远优于设计指标要求,表明SX一单色器光栅正弦机构的设计满足转角精度重复性设计要求aSoftxraymonochromatorsatBessyJSPIE,,:PETERSENHThehighenergyplanegratingmonochromatorsatBessyJNucInstrumMethods,,():卢启鹏,李勇军,彭忠琦,等六杆并联机构运动学正解研究及其在同步辐射光束线中的应用J光学精密工程,,():LUQP,LIYJ,PENGZHQ,etaForwardkinematicsofsixbarparallelmechanismanditsapplicationsinsynchrotronradiationbeamlineJOptPrecisionEng,,():(inChinese)徐朝银,同步辐射光学与工程M合肥:中国科学技术大学,:XUCHYSynchrotronRadiationOpticsandEngineeringMHefei:UniversityofScienceandTechnologyofChina,:o王勖成,有限单元法M北京:清华大学出版社,:wANGXCHFiniteElementMethodMBeijing:TsinghuaUniversityPress,:卫卢启鹏(一),男,黑龙江人,研究员,博士生导师,主要从事同步辐射光束线关键技术的研究Email:luqpctompaccnl期吴坤,等:SX一单色器光栅正弦机构转角重复精度的模拟分析与测量彭忠琦(一),男,吉林榆树人,高级工程师,主要从事精密机械设计方面的研究Email:pengzhongqicorn陈家华(一),男,浙江嘉兴人,助理工程师,年于中国科学技术大学获学士学位,主要从事精密机械结构设计方面的研究Email::chenjiahuasinapaccn期预告刘楷(一),男,湖北荆州人,硕士研究生,年于武汉工程大学获学士学位,主要从事光学精密机械准直及检测方面的研究Email::liukaisinapaccn薛松(一),男,吉林长春人,研究员,博士生导师,年于东北大学获得学士学位,研究方向为同步辐射光学工程,精密机械和光谱仪器设计等Email:xuesongsinapaccrl械感生长周期光纤光栅的可调谐环形光纤激光器姜明顺,冯德军,隋青美(山东大学控制科学与工程学院光纤传感技术研究中心,山东济南山东大学信息科学与工程学院,山东济南)将采用机械感生法写制的长周期光纤光栅(MLPFG)串入环形腔中,设计了一种新颖的L波段可环形掺铒光纤激光器(EDFL)抽运光源为nm半导体激光器,使用掺铒浓度的铒m作为增益介质,通过调整待写制光纤与周期性压力槽之间的夹角,改变MLPFG的写制周期,调viiPFG透射谱,进而影响环形腔增益最高点,光纤激光器波长可调谐范围可达nm(,)nm),激光光谱dB带宽dnm,dB带宽dnm,边模抑制比dB长时间观激光功率稳定性优于dBm实验表明,该光纤激光器具有易调谐,成本低,带宽较宽,线宽窄及B稳定等特点霸一互国

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