将转换时间从两天大幅缩减至 12 小时

在位于加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室，由 Square One Systems Design 与倍福联合打造的先进机器人系统正助力高能物理实验提速。这款 Tri-Sphere 机器人定位系统通过优化操作流程，显著提升了“光束时间”利用率，从而帮助研究人员获得更多实验机会，推动科研成果突破。

Square One 公司获得专利的 Tri-Sphere 机器人是一款尖端并联机器人，其设计专门满足高能物理研究的严苛要求。与旋转关节工业机器人类似，Tri-Sphere 具备六自由度运动能力。然而与传统机器人不同的是，该机器人不仅提供超大负载能力、超高精度以及可无缝嵌入紧凑空间的精简结构，还全面符合物理学界广泛采用的 EPICS 标准（实验物理与工业控制系统）。该标准为科研人员和技术专家提供了标准化控制系统架构与软件工具包，用于对接并控制高端设备，从而有效提升过程跟踪性能，优化实验过程中采集的元数据分析。

SLAC 国家加速器实验室部署 Tri-Sphere 机器人系统，是其对全球最强 X 射线自由电子激光器 — 直线加速器相干光源（LCLS）进行重大升级的关键环节。近期完成的 LCLS-II 项目将原有系统的脉冲发射能力从每秒 120 次提升至每秒 100 万次；而未来实施的 LCLS-II-HE 升级计划还将进一步提升 X 射线能量级别。简而言之，这些突破性进展为前沿科研项目开启了全新维度 — 包括新一代太阳能技术、超导体研发、先进药物探索等曾被视为不可能实现的科学研究领域。

突破物理研究的极限

这款机器人的独特设计在应对复杂实验装置的快速轮替（拆卸与更换）及适应 LCLS 等设施典型严苛环境方面具备多重优势。其紧凑结构使其能轻松嵌入科研设施的核心装置 — 辐射防护舱，或安装在 X 射线束穿透实验样本的研究设备中。机器人配备的高精度定位系统可确保将科研设备精准移动至细至 100 纳米的光束聚焦区域。

Tri-Sphere 机器人不仅定位精准，更具备卓越承重能力，在实现尖端实验所需精度的同时，能快速移动并重新定位重型部件。“该机器人专为重物负载设计，承重能力高达 12,000 磅（约 5440 公斤）。在SLAC 这类国家实验室中对重型部件进行精确定位时，这一特性至关重要。”Square One Systems Design 公司工程总监 Bob Viola 解释道。“其性能表现远胜于那些更适用于工业场景的传统机器人。”

最大限度提升光束利用时长对于承载更多实验至关重要。“像 SLAC 这样的国家实验室实属无价的国家战略资源，每分每秒的光束时间都弥足珍贵。”Bob Viola 强调道，“能在确保精度与可靠性的前提下实现快速轮替，这堪称革命性突破。”

Square One 公司首席控制工程师 Jace Walsh 进一步解释道：“Tri-Sphere 机器人凭借非对称工作空间与软件可调旋转中心，提供了无与伦比的适应性与精准度，使其能灵活适配各类实验场景。这种柔性特性对科研实验至关重要，因为快速精准重置实验装置的能力将直接决定研究成果的成败。”

通过 Tri-Sphere 升级项目，倍福自动化与控制技术已集成至多个实验舱中，使 SLAC 能够在最小停机时间内开展高精度实验。工作人员可通过 Tri-Sphere 直观的前端软件设定新的光束中心、输入配置参数，并调整高度与旋转设置。

SLAC 的机器人系统搭载气垫搬运设备，实现不同实验舱之间的快速进出。Tri-Sphere 还能精准处理精密样品，这亦是其关键优势之一。“该机器人配备真空传输系统，可安全处理各类容器 — 包括具有柔触感表面的精密制品，确保无一受损。”Bob Viola 指出。“这对使用高灵敏度样本材料的实验至关重要。”

赋能科研探索的自动化革新

Tri-Sphere 机器人定位系统的成功，离不开倍福基于 PC 和 EtherCAT 的控制技术的集成。该系统目前采用倍福f CX2033 嵌入式控制器 作为主控制器，依托实时 EtherCAT 通信与高速处理能力，无缝协同处理所有自动化与控制任务。CX2033 通过运行 TwinCAT NC PTP 软件实现运动控制功能。

EtherCAT 技术具备卓越的自动寻址能力，能够实现高度模块化设备的精准自动寻址；同时，它提供丰富多样的布线拓扑选项，能够灵活适配不同的应用场景；此外，单个网络最多可容纳 65,535 个设备，展现出强大的扩展性能，这些特性共同构筑了稳健且可扩展的网络基础设施。此外，结构紧凑的 EtherCAT 端子模块 e可灵活嵌入分布于 Tri-Sphere 机器人各处的紧凑型防护壳体内。这些 EtherCAT 端子模块不仅用于数据采集，还能集成倍福紧凑型驱动技术，包括 EL7041 和 EL7047 步进电机端子模块 以及用于连接支持 BiSS^® C 或 SSI 接口绝对值编码器的 EL5042 双通道接口端子模块。

倍福 TwinSAFE I/O 端子模块与 Safety over EtherCAT（FSoE）技术共同构建了可靠的设备安全功能，该功能与 SLAC 的人员及设备保护系统无缝集成，可实时监测实验舱内的人员状态，并在必要时启动紧急停止程序。“TwinSAFE 技术完美契合这些特殊安全需求，始终确保实验舱的安全出入，并对大功率定位装置实现可靠控制。”Bob Viola 强调道。

Tri-Sphere 系统还满足加利福尼亚州典型的抗震加固要求，确保该系统能抵御地震活动并保持精确位姿。

顶尖科研项目的广阔前景

“当 SLAC 能在工作舱外通过 Tri-Sphere 完成实验工作配置，且无需关闭光束线时，整个进程将大大加快。”Bob Viola 表示，“该系统将 SLAC 实验换型所需的时间从两天缩短至仅 12 小时。”

倍福美国分公司业务拓展部经理 Mathew Garcia 对此深表认同：“Tri-Sphere 项目彰显了 Square One 与倍福协同创新的成果。我们的技术正在助推 SLAC 及其他科研机构提升研究成效与效率，这令人振奋。”正如在 SLAC 的成功实践所证明，Tri-Sphere 系统正助力攻克众多科研领域的关键难题。该系统凭借经实践验证的灵活性与卓越性能，能适应各类高难度测试环境，目前已被部署于多个世界知名实验室，为下一项重大突破保驾护航。