一種超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，包括有的相互配合安裝的云臺旋轉組件、極向旋轉組件和環(huán)向旋轉組件，所述環(huán)向旋轉組件的云臺框架與云臺旋轉組件的旋轉云臺配合安裝，所述極向旋轉組件的極向推動連桿從環(huán)向旋轉組件的環(huán)形旋桿的內部穿過，且極向推動連桿與環(huán)形旋桿配合的末端處安裝有真空容器壁或真空法蘭，所述真空容器法蘭使其左端云臺旋轉組件以及部分極向旋轉組件和環(huán)向旋轉組位于真空環(huán)境內。本發(fā)明結構設計合理，其結構緊湊、占用空間小、精度高，尤其適用于等離子體物理實驗裝置中的診斷設備、光學調整設備、真空鍍膜機內部靶板或樣品臺、以及各類真空和超高真空條件下的高精度多維旋轉機構。
【專利說明】一種超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構
[0001]
【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及一種可在超高真空條件下使用的緊湊型高精度多維旋轉機構，主要應用于精密機械、光學設備、醫(yī)療器械設備、機器人、運動模擬、機械制造、自動化裝配設備、精密加工與測量等領域。尤其適用于等離子體物理實驗裝置中的診斷設備、光學調整設備、真空鍍膜機內部靶板或樣品臺、以及各類真空和超高真空條件下的高精度多維旋轉機構。
【背景技術】
[0003]高真空和超高真空裝置內部的器件高精度多維旋轉運動導入一直是光學、真空設備和等離子體診斷設備領域的一大難題。難點主要體現(xiàn)在真空密封與部件的運動傳遞之間的矛盾，空間自由轉動任意指定角度精度的伺服控制，超高真空條件對室內材料的限制和無油無脂“絕對干凈”的要求，運動精度的保證，以及結構不夠緊湊真空室內部空間占用太大等。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的是為了彌補已有技術的不足，提供了一種超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，該 機構可與各類真空腔體或容器實現(xiàn)超高真空密封安裝以及可精確計算并控制的空間多維角度旋轉，整套機構可分為旋轉云臺、極向旋轉組件和環(huán)向旋轉組件三大部分組成，每套旋轉組件分別由傳動機構和伺服運動系統(tǒng)構成。
[0005]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn)的:
一種超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，包括有的相互配合安裝的云臺旋轉組件、極向旋轉組件和環(huán)向旋轉組件，所述云臺旋轉組件包括有旋轉云臺，所述旋轉云臺的背面安裝有云臺推動塊，旋轉云臺的兩側分別安裝云臺旋轉軸；所述極向旋轉組件包括有安裝到云臺推動塊上的極向推動連桿，所述極向推動連桿的另一端安裝在極向軸承座上，且極向軸承座中轉動安裝有極向推動桿，所述極向推動桿的末端焊接有極向推桿法蘭，所述極向推桿法蘭與極向波紋管組件用無氧銅超高真空密封墊保持密封連接，并與極向運動連接件硬性連接緊固，所述極向運動連接件由其后端的極向直線運動模組驅動；所述環(huán)向旋轉組件包括有云臺框架，所述云臺框架的后端安裝有環(huán)形旋桿，所述環(huán)形旋桿的末端安裝有環(huán)形推桿，所述環(huán)形推桿的末端焊接有環(huán)形推桿法蘭，所述環(huán)形推桿法蘭與環(huán)向波紋管組件用無氧銅超高真空密封墊保持密封連接，并與環(huán)向運動連接件硬性連接緊固，所述環(huán)向運動連接件由其后端的環(huán)向直線運動模組驅動，所述環(huán)形推桿的中部由旋桿支撐組件支撐；所述云臺框架與旋轉云臺配合安裝，所述極向推動連桿從環(huán)形旋桿的內部穿過，且極向推動連桿與環(huán)形旋桿配合的末端處安裝有真空容器壁或真空法蘭，所述真空容器法蘭使其左端云臺旋轉組件以及部分極向旋轉組件和環(huán)向旋轉組位于真空環(huán)境內。
[0006]所述的云臺轉動軸采用緊配合的安裝方式裝配進云臺側面，，云臺轉動軸另一端為安裝陶瓷軸承用的裝配面，末端設計有可用于拆卸云臺轉動軸的螺紋孔；所述陶瓷軸承使用的材料為可在真空環(huán)境下使用的自潤滑陶瓷軸承，優(yōu)先選用氮化硼材料的小游隙軸承，所述極向旋轉軸承采用成對安裝的角接觸球軸承，環(huán)向旋轉軸承采用深溝球軸承。
[0007]所述的極向推動連桿與云臺推動塊用小間隙配合零件連接銷桿安裝連接，極向推動連桿另外一端用連接銷桿與極向軸承座安裝連接，所述極向軸承座下部安裝極向陶瓷軸承，并用軸承擋板限制軸承和極向推動桿的軸向位移；所述的連接銷桿與極向軸承座和極向推動連桿之間以及所有需要連接的連桿之間的配合間隙為0.03—0.04mm ；
所述的云臺框架兩側安裝環(huán)向陶瓷軸承和軸承蓋，軸承內孔安裝云臺旋轉軸，云臺框架在云臺的環(huán)向旋轉軸線處開有安裝孔，安裝推桿滑動墊并由環(huán)向桿連接壓緊，環(huán)向桿連接焊接在環(huán)向旋桿上。
[0008]所述的推桿滑動墊的材料為可在超高真空環(huán)境下使用的自潤滑材料聚四氟乙烯，靠緊配合的安裝方式安裝進云臺框架軸線處安裝孔里，同時內徑與極向推動桿前部間隙配合，所述推桿滑動墊安裝孔與云臺框架兩側軸承安裝孔的垂直度好于0.02mm，兩軸承安裝孔同心度好于0.02_。。
[0009]所述的環(huán)向旋桿為一段空心的不銹鋼管，通過環(huán)向桿連接和云臺框架帶動旋轉云臺做環(huán)向轉動，環(huán)向旋桿的另一端安裝有軸桿支撐墊和軸桿擋圈，軸桿支撐墊為聚四氟乙烯材料，內穿極向推動桿，允許極向推動桿在環(huán)向旋桿內部沿軸向運動而限制其徑向運動。
[0010]所述的環(huán)向旋桿安裝在兩個旋桿支撐組件里，所述的旋桿支撐組件是安裝在真空室內部的兩個支撐組件，通過調整旋桿支撐組件的水平和上下四個位移來調節(jié)位置和方向。
[0011 ] 所述的真空容器法蘭既可以是真空容器上用于安裝多維旋轉平臺的安裝接口，也可以是真空室壁或真空容器壁，所述的真空容器法蘭上必須有一個小型真空盒體并焊接有兩個相互垂直的法蘭，用以密封極向和環(huán)向運動的波紋管組件，且器壁、法蘭、接管、盒體處的焊縫用氦質譜檢漏儀做真空漏率檢測，真空漏率好于lX10_13Pa_m3/S。
[0012]所述的極向直線運動模組和環(huán)形直線運動模組分別包含有伺服電機、減速器、滾珠絲杠副、直線導軌、滾珠滑塊，所述絲杠與直線導軌的平行度好于0.03mm ;所述極向直線運動模組和環(huán)形直線運動模組也可使用集成的直線運動模組產品，集成產品的滑塊重復定位精度好于±0.02mm。
[0013]本發(fā)明的優(yōu)點是:
本發(fā)明結構設計合理，其結構緊湊、占用空間小、精度高，主要應用于精密機械、光學設備、醫(yī)療器械設備、機器人、運動模擬、機械制造、自動化裝配設備、精密加工與測量等領域，尤其適用于等離子體物理實驗裝置中的診斷設備、光學調整設備、真空鍍膜機內部靶板或樣品臺、以及各類真空和超聞真空條件下的聞精度多維旋轉機構。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明可用于超高真空條件下的高精度多維旋轉機構結構示意圖；
圖2是云臺組件的機構示意圖；
圖3是極向旋轉組件結構示意圖；
圖4是環(huán)向旋轉組件結構示意圖； 圖5是環(huán)向旋轉云臺與極向軸承座安裝示意圖；
圖6是云臺極向轉角與絲杠滑塊距離的函數(shù)關系曲線；
圖7是云臺環(huán)向轉角與絲杠滑塊距離的函數(shù)關系曲線；
圖8是實際運動空間角度與輸入的兩個方向角度對應的空間函數(shù)關系曲線。
【具體實施方式】
[0015]參見附圖1，一種超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，包括有超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構包含云臺旋轉組件1，極向旋轉組件2，環(huán)向旋轉組件3，真空容器壁或真空法蘭4。所述的真空法蘭4左邊的部分均位于真空環(huán)境內。
[0016]參見圖2，云臺旋轉組件I包含有旋轉云臺101，背面安裝有云臺推動塊102，兩側安裝云臺旋轉軸103。
[0017]參見圖3，極向旋轉組件2實施方式為:極向推動連桿201安裝到云臺推動塊102上，以推動云臺繞云臺旋轉軸103做極向旋轉運動。極向推動連桿201與云臺推動塊102用小間隙配合零件連接銷桿202安裝連接，極向推動連桿201另外一端用連接銷桿202與極向軸承座203安裝連接。極向軸承座203下部安裝極向陶瓷軸承204，并用軸承擋板205限制軸承和極向推動桿206的軸向位移。這樣，極向推動桿206就可以推動云臺沿極向角旋轉，同時對環(huán)向旋轉組件的其他零件不產生影響。極向推動桿206的末端與極向推桿法蘭208焊接，極向推桿法蘭208與極向波紋管組件207用無氧銅超高真空密封墊保持密封連接，并與極向運動連接件209硬性連接緊固。當輸入運動指令到伺服電機控制器中時，由極向直線運動模組210推動極向運動連接件209和極向推動桿206，再經由極向軸承座203傳遞極向推力到極向推動連桿201,由其推動云臺精確轉動。
[0018]參見圖4和圖5，環(huán)向旋轉組件3包含有云臺框架301，云臺框架301兩側安裝環(huán)向陶瓷軸承302和軸承蓋303，軸承內孔安裝云臺旋轉軸103。云臺框架301在云臺的環(huán)向旋轉軸線處開有安裝孔，安裝推桿滑動墊315并由環(huán)向桿連接304壓緊。所述的推桿滑動墊315材料為可在超高真空環(huán)境下使用的自潤滑材料聚四氟乙烯，靠緊配合的安裝方式安裝進云臺框架301軸線處安裝孔里，同時內徑與極向推動桿206前部間隙配合。環(huán)向桿連接304焊接在環(huán)向旋桿305上，所述的環(huán)向旋桿305為一段空心的不銹鋼管，通過環(huán)向桿連接304和云臺框架301帶動旋轉云臺101做環(huán)向轉動。環(huán)向旋桿304的另一端安裝有軸桿支撐墊307和軸桿擋圈308，軸桿支撐墊307為聚四氟乙烯材料，內穿極向推動桿206，允許極向推動桿206在環(huán)向旋桿305內部沿軸向運動而限制其徑向運動。環(huán)向旋桿305安裝在兩個旋桿支撐組件306里，所述的旋桿支撐組件306是安裝在真空室內部的兩個支撐組件，通過調整旋桿支撐組件306的水平和上下四個位移來調節(jié)位置和方向。旋桿支撐組件306限制了環(huán)向旋桿305的軸向移動和徑向移動，而只允許其能做旋轉運動。環(huán)向旋桿305的末端還安裝有可使其在旋桿支撐組件306里轉動的環(huán)向推動連桿309，后者與環(huán)向推桿310連接，而環(huán)向推桿310焊接在環(huán)向推桿法蘭312上，使用時用無氧銅金屬密封墊密封安裝環(huán)向波紋管組件311到環(huán)向推桿法蘭312上，并與環(huán)向運動連接件313硬性連接。這樣，當環(huán)向直線運動模組314推動環(huán)向運動連接件313的時候即可推動環(huán)向旋桿305做環(huán)向轉動運動，從而帶動云臺框架301和旋轉云臺101進行精確的環(huán)向旋轉運動。
[0019]極向直線運動模組210上的運動滑塊與旋轉云臺101的旋轉角度之間的函數(shù)關系曲線如圖6所示。可以看到，運動滑塊與實際轉角之間近似于線性的關系，而且，相同角度值的前進與后退轉動也都基本對應著相同的滑塊位移增加或較少量。具體實施的時候，由計算機控制程序根據(jù)輸入的具體極向角度數(shù)值，由極向運動轉換方程計算得到極向直線運動模組210上的運動滑塊需要運動的確切數(shù)值，并由伺服控制電機和滾珠絲杠精確控制滑塊運動到需要的位置，此處的直線運動控制精度可到萬分之二毫米，最終的旋轉云臺極向旋轉精度為0.18°。
[0020]參見圖7和圖8，環(huán)向直線運動模組314上的運動滑塊與旋轉云臺101的旋轉角度之間的函數(shù)關系曲線呈現(xiàn)出非常明顯的非線性。粗略來看，在-30°?+40°的范圍內可近似認為是線性的關系。具體實施的時候，由計算機控制程序根據(jù)環(huán)向運動轉換方程，和輸入的需要運動的具體環(huán)向角度數(shù)值，計算得到環(huán)向直線運動模組314上的運動滑塊需要運動的確切數(shù)值，并由伺服控制電機和滾珠絲杠精確控制滑塊運動到需要的位置，滑塊的直線運動控制精度可到萬分之二毫米，最終傳遞到旋轉云臺環(huán)向旋轉精度為0.24°。
[0021]參見圖8，云臺101單純做極向運動的時候對環(huán)向旋轉組件3不造成任何影響，環(huán)向旋桿305和云臺框架301均不會跟著運動，環(huán)向直線運動模組314不需要跟著做相應聯(lián)動。而當云臺101環(huán)向運動的時候,會帶動極向推動連桿201和極向軸承座203跟著一起轉動，但是通過極向陶瓷軸承204吸收環(huán)向運動的受力后，對極向推動桿206不造成影響。也即是云臺101環(huán)向運動的時候，極向推動桿206和極向直線運動模組210可以不需要跟著做被動的聯(lián)動運動。但是，由圖8可以看出，云臺101環(huán)向運動的時候會影響極向角，根據(jù)實際運動情況，需要極向角做一定的補償，詳細補償角度根據(jù)圖8和聯(lián)立方程計算得到，然后由計算機控制程序根據(jù)計算數(shù)值控制云臺做極向實時補償運動。
[0022]實施多維旋轉運動時，當計算好各自需要轉動的角度后，環(huán)向運動電機與極向運動電機的控制無論哪個先哪個后，抑或是兩個電機一起運動，云臺的最終空間旋轉角度都是一樣的。
【權利要求】
1.一種超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，包括有的相互配合安裝的云臺旋轉組件、極向旋轉組件和環(huán)向旋轉組件，所述云臺旋轉組件包括有旋轉云臺，所述旋轉云臺的背面安裝有云臺推動塊，旋轉云臺的兩側分別安裝云臺旋轉軸；所述極向旋轉組件包括有安裝到云臺推動塊上的極向推動連桿，所述極向推動連桿的另一端安裝在極向軸承座上，且極向軸承座中轉動安裝有極向推動桿，所述極向推動桿的末端焊接有極向推桿法蘭，所述極向推桿法蘭與極向波紋管組件用無氧銅超高真空密封墊保持密封連接，并與極向運動連接件硬性連接緊固，所述極向運動連接件由其后端的極向直線運動模組驅動；所述環(huán)向旋轉組件包括有云臺框架，所述云臺框架的后端安裝有環(huán)形旋桿，所述環(huán)形旋桿的末端安裝有環(huán)形推桿，所述環(huán)形推桿的末端焊接有環(huán)形推桿法蘭，所述環(huán)形推桿法蘭與環(huán)向波紋管組件用無氧銅超高真空密封墊保持密封連接，并與環(huán)向運動連接件硬性連接緊固，所述環(huán)向運動連接件由其后端的環(huán)向直線運動模組驅動，所述環(huán)形推桿的中部由旋桿支撐組件支撐；所述云臺框架與旋轉云臺配合安裝，所述極向推動連桿從環(huán)形旋桿的內部穿過，且極向推動連桿與環(huán)形旋桿配合的末端處安裝有真空容器壁或真空法蘭，所述真空容器法蘭使其左端云臺旋轉組件以及部分極向旋轉組件和環(huán)向旋轉組位于真空環(huán)境內。
2.根據(jù)權利要求1所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的云臺轉動軸采用緊配合的安裝方式裝配進云臺側面，，云臺轉動軸另一端為安裝陶瓷軸承用的裝配面，末端設計有可用于拆卸云臺轉動軸的螺紋孔；所述陶瓷軸承使用的材料為可在真空環(huán)境下使用的自潤滑陶瓷軸承，優(yōu)先選用氮化硼材料的小游隙軸承，所述極向旋轉軸承采用成對安裝的角接觸球軸承，環(huán)向旋轉軸承采用深溝球軸承。
3.根據(jù)權利要求1所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的極向推動連桿與云臺推動塊用小間隙配合零件連接銷桿安裝連接，極向推動連桿另外一端用連接銷桿與極向軸承座安裝連接，所述極向軸承座下部安裝極向陶瓷軸承，并用軸承擋板限制軸承和 極向推動桿的軸向位移；所述的連接銷桿與極向軸承座和極向推動連桿之間以及所有需要連接的連桿之間的配合間隙為0.03—0.04_。
4.根據(jù)權利要求1所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的云臺框架兩側安裝環(huán)向陶瓷軸承和軸承蓋，軸承內孔安裝云臺旋轉軸，云臺框架在云臺的環(huán)向旋轉軸線處開有安裝孔，安裝推桿滑動墊并由環(huán)向桿連接壓緊，環(huán)向桿連接焊接在環(huán)向旋桿上。
5.根據(jù)權利要求4所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的推桿滑動墊的材料為可在超高真空環(huán)境下使用的自潤滑材料聚四氟乙烯，靠緊配合的安裝方式安裝進云臺框架軸線處安裝孔里，同時內徑與極向推動桿前部間隙配合，所述推桿滑動墊安裝孔與云臺框架兩側軸承安裝孔的垂直度好于0.02mm，兩軸承安裝孔同心度好于0.02_。
6.根據(jù)權利要求4所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的環(huán)向旋桿為一段空心的不銹鋼管，通過環(huán)向桿連接和云臺框架帶動旋轉云臺做環(huán)向轉動，環(huán)向旋桿的另一端安裝有軸桿支撐墊和軸桿擋圈，軸桿支撐墊為聚四氟乙烯材料，內穿極向推動桿，允許極向推動桿在環(huán)向旋桿內部沿軸向運動而限制其徑向運動。
7.根據(jù)權利要求1所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的環(huán)向旋桿安裝在兩個旋桿支撐組件里，所述的旋桿支撐組件是安裝在真空室內部的兩個支撐組件，通過調整旋桿支撐組件的水平和上下四個位移來調節(jié)位置和方向。
8.根據(jù)權利要求1所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的真空容器法蘭既可以是真空容器上用于安裝多維旋轉平臺的安裝接口，也可以是真空室壁或真空容器壁，所述的真空容器法蘭上必須有一個小型真空盒體并焊接有兩個相互垂直的法蘭，用以密封極向和環(huán)向運動的波紋管組件，且器壁、法蘭、接管、盒體處的焊縫用氦質譜檢漏儀做真空漏率檢測，真空漏率好于lX10_13Pa_m3/S。
9.根據(jù)權利要求1所述的超高真空環(huán)境下緊湊型高精度多維旋轉機構，其特征在于:所述的極向直線運動模組和環(huán)形直線運動模組分別包含有伺服電機、減速器、滾珠絲杠副、直線導軌、滾珠滑塊，所述絲杠與直線導軌的平行度好于0.03mm ;所述極向直線運動模組和環(huán)形直線運動模組也 可使用集成的直線運動模組產品，集成產品的滑塊重復定位精度好于 ±0.02mmo
【文檔編號】F16M11/12GK103982758SQ201410187093
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月5日 優(yōu)先權日:2014年5月5日
【發(fā)明者】李波, 王曉潔, 吳杰峰, 劉甫坤, 宋春 申請人:合肥聚能電物理高技術開發(fā)有限公司