CN103419205B - 一种抓取和释放样品托的真空机械手 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种抓取和释放样品托(14)的真空机械手，包括夹持装置(9)、传送杆(10)和驱动装置(11)。驱动装置(11)安装在传送杆(10)的一端并驱动其旋转和沿旋转轴线方向直线移动，夹持装置(9)安装在传送杆(10)的另一端，样品托(14)具有向外延伸的包括柄头(16)和柄颈(17)的把柄(15)。其中，夹持装置(9)包括外套筒(2)，可旋转地设于外套筒(2)内的夹持轴(3)，部分进入容槽(13)内的偏压机构(22)，以及设于夹持轴(3)内并能够使夹持轴(3)旋转定位的定位机构(18)；在外套筒(2)旋转至第一相对位置时，限位开口(12)与容槽(13)相对准，从而允许柄头(16)的进出；在限位开口(12)与容槽(13)相对错开的第二相对位置，柄头(16)不能进入或退出容槽(13)。这种结构的真空机械手简化了机械手结构，降低了制造成本，而且增强了可靠性，延长了传递距离。

Description

一种抓取和释放样品托的真空机械手

技术领域

本发明涉及真空仪器，特别涉及一种抓取和释放样品托的真空机械手。

背景技术

在利用真空环境进行的科学研究和工业生产中，人们经常采用真空腔体并通过其内安装的机械装置控制和观察真空腔中的物品。为进行一些生产和实验，人们需要在不破坏真空腔体真空度的前提下利用机械装置对真空内的物品进行抓取、释放和传递。在一些真空内进行的生产和实验中，例如一种表面物理领域的实验，通常采用一种具有国际上通用的特定形状的样品托来放置样品。这种样品托通常大致呈正方形，正方形的一边具有把柄，把柄具有柄头和较窄的柄颈。对样品托进行抓取、释放和传递是在有关实验和生产中经常应用的一种基本操作。

现有的真空机械装置中能够抓取、释放和传递样品托的装置包括摇摆机械手，例如中国实用新型专利CN201410663Y中公开的“超高真空机械手”，其包括多个波纹管，利用波纹管的密封与弹性兼备的特性使机械手能够摇摆、伸缩从而实现传递，并通过铰接抓手实现抓取和释放。但是这种摇摆机械手的活动自由度有限，传递距离短。由于过多使用薄壁零件波纹管，一旦失效或破裂便会导致系统漏气，真空度降低，使得这种机械手的结构复杂而可靠性不足。此外，这种机械手的制造成本较高。

另外，一些真空机械装置例如磁力传送杆可以控制一根真空中的传送杆进行沿轴向的直线运动和绕轴的旋转运动，从而对真空内的物品进行传递。中国实用新型专利CN201398162Y公开的“磁结合直线旋转驱动器”就是磁力传送杆的一个示例，这种驱动器利用分别设置在大气侧与真空侧的两组相互吸引的磁体进行传动。这种真空机械装置通常传递距离长，结构简单，可靠性良好并且制造成本较低，但是不能抓取和释放物品，应用范围较窄。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种机械手，该机械手结构简单，运动范围大，能作直线运动和绕轴的旋转运动，可对真空内具有特定形状的样品托进行抓取和释放。

为实现上述目的，本发明提供一种抓取和释放样品托的真空机械手，包括夹持装置、传送杆和驱动装置。驱动装置安装在传送杆的一端并驱动传送杆旋转和沿旋转轴线方向直线移动。夹持装置安装在传送杆的另一端。样品托具有向外延伸的把柄，该把柄具有柄头和柄颈。其中，夹持装置包括：外套筒，该外套筒在一端固定连接传送杆并在另一端具有在特定角位让柄头通过的限位开口；可相对外套筒旋转地设于外套筒内的夹持轴，该夹持轴具有与限位开口连通并与柄头大致互补的容槽；至少一部分进入容槽内的偏压机构，该偏压机构用于顶压进入容槽的柄头；设于夹持轴内并能够使夹持轴相对外套筒定位的定位机构；在外套筒相对夹持轴旋转至第一相对位置时，所述限位开口与容槽相对准，从而允许柄头的进出；在所述限位开口与容槽相对错开的第二相对位置，该柄头不能进入或退出容槽。

根据本发明的一个方案，这种真空机械手的定位机构包括位于夹持轴的径向孔中的定位弹簧，以及抵靠在定位弹簧末端的至少一个定位球。定位球在一侧抵靠定位弹簧并在另一侧抵靠在外套筒内，并且能够在外套筒相对夹持轴旋转时滑动或滚动。外套筒内部形成有定位坑。在夹持轴相对外套筒旋转至第一相对位置和第二相对位置时定位球卡入定位坑内。

根据本发明的一个方案，这种真空机械手的夹持轴的径向孔为通孔。定位机构包括两个分别置于定位弹簧两端的定位球。这种两端锁定结构使夹持轴的受力更加平衡，进而使得定位机构对于夹持轴的定位更加稳定和准确。

根据本发明的一个方案，这种真空机械手的该外套筒在柄头进入容槽后旋转时，在力的作用下样品托克服定位弹簧的弹力并阻止夹持轴跟随外套筒旋转。例如，外套筒旋转时这一力来自固定在真空腔中用于放置样品托的样品架的反作用力，其形成有与样品托形状配合的格子，使得样品托只能从其中抽出而不能在其中自由转动。当然，其它的外力也是可以想到的，例如另一样品托固定装置的夹持力，或者在大气环境中直接用手来限制样品托旋转时所提供的力。

优选地，柄头呈扁平状，从而使限位开口被构造成与柄头形状配合的扁平开口，容槽被构造成柄头形状配合的扁平槽。

根据本发明的一个方案，这种真空机械手的夹持轴相对外套筒旋转的旋转轴线始终经过限位开口连通容槽的部分。这使得在抓取过程中，夹持轴将样品托夹持在其轴心位置处。

根据本发明的一个方案，这种机械手的外套筒在限位开口附近的内壁具有止挡部。柄头在靠近柄颈的一侧具有肩台。偏压机构包括一端伸进容槽的顶压弹簧以及设于顶压弹簧未伸进容槽的一端的顶靠螺杆。

根据本发明的一个方案，这种真空机械手的顶压弹簧与顶靠螺杆设于夹持轴内的轴向孔中。轴向孔在一端与容槽部分地重合并在另一端的内壁上具有与顶靠螺杆配合的螺纹。旋动顶靠螺杆能够使顶压弹簧移动从而调节顶压弹簧顶压在把柄上的弹力。在抓取样品托时，肩台通过弹力抵靠在止挡部上。

优选地，这种机械手的夹持轴与外套筒通过轴承连接，从而减小夹持轴相对外套筒旋转时的摩擦力。

通过采用以上方案，本发明提供的抓取和释放样品托的真空机械手具有如下技术效果：

根据本发明的机械手仅需控制传送杆沿轴线方向的直线运动和绕轴的旋转运动就能实现样品托的抓取、释放，并通过控制传送杆的直线运动实现样品托的传递。这在很大程度上简化了满足这一操作要求的真空机械手结构，降低了制造成本，并且使得操作更加方便。

根据本发明的机械手所有接触真空的零件都是强度较高的厚壁零件，无需通过例如波纹管等脆弱的薄壁零件实现密封。这提高了机械手的可靠性，延长了使用寿命，有利于长时间维持真空环境以便进行有关的生产和实验。

根据本发明的机械手由于包含能够进行长程传递的真空机械装置，因此可以实现更长距离的传递，并且应用范围更广。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，同样的附图标记表示相同或类似的结构或构件，其中：

图1是根据本发明一实施例的机械手的整体示意图。

图2是根据本发明一实施例的机械手的夹持装置的剖视图。

图3是适用于本发明一实施例的样品托的示意图。

图4a是根据本发明一实施例的夹持轴在第一相对位置(释放)时的剖视图。

图4b是根据本发明一实施例的夹持轴在第二相对位置(抓取)时的剖视图。

具体实施方式

总体上，本发明提供一种抓取和释放样品托14的真空机械手，包括夹持装置9、传送杆10和驱动装置11。驱动装置11安装在传送杆10的一端，并能够驱动传送杆10旋转和沿旋转轴线方向直线移动。夹持装置9安装在传送杆10的另一端。样品托14具有向外延伸的把柄15，该把柄15具有柄头16和柄颈17。其中，夹持装置9包括：外套筒2，该外套筒2在一端固定连接传送杆10并在另一端具有在特定角位让柄头16通过的限位开口12；可相对外套筒2旋转地设于外套筒2内的夹持轴3，夹持轴3具有与限位开口12连通并与柄头16大致互补的容槽13；至少有一部分进入容槽13内的偏压机构22，偏压机构22用于顶压进入容槽13的柄头16；以及设于夹持轴3内并能够使夹持轴3相对外套筒2定位的定位机构18。在外套筒2相对夹持轴3旋转至第一相对位置时，限位开口12与容槽13相对准，从而允许柄头16的进出；在限位开口12与容槽13相对错开的第二相对位置，柄头16不能进入或退出容槽13。

图1示出了根据本发明一具体实施例的抓取和释放样品托14的真空机械手。在本实施例中，夹持装置9通过细长的传送杆10与磁力驱动装置连接，该磁力驱动装置通过设于真空侧与大气侧的磁体之间的相互吸引，实现扭力和推力的传动。磁力驱动装置通过真空法兰23与真空腔(未示出)连接，使传送杆10的至少一部分及夹持装置9伸入真空腔内。磁体驱动装置在真空腔外部设有套装在该装置上的操纵把手，转动该操纵把手可以使传送杆10转动，向前或向后推动该操纵把手可以使传送杆10轴向移动，以此实现对真空腔内部物品的操作和控制。本实施例中的夹持装置9的外部形状大致呈阶梯回转轴结构，其回转轴线与传送杆10的旋转轴线重合。可以理解的是，本发明的夹持装置9可以具有各种外部形状，例如非回转形状。

虽然在本实施例中的用于传送杆10的驱动装置11是磁力驱动装置，但是本发明的驱动装置11并不限于依靠磁力实现大气侧与真空侧之间的传动。其它能够在大气侧控制驱动真空侧的传送杆10进行旋转和沿旋转轴线的直线运动的驱动装置，例如气动驱动装置、液压驱动装置等都是可能的。

图2示出了根据本发明一具体实施例的真空机械手的夹持装置9。在本实施例中，夹持装置9通过固定接头1固定套接传送杆10从而与传送杆10固定连接，固定套接的方式可以是螺纹连接、铆接、热膨胀连接等。固定接头1在另一端固定连接夹持装置的外套筒2，固定方式同样也可以是螺纹连接、铆接、热膨胀连接等。借此，外套筒2可以随传送杆10转动或直线移动。外套筒在远离传送杆的一端具有限位开口。优选地，外套筒的限位开口位于外套筒端面上的中心位置。

本实施例中的夹持轴3优选地通过轴承4安装在外套筒2内，并且与外套筒2同心设置。可以理解的是，夹持轴3其它的安装方式也是可能的，例如偏心地安装在该外套筒2内。轴承4有利于减少夹持轴3与外套筒2之间的滑动摩擦，但是本发明也可以不设置轴承4，例如使夹持轴3与外套筒2直接通过凸缘与环槽的滑动配合连接。如此一来，夹持轴3可以相对外套筒2自由转动，从而可以随传送杆10直线移动而不随传送杆10转动。本实施例的夹持轴3大致呈阶梯轴的形状，轴承4套装在横截面突变处的较细一侧的轴上，并且在远离传送杆10的一端(即图中的左端)具有容槽13。容槽13与外套筒2的限位开口12连通。夹持轴3内部具有轴向孔和径向孔，该轴向孔与该夹持轴3同轴设置，该径向孔的轴线与夹持轴3的旋转轴线垂直并相交。

如图所示，本实施例的偏压机构22优选地设置在在轴向孔内，并且从左至右依次包括顶压弹簧7和顶靠螺杆8。顶靠螺杆8与轴向孔部分内壁上的螺纹配合，从而实现相对该夹持轴3的轴向移动。顶靠螺杆8的左端顶靠顶压弹簧7的右端，顶压弹簧7的左端伸进夹持轴3的容槽13中。旋动该顶靠螺杆8使其向左移动时，顶压弹簧7随之向左移动，其左端伸入容槽13中的长度更长，从而对进入容槽13的样品托14的把柄15产生更大的弹力。反之，旋动该顶靠螺杆8使其向右移动时，顶压弹簧7随之向右移动，其左端伸入容槽13中的长度更短，从而对进入容槽13的样品托14的把柄15产生的弹力更小。虽然本实施例示出了一种偏压机构22的示例，但是本领域普通技术人员可以理解，还可以通过其它方式实现在抓取后压紧把柄15，例如在容槽13内的弹簧片装置，使把柄15在进入容槽13后被该弹簧片装置的弹簧片压紧。

本实施例的定位机构18优选地设置在夹持轴3的径向孔内，定位机构18包括定位弹簧18和定位球6。定位球6设置在定位弹簧18的两端，并受到来自定位弹簧5的弹力而被抵靠在外套筒2内部结构上。由于径向孔与夹持轴3的旋转轴线相垂直，所以两定位球6在外套筒2内部的运动轨迹是重合的。定位坑见图4b设置在定位球6的滚动轨迹上。虽然图中所示的定位坑21设置在固定接头1延伸进入外套筒2部分的内壁上，但可以想到的是，在固定接头1未延伸至该轨迹处的情况下，定位坑21也可以设置在外套筒2的内壁上。定位球6滚动卡入定位坑21内后，通过对径向孔孔壁的作用力产生对夹持轴3转动的阻力。优选地，该阻力能使夹持轴3不会发生自发的转动即可，即能够克服夹持轴3在工作状态下因重心不平衡而产生的力矩即可。这有利于再次转动夹持轴3时较为容易。

如图3所示，根据本发明一具体实施例的机械手所适用的样品托14大致呈正方形，把柄15优选地设置在该正方形的一条边的中间位置上。在图中，把柄15位于样品托14的上侧，该把柄15从下至上依次包括柄颈17和柄头16。柄头16大致呈正方形，柄颈17的宽度小于柄头16，大致为柄头16正方形边长的三分之一。柄头16在连接柄颈17的一边具有两个肩台19，分别位于柄颈17的两侧。柄头16的厚度(垂直于纸面方向的长度)与柄颈17的宽度大致相等。可以理解的是，把柄15可以具有多种不同的形状，只要具有收窄的柄颈17部分，各种形式的把柄15都可以适用于本发明。

为便于描述，本说明书将本发明的作用对象限定为样品托14。但是，本领域普通技术人员能够想到，该样品托14应作广义理解，即任何带有包括柄颈17和柄头16的把柄15或类似结构的物品都可以作为本发明的机械手的操作对象。例如，本发明也可以对在一侧固设有类似把柄的瓶子，或者在顶部具有类似把柄的砝码进行抓取、释放和传递。

图4a和图4b示出了根据本发明一具体实施例的机械手在分别在抓取和释放状态下的剖视图，两幅图中的夹持轴3此时受定位机构18的作用都被锁定在外套筒2中，分别定义两幅图中的夹持轴相对外套筒2的位置为第一相对位置和第二相对位置。在本实施例中，夹持轴3从第一相对位置开始旋转90度之后即来到第二相对位置。结合两幅视图可以看出，限位开口12在传送杆10旋转轴线方向投影的形状大致呈长方形，该长方形的长度略大于正方形柄头16的边长或该柄头16的宽度，该长方形的宽度略大于柄颈17的宽度或该柄头16的厚度。靠近该长方形的限位开口12长边的外套筒2内壁定义为止挡部20。本实施例中，容槽13在传送杆10旋转轴线方向投影的形状与该限位开口12的形状大致相同，也大致呈长方形。

在图4a所示的释放状态下，限位开口12与容槽13相对准，夹持轴位于第一相对位置。通过操纵驱动装置11沿轴向(向左)推进传送杆10，放置在样品架(未示出)上的样品托14可以经由限位开口12让其把柄15进入容槽13中，直到柄头16的肩台19越过外套筒2内壁。此时的柄头15受到来自偏压机构22的压力，在本实施例中，即受到直接来自顶压弹簧7的压力。然后，转动驱动装置11，使传送杆10转动，从而带动外套筒2转动。由于此时样品托14仍放置在样品架上，样品托14不能旋转只能抽出，所以样品托14的把柄15对其形状相配合的容槽13具有止挡作用，从而使得夹持轴3克服定位机构18的弹力而产生相对于外套筒2的旋转。直到转动90度，来到如图4b所示的第二相对位置，定位机构18再次将夹持轴3的相对位置固定。

在图4b所示的抓取状态下，夹持轴位于第二相对位置。此时容槽13与限位开口12相对错开，二者连通的通道截面的形状和大小发生改变，使得柄头16不能离开容槽13。在未插入柄头16时，容槽13与限位开口12的相对错开将使柄头16无法进入容槽13。沿轴向向右推出传送杆10，将样品托14从样品架上取出，此时把柄15的肩台19由于偏压机构22的作用抵靠在止挡部20上。这样一来，样品托14的把柄15被固定在了容槽13内，样品托14即被夹持装置9夹持。从样品架上取出样品托14后，该机械手就可以通过操纵驱动装置11在真空腔内沿传送杆10的旋转轴线方向传递样品托14。

可以理解的是，虽然本实施例的第一相对位置和第二相对位置间隔90度，然而，只要能够改变限位开口12与容槽13之间的连通面积，根据本发明的夹持轴3与外套筒2之间的相对位置还可以具有其它形式，例如间隔45°。

在实际操作时，传送杆10可以连接到样品装卸腔上，这样人们可以手动将样品托14的把柄插入到机械手的夹持装置9内，旋转驱动装置11，使夹持装置9处于图4b的抓取状态。然后再封上样品装卸腔，在很短的时间内将较小的样品装卸腔抽到高真空。然后，打开样品装卸腔和主真空腔间的连接，操作驱动装置11例如磁力驱动装置将样品托14插入到样品架内。然后旋转传送杆10，使夹持装置9到达图4a的释放状态，这时可以后退传送杆，完成样品托从大气内向真空腔内的传递。如果还有其它操作的需要，人们可以推进传送杆10，重新把样品托14插入到夹持装置9内，然后旋转传送杆10，抓取样品托14。这时可以进行真空内长距离传递，还可以进一步把样品托14退入到样品装卸腔内，封住样品装卸腔和主真空腔间的连接，打开样品装卸腔，手工把样品托14从夹持装置9上取下，完成样品托14从真空侧向大气侧的传递。

尽管以上对本发明的具体实施例的结构、特征和位置作出了详细描述，但是这些描述仅能够起解释说明本发明的作用，不得被解释为限制本发明。本领域普通技术人员在本发明的精神下对本发明做出的任何显而易见的改进和变化都是可能的，并且这些改进和变化都没有超出本发明的保护范围。本发明的保护范围仅由所附权利要求书确定。

Claims (9)

1.一种抓取和释放样品托(14)的真空机械手，包括夹持装置(9)、传送杆(10)和驱动装置(11)，所述驱动装置(11)安装在所述传送杆(10)的一端并驱动所述传送杆(10)旋转和沿旋转轴线方向直线移动，所述夹持装置(9)安装在所述传送杆(10)的另一端，所述样品托(14)具有向外延伸的把柄(15)，所述把柄(15)具有柄头(16)和柄颈(17)，其特征是，所述夹持装置(9)包括外套筒(2)，所述外套筒(2)在一端固定连接所述传送杆(10)并在另一端具有在特定角位让柄头(16)通过的限位开口(12)；可相对所述外套筒(2)旋转地设于所述外套筒(2)内的夹持轴(3)，所述夹持轴(3)具有与所述限位开口(12)连通并与所述柄头(16)大致互补的容槽(13)；至少有一部分进入所述容槽(13)内的偏压机构(22)，所述偏压机构(22)用于顶压进入所述容槽(13)的所述柄头(16)；以及设于所述夹持轴(3)内并能够使所述夹持轴(3)相对所述外套筒(2)定位的定位机构(18)；在所述外套筒(2)相对所述夹持轴(3)旋转至第一相对位置时，所述限位开口(12)与容槽(13)相对准，从而允许所述柄头(16)的进出；在所述限位开口(12)与容槽(13)相对错开的第二相对位置，所述柄头(16)不能进入或退出所述容槽(13)。

2.根据权利要求1所述的真空机械手，其特征是，所述定位机构(18)包括位于夹持轴(3)的径向孔中的定位弹簧(5)和抵靠在所述定位弹簧(5)末端的至少一个定位球(6)，所述定位球(6)在一侧抵靠所述定位弹簧(5)并在另一侧抵靠在所述外套筒(2)内并且能够在所述外套筒(2)相对所述夹持轴(3)旋转时滑动或滚动，所述外套筒(2)内部形成有定位坑(21)，在所述夹持轴(3)相对所述外套筒(2)旋转至所述第一相对位置和所述第二相对位置时所述定位球(6)卡入所述定位坑(21)内。

3.根据权利要求2所述的真空机械手，其特征是，所述夹持轴(3)的径向孔为通孔，所述定位机构(18)包括两个分别置于所述定位弹簧(5)的两端的所述定位球(6)以实现稳定的定位。

4.根据权利要求2或3所述的真空机械手，其特征是，所述外套筒(2)在所述柄头(16)进入所述容槽(13)后旋转时，在力的作用下所述样品托(14)克服所述定位弹簧(5)的弹力并阻止所述夹持轴(3)跟随所述外套筒(2)旋转。

5.根据权利要求1所述的真空机械手，其特征是，所述柄头(16)呈扁平状，所述限位开口(12)被构造成与所述柄头(16)形状配合的扁平开口，所述容槽(13)被构造成所述柄头(16)形状配合的扁平槽。

6.根据权利要求1或5所述的真空机械手，其特征是，所述夹持轴(3)相对所述外套筒(2)旋转的旋转轴线始终经过所述限位开口(12)连通所述容槽(13)的部分。

7.根据权利要求1或2所述的真空机械手，其特征是，所述外套筒(2)在所述限位开口(12)附近的内壁上具有止挡部(20)，所述柄头(16)在靠近所述柄颈(17)的一侧具有肩台(19)，所述偏压机构(22)包括一端伸进所述容槽(13)的顶压弹簧(7)以及设于所述顶压弹簧(7)未伸进所述容槽(13)的一端的顶靠螺杆(8)。

8.根据权利要求7所述的真空机械手，其特征是，所述顶压弹簧(7)与所述顶靠螺杆(8)设于夹持轴(3)内的轴向孔中，所述轴向孔在一端与所述容槽(13)部分地重合并在另一端的内壁上具有与所述顶靠螺杆(8)配合的螺纹，旋动所述顶靠螺杆(8)能够使所述顶压弹簧(7)移动从而调节所述顶压弹簧(7)顶压在所述把柄(15)上的弹力，在抓取所述样品托(14)时所述肩台(19)在该弹力的作用下抵靠所述止挡部(20)。

9.根据权利要求1或2所述的真空机械手，其特征是，所述夹持轴(3)与所述外套筒(2)通过轴承(4)相连接以减小所述夹持轴(3)相对所述外套筒(2)旋转时的摩擦力。