CN217786959U - 一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，包括四轴移动台；设置于四轴移动台上的真空腔体；设置于真空腔体内的倾角转台、面内转台、样品台；所述样品台可转动安装在面内转台上，所述面内转台可转动安装在倾角转台上；采用了压电驱动真空腔体内的样品台和面内转台，倾角转动依然采用机械传动机构，本申请中采用压电驱动和机械驱动混合方式，能够有效提高样品真实面内控制的精度，同时保持整个结构更简洁和紧凑。

Description

一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台

技术领域

本发明属于样品操纵台技术领域，尤其是一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台。

背景技术

在光电子能谱、X射线非弹性散射、中子散射等表征技术中，需要低温样品操纵台用于在真空环境内，将样品的位置及方向在6个自由度上移动至特定的位置，同时可以将样品降低到几开尔文的温度。

此种样品操作台，通常包括XYZP四轴台和中心的低温插杆。XYZP四轴台，由非低温的XYZ三维移动台以及一维极向(Polar)转动台构成。Polar转动采用真空差分转台构成，可以在不影响真空的情况下，实现360°范围的转动。中心的低温插杆，带有2轴转动，即倾角转动(tilt)和面内转动(Azimuth)。当前设计中，2轴转动均采用真空外马达，通过真空旋转导入器，将转动传入到真空内，最终通过多组齿轮组传到样品角度转动。另外，中心低温插杆，采用液氦制冷或氦气冷泵方式，及导热机构，实现样品的低温制冷。

六轴移动除了前面提到的XYZ+Polar四个维度的移动外，还有样品面内转动(Azimuth) 和倾角转动(Tilt)。但是这种转动都在真空环境内部实现。

在现有技术中，后两种转动采用纯机械齿轮传动方式实现，原理图见下图4。

13为样品台，即整个装置样品安装的位置，样品可获得低温环境。12为面内转动台，与样品台13机械连接在一起。面内转台12转动时，可带动样品台13面内转动。面内转动台12安装在倾角转台11上。倾角转台11转动时，会带动面内转台12和样品台13一起转动。

倾角(Tilt)转动，传递过程：真空外马达依次带动第一真空旋转导入器5、第一万向节6、第一转轴7、第一联轴器8、第一齿轮组9转动，由第一齿轮组9带动与倾角转台直接连接的第三齿轮组10转动，最后第三齿轮组10带动倾角转台11转动。在倾角转台11 转动时，面内转台12和样品台13将随着倾角转台11一起转动，实现样品上的倾角Tilt转动。

面内(Azimuth)转动，传递过程：真空外马达依次带动第二真空旋转导入器5a、第二万向节6a、第二转轴7a、第二联轴器8a、第二齿轮组9a转动，由第二齿轮组9a带动第三万向节16转动，第三万向节16随后带动与面内转台直接连接的第四齿轮组10a转动，最后第四齿轮组10a带动面内转台12转动。在面内转台12转动时，样品台13将随着面内转台12一起转动，实现样品上的面内角Azimuth转动。

通常，在面内转动传动机构中比倾角转动传动机构中多了一个传动组件(第三万向节 16)。这个传动组件是为了实现在倾角转动的时候，面内转台能跟着倾角转动移动所必须的一个柔性连接机构。

同时，样品台13通过铜辫子14连接到最低温源1a上，以获得样品台13最低温度。屏蔽罩15连接到次低温源1b上，将低温样品台13及其它部件包裹在次低温环境之内，以实现样品台13获得更有效的低温。面内转台12和倾角转台11直接或通过铜辫子或其它低温转到机构，与次低温源1b相连接。

但是上述设计在倾角转动(tilt)和面内转动(Azimuth)的机构上，采用多组齿轮实现的机械传动导致了精度问题，表现为如下四个个方面：

1)转动精度差：通过多组齿轮传动(9、9a、10、10a)、柔性软轴或万向节(6、6a)、万向节或波纹管(16)等复杂传动机构后，导致样品真实转动精度难以控制。当前技术下，精度最优可达到0.1度。

2)两轴耦合：通过万向节或波纹管等转动设计下，tilt和azimuth两轴转动并非完全独立，而是相互耦合。即tilt转动，会带动azimuth跟随转动，无法固定在原来的位置上。

3)运动不均匀：因为万向节本身在传动比与其角度有关，因此样品在不同tilt角度下， azimuth转动速度不同。同样，严重影响精度。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，采用了压电驱动真空腔体内的样品台和面内转台，倾角转动依然采用机械传动机构，本申请中采用压电驱动和机械驱动混合方式，能够有效提高样品真实面内控制的精度，同时保持整个结构更简洁和紧凑

本发明所采用的技术方案如下：

一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，包括：

四轴移动台；

设置于四轴移动台上的真空腔体；

设置于真空腔体内的倾角转台、面内转台、样品台；所述样品台可转动安装在面内转台上，所述面内转台可转动安装在倾角转台上；所述样品台和面内转台均采用压电驱动，所述倾角转台采用机械驱动；

设置于四轴移动台内的低温插杆，所述低温插杆插入真空腔体内，所述低温插杆的低温源通过热导材料分别连接倾角转台、面内转台。

进一步，所述样品台底部设有样品台转轴，所述面内转台通过绝热件套装在样品台转轴外部；

进一步，所述面内转台配有压电马达电源和压电驱动单元；压电马达电源通过导线连接压电驱动单元。

进一步，所述面内转台两侧对称设置面内转台转轴；

面内转台的压电驱动单元包括固定在面内转台转轴两侧的第一蓝宝石片、第二蓝宝石片；第一蓝宝石片、第二蓝宝石片外部分别设有第一压电陶瓷片组、第二压电陶瓷片组；所述第二压电陶瓷片组固定连接第一压电陶瓷粘贴板，第一弹簧片将第一陶瓷珠压紧在第一压电陶瓷粘贴板上；

进一步，所述倾角转台通过涡轮蜗杆齿轮结构进行机械驱动；倾角转台包括第一部分、第二部分、倾角转台转轴和倾角转台机械驱动单元；第一部分为圆筒状，第一部分套装在面内转台的外部；第一部分的上边沿设有第二部分，第二部分为连接部件，在第二部分的上部装有倾角转台转轴，倾角转台转轴与第一部分之间垂直设置；

所述倾角转台机械驱动单元包括第一涡轮齿轮33、第一蜗杆齿轮34；所述第一涡轮齿轮33设置在第二部分112的外壁上，所述第一蜗杆齿轮34固定连接在导热支架上；所述第一涡轮齿轮33、第一蜗杆齿轮34啮合传动；

进一步，所述倾角转台机械驱动单元与真空旋转导入器、万向节、转轴、齿轮组机械连接驱动。

进一步，在倾角转台上设置电刷。

进一步，所述导热支架、第二压电陶瓷粘贴板、第一压电陶瓷粘贴板、面内转动台、倾角转台、样品台通常为高纯无氧铜材质，并且表面镀金。

进一步，倾角转台转轴上由径向向外依次套装有第二陶瓷轴承和导热支架。

本发明的有益效果：

1)本发明，在真空和低温环境内部，采用1轴压电式步进马达实现面内azimuth转动， 1轴机械传动方式实现倾角tilt转动。该设计下，实现面内转动无真空空旋转导入器、无柔性转轴、无转轴、无联轴器、无多组齿轮传动、无万向节，有效的避免了转动机构动式引入的误差；因此由于本申请的设计中无需通过齿轮、柔性软轴或万向节等传动机构，提高面内转动精度：精度优于0.05度，甚至达到0.01度。同时压电位控制精度高，能够有效提高了样品真实转动控制的精度。

2)无两轴耦合问题：两轴独立运动，无耦合问题，精度进一步提高。

3)运动均匀：尽管仅采用了1轴压电，但两轴已独立运动，在任何位置都是均匀运动。

4)本结构介于2轴机械和2轴压电之间，其结构更为简单，机械稳定性高，长期稳定性高。

附图说明

图1是本申请实现低温和真空环境下6轴运动的结构示意图；

图2是本申请实现低温和真空环境下6轴运动的结构局部示意图；

图3是本申请中面内压电驱动和倾角机械驱动结构局部放大图；

图4是现有纯机械齿轮传动结构示意图。

图中，1、低温插杆，1a、最低温源，1b、次低温源，1c、制冷源及连接杆，1d、刀口法兰，1e、辅助刀口法兰，2、四轴移动台，3、真空腔体，4真空泵组，5、第一真空旋转导入器，5a、第二真空旋转导入器，6、第一万向节，6a、第二万向节，7、第一转轴，7a、第二转轴，8、第一联轴器，8a、第二联轴器，9、第一齿轮组，9a、第二齿轮组，10、第三齿轮组，10a、第四齿轮组，11、倾角转台，111、第一部分，112、第二部分，113、倾角转台转轴，12、面内转台，121、面内转台转轴，13、样品台，131、样品台转轴，14、铜辫子，15、屏蔽罩，16、第三万向节，18、第一导线，18a、第二导线，21、第一绝热件，22、第一陶瓷轴承，第二绝热件23，24、第一蓝宝石片，25、第二蓝宝石片，26、第一压电陶瓷片组，27、第二压电陶瓷片组，28、第一压电陶瓷粘贴板，29、第一陶瓷珠， 30、第一弹簧片，31、第二陶瓷轴承，32、导热支架，33、第一涡轮齿轮，34、第一蜗杆齿轮，39、电刷贴片，40、电刷头，41、可翻转屏蔽罩。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术中存在的问题，本申请设计出了如图1-3所示的一种实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，包括低温插杆1、四轴移动台2、真空腔体3，真空腔体3内部设有倾角转台11、面内转台12、样品台13。

在本申请中采用了压电驱动和机械驱动混合方式，实现真空腔体3内样品转动，即分别针对倾角转台11采用机械驱动，倾角转台11采用传统的涡轮33和蜗杆34传动；面内转台12采用压电驱动，具体地，面内转台12配备压电马达电源17a通过导线18a连接面内转台12，实现对面内转台12的电力驱动。

结合附图3所示的倾角转台11、面内转台12和样品台13之间的装配关系，具体如下：

样品台13底部设有样品台转轴131，面内转台12套装在样品台转轴131外部，面内转台12和样品台转轴131无直接接触，中间留有间隙，从而达到热绝缘。在面内转台12 的两端分别装有第一绝热件21和第二绝热件23；在第一绝热件21的外部、在面内转台12 的上部套装有第一陶瓷轴承22。在本实施例中，第一绝热件21和第二绝热件23可以选择 PEEK材质；且第一绝热件21和第二绝热件23均可以采取螺钉、低温胶粘等方式与样品台转轴131之间固定连接。

沿轴向来看，面内转台12设置在第一绝热件21和第二绝热件23之间，面内转台12的上部开设阶梯孔，用于和上部第一绝热件21的底部配合安装；第二绝热件23外部设计为阶梯状可以支撑面内转台12的底部，同时，面内转台12与第一绝热件21和第二绝热件 23之间还可以通过螺钉或低温胶粘等方式固定组装成整体。

面内转台12两侧对称设置面内转台转轴121，面内转台转轴121的上部依次设置第一蓝宝石片24、第一压电陶瓷片组26，在面内转台转轴121的下部依次设置第二蓝宝石片25、第二压电陶瓷片组27，第二压电陶瓷片组27的底部依次设置第一压电陶瓷粘贴板28、第一陶瓷珠29、第一弹簧片30。更具体地，第一蓝宝石片24、第二蓝宝石片25通过低温胶粘在面内转台转轴121的两侧。第一压电陶瓷片组26的上部通过低温胶粘固定安装在倾角转台11上；第二压电陶瓷片组27通过低温胶粘在第一压电陶瓷粘贴板28上。第一弹簧片30通过螺丝固定在倾角转台11上，将第一陶瓷珠29压在第一压电陶瓷粘贴板28上。通过调节第一弹簧片30和倾角转台11间连接的松紧度，可以调节第一压电陶瓷片组26与第一蓝宝石片24之间的接触压力，以及调节第二压电陶瓷片组27与第二蓝宝石片25、之间的接触压力；选择合适的力度，既满足转台稳定性，也满足压电陶瓷的驱动。

第一压电陶瓷片组26和第二压电陶瓷片组27连接第二导线18a，在电压驱动下，第一压电陶瓷片组26和第二压电陶瓷片组27快速的伸缩。在伸缩的过程中，推动第一蓝宝石片24、第二蓝宝石片25移动。因为第一蓝宝石片24、第二蓝宝石片25、面内转台12、第一绝热件21、第二绝热件23、样品台13、第一陶瓷轴承22相互固定，在第一蓝宝石片24、第二蓝宝石片25转动时，样品台12跟着发生面内转动。

倾角转台11包括第一部分111、第二部分112和倾角转台转轴113。其中，第一部分111为圆筒状，第一部分111套装在面内转台12的外部。第一部分111的上边沿设有第二部分112，第二部分112为连接部件，在第二部分112的上部装有倾角转台转轴113，倾角转台转轴113与第一部分111(或第二部分112)之间垂直设置。

倾角转台转轴113上由径向向外依次套装有第二陶瓷轴承31和导热支架32，第二陶瓷轴承31固定在导热支架32上。在第二部分112的外壁设有涡轮齿轮33和电刷片39。

电刷头40固定在导热支架32上，电刷40与固定在倾角转台11上的电刷片39行程高精度角度测量装置配合，利用电刷40测量Tilt的角度，故可实时获得准确的角度信息。

导热支架32直接安装在低温插杆1的次低温源1b上，或者通过高热导材料连接到此低温源1b上。第一压电陶瓷粘贴板28、面内转动台12、倾角转台11、可翻转屏蔽罩41 均通过铜辫子14或其它高热导结构与次低温源1b直接或间接相连接。

倾角转台机械驱动单元具体可以结合附图4所示，由真空外马达依次带动第二真空旋转导入器5a、第二万向节6a、第二转轴7a、第二联轴器8a、第二齿轮组9a转动，由第二齿轮组9a带动第三万向节16转动，第三万向节16随后带动第一蜗杆齿轮34，由于第一蜗杆齿轮34与第一涡轮齿轮33啮合传动，且第一涡轮齿轮33在第二部分112的外壁上；故带动倾角转台11转动，实现样品上的倾角Tilt转动。

导热支架32、第一压电陶瓷粘贴板28、面内转动台12、倾角转台11、样品台13通常为高纯无氧铜材质，并且表面镀金。以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，包括：

四轴移动台；

设置于四轴移动台上的真空腔体；

设置于真空腔体内的倾角转台、面内转台、样品台；所述样品台可转动安装在面内转台上，所述面内转台可转动安装在倾角转台上；所述样品台和面内转台均采用压电驱动，所述倾角转台采用机械驱动；

设置于四轴移动台内的低温插杆，所述低温插杆插入真空腔体内，所述低温插杆的低温源通过热导材料分别连接倾角转台、面内转台。

2.根据权利要求1所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，所述样品台底部设有样品台转轴，所述面内转台通过绝热件套装在样品台转轴外部。

3.根据权利要求1所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，所述面内转台配有压电马达电源和压电驱动单元；压电马达电源通过导线连接压电驱动单元。

4.根据权利要求3所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，所述面内转台两侧对称设置面内转台转轴；面内转台的压电驱动单元包括固定在面内转台转轴两侧的第一蓝宝石片、第二蓝宝石片；第一蓝宝石片、第二蓝宝石片外部分别设有第一压电陶瓷片组、第二压电陶瓷片组；所述第二压电陶瓷片组固定连接第一压电陶瓷粘贴板，第一弹簧片将第一陶瓷珠压紧在第一压电陶瓷粘贴板上。

5.根据权利要求1所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，所述倾角转台通过涡轮蜗杆齿轮结构进行机械驱动；倾角转台包括第一部分、第二部分、倾角转台转轴和倾角转台机械驱动单元；第一部分为圆筒状，第一部分套装在面内转台的外部；第一部分的上边沿设有第二部分，第二部分为连接部件，在第二部分的上部装有倾角转台转轴，倾角转台转轴与第一部分之间垂直设置；

所述倾角转台机械驱动单元包括第一涡轮齿轮(33)、第一蜗杆齿轮(34)；所述第一涡轮齿轮(33)设置在第二部分(112)的外壁上，所述第一蜗杆齿轮(34)固定连接在导热支架上；所述第一涡轮齿轮(33)、第一蜗杆齿轮(34)啮合传动。

6.根据权利要求5所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，所述倾角转台机械驱动单元与真空旋转导入器、万向节、转轴、齿轮组机械连接驱动。

7.根据权利要求5所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，在倾角转台上设置电刷。

8.根据权利要求5所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，所述导热支架、第二压电陶瓷粘贴板、第一压电陶瓷粘贴板、面内转动台、倾角转台、样品台为高纯无氧铜材质，并且表面镀金。

9.根据权利要求5所述的一种能够实现低温和真空环境下6轴运动的样品操纵台，其特征在于，倾角转台转轴上由径向向外依次套装有第二陶瓷轴承和导热支架。

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