DE102017100282B4

DE102017100282B4 - Spindeltrieb zum Bewegen von Objekten in einer Hochvakuum-Umgebung

Info

Publication number: DE102017100282B4
Application number: DE102017100282.0A
Authority: DE
Inventors: Frank Günther
Original assignee: Systamatec GmbH
Current assignee: Systamatec GmbH
Priority date: 2017-01-09
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2024-03-21
Anticipated expiration: 2037-01-10
Also published as: DE102017100282A1

Abstract

Spindeltrieb zum Bewegen von Objekten in einer Ultrahochvakuum-Umgebung, umfassend einen Schrittmotor (1), eine von dem Schrittmotor angetriebene Gewindespindel (2), einen von der Gewindespindel bewegten Schlitten (3) mit einer Führung (4), wobei die Gewindespindel (2) und mindestens eine mit der Gewindespindel zusammenwirkende Mutter (5) des Schlittens eine Dünnchrombeschichtung mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 20 µm aufweisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spindeltrieb zum Bewegen von Objekten in einer Ultrahochvakuum-Umgebung nach Anspruch 1.
Für die Beschichtung oder die prozesstechnische Bearbeitung von Werkstücken unter den Bedingungen eines Ultrahochvakuums (UHV) wird zunehmend ein dynamisches Verhalten in Verbindung mit einer hohen Genauigkeit, Energieeffizienz, kleinen Bauräumen, geringen Gewichten, einer hohen Positioniergenauigkeit bei exakten Fahrprofilen sowie ein Schutz der Prozessräume und der Aktorik zur Lebensdauererhöhung gefordert.
Bei den derzeit gebräuchlichen Systemen kommen zunehmend Linearmotoren zur Anwendung, um im Ultrahochvakuum vorbestimmte Verfahr- und Prozesswege ohne Einschränkung abbilden zu können. Derartige Systeme sind deshalb in Gebrauch, um den Prozessbereich im Ultrahochvakuum frei von Partikeln aus ausgasenden Elementen sowie auch von Betriebsstoffen wie Schmiermittel zu halten. Die Realisierung dieser Anforderungen werden allerdings durch eine eingeschränkte physikalische Leistungsfähigkeit in Verbindung mit einem vergleichsweise hohen Energieaufwand, einem hohen Gewicht, immer größeren Bauräumen sowie nicht unbeträchtlichen Kosten erkauft, die notwendig sind, um bei derartigen Linearantrieben Fahrprofile und Positionsgenauigkeiten möglichst exakt einhalten zu können.
Die US 7,188,542 B2 offenbart ein Gerät für eine lineare Bewegung, eine Rollvorrichtung und einen Separator für eine Rollvorrichtung. Die Druckschrift lehrt eine Kugelrollspindel, bei der Kugeln für eine Reibungsminderung des Spindeltriebs vorgesehen sind.
Es ergibt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zum Bewegen von Objekten unter Ultrahochvakuum-Bedingungen anzugeben, mit der eine im Vergleich zu den derzeit bekannten Linearantrieben kostengünstigere und im Masse-Leistungsverhältnis verbesserte Positionierung möglich ist.
Die Aufgabe wird mit einem Spindeltrieb zum Bewegen von Objekten in einer Ultrahochvakuum-Umgebung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche beinhalten zweckmäßige und/oder vorteilhafte Ausführungsformen.
Erfindungsgemäß umfasst der Spindeltrieb zum Bewegen von Objekten in einer Ultrahochvakuum-Umgebung einen Schrittmotor, eine von dem Schrittmotor angetriebene Gewindespindel, einen von der Gewindespindel bewegten Schlitten mit einer Führung, wobei die Gewindespindel und mindestens eine mit der Gewindespindel zusammenwirkende Mutter des Schlittens eine Dünnchrombeschichtung mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 20 µm aufweisen.
Bei einer Ausführungsform ist die mindestens eine mit der Gewindespindel zusammenwirkende Mutter des Gewindetriebes über eine Vorspannfeder vorgespannt, wobei die Vorspannfeder innerhalb eines über eine Dichtvorrichtung gegenüber der Ultrahochvakuumumgebung abgedichteten Vorspanngehäuses angeordnet ist. Durch die Vorspannfeder wird ein die Positionsgenauigkeit negativ beeinflussendes Gewindespiel ausgeschlossen, während das Vorspanngehäuse eine erste Verkapselung der im Spindeltrieb reibenden Gewindekomponenten gegenüber der Ultrahochvakuumumgebung bildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist in dem Vorspanngehäuse ein Schmierkanal zum bedarfsweisen Zuführen eines Schmiermittels in das Innere des Vorspanngehäuses vorgesehen. Über den Schmierkanal können dosierte, hinreichend kleine Schmiermittelmengen zugeführt werden, wobei hierdurch eine Kontrolle über die Schmierung möglich ist und eine Verunreinigung des Ultrahochvakuums vermieden wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Schrittmotor mit der Gewindespindel über einen Motorwellenflansch gelagert, wobei der Motorwellenflansch ein Festlager aufweist.
Bei einer Ausführungsform ist eine Bandführung vorgesehen, welche dazu dient den aktiven Antriebsbereich an den Öffnungen der Führungsbahn nach außen abzudichten und damit die Einhausung zu schließen. Der Bandlauf wird dabei in einer speziellen Konstruktion nicht wie bei bisherigen Lösungen über oder um den Schlitten geführt sondern in diesen mit einer Bandlaufdurchführung integriert.
Bei einer Ausführungsform ist der gesamte Spindeltrieb mit einer Einhausung umgeben. Die Einhausung stellt eine weitere umgrenzende Barriere zwischen dem Spindeltrieb und der Ultrahochvakuumumgebung dar.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist der Schrittmotor eine indirekte Flüssigkeitskühlung auf. Diese führt die entstehende Wärmeenergie aus dem Motor und dem Gewindetrieb ab, um damit den Betrieb zu sichern und Schädigungen aller Elemente der Anlagen zu verhindern.
Das Festlager ist bei einer Ausführungsform als ein schwimmend gelagertes Festlager ausgeführt.
Bei einer Ausführungsform ist der Schrittmotor kupplungslos direkt mit der Gewindespindel verbunden. Die kupplungslose Verbindung sichert bei dynamischen Lastwechseln ein präzises Fahrprofil, da eine spielausgleichende Kupplung im System bei auftretenden Torsionskräften immer auf Torsionsbiegung beansprucht wird und diese dynamisch in Fahrprofilfehler übertragen werden.
Der erfindungsgemäße Spindeltrieb und dessen Verwendung im Ultrahochvakuum sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 9. Es werden für gleiche bzw. gleichwirkende Teile dieselben Bezugszeichen verwendet. Es zeigt:

1 eine perspektivische Gesamtansicht des Spindeltriebs,
2 eine Schnittdarstellung des Spindeltriebs in einer Seitenansicht,
3 eine Schnittdarstellung des Spindeltriebs in einer Draufsicht,
4 eine Seitenansicht des Spindeltriebs mit Blick auf den Antriebsblock,
5 eine Schnittdarstellung des Vorspanngehäuses mit Vorspannfeder am Schlitten des Spindeltriebs,
6 eine Schnittdarstellung eines ersten Lagers der Gewindespindel,
7 eine Schnittdarstellung eines zweiten Lagers der Gewindespindel,
8 eine Darstellung verschiedener verkapselter Spindeltriebachsen im Zusammenbau,
9 eine Darstellung der Spindeltriebachsen aus 8 im zerlegten Zustand.

Nachfolgend soll für den Begriff „Ultrahochvakuum“ die Abkürzung UHV verwendet werden.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht des Spindeltriebs, 2 zeigt eine Schnittdarstellung des Spindeltriebs in einer Seitenansicht, 3 eine Schnittdarstellung des Spindeltriebs in einer Draufsicht.
Der Spindeltrieb enthält einen Schrittmotor 1, eine durch den Schrittmotor angetriebene Gewindespindel 2 und einen durch die sich drehende Gewindespindel verschiebbaren Schlitten 3. Weiterhin ist eine Führung 4 für den Schlitten vorhanden. Der Schlitten weist eine in dessen Körper verborgene Mutter 5 auf, durch die die Gewindespindel geführt und hier in einem Vorspanngehäuse 7 verborgen ist. Die gesamte Anordnung aus Schrittmotor, Gewindespindel, Schlitten und Führung ist in einem stabilisierenden Käfig 6 untergebracht. Dieser dient gleichzeitig als Träger für eine hier nicht gezeigte Einhausung.
Mit dieser Gerätekombination des Spindeltriebs ist ein Getriebe für den Einsatz im UHV realisiert, dass unter geschützten Bedingungen eingesetzt werden kann.
Der zum Einsatz kommende Schrittmotor 1 ist für die Einsatzbedingungen unter UHV-Bedingungen ausgelegt. Dieser weist ein geringes Ausgasungsverhalten auf, welches zum einen durch die Materialwahl oder deren Beschichtung, sowie zum Anderen durch eine Verkapselung erreicht wird. Weiterhin weist der Schrittmotor Wicklungstrennungen sowie entsprechend gestaltete Kabel und Kabelführungen auf. Für den Schrittmotor werden Edelstahllager sowie eine thermische Optimierung eingesetzt. Es erfolgt eine Verwendung spezieller Schmierstoffe und eine Betriebsoptimierung für eine geringe Stromaufnahme.
Der Schrittmotor ist insbesondere mit Kühlkörpern ausgestattet, welche mit einer Kühlflüssigkeit durchlaufen werden und mit dieser Wärmetauscherfunktion für das Abführen der Wärmeenergie des Motors sorgen. Die Gewindespindel 2 ist kupplungslos direkt mit dem Motor verbunden.
Die Gewindespindel 2 und die in dem Schlitten 3 vorgesehene Mutter 5 sind mit einer Chrombeschichtung versehen. Hierdurch wird eine Flexibilität in der Ausführung und eine exzellente Einsatzfähigkeit für den UHV-Druckbereich erreicht. Diese Beschichtung ist insbesondere eine Dünnchrombeschichtung mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 10 µm. Hierdurch wird eine extrem harte und rissfreie Chromschicht gebildet. Die Überrollbelastungen liegen bei 2800 MPa.
Der Schlitten 3 ist mit einer Banddurchführung 16a ausgestattet. Die Banddurchführung bildet ein Gleitlager für einen Bandlauf 16. Der Bandlauf bildet gleichzeitig ein Mittel für die Ankopplung einer weiteren Bewegungsachse an den Spindeltrieb.
4 zeigt eine Seitenansicht des Spindeltriebs mit Blick auf den Antriebsblock und den darin integrierten Schrittmotor 1. Der Schrittmotor ist fest in den Gerätekäfig 6 eingefügt. Zur Sicherung einer hohen Genauigkeit wird der Schrittmotor nicht mit einem Encoder versehen, sondern mit einem optischen Wegmesssystem ausgestattet, das mit seinen Komponenten auf UHV Bedingungen ausgelegt ist. Es wird damit eine hohe Dynamik bei gleichzeitiger Sicherung der Positionsgenauigkeit gewährleistet. Der Spindeltrieb wird jeweils angepasst auf die jeweiligen dynamischen Forderungen und Fahrprofilvorgaben für einen geschützten Aufbau vorbereitet.
5 zeigt eine Schnittdarstellung eines Vorspanngehäuses 7 mit Vorspannfeder 8 am Schlitten des Spindeltriebs. Dargestellt ist die Mutter 5 innerhalb des Schlittens 3. Diese ist durch das Vorspanngehäuse 7 gegenüber der UHV-Umgebung eingehaust. Die Vorspannfeder 8 drückt das Gewinde der Mutter 5 gegen das Gewinde der Gewindespindel 2. Sie ermöglicht es, die durch den Schrittmotor 1 erzeugten Bewegungsprofile auch an der Mutter spielfrei abzubilden. Die UHV-Vorspannkonstruktion ist mit einer Befettungseinrichtung versehen. Dieses besteht aus einer Schmiermittelzuführung 9 und einem Schmiermittelkanal 10, über den von außen das Vorspanngehäuse gezielt mit dosierten Schmiermittelmengen beschickt werden kann. Das Schmiermittel gelangt dabei ausschließlich in das Vorspanngehäuse und wird über das vorgespannte Gewinde in einer sehr dünnen Schicht auf der Gewindespindel aufgebracht. In dem hier vorliegenden Beispiel ist außerdem eine zweite vorgespannte Mutter 11 vorgesehen, die sich außerhalb des Vorspanngehäuses aber ebenso eingekapselt im Inneren des Schlittens befindet. Beide Muttern 5 und 11 sind mit der oben erwähnten Chrombeschichtung versehen.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten Lagers 12 der Gewindespindel im Bereich des Schrittmotors des Spindeltriebs. Um ein Axialspiel zu vermeiden wird eine spielfreie Lagerkombination am Motorwellenflansch als ein Festlager angebracht. Es wird hierdurch ein steifes System geschaffen, das in der Lage ist z.B. bei Beschichtungsvorgängen innerhalb weniger Zehntelsekunden entsprechend schnelle Brems- und Beschleunigungsvorgänge zu vollziehen, ohne das es zu spielbedingten Positionsungenauigkeiten kommt.
In dem hier vorliegenden Beispiel ist ein Motorflansch 13 vorgesehen, in welchem die Gewindespindel 2 über eine Schraubverbindung 14 eingeschraubt und somit starr mit dem Motorflansch verbunden ist. Die gesamte Anordnung ist als ein Festlager ausgebildet, bei dem axiale Bewegungen ausgeschlossen sind. Diese Bewegungen werden einerseits durch die Form des Motorflansches 13 und durch den Körper der Gewindespindel 2 ausgeschlossen. Der Gewindeabschnitt der Gewindespindel 2 weist einen größeren Durchmesser auf als der für die Schraubverbindung 14 vorgesehene Abschnitt. Das gesamte Lager ist schwimmend gelagert.
7 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Lagers der Gewindespindel. Dessen Grundaufbau entspricht dem Aufbau des in 6 gezeigten Lagers. Vorgesehen ist hier ein Gewindeflansch 15, in den die Gewindespindel 2 mittels einer Schraubverbindung 15a fest verbunden ist.
Der Schrittmotor wird mit indirekter Flüssigkeitskühlung und direkter Anbindung an eine speziell beschichtete Gewindespindel, welche an beiden Enden gelagert wird, betrieben. Eine Lagerseite wird dabei als schwimmend gelagertes Festlager ausgeführt und sichert dabei eine Präzisionspositionierung bei dynamischen Bewegungen.
8 zeigt eine Darstellung verschiedener verkapselter Spindeltriebachsen im Zusammenbau. In dem hier gezeigten Beispiel sind drei Spindeltriebachsen A, B und C vorgesehen. Diese korrespondieren insbesondere mit den x-, y- und z-Achsen in einem dreidimensionalen Koordinatensystem.
Die jeweiligen Spindeltriebachsen bestehen jeweils aus einem Spindeltrieb mit dem Käfig und sind jeweils mit einer kompletten Blecheinhausung 17 versehen. Die Bänder der Blecheinhausungen und die Bleche zu den Fertigungsteilen und dazugehörigen Einführungen können mit dieser Konstruktion auf ein Zehntelmillimeter reduziert werden. Über Anschlüsse 18 werden die entsprechenden Spindeltriebe mit Spannung sowie den entsprechenden Steuerdaten versorgt. Einer der Anschlüsse ist mit dem erwähnten Bandlauf gekoppelt. Alle Kabel und Kabelverbindungen werden an den beschriebenen Achtrennstellen mit Steckern versehen, so dass es möglich ist, die Achsen sehr einfach zu trennen und im Servicefall zu ersetzen. Sämtliche Spindeltriebachsen sind daher als Module verwendbar.
9 zeigt eine Darstellung der Spindeltriebachsen A, B und C aus 8 im getrennten Zustand. Die Spindeltriebe sind über Steckverbindungen miteinander koppelbar. Diese Steckverbindung bestehen aus Ausformungen 19 an den jeweiligen Schlitten der Spindeltriebe, die durch Schlitze 20 aus den Blecheinhausungen herausgeführt sind, sowie aus Ausnehmungen 21, in die die Ausformungen 19 eingerastet und somit die Spindeltriebachsen zusammengesteckt werden können.
Die Verwendung und der Spindeltrieb wurden anhand von beispielhaften Ausführungsformen erläutert. Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen möglich. Diese ergeben auch aus den Unteransprüchen.
Bezugszeichenliste

1: Schrittmotor
2: Gewindespindel
3: Verschiebbarer Schlitten
4: Mechanische Führung
5: Mutter
6: Käfig
7: Vorspanngehäuse
8: Vorspannfeder
9: Schmiermittelzuführung
10: Schmiermittelkanal
11: Zweite Mutter
12: Lager
13: Motorflansch
14: Schraubverbindung
15: Gewindeflansch
15a: Schraubverbindung
16: Bandlauf
16a: Banddurchführung
17: Blecheinhausung
18: Anschlüsse
19: Ausformung
20: Schlitz
21: Ausnehmung

Claims

Spindeltrieb zum Bewegen von Objekten in einer Ultrahochvakuum-Umgebung, umfassend einen Schrittmotor (1), eine von dem Schrittmotor angetriebene Gewindespindel (2), einen von der Gewindespindel bewegten Schlitten (3) mit einer Führung (4), wobei die Gewindespindel (2) und mindestens eine mit der Gewindespindel zusammenwirkende Mutter (5) des Schlittens eine Dünnchrombeschichtung mit einer Schichtdicke von 0,5 bis 20 µm aufweisen.
Spindeltrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine mit der Gewindespindel zusammenwirkende Mutter (5) des Schlittens über eine Vorspannfeder (8) vorgespannt ist, wobei die Vorspannfeder (8) innerhalb eines über eine Dichtvorrichtung gegenüber der Ultrahochvakuumumgebung abgedichteten Vorspanngehäuses (7) angeordnet ist.
Spindeltrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Vorspanngehäuse (7) ein Schmierkanal (10) zum bedarfsweisen Zuführen eines Schmiermittels in das Innere des Vorspanngehäuses vorgesehen ist.
Spindeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (1) mit der Gewindespindel (2) über einen Motorwellenflansch gelagert ist, wobei der Motorwellenflansch ein Festlager aufweist.
Spindeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schlitten (3) eine Banddurchführung (16) aufweist, wobei die Banddurchführung ein Gleitlager für eine Führungsplatte des Schlittens aufweist und der Bandlauf in die Führungsplatte integriert ist.
Spindeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gesamte Spindeltrieb mit einer Einhausung (17) umgeben ist.
Spindeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (1) eine indirekte Flüssigkeitskühlung aufweist.
Spindeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Festlager als ein schwimmend gelagertes Festlager ausgeführt ist.
Spindeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor (1) kupplungslos direkt mit der Gewindespindel verbunden ist.
Spindeltrieb nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bandführung vorgesehen ist, die einen Antriebsbereich des Spindeltriebs an Öffnungen der Führungsbahn nach außen abdichtet und damit die Einhausung (17) schließt, wobei ein Bandlauf in den Schlitten (3) mittels einer Bandlaufdurchführung (16a) integriert ist.