DE2437735A1

DE2437735A1 - Manipulator fuer bewegungen von in einem hochvakuumraum angeordneten gegenstaenden

Info

Publication number: DE2437735A1
Application number: DE2437735A
Authority: DE
Inventors: Diether J Dr Guggi; Rolf Klein
Original assignee: Kernforschungsanlage Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1974-08-06
Filing date: 1974-08-06
Publication date: 1976-02-26
Also published as: FR2281196B1; FR2281196A1; DE2437735B2; US4030615A; CH593767A5; GB1502972A

Description

Kernforsctmngsanlage Julien Gesellschaft mit beschränkter Haftung

Manipulator für Bewegungen von in einem Hochvakuumraum angeordneten Gegenständen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Manipulator für Bewegungen von in einem Hochvakuumraum angeordneten Gegenständen, bestehend, aus einer durch einen den Hochvakuumraum gegenüber dem Außenraum gasdicht abschließenden Faltenbalg hindurchgeführten Manipulierstange und aus kraftschlüssig mit der Manipulierstange verbundenen Bewegungsmitteln für die Manipulierstange, wobei am Faltenbalg einerseits ein an einer Wandung des Hochvakuurnraumes befestigter Flansch und andererseits eine den vom Faltenbalg umschlossenen Raum vakuumdicht abschließende äußere Abdeckung angeordnet ist und wobei ein vom Flansch abgestütztes Kugelgelenk, bestehend aus einer am Flansch befestigten Kugelschale und einer in der Kugelschale beweglichen, von der Manipulierstange durchdrungenen Gelenkkugel vorgesehen ist.

Mit Manipulatoren dieser Art werden Bewegungen von Gegenständen in hochevakuierten Räumen vom Außenraum her durchgeführt. Die Manipulatoren sind so eingerichtet, daß die Gegenstände mit ihrer Hilfe sowohl linear verschoben als auch gedreht sowie räumlich geschwenkt werden können. Dabei wird insbesondere dann, xvenn es sich um Bewe gungs vorgänge handelt, wie sie zum Beispiel bei der Bedienung von im Hochvakuumraum installierten Mikrowaagen auftreten, eine einfache Verstellbarkeit und .Handhabung der Manipulatoren angestrebt.

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Aus einer Veröffentlichung von M. Pollermann, 'Bauelemente der physikalischen Technik", Springer Verlag Berlin'1972, Seite 173 bis 137 (186) sind eine Reihe von Manipulatoren bekannt, mit denen sich die im Hochvakuumraum erforderlichen Bewegungen zumindest teilweise ausführen lassen. Für jede einzelne der bewegungsarten, wie lineare Verschiebung, Dreh- und. Schwenkbewegung, sind die Manipulatoren mit gesonderten Bewegungsmitteln ausgerüstet, von denen jedes für sich jeweils einzeln zur Bewegung einer Manipulierstange des Manipulators eingesetzt werden mu£. Die Handhabung dieser Manipulatoren ist daher sehr umständlich.

Bei einem in der oben angegebenen Veröffentlichung von M. Pollermann, Seite I86 angegebenen Manipulator, der zur Raumzentrierung einer Elektrode im Hochvakuumraum dient, ist die durch einen Faltenbalg hindurchgeführte Manipulierstange mittels eines von Hand einstellbaren Schraubengetriebes in Richtung ihrer Achse verschiebbar und mittels einer gesondert zu bedienenden Verstelleinrichtung verschwenkbar angeordnet. Dabei sind zur Lagerung der Manipulierstange zwei Kugelgelenke vorgesehen, deren Gelenkkugeln von der Manipulierstange durchdrungen werden. Die Manipulierstange ist mit einer den Vakuumraum dicht verschließenden äußeren Abdeckung des Faltenbalges fest verbunden. Nachteilig ist, daß sich mit diesem Manipulator Längsverschiebungen der Manipulierstange nur unter Deformation des Faltenbalges durchführen-lassen und daß die räumliche Winkelverstellung der Manipulierstange insbesondere infolge ihrer Abhängigkeit von der Deformation des Faltenbalges, der aus Metall besteht und der sich um so weniger verschwenken läßt, je mehr er zusammengedrückt ist, verhältnismäßig gering ist

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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Manipulator zu schaffen, mit dessen Hilfe die im Hochvakuumraum erforderlichen Bewegungsarten ohne komplizierte Manipulatioristechniken durchgeführt werden können. Alle drei Bewegungsarten sollen gleichzeitig ausführbar sein. Darüberhinaus soll der Manipulator weite Schwenkbewegungen ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einem Manipulator der oben bezeichneten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die äußere Abdeckung eine sich in den Außenraum erstreckende, das aus dem Hochvakuumraum durch das Kugelgelenk hindurchgeführte Ende der Manipulierstange vakuumdicht umschließende Führung für die Manipulierstange aufweist, wobei an dem von der.Führung umschlossenen Ende der Manipulierstange ein magnetischer Bereich vorgesehen ist, der kraftschlüssig mit einem auf der äußeren Wandseite der Führung in axialer Richtung der Manipulierstange verschiebbar und um die Achse der Manipulierstange drehbar angeordneten Magneten verbunden ist und daß das Kugelgelenk innerhalb des vom Faltenbalg umschlossenen Raumes angeordnet ist, wobei die Gelenkkugel eine Abstützung für den Faltenbalg aufweist und die Manipulierstange sowohl durch die Abstützung als auch die äußere Abdeckung des Faltenbalges beweglich hindurchgeführt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Manipulator sind in vorteilhafter Weise alle erforderlichen Bewegungsarten simultan ausführbar. So läßt sich zum Beispiel während einer vom Außenraum her durchgeführten Schwenkbewegung der Führung der Manipulierstange durch gleichzeitiges Verschieben und Drehen des Magneten erreichen, daß die Manipulierstange die zur Handhabung der im Hochvakuumraum vorhandenen Gegen-

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stände erforderliche Bewegung integriert ausführt. Da die Manipulierstange von der an der äußeren Abdeckung des Faltenbalges angebrachten Führung vakuumdicht umschlossen ist und sowohl durch die Abdeckung als auch durch die an der Gelenkkugel angebrachte Abstützung für den Faltenbalg beweglich hindurchgeführt ist, bleibt der Faltenbalg sowohl bei einer Verschiebung in axialer Richtung als auch bei einer Drehbewegung der Manipulierstange unbelastet. Lediglich beim Schwenken der Manipulierstange wird der Faltenbalg beansprucht, wobei durch die Anordnung des Kugelgelenkes innerhalb des vom Faltenbalg umschlossenen Raumes die Verschwenkbarkeit des Faltenbalges weitgehend ausgenutzt wird. Eine optimale Ausnutzung der Verschwenkbarkeit des Faltenbalges wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, daß das Kugelgelenk zentral im vom Faltenbalg umschlossenen Raum angeordnet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der'Erfindung besteht darin, daß der magnetische Bereich der Manipulierstange mit einer Edelstahlfolie überzogen ist. Die Edelstahlfolie dient zur Abdeckung des magnetischen Bereiches der Manipulierstange, da beim erfindungsgemäßen Manipulator das von der Führung umschlossene Ende der Manipulierstange in gleicher Weise, wie alle anderen Teile der Manipulierstange vom Hochvakuum umgeben ist.

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Un eine Fernsteuerung des Manipulators zu ermöglichen, ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß um einen Winkel von 90 gegeneinander versetzt zwei im Abstand von Plansch und äußerer Abdeckung in Kreuzgelenken gelagerte, aus Schraube und Mutterteil bestehende, in ihrer Länge veränderliche Abstandhalter vorgesehen sind. Durch die Lagerung der Abstandhalter in Kreuzgelenken und durch ihre um 9o versetzte Anordnung wird in vorteilhafter V/eise erreicht, daß jede Schwenkbewegung der Manipulierstange im Hochvakuum entweder durch eine Längenänderung eines der Abstandhalter oder durch gleichzeitige Längenänderungen beider Abstandhalter ausführbar ist. Zur Längenänderung sind Schraube oder Mutterteil mit Antrieben gekoppelt, die Schraube und Mutterteil relativ zueinander verdrehen.

Pur die Fernsteuerung der Verschiebung der Manipulierstange in axialer Richtung ist es zweckmäßig, parallel zur Achse der Manipulierstange eine drehbar gelagerte Gewindespindel ■ anzuordnen, die mit einem den Magneten in achsparalleler Richtung zur Manipulierstange verschiebenden Gewindeteil in Eingriff steht. Ein Verdrehen der Manipulierstange um ihre Achse wird dadurch erreicht, daß der Magnet in einem den mit der Gewindespindel in Eingriff stehenden Gewindeteil aufweisenden Gehäuse um die Achse der Manipulierstange drehbar gelagert ist und über einen am Magneten befestigten Zahnkranz mit einem Rädergetriebe in Verbindung steht. Diese Maßnahmen erlauben, daß eine axiale Verschiebung des Magneten und eine Dreh-

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bewegung unabhängig voneinander sowohl einzeln als auch gleichzeitig ausführbar sind. Hierbei steht in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Zahnkranz mit einem Ritzel in Eingriff, das auf einer rotierend antreibbaren Welle mit einem von der Kreisform abweichendem Querschnitt in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist. Bei einer Rotation der Welle wird die Manipulierstange über Ritzel, Zahnkranz und Magneten in vorteilhafter Weise jeweils unabhängig von einer momentanen axialen Verschiebung der Manipulierstange um ihre Achse gedreht.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung schematisch dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen

Pig. I einen von Hand verstellbaren Manipulator in verschiedenen BewegungsStellungen

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen für Fernsteuerung eingerichteten Manipulator gemäß der Schnittlinie II-II nach Fig. 3

Fig. 3 einen Querschnitt durch einen Manipulator nach Fig. 2 gemäß der Schnittlinie III-III

Fig. 4 eine Seitenansicht des Manipulators

nach Fig. 3

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Wie aus der Zeichnung hervorgeht, besteht der Manipulator aus einer Manipulierstange 1, die durch"einen Faltenbalg 2 hindurchgeführt ist. Der Faltenbalg schließt den Hochvakuumraum gegenüber dem Außenraum gasdicht ab. Hierzu ist am Faltenbalg einerseits ein an einer den Hochvakuumraum umgebenden Wandung 3 befestigter Flansch H und andererseits eine den vom Faltenbalg 2 umschlossenen Raum vakuumdicht abschließende äußere Abdeckung 5 angeordnet. Die Manipulierstange 1 ist in einem Kugelgelenk 6j7s das aus einer von der Manipulierstange 1 durchdrungenen Gelenkkugel 6 und aus einer Kugelschale -7 besteht, beweglich gelagert. In den dargestellten- Ausführungsbeispielen wird die Kugelschale 7 von einer Lagerstütze 8, die am Flansch k befestigt ist und die den Faltenbalg 2 an seiner der Wandung zugekehrten Seite vakuumdicht abschließt, in seiner Lage gehalten. Um die Verschwenkbarkeit des Faltenbalges 2 optimal ausnutzen zu können, ist das Kugelgelenk. 6,7 in vorteilhafter Weise innerhalb des vom Faltenbalges 2 umschlossenen Raumes zentral angeordnet.

Die Gelenkkugel 6 des Kugelgelenkes 6,7 weist an ihrer der Kugelschale 7 abgewandten Seite eine Abstützung 9 für den Faltenbalg 2 auf. Die Abstützung 9 steht kraftschlüssig mit einem Zentrierring Io in Verbindung, der seinerseits zentrisch in einer mit der Abdeckung 5 vakuumdicht verbundenen Führung 11 für die Manipulierstangelangeordnet ist. Der Zentrierring Io und die Lagerstütze 8 weisen Aussparungen 12 auf, so daß sowohl im vom Faltenbalg 2 umschlossenen Raum als auch im Innenraum der Führung 11 der gleiche Druckzustand herrscht wie im Hochvakuumraum.

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Erfindungsgemäß umschließt die Führung 11 das aus dem Hochvakuumraurn durch das Kugelgelenk 6,7, die Abstützung 9 und die äußere Abdeckung 5 beweglich hindurchgeführte Ende 13 der Manipulierstange 1. Am Ende 13 der Manipulierstange ist ein magnetischer₍Bereich lh vorgesehen, der im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 in einfachster Meise durch einen an der Manipulierstange 1 angebrachten Magneten gebildet wird, der zum Schütze des hochevakuierten Raumes zweckmäßig mit einer die Oberfläche des Magneten abdeckenden Edelstahlfolie 15 überzogen ist. Im Ausführungsbeispiel wird das Ende 13 der Manipulierstange 1 in der Führung 11 über einen zwischen magnetischem Bereich lh und der Innenwandung der Führung 11 angeordneten Gleitring 16 beweglich gehalten. ,

Mit dem magnetischen Bereich 14 ist kraftschlüssig ein auf der äußeren Wandseite der Führung 11 in Richtung der Achse 17 der Manipulierstange 1 verschiebbar und um die Achse 17 drehbar angeordneter, im Ausführungsbeispiel ringförmiger Magnet 18 verbunden. Bei der von Hand bedienbaren Manipulierstange nach Fig. 1 umgibt den ringförmigen Magneten 18 eine gerändelte Hülse 19. Ein Verdrehen der Hülse 19 oder ein Verschieben auf der Führung 11 bewirkt, daß die Manipulierstange 1 im Hochvakuumraum in gleichem Sinne gedreht oder verschoben wird. In der Fig. 1 ist in strichpunktierter Darstellung angedeutet, daß ein Verschwenken der Führung 11 ein entsprechendes Verschwenken der Manipulierstange 1"verursacht. Mit dem erfindungsgemäßen Manipulator lassen sich in vorteilhafter Weise alle Bewegungsarten der Manipulierstange 1 bei unkomplizierter Handhabung simultan ausführen, wobei die Manipulierstange 1 jede erforderliche Bewegung integriert ausführt.

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Für eine Fernsteuerung des Manipulators sind von Elektromotoren 2o, 21, 22, 23 bewegte mechanische Antriebe vorgesehen. Sine Drehung des Magneten 18 uin die Achse 17 der Manipulierstange wird durch Antrieb eines am Magneten lB befestigten. Zahnkranzes

24 erreicht, der in F.ingriff steht mit einem auf einer Welle

25 gelagerten, vom Elektromotor 2o über ein Rädergetriebe 2b angetriebenen Ritzel 27· Die Welle 25 weist - x\rie in Fig. 3 dargestellt ist - einen vom Kreisquerschnitt abweichenden Querschnitt auf, so daß das Ritzel 27 zwar bei einer Drehbewegung der Welle 25 mitgenommen wird, aber in vorteilhafter Weise unabhängig von der Drehbewegung auf der Welle 25 in axialer Richtung verschiebbar ist.

Zur Verschiebung des Magneten 18 in Richtung der Achse 17 der Manipulierstange 1 ist eine parallel zur Achse 17 angeordnete, drehbar gelagerte Gewindespindel 28 vorgesehen, die in Eingriff steht mit einem zum Spielausgleich mittels einer Feder gegen das Gewinde der Gewindespindel 28 angedrückten Gewindeteil 29 am Gehäuse 3o· Im Gehäuse 3o ist der Magnet 18 drehbar gelagert. Die Gewindespindel 28 wird vom Elektromotor 21 über ein Zahnradgetriebe 31 angetrieben (vergl. Fig. 4). Zur Führung des Gehäuses 3o sind Führungsstangen 32, 33» die in Tragplatten 3¹I, 35 befestigt sind, geführt. An den Tragplatten 34, 35 sind neben den Führungsstangen auch die Elektromotor 2o, 21, 22, 23 befestigt.

Um die Manipulierstange 1 ferngesteuert verschwenken zu können, sind gemäß der Erfindung am Manipulator zwei um einen Winkel von 9o° gegeneinander versetzte, im Abstand von Flansch 4 und äußerer Abdeckung 5 in Kreuzgelenken gelagerte Abstandhalter 37j 38; 39; 4o vorgesehen. In Fig. 2 sind die Kreuzgelenke 41, 42 für den Abstandhalter 37, 38 eingezeichnet.

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Die Aostandhalter bestehen jeweils aus einer Schraube 37; und einera Kuttcrteil 3S₃ 4o. Dabei ist jeweils mit einer der Schrauben 37; 39 verbundene? Kreuzgelenk ₃ in Pig. 2 das Kreuzgelenk kl, von einem der Elektromotoren 22,23 antreibbar. Ein Drehen der Schrauben 37j 39 bewirkt in vorteilhafter Weise ein Verstellen der Länge der Abstandhalter und damit ein Verschwenken der "anipulierstange 1 innerhalb des Hochvakuurcrauiues.

Bei dem für die Fernsteuerung eingerichteten Manipulator ge-' maß der Urfinduxis ist die aanipulierstange 1 in gleicher Weise wie bei dem von Hand bedienbaren Manipulator durch gleichzeitiges Ansteuern aller vier Elektromotore in allen Bewegungsarten simultan beweglich. Hierin besteht ein außerordentlicher Vorzug des erfindungsgemäßen Manipulators. Hit seiner Hilfe sind die erforderlichen Bewegungen der Manipulierstange als integrierte Bewegungen ausführbar, was die Handhabung des Manipulators sehr vereinfacht und einen optimalen Einsatz insbesondere für Transportmanipulationen von Gegenständen im Hochvakuumraum ermöglicht.

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Claims

Patentansprüche

Manipulator für Bewegungen von in einem Hochvakuumrauni angeordneten Gegenständen, bestehend aus einer durch einen den Hochvakuumrauni gegenüber dem Außenraum gasdicht abschließenden Faltenbalg hindurchgeführten Manipulierstange und aus kraftschlüssig mit der Manipulierstange verbundenen Bewegungsmitteln für die Manipulierstange j wobei am Faltenbalg einerseits ein an einer den Hochvakuumraum umgebenden Wandung befestigter Flansch und andererseits eine den vom Faltenbalg umschlossenen Raum vakuumdicht abschließende äußere Abdeckung angeordnet ist und wobei ein vom Flansch abgestütztes Kugelgelenk bestehend aus einer am Flansch befestigten Kugelschale und einer in der Kugelschale beweglichen, von der Manipulierstange durchdrungenen Gelenkkugel vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Abdeckung (5) eine sich in den Außenraum erstreckende, das aus dem Hochvakuumraum durch das Kugelgelenk (6,7) hindurchgeführte Ende (13) der Manipulierstange (1) vakuumdicht umschließende Führung (11) für die Manipulierstange (1) aufweist, wobei an dem von der Führung (11) umschlossenen Ende (13) der Manipulierstange (1) ein magnetischer Bereich (I¹I) vorgesehen ist, der kraftschlüssig mit einem auf der äußeren Wandseite der Führung (11) in axialer Richtung der Manipulierstange (1) verschiebbar und um die Achse (17) der Manipulierstange drehbar angeordneten Magneten (18) verbunden ist, und daß das Kugelgelenk (6,7) innerhalb des vom Faltenbalg (2) umschlossenen Raumes angeordnet

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ist, wobei die Gelenkkugel (6) eine Abstützung (9) für den Faltenbalg (2) aufweist und die Manipulierstange (1) sowohl durch die Abstützung (9) als auch die äußere Abdeckung (5) des Faltenbalges beweglich hindurchgeführt ist.
2. Manipulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelgelenk (6,7) zentral im vom Faltenbalg (2) umschlossenen Raum angeordnet ist.
3. Manipulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzei c h η e t, daß der magnetische Bereich (14) der Manipulierstange (1) mit einer Edelstahlfolie (15) überzogen ist.
4. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um einen Winkel (36) von 9o gegeneinander versetzt zwei im Abstand von Flansch (4) und äußerer Abdeckung (5) in Kreuzgelenken (41,42) gelagerte, aus Schraube (37) und Mutterteil (38) bestehende, in ihrer Länge veränderliche Abstandhalter (37_S38)' vorgesehen sind.
5· Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Achse (17) der Manipulierstange (1) eine drehbar gelagerte Gewindespindel (28) angeordnet ist, die mit einem den Magneten (18) in achsparalleler Richtung zur Manipulierstange (1) verschiebenden Gewindeteil (29) in Eingriff steht.

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6. Manipulator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch "gekennzeichnet daß der Magnet (18) in einem den mit der Gewindespindel (28) in Eingriff stehende Gewindeteil (29) aufweisenden Gehäuse (3o) um die Achse (17) der Manipulierstange (1) drehbar gelagert ist und über einen am Magneten (18) befestigten Zahnkranz (24) mit einem Rädergetriebe (26) in Verbindung steht.
7. Tianipulierstange nach Anspruch 6, dadurch g e kennzei chnet, daß der Zahnkranz (24) mit einem Kitzel (27) in Eingriff steht, das auf einer rotierend antreibbaren Welle (25) mit von der Kreisform abweichendem Querschnitt in axialer Richtung verschiebbar gelagert ist.

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