Устройство для смены образцов

Настоящая полезная модель относится к машиностроению, а более конкретно к вакуумной технике, используемой в работах, проводимых на исследовательских экспериментальных установках. Такие устройства предназначены для смены образцов или мишеней внутри вакуумных камер без нарушения вакуумных условий.
Известно устройство для перемещения подложек (см. патент RU 2510546, МПК H01L 21/677, опубликован 27.03.2014), которое выполнено с возможностью перемещения подложки вдоль нескольких осей с помощью манипулятора, снабженного на своем свободном конце электромагнитной подвижной вилкой. Манипулятор расположен на подъемно-вращательном узле. Электромагнитная направляющая опора снабжена активным подвижным элементом, который установлен на неподвижном пассивном элементе с помощью закрепленных в поперечном направлении магнитных опор. Магнитные опоры удерживают активный подвижный элемент на пассивном элементе в равновесии и в подвешенном состоянии. Активный элемент снабжен подъемно-вращательным узлом, который содержит внешнюю трубку, вертикально закрепленную на активном элементе. Внутри внешней трубки расположены магнитные опоры, установленные с равными интервалами на внутренней поверхности внешней трубки для бесконтактного направления внутренней трубки в вертикальном направлении между двумя крайними положениями.
Известное устройство имеет усложненную конструкцию и к тому же не обеспечивает точную угловую фиксацию вращательного движения, что ограничивает возможность его применения в узлах, где такая фиксация является одним из ключевых требований.
Известно устройство для смены образцов (см. авт. свид. SU 522149, МПК С03С 17/00, G01B 11/06, G02B 5/28, опубликовано 25.07.1076), содержащее оправу с зубцами для закрепления пластины с образцами и ползун с приводом в виде электромагнита и с подпружиненным толкателем, входящим в зацепление с зубцами оправы. Устройство также снабжено подпружиненным грейфером и двумя упорами, закрепленными на ползуне и входящими в зацепление с зубцами оправы при повороте последней. Зубцы выполнены симметричной относительно радиуса оправы формы.
Недостатками известного устройства является невозможность его использования в условиях глубокого вакуума из-за необходимости размещения в вакууме электромагнита привода.
Известно устройство для смены образцов (см. заявка CN 103558067, МПК G01N 1/24, опубликована 05.02.2014), совпадающее с настоящим техническим решением по наибольшему количеству существенных признаков и принятое за прототип. Устройство-прототип включает диск с регулярно расположенными по окружности образцами, установленный на оси с возможностью вращения, и механизм шагового вращения диска с электромагнитным приводом. Центр окружности, по которой расположены образцы, совпадает с осью диска. В диске по его периферии выполнены регулярно расположенные по окружности сквозные отверстия. Механизм шагового вращения диска включает электродвигатель, посредством передающего механизма вращающий диск, источник света и фотоприемник, установленные по разные стороны диска по той же окружности, что сквозные отверстия в диске, и оптически соединяемые через эти отверстия, и процессор, по сигналу от фотоприемника по заданной программе включающий и выключающий электродвигатель.
Известное устройство-прототип позволяет осуществлять точное пошаговое вращение образцов, его применение ограничено в условиях глубокого вакуума из-за возможного внесения примесей, испаряемых материалами электродвигателя на рабочую поверхность образцов.
Задачей настоящего технического решения являлась разработка устройства для смены образцов, которое могло бы быть использовано в условиях высокого вакуума без необходимости нарушения целостности стенок вакуумной камеры.
Поставленная задача решается тем, что устройство для смены образцов включает диск с регулярно расположенными по окружности образцами, установленный на оси с возможностью вращения, и механизм шагового вращения диска с электромагнитным приводом. Диск выполнен с зубчатой торцовой поверхностью и установлен в цилиндрическом корпусе в форме стакана. В пазах на внутренней цилиндрической поверхности корпуса, противолежащих зубцам диска, размещены подпружиненные шарики, фиксирующие шаг вращения диска. Механизм шагового вращения диска содержит двухплечевой рычаг, установленный с возможностью вращения на оси, закрепленной на внутренней торцовой поверхности цилиндрического корпуса.
Первое плечо двухплечевого рычага снабжено выступом, входящим в зацепление с зубцами диска, а второе плечо двухплечевого рычага шарнирно соединено с толкателем, снабженным возвратной пружиной, который выполнен в виде стержня из магнитомягкого материала и размещен в центральном канале электромагнитной катушки, окруженной магнитным экраном, одновременно выполняющим функцию магнитопровода электромагнитного привода.
Настоящее устройство для смены образцов поясняется чертежом, где:
на фиг. 1 показан вид сзади на настоящее устройство для смены образцов с частичным разрезом, установленное в вакуумной камере;
на фиг. 2 - приведен поперечный разрез по А-А настоящего устройства, изображенного на фиг. 1;
на фиг. 3 - приведен дополнительный вид на выступ 15 двухплечевого рычага 12 настоящего устройства, изображенного на фиг. 1.
на фиг. 4 - приведен аксонометрический вид настоящего устройства, изображенного на фиг. 1.
Настоящее устройство для смены образцов (см. фиг. 1 - фиг. 4), установленное в вакуумной камере 1, включает диск 2 с регулярно расположенными по окружности образцами 3, установленный с возможностью вращения на оси 4, и механизм 5 шагового вращения диска 2 с электромагнитным приводом 6. Диск 2 выполнен с зубчатой торцовой поверхностью и установлен в цилиндрическом корпусе 7, закрепленном с помощью крепежных болтов 8 на внутренней стороне вакуумной камеры 1. В пазах 9 на внутренней цилиндрической поверхности корпуса 7, противолежащих зубцам диска 2, размещены шарики 10, поджатые пружинами 11 к зубчатой торцовой поверхности диска 2, фиксирующие шаг вращения диска 2. Механизм 5 шагового вращения диска 2 содержит двухплечевой рычаг 12, установленный с возможностью вращения на оси 13, закрепленной на внутренней торцовой поверхности крышки 14 цилиндрического корпуса 7 (крышка 14 показана только на фиг. 2). Первое плечо 15 двухплечевого рычага 12 снабжено выступом 16 (выступ 16 показан на фиг. 3), входящим в зацепление с зубцами диска 2, а второе плечо 17 двухплечевого рычага 12 шарнирно соединено посредством вилки 18 с концевиком 19 толкателя 20, снабженным возвратной пружиной 21. Толкатель 20 выполняет функцию якоря электромагнитного привода 6, выполнен в виде стержня из магнитомягкого материала и размещен в центральном канале 22 электромагнитной катушки 23, окруженной магнитным экраном 24, одновременно выполняющим функцию магнитопровода электромагнитного привода 6.
При установке настоящего устройства в вакуумной камере 1 толкатель 20 размещают с внутренней стороны вакуумной камеры 1 в цилиндрической полости 25, стенка 26 которой составляет единое целое со стенкой вакуумной камеры 1 и с внешней (атмосферной) стороны вакуумной камеры 1 имеет форму цилиндрического выступа, который охватывают электромагнитной катушкой 23, вводя этот цилиндрический выступ в центральный канал 22 электромагнитной катушки 24. При подаче токового импульса в электромагнитную катушку 23 электромагнитного привода 6 толкатель 20 совершает поступательное движение (на фиг. 1 - вниз) и приводит в движение двухплечевой рычаг 12, который осуществляет поворот на небольшой угол вокруг оси 13. При этом первое плечо 15 рычага 12, упираясь выступом 16 в зубья зубчатого диска 2, толкает зубчатый диск 2, который совершает поворот на соответствующий небольшой угол. При этом шарики 10, поджатые пружинами 11, утапливаются в радиальном направлении в пазы 9 в цилиндрическом корпусе 7 и сжимают пружины 11. При этом острие каждого зуба, расположенного напротив шарика 10, перемещается за середину оси, вдоль которой двигаются шарики 10. По окончании воздействия токового импульса толкатель 20 возвращается в исходное положение за счет разжимания возвратной пружины 21. В это же время, пружины 11, разжимаясь, выталкивают шарики 10 в исходное положение, которые, надавливая на внешнюю сторону зубчатого диска 2, довершают его вращательное движение, и диск 2 занимает новое угловое положение, соответствующее положению соседнего зуба зубчатого диска 2. На каждом шаге при подаче токового импульса устройство обеспечивает поворот зубчатого диска 2 на угол, соответствующий перемещению его внешней стороны на один зуб.
Настоящее устройство для смены образцов, в отличие от устройства-прототипа, обеспечивает смену образцов в условиях высокого вакуума без необходимости нарушения целостности стенок вакуумной камеры при передаче возвратно-поступательного движения толкателя во вращательное движение диска с образцами. Был изготовлен опытный образец устройства для смены образцов. Образец продемонстрировал высокую надежность работы без сбоев и заеданий при ресурсных испытаниях, во время которых было совершено 4200 срабатываний устройства (50 полных оборотов диска 2), и высокую устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам (до 5g).