CN104816217B - 一种用于真空环境的精密角度驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于真空环境的精密角度驱动装置，包括支座、连接套、连接座、绕X轴旋转平台、第一离子源夹持臂、第二离子源夹持臂、绕Y轴旋转平台、从动旋转轴、离子源及控制系统。本发明通过马达直接驱动，与采用旋转电机及齿轮等旋转运动系统相比，没有中间传动环节，有利于提高真空室的洁净度，没有反向运动间隙，有效提高了重复定位精度；本发明的结构紧凑、简单，便于制造及安装，且传动结构运动响应频率高、动作速度快，满足了离子束抛光驻留时间的精确控制要求；第一光栅回馈机构、第二光栅回馈机构分别与第一马达、第二马达有机匹配，进一步提高了驱动装置的转动及定位精度，实现了离子束入射角的无级调整，重复定位精度可达到微米级。

Description

一种用于真空环境的精密角度驱动装置

技术领域

本发明涉及一种用于真空环境的精密角度驱动装置，具体是对真空环境下非球面光学镜片的离子束修整抛光加工的控制离子束入射角角度驱动装置。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，强激光光学系统和高清晰度光学系统，如战术激光武器光学系统、远距离紫外与红外成像探测系统、深空光电探测系统、轻质稳像观瞄系统、激光雷达系统、深紫外与极紫外光刻系统等，对具有亚纳米级表面粗糙度和纳米级面型精度光学元件的需求日益迫切，需要依靠超精密光学元件及其制造技术来实现。先进光电系统发展的要求日益提升，“超精密”所对应的精度和表面质量也在日益精细化。以表面粗糙度和面型精度为例，超光滑的尺度已经发展到表面粗糙度达到1nm以下，面型精度优于10nm。加工超高精度光学元件，需要利用抛光压力接近于零的非接触式超精密抛光工艺技术，避免光学元件表面及亚表面微观损伤缺陷的产生。在这个方面，以等离子体成型与离子束抛光技术为代表的非接触加工技术，拥有满足超高精度光学元件制造苛刻要求的多项优点。离子束抛光技术是原子量级上的无应力、非接触式超精密光学加工工艺技术，具有加工精度高、无损伤、可抑制中高频小波纹度、加工面洁净无污染的特点，特别适合高精度平面、深度非球面镜面、异形镜面、自由表面镜面以及激光晶体等特殊光学元件与材料的超精密加工，两者配合加工精度能达到亚纳米量级，具有传统工艺无法比拟的优越性，同时还能提高工作效率，使制造质量得到保证。

为保证离子束抛光工艺有效实施，离子束抛光需要依靠真空和高洁净度环境下精确的、快速响应的驱动装置实现，通过此装置控制离子束源对被加工光学零件扫描速度、驻留时间及离子束的入射角等技术参数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种用于真空环境的精密角度驱动装置，该装置结构简单、制造安装方便、转动精度高、响应速度快；具有闭环回馈系统，重复定位精度和定位精度高，能实现离子束入射角的无级调整。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于包括：

支座，中部具有安装口；

连接套，能转动的设于所述支座的一端并具有能穿过上述安装口的连接部；

连接座，设于所述支座的另一端并与连接套的连接部固定连接；

绕X轴旋转平台，设于所述支座的一端并由第一马达驱动运行，该绕X轴旋转平台的输出动子轴与所述连接套固定连接；所述绕X轴旋转平台内部设置有第一光栅回馈机构；

第一离子源夹持臂，连接于所述连接座的一侧；

第二离子源夹持臂，连接于所述连接座的另一侧并与第一离子源夹持臂相对布置；

绕Y轴旋转平台，由第二马达驱动运行，连接于所述第一离子源夹持臂上，内部设置有第二光栅回馈机构；

从动旋转轴，连接于所述第二离子源夹持臂上并与绕Y轴旋转平台相对布置；

离子源，夹持于所述绕Y轴旋转平台与从动旋转轴之间；以及

控制系统，能通过所述第一光栅回馈机构控制绕X轴旋转平台的运动速度及位置精度，通过所述第二光栅回馈机构控制绕Y轴旋转平台的运动速度及位置精度。

作为本发明的进一步改进，所述从动旋转轴上设置有能感知该从动旋转轴转动角度的传感器及能将从动旋转轴的转动角度限制在-45°～45°之间的限位块。

在上述方案中，所述绕Y轴旋转平台与从动旋转轴的端部分别对应设置有第一离子源夹持块、第二离子源夹持块，所述离子源固定连接于该第一离子源夹持块与第二离子源夹持块之间。

在上述各优选方案中，所述绕X轴旋转平台包括安装部分及转动设置于该安装部分内的转动部分，所述安装部分与支座固定连接，所述转动部分与连接套固定连接。

作为优选，所述绕X轴旋转平台的安装部分与支座之间设置有便于调整距离的垫片。

优选地，所述连接套的连接部外周与支座的内壁之间设置有第一滚动轴承。

优选地，所述第二离子源夹持臂上开有用于安装从动旋转轴的轴孔，该轴孔内壁与所述从动旋转轴外周之间设置有第二滚动轴承，该第二滚动轴承外侧设有轴承密封盖。

进一步优选，所述第二离子源夹持臂的外侧设置有配重块。

在上述各方案中，所述绕X轴旋转平台的安装部分及支座设置于一滑台上并能通过该滑台上下或水平移动。

所述第一光栅回馈机构包括用于控制绕X轴转动速度的第一编码器及用于控制绕X轴转动的位置精度的第一光栅尺；所述第二光栅回馈机构包括用于控制绕Y轴转动速度的第二编码器及用于控制绕Y轴转动的位置精度的第二光栅尺。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明通过马达直接驱动绕X轴旋转平台、绕Y轴旋转平台旋转，与采用旋转电机及齿轮等旋转运动系统相比，一方面没有中间传动环节，有利于提高真空室的洁净度，另一方面，没有反向运动间隙，有效提高了重复定位精度；同时，本发明的结构紧凑、简单，便于制造及安装，且传动结构运动响应频率高、动作速度快，满足了离子束抛光驻留时间的精确控制要求；另外，本发明中设置的第一光栅回馈机构、第二光栅回馈机构分别与第一马达、第二马达有机匹配，进一步提高了驱动装置的转动及定位精度，实现了离子束入射角的无级调整，重复定位精度可达到微米级。

附图说明

图1为本发明实施例的部分结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明实施例的驱动装置安装于滑台上的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1～3所示，本实施例的用于真空环境的精密角度驱动装置包括支座1、连接套2、连接座3、绕X轴旋转平台4、第一离子源夹持臂5、第二离子源夹持臂6、绕Y轴旋转平台7、从动旋转轴8、离子源9及控制系统(图中未示)。

在本实施例中，如图2所示，支座1的中部具有安装口，连接套2能转动的设于支座1的一端并具有能穿过上述安装口的连接部21，连接座3设于支座1的另一端并通过螺栓与连接套2的连接部21固定连接，且连接套2上连接部21的外周与支座1的内壁之间设置有第一滚动轴承300，以使连接套2相对于支座1转动更加稳定，提高装置绕X轴转动的精确度。绕X轴旋转平台4设于支座1的一端并由第一马达驱动运行，绕X轴旋转平台4的输出动子轴100与连接套2固定连接。本实施例中的绕X轴旋转平台4包括安装部分及转动设置于该安装部分内的转动部分，安装部分与支座1通过螺栓固定连接，转动部分通过螺栓与连接套2固定连接。绕X轴旋转平台4的安装部分与支座1之间设置有便于调整距离的垫片200，以使绕X轴旋转平台4与支座1及连接套2之间的连接更加紧凑，降低因装配问题对装置精确度造成的影响。

如图2所示，第一离子源夹持臂5连接于连接座3的一侧，第二离子源夹持臂6连接于连接座3的另一侧并与第一离子源夹持臂5相对布置。绕Y轴旋转平台7通过第二连接套71、第二连接座72连接于第一离子源夹持臂5上，第二连接套71通过螺栓固定连接于第一离子源夹持臂5上，第二连接座72通过螺栓连接于第二连接套71的外端，第二连接座72与第二连接套71构成一安装内腔，绕Y轴旋转平台7能绕Y轴转动的设于该内腔中。本实施例中的绕Y轴旋转平台7包括安装部分及转动设置于该安装部分内的转动部分，绕Y轴旋转平台7的安装部分与第二连接座72通过螺栓固定连接，绕Y轴旋转平台7的转动部分在第二马达的驱动下绕Y轴转动。从动旋转轴8通过螺栓连接于第二离子源夹持臂6上并与绕Y轴旋转平台7相对布置。绕Y轴旋转平台7与从动旋转轴8的端部分别对应设置有第一离子源夹持块51、第二离子源夹持块61，离子源9通过螺栓固定连接于该第一离子源夹持块51与第二离子源夹持块61之间。第二离子源夹持臂6上开有用于安装从动旋转轴8的轴孔，该轴孔内壁与从动旋转轴8外周之间设置有第二滚动轴承400，该第二滚动轴承400外侧设有轴承密封盖401，采用该结构，以使从动旋转轴8相对于第二离子源夹持臂6转动更加稳定，提高装置绕Y轴转动的精确度。第二离子源夹持臂6的外侧设置有配重块500，以增加本实施例驱动装置整体结构的转动稳定性，提高定位精确度。

在本实施例中，绕X轴旋转平台4的内部设置有第一光栅回馈机构，绕Y轴旋转平台7的内部设置有第二光栅回馈机构，控制系统能通过上述第一光栅回馈机构控制绕X轴旋转平台4的运动速度及位置精度，通过第二光栅回馈机构控制绕Y轴旋转平台7的运动速度及位置精度。具体的，第一光栅回馈机构包括第一编码器及第一光栅尺，第一光栅尺能对绕X轴旋转平台4的位置进行检测，而第一编码器能将该信号及绕X轴转动的速度信号传递给控制系统从而形成全封闭的控制回路，进而对绕X轴旋转平台4的运动速度及位置精度进行控制；同理，第二光栅回馈机构包括第二编码器及第二光栅尺，第二光栅尺能对绕Y轴旋转平台7的位置进行检测，而第二编码器能将该信号及绕Y轴转动的速度信号传递给控制系统从而形成全封闭的控制回路，进而对绕Y轴旋转平台7的运动速度及位置精度进行控制。

从动旋转轴8上还设置有能感知该从动旋转轴8转动角度的传感器及能将从动旋转轴8的转动角度限制在-45°～75°之间的限位块81。将转动角度限制在-45°～75°之间，可以进一步提高绕Y轴旋转平台7转动及定位的精确度。本实施例的驱动装置可设置在滑台600上并能通过该滑台600上下或水平移动，以便于调节驱动装置的位置，使用更加方便。

本实施例以离子束抛光430mm×430mm的光学玻璃的角度驱动为例，说明本实施例驱动装置的使用过程。其中，绕X轴回转角度为±40°，绕Y轴回转角度为-40°～+75°，最大旋转速度为8rpm，旋转重复定位精度为±15〞。具体操作过程为：

将被加工件通过输送机构运至真空室加工工位，关闭真空室的插阀门，启动真空系统，首先使真空室内的真空度等指标满足工艺要求，然后确保离子源直线驱动系统运动达到工艺要求。此时，控制系统发出指令，第一马达驱动绕X轴旋转平台4转动，带动连接套2绕X轴转动，连接套2带动连接座3转动，连接座3带动第一离子源夹持臂5与第二离子源夹持臂6转动，第一离子源夹持臂5带动第二连接套71绕X轴转动，第二连接套71带动绕Y轴旋转平台7绕X轴转动，绕Y轴旋转平台7带动第一离子源夹持块51、离子源9、第二离子源夹持块61及从动旋转轴8一起绕X轴旋转。第二马达驱动绕Y轴旋转平台7绕Y轴转动，带动第一离子源夹持块51、离子源9、第二离子源夹持块61及从动旋转轴8一起绕Y轴旋转。

Claims (10)

1.一种用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于包括：

支座，中部具有安装口；

连接套，能转动的设于所述支座的一端并具有能穿过上述安装口的连接部；

连接座，设于所述支座的另一端并与连接套的连接部固定连接；

绕X轴旋转平台，设于所述支座的一端并由第一马达驱动运行，该绕X轴旋转平台的输出动子轴与所述连接套固定连接；所述绕X轴旋转平台内部设置有第一光栅回馈机构；

第一离子源夹持臂，连接于所述连接座的一侧；

第二离子源夹持臂，连接于所述连接座的另一侧并与第一离子源夹持臂相对布置；

绕Y轴旋转平台，由第二马达驱动运行，连接于所述第一离子源夹持臂上，内部设置有第二光栅回馈机构；

从动旋转轴，连接于所述第二离子源夹持臂上并与绕Y轴旋转平台相对布置；

离子源，夹持于所述绕Y轴旋转平台与从动旋转轴之间；以及

控制系统，能通过所述第一光栅回馈机构控制绕X轴旋转平台的运动速度及位置精度，通过所述第二光栅回馈机构控制绕Y轴旋转平台的运动速度及位置精度。

2.根据权利要求1所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述从动旋转轴上设置有能感知该从动旋转轴转动角度的传感器及能将从动旋转轴的转动角度限制在-45°～45°之间的限位块。

3.根据权利要求1所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述绕Y轴旋转平台与从动旋转轴的端部分别对应设置有第一离子源夹持块、第二离子源夹持块，所述离子源固定连接于该第一离子源夹持块与第二离子源夹持块之间。

4.根据权利要求1所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述绕X轴旋转平台包括安装部分及转动设置于该安装部分内的转动部分，所述安装部分与支座固定连接，所述转动部分与连接套固定连接。

5.根据权利要求4所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述绕X轴旋转平台的安装部分与支座之间设置有便于调整距离的垫片。

6.根据权利要求4所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述连接套的连接部外周与支座的内壁之间设置有第一滚动轴承。

7.根据权利要求1所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述第二离子源夹持臂上开有用于安装从动旋转轴的轴孔，该轴孔内壁与所述从动旋转轴外周之间设置有第二滚动轴承，该第二滚动轴承外侧设有轴承密封盖。

8.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述第二离子源夹持臂的外侧设置有配重块。

9.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述绕X轴旋转平台的安装部分及支座设置于一滑台上并能通过该滑台上下或水平移动。

10.根据权利要求1～7中任一权利要求所述的用于真空环境的精密角度驱动装置，其特征在于：所述第一光栅回馈机构包括用于控制绕X轴转动速度的第一编码器及用于控制绕X轴转动的位置精度的第一光栅尺；所述第二光栅回馈机构包括用于控制绕Y轴转动速度的第二编码器及用于控制绕Y轴转动的位置精度的第二光栅尺。