3.7 执行器和机械运动件

研究和工业生产中很多真空过程需要在排空区域移动样品或 部件。是包括三维空间坐标方向的直线位置变化和绕轴旋 转，可以是单个运动或多个运动类型相互之间的组合。

执行器和机械贯通件允许真空中的平移和旋转，其驱动器位 于大气侧且运动以真空密封的方式传输。根据相应的真空和 应用条件，使用几种不同的操作和传输原理。金属膜和弹簧 波纹管、特殊的弹性体密封件、磁耦合系统或差动泵密封件 可用作密封元件。

具有两个中空式法兰连接和一个中空通道的设计被称为操纵 器，在真空密封法兰中安有执行器的部件被称为机械贯通 件。后者的特点是结构紧凑。多个操纵器相互之间可以组合 和扩 展。此外，机械贯通件可与其连接，以便将各种类型的 运动 传输到真空中，从而提供各种运动任务的解决方案。而 且， 其它贯通零部件可连接至入口法兰，例如，用于电力或 流体，这 些可通过操纵器直接引导到应用中。

操纵器的法兰，特别是具有较大公称通径时，会承受相 当大 的大气压力。因此，在操纵器设计过程中，必须非常强调其 固有刚性，以保证法兰在抽空时是稳定的。根据外部负载和 内在部件的其它负载进行专门的设计，可带来高精度运动传 输。内置部件必须能够经受烘烤，以确保在 UHV 范围的使 用。

3.7.1 工作原理

在选择合适的操纵器或机械实施时，用户应该了解基本原 理，以能够评估有关其任务适合性的技术参数.

3.7.1.1 由膜片波纹管密封的平移

薄膜波纹管是由许多单个薄片焊接在一起制成。凭借小的弹 行刚度，轴向拉伸是非常灵活的。波纹管确保严实密封的金 属外壳，且适合于最高的 UHV 要求。

波纹管的选择和设计是根据所需的运动任务，并考虑操作条 件：使用寿命（运动周期数）、工作温度、烘烤温度、压力 差。使用材料 316L，寿命可达 50 万次运动周期；使用更有 弹性但可磁化的材料 350AM，寿命高达 1000 万次运动周 期。

在指定周期数内，膜片波纹管是免保养的。在其达到计算的 运动周期后，需要更换。它们不适用于有灰尘和泥土的环 境。

膜片波纹管用在 Z 轴、XY 轴和 XYZ 轴的高精度操纵器中， 以及端口校准和波纹管旋转密封件中。

在烘烤带有膜片波纹管的装置时，重要的是确保均匀加热。 应避免加热带直接放在膜片波纹管上。它们会导致强烈的局 部加 热，因为膜片波纹管具有较低的质量和较小的热传导面 积。最好使用温度控制加热套，虽然是更加精细的选择

3.7.1.2 波纹管密封的旋转

所谓的香蒲结构的摆动原理能够使用波纹管传输旋转运动， 即： 在真空和大气之间传递严实密封隔离的旋转运动。 图 3.25 显示了此类贯通件的设计。倾斜的传动轴 (1)，其末 端连接在曲柄销 (3) 上，带动在真空中旋转的传动轴 (4)。严 实的密封是由只做摆动运动而不做旋转运动的波纹管密封件 (2)来实现的。主 动轴和从动轴都由不锈钢球轴承支撑，其上 覆盖了真空适用的干 式润滑层。

干式润滑不仅增加使用寿命和可行的最大速度，而且防止滚 珠在高温烘烤过程中被卡住。除干式润滑外，带有陶瓷滚珠 的混合 轴承也可用于 UHV 应用，其高昂的价格使其仅适合 于最高标 准的应用。另外，对于能够耐受少量有机物的高真 空应用，轴承也可用 真空适用的油脂润滑。

3.7.1.3 磁耦合旋转和平移

磁耦合用于严实的旋转或直线运动密封件。其包括一个位于 外部的 永磁体阵列，用来驱动也带有磁铁的转子在真空中做 旋转/平移运动。两个部件之间通过薄壁管实现完全真空密 封。内外转 子磁铁之间的距离应该尽可能小，以便使其相互 之间的耦合力尽可能大。内部转子连接至要移动的应用，外 部磁转子靠手动移 动或通过电机驱动。内部轴承使用适用于 真空的干式润滑进行 润滑.

通常情况下，使用高性能的稀土磁铁，比如钐钴磁铁。它们 能获得尽可能高的耦合强度，同时具有优异的耐高温性，如 在烘烤过程中的高温。此类磁耦合系统适合于 UHV 应用。虽 然大部分磁场被屏蔽了，但磁场线的分散是无法完全避免 的。因此，用户必须检查其应用是否足以抵抗残余磁场。

凭借磁耦合系统，可实现旋转和直线运动以及旋转/直线的同 时传递。可传输的位移力和扭矩受到磁铁数量及其排列的限 制。所能达到的精度取决于要移动物质的质量。磁场充当两 个耦合搭档之间的弹簧。外力和扭矩越高，内外转子之间的 位置偏差越大。与最大允许值相比，如果外力和力矩比较 低，则可精确地传输运动。

3.7.1.4 密封的弹性体旋转和平移

对于承受动态应力的真空适用密封件，使用特殊的弹性体密 封件，其往往由 FKM（含氟弹性体）材料制成。壳体、密封 件和驱动器轴之间限制尺寸的调整必须谨慎进行，同样也适 用于表面处理的设计与实现。

为了应对频繁的运动以及增强密封效果，弹性体密封件必须 在 运动接触点处进行润滑，从而减少摩擦、防止过早磨损， 以及校 平表面上的细微不平整。选择合适的真空润滑脂或 油，除了考虑最高的操作和烘烤温度外，还必须考虑其它特 性，特别是蒸气压。

弹性体贯通密封件只可部分烘烤。此外，必须检查成分中含 有的润滑脂或少量的有机物是否与应用兼容。在考虑这些局 限性 时，如果对真空质量上的要求不是很高，弹性体机械密 封件则可用于替代那些功能原理更优越的昂贵设备。

采用通轴的连续执行器的优势是大气侧的驱动器直接连接到 真空侧应用，而在。没有定位误差作或载荷误差。根据执行 器轴的尺寸和安装，也可移动较大的负载。

凭借弹性体密封件，可实现旋转和直线运动以及旋转与直线 同时运动的密封。

3.7.1.5 通过带抽吸间隙的滑动垫片进行旋转

制造具有自由通道和法兰且彼此可自由旋转的操纵器的唯一 方法是用滑动垫片。由于滑动垫片单独不能提供 UHV 密封 隔离，所以将多个垫片进行串联排列，并对中间间隙抽真 空。通常是三个特殊的 PTFE 滑动垫片串联成一组安装。对 于第一个间隙，用一个前级泵就够了。如果内部要求UHV 条 件，需要用额外的中间抽空，并将高 真空泵与其连接。

3.7.2 准确性、可重复的精确度与分辨率

操纵器和机械贯通件有很多不同的任务。它们的范围从具有 指定速度的连续直线和旋转运动到精确定位任务。运输样品 进行分析，在操作室之间移动系列产品或在其测量点移动位 置测量头—此类任务通常只需要精确度在 0.1 到 1 mm 之 间。其它定位过程需要最准确、可重复精确度仅为几微米， 或者对于扫描之类任务，最佳分辨率为 1 µm。

为了能够正确识别操纵器或机械贯通件的选择要求，了解以 下定义以及设备性能和错误来源很重要。

准确性（精确度）描述所希望的位置和实际达到位置之间的 偏差。从一个位置开始，从刻度上人工读取或通过电机驱 动，在某个位置上结束由定义的刻度移动数或电机节距来确 定。

因此，准确性由多种因素决定。如果没有准确的声明，这 里 有一些方面需要经常考虑：刻度读数有多准确？轮移动有 多 准确？电机分度的步长有多大？运动准确地遵循电机分度 吗？此外，导轨和驱动器部件的特性对准确性来说是关键： 螺距误差和主轴驱动器作用有多大？与线性导程的理想情况 之间的偏差有多大？此外，附件或外部负载的空气压力导致 驱动器和导向单元变形。如果操纵器不能确保足够的稳定 性，可移动法兰在排空过程中向连接法兰倾斜。

可重复精确度描述，可以多次达到某个位置的偏差。最好高 于或等于精确度，因为并不是所有错误都有记 录。例如，与 部件作用不一样，主轴螺距误差或导程偏差不 会产生任何影 响。

分辨率描述运动的最小可能增量。导程误差或导引精确度也 不会产生任何影响。在这里，最小可读刻度或电机的最小增 量是关键。对这个的要求是，导向和驱动单元遵循规范。例 如，因为部件有弹性，同时其静摩擦与动摩擦不同，就涉及 到滑动摩擦副的回弹（粘滑效应），这种 影响可以决定分辨 率。循环球式系统（滚珠丝杠）不受这种影响，并且对 于苛 刻的定位任务，它们比滑动单元更可取。

3.7.3 技术设备和特点

操纵器和机械贯通件可进行简单或复杂的机械设计。因此， 应密切观察，相应的设备是否满足有关准确性、耐久性和保 养方面的要求，以及是否符合人体工程学的可操作性。

3.7.3.1 Z 轴精密操纵器的设计特点

与传统的梯形和公制螺丝驱动器或滑动导轨相比，具有轴驱 动器和导向的循环球（滚珠丝杠）系统的使用具有几个显著 的优势。由于其摩擦小，循环球系统具有高效率，且其较大 的公称通径特 别有利。尽管外部负载高（如真空状态下的压 力差），它们允许用适度的操作力轻松进行行程调整。先前 描述的粘滑效应不存在了，因此，可提供非常精细的分辨 率，且不会出现很大的启 动转矩，启动转矩使得操作更困难 且尤其对电机驱动器具有不利影响。这样也没有必要设置连 接电机的减速齿轮了。另一个优势是非 常低的磨损水平，在 不产生油脂污染的洁净环中，通过高品质、长期高温润滑脂 的初始润滑将几乎可以无限期地持 续下去，并无需保养。

耐弯曲导向体对精确度有很大影响。选择不锈钢制成的稳定U 型结构具有更大的刚性、用料更少重量更轻。在 U 型内部， 导轨被螺丝固定在背板上。与无法得到支撑、自由运行的轴 导向相比，型轨具有低变形结构，甚至在重负载 下，在全行程范围内，实现符合所有空间轴的精确调整。

波纹管单元通常是为充分利用行程 10,000 次而设计的。波纹 管的互换性确保仍然可以使用高品质导向和驱动机构的操纵 器。

3.7.3.2 XY 轴精密操纵器的设计特点

XY 轴精密操纵器的设计特点是非常稳定的设计，这代表重 量、尺寸和稳定性之间的平衡。其承重基本结构是抗扭的且 是由铝合金制成的，其表面进行阳极氧化，从而得到持久的 保护。

精密交叉滚动轴承导轨保证了使用寿命与最大精确度。两个 轴通过带有大驱动鼓的微米螺丝钉手动制动。它具有非常好 的刻度可读性，确保设置简单且符合人体工程学设计，从而 产生高分辨率。

围绕波纹管单元的间隙允许装配加热套，从而能对其进行均 匀的加热。而且，波纹管单元易于更换，因此在配置的周期 数已用尽后，可进行更换。