摘 要

真空系统样品姿态控制装置是一款最新研发设计的真空动力传递装置，它利用金属波纹管动密封，将真空系统外部的动力传递到真空系统内部，以达到控制真空系统样品姿态的目的。

本文的主要研究内容就是设计一套机构将运动（X直进，Y直进，Z直进和Z轴旋转系统）传递给超高真空系统中的样品，用于精确控制样品在真空中的姿态。本文将根据真空系统样品姿态控制装置特点和性能要求，讨论和分析装置不同方案的优点及缺点，选定真空系统样品姿态控制装置的整体方案。由此确定各零件的类型、结构以及润滑方式，对重要位置的关键零部件结构提出多套设计方案，再对方案的成本和性能进行比较，最终确定工作台各零部件的结构设计方案，并根据零件本身需要对其进行校核验算，确保工作台能够安全、高效的工作。

研究结果表明在设计此类机构时，对真空动密封的设计尤为重要。在不同的动密封方式中，选择最适合的一种，同时运动范围力求最大化。此外，传动装置的设计合理程度也至关重要，不仅要保证传动的高效性，还要对结构进行轻量化设计。

本文通过SolidWorks软件对机构进行三维建模，较为清晰地展现了机构的结构特征。对模型进行运动仿真，细致地展示了机构的工作原理。并通过Ansys软件对关键零部件进行有限元分析，以检验其结构设计是否合理。由此，及时地对机构进行优化设计，从而达到设计要求。

关键词：真空；动密封；xyz工作台；有限元分析

Abstract

Attitude control means sample vacuum system is a newly developed vacuum power transmission device design, which uses metal bellows seals for the transfer of power to an external vacuum system inside the vacuum system, the vacuum system in order to achieve the purpose of the control sample posture.

The main contents of this paper is to design a mechanism motion (X straight, Y straight, straight Z and Z-axis rotation system) to the ultra-high vacuum system samples for precise control samples in vacuum gesture . In this paper, the control device characteristics and performance requirements based on a sample vacuum system attitude, advantages and disadvantages of different options discussion and analysis device, the selected sample vacuum system posture control means the overall program. Thereby determining each part type, structure and lubrication of the important position of key components of the proposed structure sets of design, cost and performance programs and then compare the final design stage to determine the structure of the various components, and it needs to be checked in accordance with checking the part itself, the table can ensure safe and efficient work.

The results show that in the design of such institutions, the dynamic vacuum seal design is particularly important. In a different dynamic sealing mode, choose the most suitable one, and strive to maximize the range of motion. In addition, a reasonable degree of gearing design is also crucial, not only to ensure efficient transmission, but also on the structure of lightweight design.

Through SolidWorks software for three-dimensional modeling agency, more clearly show the structural features of institutions. The model motion simulation and detailed demonstration of the principle agencies. By Ansys software key parts finite element analysis to test its structural design is reasonable.Thus, in a timely manner to optimize the design of the mechanism, so as to meet the design requirements.

Key Words：Vacuum；Dynamic seal；xyz table；Finite Element Analysis

目 录

第1章 绪论 1

1.1 本课题的目的 1

1.2 本课题的研究意义 1

1.3 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 2

1.4 拟采取的研究方法、技术路线 3

第2章 机构的总体方案和结构选型 4

2.1 机构的布局方案 4

2.2 动密封的选择 5

2.3 波纹管传动方案的选择 8

2.4 真空用橡胶密封圈 10

2.5 Z方向传动机构的选择 15

2.6 法兰的选择 27

2.7 本章小结 30

第3章 关键零部件的设计与计算 31

3.1 螺杆螺母的设计与计算 31

3.2 直线导轨的设计与计算 35

3.3 联轴器的选型 39

3.4 本章小结 40

第4章 机构的具体设计 42

4.1 xyz 工作台的设计 42

4.2 箱体结构的设计 45

4.3 动密封结构的设计 47

4.4 本章小结 52

第5章 有限元分析 53

5.1 建立模型 53

5.2 材料特性输入 53

5.3 施加载荷与约束 53

5.4 模型的网格划分 54

5.5 结果分析 54

总结 56

参考文献 57

致 谢 59

第1章 绪论

1.1 本课题的目的

“真空”是指在指定的空间内比一个大气压低的气体状态，即该空间里面的气体分子密度比当地的大气中所含气体分子密度小^[1]。随着科学技术不断发展，现代真空系统的应用越来越广泛。真空系统为人们创造了大气中难以获得的科学实验和生产工艺条件；在真空系统中，生物科学实验有机污染较少，混合或实验测定误差也较少，具有很高的安全性；在真空系统中，没有容器也可以冶炼金属，杂质含量非常少，可以得到高品质的合金；在真空系统中，金属或非金属按不同的密度混合均匀，可以获得新的合金材料。

在这些真空环境下所做的实验中，往往需要改变物体的姿态达到某一目的。真空设备中，如果想要调整真空系统内样品的姿态，过去的做法是：打开真空腔，调整真空腔内的样品的姿态，再将真空腔抽成真空状态，对样品进行一系列实验后，如果需要再次打开真空腔调整真空腔内样品姿态，则再重复按上述步骤，如此不停循环^[2]。这种传统老旧的方式过于浪费人力物力，亦不能保证真空系统内样品实验的精确，甚至还有可能会对真空设备造成破坏。虽然目前有真空系统中的姿态控制装置，但多数结构较为复杂，改造余地小，制作成本较高，对不同真空系统的兼容性较差。对新型真空系统中的姿态控制装置的呼声已随着近年来高新技术的发展而更加迫切。本课题针对某真空系统中所涉及的样品姿态控制系统进行设计研究，分析了现有真空系统样品姿态控制装置的一般工作原理，同时结合本项目所需要的真空系统样品姿态控制装置的类型，最终设计一种新的机构来控制真空系统中的样品姿态。