一种可在三自由度运动的阴极支架的制作方法
【专利摘要】一种可在三自由度运动的阴极支架，它涉及一种阴极支架。本发明为了解决现有阴极支架在不关闭并重新开启真空系统的条件下，不便改变阴极位置和角度的问题。本发明的一种可在三自由度运动的阴极支架，包括第一转速直流减速电机、第二转速直流减速电机、联轴器、传动丝杆、横向定位板、纵向定位板、多个定位丝杆、多个光滑管、多个定位垫片、带槽螺母固定板、平板螺母固定板、伞齿轮配合机构、锥齿轮定位板、直尺、量角器、指针条、锥齿轮短螺杆、阴极基板、绝缘陶瓷板、阴极孔板和多个陶瓷垫片，横向定位板包括相互平行设置的第一横向定位板、第二横向定位板、第三横向定位板和第四横向定位板，纵向固定板包括相互平行设置的第一纵向固定板、第二纵向固定板、第三纵向固定板和第四纵向固定板。本发明用于阴极的实验装置。
【专利说明】—种可在三自由度运动的阴极支架
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种等离子体推力器的阴极支架，具体涉及一种可在三自由度运动的阴极支架。
【背景技术】
[0002]阴极是激活霍尔效应等离子体推力器，使其点火并维持其正常工作的一种重要的设备。现在经常使用的阴极类型包括空心阴极，空心阴极的工作原理是通过电流的热效应加热阴极内部的发射体材料，使发射体材料释放自由电子，自由电子通过电离通过空心阴极的气体工质产生更多的电子，这些电子在点火电压或触持极电压产生的空间电场下被发射出阴极，进入推力器的磁场中，在阳极电压产生的电势差下沿着磁感线进入推力器通道内部,参与气体工质的电离和加速过程。
[0003]阴极在推力器中不同的位置和角度会使从阴极射出的电子进入不同的磁感线，会影响进入推力器中的电子的密度和分布，进而影响气体工质的电离率和加速效果，所以影响了推力器的推力、效率等宏观性能参数。但阴极所在的位置和电子发射角度的变化对发动机性能参数的影响是一个复杂的物理过程，因此需要借助实验测量来具体分析阴极位置对推力器整体性能的影响。由于阴极和推力器需要在接近真空的环境中使用，而且每次开启和关闭真空系统需要消耗较长时间和较多能源，而且在关闭并重新开启真空系统的过程中可能造成其他实验条件的改变，因此需要尽量在开启一次真空系统的状态下能够调节阴极的位置和角度，方便快捷并稳定地改变实验的变量。
[0004]由于推力器是轴心对称的结构，而且阴极在正常工作时其电子发射的方向也与中轴线在同一平面内，因此在设计阴极支架时需要满足能够改变阴极在径向R、轴向Z的位置和阴极与中轴线的夹角等三个自由度。阴极需要加热发射体才能正常工作，在正常工作时温度很高，可达约1800K，因此在设计时需要注意将电机等受热易损坏的部件远离阴极和推力器工作的羽流区域。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决现有阴极支架，在不关闭并重新开启真空系统的条件下，不便改变阴极位置和角度的问题。进而提供一种可在三自由度运动的阴极支架。
[0006]本发明的技术方案是:一种可在三自由度运动的阴极支架，包括第一转速直流减速电机、第二转速直流减速电机、联轴器、传动丝杆、横向定位板、纵向定位板、多个定位丝杆、多个光滑管、多个定位垫片、带槽螺母固定板、平板螺母固定板、伞齿轮配合机构、锥齿轮定位板、直尺、量角器、指针条、锥齿轮短螺杆、阴极基板、绝缘陶瓷板、阴极孔板和多个陶瓷垫片，横向定位板包括相互平行设置的第一横向定位板、第二横向定位板、第三横向定位板和第四横向定位板，纵向固定板包括相互平行设置的第一纵向固定板、第二纵向固定板、第三纵向固定板和第四纵向固定板；
[0007]光滑管内部设有定位丝杆,多根光滑管和传动丝杆分别穿过横向定位板和纵向定位板上的通孔，第二横向定位板和第三横向定位板的两端分别与第二纵向定位板和第三纵向定位板固定连接，带槽螺母固定板设有供传动丝杆通过的通孔，带槽螺母固定板通过平板螺母固定板分别与横向定位板和纵向定位板固定连接，第一转速直流减速电机和第二转速直流减速电机分别通过联轴器与传动丝杆固定连接；
[0008]两锥齿轮定位板分别固定连接在第四横向定位板的两端，伞齿轮配合机构设于两锥齿轮定位板中间且其一端与传动丝杆通过螺栓配合，另一端与第四横向定位板接触配合；锥齿轮短螺杆的一端穿过锥齿轮定位板且其通过两螺母夹紧量角器，锥齿轮短螺杆的另一端穿过锥齿轮定位板以拧紧阴极基板，阴极基板与锥齿轮短螺杆通过螺栓与陶瓷垫片连接，指针条两端的螺栓使其与锥齿轮短螺杆的位置相对固定，绝缘陶瓷板与阴极基板和阴极孔板固定配合；第二横向定位板、第三横向定位板、第二纵向固定板和第三纵向固定板的侧面均设有与直尺固定连接的螺纹孔。
[0009]本发明的有益效果是:通过在真空罐外调节不同电机的控制开关，能够实现在不关闭并重新打开真空系统的情况下调节阴极的径向和轴向位置以及阴极的角度，能够方便快速的研究阴极的不同位置和角度对推力器性能参数的影响，通过锥齿轮的进一步减速设计，能够更精确的控制阴极的角度，可以更细致研究阴极的角度变化对推力器性能参数的影响，同时能够将电机系统远离高热的阴极，达到保护电机正常工作的目的，对阴极和阴极支架之间进行绝缘设计，能够避免在高电压的情况下推力器和阴极支架之间发生击穿的情况，保证了阴极的正常工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是本发明可在三自由度运动的阴极支架的剖视俯图。
[0011]图2是本发明可在三自由度运动的阴极支架的剖视俯图。
[0012]图3是本发明可在三自由度运动的阴极支架的剖视俯图。
[0013]图4是本发明可在三自由度运动的阴极支架的剖视俯图。
[0014]图5是本发明可在三自由度运动的伞齿轮配合机构的结构示意图。
[0015]图6是本发明可在三自由度运动的量角器的结构示意图。
[0016]图7是本发明可在三自由度运动的阴极基板的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]【具体实施方式】一:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的一种可在三自由度运动的阴极支架，其特征在于，包括第一转速直流减速电机1、第二转速直流减速电机2、联轴器3、传动丝杆4、横向定位板5、纵向定位板6、多个定位丝杆7、多个光滑管8、多个定位垫片9、带槽螺母固定板10、平板螺母固定板11、伞齿轮配合机构12、锥齿轮定位板13、直尺14、量角器15、指针条16、锥齿轮短螺杆17、阴极基板18、绝缘陶瓷板19、阴极孔板20和多个陶瓷垫片21,横向定位板5包括相互平行设置的第一横向定位板51、第二横向定位板52、第三横向定位板53和第四横向定位板54,纵向固定板6包括相互平行设置的第一纵向固定板61、第二纵向固定板62、第三纵向固定板63和第四纵向固定板64 ；
[0018]光滑管8内部设有定位丝杆7,多根光滑管8和传动丝杆4分别穿过横向定位板5和纵向定位板6上的通孔,第二横向定位板52和第三横向定位板53的两端分别与第二纵向定位板62和第三纵向定位板63固定连接,带槽螺母固定板10设有供传动丝杆4通过的通孔，带槽螺母固定板10通过平板螺母固定板11分别与横向定位板5和纵向定位板6固定连接，第一转速直流减速电机I和第二转速直流减速电机2分别通过联轴器3与传动丝杆4固定连接；
[0019]两锥齿轮定位板13分别固定连接在第四横向定位板54的两端,伞齿轮配合机构12设于两锥齿轮定位板13中间且其一端与传动丝杆4通过螺栓配合，另一端与第四横向定位板54接触配合；锥齿轮短螺杆17的一端穿过锥齿轮定位板13且其通过两螺母夹紧量角器15，锥齿轮短螺杆17的另一端穿过锥齿轮定位板13以拧紧阴极基板18，阴极基板18与锥齿轮短螺杆17通过螺栓与陶瓷垫片21连接，指针条16两端的螺栓使其与锥齿轮短螺杆17的位置相对固定，绝缘陶瓷板19与阴极基板18和阴极孔板20固定配合；第二横向定位板52、第三横向定位板53、第二纵向固定板62和第三纵向固定板63的侧面均设有与直尺14固定连接的螺纹孔。
[0020]对上述实施方式作进一步说明:
[0021 ] 所述的联轴器,横向定位板,纵向定位板，定位垫片，带槽螺母固定板，平板螺母固定板，锥齿轮定位板，控制板，阴极基板均采用铝合金材料制成；所述的传动丝杆，定位丝杆，光滑管，直尺，量角器，指针条，伞齿轮配合机构，锥齿轮短螺杆，多个螺栓，多个螺母，多个垫片，阴极孔板均采用不锈钢材料制成；所述的绝缘陶瓷板，陶瓷垫片均采用氧化铝材料制成。
[0022]所述的第一转速直流减速电机的产品型号为JGB37-520，额定工作电压为24V，空载转速为107rpm,负载转矩时转速为85rpm,扭矩为lkg*cm,最大外径为37mm,转轴直径为6mm，总长度为71.7mm，重量为158g ;所述第二转速直流减速电机的产品型号为JGB37-520，额定工作电压为24V,空载转速为7rpm,负载转矩时转速为5.6rpm,扭矩为16kg*cm,最大外径为37mm，转轴直径为6mm，总长度为76.7mm，重量为170g ;所述联轴器为铝合金弹性联轴器，夕卜景为19mm,高度为25mm,两端的内径均为6mm。
[0023]三个第一转速直流减速电机I分别通过联轴器3与三个传动丝杆4的一端固定连接，其中的一个第一转速直流减速电机和第二转速直流减速电机通过螺栓连接与横向定位板5固定配合,另外两个第一转速直流减速电机通过螺栓连接与纵向定位板6固定配合；三个传动丝杆4上套有与其配合的六角螺母；六角螺母被三个带槽螺母固定板10和三个平板螺母固定板11夹紧配合；
[0024]带槽螺母固定板10为带孔的平板结构，板上有5个通孔，其中的4个通孔通过螺栓配合与平板螺母固定板11及横向定位板5或纵向定位板6固定连接，中间的通孔通过传动丝杆4，带槽螺母固定板10中间的矩形槽的尺寸恰好可以放入螺母，并将螺母定位；
[0025]平板螺母固定板11为带孔的平板结构，设有5个通孔，其中4个通孔通过螺栓配合与带槽螺母固定板10及横向定位板5或纵向定位板6固定连接，中间的通孔通过传动丝杆；
[0026]横向定位板5为矩形板状结构，板上钻有多个通孔，其中12个通孔可以用于和第一转速直流减速电机I及第二转速直流减速电机2通过螺栓配合进行连接，其中的2个较大的通孔可以用于通过第一转速直流减速电机及第二转速直流减速电机的转动轴，其中的八个通孔可以用于通过八根定位丝杆或光滑管，在横向定位板5的两对侧面攻有螺纹孔；纵向固定板6为矩形板状结构，开有多个通孔，其中12个通孔可以用于和第一转速直流减速电机通过螺栓配合进行连接，其中的两个较大的通孔可以用于通过第一转色直流监督电机的转动轴，其中的8个通孔可以用于通过8根定位丝杆或光滑管，其中的4个通孔可以通过螺栓配合与横向定位板5进行固定配合。
[0027]定位丝杆7分别穿过光滑管8，光滑管8分别穿过横向定位板5和纵向定位板6上的通孔，保证横向定位板5和纵向定位板6在运动过程中沿着光滑管8的轴向运动,定位垫片被固定在光滑管8的两端和横向定位板5及纵向定位板6上的通孔之间，确保光滑管8在两块横向定位板5或两块纵向定位板6之间的位置保持不变；
[0028]所述的横向定位板5为矩形板状结构，横向定位板5上的通孔沿长度方向上对称分布，距长度方向上的对称轴两端有一通孔，用于通过第一转速直流减速电机或第二转速直流减速电机的转动轴，距对称轴两端设有两个通孔，用于通过光滑管8，与光滑管8间隙配合，在对称轴两端的两个正方形平面上，以正方形的几何中心为圆心，沿直径区域均匀钻有6个通孔，用于和第一转速直流减速电机或第二转速直流减速电机或带槽螺母固定板和平板螺母固定板通过螺栓配合固定连接，
[0029]所述的纵向定位板6为矩形板状结构，纵向定位板6上的通孔沿长度方向上对称分布，距长度方向上有一个通孔，用于通过第一转速直流减速电机的转动轴，另有两个通孔用于通过光滑管8，与光滑管间隙配合，以距对称轴中心为圆心，沿直径的区域均匀钻有6个通孔，用于和第一转速直流减速电机或带槽螺母固定板10和平板螺母固定板11通过螺栓配合固定连接，距对称轴两端有两个通孔，用于和横向固定板5侧面的螺纹孔通过螺栓配合连接固定，在纵向定位板的相距40mm的I对侧面上，分别攻有两个M3螺纹孔，通过螺栓连接与直尺14配合固定；
[0030]所述的带槽螺母固定板10为板状结构，在较长的一个侧面上设计有两个45度倒角，板上有4个通孔，与横向定位5板或纵向定位板6上均匀分布的6个孔其中的4个通过螺栓配合固定连接，板中心有一通孔，以该通孔的圆心为几何中心设计有一矩形槽，可以将M6的标准六角螺母嵌入槽中，带槽螺母固定板11通过与平板螺母固定板夹紧来固定M6六角螺母；
[0031]所述的平板螺母固定板11为板状结构，在较长的一个侧面上设计有两个45度倒角，板上有4个孔，与横向定位板5或纵向定位板6上均匀分布的6个孔其中的4个通过螺栓配合固定连接，板中心有通孔，平板螺母固定板通过与带槽螺母固定板夹紧来固定M6六角螺母；
[0032]所述的锥齿轮定位板13为矩形板状结构，在长度方向上的一端钻有两个对称的通孔，通过螺栓配合与横向定位板5固定连接，在一个侧面处钻有I个通孔，用于通过锥齿轮短螺栓，在该通孔的两侧钻有两个对称的螺纹通孔，通过螺栓配合与量角器15上的两个通孔固定连接；
[0033]所述的指针条16通过指针条两侧的两个螺栓夹紧使其与锥齿轮短螺杆的位置相对固定，能够随着锥齿轮短螺杆17 —起转动，并保持其指针方向与阴极的方向相同，因此能够在量角器上指示出阴极所在的方向；
[0034]所述的阴极基板18为矩形板状结构，通过螺栓和陶瓷垫片21配合与绝缘陶瓷板19和阴极孔板20固定连接，在长厚面的几何中心处设有M6螺纹孔，和锥齿轮短螺杆17通过螺纹拧紧连接；
[0035]所述的绝缘陶瓷板19为带凸台的矩形板状结构，凸台沿一条长度边形成，在长宽面上沿长度方向钻有对称的两个通孔，通过螺栓配合与阴极基板18和阴极孔板20固定连接；所述的阴极孔板20为矩形板状结构，在长宽面上钻有对称的两个通孔，通过螺栓和陶瓷垫片21配合与绝缘陶瓷板和阴极基板固定连接，在长宽面上距另一条宽度边上钻有对称的两个通孔，通过螺栓配合与阴极固定连接；
[0036]所述的锥齿轮短螺杆17的螺纹为M6，锥齿轮短螺杆的一端与指针条通过双螺母夹紧配合，锥齿轮短螺母的中心与多齿数锥齿轮通过其侧面的螺栓夹紧配合，锥齿轮短螺杆的另一端与阴极羁绊通过螺纹拧紧配合固定，根据阴极支架和阴极的安装方式可以调节锥齿轮短螺杆的配合位置，使阴极能够在推力器的中心平面上运动。
[0037]【具体实施方式】二:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的多个定位垫片9被固定在光滑管8的两端和横向定位板5及纵向定位板6上的通孔之间；传动丝杆4上套有与其配合的六角螺母，六角螺母与带槽螺母固定板和平板螺母固定板11夹紧配合；带槽螺母固定板10中间设有一可以放入螺母的矩形槽，其并与平板螺母固定板11固定以将螺母定位；平板螺母固定板11设有供通过传动丝杆4通过的通孔以及可以用于通过定位丝杆7或光滑管8的通孔。其它组成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0038]【具体实施方式】三:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的带槽螺母固定板11为板状结构且开有一可以嵌入螺母的矩形槽，带槽螺母固定板11通过与平板螺母固定板10夹紧来固定螺母。其它组成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0039]【具体实施方式】四:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的阴极基板18为矩形板状结构，通过螺栓和陶瓷垫片配合与绝缘陶瓷板和阴极孔板固定连接，其开设的螺纹孔和锥齿轮短螺杆17通过螺纹拧紧连接；绝缘陶瓷板19为带凸台的矩形板状结构，其通过螺栓配合与阴极基板18和阴极孔板20固定连接。其它组成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0040]【具体实施方式】五:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的阴极孔板20 —端通过螺栓依次连接陶瓷垫片21、绝缘陶瓷板19和阴极基板，另一端通过螺栓与阴极连接。其它组成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0041]【具体实施方式】六:结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式的伞齿轮配合机构12包括相互啮合的少齿数锥齿轮121和多齿数锥齿轮122,多齿数锥齿轮122的底部端面与锥齿轮定位板13的一端面配合，多齿数锥齿轮122通过拧紧侧面的螺纹通孔上的螺栓与锥齿轮短螺杆17固定配合。减速伞齿轮配合为I模的15齿陪75齿的锥形齿轮配合，传动比为1:5。其它组成和连接关系与【具体实施方式】一相同。
[0042]发明的可在三自由度运动的阴极支架，通过控制竖直方向直流电机的运动方向，能够调整阴极的高度；通过控制水平轴向直流电机的运动方向，能够调整阴极与推力器出口之间的距离；通过控制外加锥齿轮组的水平直流电机的运动，能够调整阴极的角度。
[0043]上述内容仅为本发明的较佳实施例，并非用于限制本发明的实施方案，本领域普通技术人员根据本发明的主要构思和精神，可以十分方便地进行相应的变通或修改，故本发明的保护范围应以权利要求书所要求的保护范围为准。
【权利要求】
1.一种可在三自由度运动的阴极支架，其特征在于，包括第一转速直流减速电机(I)、第二转速直流减速电机(2)、联轴器(3)、传动丝杆(4)、横向定位板(5)、纵向定位板(6)、多个定位丝杆(7)、多个光滑管(8)、多个定位垫片(9)、带槽螺母固定板(10)、平板螺母固定板(11)、伞齿轮配合机构(12)、锥齿轮定位板(13)、直尺(14)、量角器(15)、指针条(16)、锥齿轮短螺杆(17)、阴极基板(18)、绝缘陶瓷板(19)、阴极孔板(20)和多个陶瓷垫片(21),横向定位板(5)包括相互平行设置的第一横向定位板(51)、第二横向定位板(52)、第三横向定位板(53)和第四横向定位板(54),纵向固定板(6)包括相互平行设置的第一纵向固定板(61)、第二纵向固定板(62)、第三纵向固定板(63)和第四纵向固定板(64)； 光滑管(8)内部设有定位丝杆(7)，多根光滑管(8)和传动丝杆(4)分别穿过横向定位板(5)和纵向定位板(6)上的通孔,第二横向定位板(52)和第三横向定位板(53)的两端分别与第二纵向定位板￠2)和第三纵向定位板￠3)固定连接，带槽螺母固定板(10)设有供传动丝杆(4)通过的通孔，带槽螺母固定板(10)通过平板螺母固定板(11)分别与横向定位板(5)和纵向定位板(6)固定连接,第一转速直流减速电机(I)和第二转速直流减速电机(2)分别通过联轴器(3)与传动丝杆(4)固定连接； 两锥齿轮定位板(13)分别固定连接在第四横向定位板(54)的两端,伞齿轮配合机构(12)设于两锥齿轮定位板(13)中间且其一端与传动丝杆(4)通过螺栓配合，另一端与第四横向定位板(54)接触配合；锥齿轮短螺杆(17)的一端穿过锥齿轮定位板(13)且其通过两螺母夹紧量角器(15)，锥齿轮短螺杆(17)的另一端穿过锥齿轮定位板(13)以拧紧阴极基板(18)，阴极基板(18)与锥齿轮短螺杆(17)通过螺栓与陶瓷垫片(21)连接，指针条(16)两端的螺栓使其与锥齿轮短螺杆(17)的位置相对固定，绝缘陶瓷板(19)与阴极基板(18)和阴极孔板(20)固定配合；第二横向定位板(52)、第三横向定位板(53)、第二纵向固定板(62)和第三纵向固定板￠3)的侧面均设有与直尺(14)固定连接的螺纹孔。
2.根据权利要求1所述的可在三自由度运动的阴极支架，其特征在于，多个定位垫片(9)被固定在光滑管(8)的两端和横向定位板(5)及纵向定位板(6)上的通孔之间；传动丝杆(4)上套有与其配合的六角螺母，六角螺母与带槽螺母固定板和平板螺母固定板(11)夹紧配合；带槽螺母固定板(10)中间设有一可以放入螺母的矩形槽，其并与平板螺母固定板(11)固定以将螺母定位；平板螺母固定板(11)设有供通过传动丝杆(4)通过的通孔以及可以用于通过定位丝杆(7)或光滑管(8)的通孔。
3.根据权利要求1所述的可在三自由度运动的阴极支架，其特征在于，带槽螺母固定板(11)为板状结构且开有一可以嵌入螺母的矩形槽，带槽螺母固定板(11)通过与平板螺母固定板(10)夹紧来固定螺母。
4.根据权利要求1所述的可在三自由度运动的阴极支架，其特征在于，阴极基板(18)为矩形板状结构，通过螺栓和陶瓷垫片配合与绝缘陶瓷板和阴极孔板固定连接，其开设的螺纹孔和锥齿轮短螺杆(17)通过螺纹拧紧连接；绝缘陶瓷板(19)为带凸台的矩形板状结构，其通过螺栓配合与阴极基板(18)和阴极孔板(20)固定连接。
5.根据权利要求1所述的可在三自由度运动的阴极支架，其特征在于，阴极孔板(20)一端通过螺栓依次连接陶瓷垫片(21)、绝缘陶瓷板(19)和阴极基板，另一端通过螺栓与阴极连接。
6.根据权利要求1所述的可在三自由度运动的阴极支架，其特征在于，伞齿轮配合机构(12)包括相互啮合的少齿数锥齿轮(121)和多齿数锥齿轮(122),多齿数锥齿轮(122)的底部端面与锥齿轮定位板(13)的一端面配合，多齿数锥齿轮(122)通过拧紧侧面的螺纹通孔上的螺栓与锥齿轮短螺杆(17)固定配合。
【文档编号】H05H1/24GK104202896SQ201410398482
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月13日 优先权日:2014年8月13日
【发明者】马成毓, 刘辉, 陈蓬勃, 孙国顺, 胡鹏, 于达仁 申请人:哈尔滨工业大学