一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置的制作方法

本发明属于洁净制造技术领域，具体涉及一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置。

背景技术：

大面积光学元件的洁净是当前高功率激光装置、大型光学系统、空间望远镜等领域亟需解决的关键难题。在光学系统中，大面积光学元件表面必须保持很高的洁净度。例如在高功率激光装置中，光学元件表面的污染会吸收激光的能量，产生能量聚集区。当高能量的激光持续作用到元件表面的能量聚集区时，将会使其表面受到严重的损伤，甚至造成光学元件的损坏。即使是在真空系统中，光学元件的表面仍然会产生污染，其主要污染源包括：材料加工或者是暴露在大气中产生的氧化层和表面吸附的微粒；加工、预处理和安装等过程中留下的污染；真空室中抽气和解吸过程中带来的微粒等等。

为了减少光学元件表面污染，提高其抗激光损伤的能力，光学元件在加工过程中和镀膜前都需要进行洁净清洗；并且在系统运行一段时间之后，需要进行光学元件维护和清洗。

工业上广泛应用的静电除尘是从空气中分离污染物，而从表面对污染物进行分离仍旧处于实验室研究阶段。通过高压电极制造出静电电场，通过电场力克服颗粒污染物与元件表面的粘附力及其自身的重力，将粘附在物体表面的微粒剥离。研究结果表明，由于表面粗糙度的影响，在污染物微粒和物体表面粗糙程度较大时，多数情况下实验测得的粘附力远大于理论计算得到的数值。总结来说，当静电除尘用于表面污染物的除尘时，难度较大。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有大面积光学元件中颗粒污染物去除的问题，提供一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置，本发明通过铜质棒状电极产生移动电场的方式，增强了电场强度，克服了粘附力的问题。

本发明通过移动两根铜质棒状电极来产生可移动的电场，对大面积光学元件进行全尺寸覆盖，大大提高了静电接触区域，减小了铜质棒状电极空间体积，结构紧凑、吸附效率高。相比较其它类型的静电极，其电场分布更为集中，同时电场能覆盖的面积取决于铜质棒状电极和其在光轴导轨上可移动的范围，使其布置更为自由，应用范围也更为广泛。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置，所述装置包括基座单元、运动单元、洁净单元和控制单元；

所述基座单元包括基板、四个镜片架和四个镜片夹片，所述基板上表面的四角分别固定有镜片架，每个所述镜片架的顶端均水平设置有镜片夹片，每个所述镜片夹片均通过销轴与镜片架转动连接；

所述运动单元包括步进电机及传动系统；所述传动系统包括两个导轨滑块、条状钢板、两根光轴导轨、丝杠、四个支撑座、两个卧式轴承座、联轴器、丝母座；所述丝杠通过两个卧式轴承座连接在基板的上表面；每个所述光轴导轨通过两个支撑座连接在基板上表面，所述两根光轴导轨分设在丝杠两侧且均平行于丝杠设置，所述丝杠通过联轴器与步进电机连接，所述步进电机固定在基板上表面，尼龙槽两端通过所述两个导轨滑块与两根光轴导轨滑动连接，所述丝母座与丝杆螺纹连接，所述丝母座与两个导轨滑块均与条状钢板连接；所述丝杠转动时带动尼龙槽移动；

所述洁净单元包括两个铜质棒状电极和直流电源，所述两个铜质棒状电极安装于尼龙槽上方和下方，且两个铜质棒状电极上下平行设置，所述直流电源给铜质棒状电极供电；所述控制单元用于控制运动单元的步进电机的启或停。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

1.使用丝杠和光轴导轨在光学玻璃表面移动铜质棒状电极，覆盖面积大而且可以调整，应用范围更加广泛。

2.使用铜质棒状电极，在光学玻璃表面所占体积很小，结构紧凑，空间利用率高，电场也更为集中。

3.铜质棒状电极安装于尼龙槽上，便于替换和更改铜质棒状电极形状。

4.通过步进电机控制铜质棒状电极在光学玻璃表面移动的时间和次数，可以根据实际情况进行设定，实现自动化操作。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意图，其中，1-光学玻璃、2-导轨滑块、3-基板、4-铜质棒状电极、5-尼龙槽、6-条状钢板、7-光轴导轨、8-丝杠、9-支撑座、10-卧式轴承座、11-联轴器、12-步进电机、13-限位开关、14-镜片夹片、15-镜片架、16-丝母座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。

具体实施方式一：本实施方式记载的是一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置，所述装置包括基座单元、运动单元、洁净单元和控制单元；

所述基座单元包括基板3、四个镜片架15和四个镜片夹片14，所述基板3上表面的四角分别固定有镜片架15，每个所述镜片架15的顶端均水平设置有镜片夹片14，每个所述镜片夹片14均通过销轴与镜片架15转动连接；

所述运动单元包括步进电机12及传动系统；所述传动系统包括两个导轨滑块2、条状钢板6、两根光轴导轨7、丝杠8、四个支撑座9、两个卧式轴承座10、联轴器11、丝母座16；所述丝杠8通过两个卧式轴承座10连接在基板3的上表面；每个所述光轴导轨7通过两个支撑座9连接在基板3上表面，所述两根光轴导轨7分设在丝杠8两侧且均平行于丝杠8设置，所述丝杠8通过联轴器11与步进电机12连接，所述步进电机12固定在基板3上表面，尼龙槽5两端通过所述两个导轨滑块2与两根光轴导轨7滑动连接，所述丝母座16与丝杆8螺纹连接，所述丝母座16与两个导轨滑块2均与条状钢板6连接；所述丝杠8转动时带动尼龙槽5移动；

所述洁净单元包括两个铜质棒状电极4和直流电源，所述两个铜质棒状电极4安装于尼龙槽5上方和下方，且两个铜质棒状电极4上下平行设置，所述直流电源给铜质棒状电极4供电；所述直流电源为低压电源或高压电源；所述控制单元用于控制运动单元的步进电机12的启或停。

洁净单元结合了铜质棒状电极4的静电吸附的作用；运动单元通过步进电机12驱动丝杠8，带动导轨滑块2及铜质棒状电极4进行运动。

本装置的运动单元位于光学玻璃背面，可以在不拆卸光学玻璃的情况下对光学玻璃进行清洁，且可清洁的范围可以通过调整铜质棒状电极4和丝杠8的长度进行变化，应用较为灵活。具体的安装方式是将该装置安装在光学系统中，再将光学玻璃安置在该装置的镜片架15上，通过镜片夹片14固定，在需要清洁某块光学玻璃时就启动该装置，该装置针对的是水平放置的光学玻璃。

具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置，所述装置工作时的工艺参数为：静电电压为7kv，位于光学玻璃1上方和下方的两个铜质棒状电极4的距离为30mm，铜质棒状电极速度为10mm/s。

具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置，所述尼龙槽5为长方形槽，尼龙槽5的两个端板上设有等间距的孔，对应不同的刻度安装铜质棒状电极4，可以根据镜片的厚度和需要的电场强度调节两根铜质棒状电极之间的距离。

具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置，所述装置还设有两个限位开关13，所述两个限位开关13设置在基板3的对角侧，并固定在镜片架15与导轨滑块2相邻的侧面上，用于限制导轨滑块2的运动范围。

具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种利用可移动式静电电场吸附颗粒污染物的装置，所述基板3的材质为亚克力板。

下面结合图1说明该装置的具体使用方法。本发明装置中，通过步进电机12控制铜质棒状电极4在光学玻璃1表面扫描，可以用在各种面积的光学玻璃1上，且占用体积较小，除尘效率高。铜质棒状电极4在光学玻璃1的上下各有一根，光学玻璃1通过镜片夹片14和镜片架15固定，该装置无特殊情况是不对镜片进行拆装的，而是和镜片直接一起安装到光学系统中，即相当于是一个带有洁净功能的光学镜片座。

本发明的装置包含基座单元，运动单元和控制单元。基座单元为运动单元提供支撑；因为静电去除只对铜质棒状电极4之间的光学玻璃1表面有洁净作用，所以清洁的范围是由铜质棒状电极4的运动范围决定的，这里选择其运动行程为400mm导程为4mm的丝杠8作为运动单元的核心组件，采用步进电机12直驱作为动力来源。为控制步进电机12，需要为其选择合适的驱动和控制系统，通过在装置中添加限位开关13为其限位，以免铜质棒状电极4使用高压电源为其供电时，运动范围超限，发生危险。

铜质棒状电极4安装在尼龙槽5上，尼龙槽5上有等间距的圆孔并且标有刻度，铜质棒状电极4之间的距离通过将其安装于尼龙槽5上不同的圆孔处来控制，同时由于尼龙材质具有良好的绝缘能力，所以铜质棒状电极4与其他组件之间是相互绝缘的。尼龙槽5固定在条状钢板6上，固定尼龙槽5的条状钢板6还负责将丝杠8、丝母座16和导轨滑块2连接在一起。通过这样的设计，避免了丝杠8上的推力作用在铜质棒状电极4上，保证了铜质棒状电极4的直线度，只有保证铜质棒状电极4的直线度，才能保证铜质棒状电极4之间的电场分布均匀。整体的动力由步进电机12提供，步进电机12通过弹性联轴器11与丝杠8连接。铜质棒状电极4直径为12mm。

步进电机12选择的是42步进电机，步距角为1.8°，其能提供最大扭矩为0.4nm，其输出轴为d型轴，最大直径为5mm。相对于圆轴，d型轴在保证输出扭矩的情况下，对联轴器11的要求更低一些。步进电机驱动器选择的是tb6600型驱动器，能提供最大为4a的电流，其最高可以设置为32倍细分。细分越多，则步进电机的运动越平稳，同时控制器输出时钟频率相同时，其转速也越低。步进电机控制器选择dkc-1b型控制器，其作为一款工业级的控制器，在实验的强电磁和粉尘的干扰下，仍旧能保持较高的可靠性和稳定性。

低压电源选择的是台湾明纬开关电源，型号为nes-100-24，其输出电压为24v，最大输出电流为4.5a，能够满足装置的使用要求。行程控制方面，选择接近开关作为限位开关13。与常规的机械按压式传感器相比，接近开关不需要直接的物理接触，避免了高电压的洁净系统和低电压的信号系统相接触造成信号被干扰，增强装置可靠性。

高压电源选择的是cx-150a型高压电源，其电压输出可调，在输入电压为220v时，其最高输出电压可达15kv，满足装置对电压的需求。在安全方面，其具有打火保护功能和短路保护功能，能够较好地保证人员和装置的安全。装置中铜质棒状电极采用紫铜电极，其导电性强，化学性质稳定。

为了验证本装置吸附效果，采用sio2颗粒微粉模拟实际的颗粒污染物，其直径从5μm到100μm变化。验证结果表明：随着静电电压的增加装置在光学元件表面产生的电场强度也增加，所以吸附效率会随着电压增加而增加。铜质棒状电极的位置对吸附效率也有很大的影响，铜质棒状电极距离光学元件越近，越容易产生较高的局部电场，使得吸附效率增加。但是过小的铜质棒状电极和元件距离，容易造成电弧放电，降低吸附效率。经过多次的实验优化，最终获得本实验装置的合理工艺参数：静电电压为7kv，光学玻璃1上下两个铜质棒状电极4的距离为30mm，铜质棒状电极速度为10mm/s时，可以实现对20μm以上颗粒污染物的吸附效率达到80％。