一种用于超导磁悬浮微小力测量装置的真空密封位移机构的制作方法

本发明涉及一种真空密封位移机构，具体涉及一种用于超导磁悬浮微小力测量装置的手动可调节高度的真空密封位移机构。

背景技术

高温超导磁悬浮微小力测量装置是一种自稳定、低损耗、高承载、高精度的微小推力测量装置，其悬浮摩擦系数可达到10^-6，能够在悬浮载荷100kg的条件下，满足微牛级推力的测试要求。高温超导磁悬浮微小力测量装置通常包括真空舱、高速摄影仪、永磁平台、超导体平台、低温系统、起浮机构等部分，低温系统固定在真空舱底部，超导体平台位于低温系统上端，低温系统对超导体平台进行低温冷却。

当超导体平台处于室温时，永磁体平台不受悬浮力，此时通过位移机构调节永磁体平台达到指定高度并与超导平台同轴。随后关闭真空舱舱门开始抽真空，待真空度达到工作要求后，低温系统开始制冷，使超导体平台进入超导态，此时再次调节位移机构，使永磁平台下降并稳定悬浮于超导体平台上方。要想实现精确稳定悬浮，必须严格控制永磁体平台的初始位置，这就要求位移机构的控制必须精确可靠。

常见的一种解决途径是电动驱动方式，通过水平步进电机和竖直步进电机来驱动水平支撑板，从而调节永磁体平台的水平位置和高度。这种位移机构虽能达到基本的控制要求，但仍存在以下几个问题：

其一，该位移机构体积较大，布线繁杂，占据了大量的舱内空间，影响舱内其他实验装置的安装；其二，该位移机构使用了大量金属且与超导体平台和永磁平台距离很近，这些金属会干扰平台的磁场并产生较大的涡流损耗，对高精度悬浮测量产生不利影响。因此，需要提供一种结构紧凑，性能可靠，控制稳定，无磁场干扰的位移机构，来实现永磁平台的精确起浮和高精度测量。

技术实现要素：

为了避免占用真空舱内的有限空间并尽量减少对平台磁场的影响，决定将位移机构的大部分结构移出真空舱，安装在真空舱下底板外部，而仅仅将位移机构的支撑结构伸入真空舱内用来调节永磁平台高度。

在设计时面临如下几个问题：其一，真空舱底部空间狭小，设备较多，如何避免位移机构与这些设备发生干涉。为了解决这个问题，将位移机构设计为对称的回转体结构，密集紧凑，合理利用了舱底的有限空间。

其二，如何在满足位移调节功能的同时保证真空舱的密封效果，防止空气通过位移机构和真空舱底部的通孔进入真空舱。为了解决这一问题，决定使用金属波纹管进行密封，金属波纹管是一种挠弹性、薄壁、有横向波纹曲线的管壳零部件，它既有弹性特征又有密封特性,在外力及力矩作用下能产生轴向、侧向、角向及其组合位移,密封性能好。本发明采用焊接成型的金属波纹管，弹性良好，伸缩率可达70％，密封性能好。位移机构包括上法兰、导轨、下法兰、滑块、支撑杆、丝杠副、定位环、手轮、密封装置、测量装置等，整体安装在真空舱外部底面，仅仅将支撑杆上端伸入真空舱内用于调节永磁平台高度。

所述上法兰固定在真空舱外部底面，中间位置有通孔可用于安装直线轴承；

所述导轨安装在上法兰的下方，与上法兰通过螺钉进行连接；

所述下法兰安装在导轨下方，与导轨通过螺钉进行连接，其中间位置有通孔；

所述滑块穿过导轨，位于上法兰和下法兰之间，其上部焊接一支撑杆，支撑杆穿过上法兰中间的直线轴承，三个导轨对称分布，固定在上下法兰之间，保证了支撑杆随滑块只能沿着导轨进行直线移动；

所述丝杠副包括螺母和丝杠，螺母固定在滑块下方，与滑块通过螺钉进行连接；丝杠穿过下法兰和螺母，其下部焊接在下法兰通孔内；

所述手轮固定在丝杠下端，与丝杠通过螺钉进行连接；

所述定位环套在首轮上，固定在下法兰下方，与下法兰通过螺钉进行连接，用于固定丝杠；

所述上法兰中间通孔内设置有沉孔，可安装卡簧挡圈，用于固定直线轴承；

所述密封装置，包括密封环、金属波纹管，密封环固定在上法兰上方；波纹管上端设置一套筒，套在上法兰下端，与上法兰焊接连接，波纹管下端设置一套筒，套在滑块上端，与滑块焊接连接；滑块、金属波纹管、上法兰、密封环和真空舱底板形成密封腔，可以有效阻止空气进入真空舱；

滑块下端设置沉孔，用于安置丝杠；

滑块中部均匀设置三个通孔，用于安装直线轴承，直线轴承和滑块焊接连接；

所述定位环壁面上设置有通孔，便于安装手轮，其侧面设置有螺纹孔，用于安装螺钉；

上法兰和滑块侧面设置有螺纹孔，用于安装测量装置；

所述测量装置为数显型游标卡尺，其测量爪上设置有通孔，和上法兰、滑块之间通过螺钉进行连接。

本发明的有益效果是：整体结构简单紧凑，合理利用了真空舱底部的狭小空间；采用金属波纹管进行密封，密封性能可靠稳定，使用寿命长；采用基于多导向杆的高紧凑轴对称变位移机构，三个长圆柱导轨轴对称分布，固定在上下法兰之间，保证了滑块和焊接于滑块上的支撑杆只能沿着导轨进行直线运动；采用滚珠丝杠进行驱动，操作灵活简便，位移调节准确性高，控制比较稳定，同时安装了数显测量结构，可以准确测量位移变化量。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例，下面对实施例中的附图作简要介绍，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1是本发明一种用于超导磁悬浮的真空密封位移机构的整体结构示意图；

图2是本发明中上法兰的剖面结构示意图；

图3是本发明中滑块的剖面结构示意图；

图4是本发明中下法兰的剖面结构示意图；

图5是本发明中定位环的结构示意图；

图中：1、上法兰；2、导轨；3、滑块；4、下法兰；5、支撑杆；6、游标卡尺；7、金属波纹管；8、丝杠螺母；9、丝杠；10、定位环；11、手轮；12、密封环；13、直线轴承；14、卡簧挡圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，需要说明的是，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明；本发明中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”“左”“右”“内”“外”等均是针对所参照的附图而言，他们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置，而是可以根据具体情况而变化。

结合附图2所示，上法兰1为十字形圆柱结构，通过6个螺钉固定在真空舱底部；上法兰1中心有一通孔，用于安置直线轴承；上法兰1通孔上部有一沉孔，用于安置卡簧挡圈14；卡簧挡圈14用于固定直线轴承13。上法兰1底部均匀设置3个圆孔，导轨2可伸入该圆孔，并通过螺钉固定在上法兰1下方。

结合附图3所示，滑块3为t形圆柱结构，底部均匀设置3个通孔，用于固定直线轴承，直线轴承通过焊接固定在滑块3上；滑块3中上部有一沉孔，用于安置支撑杆5；支撑杆5穿过上法兰1内部的直线轴承，下端伸入滑块3上的沉孔，并通过焊接固定在滑块3上；滑块3内部的直线轴承套在导轨2上，支撑杆5和滑块3可沿着导轨进行上下移动。这种结构设计有效利用了舱外空间，解决了现有位移机构体积庞大的问题；同时，这种结构设计采用了直线轴承，一方面可以限制支撑杆和滑块的自由度，避免其左右晃动，另一方面则大大减小了结构间的摩擦阻力，使操作更加简便。滑块3下部有6个螺纹孔，丝杠螺母8通过螺钉固定在滑块3下方,；滑块3下部有一沉孔，用于安置丝杠9。

结合附图4、附图5所示，下法兰4为圆柱形结构，其上部均匀设置3个圆孔，将导轨2伸入圆孔中，并通过螺钉固定在下法兰2上方；下法兰2中心有一通孔，丝杠9旋入丝杠螺母3内，并将其上端伸入滑块3下部的沉孔内；丝杠9下端圆盘伸入下法兰2的中心通孔内，并通过焊接固定在下法兰2上，丝杠9可以绕中心轴线自由旋转，但不可以上下移动；下法兰2下部有一螺纹孔，定位环10通过螺钉固定在下法兰2的下方；定位环10侧壁上有两个圆孔，用于安装手轮11；手轮11套在丝杠底端，通过螺钉固定在丝杠上，固定时将手轮11侧壁的螺纹孔对准定位环10侧壁的通孔；手轮11上部圆柱伸入定位环10内，定位环10右侧有一个通孔和一个螺纹孔，将螺钉穿过通孔，旋入螺纹孔，螺钉拧紧后，手轮11被定位环10压紧，无法自由旋转，丝杠9也随之被固定，从而起到定位作用。

结合附图1、附图2、附图3所示，上法兰1中部和滑块3下部各有一个螺纹孔，用于固定游标卡尺6，游标卡尺6的两个测量爪上各有一个通孔，螺钉穿过通孔，旋入螺纹孔内，将游标卡尺固定在上法兰1和滑块3上。游标卡尺6的上测量爪和上法兰1一起保持不动，下测量爪则与滑块3一起上下移动，在实际使用中，摇动手轮，将滑块3移至最低位置，此时按下游标卡尺的归零按钮，使示数变为0，之后反向摇动手轮，使滑块3向上移动，此时游标卡尺的示数即为滑块3的位移量。

结合附图1、附图2、附图3所示，上法兰1中部有一圆形槽，用于安置密封环，防止外界气体从上法兰1和真空舱底部的接触面进入真空舱内；上法兰1下部和滑块3的上部各有一个圆柱形凸台，将波纹管7的套筒套在凸台上，并通过焊接将波纹管固定在上法兰1和滑块3上，保证了滑块3在移动的过程中，外界气体无法进入真空舱。

作为本发明的优选实施例，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明，也是本发明的保护范围。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域的技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当的修改，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。