УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАНИПУЛИРОВАНИЯ СФЕРИЧЕСКИМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 1998 года по МПК B25J7/00 

Изобретение относится к микроманипуляторной технике и может быть использовано при отборе микросфер, напылении и контроле мишеней для лазерного термоядерного синтеза или при контроле шариков для подшипников.

При подготовке мишеней для ЛТС приходится проводить отбор и измерение параметров микросфер, напыление и контроль качества поверхности. Все эти операции требуют вращения сфер по заданному закону.

Известно устройство для расположения образца в герметичной газовой камере (1), содержащее два электромотора, механически связанные друг с другом, что обеспечивает дополнительное поступательное перемещение и/или вращение. Валы электромоторов могут быть установлены перпендикулярно друг другу.

Однако устройство обладает ограниченными функциональными возможностями, так как скорость и направление оси вращения неоднозначно определены частотой и направлением генератора. Имеется одно или несколько дискретных направлений вращения сферы, причем скорость вращения по всем остальным направлениям значительно меньше скорости в оптимальном направлении. Этот манипулятор не может вращать сферу по заданному закону и направлению.

Наиболее близким техническим решением является манипулятор для сферических объектов (2). Манипулятор состоит из двух поверхностей, соединенных со столиками, двигающимися во взаимно противоположных направлениях. Сфера, зажатая между двух поверхностей в двух диаметрально противоположных точках, при движении поверхностей вращается. Манипулятор может вращать сферу по заданному закону.

Однако скорость вращения сферы ограничена скоростью возвратно-поступательного движения двух столиков в противоположных направлениях. Относительно большой размер опорных поверхностей (не менее 3,5 диаметров) и их параллельное расположение значительно ограничивают доступ к поверхности сферы и затрудняют установку сферы и ее снятие, так как необходимо сначала раздвинуть плоскости, ввести сферу, затем, сдвинув плоскости, зажать сферу, и наоборот.

Новым техническим результатом является расширение функциональных и технологических возможностей манипулятора и повышение скорости вращения сфер.

Технический результат достигается тем, что в устройстве для манипулирования сферическим объектом, содержащем основной привод и две опоры, одна из которых связана с этим приводом, дополнительно установлен прижим с отверстием, соединенный с устройством откачки жидкости или газа, и приводом, связанным с второй опорой, а опоры при этом расположены под углом друг относительно друга и по разные стороны относительно оси отверстия прижима, причем приводы выполнены в виде приводов вращения. Причем обрабатываемая сфера имеет с опорами только две точки касания, которые расположены по разные стороны оси отверстия, точка пересечения нормалей к точкам касания соответствует центру манипулируемой сферы, а угол между нормалями должен находиться в пределах 0^°< α < 180^°
Колебания определенной формы и направления опоры, установленной на вибраторе, вызывают вращение сферы относительной одной оси, а вращение второй опоры вызывает вращение сферы по другой оси. Направление оси вращения сферы при одновременном движении обеих поверхностей является суммой двух вращений. Скорость и направление оси вращения сферы по любому желаемому закону будут меняться при изменении амплитуды и фазы колебаний одной опоры и изменении направления и скорости вращения второй опоры.

Опорную поверхность опоры, расположенной на вибраторе, можно выполнить существенное меньше диаметра манипулируемой сферы. При необходимости и вторую опорную поверхность моно сделать достаточно малой. Малые размеры опорных поверхностей и широкий диапазон их пространственного расположения (угол α находится в диапазоне 0^°< α < 180^° ) увеличивают пространство для доступа к поверхности сферы для размещения контролирующих устройство и облегчают постановку сферы в рабочее положение. Постановка и снятие сферы могут осуществляться просто включением и выключением откачки, а при постановке манипулируемой сферы она всегда автоматически встает в одно и то же положение равновесия.

Расположение опоры таким образом, что центральный угол α меньше 180^o, но не равен 0^o, обеспечивает более широкий доступ к поверхности манипулируемой сферы, устраняет необходимость перемещения опор при постановке и снятии манипулируемой сферы.

Расположение отверстия для поджатия сферы внутри угла a обеспечивает автоматическую постановку манипулируемой сферы в одно и то же положение равновесия.

Оптимальная частота и регулируемая амплитуда колебаний опоры, установленной на вибраторе, большая скорость вращения второй опоры обеспечивают высокую скорость вращения сферы и управляемое ее движению по заданному закону.

Указанная совокупность признаков обеспечивает технический результат - расширяет функциональные возможности манипуляторов и увеличивает скорость вращения сферы.

Для исследования возможностей были изготовлены два варианта устройства для манипулирования сферическими объектами. Устройство содержит две поры с поверхностями 1 и 2 (фиг. 1 и 2). В опоре 1 выполнено отверстие 3, соединенное с устройством откачки 4. Опора 1 установлена на вибраторе 5. Опора 2 выполнена в виде тела вращения с приводом 7. В одном варианте это вал электродвигателя (фиг. 2), в другом варианте это диск, посаженный на вал шагового двигателя (фиг. 1).

Работает устройство следующим образом.

Подносимая сфера 6 с некоторого расстояния захватывается потоком воздуха при вакуумировании отверстия 3 и поджимается к опорам 1 и 2, автоматически вставая в нужное место положение равновесия. При этом сфера с опорами имеет только две точки касания точка A на поверхности 1, точка B на поверхности 2. Создаваемая вибратором 5 необходимая форма и направление колебаний опоры 1, и вращение опоры 2 заставляют сферу вращаться в требуемом направлении. В исследованном устройстве угол AOB составлял ≈ 90 ^o. В качестве вибратора применен пьезопреобразователь. Регулируя амплитуду колебаний и скорость вращения двигателя, изменяли скорость вращения сферы от 0 до 200-300 об/с и меняли направление оси вращения сферы во всем диапазоне углов от 0 до 360^o. Для снятия сферы с устройства достаточно перекрыть откачку и сфера под действием силы тяжести покидает устройство.

Использование предложенного устройства обеспечивает по сравнению с существующими следующие преимущества:
удобство постановки и снятия сферы в устройстве,
автоматическую постановку сферы в нужное положение,
повышение скорости манипулирования,
малые колебания центра сферы при ее вращении,
широкий доступ к поверхности сферы для ее контроля.

Устройство предназначено для манипулирования сферическим объектом и может быть использовано в микроманипуляторной технике при отборе микросфер, напылении и контроле мишеней для лазерного термоядерного синтеза и т.д. Устройство содержит две опоры, одна из которых связана с приводом вращения, а другая - с вибратором. Опора, связанная с вибратором, выполнена с отверстием и связана с устройством для откачки жидкости или газа при вакуумировании отверстия. Устройство позволяет вращать сферический объект с большой скоростью по любому закону и направлению. 2 ил.

Устройство для манипулирования сферических объектом, содержащее привод и две опоры, одна из которых связана с этим приводом, отличающееся тем, что оно снабжено устройством откачки жидкости или газа и вибратором, при этом вторая опора связана с вибратором и в ней выполнено отверстие, соединенное с устройством откачки жидкости или газа, а в качестве привода использован привод вращения.