真空镀膜机比较片机构性能和强度的优化设计

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)河南工业职业技术学院 作者:刘旸

  分析现有光学真空镀膜机比较片机构在使用过程中存在的问题。根据现代光学真空镀膜机的发展趋势和实际生产中急需解决的问题,通过多方面的研究分析,优化设计新一代的镀膜机比较片结构,解决影响光学薄膜质量和超多层精密光学薄膜镀制的问题,以提高薄膜的监控精度,实现系统的自动控制,提高光学真空镀膜机生产效率,降低生产成本。使现代光学真空镀膜机的结构配置及使用效果达到最佳。

  从上世纪八十年代以来,全球光电科学技术发展与进步迅猛,我国研发光学真空镀膜机设备,在引进消化吸收的基础上,也迅速发展起来。最近二十多年,我国逐渐成为全球光学产品的加工基地,作为光学产品的关键工序,也是最后一道工序-- 镀膜,要求越来越高,真空镀膜机性能和配置也必然要得到加强,提高设备质量、完善设备性能、提高生产效率等问题就显现出来,这就涉及到此类设备的改造、设计研发,要求相关技术人员去解决。

  真空镀膜机比较片机构就是该类设备的必不可少的关键部件,高端配置的设备对比较片机构要求越来越高,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为它对镀制多膜层的检测和生产效率有着重要的不可替代的作用。下面就真空镀膜机比较片机构在使用中的出现的问题,以及优化创新设计后的结构进行对比分析。

1、现有真空镀膜机比较片机构

  1.1、通用的镀膜机比较片结构

  国内低端的真空镀膜机,从发展之初到近10年左右,大多还沿用的该比较片结构,如图1 所示。此比较片换位机构,通常由6 个独立的直径Φ22mm 的比较片组成,如图1(b)。该机构主要由1 个托盘16、三个支撑杆110 及1 个比较片盘18 组成,如图1(a),三个支撑杆110 对托盘16起固定、支撑的作用,比较片盘18 靠齿轮啮合把运动输入使之旋转拨片,三者配合就完成拨片换位动作。由于一般的镀膜机真空室直径尺寸都不大,整个机构的直径(Φ124mm)相比较就有些偏大,导致工件盘上可装载的镀制工件面积比较小,并且该机构只可放置6 个比较片13,直接影响生产效率。

  该结构的特点是:结构简单,加工制造方便,安装实施方便易行。缺点:该结构直径面积比较大,影响装载工件的数量;比价片放置数量少,降低了生产效率;强度和刚度有限,又由于该结构完全暴露在真空室内,真空室内高温溅射磨料的影响,使转动平稳性、灵活性一般,传动位置重复的一致性误差较大,清洗维护频繁。

真空镀膜机比较片机构性能和强度的优化设计

图1 通用的镀膜机比较片结构

  1.2、改进后的镀膜机比较片结构

  根据现有比较片结构在使用过程中暴露出的问题,对原有通用镀膜机比较片结构进行多次的改进,形成以下的结构,如图2(a)、(b)所示。通过设计可重叠放置比较片存储筒,使比较片机构直径所占面积减小,但放置的比较片数量增加到20 片左右, 整个机构直径缩小为Φ89mm。结果可增加较小工件镀膜盘上装载工件的数量,提高生产效率,还可以提高薄膜监控的精度,并降低对硬件系统的要求,容易实现对系统的自动控制。

  具体动作实施,改进后多片比较片机构的转动,通过连接板23 和连接块21 固定在真空室顶板上,比较片机构的旋转运动,由旋转密封轴把运动输入真空室内的大齿轮,带动小齿轮所在传动轴24 的转动,最终实现整个比较片机构的转动。比较片切换比较片时,通过拨盘29 转动一个工位,比较片存储筒219 内落下一个比较片,到达预设的位置,同时,切换的比较片随着工位转动落在比较片接受筒212 内,每切换一次,拨动一个工位。其中,传动轴24、大齿轮、小齿轮和轴承座组成的传动机构来完成拨盘转动。

  其特点是:(1)减小比较片机构直径的面积,提高装载镀制工件的数量;(2) 增加比较片的数量,提高生产效率,提高薄膜监控的精度,降低对硬件系统的要求,系统容易实现自动控制。缺点:该比较片结构直径小而长(Φ89×370),影响其使用的强度和刚度;由于该结构暴露在高温溅射磨料的真空室内,影响其转动平稳性、灵活性,且转动位置重复的一致性较差,维护清洗频繁费工。

2、镀膜机比较片优化设计机构

  在真空镀膜机发展过程中,真空镀膜机比较片在光学镀膜机中担负着装载比较片的功能。比较片装载数量少,限制光学薄膜的镀制层数;比较片有效面积小,光路调整不方便,光信号的信噪比差,严重影响光学薄膜的质量。根据现在镀膜产品的要求,现有的真空镀膜机比较片机构,已不能满足现代光学30 层以上精密光学薄膜的镀膜要求。为解决现有技术上存在的缺陷,综合以上两种比较片结构优缺点和新产品镀膜的要求,创新、优化设计新一代的比较片机构,该装置要满足:结构简单;比较片装载方便;重复定位性好;可靠性高;制造成本低等特点。

  真空镀膜机多片式比较片装置,有比较片装载换位机构、转动密封馈入机构和换位驱动机构,如图3 所示。

  换位驱动机构固定在镀膜机箱体顶板4 上,由电机9、主动齿轮8、从动齿轮7、和定位盘6 组成,其中从动齿轮7 和定位盘6 固定在轴1 上,定位盘6 上有3 个均分的狭缝,槽型光藕17 在狭缝处接受光信号,控制电机的旋转和停止。

  转动密封馈入机构由威尔逊密封机构5 和轴承座2 组成,轴承座2 外侧套装有固定筒3,固定在镀膜机箱体顶板4 上。装载换位机构由拨动盘15、支承盘16、上盘14 和比较片存储筒13 组成。拨动盘15 连接的拨动轴11,通过联轴器10 和密封馈入机构的轴1连接。

真空镀膜机比较片机构性能和强度的优化设计

图2 改进后的比较片结构 图3 比较片优化设计结构

  真空镀膜机多片式比较片装置的设计特点:

  1)固定筒3 圆筒形状、大直径、厚壁结构的设计和周向对称的固定方式,可保证其有足够的强度和刚度,同时,还可阻止高温溅射磨料对其内部零部件污染,保证拨动盘15 转动的灵活性。

  2)圆形轴承座2 的设计,保证轴承座安装的密封性和垂直度;增大轴1 的直径尺寸,加大轴承座2 中两轴承的安装间距,提高其自身的强度和刚度,保证转动过程中轴1 的刚度和拨动盘15的旋转灵活性、位置重复的一致性。

  3)装载换位机构,通过扩大支承盘16 的直径,使该机构在平面方向的有效面积增大,可安装直径大(Φ26.5mm)的比较片,有利于光路调整,提高光学薄膜质量;比较片12 由单片玻璃作为一个比较片单元,比较片采用空间立体叠加安装方式,多片玻璃叠加安装在一个比较片存储筒13 内,实现一次可放置50~100 片比较片,解决镀膜机镀制多层精密光学薄膜,比较片数量少影响镀膜层数和精度的问题。

  4)定位盘6 与槽型光藕17 的配合,通过槽型光藕来感知定位盘上三个均分的120°狭缝,控制电机转动停止。轴1 旋转定位重复的一致性得到保证,带动拨动盘15 完成准确的拨片动作。

  5) 转动密封馈入机构引入威尔逊密封机构5,既保证电机9 通过齿轮啮合带动轴1 的灵活转动,又保证真空室对外部的密封作用。优化设计的真空镀膜机多片式比较片装置,其特点:(1)结构简单,强度高,可靠性好;(2)比较片装载数量大,生产效率提高,可镀制超多层精密光学薄膜;(3)比较片直径增大,提高薄膜监控的精度,降低对硬件系统的要求,系统容易实现自动控制;(4)维护保养费用低。

3、结论

  通过对真空镀膜机多片式比较片装置的优化设计,保证了比较片机构拨片转动的灵活性和重复的一致性,解决了比较片有效面积小,光路调整不方便,光信号信噪比差的问题,又解决了比较片装载数量少的问题,可以使现有的真空镀膜机镀制光学薄膜的质量大大提高,并且30 层以上的光学薄膜得以镀制完成。实践证明此比较片结构是有用的,可以在现代的光学真空镀膜行业进行推广和实施,真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为对社会带来和产生更大的经济效益。

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