Wstęp
Spośród technologii wspomagających ultra{0}}precyzyjne systemy ruchu niewiele jest tak eleganckich w zasadzie i tak wymagających we wdrażaniu jak łożyska powietrzne. Znaleziono w sercunarzędzia do kontroli półprzewodników, precyzyjne współrzędnościowe maszyny pomiarowe,-przyrządy metrologiczne o wysokiej dokładności i zaawansowany sprzęt produkcyjny, łożyska powietrzne umożliwiają osiągnięcie poziomu płynności ruchu i dokładności pozycjonowania, z którym konwencjonalne-łożyska toczne po prostu nie mogą się równać.
W tym artykule wyjaśniono, czym są łożyska powietrzne, jak działają, jakie istnieją typy i dlaczego powierzchnia, po której się poruszają, jest równie ważna jak samo łożysko.
Podstawowa zasada
Łożysko powietrzne, w swojej najbardziej podstawowej formie, to urządzenie, które utrzymuje obciążenie na cienkiej warstwie gazu pod ciśnieniem - prawie zawsze powietrza, chociaż w specjalistycznych zastosowaniach można stosować inne gazy. Ta warstwa gazu, zwykle o grubości od 5 do 20 mikrometrów podczas pracy, fizycznie oddziela powierzchnie ruchome i nieruchome. Ponieważ nie ma stałego kontaktu, nie ma tarcia mechanicznego w tradycyjnym sensie.
Ten brak tarcia ma głębokie konsekwencje praktyczne. Konwencjonalne-łożyska toczne - łożyska kulkowe, łożyska wałeczkowe, łożyska igiełkowe - – wszystkie wykazują efekty tarcia, które objawiają się drganiami-poślizgowymi, wytwarzaniem ciepła, zużyciem i wprowadzaniem małych, ale rzeczywistych błędów pozycjonowania. Efekty te, choć możliwe do opanowania w większości zastosowań inżynieryjnych, są niedopuszczalne w systemach, w których powtarzalność położenia musi być kontrolowana do poziomu nanometrów.
Stopień z łożyskiem powietrznym może w odpowiednich warunkach osiągnąć powtarzalność lepszą niż 10 nm, a płynność jego ruchu pozwala na pracę wrażliwych instrumentów bez mikro-wibracji, które niezmiennie wprowadzają łożyska toczne.
Rodzaje łożysk powietrznych
Łożyska powietrzne dzielą się na dwie główne kategorie w zależności od sposobu wytwarzania filmu sprężonego powietrza: aerostatyczne i aerodynamiczne.
Łożyska aerostatyczne (typ stosowany w przyrządach precyzyjnych i zastosowaniach półprzewodnikowych) opierają się na dostarczanym z zewnątrz sprężonym powietrzu. Powietrze jest przetłaczane przez małe otwory lub porowate media w powierzchni łożyska, tworząc strefę pod ciśnieniem pomiędzy łożyskiem a jego powierzchnią odniesienia. Luz, a tym samym nośność i sztywność, zależą od ciśnienia zasilania, geometrii kryzy i samej szczeliny. Łożyska aerostatyczne mogą przenosić obciążenia nawet przy zerowej prędkości, dzięki czemu nadają się do precyzyjnych etapów, które muszą dokładnie utrzymywać pozycję, a także płynnie się poruszać.
Łożyska aerodynamiczne opierają się na względnym ruchu pomiędzy powierzchniami w celu wytworzenia filmu powietrznego. - Zasadniczo działa to na tej samej zasadzie, co hydrodynamiczne łożyska olejowe. Ponieważ do wytworzenia folii wymagają ruchu, są mniej przydatne w zastosowaniach związanych z precyzyjnym pozycjonowaniem, gdzie wymagane jest podparcie obciążenia statycznego.
W przypadku łożysk aerostatycznych istnieją dalsze rozróżnienia w zależności od konstrukcji wlotu powietrza: typ-z kryzą (gdzie powietrze wchodzi przez jeden lub kilka precyzyjnych otworów), typ porowaty-(gdzie powietrze wchodzi przez spiekane lub porowate medium z wieloma rozproszonymi mikro-przewodami) i typ-rowkowy (gdzie kanały pod ciśnieniem rozprowadzają powietrze). Porowate łożyska powietrzne generalnie oferują najwyższą sztywność i najbardziej płynny rozkład ciśnienia.
Powierzchnia odniesienia: dlaczego granit
Łożysko powietrzne jest tak dobre, jak powierzchnia, po której się porusza. Łożysko unosi się w szczelinie 5–20 µm; jakakolwiek falistość lub odchylenie powierzchni odniesienia zbliżające się do tego wymiaru zakłóci szczelinę, lokalnie zmieniając sztywność łożyska i wprowadzając błąd ruchu.
W przypadku liniowego stopnia łożyska powietrznego o zakresie przesuwu 500 mm specyfikacja płaskości powierzchni odniesienia może wynosić 1–3 µm na całej długości. Osiągnięcie tego wymaga połączenia precyzyjnego szlifowania, dokładnego docierania i weryfikacji za pomocą identyfikowalnych przyrządów pomiarowych.
Granit jest dominującym wyborem na powierzchnie odniesienia przenoszące powietrze z kilku-ugruntowanych powodów. Jego twardość (6–7 w skali Mohsa) jest odporna na zużycie w wyniku sporadycznego przypadkowego kontaktu. Jego nie-magnetyczny,-charakter niereaktywny pozwala uniknąć zakłóceń w czujnikach używanych w stopniach precyzyjnych. Jego właściwości termiczne - niski współczynnik rozszerzalności, dobra przewodność cieplna - pomagają zachować stabilność wymiarową podczas pracy. Co najważniejsze, granit można docierać do poziomu płaskości wymaganego w zastosowaniach z łożyskami powietrznymi.
Specyfikacja chropowatości powierzchni precyzyjnych prowadnic powietrznych wynosi zazwyczaj Ra mniejsze lub równe 0,1 µm (100 nm), a w niektórych zastosowaniach Ra mniejsze lub równe 0,05 µm. Są to lustrzanie-gładkie powierzchnie, które wymagają nie tylko precyzyjnego sprzętu, ale także fachowej obróbki.
Sztywność, tłumienie i nośność
Parametry techniczne łożysk powietrznych charakteryzują się trzema kluczowymi parametrami: sztywnością, tłumieniem i nośnością.
Sztywność wyrażona w N/µm opisuje, ile siły potrzeba do odkształcenia łożyska o jeden mikrometr. Wysoka sztywność jest pożądana dla dokładności pozycjonowania, ponieważ siły zakłócające (spowodowane zmianami ładunku, siłami silnika lub wibracjami) powodują mniejsze błędy pozycjonowania. Łożyska aerostatyczne mogą osiągać wartości sztywności od dziesiątek do setek N/µm, w zależności od rozmiaru i ciśnienia zasilania.
Tłumienie w łożyskach powietrznych jest z natury niższe niż w łożyskach hydrostatycznych olejowych, ponieważ powietrze ma znacznie niższą lepkość. Może to sprawić, że stopnie łożyskowe-powietrzne będą podatne na rezonanse pod wpływem wibracji zewnętrznych lub szybkiego ruchu. Projektanci systemów rozwiązują ten problem poprzez staranną konstrukcję mechaniczną i platformy aktywnej izolacji drgań.
Nośność jest ustalana na podstawie powierzchni łożyska i ciśnienia zasilania. Łożyska pneumatyczne mają zazwyczaj bardziej ograniczoną nośność na jednostkę powierzchni niż łożyska olejowe lub magnetyczne, co oznacza, że najlepiej nadają się do zastosowań, w których ładunek jest dobrze-określony i możliwy do kontrolowania -, jak w przypadku stopni przyrządowych -, a nie do zastosowań w ciężkich obrabiarkach.
Zastosowania w przemyśle precyzyjnym
Obszar zastosowań łożysk powietrznych obejmuje każdą branżę wymagającą płynnego, dokładnego i powtarzalnego ruchu.
W sprzęcie półprzewodnikowym stopnie z łożyskami powietrznymi są wykorzystywane do kontroli płytek, pozycjonowania fotomasek, laserowych systemów bezpośredniego-zapisu i metrologii wiązką elektronów. Płaskość granitowej powierzchni prowadnicy, na której pracują te stopnie, bezpośrednio wpływa na dokładność pozycjonowania osiąganą przez system.
We współrzędnościowych maszynach pomiarowych (CMM) łożyska powietrzne umożliwiają sondzie pomiarowej płynne przemieszczanie się w objętości pomiarowej, bez wprowadzania wibracji, które zakłócałyby czułe sondy dotykowe lub czujniki skanujące. We współrzędnościowych maszynach-o wysokiej dokładności wykorzystywane są tablice granitowe zarówno jako punkty odniesienia, jak i jako powierzchnia nośna dla osi-podpartych powietrzem.
W precyzyjnych przyrządach optycznych - interferometrach, teleskopach, spektrometrach - stoły obrotowe z łożyskami powietrznymi umożliwiają obrót z błędami bicia-poniżej 50 nm, umożliwiając pozycjonowanie kątowe i pomiary powierzchni, które byłyby niemożliwe w przypadku łożysk mechanicznych.
Na etapach-nanopozycjonowania na potrzeby badań i zaawansowanej produkcji łożyska powietrzne zapewniają płynną platformę-swobodnego ruchu z tarciem, która umożliwia efektywną pracę piezoelektrycznych elementów-precyzyjnego pozycjonowania, bez efektu stick-poślizgu łożysk mechanicznych, który w przeciwnym razie dominowałby przy małych amplitudach ruchu.
Rozważania dotyczące integracji
Pomyślne wdrożenie łożysk powietrznych wymaga zwrócenia uwagi na kilka czynników-na poziomie systemu. Dopływ powietrza musi zostać przefiltrowany w celu usunięcia cząstek, które mogłyby uszkodzić szczelinę łożyska, wyregulowany w celu utrzymania stabilnego ciśnienia i osuszony w celu usunięcia wilgoci, która może powodować korozję na precyzyjnych powierzchniach. Typowe wymagania dotyczące filtracji to usuwanie cząstek poniżej-mikronów i temperatura rosy znacznie niższa od temperatury roboczej.
Układ konstrukcyjny podtrzymujący łożysko powietrzne musi być na tyle sztywny, aby siły zewnętrzne nie odkształciły powierzchni odniesienia ani obudowy łożyska. Z tego powodu stopnie łożysk powietrznych w urządzeniach precyzyjnych prawie zawsze są montowane na masywnych,-dobrze wytłumionych konstrukcjach z granitu lub odlewów mineralnych.
Środowisko pomieszczenia czystego, w którym często działają precyzyjne systemy łożysk powietrznych, również wpływa na wybory projektowe. Wymagania dotyczące odgazowywania, kontrola zanieczyszczeń oraz zgodność z materiałami do pomieszczeń czystych i procedurami czyszczenia odgrywają rolę w projektowaniu systemów łożysk powietrznych do zastosowań w produkcji półprzewodników i elementów optycznych.
Wniosek
Łożyska powietrzne reprezentują jedną z najbardziej wyrafinowanych technologii inżynierii precyzyjnej - zwodniczo proste w zasadzie, wymagające w wykonaniu. Ich zdolność do osiągania-swobodnego ruchu tarcia, powtarzalności na poziomie- nanometrów i wyjątkowej gładkości sprawia, że są one niezbędne w najbardziej wymagających zastosowaniach pozycjonowania w produkcji półprzewodników, metrologii precyzyjnej i oprzyrządowaniu naukowym.
Powierzchnie granitowe, na których działają, nie są podłożami pasywnymi, - są to-precyzyjnie zaprojektowane komponenty same w sobie, posiadające specyfikacje dotyczące płaskości, chropowatości i stabilności, które muszą być spełnione i utrzymywane przez cały okres użytkowania systemu. Zrozumienie łożyska i jego powierzchni odniesienia jako zintegrowanych elementów inżynierskich jest niezbędne dla każdego, kto projektuje lub określa ultra-precyzyjne systemy ruchu.