Łożysko powietrzne jest rzeczą najbardziej zbliżoną do ruchu bez tarcia w inżynierii. Cienka warstwa sprężonego powietrza, często o grubości zaledwie 5 do 20 mikrometrów, oddziela ruchomy element od jego powierzchni prowadzącej, dzięki czemu nie ma kontaktu z metalem, smaru,-poślizgu i praktycznie nie dochodzi do zużycia. W ultraprecyzyjnych systemach, od osi skanujących CMM po stoliki litograficzne i głowice do skanowania laserowego, ta wolność od kontaktu umożliwia ruch w skali nanometrowej-. Ale film lotniczy to tylko połowa historii. Drugą połowę stanowi powierzchnia, po której się porusza, i dlatego granit i coraz bardziej precyzyjna ceramika dominują w świecie-najwyższej klasy ruchu liniowego.
W tym przewodniku wyjaśniono, jak zbudowane są granitowe łożyska powietrzne, jak myśleć o wyborach projektowych stojących za działającym systemem i gdzie zastosowano te komponenty. Opiera się na ponad trzydziestoletnim doświadczeniu w budowie granitowych pływających prowadnic powietrznych i podstaw platform silników liniowych, w tym na ręcznym docieraniu mistrzów techników, którzy rutynowo pracują nad uzyskaniem płaskości na poziomie nanometrowym-na wyczucie.
Jak faktycznie działa łożysko powietrzne
Łożysko powietrzne zastępuje styk toczny lub ślizgowy warstwą sprężonego powietrza dostarczaną przez małe otwory lub porowate ograniczenie. Ciśnienie folii wytrzymuje obciążenie, a sztywność folii wzrasta w miarę zmniejszania się szczeliny, co powoduje, że system-samoczynnie się stabilizuje. Niezbędnymi komponentami są:
- Płytka łożyskowa lub wózek zawierający otwory, osadzone ograniczniki lub porowate media, obrobiony maszynowo w stabilny korpus
- Powierzchnia prowadząca (szyna, podstawa lub tor), która musi być płaska, gładka i wystarczająco sztywna, aby utrzymać równomierną szczelinę na całym przesuwie
- Układ zasilania powietrzem filtrowany do poziomu cząstek poniżej-mikronów i regulowany do ułamka bara, ponieważ wahania ciśnienia folii przekładają się bezpośrednio na błędy ruchu
- Powyższa konstrukcja to zazwyczaj liniowy stopień silnika lub wózek pomiarowy, którego dynamika oddziałuje ze sztywnością folii
Typowe parametry wydajności wyjaśniają, dlaczego inżynierowie radzą sobie ze złożonością zasilania powietrzem: nośność od kilku kilogramów do kilku ton na podkładkę, sztywność w zakresie od dziesiątek do setek niutonów na mikrometr, prostoliniowość ruchu lepsza niż 0,1 mikrometra na 100 mm skoku w dobrym systemie oraz tarcie tak bliskie zeru, że stolik może utrzymać pozycję z powtarzalnością poniżej{2}}nanometra w przypadku silnika liniowego.
Dlaczego powierzchnia prowadząca musi być granitowa lub ceramiczna
Film powietrza jest tak dobry, jak powierzchnia pod nim. O wszystkim decydują trzy właściwości materiału:
- Płaskość: szczelina folii wynosząca 10 mikrometrów nie toleruje błędów powierzchni prowadnicy tego samego rzędu. Długie szyny wymagają płaskości w-jednocyfrowym zakresie mikrometrów na metrach, a ultra-prowadnice precyzyjne wymagają płaskości poniżej-mikrometru na krótszych rozpiętościach. Tylko docieranie pozwala to osiągnąć niezawodnie, a granit jest klasycznym docieralnym materiałem konstrukcyjnym
- Wykończenie powierzchni: łożyska kryzowe wymagają gładkich powierzchni, aby uniknąć turbulencji i asymetrii w folii. Drobno-zacieki z czarnego granitu o lustrzanym wykończeniu, a ceramikę, taką jak tlenek glinu i węglik krzemu, można szlifować i docierać jeszcze dokładniej
- Stabilność wymiarowa: szczelina określa działanie łożyska, dlatego szyna nie może przesuwać się przez lata. Uwolnione w granicie naprężenia wewnętrzne, niska rozszerzalność cieplna i-prawie zerowa absorpcja wody zapewniają stabilność geometrii przez dziesięciolecia
Istnieje również praktyczna właściwość, która ma ogromne znaczenie w warsztacie: tolerancja na uszkodzenia. Zarysowane łożysko kontaktowe nadal pracuje; łożysko powietrzne z podniesionym zadziorem na szynie może zetrzeć folię i rozbić się. Twardość i odporność na zużycie granitu i ceramiki w połączeniu z faktem, że żaden z nich nie ulega korozji, czyni je jedynym realistycznym, długoterminowym wyborem-w przypadku odsłoniętych szyn precyzyjnych.
Granitowe łożyska powietrzne i ceramiczne łożyska powietrzne: role uzupełniające
Granitowe i ceramiczne systemy łożysk powietrznych są zwykle łączone, a nie konkurencyjne. Typowa architektura platformy-precyzyjnej wygląda następująco:
- Podstawa i szyny granitowe: ciężki, wytłumiony, stabilny termicznie fundament, z docieranymi powierzchniami nośnymi powietrza i osadzonymi mosiężnymi lub nierdzewnymi wkładkami do montażu
- Wózek lub mostek granitowy: dopasowany do szyn, z otworami wywierconymi w samym granicie lub we wkładkach wymiennych
- Precyzyjne ceramiczne elementy łożysk powietrznych: podkładki i płytki z tlenku glinu, węglika krzemu lub azotku krzemu, gdzie zastosowanie wymaga ekstremalnej twardości, izolacji elektrycznej (tlenek glinu i azotek krzemu), mniejszej gęstości w przypadku ruchomych mas lub odporności na korozję w agresywnym środowisku
Ceramika błyszczy tam, gdzie granit osiąga granice. Węglik krzemu zapewnia sztywność-w-masie kilka razy lepszą niż granit, dzięki czemu idealnie nadaje się do-szybko poruszających się powozów. Tlenek glinu zapewnia izolację elektryczną etapów-wrażliwych na wyładowania elektrostatyczne i można go docierać w celu uzyskania powierzchni o wyjątkowej jakości. Azotek krzemu wytrzymuje obciążenia udarowe i krawędziowe, które mogłyby odpryskiwać kruchy kamień. W zaawansowanych platformach inspekcji optycznej i półprzewodnikach standardem stają się układy hybrydowe z podstawami granitowymi i ceramicznymi elementami nośnymi.
Przewodnik projektowy: Właściwy układ łożysk powietrznych
1. Najpierw zdefiniuj odstęp folii
Szczelina decyduje o sztywności, nośności, zużyciu powietrza i wrażliwości na błędy powierzchni. Duże szczeliny (15 do 20 mikrometrów) wybaczają niedoskonałe powierzchnie, ale zużywają więcej powietrza i zapewniają niższą sztywność. Wąskie szczeliny (5 do 8 mikrometrów) zapewniają doskonałą sztywność, ale wymagają lepszej płaskości i czystszego powietrza. Decyzję o szczelinie należy podjąć wraz ze specyfikacją jakości powierzchni, a nie po niej.
2. Wybierz typ ograniczenia
Proste kryzy są tanie i solidne; naturalnie kompensowane kryzy i porowate media zapewniają lepsze tłumienie i większą sztywność przy mniejszym ryzyku wystąpienia uderzeń pneumatycznych. Porowate wkładki węglowe lub ceramiczne są coraz bardziej popularne w przypadku stopni precyzyjnych, ponieważ równomiernie rozprowadzają folię i tolerują niewielkie zanieczyszczenia.
3. Zaprojektuj rozkład obciążenia
Każdy stopień łożyska powietrznego ma problem ze środkiem ciężkości:-obciążenia umieszczone poza środkiem powodują rozładowanie jednej podkładki i przeciążenie drugiej, powodując błędy wysokości tonu. projekty powinny uwzględniać podkładki napięcia wstępnego (łożyska przeciwne) lub napięcie wstępne podciśnienia na górnej powierzchni, jeśli pozwala na to zastosowanie, a interfejs montażowy musi być obrobiony maszynowo, tak aby ścieżka obciążenia była symetryczna.
4. Określ właściwe tolerancje, a nie te najwęższe
W przypadku granitowej zjeżdżalni powietrznej znaczące liczby to: płaskość szyny (zwykle od 1 do 3 mikrometrów na 300 mm, do sub-mikrometra w przypadku ultra-precyzji), dopasowana wysokość szyny-do-szyny, położenie i głębokość otworu kryzy oraz wykończenie powierzchni na powierzchniach łożyskowych. Nadmierna-tolerancja każdej powierzchni zwielokrotnia koszty bez poprawy jakości ruchu; umiejętność polega na przydzielaniu tolerancji tam, gdzie potrzebuje tego fizyka.
5. Nigdy nie lekceważ docierania ręcznego
Obróbka CNC pozwala uzyskać szynę granitową z dokładnością do kilku mikrometrów. Ostatni mikrometr, w którym żyją łożyska powietrzne, należy do docierania ręcznego. Mistrzowie docierania z dziesięcioleciami doświadczenia, korzystający z weryfikowalnych płytek i powtarzanych cykli pomiarowych, doprowadzają powierzchnie łożysk do płaskości na poziomie-nanometrów, a ich ocena, kiedy powierzchnia jest już gotowa, czego same instrumenty nie są w stanie w pełni zastąpić, jest prawdziwym atutem konkurencyjnym. To jest rzemiosło stojące za każdą niezawodną granitową zjeżdżalnią powietrzną.
6. Zaplanuj dopływ powietrza jako część maszyny
Określ filtrację do 0,1 mikrometra, regulację ciśnienia przy niskim tętnieniu i procedurę oczyszczania w przypadku przestojów. Precyzyjny system łożysk powietrznych zaprojektowany z myślą o czystym, suchym i stabilnym zasilaniu będzie działał-bezobsługowo przez dekadę; ten podłączony do brudnej linii warsztatowej nie będzie.
Gdzie te systemy są stosowane
- Granitowe prowadnice powietrzne CMM: skanujące i bramowe maszyny CMM wykorzystują granitowe podstawy i szyny z wózkami z łożyskami powietrznymi do-nanometrowych sondowań powtarzalności
- Etapy inspekcji płytek półprzewodnikowych i litografii: podstawy granitowe z ceramicznymi elementami powietrznymi, często z bezpośrednio napędzanymi silnikami liniowymi
- Laserowe systemy przetwarzania i skanowania: bez tarcia, szybko i bez generowania cząstek, co ma znaczenie w środowiskach optycznych
- Optyczne przyrządy metrologiczne: interferometry i profilometry poruszające się na granitowych slajdach powietrznych do identyfikowalnych pomiarów sub-mikrometrycznych
- Ogólnie platformy silników liniowych: wszędzie tam, gdzie-stopnie napędu bezpośredniego wymagają zerowego poślizgu drążka- i długiego, prostego ruchu
Często zadawane pytania
Jakiej płaskości właściwie potrzebuje granitowa szyna nośna powietrzna?
Powszechną zasadą roboczą jest to, że błędy powierzchniowe na powierzchni nośnej powinny pozostać poniżej w przybliżeniu jednej czwartej szczeliny folii. W przypadku szczeliny wynoszącej 10 mikrometrów oznacza to płaskość szyny w zakresie od 2 do 3 mikrometrów na całej powierzchni, a lepiej w przypadku ultra-precyzyjnych prowadnic. Renomowani dostawcy poświadczają wartości płaskości na podstawie raportów pomiarowych, zamiast podawać jedną liczbę dla całej części.
Czy łożyska powietrzne mogą być wykonane razem z granitu i ceramiki?
Tak, a to hybrydowe podejście jest standardem w-wysokiej klasy systemach. Granit zapewnia stabilną podstawę i szyny, podczas gdy ceramiczne podkładki i płyty zapewniają twardość, izolację lub redukcję masy w razie potrzeby. Obydwa materiały są obrabiane i docierane w różny sposób, dlatego producent musi mieć kontrolę nad procesem nad obydwoma, dlatego też pozyskiwanie obu materiałów od jednego doświadczonego dostawcy upraszcza odpowiedzialność za jakość.
Jak długo wytrzymują granitowe łożyska powietrzne?
Zasadniczo na czas nieokreślony, jeśli dopływ powietrza pozostaje czysty. Ponieważ podczas pracy nie ma kontaktu pomiędzy łożyskiem a szyną, nie występuje żaden mechanizm zużycia poza uszkodzeniami i zanieczyszczeniami podczas przenoszenia. Dobrze-konserwowane systemy zainstalowane w latach 90. XX wieku nadal działają zgodnie z oryginalną specyfikacją.
Jakie informacje powinienem podać, aby uzyskać niestandardową wycenę łożyska powietrznego?
Podaj obciążenie (ciężar i środek ciężkości), długość i kierunek przesuwu, wymaganą sztywność i prostoliniowość, warunki dopływu powietrza, profil ruchu z przyspieszeniami oraz rysunek interfejsu montażowego. W odpowiedzi kompetentny producent przedstawi propozycję odstępu w folii i ograniczeń, specyfikacje płaskości i wykończenia oraz wycenę obejmującą zakres kontroli.
Ostatnie słowo
Łożyska powietrzne zapewniają ruch, któremu nie może dorównać żaden system stykowy, ale zapewniają go tylko na powierzchni, która jest płaska, stabilna i wykończona w niemal idealnym standardzie. Właśnie dlatego granit od dziesięcioleci zakotwicza tę technologię i dlatego ceramika poszerza możliwości tych systemów. Wybór producenta, który kontroluje oba materiały, obrabia duże części w pojedynczych konfiguracjach i nadal polega na ręcznych docierarkach do końcowego mikrometru, to najkrótsza droga do etapu, który sprawdza się od pierwszego dnia i nadal działa dziesięć lat później.
Zajmujemy się produkcjągranitowe łożysko powietrznepodstawy, szyny i wózki wraz zprecyzyjne ceramiczne łożysko powietrznekomponentów, wsparte ponad 30-letnim doświadczeniem w ręcznym docieraniu oraz pełną-własną obróbką i kalibracją. Prześlij nam swój projekt sceniczny do przeglądu technicznego i wyceny.