Każde łożysko mechaniczne, niezależnie od tego, jak dobrze jest wykonane, ma gdzieś kontakt - kulek z bieżniami, wału z tuleją, rolek z szyną. To kontakt, w którym precyzyjne systemy ruchu tracą swoją dokładność w sposób, który trudno wyeliminować wyłącznie poprzez lepszą produkcję. Łożyska powietrzne przyjmują zupełnie inne podejście: usuń kontakt, a usuniesz większość związanych z nim źródeł błędów. Pytaniem, które warto zadać, nie jest to, czy w zasadzie jest to prawdą - z całą pewnością tak jest -, ale sytuacja, w której jest to na tyle istotne, aby uzasadnić dodatkową złożoność i koszty.
Z czym tak naprawdę walczą konwencjonalne łożyska
Łożyska-toczne - typu kulkowego lub wałeczkowego - osiągają niskie tarcie dzięki hartowanym, precyzyjnie szlifowanym powierzchniom stykowym, ale „niskie tarcie” nie oznacza „braku tarcia”, a pozostające tarcie nie jest idealnie stałe. Tarcie statyczne w stanie spoczynku jest większe niż tarcie dynamiczne, gdy łożysko się porusza, co jest różnicą zwaną stick-poślizgiem i objawia się niewielką, ale rzeczywistą nieciągłością pozycjonowania za każdym razem, gdy etap rozpoczyna się od spoczynku. W przypadku obróbki ogólnej nieciągłość ta jest niewidoczna. W przypadku pozycjonowania sub-mikronowego jest to mierzalne źródło błędu powtarzalności.
Zużywają się także łożyska toczne-. Każdy obrót wiąże się z mikroskopijnym naprężeniem kontaktowym na styku bieżni-kulki i w ciągu milionów cykli naprężenie to powoduje mierzalne zużycie - zmieniające napięcie wstępne, wprowadzające luz i stopniowo pogarszające powtarzalność nowego łożyska. Smarowanie pomaga, ale nie eliminuje mechanizmu; jest to nieodłącznie związane ze sposobem działania łożyska.
Jakie łożyska powietrzne zmieniają się strukturalnie
Łożysko powietrzne oddziela ruchomy element od jego powierzchni odniesienia cienką warstwą powietrza pod ciągłym ciśnieniem, zwykle o grubości kilku mikronów. Nie występuje kontakt toczny,-przejście typu stick-slip pomiędzy tarciem statycznym i dynamicznym oraz - krytycznie - brak mechanizmu zużycia spowodowanego działaniem samego łożyska, ponieważ nie występuje kontakt fizyczny powodujący naprężenie w punkcie styku. Ruchomy element zasadniczo unosi się w powietrzu, ograniczony przez ciśnienie powietrza, a nie kontakt mechaniczny.
Daje to dwie bezpośrednie korzyści w zakresie precyzyjnego ruchu. Po pierwsze, tarcie staje się praktycznie pomijalne i spójne w całym zakresie ruchu, eliminując nieciągłość drgań-poślizgu, która ogranicza powtarzalność-elementów tocznych przy bardzo małych przyrostach pozycjonowania. Po drugie, ponieważ nie występuje zużycie styków, charakterystyka precyzji łożyska powietrznego pozostaje znacznie bardziej stała przez cały okres jego eksploatacji niż łożysko toczne-, które zapewnia - znaczącą zaletę w przypadku sprzętu, od którego oczekuje się, że wytrzyma kalibrację przez lata ciągłego użytkowania.
Gdzie powierzchnia odniesienia staje się czynnikiem ograniczającym
Oto część, która zmienia dyskusję z „łożyska powietrzne kontra łożyska konwencjonalne” na coś bardziej szczegółowego: precyzja łożyska pneumatycznego jest tak dobra, jak powierzchnia odniesienia, po której się porusza. Konsystencja filmu powietrznego zależy od płaskości i porowatości tej powierzchni. - Wszelkie różnice w powierzchni przekładają się bezpośrednio na zmiany sztywności, a ostatecznie na błąd pozycjonowania. Właśnie dlatego granit tak konsekwentnie pojawia się jako materiał odniesieniasystemy łożysk powietrznychkonkretnie, a nie incydentalnie w związku z technologią.
Drobna, ciasno upakowana struktura krystaliczna granitu tworzy płaską,-powierzchnię referencyjną o niskiej porowatości, stabilną wymiarowo podczas całej zmiany roboczej, nie-magnetyczną i ekonomiczną przy większych powierzchniach,-wymaganych przez wiele powietrznych-stołów XY i platform silników liniowych. W praktyce technologia łożysk i materiał odniesienia nie są oddzielnymi decyzjami. - Dobrze-zaprojektowane łożysko pneumatyczne na źle określonej powierzchni odniesienia ma gorsze wyniki niż przeciętne łożysko na doskonałym.
Gdzie właściwie ląduje-kompromis
Nic z tego nie sprawia, że łożyska pneumatyczne są właściwym wyborem dla każdego zastosowania i warto być w tej kwestii bezpośrednimi. Łożyska powietrzne wymagają ciągłego, czystego i regulowanego dopływu powietrza -, czyli zależności, której konwencjonalne łożyska po prostu nie mają, a która zwiększa realną infrastrukturę i koszty eksploatacji. Nośność na jednostkę powierzchni jest zazwyczaj niższa niż w przypadku równoważnego łożyska tocznego-, co oznacza, że systemy łożysk powietrznych często wymagają większej powierzchni płytki łożyskowej, aby wytrzymać to samo obciążenie. W przypadku ruchu-ogólnego przeznaczenia, gdzie powtarzalność poniżej{{6}mikronów nie jest wymogiem napędowym, dobrze-określony-system elementów tocznych pozostaje bardziej ekonomiczny i prostszy mechanicznie.
Łożyska powietrzne zyskują na popularności zwłaszcza w zastosowaniach, w których drgania typu stick-poślizg-długoterminowe-zużycie-związane z dryftem stanowią faktyczne czynniki ograniczające -stopnie-wysokiej precyzji metrologii, obsługa płytek półprzewodnikowych, systemy optycznego wyrównywania i inne zastosowania, w których powtarzalność pozycjonowania na poziomie sub-mikronowym decyduje o tym, czy cały system spełnia specyfikację.
Co należy sprawdzić przed określeniem specyfikacji układu łożysk powietrznych
Dla inżynierów oceniających systemy łożysk powietrznych powierzchnia odniesienia zasługuje na taką samą analizę, jak sam osprzęt łożyska. Warto zadać bezpośrednie pytanie: jakie dane dotyczące płaskości i porowatości potwierdzają cytowaną granitową lub ceramiczną powierzchnię odniesienia, w jaki sposób sprawdza się tę płaskość na całym obszarze roboczym, a nie na próbce, oraz czy dostawca ma zintegrowane doświadczenie w dopasowywaniu projektu płytki łożyskowej do tej konkretnej powierzchni odniesienia, zamiast traktować te dwa elementy jako komponenty pochodzące z niezależnych źródeł. W ramach naszej linii precyzyjnego granitu obrabiamy granitowe powierzchnie referencyjne do łożysk powietrznych i wnioski praktyczne płynące z tej pracy są spójne - łożysko przyciąga uwagę w rozmowie na temat specyfikacji, ale powierzchnia, po której się porusza, równie często jest rzeczywistym czynnikiem ograniczającym wydajność systemu.