вступ
Серед передових технологій, що лежать в основі над-прецизійних систем руху, небагато таких елегантних у принципі чи таких вимогливих у реалізації, як повітряний підшипник. Знайдено в серціінструменти перевірки напівпровідників, прецизійні координатно-вимірювальні машини, високо{0}}точні метрологічні інструменти та сучасне виробниче обладнання, повітряні підшипники забезпечують рівні плавності руху та точності позиціонування, з якими звичайні-підшипники кочення просто не можуть зрівнятися.
У цій статті пояснюється, що таке повітряні підшипники, як вони працюють, які типи існують і чому поверхня, по якій вони їздять, має таке ж значення, як і сам підшипник.
Фундаментальний принцип
Повітряний підшипник у своїй найпростішій формі – це пристрій, який підтримує навантаження на тонкій плівці газу під тиском - майже завжди повітря, хоча інші гази можуть використовуватися в спеціальних застосуваннях. Ця газова плівка, зазвичай товщиною від 5 до 20 мікрометрів під час роботи, фізично розділяє рухомі та нерухомі поверхні. Оскільки немає міцного контакту, немає механічного тертя в традиційному розумінні.
Ця відсутність тертя має глибокі практичні наслідки. Звичайні-підшипники кочення - кулькові, роликові, голчасті підшипники - всі демонструють ефект тертя, який проявляється у-ковзанні, виділенні тепла, зношуванні та невеликих, але реальних помилках позиціонування. Ці ефекти, хоча й керовані в більшості інженерних застосувань, є неприйнятними в системах, де позиційна повторюваність повинна контролюватися до нанометрового рівня.
Повітряний підшипник може досягти повторюваності, кращої за 10 нм, за відповідних умов, а плавність його руху дозволяє чутливим інструментам працювати без мікро-вібрацій, які незмінно створюють підшипники кочення.
Типи повітряних підшипників
Повітряні підшипники поділяються на дві основні категорії залежно від того, як створюється повітряна плівка під тиском: аеростатичні та аеродинамічні.
Аеростатичні підшипники (тип, що використовується в точних приладах і напівпровідниках) покладаються на повітря під тиском, що подається зовні. Повітря проходить через невеликі отвори або пористі середовища на поверхні підшипника, створюючи зону тиску між підшипником і його опорною поверхнею. Зазор, а отже, навантажувальна здатність і жорсткість визначаються тиском подачі, геометрією отвору та самим зазором. Аеростатичні підшипники можуть витримувати навантаження навіть при нульовій швидкості, що робить їх придатними для точних ступенів, які повинні точно утримувати положення, а також рухатися плавно.
Аеродинамічні підшипники ґрунтуються на відносному русі між поверхнями для створення повітряної плівки - по суті той самий принцип, що й гідродинамічні масляні підшипники. Оскільки для створення плівки їм потрібен рух, вони менш корисні для додатків точного позиціонування, де потрібна підтримка статичного навантаження.
У аеростатичних підшипниках існують інші відмінності, що ґрунтуються на конструкції вхідного отвору для повітря: тип отвору- (куди повітря надходить через один або кілька прецизійних отворів), тип- пористого- типу (де повітря надходить через спечене або пористе середовище з багатьма розподіленими мікро-проходами) та тип-канавки (де канали під тиском розподіляють повітря). Пористі повітряні підшипники зазвичай забезпечують найвищу жорсткість і плавний розподіл тиску.
Еталонна поверхня: чому граніт
Повітряний підшипник настільки хороший, наскільки хороша поверхня, по якій він їздить. Підшипник плаває на зазор 5–20 мкм; будь-яка хвилястість або відхилення базової поверхні, яка наближається до цього розміру, порушить зазор, локально змінюючи жорсткість підшипника та створюючи помилку руху.
Для лінійного повітряного підшипника з діапазоном ходу 500 мм специфікація площинності контрольної поверхні може становити 1–3 мкм по всій довжині. Досягнення цього вимагає поєднання точного шліфування, тонкої притирки та перевірки за допомогою вимірювальних приладів, які можна простежити.
Граніт є домінуючим вибором для поверхонь, що несуть повітря, з кількох-відомих причин. Його твердість (Mohs 6–7) протистоїть зношенню через випадковий ненавмисний контакт. Його не-магнітний, не-реактивний характер дозволяє уникнути перешкод для датчиків, які використовуються в точних ступенях. Його теплові характеристики - низький коефіцієнт розширення, хороша теплопровідність - допомагають підтримувати стабільність розмірів під час експлуатації. І що важливо, граніт можна притирати до рівня площинності, якого вимагають повітряні підшипники.
Специфікація шорсткості поверхні для прецизійної поверхні напрямної, що несуть повітря, зазвичай становить Ra менше або дорівнює 0,1 мкм (100 нм), а в деяких випадках Ra менше або дорівнює 0,05 мкм. Це дзеркально-гладкі поверхні, які потребують не лише точного обладнання, а й кваліфікованої обробки.
Жорсткість, амортизація та вантажопідйомність
Технічні характеристики повітряного підшипника характеризуються трьома ключовими параметрами: жорсткістю, амортизацією та вантажопідйомністю.
Жорсткість, виражена в Н/мкм, описує, яка сила потрібна для відхилення підшипника на один мікрометр. Висока жорсткість є бажаною для точності позиціонування, оскільки збурювальні сили (від зміни корисного навантаження, сил двигуна або вібрації) викликають менші похибки позиціонування. Аеростатичні підшипники можуть досягати значень жорсткості від десятків до сотень Н/мкм залежно від розміру та тиску подачі.
Демпфування в повітряних підшипниках за своєю суттю нижче, ніж у масляних гідростатичних підшипниках, оскільки повітря має набагато меншу в’язкість. Це може зробити повітряні-ступені чутливими до резонансів під час збудження зовнішньою вібрацією чи швидким рухом. Розробники систем вирішують це за допомогою ретельної механічної конструкції та активних віброізоляційних платформ.
Вантажопідйомність задається площею підшипника і тиском живлення. Повітряні підшипники, як правило, мають більш обмежену вантажопідйомність на одиницю площі, ніж масляні чи магнітні підшипники, що означає, що вони найкраще підходять для застосувань, де корисне навантаження є чітко-визначеним і керованим -, як у інструментальних ступенях -, а не для важких верстатів.
Застосування в усіх галузях прецизійної промисловості
Сфера застосування повітряних підшипників охоплює будь-яку галузь, яка потребує плавного, точного та повторюваного руху.
У напівпровідниковому обладнанні повітряні підшипники використовуються для перевірки пластин, позиціонування фотомаски, лазерних систем-запису та електронно-променевої метрології. Рівність поверхні гранітної напрямної, на якій працюють ці ступені, безпосередньо впливає на точність позиціонування, яку досягає система.
У координатно-вимірювальних машинах (КІМ) повітряні підшипники дозволяють вимірювальному зонду плавно перетинати об’єм вимірювання, не вносячи вібрації, яка б заважала чутливим сенсорним датчикам або скануючим датчикам. Високо{1}}точні КІМ використовують гранітні столи і як опорну точку, і як опорну поверхню для своїх-напневматичних осей.
У точних оптичних інструментах - інтерферометри, телескопи, спектрометри - поворотні столи з повітряними підшипниками дозволяють обертатися з-похибками менше 50 нм, уможливлюючи кутове позиціонування та вимірювання поверхні, які були б неможливі з механічними підшипниками.
На стадіях нано-позиціонування для досліджень і вдосконаленого виробництва повітряні підшипники забезпечують плавну платформу руху-без тертя, яка дозволяє п’єзоелектричним тонким-елементам позиціонування працювати ефективно, без ефекту-ковзання механічних підшипників, який інакше домінував би при малих амплітудах руху.
Інтеграційні міркування
Успішне впровадження повітряних підшипників вимагає уваги до кількох факторів-рівня системи. Необхідно відфільтрувати подачу повітря для видалення частинок, які можуть пошкодити зазор підшипника, відрегулювати для підтримки стабільного тиску та осушити, щоб видалити вологу, яка може викликати корозію на точних поверхнях. Типовими вимогами до фільтрації є видалення суб-мікронних частинок і точки роси, значно нижчі за робочу температуру.
Конструкційна система, що підтримує повітряний підшипник, повинна бути достатньо жорсткою, щоб зовнішні сили не деформували опорну поверхню або корпус підшипника. Ось чому повітроносні ступені в прецизійному обладнанні майже завжди встановлюються на масивних, добре-змочених конструкціях із граніту чи мінерального лиття.
Середовище чистих приміщень, у якому часто працюють прецизійні повітропровідні системи, також впливає на вибір дизайну. Вимоги до виділення газів, контролю забруднення та сумісності з матеріалами чистих приміщень і процедурами очищення відіграють важливу роль у проектуванні системи повітряних підшипників для застосування у виробництві напівпровідників та оптики.
Висновок
Повітряні підшипники представляють собою одну з найдосконаліших технологій у точному машинобудуванні - оманливо проста в принципі, але вимоглива до виконання. Їх здатність досягати-руху без тертя, повторюваності-нанометрового рівня та виняткової плавності робить їх незамінними в найскладніших програмах позиціонування у виробництві напівпровідників, прецизійній метрології та науковому приладобудуванні.
Гранітні поверхні, на яких вони працюють, не є пасивними підкладками - вони є прецизійними-компонентами самі по собі, зі специфікаціями щодо площинності, шорсткості та стабільності, які мають відповідати та підтримуватися протягом усього терміну експлуатації системи. Розуміння як підшипника, так і його опорної поверхні як інтегрованих інженерних елементів має важливе значення для будь-кого, хто розробляє або специфікує над-системи руху з високою точністю.