Повітряний підшипник — це те, що ближче до руху без тертя. Тонка плівка повітря під тиском, часто товщиною лише від 5 до 20 мікрометрів, відокремлює рухомий елемент від його напрямної поверхні, тому немає жодного контакту з металом, мастила, ковзання та фактичного зносу. У над-прецизійних системах, від осей сканування ШМ до столиків літографії та лазерних скануючих головок, свобода від контакту — це те, що робить можливим рух у нанометровому-масштабі. Але ефірне кіно – це лише половина справи. Інша половина — це поверхня, по якій він їздить, і саме тому граніт і все більш прецизійна кераміка домінують у світі високо-лінійного руху.
У цьому посібнику пояснюється, як побудовані гранітні повітряні підшипники, як продумати вибір дизайну робочої системи та де ці компоненти застосовуються. Він ґрунтується на більш ніж тридцятирічному досвіді створення гранітних повітряних плаваючих направляючих і лінійних платформних основ двигуна, включаючи ручну притирку майстрів-техніків, які регулярно працюють на нанометровому-рівні площинності на дотик.
Як насправді працює повітряний підшипник
Повітряний підшипник замінює контакт кочення або ковзання плівкою повітря під тиском, що подається через невеликі отвори або пористе обмеження. Тиск плівки підтримує навантаження, а жорсткість плівки зростає зі звуженням зазору, завдяки чому система само-стабілізується. Основними компонентами є:
- Підшипникова подушечка або каретка, що містить отвори, вбудовані обмежувачі або пористе середовище, оброблене в стабільний корпус
- Направляюча поверхня (рейка, основа або колія), яка має бути плоскою, гладкою та достатньо жорсткою, щоб мати рівномірний зазор уздовж повного ходу
- Система подачі повітря, відфільтрована до суб{0}}мікронних рівнів часток і відрегульована до часток бара, оскільки коливання тиску плівки безпосередньо перетворюються на помилки руху
- Структура вище, як правило, це лінійний двигун або вимірювальна каретка, динаміка якої взаємодіє з жорсткістю плівки
Типові показники продуктивності пояснюють, чому інженери мирилися зі складністю подачі повітря: вантажопідйомність від кількох кілограмів до кількох тонн на колодку, жорсткість у діапазоні від десятків до сотень Ньютонів на мікрометр, прямолінійність руху краща за 0,1 мікрометра на 100 мм ходу в хорошій системі та тертя настільки близьке до нуля, що ступінь може утримувати позицію з суб-нанометровою повторюваністю під дією лінійного двигуна.
Чому напрямна поверхня має бути гранітною або керамічною
Повітряна плівка настільки хороша, наскільки хороша поверхня під нею. Три властивості матеріалу вирішують усе:
- Площинність: проміжок плівки в 10 мікрометрів не допускає похибок направляючої поверхні такого ж порядку. Довгим рейкам потрібна площинність у межах одно-мікрометричного діапазону на метри, а для над-прецизійних рейок потрібна площинність до-мікрометра на менших проміжках. Лише притирка досягає цього надійно, а граніт є класичним конструкційним матеріалом для притирки
- Оздоблення поверхні: підшипники з отворами повинні мати гладкі поверхні, щоб уникнути турбулентності та асиметрії плівки. Дрібно{1}}зернистий чорний граніт натирається до дзеркального покриття, а кераміку, як-от оксид алюмінію та карбід кремнію, можна шліфувати та натирати ще точніше
- Стабільність розмірів: зазор визначає продуктивність підшипника, тому рейка не повинна рухатися протягом багатьох років. Внутрішнє напруження граніту, низьке теплове розширення та майже -нульове водопоглинання забезпечують стабільність геометрії протягом десятиліть
Є також практична властивість, яка має величезне значення в майстерні: стійкість до пошкоджень. Подряпаний контактний підшипник все ще працює; повітряний підшипник із піднятим заусенцем на рейці може заземлити плівку та розбитися. Твердість і зносостійкість граніту та кераміки в поєднанні з тим, що вони не піддаються корозії, роблять їх єдиним реалістичним-вибором для відкритих точних рейок.
Гранітні повітряні підшипники та керамічні повітряні підшипники: взаємодоповнюючі ролі
Гранітні та керамічні повітроносні системи зазвичай поєднуються, а не конкурують. Типова архітектура над-високоточної платформи виглядає так:
- Основа та рейки з граніту: важка, зволожена, термічно стійка основа з поверхнями, що несуть повітря, і вбудованими латунними або нержавіючими вставками для кріплення.
- Гранітна каретка або міст: підібрані до рейок, з отворами, просвердленими в самому граніті або в змінних вставках
- Компоненти прецизійної кераміки, що несуть повітря: глинозем, карбід кремнію або нітрид кремнію, прокладки та пластини, де потрібна надзвичайна твердість, електрична ізоляція (глинозем та нітрид кремнію), менша щільність для рухомих мас або стійкість до корозії в агресивних середовищах
Кераміка сяє там, де граніт досягає межі. Карбід кремнію забезпечує жорсткість--ваги в кілька разів, ніж граніт, що робить його ідеальним для-карет, що швидко рухаються. Оксид алюмінію забезпечує електричну ізоляцію для-чутливих до електростатики ступенів і може бути притерто до виняткової якості поверхні. Нітрид кремнію справляється з ударними навантаженнями та крайовими навантаженнями, які можуть розколоти крихкий камінь. У передових платформах оптичного контролю та напівпровідникових платформах за замовчуванням стають гібридні системи з гранітними основами та керамічними опорними елементами.
Керівництво з проектування: правильна система повітряних підшипників
1. Спочатку визначте проміжок плівки
Зазор визначає жорсткість, вантажопідйомність, споживання повітря та чутливість до дефектів поверхні. Великі зазори (від 15 до 20 мікрометрів) вибачають недосконалі поверхні, але споживають більше повітря та забезпечують меншу жорсткість. Невеликі зазори (від 5 до 8 мікрометрів) забезпечують чудову жорсткість, але вимагають кращої площинності та чистішого повітря. Рішення про зазор слід приймати разом із специфікацією якості поверхні, а не після неї.
2. Виберіть тип обмеження
Прості отвори дешеві та міцні; власне компенсовані отвори та пористе середовище забезпечують кращу амортизацію та вищу жорсткість із меншим ризиком повітряного удару. Пористі вугільні або керамічні вставки стають все більш популярними для точних столиків, оскільки вони рівномірно розподіляють плівку та витримують невеликі випадки забруднення.
3. Розробити розподіл навантаження
Кожен ступінь повітряного підшипника має проблему з центром ваги:-навантаження поза центром розвантажують одну колодку та перевантажують іншу, спричиняючи помилки кроку. конструкції повинні включати прокладки попереднього натягу (протилежні підшипники) або вакуумне попереднє натягування на верхній поверхні, де це дозволяє застосування, а монтажний інтерфейс має бути оброблений так, щоб шлях навантаження був симетричним.
4. Вказуйте правильні допуски, а не найсуворіші
Для гранітної повітряної гірки значущими цифрами є: площинність рейки (зазвичай від 1 до 3 мікрометрів на 300 мм, аж до суб-мікрометра для над-точності), узгоджена висота--рейки, положення та глибина отвору для отвору та обробка поверхні опорних майданчиків. Над-допуск до кожної поверхні збільшує вартість без покращення якості руху; вміння розподіляти толерантність там, де цього потребує фізика.
5. Ніколи не недооцінюйте ручну притирку
Обробка з ЧПУ наближає гранітну рейку до кількох мікрометрів. Кінцевий мікрометр, де знаходяться повітряні підшипники, відноситься до ручної притирки. Досвідчені спеціалісти з десятиліттями досвіду, використовуючи пластини, які можна перевірити, і повторювані цикли вимірювання, доводять опорні поверхні до нанометрового-рівня площинності, і їхнє судження про те, коли поверхня готова, яку одні прилади не можуть повністю замінити, є справжньою конкурентною перевагою. Це ремесло, що стоїть за кожною надійною гранітною повітряною гіркою.
6. Сплануйте подачу повітря в складі машини
Встановіть фільтрацію до 0,1 мікрометра, регулювання тиску з низькими пульсаціями та процедуру продувки на час простою. Система прецизійного повітряного підшипника, розроблена для чистого, сухого та стабільного постачання, працюватиме-без обслуговування протягом десяти років; один, підключений до брудної лінії цеху, не буде.
Де застосовуються ці системи
- Гранітні повітряні слайди ШМ: скануючі та портальні КІМ використовують гранітні основи та рейки з повітряними опорами для вимірювання-повторюваності нанометрів
- Ступені перевірки та літографії напівпровідникових пластин: гранітні основи з керамічними повітроносними елементами, часто з лінійними двигунами, що приводяться безпосередньо
- Лазерні системи обробки та сканування: без тертя, швидко, без генерації частинок, що має значення в оптичних середовищах
- Оптичні метрологічні прилади: інтерферометри та профілометри на гранітних повітряних гірках для відстежуваних суб{0}}мікрометричних вимірювань
- Лінійні моторні платформи загалом: усюди, де етапи прямого-приводу потребують нульового стрибка-ковзання та довгого прямого руху
Часті запитання
Яка площинність насправді потрібна гранітній повітряній рейці?
Загальне робоче правило полягає в тому, що похибки поверхні над несучою поверхнею повинні залишатися нижче приблизно однієї чверті зазору плівки. Для зазору в 10 мікрометрів це означає рівність рейки в межах 2-3 мікрометрів по всій поверхні, і краще на над-прецизійних слайдах. Довірені постачальники засвідчують значення площинності звітами про вимірювання, а не вказують одне число для цілої деталі.
Чи можна виготовляти повітряні підшипники з граніту та кераміки разом?
Так, і цей гібридний підхід є стандартним для високо-систем. Граніт забезпечує стабільну основу та рейки, тоді як керамічні прокладки та пластини забезпечують твердість, ізоляцію або зменшення ваги, де це необхідно. Обидва матеріали по-різному оброблюються та натираються, тому виробник повинен контролювати процес обох, саме тому закупівля обох від одного досвідченого постачальника спрощує відповідальність за якість.
Скільки служать гранітні повітряні підшипники?
Фактично на невизначений термін, якщо подача повітря залишається чистою. Оскільки немає контакту між підшипником і рейкою під час роботи, немає ніякого механізму зносу, окрім ушкодження та забруднення. Добре{2}}обслуговувані системи, встановлені в 1990-х роках, досі працюють згідно з оригінальними специфікаціями.
Яку інформацію я повинен надати для індивідуальної пропозиції повітряного підшипника?
Вкажіть навантаження (вагу та центр ваги), довжину та напрямок руху, необхідну жорсткість та прямолінійність, умови подачі повітря, профіль руху з прискореннями та креслення монтажної поверхні. Кваліфікований виробник відповість пропозицією щодо зазору плівки та обмежень, специфікаціями щодо площинності та обробки, а також пропозицією з урахуванням обсягу перевірки.
Заключне слово
Повітряні підшипники забезпечують рух, з яким не може зрівнятися жодна контактна система, але вони забезпечують його лише на рівній, стабільній поверхні, обробленій майже ідеальним стандартом. Ось чому граніт є основою цієї технології протягом десятиліть, і чому кераміка розширює можливості цих систем. Вибір виробника, який контролює обидва матеріали, обробляє великі деталі в одній установці та все ще покладається на ручних майстрів для кінцевого мікрометра, є найкоротшим шляхом до сцени, яка працює в перший день і продовжує працювати через десять років.
Ми виготовляємогранітний повітряний підшипникоснови, рейки і каретки разом зпрецизійний керамічний повітряний підшипниккомпонентів, що підтримується більш ніж 30-річним досвідом ручної притирки та повною-власною обробкою та калібруванням. Надішліть нам свій дизайн сцени для інженерного огляду та пропозиції.