Úvod
Spomedzi podporných technológií, ktoré stoja za ultra-presnými pohybovými systémami, je len málo takých v princípe elegantných alebo tak náročných na implementáciu ako vzduchové ložisko. Nájdené v srdcinástroje na kontrolu polovodičov, presné súradnicové meracie stroje, vysoko presné metrologické prístroje a pokročilé výrobné zariadenia, vzduchové ložiská umožňujú úrovne plynulosti pohybu a presnosti polohovania, ktorým sa konvenčné valivé-ložiská jednoducho nedokážu vyrovnať.
Tento článok vysvetľuje, čo sú vzduchové ložiská, ako fungujú, aké typy existujú a prečo je povrch, na ktorom jazdia, taký dôležitý ako samotné ložisko.
Základný princíp
Vzduchové ložisko je vo svojej najzákladnejšej forme zariadenie, ktoré podporuje zaťaženie tenkého filmu stlačeného plynu - takmer vždy vzduchu, hoci v špecializovaných aplikáciách možno použiť aj iné plyny. Tento plynový film, typicky 5 až 20 mikrometrov hrubý počas prevádzky, fyzicky oddeľuje pohyblivé a stacionárne povrchy. Pretože tu nie je pevný kontakt, nedochádza k mechanickému treniu v tradičnom zmysle slova.
Táto absencia trenia má hlboké praktické dôsledky. Konvenčné valivé -ložiská - guľkové, valčekové a ihlové ložiská - všetky vykazujú trecie účinky, ktoré sa prejavujú ako klzné-súvanie, vytváranie tepla, opotrebovanie a vnášanie malých, ale skutočných chýb pri polohovaní. Tieto efekty, aj keď sú zvládnuteľné vo väčšine inžinierskych aplikácií, sú neprijateľné v systémoch, kde musí byť opakovateľnosť polohy kontrolovaná na úrovni nanometrov.
Stupeň so vzduchovým ložiskom môže za vhodných podmienok dosiahnuť opakovateľnosť lepšiu ako 10 nm a plynulosť jeho pohybu umožňuje citlivým nástrojom fungovať bez mikro-vibrácií, ktoré valivé ložiská vždy prinášajú.
Typy vzduchových ložísk
Vzduchové ložiská sú rozdelené do dvoch základných kategórií podľa toho, ako sa vytvára film stlačeného vzduchu: aerostatické a aerodynamické.
Aerostatické ložiská (typ používaný v presných prístrojoch a polovodičových aplikáciách) sa spoliehajú na externe dodávaný stlačený vzduch. Vzduch je tlačený cez malé otvory alebo porézne médiá v povrchu ložiska, čím sa vytvára tlaková zóna medzi ložiskom a jeho referenčným povrchom. Medzera vôle, a teda nosnosť a tuhosť, je určená prívodným tlakom, geometriou otvoru a samotnou medzerou. Aerostatické ložiská dokážu znášať zaťaženie aj pri nulovej rýchlosti, vďaka čomu sú vhodné pre presné stupne, ktoré musia presne držať polohu a musia sa pohybovať hladko.
Aerodynamické ložiská sa spoliehajú na relatívny pohyb medzi povrchmi na vytvorenie vzduchového filmu - v podstate na rovnakom princípe ako hydrodynamické olejové ložiská. Pretože vyžadujú pohyb na vytvorenie filmu, sú menej užitočné pre aplikácie presného polohovania, kde sa vyžaduje podpora statickej záťaže.
V rámci aerostatických ložísk existujú ďalšie rozdiely na základe konštrukcie prívodu vzduchu: otvorový-typ (kam vzduch vstupuje cez jeden alebo niekoľko presných otvorov), porézny-typ (kam vzduch vstupuje cez sintrované alebo porézne médium s mnohými distribuovanými mikro-priechodmi) a drážkový-typ (kam vzduch rozvádzajú tlakové kanály). Pórovité vzduchové ložiská vo všeobecnosti ponúkajú najvyššiu tuhosť a najhladšie rozloženie tlaku.
Referenčný povrch: Prečo práve žula
Vzduchové ložisko je len také dobré ako povrch, na ktorom jazdí. Ložisko pláva na medzere 5–20 µm; akékoľvek vlnenie alebo odchýlka v referenčnom povrchu, ktorá sa blíži k tomuto rozmeru, naruší medzeru, lokálne zmení tuhosť ložiska a spôsobí chybu pohybu.
Pre lineárny vzduchový ložiskový stupeň s rozsahom zdvihu 500 mm môže byť špecifikácia rovinnosti pre referenčný povrch 1–3 µm po celej dĺžke. Na dosiahnutie tohto cieľa je potrebná kombinácia presného brúsenia, jemného lapovania a overovania pomocou meracích prístrojov.
Žula je dominantnou voľbou pre referenčné povrchy so vzduchovými ložiskami z niekoľkých dobre{0}}zavedených dôvodov. Jeho tvrdosť (Mohs 6–7) odoláva opotrebovaniu pri občasnom neúmyselnom kontakte. Jeho ne-magnetický, nereaktívny charakter-zabraňuje interferencii so snímačmi používanými v presných etapách. Jeho tepelné charakteristiky - nízky koeficient rozťažnosti, dobrá tepelná vodivosť - pomáhajú udržiavať rozmerovú stabilitu počas prevádzky. A čo je kritické, žula môže byť lapovaná na úroveň rovinnosti, ktorú vyžadujú aplikácie vzduchových ložísk.
Špecifikácia drsnosti povrchu pre presný povrch vodiacej dráhy so vzduchovým ložiskom je typicky Ra menšia alebo rovná 0,1 µm (100 nm) av niektorých aplikáciách Ra menšia alebo rovná 0,05 µm. Ide o zrkadlovo{4}}hladké povrchy, ktoré si vyžadujú nielen presné vybavenie, ale aj odborné spracovanie.
Tuhosť, tlmenie a nosnosť
Technický výkon vzduchového ložiska charakterizujú tri kľúčové parametre: tuhosť, tlmenie a nosnosť.
Tuhosť, vyjadrená v N/µm, popisuje, aká sila je potrebná na vychýlenie ložiska o jeden mikrometer. Vysoká tuhosť je žiaduca pre presnosť polohovania, pretože rušivé sily (zo zmien užitočného zaťaženia, síl motora alebo vibrácií) spôsobujú menšie chyby polohy. Aerostatické ložiská môžu dosiahnuť hodnoty tuhosti v desiatkach až stovkách N/µm v závislosti od veľkosti a prívodného tlaku.
Tlmenie vo vzduchových ložiskách je prirodzene nižšie ako v olejových hydrostatických ložiskách, pretože vzduch má oveľa nižšiu viskozitu. To môže spôsobiť, že stupne vzduchových ložísk-sú náchylné na rezonancie pri excitácii vonkajšími vibráciami alebo rýchlym pohybom. Systémoví dizajnéri to riešia starostlivým mechanickým dizajnom a aktívnymi platformami na izoláciu vibrácií.
Nosnosť je nastavená oblasťou ložiska a prívodným tlakom. Vzduchové ložiská majú vo všeobecnosti obmedzenejšiu nosnosť na jednotku plochy ako olejové alebo magnetické ložiská, čo znamená, že sú najvhodnejšie pre aplikácie, kde je užitočné zaťaženie dobre-definované a zvládnuteľné -, ako je to v nástrojových stupňoch -, a nie v ťažkých obrábacích strojoch.
Aplikácie v precíznom priemysle
Oblasť použitia vzduchových ložísk pokrýva všetky odvetvia vyžadujúce hladký, presný a opakovateľný pohyb.
V polovodičových zariadeniach sa stupne so vzduchovým ložiskom používajú pri kontrole plátkov, polohovaní fotomasky, systémoch priameho{0}}zápisu laserom a metrológii elektrónového lúča. Rovnosť povrchu žulovej vodiacej dráhy, na ktorej tieto stupne fungujú, priamo ovplyvňuje presnosť polohovania, ktorú systém dosiahne.
V súradnicových meracích strojoch (CMM) umožňujú vzduchové ložiská meracej sonde plynulo prechádzať meraným objemom bez vytvárania vibrácií, ktoré by rušili citlivé dotykové sondy alebo skenovacie senzory. Vysoko presné CMM používajú žulové stoly ako referenčnú základňu aj ako nosnú plochu pre svoje vzduchové-osy.
V presných optických prístrojoch - interferometre, teleskopy, spektrometre - otočné stoly so vzduchovými ložiskami umožňujú rotáciu s-chybami pod 50 nm, čo umožňuje uhlové polohovanie a meranie povrchu, ktoré by nebolo možné s mechanickými ložiskami.
Vo fázach nano{0}}polohovania vo výskume a pokročilej výrobe poskytujú vzduchové ložiská plynulú platformu pohybu-bez trenia, ktorá umožňuje piezoelektrickým jemným{2}}polohovacím prvkom pracovať efektívne, bez klzných- efektov mechanických ložísk, ktoré by inak dominovali pri malých amplitúdach pohybu.
Úvahy o integrácii
Úspešná implementácia vzduchových ložísk si vyžaduje pozornosť na niekoľko faktorov-systémovej úrovne. Prívod vzduchu musí byť filtrovaný, aby sa odstránili častice, ktoré by mohli poškodiť ložiskovú medzeru, regulovaný, aby sa udržal stabilný tlak, a vysušený, aby sa odstránila vlhkosť, ktorá by mohla spôsobiť koróziu na presných povrchoch. Typické požiadavky na filtráciu sú odstraňovanie sub-mikrónových častíc a rosné body výrazne pod prevádzkovou teplotou.
Konštrukčný systém nesúci vzduchové ložisko musí byť dostatočne pevný, aby vonkajšie sily nedeformovali referenčný povrch alebo puzdro ložiska. To je dôvod, prečo sú stupne so vzduchovými ložiskami v presných zariadeniach takmer vždy namontované na masívnych, dobre{1}}tlmených žulových alebo minerálnych odliatkoch.
Prostredie čistých priestorov, v ktorých systémy presných vzduchových ložísk často fungujú, tiež ovplyvňuje výber dizajnu. Požiadavky na odplyňovanie, kontrola kontaminácie a kompatibilita s materiálmi pre čisté priestory a čistiacimi postupmi, to všetko hrá úlohu pri návrhu systému vzduchových ložísk pre polovodičové a optické výrobné aplikácie.
Záver
Vzduchové ložiská predstavujú jednu z najprepracovanejších technológií v presnom strojárstve - v princípe zdanlivo jednoduché a náročné na prevedenie. Ich schopnosť dosiahnuť-voľný pohyb, opakovateľnosť na úrovni nanometrov{3}}a výnimočná hladkosť ich robí nepostrádateľnými v najnáročnejších polohovacích aplikáciách vo výrobe polovodičov, presnej metrológii a vedeckých prístrojoch.
Žulové povrchy, na ktorých fungujú, nie sú pasívne substráty -, sú to precízne-súčiastky samy osebe so špecifikáciami rovinnosti, drsnosti a stability, ktoré musia byť splnené a udržiavané počas prevádzkovej životnosti systému. Pochopenie ložiska a jeho referenčného povrchu ako integrovaných technických prvkov je nevyhnutné pre každého, kto navrhuje alebo špecifikuje ultra-precízne pohybové systémy.