Vzduchové ložisko je najbližšia vec, ktorú má inžinierstvo k pohybu bez trenia. Tenká vrstva stlačeného vzduchu, často s hrúbkou len 5 až 20 mikrometrov, oddeľuje pohyblivý prvok od jeho vodiaceho povrchu, takže nedochádza ku kovovému kontaktu, žiadnemu mazivu, žiadnemu skĺznutiu tyče- a prakticky žiadnemu opotrebovaniu. V ultra{5}}presných systémoch, od skenovacích osí CMM až po litografické stupne a laserové skenovacie hlavy, je to, čo umožňuje pohyb v nanometrovom-rozsahu. Ale letecký film je len polovica príbehu. Druhú polovicu tvorí povrch, na ktorom jazdí, a to je dôvod, prečo žula a čoraz presnejšia keramika dominujú vo svete špičkového lineárneho pohybu.
Táto príručka vysvetľuje, ako sú štruktúrované žulové vzduchové ložiská, ako premýšľať o možnostiach dizajnu za pracovným systémom a kde sa tieto komponenty používajú. Vychádza z viac ako troch desaťročí skúseností s budovaním žulových vzduchových plávajúcich vedení a základňových platforiem s lineárnymi motormi, vrátane ručného lapovania majstrovských technikov, ktorí bežne pracujú na úrovni nanometrovej-rovnosti hmatom.
Ako vlastne funguje vzduchové ložisko
Vzduchové ložisko nahrádza valivý alebo klzný kontakt filmom stlačeného vzduchu privádzaným cez malé otvory alebo porézne zúženie. Tlak fólie podporuje zaťaženie a tuhosť fólie stúpa, keď sa medzera zužuje, vďaka čomu sa systém sám-stabilizuje. Podstatné zložky sú:
- Ložisková podložka alebo vozík s otvormi, zabudovanými obmedzovačmi alebo poréznym médiom, opracovaný do stabilného telesa
- Vodiaci povrch (koľajnica, základňa alebo koľajnica), ktorý musí byť plochý, hladký a dostatočne tuhý, aby udržal rovnomernú medzeru po celej dráhe
- Systém prívodu vzduchu, filtrovaný na sub{0}}mikrónové úrovne častíc a regulovaný na zlomok baru, pretože kolísanie tlaku filmu sa premieta priamo do chýb pohybu
- Vyššie uvedená štruktúra, typicky lineárny motorový stupeň alebo merací vozík, ktorého dynamika interaguje s tuhosťou filmu
Typické údaje o výkone vysvetľujú, prečo si inžinieri potrpia na zložitosť prívodu vzduchu: nosnosť od niekoľkých kilogramov do niekoľkých ton na podložku, tuhosť v rozmedzí desiatok až stoviek Newtonov na mikrometer, priamosť pohybu lepšia ako 0,1 mikrometra na 100 mm zdvihu na dobrom systéme a trenie také blízke nule, že stolík dokáže udržať polohu s pod{2}}nanometrovou opakovateľnosťou.
Prečo musí byť vodiaci povrch žula alebo keramika
Vzduchový film je len taký dobrý, ako dobrý je povrch pod ním. O všetkom rozhodujú tri vlastnosti materiálu:
- Rovinnosť: medzera filmu 10 mikrometrov nemôže tolerovať chyby vodiaceho povrchu rovnakého rádu. Dlhé koľajnice potrebujú rovinnosť v jedno-cifernom mikrometrovom rozsahu viac ako metrov a ultra{3}}presné suporty potrebujú rovinnosť pod-mikrometrov na kratších rozpätiach. Spoľahlivo to dosiahne iba lapovanie a klasickým lapovateľným konštrukčným materiálom je žula
- Povrchová úprava: Ložiská otvorov potrebujú hladké povrchy, aby sa zabránilo turbulenciám a asymetrii vo filme. Jemnozrnná čierna žula má zrkadlový povrch a keramiku, ako je oxid hlinitý a karbid kremíka, možno brúsiť a lapovať ešte jemnejšie
- Rozmerová stabilita: Medzera definuje výkon ložiska, takže koľajnica sa v priebehu rokov nesmie pohybovať. Uvoľnené vnútorné napätie žuly, nízka tepelná rozťažnosť a takmer{1}}nulová absorpcia vody udržujú geometriu stabilnú po celé desaťročia
Existuje aj praktická vlastnosť, na ktorej v dielni nesmierne záleží: odolnosť voči poškodeniu. Kontaktné ložisko, ktoré je poškriabané, stále beží; vzduchové ložisko s vyvýšeným ostrapom na koľajnici môže uzemniť fóliu a zrútiť sa. Tvrdosť a odolnosť žuly a keramiky proti opotrebovaniu v kombinácii so skutočnosťou, že ani jedna z nich nekoroduje, z nich robí jedinú realistickú-dlhodobú voľbu pre exponované presné koľajnice.
Granitové vzduchové ložiská a keramické vzduchové ložiská: Doplnkové úlohy
Systémy granitových a keramických vzduchových ložísk sa zvyčajne kombinujú, nie súperia. Typická architektúra pre ultra-presnú platformu vyzerá takto:
- Žulová základňa a koľajnice: ťažký, tlmený, tepelne stabilný základ s lapovanými vzduchovými ložiskovými plochami a zabudovanými mosadznými alebo nerezovými vložkami na montáž
- Žulový vozík alebo most: prispôsobený koľajniciam, s otvormi vyvŕtanými do samotnej žuly alebo do vymeniteľných vložiek
- Presné keramické vzduchové ložiskové komponenty: podložky a platne z oxidu hlinitého, karbidu kremíka alebo nitridu kremíka, kde aplikácia vyžaduje extrémnu tvrdosť, elektrickú izoláciu (oxid hlinitý a nitrid kremíka), nižšiu hustotu pre pohybujúce sa hmoty alebo odolnosť proti korózii v agresívnom prostredí
Keramika žiari tam, kde žula dosahuje limit. Karbid kremíka ponúka tuhosť-k-váhe niekoľkonásobne lepšiu ako žula, vďaka čomu je ideálny pre rýchlo-pohybujúce sa kočíky. Oxid hlinitý poskytuje elektrickú izoláciu pre elektrostaticky-citlivé stupne a možno ho lapovať na výnimočnú kvalitu povrchu. Nitrid kremíka zvláda nárazy a zaťaženie hrán, ktoré by odštiepili krehký kameň. V pokročilých optických kontrolných a polovodičových platformách sa štandardné stávajú hybridné systémy so žulovými základňami a keramickými ložiskovými prvkami.
Sprievodca dizajnom: Správny systém vzduchového ložiska
1. Najprv definujte medzeru filmu
Medzera určuje tuhosť, nosnosť, spotrebu vzduchu a citlivosť na chyby povrchu. Veľké medzery (15 až 20 mikrometrov) odpúšťajú nedokonalé povrchy, ale spotrebujú viac vzduchu a ponúkajú nižšiu tuhosť. Tesné medzery (5 až 8 mikrometrov) poskytujú vynikajúcu tuhosť, ale vyžadujú lepšiu rovinnosť a čistejší vzduch. Rozhodnutie o medzere by sa malo robiť spolu so špecifikáciou kvality povrchu, nie až po nej.
2. Vyberte typ obmedzenia
Jednoduché otvory sú lacné a robustné; inherentne kompenzované otvory a porézne médiá poskytujú lepšie tlmenie a vyššiu tuhosť s menším rizikom vzduchových rázov. Porézne uhlíkové alebo keramické vložky sú čoraz obľúbenejšie pre presné stupne, pretože rozdeľujú fóliu rovnomerne a tolerujú malé prípady znečistenia.
3. Navrhnite rozloženie zaťaženia
Každý stupeň vzduchového ložiska má problém s ťažiskom: mimo{0}}stredné zaťaženie odľahčuje jednu podložku a preťažuje druhú, čo spôsobuje chyby sklonu. návrhy by mali zahŕňať predpätie (protiľahlé ložiská) alebo vákuové predpätie na hornej strane, kde to aplikácia umožňuje, a montážne rozhranie musí byť opracované tak, aby bola dráha zaťaženia symetrická.
4. Špecifikujte správne tolerancie, nie tie najtesnejšie
Pre žulovú vzduchovú sklznicu sú zmysluplné čísla: rovinnosť koľajnice (zvyčajne 1 až 3 mikrometre na 300 mm, až po sub-mikrometre pre ultra-presnosť), prispôsobená výška koľajnice-k-koľajnici, poloha a hĺbka otvoru otvoru a povrchová úprava na ložiskových plochách. Prílišné-tolerovanie každého povrchu znásobuje náklady bez zlepšenia kvality pohybu; zručnosť je alokovať toleranciu tam, kde to fyzika potrebuje.
5. Nikdy nepodceňujte lapovanie rukou
CNC obrábanie prináša žulovú koľajnicu s presnosťou niekoľkých mikrometrov. Finálny mikrometer, kde bývajú vzduchové ložiská, patrí ručnému lapovaniu. Majstri lapovači s desaťročiami skúseností, ktorí používajú overiteľné platne a opakované meracie cykly, dodávajú ložiskám rovinnosť na-úrovni nanometrov a ich úsudok o tom, kedy je povrch hotový, ktorý samotné prístroje nedokážu úplne nahradiť, je skutočným konkurenčným prínosom. Toto je remeslo za každou spoľahlivou žulovou vzdušnou šmykľavkou.
6. Naplánujte prívod vzduchu ako súčasť stroja
Špecifikujte filtráciu na 0,1 mikrometra, reguláciu tlaku s nízkym zvlnením a rutinu čistenia pre prestoje. Presný systém vzduchových ložísk navrhnutý okolo čistého, suchého a stabilného zdroja bude fungovať bez údržby-po dobu jedného desaťročia; jeden pripojený na špinavú obchodnú linku nebude.
Kde sa tieto systémy používajú
- Žulové vzduchové sklíčka CMM: skenovacie a portálové CMM používajú žulové základne a koľajnice so vzduchovými ložiskovými vozíkmi na snímanie nanometrov-opakovateľnosti
- Inšpekčné a litografické stupne polovodičových plátkov: žulové základne s keramickými vzduchovými ložiskovými prvkami, často s priamo poháňanými lineárnymi motormi
- Laserové spracovanie a skenovacie systémy: bez trenia, rýchle, bez tvorby častíc, čo je dôležité v prostredí optiky
- Optické metrologické prístroje: interferometre a profilometre jazdiace na žulových vzduchových sklíčkach na sledovateľné sub-mikrometrické meranie
- Platformy s lineárnym motorom vo všeobecnosti: všade tam, kde priame{0}}jazdné stupne vyžadujú nulový sklz{1}}kĺzačky a dlhú, priamu dráhu
Často kladené otázky
Akú rovinnosť vlastne potrebuje žulová vzduchová nosná koľajnica?
Bežným pracovným pravidlom je, že chyby povrchu na ložiskovej ploche by mali zostať pod približne jednou štvrtinou medzery filmu. Pre medzeru 10 mikrometrov to znamená rovinnosť koľajníc v rozsahu 2 až 3 mikrometre po celej ploche a lepšie na ultra-presných sklzoch. Renomovaní dodávatelia certifikujú hodnoty rovinnosti pomocou správ o meraní, namiesto toho, aby uvádzali jediné číslo pre celý diel.
Môžu byť vzduchové ložiská vyrobené zo žuly a keramiky spolu?
Áno, a tento hybridný prístup je štandardom v-systémoch vyššej triedy. Žula poskytuje stabilnú základňu a koľajnice, zatiaľ čo keramické podložky a platne poskytujú tvrdosť, izoláciu alebo zníženie hmotnosti tam, kde je to potrebné. Tieto dva materiály sa obrábajú a lapujú odlišne, takže výrobca musí mať kontrolu nad procesom oboch, a preto získavanie oboch od jedného skúseného dodávateľa zjednodušuje zodpovednosť za kvalitu.
Ako dlho vydržia žulové vzduchové ložiská?
V podstate na neurčito, ak prívod vzduchu zostane čistý. Pretože pri prevádzke nedochádza k žiadnemu kontaktu medzi ložiskom a koľajnicou, okrem poškodenia a kontaminácie pri manipulácii neexistuje žiadny mechanizmus opotrebovania. Dobre{2}}udržiavané systémy nainštalované v 90. rokoch 20. storočia stále fungujú podľa pôvodných špecifikácií.
Aké informácie by som mal poskytnúť pre vlastnú cenovú ponuku vzduchových ložísk?
Uveďte zaťaženie (hmotnosť a ťažisko), dĺžku a smer jazdy, požadovanú tuhosť a priamosť, podmienky prívodu vzduchu, pohybový profil so zrýchleniami a nákres montážneho rozhrania. Schopný výrobca odpovie návrhom medzery a obmedzenia fólie, špecifikáciami rovinnosti a povrchovej úpravy a cenovou ponukou s rozsahom kontroly.
Slovo na záver
Vzduchové ložiská poskytujú pohyb, ktorému sa žiadny kontaktný systém nevyrovná, ale dodávajú ho iba na povrchu, ktorý je plochý, stabilný a dokončený na takmer dokonalom štandarde. To je dôvod, prečo žula zakotvila túto technológiu na desaťročia a prečo keramika rozširuje to, čo tieto systémy dokážu. Výber výrobcu, ktorý ovláda oba materiály, obrába veľké diely v jednotlivých zostavách a stále sa spolieha na majstrovské ručné lapovače pre finálny mikrometer, je najkratšou cestou k štádiu, ktoré funguje v prvý deň a funguje aj o desať rokov neskôr.
Vyrábamežulové vzduchové ložiskozákladne, koľajnice a vozíky spolu spresné keramické vzduchové ložiskokomponenty, ktoré sú podporované viac ako 30-ročnými skúsenosťami majstrovského ručného lapovania a kompletným{1}}vlastným obrábaním a kalibráciou. Pošlite nám svoj scénický návrh na inžinierske posúdenie a cenovú ponuku.