Когда координатно-измерительная машина скользит по своему пути без видимого контакта, без смазки и без проскальзывания, она почти наверняка движется на воздушном подшипнике, а в большинстве прецизионных машин поверхность, по которой она движется, представляет собой гранит. Сочетание притертого гранита и сжатого воздуха является тихой основой современного метрологического оборудования, полупроводниковых каскадов и платформ с линейными двигателями. В этом руководстве объясняется, как работает гранитный воздушный подшипник, почему в большинстве случаев гранит предпочтительнее керамики, как определяются несущая способность и жесткость, что требуется для подачи воздуха и как его выбрать с помощью практического контрольного списка выбора.
Как работает наведение по воздушному пеленгу
Воздушный подшипник заменяет твердый скользящий контакт тонкой пленкой сжатого воздуха, обычно толщиной от нескольких микрометров до нескольких десятков микрометров. Воздух подается через небольшие отверстия или пористую область в подушке подшипника, распространяется в зазор между подушкой и направляющей поверхностью и выходит по краям. Давление внутри пленки несет нагрузку, поэтому каретка плавает, а не соприкасается. Поскольку нет контакта металла с металлом, нет статического трения, которое необходимо преодолеть в начале движения, нет частиц износа и нет смазки, которая могла бы притягивать пыль или испаряться в чистом помещении.
Два свойства пленки имеют такое же значение, как и нагрузка, которую она несет. Первый — усреднение: пленка перекрывает микроскопические максимумы и минимумы поверхности направляющей, фильтруя коротковолновые ошибки, поэтому полезная нагрузка видит гораздо более плавную траекторию, чем необработанный профиль поверхности. Второе — демпфирование: воздушная пленка рассеивает вибрационную энергию, что дополняет естественное демпфирование самого гранита. Вместе эти эффекты создают движение с прямолинейностью субмикрометра и разрешением нанометрового масштаба, а это именно то, что требуется для воздушных подшипников КИМ и систем оптического контроля.
Почему гранит вместо стали или керамики
Направляющая поверхность составляет половину воздушной подшипниковой системы, и ее качество решает все. Гранит дает три преимущества. Его можно притереть до превосходной плоскостности, обычно на уровне микрометра на больших площадях, что дает воздушной пленке стабильный и предсказуемый зазор. Он имеет высокое внутреннее демпфирование, поэтому комбинированная конструкция не звенит так, как стальная направляющая. И он размеренно спокоен: его тепловое расширение составляет небольшую часть стали, и он не подвергается коррозии, поэтому геометрия зазора выдерживает годы циклических температур и влажного воздуха в чистых помещениях без каких-либо ремонтов.
Керамические направляющие, обычно из глинозема или карбида кремния, встречаются в некоторых машинах и обладают реальной прочностью. Они тверже гранита, выдерживают более высокие контактные нагрузки при использовании гибридных шариковых пневматических систем и могут быть легче при той же жесткости в определенных геометриях. На практике выбор сводится к сфере применения. Для большинства КИМ и метрологических платформ гранит выигрывает по цене на единицу точности, доступному диапазону размеров и ремонтопригодности, поскольку изношенную или поврежденную гранитную направляющую можно повторно притереть на месте, тогда как керамическая направляющая обычно означает замену всего компонента. Керамика, как правило, заслужила свое признание там, где преобладают чрезвычайная твердость, агрессивная среда или очень высокие ускорения.
Грузоподъемность и жесткость
Грузоподъемность воздушного подшипника — это просто суммарное давление пленки на поверхность колодки, уменьшенное за счет профиля давления между подачей и кромкой. Приблизительное практическое руководство: при типичном давлении подачи около 4–6 бар и эффективной конструкции подушек эффективное давление пленки на площади подкладки может достигать 1,5–3 бар, поэтому подушка размером 50 х 100 мм с запасом несет порядка 75–150 кг. Многоместные каретки напрямую увеличивают вместительность.
Жесткость — это изменение зазора на единицу изменения нагрузки, и именно она удерживает полезную нагрузку от провисания в сторону направляющей при смещении нагрузки. Жесткость пленки увеличивается с увеличением давления питания и меньшим расчетным зазором, но слишком маленький зазор делает подшипник чувствительным к ошибкам плоскостности поверхности и к частицам. Хорошо спроектированные подшипники на притертом граните работают в середине диапазона, сочетая значительную жесткость с допуском к реальному качеству поверхности. При сравнении поставщиков запросите кривую зависимости нагрузки от зазора и показатель жесткости пленки при вашей рабочей нагрузке, а не только максимальное значение нагрузки, поскольку подшипник, который высоко плавает при небольшой нагрузке и ныряет при большой нагрузке, отобразит это в ваших данных о прямолинейности.
Зазор воздушной пленки и требования к подаче воздуха
Конструктивный зазор подбирается с учетом ровности направляющей и чистоты воздуха. Большие зазоры устраняют дефекты поверхности и частицы, но уменьшают жесткость; Прецизионные машины обычно создают зазоры от 5 до 12 микрометров на притертом граните. Вот почему плоскостность направляющей определяется так строго: пленка может усреднять только ошибки, которые малы по сравнению с ее собственной толщиной.
Такого же ухода требует и подача воздуха. Типичными требованиями являются чистый, сухой воздух с давлением от 4 до 8 бар, фильтрованный с точностью до 0,1 микрометра или выше для точных работ, с достаточно низкой точкой росы, чтобы предотвратить образование конденсата в линиях, обычно при температуре ниже 10 градусов C при давлении в линии. Масло — враг: даже следы масляного тумана со временем мигрируют в пленку и оседают на направляющей, поэтому в стандартную комплектацию входят безмасляные компрессоры или коалесцентные и угольные фильтры. Регуляторы и резервуары должны быть такого размера, чтобы потребление оставалось стабильным, поскольку пульсации давления проявляются непосредственно как пульсации движения на сцене. Расход зависит от размера колодок и зазора: от нескольких литров в минуту для маленьких колодок до более сотни для больших многодисковых кареток, поэтому подача должна быть рассчитана на основе общего объема, с резервированием или аккумулятором, на случай неожиданного отключения машина может установиться на направляющие.
Где используются гранитные воздушные подшипники
Одна и та же физика обслуживает несколько семейств машин, и в каждом из них акценты различаются.
| Приложение | Что делает воздушный подшипник | Почему гранит подходит |
| КИМ и измерительные машины | Переносит каретку датчика с повторяемым движением без трения по направляющим X и Y. | Притертая плоскостность и демпфирование обеспечивают субмикронную прямолинейность при длительном ходе. |
| Метрологические системы | Обеспечивает опорное движение без дрейфа для оптических и тактильных датчиков. | Термическая стабильность позволяет сохранять калибровку в силе между повторными проверками. |
| XY этапы | Поддерживает полезную нагрузку на плоских многоконтактных макетах с приводами нанометрового разрешения. | Высокая жесткость в сочетании с превосходной плоскостностью больших пластин. |
| Линейные моторные платформы | Заменяет механические направляющие, при контакте с которыми может возникнуть пульсация и частицы. | Немагнитный, чистый и совместимый с профилями высокого ускорения. |
| Оборудование для контроля полупроводников | Позиционирует пластины и датчики без образования остатков износа | Без смазки и частиц, стабильно в условиях чистых помещений. |
Практический контрольный список выбора
Прежде чем запрашивать предложение, проработайте шесть пунктов. Им требуется час на подготовку и экономия недель итераций.
Нагрузка: укажите массу полезной нагрузки, смещение ее центра тяжести, а также постоянство нагрузки или ее изменение в течение цикла. Сюда же относятся направление предварительной нагрузки и динамические силы от двигателей и кабелей.
Ход и диапазон: укажите необходимый ход по каждой оси, доступное пространство, а также положение жестких упоров и прокладки кабелей. Длина направляющей определяет количество и расстояние между опорными площадками.
Требования к точности: выражайте их как прямолинейность, ровность пройденной траектории, тангаж, крен и рыскание на всем протяжении хода, а также повторяемость. Числа здесь определяют характеристики притирки гранитной направляющей.
Подача воздуха: проверьте доступное давление, точку росы и фильтрацию на входе в машину, а также то, используется ли линия совместно с другим оборудованием, которое может вызвать падение давления.
Окружающая среда: температурный диапазон и стабильность, влажность, вибрация пола и класс чистого помещения, если применимо. Они определяют марку материала, размер зазора и необходимость в изолирующих креплениях.
Монтажный интерфейс: предоставьте чертежи того, что крепится к каретке и что поддерживает направляющую, включая положения вставок, чтобы гранитный компонент был готов к сборке, а не требовалось локальное сверление после доставки.
Установка, очистка и обслуживание
Система пневмоподшипников практически не требует технического обслуживания, но ее защищают некоторые правила. Держите поверхность направляющей закрытой во время простоя, чтобы предотвратить попадание мусора и случайный контакт. Очистите притертый гранит мягким моющим средством или изопропиловым спиртом и безворсовой тканью; избегайте агрессивных щелочных чистящих средств, которые с годами могут потускнеть поверхность. Никогда не перемещайте каретку по сухой направляющей с отключенным воздухом, поскольку даже один старт-стоп под нагрузкой может оставить на колодке ровное место; используйте функции подъема или компенсации, встроенные в машину. Проверяйте фильтры и регуляторы по расписанию и следите за показаниями зазоров, если машина их обеспечивает, поскольку медленно сужающийся зазор часто указывает на старение фильтра или загрязнение поверхности задолго до того, как это станет неисправностью. Благодаря этим навыкам гранитную направляющую можно заново притереть после многих лет эксплуатации, и система восстановит свои рабочие характеристики, что является одним из тихих экономических преимуществ этой технологии.
Начните с загрузки и путешествия
Если вы выбираете воздушную опорную ступень КИМ, метрологическую платформу или специальную машину с линейным двигателем, отправьте нам приведенный выше контрольный список или просто целевые значения нагрузки, перемещения, точности и чертежи интерфейсов. Мы производимгранитный воздушный подшипниккомпоненты и соответствующие притертые направляющие собственного производства, а также нашигранитный компонент измерительной машинылиния охватывает рельсы, вагоны и базы, по которым они курсируют. Наши инженеры рассмотрят ваши требования, порекомендуют расположение колодок, класс зазора и плоскостность направляющих и вернут коммерческое предложение с указанием времени выполнения заказа, обычно в течение нескольких рабочих дней. Изготовление на заказ по вашему чертежу — наша стандартная практика, а проверка чертежа бесплатна.