Где-то внутри большинства современных систем полупроводниковой литографии, инструментов для проверки пластин и высокопроизводительных координатно-измерительных машин-есть компонент, который делает нечто, что кажется почти невероятным: прецизионный столик, плавающий на воздушной пленке толщиной всего в несколько микрон и движущийся практически с нулевым трением. Понимание того, как работают гранитные воздушные подшипники - и почему именно гранит является предпочтительным материалом -, многое объясняет о том, как на самом деле достигается сверх-точное управление движением.
Основной принцип
Воздушный подшипник работает, проталкивая сжатый воздух через пористую поверхность или поверхность,-подаваемую через отверстия, создавая тонкую, непрерывную воздушную подушку между двумя поверхностями, которые в противном случае находились бы в физическом контакте. Груз - столик, шпиндель, подвижный стол - буквально плавает на этой воздушной пленке, обычно толщиной от 5 до 20 микрон, в зависимости от конструкции и требований к нагрузке.
Поскольку между движущимися и неподвижными поверхностями нет физического контакта, отсутствует механическое трение, прерывистое-скольжение и практически отсутствует износ. Это принципиально отличается от ситуации с обычным механическим подшипником, который - независимо от того, насколько хорошо-обработан -, всегда имеет некоторую степень трения, микроскопические неровности поверхности и постепенный износ в течение всего срока службы.
Отсутствие трения и прерывистого-проскальзывания делает воздушные подшипники ценными для сверх-точного позиционирования. Механические подшипники имеют тенденцию проявлять небольшие, непредсказуемые скачки положения на очень низких скоростях или при изменении направления - - явление, называемое прерывистым-скольжением, вызванное переходом между статическим и кинетическим трением. Для большинства промышленных применений это не имеет значения. Для предметного столика, который должен двигаться с шагом в нанометры, это может быть основным источником ошибок позиционирования.
Почему гранит является предпочтительной несущей поверхностью
Воздушные подшипники теоретически могут быть изготовлены из различных плоских, твердых материалов, но гранит стал стандартным выбором для неподвижной несущей поверхности (часто называемой опорной поверхностью или опорной плитой) в приложениях с высокой-прецизионной точностью по нескольким сходящимся причинам:
Стабильность плоскостности с течением времени. Поскольку гранит имеет чрезвычайно низкое внутреннее напряжение по сравнению с обработанным металлом (металл сохраняет остаточное напряжение от процесса литья и механической обработки, которое может вызвать постепенные, крошечные изменения размеров в течение месяцев или лет), гранитная опорная поверхность имеет тенденцию сохранять свои характеристики плоскостности намного дольше, чем металлический эквивалент. Для воздушного подшипника, где весь диапазон рабочих характеристик зависит от поддержания постоянного контролируемого зазора, эта стабильность имеет решающее значение.
Низкая пористость, контролируемое качество поверхности. Поверхность подшипника должна быть доведена до очень определенной плоскостности и шероховатости -, достаточно ровной, чтобы поддерживать равномерную воздушную пленку, но не настолько гладкой, чтобы это создавало нежелательные поверхностные эффекты. Гранит можно отшлифовать и притереть до необходимой спецификации более предсказуемо, чем многие металлы, которые более склонны к деформации поверхности во время отделки.
Термическая стабильность. Как и в случае сгранитные основания машинКак правило, относительно низкий и предсказуемый коэффициент теплового расширения гранита означает, что зазор подшипника остается более стабильным при небольших колебаниях температуры, чем на металлической плите -, что напрямую влияет на точность позиционирования в приложениях с любыми изменениями температуры окружающей среды.
Не-магнитный, электрически инертен. В условиях производства полупроводников и электроники зачастую является жестким требованием избегать магнитных полей и электропроводности вблизи чувствительных процессов. Гранит удовлетворяет этому требованию без какой-либо дополнительной обработки.
Где на самом деле используются гранитные воздушные подшипники
Список приложений выглядит как экскурсия по самым-точным уголкам современного производства и контроля:
Этапы полупроводниковой литографии и контроля пластин, где для правильного выравнивания элементов по пластине требуется суб-повторяемость позиционирования.
Координатно-измерительные машины (КИМ) и оптические/лазерные-системы измерения, в которых измерительный датчик или камера должны перемещаться в большом диапазоне перемещения без возникновения собственной ошибки позиционирования.
Ступени с линейным двигателем и столы XY, используемые в прецизионной сборке, лазерной обработке (фемтосекундные и пикосекундные лазерные системы) и в оборудовании для оптического контроля.
Прецизионное испытательное оборудование для шариковых винтов и линейных направляющих, в котором сама эталонная ступень должна быть более точной, чем тестируемый компонент.
Компромиссы,-которые стоит знать
Воздушные подшипники не во всем превосходят механические подшипники -, им требуется непрерывная, чистая, регулируемая подача сжатого воздуха, что усложняет систему и увеличивает эксплуатационные расходы. Они также обычно имеют меньшую грузоподъемность на единицу площади, чем эквивалентный механический подшипник, и любое загрязнение или повреждение системы подачи воздуха может немедленно повлиять на производительность. Для приложений, которые не требуют нанометрового-позиционирования, хорошо-сконструированная механическая линейная направляющая часто оказывается более практичной и экономически-эффективной.
Решение об использовании системы гранитных воздушных подшипников обычно сводится к простому вопросу: не падают ли требования к допускам на позиционирование ниже тех, которые могут надежно обеспечить механические подшипники? Если да, то дополнительная сложность системы пневмоподшипников обычно оправдана. Если требования к допускам более умеренные, механические решения остаются более экономичным выбором.
Вывод
Гранитные воздушные подшипники — хороший пример того, как сверх-точное проектирование часто сводится к устранению источников ошибок по одному - трению, прерывистому-проскальзыванию, температурному дрейфу, остаточному напряжению -, а не какой-либо отдельной революционной технологии. Физика воздушных подшипников была понята на протяжении десятилетий; то, что позволяет современным системам достигать производительности нанометрового-уровня, — это совокупная точность каждого компонента, основанная на этом базовом принципе, начиная с плоскостности и стабильности гранитной поверхности под ним.