Въведение
Сред водещите технологии зад ултра{0}}прецизните системи за движение, малко са толкова елегантни по принцип или толкова взискателни за изпълнение като въздушния лагер. Намерени в сърцето наинструменти за проверка на полупроводници, прецизни координатни измервателни машини, метрологични инструменти с-висока точност и усъвършенствано производствено оборудване, въздушните лагери правят възможни нива на гладкост на движението и точност на позициониране, които конвенционалните лагери с търкалящи-елементи просто не могат да достигнат.
Тази статия обяснява какво представляват въздушните лагери, как работят, какви типове съществуват и защо повърхността, върху която се движат, е толкова важна, колкото и самият лагер.
Основният принцип
Въздушният лагер в най-основната си форма е устройство, което поддържа натоварване върху тънък слой от газ под налягане - почти винаги въздух, въпреки че в специализирани приложения могат да се използват и други газове. Този газов филм, обикновено с дебелина от 5 до 20 микрометра по време на работа, физически разделя движещите се и неподвижните повърхности. Тъй като няма твърд контакт, няма механично триене в традиционния смисъл.
Тази липса на триене има дълбоки практически последици. Конвенционалните лагери с търкалящи-елементи - сачмени лагери, ролкови лагери, иглени лагери - всички проявяват ефекти на триене, които се проявяват като приплъзване-приплъзване, генериране на топлина, износване и въвеждане на малки, но реални грешки при позициониране. Тези ефекти, макар и управляеми в повечето инженерни приложения, са неприемливи в системи, където позиционната повторяемост трябва да се контролира до нанометрови нива.
Етап с въздушен лагер може да постигне повторяемост, по-добра от 10 nm при подходящи условия, а плавността на неговото движение позволява на чувствителните инструменти да работят без микро-вибрациите, които търкалящите лагери неизменно въвеждат.
Видове въздушни лагери
Въздушните лагери се разделят на две основни категории въз основа на това как се генерира въздушният филм под налягане: аеростатични и аеродинамични.
Аеростатичните лагери (видът, използван в прецизни инструменти и полупроводникови приложения) разчитат на външно подаден въздух под налягане. Въздухът се изтласква през малки отвори или пореста среда в повърхността на лагера, създавайки зона под налягане между лагера и неговата референтна повърхност. Хлабината и следователно товароносимостта и твърдостта се определят от захранващото налягане, геометрията на отвора и самата междина. Аеростатичните лагери могат да издържат натоварвания дори при нулева скорост, което ги прави подходящи за прецизни етапи, които трябва да задържат позиция точно, както и да се движат плавно.
Аеродинамичните лагери разчитат на относителното движение между повърхностите, за да генерират въздушен филм - по същество същият принцип като хидродинамичните маслени лагери. Тъй като те изискват движение за генериране на филма, те са по-малко полезни за приложения за прецизно позициониране, където се изисква поддържане на статично натоварване.
В рамките на аеростатичните лагери има допълнителни разграничения въз основа на конструкцията на входа за въздух: тип отвор-(където въздухът влиза през един или няколко прецизни отвора), тип-порест (където въздухът влиза през синтерована или пореста среда с много разпределени микро-проходи) и тип-жлеб (където канали под налягане разпределят въздуха). Порестите въздушни лагери обикновено предлагат най-висока твърдост и най-плавно разпределение на налягането.
Еталонната повърхност: Защо гранит
Въздушният лагер е толкова добър, колкото и повърхността, върху която се движи. Лагерът се движи на разстояние от 5–20 µm; всяка вълнообразност или отклонение в референтната повърхност, която се доближава до този размер, ще наруши празнината, променяйки локално твърдостта на лагера и внасяйки грешка при движение.
За линейно въздушно носещо стъпало с обхват на движение от 500 mm, спецификацията за плоскост за еталонната повърхност може да бъде 1–3 µm по цялата дължина. Постигането на това изисква комбинация от прецизно шлайфане, фино прилепване и проверка с проследими измервателни инструменти.
Гранитът е доминиращият избор за опорни повърхности, носещи въздух, поради няколко добре{0}}установени причини. Неговата твърдост (Mohs 6–7) е устойчива на износване от случайни непреднамерени контакти. Не-магнитният му, не-реактивен характер избягва смущенията със сензорите, използвани в прецизните етапи. Неговите термични характеристики - нисък коефициент на разширение, добра топлопроводимост - спомагат за поддържане на стабилността на размерите по време на работа. И най-важното е, че гранитът може да бъде залепен до нивата на плоскост, които изискват приложенията с въздушни лагери.
Спецификацията за грапавост на повърхността за прецизна въздушно носеща направляваща повърхност обикновено е Ra по-малко или равно на 0,1 µm (100 nm), а в някои приложения Ra по-малко или равно на 0,05 µm. Това са огледално-гладки повърхности, които изискват не само прецизно оборудване, но и квалифицирана обработка.
Коравина, амортизация и товароносимост
Инженерните характеристики на въздушния лагер се характеризират с три ключови параметъра: твърдост, амортизация и товароносимост.
Твърдостта, изразена в N/µm, описва колко сила е необходима за отклонение на лагера с един микрометър. Високата твърдост е желателна за точността на позициониране, тъй като силите на смущение (от промени в полезния товар, двигателни сили или вибрации) предизвикват по-малки позиционни грешки. Аеростатичните лагери могат да постигнат стойности на твърдост от десетки до стотици N/µm в зависимост от размера и захранващото налягане.
Затихването във въздушните лагери е по същество по-ниско, отколкото в маслените хидростатични лагери, тъй като въздухът има много по-нисък вискозитет. Това може да направи въздушните-носещи стъпала податливи на резонанси, когато се възбуждат от външни вибрации или бързо движение. Системните дизайнери се справят с това чрез внимателен механичен дизайн и платформи за активна изолация на вибрации.
Товароносимостта се определя от площта на лагера и захранващото налягане. Въздушните лагери обикновено са с по-ограничен капацитет на натоварване на единица площ от маслените или магнитните лагери, което означава, че са най-подходящи за приложения, при които полезният товар е добре-дефиниран и управляем - като в инструменталните етапи -, а не за приложения с тежки машинни инструменти.
Приложения в прецизните индустрии
Областта на приложение на въздушни лагери обхваща всяка индустрия, изискваща плавно, точно и повтарящо се движение.
В полупроводниковото оборудване стъпалата с въздушни лагери се използват при инспекция на пластини, позициониране на фотомаска, лазерни системи за директно -записване и метрология с електронен лъч. Плоскостта на повърхността на гранитния водач, върху която работят тези степени, влияе пряко върху точността на позициониране, постижима от системата.
В координатните измервателни машини (CMM) въздушните лагери позволяват на измервателната сонда да преминава плавно в обема на измерване, без да въвежда вибрации, които биха смутили чувствителните сензорни сонди или сканиращи сензори. CMM с висока-прецизност използват гранитни маси както като референтна точка, така и като опорна повърхност за своите въздушно{2}}оси.
В прецизните оптични инструменти - интерферометри, телескопи, спектрометри - въртящи се маси с въздушни лагери позволяват въртене с-грешки при изтичане под 50 nm, което позволява ъглово позициониране и повърхностно измерване, което би било невъзможно с механични лагери.
В етапите на нано{0}}позициониране за научни изследвания и усъвършенствано производство, въздушните лагери осигуряват плавна-платформа за движение без триене, която позволява на пиезоелектричните фини-позициониращи елементи да работят ефективно, без ефектите на приплъзване-приплъзване на механичните лагери, които иначе биха доминирали при малки амплитуди на движение.
Съображения за интегриране
Успешното внедряване на въздушни лагери изисква внимание към няколко{0}}фактора на ниво система. Подаваният въздух трябва да се филтрира, за да се отстранят частиците, които биха могли да повредят междината на лагера, да се регулира, за да се поддържа стабилно налягане, и да се изсуши, за да се отстрани влагата, която може да причини корозия на прецизните повърхности. Типичните изисквания за филтриране са отстраняване на под-микронни частици и точки на оросяване доста под работната температура.
Структурната система, поддържаща въздушния лагер, трябва да бъде достатъчно твърда, така че външните сили да не деформират референтната повърхност или корпуса на лагера. Ето защо стъпалата с въздушни лагери в прецизното оборудване почти винаги се монтират върху масивни, добре-амортизирани конструкции от гранит или минерална отливка.
Средата на чистата стая, в която често работят прецизните въздушни лагерни системи, също влияе върху избора на дизайн. Изискванията за отделяне на газове, контролът на замърсяването и съвместимостта с материалите за чисти помещения и процедурите за почистване играят роля в дизайна на системата за въздушни лагери за приложения за производство на полупроводници и оптика.
Заключение
Въздушните лагери представляват една от най-прецизните технологии в прецизното инженерство - измамно прости по принцип, изискващи изпълнение. Способността им да постигат-движение без триене, повторяемост на нанометрово-ниво и изключителна плавност ги прави незаменими в най-взискателните приложения за позициониране в производството на полупроводници, прецизната метрология и научното оборудване.
Гранитните повърхности, върху които работят, не са пасивни субстрати - те са прецизно-проектирани компоненти сами по себе си, със спецификации за плоскост, грапавост и стабилност, които трябва да бъдат изпълнени и поддържани през целия експлоатационен живот на системата. Разбирането както на лагера, така и на неговата референтна повърхност като интегрирани инженерни елементи е от съществено значение за всеки, който проектира или специфицира свръх-прецизни системи за движение.