Увод
Међу технологијама које омогућавају које стоје иза ултра{0}}прецизних система за кретање, неколико је тако елегантних у принципу или тако захтевних у примени као ваздушни лежај. Пронађено у срцуалати за инспекцију полупроводника, прецизне машине за мерење координата, метролошки инструменти{0}}високе прецизности и напредна производна опрема, ваздушни лежајеви омогућавају нивое глаткоће кретања и тачности позиционирања којима конвенционални котрљајни-лежаји једноставно не могу да парирају.
Овај чланак објашњава шта су ваздушни лежајеви, како функционишу, које врсте постоје и зашто је површина на којој се крећу толико важна као и сам лежај.
Основни принцип
Ваздушни лежај, у свом најосновнијем облику, је уређај који подржава оптерећење танког филма гаса под притиском - скоро увек ваздуха, иако се други гасови могу користити у специјализованим апликацијама. Овај гасни филм, обично дебљине 5 до 20 микрометара током рада, физички раздваја покретну и стационарну површину. Пошто нема чврстог контакта, нема механичког трења у традиционалном смислу.
Ово одсуство трења има дубоке практичне последице. Конвенционални котрљајни лежајеви - куглични лежајеви, ваљкасти лежајеви, игличасти лежајеви - сви показују ефекте трења који се манифестују као клизање -клизања, стварање топлоте, хабање и увођење малих, али стварних грешака у позиционирању. Ови ефекти, иако се могу управљати у већини инжењерских апликација, су неприхватљиви у системима где се поновљивост положаја мора контролисати до нивоа нанометара.
Степен са ваздушним лежајем може постићи поновљивост бољу од 10 нм под одговарајућим условима, а глаткоћа његовог кретања омогућава осетљивим инструментима да раде без микро-вибрација које котрљајући лежајеви увек уносе.
Врсте ваздушних лежајева
Ваздушни лежајеви су подељени у две главне категорије на основу начина на који се ствара ваздушни филм под притиском: аеростатски и аеродинамички.
Аеростатски лежајеви (тип који се користи у апликацијама за прецизне инструменте и полупроводнике) се ослањају на спољни довод ваздуха под притиском. Ваздух се гура кроз мале отворе или порозне медије на површини лежаја, стварајући зону под притиском између лежишта и његове референтне површине. Зазор, а самим тим и носивост и крутост, одређују се доводним притиском, геометријом отвора и самим зазором. Аеростатски лежајеви могу да издрже оптерећења чак и при нултој брзини, што их чини погодним за прецизне степенице које морају прецизно да држе позицију, као и да се крећу глатко.
Аеродинамички лежајеви се ослањају на релативно кретање између површина да би створили ваздушни филм - у суштини исти принцип као и хидродинамички уљни лежајеви. Пошто им је потребно кретање за генерисање филма, мање су корисни за апликације прецизног позиционирања где је потребна подршка за статичко оптерећење.
У оквиру аеростатских лежајева, постоје даље разлике засноване на дизајну улаза за ваздух: тип отвора-(где ваздух улази кроз једну или неколико прецизних рупа), порозни-тип (где ваздух улази кроз синтеровани или порозни медиј са много дистрибуираних микро-прохода) и тип канала са утором{3}} (где се ваздушни канал дистрибуира под притиском). Порозни ваздушни лежајеви генерално нуде највећу крутост и најглаткију расподелу притиска.
Референтна површина: Зашто гранит
Ваздушни лежај је добар онолико колико је добра површина по којој се вози. Лежај плута на размаку од 5–20 µм; било која валовитост или одступање у референтној површини која се приближава овој димензији ће пореметити зазор, локално мењајући крутост лежаја и уносећи грешку при кретању.
За степен линеарног ваздушног лежаја са опсегом хода од 500 мм, спецификација равности за референтну површину може бити 1–3 µм по целој дужини. Да би се ово постигло захтева комбинацију прецизног брушења, финог преливања и верификације помоћу мерних инструмената који се могу пратити.
Гранит је доминантан избор за ваздушне референтне површине из неколико добро{0}}утврђених разлога. Његова тврдоћа (Мохс 6–7) отпорна је на хабање услед повременог ненамерног контакта. Његов немагнетни, не-немагнетни карактер избегава сметње са сензорима који се користе у прецизним фазама. Његове термичке карактеристике - низак коефицијент експанзије, добра топлотна проводљивост - помажу у одржавању стабилности димензија током рада. И што је критично, гранит се може поклопити до нивоа равности које захтевају примене ваздушних лежајева.
Спецификација храпавости површине за прецизну површину вођице са ваздушним лежајем је обично Ра мања или једнака 0,1 µм (100 нм), ау неким применама Ра мања или једнака 0,05 µм. Ово су огледало{4}}глатке површине које захтевају не само прецизну опрему већ и вешту обраду.
Крутост, пригушење и носивост
Инжењерске перформансе ваздушног лежаја карактеришу три кључна параметра: крутост, пригушење и носивост.
Крутост, изражена у Н/µм, описује колика је сила потребна да би се лежај скренуо за један микрометар. Висока крутост је пожељна за тачност позиционирања, јер силе сметњи (од промене корисног оптерећења, сила мотора или вибрација) производе мање позиционе грешке. Аеростатски лежајеви могу постићи вредности крутости од десетина до стотина Н/µм у зависности од величине и притиска напајања.
Пригушење у ваздушним лежајевима је инхерентно ниже него у уљним хидростатским лежајевима, јер ваздух има много нижи вискозитет. Ово може учинити ваздушне{1}}степене лежајеве подложним резонанцији када су побуђене спољашњом вибрацијом или брзим кретањем. Дизајнери система решавају ово кроз пажљив механички дизајн и платформе за активну изолацију вибрација.
Носивост је одређена површином лежаја и доводним притиском. Ваздушни лежајеви су генерално ограниченији у капацитету носивости по јединици површине него уљни или магнетни лежајеви, што значи да су најпогоднији за апликације где је носивост добро-дефинисана и којом се може управљати - као у фазама инструмента -, а не за апликације за тешке машине алатке.
Примене у прецизним индустријама
Пејзаж примене ваздушних лежајева обухвата било коју индустрију која захтева глатко, тачно и поновљиво кретање.
У полупроводничкој опреми, степени ваздушних лежајева се користе у контроли плочице, позиционирању фотомаске, ласерским системима директног{0}}писања и метрологији електронског снопа. Равност површине гранитне водилице на којој раде ове степенице директно утиче на тачност позиционирања коју постиже систем.
У машинама за координатно мерење (ЦММ), ваздушни лежајеви омогућавају мерној сонди да глатко прелази мерну запремину, без уношења вибрација које би пореметиле осетљиве сонде за додир или сензоре за скенирање. ЦММ високе{1}}мети користе гранитне столове и као референтну референцу и као носиву површину за своје осе -подржане ваздухом.
У прецизним оптичким инструментима - интерферометри, телескопи, спектрометри - ротациони столови са ваздушним лежајевима омогућавају ротацију са грешкама -излетања испод 50 нм, омогућавајући угаоно позиционирање и мерење површине које би било немогуће са механичким лежајевима.
У фазама нано{0}}позиционирања за истраживање и напредну производњу, ваздушни лежајеви обезбеђују глатку платформу{1}}без трења која омогућава да пиезоелектрични елементи за фино-позиционирање ефикасно раде, без ефеката клизања{3}} механичких лежајева који би иначе доминирали при малим амплитудама кретања.
Интегратион Цонсидератионс
Успешна примена ваздушних лежајева захтева пажњу на неколико фактора{0}}на нивоу система. Довод ваздуха мора бити филтриран да би се уклониле честице које би могле оштетити зазор лежаја, регулисан да би се одржао стабилан притисак и осушен да би се уклонила влага која би могла да изазове корозију на прецизним површинама. Типични захтеви за филтрирање су уклањање честица испод-микрона и тачке росе знатно испод радне температуре.
Структурни систем који подржава ваздушни лежај мора бити довољно чврст да спољне силе не деформишу референтну површину или кућиште лежаја. Због тога се степенице са ваздушним лежајевима у прецизној опреми скоро увек монтирају на масивне, добро{1}}пригушене конструкције од гранита или минералног ливења.
Окружење чисте собе у којем често раде прецизни системи ваздушних лежајева такође утиче на избор дизајна. Захтеви за испуштање гасова, контрола контаминације и компатибилност са материјалима чистих просторија и поступцима чишћења играју важну улогу у дизајну система ваздушних лежајева за апликације у производњи полупроводника и оптичких уређаја.
Закључак
Ваздушни лежајеви представљају једну од најпрефињенијих технологија у прецизном инжењерингу - варљиво једноставан у принципу, захтеван у извођењу. Њихова способност да остваре кретање-без трења, нанометарску{3}}поновљивост и изузетну глаткоћу чини их незаменљивим у најзахтевнијим апликацијама за позиционирање у производњи полупроводника, прецизној метрологији и научној инструментацији.
Гранитне површине на којима раде нису пасивне подлоге - већ су саме по себи прецизно-пројектоване компоненте, са равношћу, храпавостом и спецификацијама стабилности које се морају испунити и одржавати током радног века система. Разумевање и лежишта и његове референтне површине као интегрисаних инжењерских елемената је од суштинског значаја за свакога ко дизајнира или специфицира ултра{3}}системе за ултра-прецизне покрете.