Introducere
Printre tehnologiile favorabile din spatele sistemelor de mișcare de ultra-precizie, puține sunt la fel de elegante în principiu sau la fel de solicitante în implementare precum rulmentul cu aer. Găsit în inimainstrumente de inspecție a semiconductorilor, mașini de măsurare a coordonatelor de precizie, instrumente de metrologie de{0}}înaltă precizie și echipamente avansate de producție, rulmenții cu aer fac posibile niveluri de fluiditate a mișcării și precizie de poziționare pe care pur și simplu nu le pot egala rulmenții cu elemente de rulare-convenționale.
Acest articol explică ce sunt rulmenții cu aer, cum funcționează aceștia, ce tipuri există și de ce suprafața pe care călătoresc contează la fel de mult ca rulmentul în sine.
Principiul fundamental
Un rulment de aer, în forma sa cea mai elementară, este un dispozitiv care suportă o sarcină pe o peliculă subțire de gaz sub presiune - aproape întotdeauna aer, deși alte gaze pot fi utilizate în aplicații specializate. Această peliculă de gaz, de obicei de 5 până la 20 de micrometri grosime în timpul funcționării, separă fizic suprafețele mobile și staționare. Deoarece nu există un contact solid, nu există frecare mecanică în sensul tradițional.
Această absență a frecării are consecințe practice profunde. Rulmenți cu elemente de rulare-convenționale - Rulmenți cu bile, rulmenți cu role, rulmenți cu ace - toate prezintă efecte de frecare care se manifestă prin comportament de alunecare-, generare de căldură, uzură și introducerea unor erori de poziționare mici, dar reale. Aceste efecte, deși pot fi gestionate în majoritatea aplicațiilor de inginerie, sunt inacceptabile în sistemele în care repetabilitatea pozițională trebuie controlată la niveluri nanometrice.
O treaptă cu rulmenți cu aer poate atinge o repetabilitate mai bună de 10 nm în condiții adecvate, iar mișcarea netedă permite instrumentelor sensibile să funcționeze fără micro-vibrațiile pe care le introduc invariabil rulmenții.
Tipuri de rulmenți de aer
Rulmenții de aer sunt împărțiți în două categorii principale în funcție de modul în care este generată pelicula de aer presurizat: aerostatică și aerodinamică.
Rulmenții aerostatici (tipul utilizat în instrumente de precizie și aplicații cu semiconductori) se bazează pe aer presurizat furnizat extern. Aerul este forțat prin orificii mici sau medii poroase din suprafața rulmentului, creând o zonă presurizată între rulment și suprafața sa de referință. Spațiul de joc și, prin urmare, capacitatea de încărcare și rigiditatea, este determinat de presiunea de alimentare, geometria orificiului și spațiul în sine. Rulmenții aerostatici pot suporta sarcini chiar și la viteză zero, făcându-i potriviti pentru etape de precizie care trebuie să mențină poziția cu precizie, precum și să se miște fără probleme.
Rulmenții aerodinamici se bazează pe mișcarea relativă dintre suprafețe pentru a genera pelicula de aer -, în esență, același principiu ca și rulmenții cu ulei hidrodinamic. Deoarece necesită mișcare pentru a genera filmul, ele sunt mai puțin utile pentru aplicațiile de poziționare de precizie în care este necesară suportul de încărcare statică.
În cadrul rulmenților aerostatici, există diferențe suplimentare bazate pe designul admisiei de aer: tip orificiu-(unde aerul intră printr-una sau câteva orificii de precizie), tip-poros (unde aerul intră printr-un mediu sinterizat sau poros cu multe micro-pasaje distribuite) și tip-canal (unde canalele sub presiune distribuie aerul). Rulmenții cu aer poros oferă, în general, cea mai mare rigiditate și cea mai lină distribuție a presiunii.
Suprafața de referință: de ce granit
Un rulment de aer este la fel de bun ca suprafața pe care se deplasează. Rulmentul plutește pe un spațiu de 5–20 µm; orice ondulație sau abatere a suprafeței de referință care se apropie de această dimensiune va perturba golul, modificând local rigiditatea lagărului și introducând eroare de mișcare.
Pentru o treaptă liniară cu rulment de aer cu o gamă de cursă de 500 mm, specificația de planeitate pentru suprafața de referință poate fi de 1–3 µm pe toată lungimea. Realizarea acestui lucru necesită o combinație de șlefuire de precizie, șlefuire fină și verificare cu instrumente de măsurare trasabile.
Granitul este alegerea dominantă pentru suprafețele de referință care poartă aer din mai multe-motive bine stabilite. Duritatea sa (Mohs 6–7) rezistă la uzură din cauza contactului ocazional accidental. Caracterul său non-magnetic, ne-reactiv evită interferența cu senzorii utilizați în etapele de precizie. Caracteristicile sale termice - coeficient de dilatare scăzut, conductivitate termică bună - ajută la menținerea stabilității dimensionale în timpul funcționării. Și, în mod critic, granitul poate fi șters la nivelurile de planeitate pe care le solicită aplicațiile cu rulmenți de aer.
Specificația de rugozitate a suprafeței pentru o suprafață de ghidare cu rulment de aer de precizie este de obicei Ra mai mică sau egală cu 0,1 µm (100 nm), iar în unele aplicații Ra mai mică sau egală cu 0,05 µm. Acestea sunt suprafețe netede-oglindă care necesită nu doar echipamente de precizie, ci și procesare calificată.
Rigiditate, amortizare și capacitate de încărcare
Performanța inginerească a unui rulment de aer este caracterizată de trei parametri cheie: rigiditate, amortizare și capacitatea de încărcare.
Rigiditatea, exprimată în N/µm, descrie cât de multă forță este necesară pentru a devia rulmentul cu un micrometru. Rigiditatea ridicată este de dorit pentru precizia de poziționare, deoarece forțele perturbatoare (de la modificările sarcinii utile, forțe ale motorului sau vibrații) produc erori de poziție mai mici. Rulmenții aerostatici pot atinge valori de rigiditate de la zeci până la sute de N/µm, în funcție de dimensiune și presiunea de alimentare.
Amortizarea în rulmenții cu aer este în mod inerent mai mică decât în rulmenții hidrostatici cu ulei, deoarece aerul are o vâscozitate mult mai mică. Acest lucru poate face ca treptele purtătoare de aer să fie susceptibile la rezonanțe atunci când sunt excitate de vibrații externe sau de mișcare rapidă. Proiectanții de sisteme abordează acest lucru prin proiectare mecanică atentă și platforme active de izolare a vibrațiilor.
Capacitatea de încărcare este stabilită de zona de rulment și presiunea de alimentare. Rulmenții cu aer sunt, în general, mai limitati în ceea ce privește capacitatea de încărcare pe unitate de suprafață decât rulmenții cu ulei sau magnetici, ceea ce înseamnă că sunt cei mai potriviti pentru aplicațiile în care sarcina utilă este bine-definită și gestionabilă - ca în etapele instrumentelor -, mai degrabă decât aplicațiile grele pentru mașini-unelte.
Aplicații în industriile de precizie
Peisajul aplicațiilor pentru rulmenți cu aer se întinde pe orice industrie care necesită o mișcare lină, precisă și repetabilă.
În echipamentele semiconductoare, etapele cu rulment de aer sunt utilizate în inspecția plachetelor, poziționarea măștilor foto, sistemele de scriere directă cu laser-și metrologia cu fascicul de electroni. Planeitatea suprafeței de ghidare din granit pe care funcționează aceste trepte afectează direct precizia de poziționare atinsă de sistem.
La mașinile de măsurare în coordonate (CMM), rulmenții de aer permit sondei de măsurare să traverseze fără probleme volumul de măsurare, fără a introduce vibrații care ar perturba sondele sensibile sau senzorii de scanare. CMM-urile de-înaltă precizie folosesc tabele de granit atât ca referință de referință, cât și ca suprafață de sprijin pentru axele lor-suportate cu aer.
În instrumentele optice de precizie, - interferometre, telescoape, spectrometre - mesele rotative cu rulmenți de aer permit rotația cu erori-de deplasare sub 50 nm, permițând poziționarea unghiulară și măsurarea suprafeței care ar fi imposibilă cu rulmenții mecanici.
În etapele de nano-poziționare pentru cercetare și producție avansată, rulmenții cu aer oferă platforma netedă, cu frecare-liberă de mișcare, care permite elementelor de poziționare fine-piezoelectrice să funcționeze eficient, fără efectele de alunecare-lipire ale rulmenților mecanici care altfel ar domina la amplitudini mici de mișcare.
Considerații privind integrarea
Implementarea cu succes a rulmenților pneumatici necesită atenție mai multor factori-la nivel de sistem. Sursa de aer trebuie să fie filtrată pentru a îndepărta particulele care ar putea deteriora golul lagărului, reglată pentru a menține o presiune stabilă și uscată pentru a îndepărta umezeala care ar putea provoca coroziune pe suprafețele de precizie. Cerințele tipice de filtrare sunt îndepărtarea particulelor sub-micronice și punctele de rouă mult sub temperatura de funcționare.
Sistemul structural care susține rulmentul de aer trebuie să fie suficient de rigid pentru ca forțele externe să nu deformeze suprafața de referință sau carcasa rulmentului. Acesta este motivul pentru care treptele de rulment de aer din echipamentele de precizie sunt aproape întotdeauna montate pe structuri masive,-de granit sau de turnare minerală bine amortizate.
Mediul camerei curate în care funcționează adesea sistemele de rulmenți cu aer de precizie influențează, de asemenea, alegerile de proiectare. Cerințele de evacuare a gazelor, controlul contaminării și compatibilitatea cu materialele camerei curate și procedurile de curățare joacă toate un rol în proiectarea sistemelor de rulment de aer pentru aplicațiile de fabricație a semiconductoarelor și optice.
Concluzie
Rulmenții pneumatici reprezintă una dintre cele mai rafinate tehnologii din inginerie de precizie - înșelător de simplă în principiu, solicitantă în execuție. Capacitatea lor de a obține frecare-mișcare liberă, repetabilitate la nivel de nanometri- și o netezime excepțională le face indispensabile în cele mai solicitante aplicații de poziționare în fabricarea semiconductorilor, metrologia de precizie și instrumentele științifice.
Suprafețele de granit pe care funcționează nu sunt substraturi pasive - sunt componente concepute cu precizie-în sine, cu specificații de planeitate, rugozitate și stabilitate care trebuie îndeplinite și menținute pe toată durata de viață a sistemului. Înțelegerea atât a rulmentului, cât și a suprafeței sale de referință ca elemente de inginerie integrate este esențială pentru oricine proiectează sau specifică sisteme de mișcare de ultra-precizie.