Uvod
Među omogućavajućim tehnologijama iza ultra-preciznih sistema pokreta, nekoliko je tako elegantnih u principu ili tako zahtjevnih u implementaciji kao zračni ležaj. Pronađen u srcualati za inspekciju poluprovodnika, precizne mašine za mjerenje koordinata, mjeriteljski instrumenti visoke{0}}preciznosti i napredna proizvodna oprema, zračni ležajevi omogućavaju nivoe glatkoće kretanja i preciznosti pozicioniranja kojima se konvencionalni kotrljajni-ležajevi jednostavno ne mogu mjeriti.
Ovaj članak objašnjava šta su vazdušni ležajevi, kako rade, koje vrste postoje i zašto je površina na kojoj se kreću bitna koliko i sam ležaj.
Fundamentalni princip
Vazdušni ležaj, u svom najosnovnijem obliku, je uređaj koji podržava opterećenje tankog filma plina pod pritiskom - gotovo uvijek zraka, iako se drugi plinovi mogu koristiti u specijalizovanim aplikacijama. Ovaj plinski film, obično debljine 5 do 20 mikrometara tokom rada, fizički razdvaja pokretnu i stacionarnu površinu. Budući da nema čvrstog kontakta, nema mehaničkog trenja u tradicionalnom smislu.
Ovo odsustvo trenja ima duboke praktične posljedice. Konvencionalni kotrljajući ležajevi - kuglični ležajevi, kotrljajni ležajevi, igličasti ležajevi - svi pokazuju efekte trenja koji se manifestiraju kao klizanje -klizanja, stvaranje topline, trošenje i uvođenje malih, ali stvarnih grešaka u pozicioniranju. Ovi efekti, iako se mogu upravljati u većini inženjerskih aplikacija, neprihvatljivi su u sistemima gdje se ponovljivost položaja mora kontrolirati do nivoa nanometara.
Stupanj zračnog ležaja može postići ponovljivost bolju od 10 nm pod odgovarajućim uvjetima, a glatkoća njegovog kretanja omogućava osjetljivim instrumentima da rade bez mikro-vibracija koje kotrljajući ležajevi uvijek unose.
Vrste vazdušnih ležajeva
Vazdušni ležajevi su podeljeni u dve glavne kategorije na osnovu načina na koji se stvara vazdušni film pod pritiskom: aerostatski i aerodinamički.
Aerostatski ležajevi (tip koji se koristi u preciznim instrumentima i poluvodičkim aplikacijama) oslanjaju se na vanjski dovod zraka pod pritiskom. Vazduh se gura kroz male otvore ili porozne medije na površini ležaja, stvarajući zonu pod pritiskom između ležaja i njegove referentne površine. Zazor, a samim tim i nosivost i krutost, određuju se tlakom napajanja, geometrijom otvora i samim zazorom. Aerostatski ležajevi mogu izdržati opterećenja čak i pri nultoj brzini, što ih čini pogodnim za precizne etape koje moraju precizno držati poziciju, kao i glatko se kretati.
Aerodinamički ležajevi se oslanjaju na relativno kretanje između površina za stvaranje zračnog filma - u suštini isti princip kao i hidrodinamički uljni ležajevi. Budući da im je potrebno kretanje za stvaranje filma, manje su korisni za aplikacije preciznog pozicioniranja gdje je potrebna podrška za statičko opterećenje.
Unutar aerostatskih ležajeva postoje dalje razlike zasnovane na dizajnu ulaza zraka: tip otvora-(gdje zrak ulazi kroz jednu ili nekoliko preciznih rupa), porozni-tip (gdje zrak ulazi kroz sinterirani ili porozni medij s mnogo distribuiranih mikro-prolaza) i kanal sa utorom{3}}raspodijeljenog zraka (gdje se vazdušni kanal distribuira pod pritiskom). Porozni vazdušni ležajevi generalno nude najveću krutost i najglatkiju raspodelu pritiska.
Referentna površina: Zašto granit
Vazdušni ležaj je dobar onoliko koliko je dobra površina po kojoj se vozi. Ležaj pluta na razmaku od 5–20 µm; bilo koja valovitost ili odstupanje u referentnoj površini koja se približava ovoj dimenziji će poremetiti zazor, lokalno mijenjajući krutost ležaja i unoseći grešku pri kretanju.
Za stepen linearnog zračnog ležaja s rasponom hoda od 500 mm, specifikacija ravnosti za referentnu površinu može biti 1–3 µm po cijeloj dužini. Da bi se to postiglo, potrebna je kombinacija preciznog brušenja, finog prelivanja i verifikacije pomoću mjernih instrumenata koji se mogu pratiti.
Granit je dominantan izbor za referentne površine koje nose zrak iz nekoliko dobro-utvrđenih razloga. Njegova tvrdoća (Mohs 6–7) otporna je na habanje od povremenog nenamjernog kontakta. Njegov nemagnetni, ne-nereaktivni karakter izbjegava smetnje sa senzorima koji se koriste u preciznim fazama. Njegove termičke karakteristike - nizak koeficijent ekspanzije, dobra toplotna provodljivost - pomažu u održavanju stabilnosti dimenzija tokom rada. I što je kritično, granit se može poklopiti do nivoa ravnosti koje zahtijevaju primjene zračnih ležajeva.
Specifikacija hrapavosti površine za preciznu površinu vodilice sa vazdušnim ležajem je obično Ra manja ili jednaka 0,1 µm (100 nm), au nekim aplikacijama Ra manja ili jednaka 0,05 µm. Ovo su zrcalno{4}}glatke površine koje zahtijevaju ne samo preciznu opremu već i vještu obradu.
Krutost, prigušenje i nosivost
Inženjerske performanse vazdušnog ležaja karakterišu tri ključna parametra: krutost, prigušenje i nosivost.
Krutost, izražena u N/µm, opisuje kolika je sila potrebna da bi se ležaj skrenuo za jedan mikrometar. Visoka krutost je poželjna za preciznost pozicioniranja, jer sile smetnji (od promjene korisnog opterećenja, sile motora ili vibracija) proizvode manje pozicijske greške. Aerostatski ležajevi mogu postići vrijednosti krutosti od desetina do stotina N/µm u zavisnosti od veličine i pritiska napajanja.
Prigušenje u zračnim ležajevima je inherentno niže nego u uljnim hidrostatskim ležajevima, jer zrak ima mnogo niži viskozitet. Ovo može učiniti zračne{1}}stepene ležajeve osjetljivim na rezonancije kada su pobuđene vanjskim vibracijama ili brzim kretanjem. Dizajneri sistema to rješavaju kroz pažljiv mehanički dizajn i aktivne platforme za izolaciju vibracija.
Nosivost je određena površinom ležaja i dovodnim pritiskom. Vazdušni ležajevi su općenito ograničeniji u kapacitetu nosivosti po jedinici površine nego uljni ili magnetni ležajevi, što znači da su najpogodniji za aplikacije gdje je nosivost dobro-definirana i kojom se može upravljati - kao u instrumentalnim fazama -, a ne u aplikacijama teških alatnih mašina.
Primjena u preciznim industrijama
Pejzaž primjene zračnih ležajeva obuhvata bilo koju industriju koja zahtijeva glatko, precizno i ponovljivo kretanje.
U poluvodičkoj opremi, stupnjevi sa zračnim ležajevima se koriste za inspekciju pločice, pozicioniranje fotomaske, laserske sisteme direktnog{0}}pisanja i mjerenje elektronskih zraka. Ravnost površine granitne vodilice na kojoj rade ove stepenice direktno utiče na preciznost pozicioniranja koju postiže sistem.
U mašinama za koordinatno mjerenje (CMM), zračni ležajevi omogućavaju mjernoj sondi da glatko prelazi mjernu zapreminu, bez unošenja vibracija koje bi poremetile osjetljive sonde za dodir ili senzore za skeniranje. Visoko{1}}CMM-ovi koriste granitne stolove i kao referentnu osnovu i kao nosivu površinu za svoje osovine{2}}oslonjene na zrak.
U preciznim optičkim instrumentima - interferometri, teleskopi, spektrometri - rotirajući stolovi sa zračnim ležajem omogućavaju rotaciju sa greškama -izvlačenja ispod 50 nm, omogućavajući ugaono pozicioniranje i mjerenje površine koje bi bilo nemoguće sa mehaničkim ležajevima.
U fazama nano-pozicioniranja za istraživanje i naprednu proizvodnju, zračni ležajevi pružaju glatku platformu bez trenja-bez trenja koja omogućava da piezoelektrični fini-elementi za fino pozicioniranje rade efikasno, bez efekta klizanja{3}} mehaničkih ležajeva koji bi inače dominirali pri malim amplitudama kretanja.
Razmatranja integracije
Uspješna implementacija zračnih ležajeva zahtijeva pažnju na nekoliko faktora-nivoa sistema. Dovod zraka mora biti filtriran kako bi se uklonile čestice koje bi mogle oštetiti zazor ležaja, reguliran za održavanje stabilnog tlaka i osušen kako bi se uklonila vlaga koja bi mogla uzrokovati koroziju na preciznim površinama. Tipični zahtjevi za filtraciju su uklanjanje čestica ispod-mikrona i tačke rose znatno ispod radne temperature.
Strukturni sistem koji podržava vazdušni ležaj mora biti dovoljno čvrst da vanjske sile ne deformišu referentnu površinu ili kućište ležaja. Zbog toga se stupnjevi sa zračnim ležajevima u preciznoj opremi gotovo uvijek montiraju na masivne, dobro-prigušene granitne ili mineralne livene konstrukcije.
Okruženje čiste sobe u kojem često rade precizni sistemi vazdušnih ležajeva takođe utiče na izbor dizajna. Zahtjevi za ispuštanje plinova, kontrola kontaminacije i kompatibilnost sa materijalima čistih prostorija i postupcima čišćenja igraju važnu ulogu u dizajnu sistema zračnih ležajeva za primjene u proizvodnji poluvodiča i optičkih uređaja.
Zaključak
Vazdušni ležajevi predstavljaju jednu od najprofinjenijih tehnologija u preciznom inženjeringu - varljivo jednostavan u principu, zahtjevan u izvedbi. Njihova sposobnost da postignu kretanje bez trenja, nanometarski-nivo ponovljivosti i izuzetna glatkoća čini ih nezamjenjivim u najzahtjevnijim aplikacijama za pozicioniranje u proizvodnji poluprovodnika, preciznoj mjeriteljstvu i naučnoj instrumentaciji.
Granitne površine na kojima rade nisu pasivne podloge - one su same po sebi precizno-projektovane komponente, sa specifikacijama ravnosti, hrapavosti i stabilnosti koje se moraju ispuniti i održavati tokom cijelog radnog vijeka sistema. Razumijevanje i ležaja i njegove referentne površine kao integriranih inženjerskih elemenata je od suštinskog značaja za svakoga ko dizajnira ili specificira ultra- precizne sisteme kretanja.