Εισαγωγή
Μεταξύ των δυνατών τεχνολογιών πίσω από τα συστήματα κίνησης εξαιρετικά-ακριβείας, λίγες είναι τόσο κομψές κατ' αρχήν ή τόσο απαιτητικές στην εφαρμογή όσο το ρουλεμάν αέρα. Βρέθηκε στην καρδιά τουεργαλεία επιθεώρησης ημιαγωγών, μηχανήματα μέτρησης συντεταγμένων ακριβείας, όργανα μετρολογίας υψηλής-ακρίβειας και προηγμένος κατασκευαστικός εξοπλισμός, ρουλεμάν αέρα καθιστούν δυνατά επίπεδα ομαλότητας κίνησης και ακρίβειας τοποθέτησης που τα συμβατικά ρουλεμάν-στοιχείων απλώς δεν μπορούν να ταιριάξουν.
Αυτό το άρθρο εξηγεί τι είναι τα ρουλεμάν αέρα, πώς λειτουργούν, ποιοι τύποι υπάρχουν και γιατί η επιφάνεια στην οποία οδηγούν είναι τόσο σημαντική όσο και το ίδιο το ρουλεμάν.
Η Θεμελιώδης Αρχή
Ένα ρουλεμάν αέρα, στην πιο βασική του μορφή, είναι μια συσκευή που υποστηρίζει ένα φορτίο σε ένα λεπτό φιλμ πεπιεσμένου αερίου - σχεδόν πάντα αέρα, αν και άλλα αέρια μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εξειδικευμένες εφαρμογές. Αυτή η μεμβράνη αερίου, τυπικά πάχους 5 έως 20 μικρομέτρων κατά τη λειτουργία, διαχωρίζει φυσικά τις κινούμενες και σταθερές επιφάνειες. Επειδή δεν υπάρχει στερεή επαφή, δεν υπάρχει μηχανική τριβή με την παραδοσιακή έννοια.
Αυτή η απουσία τριβής έχει βαθιές πρακτικές συνέπειες. Τα συμβατικά ρουλεμάν κύλισης-στοιχείων - ρουλεμάν, ρουλεμάν κυλίνδρων, ρουλεμάν βελόνας - παρουσιάζουν όλα φαινόμενα τριβής που εκδηλώνονται ως συμπεριφορά ολίσθησης σε ραβδί-, παραγωγή θερμότητας, φθορά και εισαγωγή μικρών αλλά πραγματικών σφαλμάτων τοποθέτησης. Αυτά τα αποτελέσματα, αν και είναι διαχειρίσιμα στις περισσότερες εφαρμογές μηχανικής, είναι απαράδεκτα σε συστήματα όπου η επαναληψιμότητα θέσης πρέπει να ελέγχεται σε επίπεδα νανομέτρων.
Μια βαθμίδα ρουλεμάν αέρα μπορεί να επιτύχει επαναληψιμότητα καλύτερη από 10 nm υπό κατάλληλες συνθήκες και η ομαλότητα της κίνησής της επιτρέπει στα ευαίσθητα όργανα να λειτουργούν χωρίς τους μικρο-δονήσεις που προκαλούν πάντα τα ρουλεμάν κύλισης.
Τύποι ρουλεμάν αέρα
Τα ρουλεμάν αέρα χωρίζονται σε δύο κύριες κατηγορίες με βάση τον τρόπο δημιουργίας του φιλμ αέρα υπό πίεση: αεροστατικά και αεροδυναμικά.
Τα αεροστατικά ρουλεμάν (ο τύπος που χρησιμοποιείται σε εφαρμογές οργάνων ακριβείας και ημιαγωγών) βασίζονται στον αέρα υπό πίεση που παρέχεται εξωτερικά. Ο αέρας ωθείται μέσω μικρών ανοιγμάτων ή πορωδών μέσων στην επιφάνεια έδρασης, δημιουργώντας μια ζώνη υπό πίεση μεταξύ του ρουλεμάν και της επιφάνειας αναφοράς του. Το διάκενο, και επομένως η χωρητικότητα φορτίου και η ακαμψία, καθορίζονται από την πίεση τροφοδοσίας, τη γεωμετρία του στομίου και το ίδιο το διάκενο. Τα αεροστατικά ρουλεμάν μπορούν να υποστηρίξουν φορτία ακόμη και με μηδενική ταχύτητα, καθιστώντας τα κατάλληλα για στάδια ακριβείας που πρέπει να κρατούν τη θέση τους με ακρίβεια καθώς και να κινούνται ομαλά.
Τα αεροδυναμικά ρουλεμάν βασίζονται στη σχετική κίνηση μεταξύ των επιφανειών για τη δημιουργία του φιλμ αέρα - ουσιαστικά με την ίδια αρχή με τα υδροδυναμικά ρουλεμάν λαδιού. Επειδή απαιτούν κίνηση για τη δημιουργία της μεμβράνης, είναι λιγότερο χρήσιμα για εφαρμογές τοποθέτησης ακριβείας όπου απαιτείται υποστήριξη στατικού φορτίου.
Στα αεροστατικά ρουλεμάν, υπάρχουν περαιτέρω διακρίσεις με βάση τη σχεδίαση εισόδου αέρα: τύπος στομίου-(όπου ο αέρας εισέρχεται μέσω μίας ή λίγων οπών ακριβείας), πορώδης-τύπος (όπου ο αέρας εισέρχεται μέσω ενός πυροσυσσωματωμένου ή πορώδους μέσου με πολλές κατανεμημένες μικρο{3}διόδους αέρα) και αυλάκωση (όπου ο αέρας εισέρχεται από μία ή μερικές οπές ακριβείας). Τα πορώδη ρουλεμάν αέρα προσφέρουν γενικά την υψηλότερη ακαμψία και την πιο ομαλή κατανομή πίεσης.
Η Επιφάνεια Αναφοράς: Γιατί Γρανίτης
Ένα ρουλεμάν αέρα είναι τόσο καλό όσο και η επιφάνεια στην οποία οδηγεί. Το ρουλεμάν επιπλέει σε ένα κενό 5–20 μm. Κάθε κυματισμός ή απόκλιση στην επιφάνεια αναφοράς που πλησιάζει αυτή τη διάσταση θα διαταράξει το κενό, αλλάζοντας τοπικά την ακαμψία του ρουλεμάν και εισάγοντας σφάλμα κίνησης.
Για μια γραμμική βαθμίδα ρουλεμάν αέρα με εύρος διαδρομής 500 mm, η προδιαγραφή επιπεδότητας για την επιφάνεια αναφοράς μπορεί να είναι 1–3 μm σε όλο το μήκος. Για να επιτευχθεί αυτό απαιτείται συνδυασμός λείανσης ακριβείας, λεπτής περιτύλιξης και επαλήθευσης με ανιχνεύσιμα όργανα μέτρησης.
Ο γρανίτης είναι η κυρίαρχη επιλογή για επιφάνειες αναφοράς που φέρουν αέρα για αρκετούς-καθιερωμένους λόγους. Η σκληρότητά του (Mohs 6–7) αντιστέκεται στη φθορά από περιστασιακή ακούσια επαφή. Ο μη-μαγνητικός, μη αντιδραστικός χαρακτήρας του αποφεύγει τις παρεμβολές στους αισθητήρες που χρησιμοποιούνται σε στάδια ακριβείας. Τα θερμικά χαρακτηριστικά του - χαμηλός συντελεστής διαστολής, η καλή θερμική αγωγιμότητα - βοηθούν στη διατήρηση της σταθερότητας των διαστάσεων κατά τη λειτουργία. Και κυρίως, ο γρανίτης μπορεί να περιτυλιχθεί στα επίπεδα επιπεδότητας που απαιτούν οι εφαρμογές ρουλεμάν αέρα.
Η προδιαγραφή τραχύτητας επιφάνειας για μια επιφάνεια οδηγού που φέρει αέρα ακριβείας είναι τυπικά Ra μικρότερο ή ίσο με 0,1 μm (100 nm) και σε ορισμένες εφαρμογές Ra μικρότερο ή ίσο με 0,05 μm. Πρόκειται για καθρέφτες-λείες επιφάνειες που απαιτούν όχι μόνο εξοπλισμό ακριβείας αλλά εξειδικευμένη επεξεργασία.
Ακαμψία, Απόσβεση και Ικανότητα Φορτίου
Η μηχανική απόδοση ενός ρουλεμάν αέρα χαρακτηρίζεται από τρεις βασικές παραμέτρους: ακαμψία, απόσβεση και χωρητικότητα φορτίου.
Η ακαμψία, εκφρασμένη σε N/μm, περιγράφει πόση δύναμη απαιτείται για να εκτραπεί το ρουλεμάν κατά ένα μικρόμετρο. Η υψηλή ακαμψία είναι επιθυμητή για την ακρίβεια τοποθέτησης, επειδή οι δυνάμεις διαταραχής (από αλλαγές ωφέλιμου φορτίου, δυνάμεις κινητήρα ή κραδασμούς) προκαλούν μικρότερα σφάλματα θέσης. Τα αεροστατικά ρουλεμάν μπορούν να επιτύχουν τιμές ακαμψίας από δεκάδες έως εκατοντάδες N/μm ανάλογα με το μέγεθος και την πίεση παροχής.
Η απόσβεση στα ρουλεμάν αέρα είναι εγγενώς χαμηλότερη από ότι στα υδροστατικά ρουλεμάν λαδιού, επειδή ο αέρας έχει πολύ χαμηλότερο ιξώδες. Αυτό μπορεί να κάνει τα στάδια που φέρουν αέρα{1}}επιρρεπή σε συντονισμούς όταν διεγείρονται από εξωτερικούς κραδασμούς ή από γρήγορη κίνηση. Οι σχεδιαστές συστημάτων το αντιμετωπίζουν αυτό μέσω προσεκτικού μηχανικού σχεδιασμού και ενεργών πλατφορμών απομόνωσης κραδασμών.
Η χωρητικότητα φόρτωσης ρυθμίζεται από την περιοχή έδρασης και την πίεση τροφοδοσίας. Τα ρουλεμάν αέρα είναι γενικά πιο περιορισμένα σε χωρητικότητα φορτίου ανά μονάδα επιφάνειας από ό,τι τα λιπαντικά ή τα μαγνητικά ρουλεμάν, πράγμα που σημαίνει ότι ταιριάζουν καλύτερα για εφαρμογές όπου το ωφέλιμο φορτίο είναι καλά-ορισμένο και διαχειρίσιμο - όπως στα στάδια οργάνων - και όχι σε εφαρμογές βαρέων εργαλειομηχανών.
Εφαρμογές σε βιομηχανίες ακριβείας
Το τοπίο εφαρμογής για ρουλεμάν αέρα καλύπτει κάθε βιομηχανία που απαιτεί ομαλή, ακριβή και επαναλαμβανόμενη κίνηση.
Σε εξοπλισμό ημιαγωγών, τα στάδια ρουλεμάν αέρα χρησιμοποιούνται για την επιθεώρηση πλακιδίων, την τοποθέτηση φωτομάσκας, τα συστήματα άμεσης εγγραφής-λέιζερ και τη μετρολογία δέσμης ηλεκτρονίων. Η επιπεδότητα της επιφάνειας του οδηγού γρανίτη στην οποία λειτουργούν αυτά τα στάδια επηρεάζει άμεσα την ακρίβεια τοποθέτησης που επιτυγχάνεται από το σύστημα.
Στις μηχανές μέτρησης συντεταγμένων (CMM), τα ρουλεμάν αέρα επιτρέπουν στον αισθητήρα μέτρησης να διασχίζει ομαλά τον όγκο μέτρησης, χωρίς να εισάγει κραδασμούς που θα ενοχλούσαν τους ευαίσθητους αισθητήρες αφής ή τους αισθητήρες σάρωσης. Τα CMM υψηλής-ακρίβειας χρησιμοποιούν πίνακες γρανίτη τόσο ως σημείο αναφοράς όσο και ως επιφάνεια έδρασης για τους άξονες που υποστηρίζονται- με αέρα.
Σε οπτικά όργανα ακριβείας - συμβολόμετρα, τηλεσκόπια, φασματόμετρα - περιστροφικά τραπέζια που φέρουν αέρα επιτρέπουν την περιστροφή με σφάλματα εξόδου κάτω από 50 nm, επιτρέποντας τη γωνιακή τοποθέτηση και τη μέτρηση επιφάνειας που θα ήταν αδύνατη με μηχανικά ρουλεμάν.
Σε νανο-στάδια τοποθέτησης για έρευνα και προηγμένη κατασκευή, τα ρουλεμάν αέρα παρέχουν την ομαλή, τριβή-πλατφόρμα ελεύθερης κίνησης που επιτρέπει στα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία λεπτής-τοποθέτησης να λειτουργούν αποτελεσματικά, χωρίς τα φαινόμενα κολλήματος-ολίσθησης των μηχανικών ρουλεμάν που διαφορετικά θα κυριαρχούσαν σε πλάτος μικρής κίνησης.
Θέματα ένταξης
Η επιτυχής εφαρμογή ρουλεμάν αέρα απαιτεί προσοχή σε διάφορους παράγοντες επιπέδου συστήματος-. Η παροχή αέρα πρέπει να φιλτραριστεί για να αφαιρεθούν σωματίδια που θα μπορούσαν να καταστρέψουν το διάκενο ρουλεμάν, να ρυθμιστεί για να διατηρεί σταθερή πίεση και να στεγνώσει για να αφαιρέσει την υγρασία που θα μπορούσε να προκαλέσει διάβρωση σε επιφάνειες ακριβείας. Τυπικές απαιτήσεις φιλτραρίσματος είναι η αφαίρεση σωματιδίων μικρότερου του μικρού και τα σημεία δρόσου πολύ κάτω από τη θερμοκρασία λειτουργίας.
Το δομικό σύστημα που υποστηρίζει το ρουλεμάν αέρα πρέπει να είναι αρκετά άκαμπτο ώστε οι εξωτερικές δυνάμεις να μην παραμορφώνουν την επιφάνεια αναφοράς ή το περίβλημα του ρουλεμάν. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι βαθμίδες ρουλεμάν αέρα στον εξοπλισμό ακριβείας είναι σχεδόν πάντα τοποθετημένες σε τεράστιες-κατασκευές χύτευσης από γρανίτη ή ορυκτά με καλή απόσβεση.
Το περιβάλλον καθαρού δωματίου στο οποίο λειτουργούν συχνά συστήματα ρουλεμάν αέρα ακριβείας επηρεάζει επίσης τις επιλογές σχεδιασμού. Οι απαιτήσεις εξαγωγής αερίων, ο έλεγχος της μόλυνσης και η συμβατότητα με υλικά καθαρού χώρου και διαδικασίες καθαρισμού παίζουν ρόλο στο σχεδιασμό του συστήματος ρουλεμάν αέρα για εφαρμογές κατασκευής ημιαγωγών και οπτικών.
Σύναψη
Τα ρουλεμάν αέρα αντιπροσωπεύουν μια από τις πιο εκλεπτυσμένες τεχνολογίες στη μηχανική ακριβείας - παραπλανητικά απλή κατ' αρχήν, απαιτητική στην εκτέλεση. Η ικανότητά τους να επιτυγχάνουν-ελεύθερη κίνηση τριβής, επαναληψιμότητα σε επίπεδο νανομέτρων{{3} και εξαιρετική ομαλότητα, τα καθιστά απαραίτητα στις πιο απαιτητικές εφαρμογές εντοπισμού θέσης στην κατασκευή ημιαγωγών, τη μετρολογία ακριβείας και τα επιστημονικά όργανα.
Οι επιφάνειες γρανίτη στις οποίες λειτουργούν δεν είναι παθητικά υποστρώματα - είναι κατασκευασμένα στοιχεία ακριβείας-από μόνα τους, με προδιαγραφές επιπεδότητας, τραχύτητας και σταθερότητας που πρέπει να πληρούνται και να διατηρούνται καθ' όλη τη διάρκεια ζωής του συστήματος. Η κατανόηση τόσο του ρουλεμάν όσο και της επιφάνειας αναφοράς του ως ολοκληρωμένων μηχανικών στοιχείων είναι απαραίτητη για οποιονδήποτε σχεδιάζει ή καθορίζει συστήματα κίνησης εξαιρετικά-ακριβείας.