Introduzzjoni
Fost it-teknoloġiji abilitanti wara sistemi ta' moviment ultra-preċiżjoni, ftit huma eleganti fil-prinċipju jew eżiġenti fl-implimentazzjoni bħall-air bearing. Jinstab fil-qalba taGħodod ta' spezzjoni tas-semikondutturi, magni tal-kejl tal-koordinati ta' preċiżjoni, strumenti tal-metroloġija ta'-preċiżjoni għolja, u tagħmir ta' manifattura avvanzat, berings tal-arja jagħmlu livelli possibbli ta' bla intoppi tal-moviment u preċiżjoni tal-pożizzjonament li l-bearings tal-element tal-irrumblar konvenzjonali-sempliċement ma jistgħux jaqblu.
Dan l-artikolu jispjega x'inhuma l-bearings ta 'l-arja, kif jaħdmu, liema tipi jeżistu, u għaliex il-wiċċ li jirkbu fuqu huwa importanti daqs il-bearing innifsu.
Il-Prinċipju Fundamentali
Air bearing, fil-forma l-aktar bażika tiegħu, huwa mezz li jsostni tagħbija fuq film irqiq ta' gass taħt pressjoni - kważi dejjem arja, għalkemm gassijiet oħra jistgħu jintużaw f'applikazzjonijiet speċjalizzati. Dan il-film tal-gass, tipikament 5 sa 20 mikrometru ħoxna waqt it-tħaddim, jifred fiżikament l-uċuħ li jiċċaqilqu u stazzjonarji. Minħabba li m'hemm l-ebda kuntatt solidu, m'hemm l-ebda frizzjoni mekkanika fis-sens tradizzjonali.
Din in-nuqqas ta' frizzjoni għandha konsegwenzi prattiċi profondi. Berings tal--element tal-irrumblar konvenzjonali - ball bearings, berings tar-rombli, berings tal-labra - kollha juru effetti ta 'frizzjoni li jimmanifestaw bħala imġieba ta' stick-żlieq, ġenerazzjoni tas-sħana, xedd, u l-introduzzjoni ta 'żbalji ta' pożizzjonament żgħar iżda reali. Dawn l-effetti, filwaqt li huma maniġġabbli fil-biċċa l-kbira tal-applikazzjonijiet tal-inġinerija, huma inaċċettabbli f'sistemi fejn ir-ripetibilità tal-pożizzjoni trid tiġi kkontrollata għal-livelli tan-nanometru.
Stadju li jġorr l-arja jista 'jikseb ripetibbiltà aħjar minn 10 nm taħt kundizzjonijiet xierqa, u l-intoppi tal-moviment tiegħu jippermetti li strumenti sensittivi joperaw mingħajr il-mikro-vibrazzjonijiet li jintroduċu invarjabbilment ir-rolling bearings.
Tipi ta' Air Bearings
Il-bearings tal-arja huma maqsuma f'żewġ kategoriji prinċipali bbażati fuq kif jiġi ġġenerat il-film tal-arja taħt pressjoni: aerostatiku u aerodinamiku.
Il-berings aerostatiċi (it-tip użat f'applikazzjonijiet ta 'strumenti ta' preċiżjoni u semikondutturi) jiddependu fuq arja taħt pressjoni fornuta esternament. L-arja hija sfurzata permezz ta 'toqob żgħar jew midja poruża fil-wiċċ tal-ġarr, u toħloq żona taħt pressjoni bejn il-bearing u l-wiċċ ta' referenza tagħha. Id-distakk tal-ispazju, u għalhekk il-kapaċità tat-tagħbija u l-ebusija, huwa determinat mill-pressjoni tal-provvista, il-ġeometrija tal-orifiċju, u d-distakk innifsu. Il-berings aerostatiċi jistgħu jappoġġjaw tagħbijiet anke b'veloċità żero, u jagħmluhom adattati għal stadji ta 'preċiżjoni li għandhom iżommu l-pożizzjoni b'mod preċiż kif ukoll jimxu bla xkiel.
Il-berings aerodinamiċi jiddependu fuq il-moviment relattiv bejn l-uċuħ biex jiġġeneraw il-film tal-arja - essenzjalment l-istess prinċipju bħall-bearings taż-żejt idrodinamiku. Minħabba li jeħtieġu mozzjoni biex jiġġeneraw il-film, huma inqas utli għal applikazzjonijiet ta 'pożizzjonament ta' preċiżjoni fejn ikun meħtieġ appoġġ ta 'tagħbija statika.
Fi ħdan il-bearings aerostatiċi, hemm aktar distinzjonijiet ibbażati fuq id-disinn tad-daħla tal-arja: tip orifiċju-(fejn l-arja tidħol minn toqba ta' preċiżjoni waħda jew ftit), tip-poruż (fejn l-arja tidħol minn midja sinterizzata jew poruża b'ħafna mikro-passaġġi distribwiti), u tip-kanal (fejn kanali taħt pressjoni jqassmu l-arja). Il-bearings tal-arja poruż ġeneralment joffru l-ogħla ebusija u l-iktar distribuzzjoni tal-pressjoni bla xkiel.
Il-wiċċ ta 'referenza: Għaliex Granit
Air bearing huwa tajjeb biss daqs il-wiċċ li jsuq fuqu. Il-bearing f'wiċċ l-ilma fuq vojt ta' 5–20 µm; kwalunkwe waviness jew devjazzjoni fil-wiċċ ta 'referenza li joqrob lejn din id-dimensjoni se jiddisturbaw id-distakk, ibiddlu l-ebusija tal-bearing lokalment u jintroduċu żball ta' moviment.
Għal stadju lineari li jġorr l-arja b'medda ta' vjaġġ ta' 500 mm, l-ispeċifikazzjoni tal-flatness għall-wiċċ ta' referenza tista' tkun 1–3 µm fuq it-tul kollu. Il-kisba ta 'dan teħtieġ taħlita ta' tħin ta 'preċiżjoni, lapping fin, u verifika bi strumenti ta' kejl traċċabbli.
Il-granit huwa l-għażla dominanti għal uċuħ ta' referenza li jġorru l-arja għal bosta raġunijiet-stabbiliti sew. L-ebusija tagħha (Mohs 6–7) tirreżisti l-ilbies minn kuntatt okkażjonali involontarju. Il-karattru mhux-manjetiku, mhux-reattiv tiegħu jevita interferenza mas-sensuri użati fl-istadji ta' preċiżjoni. Il-karatteristiċi termali tiegħu - koeffiċjent ta 'espansjoni baxx, konduttività tajba tas-sħana - jgħinu biex tinżamm l-istabbiltà dimensjonali waqt it-tħaddim. U b'mod kritiku, il-granit jista 'jiġi lapped għal-livelli ta' flatness li jitolbu l-applikazzjonijiet li jġorru l-arja.
L-ispeċifikazzjoni tal-ħruxija tal-wiċċ għal wiċċ ta' gwida li jġorr l-arja ta' preċiżjoni hija tipikament Ra Inqas minn jew ugwali għal 0.1 µm (100 nm), u f'xi applikazzjonijiet Ra Inqas minn jew ugwali għal 0.05 µm. Dawn huma mera-uċuħ lixxi li jeħtieġu mhux biss tagħmir ta' preċiżjoni iżda ipproċessar tas-sengħa.
Ebusija, Damping, u Kapaċità tat-Tagħbija
Il-prestazzjoni tal-inġinerija ta 'bearing tal-arja hija kkaratterizzata minn tliet parametri ewlenin: ebusija, damping, u kapaċità tat-tagħbija.
L-ebusija, espressa f'N/µm, tiddeskrivi kemm hemm bżonn ta' forza biex jitgħawweġ il-bearing b'mikrometru wieħed. Ebusija għolja hija mixtieqa għall-eżattezza tal-pożizzjonament, minħabba li forzi ta 'disturb (minn bidliet fit-tagħbija, forzi tal-mutur, jew vibrazzjoni) jipproduċu żbalji pożizzjonali iżgħar. Il-berings aerostatiċi jistgħu jiksbu valuri ta 'ebusija ta' għexieren sa mijiet ta 'N/µm skont id-daqs u l-pressjoni tal-provvista.
Id-damping fil-bearings tal-arja huwa intrinsikament aktar baxx milli fil-bearings idrostatiċi taż-żejt, minħabba li l-arja għandha viskożità ħafna aktar baxxa. Dan jista' jagħmel l-istadji li jġorru l-arja-suxxettibbli għal reżonanzi meta jiġu eċċitati minn vibrazzjoni esterna jew moviment mgħaġġel. Id-disinjaturi tas-sistema jindirizzaw dan permezz ta 'disinn mekkaniku bir-reqqa u pjattaformi ta' iżolament tal-vibrazzjoni attiva.
Il-kapaċità tat-tagħbija hija stabbilita mill-erja tal-ġarr u l-pressjoni tal-provvista. Il-bearings tal-arja ġeneralment huma aktar limitati fil-kapaċità tat-tagħbija għal kull unità ta' erja milli l-bearings taż-żejt jew manjetiċi, li jfisser li huma l-aktar adattati għal applikazzjonijiet fejn it-tagħbija tat-tagħbija hija -definita sew u maniġġabbli - bħal fl-istadji tal-istrumenti - aktar milli applikazzjonijiet ta' għodod tal-magni tqal.
Applikazzjonijiet madwar l-Industriji tal-Preċiżjoni
Il-pajsaġġ tal-applikazzjoni għall-bearings tal-arja jifrex kull industrija li teħtieġ moviment bla xkiel, preċiż u ripetibbli.
F'tagħmir semikonduttur, l-istadji li jġorru l-arja jintużaw fl-ispezzjoni tal-wejfer, il-pożizzjonament tal-fotomask, is-sistemi ta' kitba diretta-lejżer, u l-metroloġija tar-raġġ tal-elettroni. Il-flatness tal-wiċċ tal-gwida tal-granit li fuqu joperaw dawn l-istadji taffettwa direttament l-eżattezza tal-pożizzjonament li tista 'tinkiseb mis-sistema.
F'magni tal-kejl tal-koordinati (CMMs), il-bearings tal-arja jippermettu lis-sonda tal-kejl tgħaddi l-volum tal-kejl mingħajr xkiel, mingħajr ma tintroduċi vibrazzjoni li tfixkel sondi tal-mess sensittivi jew sensuri tal-iskannjar. Is-CMMs ta'-preċiżjoni għolja jużaw tabelli tal-granit kemm bħala r-referenza tad-datum kif ukoll bħala s-superfiċje tal-ġarr għall-assi appoġġjati bl-arja-tagħhom.
Fi strumenti ottiċi ta' preċiżjoni - interferometri, teleskopji, spettrometri - imwejjed rotatorji li jġorru l-arja jippermettu rotazzjoni bi żbalji run-out taħt il-50 nm, li jippermettu pożizzjonament angolari u kejl tal-wiċċ li jkun impossibbli b'berings mekkaniċi.
Fi stadji ta' nano-pożizzjonament għar-riċerka u l-manifattura avvanzata, il-bearings tal-arja jipprovdu l-pjattaforma tal-moviment bla xkiel u frizzjoni-li tippermetti li elementi ta' pożizzjonament fin-pjeżoelettriċi jaħdmu b'mod effettiv, mingħajr l-effetti ta' stick-żliq ta' berings mekkaniċi li kieku kienu jiddominaw f'amplitudnijiet żgħar ta' moviment.
Konsiderazzjonijiet ta' Integrazzjoni
L-implimentazzjoni ta' air bearings b'suċċess teħtieġ attenzjoni għal diversi fatturi ta'-sistema. Il-provvista ta 'l-arja għandha tiġi ffiltrata biex tneħħi partiċelli li jistgħu jagħmlu ħsara lill-vojt tal-bearing, regolata biex tinżamm pressjoni stabbli, u mnixxfa biex tneħħi l-umdità li tista' tikkawża korrużjoni fuq uċuħ ta 'preċiżjoni. Ir-rekwiżiti tipiċi tal-filtrazzjoni huma t-tneħħija tal-partiċelli sub-mikroniċi u l-punti tan-nida ferm taħt it-temperatura operattiva.
Is-sistema strutturali li tappoġġja l-bearing tal-arja għandha tkun riġida biżżejjed biex il-forzi esterni ma jiddeformawx il-wiċċ ta 'referenza jew il-housing tal-bearing. Din hija r-raġuni għaliex l-istadji li jġorru l-arja f'tagħmir ta' preċiżjoni huma kważi dejjem immuntati fuq strutturi massivi,-damed tajjeb tal-granit jew tal-ikkastjar tal-minerali.
L-ambjent tal-kamra nadifa li fih is-sistemi tal-ġarr tal-arja ta 'preċiżjoni ta' spiss joperaw jinfluwenza wkoll l-għażliet tad-disinn. Ir-rekwiżiti tal-ħruġ tal-gass, il-kontroll tal-kontaminazzjoni, u l-kompatibilità mal-materjali tal-kamra nadifa u l-proċeduri tat-tindif kollha għandhom rwol fid-disinn tas-sistema tal-ġarr tal-arja għal applikazzjonijiet ta 'manifattura ta' semikondutturi u ottiċi.
Konklużjoni
Air bearings jirrappreżentaw waħda mill-aktar teknoloġiji raffinati fl-inġinerija ta 'preċiżjoni - qarrieqa sempliċi fil-prinċipju, eżiġenti fl-eżekuzzjoni. Il-kapaċità tagħhom li jiksbu frizzjoni-mozzjoni ħielsa, ripetibbiltà fil-livell tan-nanometru-, u bla intoppi eċċezzjonali tagħmilhom indispensabbli fl-applikazzjonijiet ta' pożizzjonament l-aktar impenjattivi fil-manifattura tas-semikondutturi, il-metroloġija ta' preċiżjoni, u l-istrumentazzjoni xjentifika.
L-uċuħ tal-granit li joperaw fuqhom mhumiex sottostrati passivi - huma komponenti ta' preċiżjoni-inġinerija fihom infushom, bi speċifikazzjonijiet ta' flatness, ħruxija, u stabbiltà li jridu jiġu sodisfatti u miżmuma matul il-ħajja operattiva tas-sistema. Il-fehim kemm tal-bearing kif ukoll tal-wiċċ ta' referenza tiegħu bħala elementi ta' inġinerija integrati huwa essenzjali għal kull min jiddisinja jew jispeċifika sistemi ta' moviment ultra-preċiżjoni.