Giới thiệu
Trong số các công nghệ hỗ trợ đằng sau các hệ thống chuyển động siêu chính xác{0}}, rất ít công nghệ có nguyên tắc thanh lịch hoặc đòi hỏi khắt khe trong quá trình triển khai như ổ trục không khí. Tìm thấy ở trung tâm củacông cụ kiểm tra chất bán dẫn, máy đo tọa độ chính xác, thiết bị đo lường có độ chính xác-cao và thiết bị sản xuất tiên tiến, vòng bi không khí mang đến mức độ mượt mà trong chuyển động và độ chính xác định vị mà vòng bi-con lăn thông thường không thể sánh được.
Bài viết này giải thích vòng bi không khí là gì, cách chúng hoạt động, loại tồn tại và lý do tại sao bề mặt chúng tiếp xúc cũng quan trọng như bản thân vòng bi.
Nguyên tắc cơ bản
Ổ trục không khí, ở dạng cơ bản nhất, là một thiết bị hỗ trợ tải trọng lên một màng mỏng khí điều áp - hầu như luôn là không khí, mặc dù các loại khí khác có thể được sử dụng trong các ứng dụng chuyên dụng. Màng khí này, thường dày từ 5 đến 20 micromet trong quá trình hoạt động, ngăn cách vật lý các bề mặt chuyển động và tĩnh. Vì không có tiếp xúc chắc chắn nên không có ma sát cơ học theo nghĩa truyền thống.
Sự vắng mặt của ma sát này có những hậu quả thực tế sâu sắc. Vòng bi-phần tử lăn thông thường - vòng bi, vòng bi lăn, vòng bi kim - đều thể hiện hiệu ứng ma sát biểu hiện dưới dạng trượt-dính, sinh nhiệt, mài mòn và gây ra các lỗi định vị nhỏ nhưng thực tế. Những hiệu ứng này, mặc dù có thể quản lý được trong hầu hết các ứng dụng kỹ thuật, nhưng lại không thể chấp nhận được trong các hệ thống mà khả năng lặp lại vị trí phải được kiểm soát ở mức nanomet.
Đế đệm không khí có thể đạt được độ lặp lại tốt hơn 10 nm trong các điều kiện thích hợp và chuyển động mượt mà của nó cho phép các thiết bị nhạy cảm hoạt động mà không có những rung động vi mô mà vòng bi lăn luôn tạo ra.
Các loại vòng bi không khí
Vòng bi không khí được chia thành hai loại chính dựa trên cách tạo ra màng không khí điều áp: khí động học và khí động học.
Vòng bi khí động học (loại được sử dụng trong các ứng dụng bán dẫn và dụng cụ chính xác) dựa vào không khí điều áp được cung cấp từ bên ngoài. Không khí bị ép đi qua các lỗ nhỏ hoặc vật liệu xốp trên bề mặt ổ trục, tạo ra vùng điều áp giữa ổ trục và bề mặt tham chiếu của nó. Khe hở, do đó khả năng chịu tải và độ cứng, được xác định bởi áp suất cung cấp, hình dạng lỗ và chính khe hở đó. Vòng bi khí động học có thể hỗ trợ tải ngay cả ở vận tốc bằng 0, khiến chúng phù hợp với các giai đoạn chính xác cần giữ vị trí chính xác cũng như di chuyển trơn tru.
Vòng bi khí động học dựa vào chuyển động tương đối giữa các bề mặt để tạo ra màng không khí - về cơ bản có nguyên lý giống như vòng bi dầu thủy động lực. Vì chúng yêu cầu chuyển động để tạo ra màng nên chúng ít hữu ích hơn cho các ứng dụng định vị chính xác cần hỗ trợ tải tĩnh.
Trong vòng bi khí động, có những điểm khác biệt hơn nữa dựa trên thiết kế cửa hút gió: loại lỗ-(trong đó không khí đi qua một hoặc một vài lỗ chính xác), loại- xốp (trong đó không khí đi vào qua môi trường thiêu kết hoặc xốp với nhiều đường dẫn vi mô-phân bổ) và loại-rãnh (nơi các kênh điều áp phân phối không khí). Vòng bi không khí xốp thường có độ cứng cao nhất và phân phối áp suất trơn tru nhất.
Bề mặt tham chiếu: Tại sao là đá granite
Ổ trục không khí chỉ hoạt động tốt khi có bề mặt mà nó đặt lên. Vòng bi nổi trên một khoảng cách 5–20 µm; bất kỳ độ gợn sóng hoặc sai lệch nào trên bề mặt tham chiếu tiến gần đến kích thước này sẽ làm xáo trộn khe hở, thay đổi độ cứng cục bộ của ổ trục và gây ra sai số chuyển động.
Đối với bệ đỡ không khí tuyến tính có phạm vi di chuyển 500 mm, thông số độ phẳng cho bề mặt tham chiếu có thể là 1–3 µm trên toàn bộ chiều dài. Để đạt được điều này đòi hỏi sự kết hợp giữa mài chính xác, mài mịn và xác minh bằng các dụng cụ đo lường có thể theo dõi.
Đá granit là lựa chọn ưu tiên cho các bề mặt tham chiếu chịu lực không khí vì một số lý do{0}}đã được chứng minh rõ ràng. Độ cứng của nó (Mohs 6–7) chống mài mòn do vô tình tiếp xúc. Đặc tính không-từ tính, không{6}}phản ứng của nó tránh nhiễu với các cảm biến được sử dụng trong các giai đoạn chính xác. Đặc tính nhiệt - hệ số giãn nở thấp, dẫn nhiệt tốt - giúp duy trì sự ổn định về kích thước trong quá trình vận hành. Và điều quan trọng là đá granit có thể được mài đến mức độ phẳng mà các ứng dụng chịu lực không khí yêu cầu.
Thông số độ nhám bề mặt cho bề mặt dẫn hướng ổ trục không khí chính xác thường là Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 µm (100 nm) và trong một số ứng dụng Ra Nhỏ hơn hoặc bằng 0,05 µm. Đây là những bề mặt-mịn như gương không chỉ đòi hỏi thiết bị chính xác mà còn cần xử lý lành nghề.
Độ cứng, giảm xóc và khả năng chịu tải
Hiệu suất kỹ thuật của ổ trục không khí được đặc trưng bởi ba thông số chính: độ cứng, giảm chấn và khả năng chịu tải.
Độ cứng, được biểu thị bằng N/µm, mô tả lực cần thiết để làm lệch ổ trục một micromet. Độ cứng cao là điều kiện mong muốn để có được độ chính xác khi định vị vì các lực nhiễu (từ thay đổi tải trọng, lực động cơ hoặc rung động) tạo ra sai số vị trí nhỏ hơn. Vòng bi khí động học có thể đạt được giá trị độ cứng từ hàng chục đến hàng trăm N/µm tùy thuộc vào kích thước và áp suất cung cấp.
Giảm chấn trong vòng bi không khí vốn đã thấp hơn so với vòng bi thủy tĩnh dầu, vì không khí có độ nhớt thấp hơn nhiều. Điều này có thể làm cho các bệ đỡ không khí-dễ bị cộng hưởng khi bị kích thích bởi rung động bên ngoài hoặc chuyển động nhanh. Các nhà thiết kế hệ thống giải quyết vấn đề này thông qua thiết kế cơ khí cẩn thận và các nền tảng cách ly rung động chủ động.
Khả năng chịu tải được thiết lập bởi diện tích ổ trục và áp suất cung cấp. Vòng bi khí thường bị hạn chế hơn về khả năng chịu tải trên một đơn vị diện tích so với vòng bi dầu hoặc từ tính, có nghĩa là chúng phù hợp nhất cho các ứng dụng có tải trọng được-xác định rõ ràng và có thể quản lý được - như trong các giai đoạn thiết bị - thay vì các ứng dụng máy công cụ hạng nặng.
Ứng dụng trong các ngành công nghiệp chính xác
Bối cảnh ứng dụng của vòng bi không khí trải rộng trên bất kỳ ngành công nghiệp nào đòi hỏi chuyển động trơn tru, chính xác và lặp lại.
Trong thiết bị bán dẫn, các bệ đỡ không khí được sử dụng trong kiểm tra tấm bán dẫn, định vị mặt nạ ảnh, hệ thống ghi trực tiếp bằng laser và đo lường chùm tia điện tử. Độ phẳng của bề mặt đường dẫn đá granit mà trên đó các giai đoạn này hoạt động ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác định vị mà hệ thống có thể đạt được.
Trong máy đo tọa độ (CMM), vòng bi không khí cho phép đầu dò đo đi qua khối đo một cách trơn tru mà không tạo ra rung động làm ảnh hưởng đến đầu dò cảm ứng hoặc cảm biến quét nhạy cảm. CMM có độ chính xác-cao sử dụng bàn đá granite vừa làm tham chiếu chuẩn vừa làm bề mặt chịu lực cho trục được hỗ trợ bằng không khí-.
Trong các thiết bị quang học chính xác - giao thoa kế, kính viễn vọng, quang phổ kế - bàn quay mang không khí cho phép quay với sai số lệch- dưới 50 nm, cho phép định vị góc và đo bề mặt mà các vòng bi cơ học không thể thực hiện được.
Trong các giai đoạn-định vị nano dành cho nghiên cứu và sản xuất nâng cao, vòng bi không khí cung cấp nền tảng chuyển động trơn tru,-không ma sát, cho phép các phần tử định vị-áp điện tinh tế hoạt động hiệu quả mà không có hiệu ứng dính-của vòng bi cơ khí thường chiếm ưu thế ở biên độ chuyển động nhỏ.
Cân nhắc tích hợp
Việc triển khai thành công vòng bi khí nén đòi hỏi phải chú ý đến một số yếu tố ở cấp độ hệ thống. Nguồn cung cấp không khí phải được lọc để loại bỏ các hạt có thể làm hỏng khe hở ổ trục, được điều chỉnh để duy trì áp suất ổn định và được sấy khô để loại bỏ độ ẩm có thể gây ăn mòn trên các bề mặt chính xác. Yêu cầu lọc điển hình là loại bỏ-các hạt micron và điểm sương thấp hơn nhiều so với nhiệt độ hoạt động.
Hệ thống kết cấu đỡ ổ trục không khí phải đủ cứng để các lực bên ngoài không làm biến dạng bề mặt tham chiếu hoặc vỏ ổ trục. Đây là lý do tại sao các bệ đỡ không khí trong thiết bị chính xác hầu như luôn được gắn trên các cấu trúc đúc bằng đá granit hoặc khoáng chất-có độ ẩm tốt và lớn.
Môi trường phòng sạch nơi các hệ thống ổ trục khí chính xác thường hoạt động cũng ảnh hưởng đến việc lựa chọn thiết kế. Các yêu cầu về thoát khí, kiểm soát ô nhiễm và khả năng tương thích với vật liệu phòng sạch cũng như quy trình làm sạch đều đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế hệ thống ổ trục không khí cho các ứng dụng sản xuất chất bán dẫn và quang học.
Phần kết luận
Vòng bi không khí đại diện cho một trong những công nghệ tinh tế nhất trong kỹ thuật chính xác - về nguyên tắc có vẻ đơn giản nhưng đòi hỏi khắt khe khi thực hiện. Khả năng đạt được chuyển động-không ma sát, khả năng lặp lại ở cấp độ nanomet- và độ mịn đặc biệt khiến chúng không thể thiếu trong các ứng dụng định vị đòi hỏi khắt khe nhất trong sản xuất chất bán dẫn, đo lường chính xác và thiết bị khoa học.
Bề mặt đá granite mà chúng hoạt động không phải là chất nền thụ động - chúng là các thành phần được thiết kế-chính xác theo đúng nghĩa của chúng, với các thông số kỹ thuật về độ phẳng, độ nhám và độ ổn định phải được đáp ứng và duy trì trong suốt thời gian hoạt động của hệ thống. Hiểu cả ổ trục và bề mặt tham chiếu của nó như các yếu tố kỹ thuật tích hợp là điều cần thiết đối với bất kỳ ai thiết kế hoặc chỉ định hệ thống chuyển động siêu chính xác.