Меню

Аероламинарный несущий воздушный подшипник ультра высокого давления

Особенности и области применения воздушных подшипников

Рис.1 Двухкоординатная линейная платформа на воздушных подшипниках с системой отслеживания уровня отклонения вокруг вертикальной оси Z

Высокоточное позиционирование без трения

Путём использования двигателя с прямым приводом и энкодера высокого разрешения наряду с воздушными подшипниками можно добиться точности нанометрового диапазона при линейном перемещении и десятых долей угловой секунды при вращательном движении. Отсутствие трения и механического контакта компонентов подшипника приводит к минимизации возникающей погрешности при двунаправленном позиционировании. Эффект прилипания практически устраняется, улучшая разрешение и уменьшая неравномерность перемещения. Точность повторного позиционирования может быть получена в пределах нескольких отсчётов энкодера. Аналогичная точность может быть достигнута путём применения пьезоэлектрических позиционеров, однако диапазон перемещения данных приводов намного меньше. Конструирование систем на основе магнитной левитации является альтернативным решением.

Отсутствие контакта механических элементов подшипника позволяет добиться плавности хода и контроля над скоростью (стабильность скорости порядка 0.01%). Эксперименты и процессы, такие как тестирование датчиков ускорения, томография, сканирование образцов и профилирование поверхности, основаны на непрерывном перемещении при строго контролируемой скорости, что может быть выполнено с помощью использования воздушных подшипников.

Перемещение с очень малой погрешностью

Линейные платформы на воздушных подшипниках перемещаются с очень высокой прямолинейностью и плоскопараллельностью. Наклон вокруг осей X,Y и Z составляет порядка десятых долей угловых секунд. Биение при перемещении вращающейся платформы составляет менее одной угловой секунды. Кроме того, угловые характеристики воздушного подшипника являются постоянными во времени. Это гарантирует качество изготовления и надёжность измерений для таких приложений, как контроль зеркал и оптики, контроль в полупроводниковой промышленности, производство медицинской техники.

Большой диапазон перемещения

Рычажные пьезоплатформы и пьезоактуаторы могут применяться для многих приложений, где требуется высокая точность перемещения. Однако, в связи с принципиальными ограничениями, диапазон перемещения данных позиционеров ограничен несколькими миллиметрами. Линейные платформы на воздушных подшипниках обеспечивают диапазон перемещения порядка 25 мм и более (рис.2). Компания Physik Instrumente изготавливает линейные платформы на воздушных подшипниках с диапазоном перемещения до 1 метра, а также более метра в случае индивидуальной разработки.

Рис.2 Миниатюрная линейная платформа на воздушных подшипниках производства PI.

Отсутствие биения, высокоскоростное вращение

Вращающиеся платформы на воздушных подшипниках (рис.3) обладают высокой точностью перемещения, высокой жёсткостью и плавностью хода в связи с отсутствием роликовых элементов. Величины радиальных и осевых ошибок при вращении таких платформ невелики в сравнении с аналогами, где используются механические подшипники. Стандартные вращающиеся платформы достигают скорости до 600 оборотов в минуту, в то время как соответствующие аналоги на воздушных подшипниках могут применяться для приложений, где требуются более высокие скорости. Платформы могут быть установлены как горизонтально, так и вертикально, в зависимости от задачи.

Рис.3 Внешний вид вращающейся платформы на воздушных подшипниках

Минимальная необходимость в обслуживании

В связи с отсутствием соприкасающихся частей в механизме воздушного подшипника он не подвержен износу. Кроме того, не требуется специальных процедур обслуживания, к примеру, смазка отдельных компонентов. Таким образом, платформы на воздушных подшипниках не требуют технического обслуживания. Более того, с течением времени, система сохраняет устойчивость, производительность не изменяется. Существует необходимость в повторной калибровке. В платформах на воздушных подшипниках износу подвергаются только движущиеся кабели и шланги.

Работа в чистых помещениях

Поскольку воздушные подшипники работают без износа, пыль и другие частицы, которые могут перемещаться по воздуху, не образуются. Данная особенность позволяет использовать воздушные подшипники в чистых помещениях, для тестирования оптики, в полупроводниковой промышленности, для биофармакологических исследований, тестирования индикаторных панелей. Для обеспечения высокой чистоты в некоторых помещениях, в качестве газа рекомендуется использовать чистый азот.

Прецизионное управление генерируемым усилием

Воздушные подшипники работают практически без трения. Это означает, что в случае совместной работы таких подшипников с двигателем, который имеет прямой привод (к примеру, электромагнитным), существует возможность их использования в приложениях, где требуется управление усилиями порядка микро- и наноньютонов (рис.4). Такими приложениями могут быть установка в заданное положение очень хрупких чувствительных объектов или тестирование материалов.

Рис.4 Сферические воздушные подшипники могут быть использованы для симуляции отсутствия гравитации.

В каких ситуациях необходимо избегать использования воздушных подшипников?

Читайте также:  Зеленый чай при беременности при низком давлении

В связи с принципом работы воздушных подшипников их нельзя использовать в вакууме. Вместо них рекомендуется применение механических подшипников, магнитной подвески или рычажных пьезоплатформ (рис.5).

Рис.5 XYZ пьезоплатформа производства PI, адаптированная для работы в сверхвысоком вакууме.

Воздушные подшипники обычно используются в чистых помещениях. Следует избегать работы в загрязнённых помещениях. В связи с тем, что позиционеры на воздушных подшипниках работают при подаче сжатого воздуха или азота, это условие должно быть обеспечено. Если специфика приложения не предусматривает такой возможности, то воздушные подшипники не могут быть применены.

© Все использованные рисунки являются собственностью компаний: Physik Instrumente (PI) GmbH, Moxtek Inc. Все торговые марки являются собственностью соответствующих компаний-владельцев. Цитирование материалов сайта без ссылки на первоисточник запрещено.

Источник

Воздушные подшипники

Основой воздушного подшипника является тонкая воздушная плёнка, образующая небольшой зазор между компонентами подшипника (рис.1). Плёнка образуется в результате подачи воздуха внутрь механизма под высоким давлением. Идея с использованием сжатого воздуха позволяет избежать трения твёрдых частей механизма друг о друга при стандартных условиях эксплуатации. Трение скольжения или качения в стандартных подшипниках ограничивает их применимость для некоторых задач прецизионного позиционирования.

Рис.1 Схема воздушного подшипника (слева) и подшипника качения (справа).

Воздушная среда способна передавать усилия, потому что когда воздух проталкивается через зазор подшипника, он создаёт профиль давления через зону подшипника. Нагрузка, которую подшипник может выдержать, рассчитывается следующим образом:

Сила = усреднённое давление х площадь

Рис.2 Профиль давления в воздушном подшипнике.

Давление в подшипнике распределяется неоднородно и зависит от конструкции подшипника и других параметров. Существует эмпирическое правило, из которого следует ожидать 30% эффективности:

Сила = 0.3 х подаваемое давление х площадь

Воздушные подшипники имеют множество преимуществ в сравнении с механическими подшипниками. В связи с отсутствием контакта между компонентами воздушный подшипник не подвержен износу, а также в процессе работы не выделяется тепло из-за трения. Немаловажным достоинством является отсутствие статического и динамического трения, даже при наибольшей проектной нагрузке. Кроме того, воздушная плёнка позволяет сгладить неровности и дефекты компонентов подшипника, что повышает точность позиционирования. Воздушные подшипники имеют более высокую жёсткость в сравнении с механическими аналогами, в конструкции которых имеет место точечный или линейный контакт.

Почему используется воздух вместо смазочных жидкостей?

В то время как большинство людей знакомы с подшипниками скольжения на масляной плёнке (к примеру, использующиеся в автомобиле), воздушные подшипники малоизвестны. Принципиальное различие между жидкостями и газами состоит в вязкости – жидкости имеют более высокую вязкость в сравнении с газами. В случае с подшипниками эта разница несёт ряд последствий.

Более низкая вязкость означает, что воздушные подшипники имеют более низкую нагрузочную способность (жидкостные подшипники выдерживают в 5 раз большую нагрузку в сравнении с воздушными для одной и той же площади контакта).

В связи с низкой вязкостью газов, у воздушных подшипников практически нулевое статическое и динамическое трение, в отличие от жидкостных подшипников, где в связи с трением наблюдается выделение теплоты.

Для воздушных подшипников требуется очень малый зазор между компонентами (10 мкм) в сравнении с жидкостными подшипниками (100 мкм), что накладывает высокие требования к точности изготовления компонентов.

Таким образом, несмотря на то, что воздушные подшипники имеют небольшую нагрузочную способность, они имеют практически нулевое трение на всех скоростях. Высокая точность изготовления компонентов подшипника повышает точность при позиционировании. Ещё одним преимуществом использования воздуха является отсутствие загрязнения в сравнении с маслами и другими жидкостями. Сжатый воздух является наиболее часто используемым газом в промышленных условиях. Однако другие газы, в частности азот, может использоваться там, где они доступны (к примеру, в чистых помещениях).

Методы подачи сжатого воздуха в подшипник

Существует два метода подачи сжатого воздуха в подшипник. Первый – использовать внешний источник сжатого воздуха (рис.3 слева), второй – использовать относительное движение компонентов механизма для создания внутреннего давления (рис.3, справа). В то время как второй метод является распространённым для жидкостных подшипников вследстве высокой вязкости масел, то для воздушных аналогов он малоэффективен ввиду низкой величины создаваемого давления.

Читайте также:  Чем отличается давление на руках и ногах

Таким образом, воздушные подшипники PI работают с использованием внешнего источника сжатого воздуха. Воздух в источнике должен быть чистым и сухим, а сам источник должен генерировать постоянное давление. Типичное рабочее давление находится в диапазоне от 138 кПа до 827 кПа в зависимости от требуемой жёсткости, нагрузочной способности и требованиям к расходу воздуха.

Рис.3 Принципиальные схемы подачи сжатого воздуха в подшипник

Как воздух поступает в подшипник?

Воздух необходимо подавать в зазор подшипника. Существует два способа реализовать это – через отверстия или пористые среды. В первом случае воздух проходит через небольшое отверстие диаметром от 0.004 до 0.015 дюйма (рис.4, слева). Во втором случае воздух поступает через пористый материал — углерод, бронза или сталь (рис.4, справа)

Рис.4 Принципиальные схемы поступления воздуха в зазор подшипника

Относительные преимущества каждого подхода являются спорными. Хотя с помощью отверстий невозможно получить такой однородный профиль давления, как с помощью пористых материалов, существуют способы улучшить профиль давления с использованием специального метода. Использование пористых материалов обеспечивает более качественное демпфирование в сравнении с отверстиями, однако создание надлежащей формы отверстия может улучшить этот параметр. Стоит учитывать, что отверстие может засориться в случае, если подаваемый воздух будет содержать большую частицу, в то время как пористый материал работает как фильтр. Однако, со временем пористый материал может значительно засориться (особенно если в воздухе будут содержаться пары масла), а засорённые поры труднее поддаются очистке в сравнении с забитыми отверстиями.

Подшипники с отверстиями могут быть изготовлены из одного материала, а пористые подшипники обязательно изготавливают из различных материалов и адгезивных веществ.

В PI изготавливаются подшипники как с отверстиями, так и на основе пористых материалов. Большинство стандартной продукции имеет в своей основе подшипники с отверстиями специальной формы. Для этой задачи была разработана технология сверления отверстий с малым диаметром непосредственно в самом подшипнике вместо использования методов прессования или вклеивания сопел из драгметаллов. В PI уверены, что используемая технология снижает стоимость и сложность работ наряду с повышением стабильности и надёжности в пределах длительного периода. Тем не менее, сопла из драгметаллов используются в тех случаях, когда сверление отверстий невозможно из-за геометрии или в случае, когда требуются малые размеры отверстия (порядка 0.004 дюйма).

Роль геометрической формы подшипника

Из-за малых зазоров, необходимых для функционирования воздушных подшипников, самым важным фактором в их производстве является высокая точность геометрической формы. Любое изменение размеров деталей, прямолинейности, формы приводит к закрытию зазора, что в свою очередь означает повышение трения, уменьшение точности позиционирования и нагрузочной способности подшипника. Типичные величины допуска для прямоугольных подшипников, которые работают с воздушным зазором порядка 0.0005″, составляют ±0.0001″. Такой допуск применяется по всей длине подшипника, которая для некоторых моделей может составлять более 60 «.

Кроме того, геометрия компонентов определяет точность движения подшипника. Хотя локальные отклонения формы от заданного значения компенсируются воздушным зазором, общая точность определяется качеством изготовления отдельных компонентов подшипника.

Рис.5. Воздушный зазор невелирует локальные изменения формы подшипника

В связи с этим, компания PI разработала методы и оборудование, которые позволяют выполнить данные строгие требования в отношении геометрии с высокой повторяемостью и относительно небольшой стоимостью.

Точность, минимальный шаг и повторяемость

Вначале кратко обозначим разницу между точностью, шагом и повторяемостью. Под точностью понимается то, насколько близка реальная траектория движения к идеальной (заданной программно). Минимальный шаг показывает ту минимальную величину, на которую можно переместиться. Повторяемость – это показатель качества воспроизводимости перемещения в определённую координату.

Воздушные подшипники обеспечивают высокие показатели вышеперечисленных параметров. Отличная точность достигается благодаря минимальным отклонениям от заданной геометрической формы компонентов подшипника, а также компенсации этих отклонений с помощью воздушного зазора. Типичная линейная точность составляет 10 микродюйм/дюйм с максимальным отклонением 100 микродюймов/36 дюймов. Биение при вращении соответствует ±1 микродюйму. Наклон — 0.25 арксек/дюйм.

Поскольку в воздушных подшипниках отсутствует трение, достигаемый минимальный шаг при позиционировании ограничивается характеристиками двигателя, контроллера и датчика положения. Минимальный шаг порядка ±1 отсчёта энкодера можно легко получить при использовании линейных двигателей.

Читайте также:  Повышенное артериальное давление при гастрите

Воздушные подшипники обладают намного лучшей повторяемостью в сравнении с механическими аналогами по причине отсутствия контакта компонентов подшипника и соответственно износа. Тепловыделение в механических подшипниках в некоторых случаях требует времени для стабилизации после включения механизма. Кроме того, механическая преднагрузка на роликовые подшипники может изменяться с температурой и приводить, к примеру, к различному уровню трения, что ухудшает повторяемость. Таким образом, вышеприведённые примеры показывают, что использование механических подшипников для задач, связанных с высокоточным позиционированием, может быть ограничено в связи с ухудшением точности с течением времени. В связи с тем, что компоненты подшипников PI изготавливаются из одного материала в целях равномерного теплового расширения конструкции, они могут работать в течение нескольких лет без ухудшения точности. Кроме того, воздушные подшипники могут работать на высоких скоростях без периода предварительного включения (за исключением термоэффектов, связанных с двигателем) и поддерживать высокую точность.

Преднагруженные воздушные подшипники

Воздушные подшипники могут использоваться без преднагрузки, однако, чтобы максимизировать жёсткость и поддерживать постоянный воздушный зазор, обычно используют преднагрузку, применяя один из четырёх основных методов:

· использование дополнительной массы

· использование двойного воздушного зазора

Самый простой метод заключается в использовании дополнительной массы (рис.6). Величина массы должна быть больше, чем ожидаемое изменение нагрузки на подшипник. Это приводит к тому, что воздушный зазор становится меньше, но более жёстким и устойчивым к внешнему воздействию со стороны нагрузки. Недостатком метода является необходимость добавления массы, однако его можно с успехом применять для систем, связанных с высокой нагрузкой (например, при инспектировании деталей или изделий). Кроме того, данный метод может быть использован в случае, если подшипник расположен горизонтально.

Рис.6 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием дополнительной массы

Второй метод связан с использованием вакуума. Вакуум применяется для образования силы преднагрузки в подшипнике. Это достигается путём выделения области между поверхностями компонентов подшипника, где образуется вакуум (рис.7). Уровень вакуума в одной области и нагнетаемое давление в другом сегменте подбираются таким образом, чтобы зазор между компонентами подшипника оставался. Использование вакуума повышает жёсткость подшипника и помогает поддерживать постоянный воздушный зазор, без добавления дополнительной движущейся массы. Недостатком этого метода является необходимость в обеспечении большой площади подшипника, а также вакуумного насоса.

Рис.7 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием вакуума

Третий метод основывается на применении магнита для создания прижимающей силы (рис.8). Магнитный материал располагается на неподвижной части подшипника, а магнит – на подвижной. Таким образом, создаётся сила преднагрузки, что повышает жёсткость системы. Этот метод хорошо подходит для линейных подшипников и является экономичным, так как не предполагает высоких требований к геометрической форме компонентов, как в случае с использованием дополнительной массы. Однако, поскольку многие воздушные подшипники изготовлены из немагнитных материалов, требуется использовать дополнительные материалы (к примеру, железо). Другим недостатком является то, что при высоких скоростях магнит генерирует вихревые токи в железе, которые добавляют силу сопротивления.

Рис.8 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием магнита

Последним методом является использование двойного воздушного зазора (рис.9). Данный метод используется в подшипниках, расположенных друг напротив друга. Этот метод обеспечивает вдвое большую жёсткость для одного воздушного подшипника, однако грузоподъёмность снижается почти наполовину. Данный метод применяется при изготавлении наиболее точных и надёжных подшипников. Поскольку при использовании данного метода задействованы два подшипника, имеет место эффект усреднения любых ошибок на каждом подшипнике, что повышает точность позиционирования в сравнении с другими методами, однако требует качественную прецизионную обработку поверхностей компонентов подшипников. Кроме того, при использовании данного метода подшипник может быть ориентирован произвольным образом.

Рис.9 Принципиальная схема метода преднагрузки воздушного подшипника с использованием двойного воздушного зазора

© Все использованные рисунки являются собственностью компаний: Physik Instrumente (PI) GmbH, Moxtek Inc. Все торговые марки являются собственностью соответствующих компаний-владельцев. Цитирование материалов сайта без ссылки на первоисточник запрещено.

Источник

Adblock
detector