pengenalan
Antara teknologi yang membolehkan di sebalik sistem gerakan ultra-kepersisan, hanya sedikit yang elegan pada dasarnya atau menuntut dalam pelaksanaan seperti galas udara. Ditemui di tengah-tengahalat pemeriksaan semikonduktor, mesin pengukur koordinat ketepatan,-instrumen metrologi ketepatan tinggi dan peralatan pembuatan termaju, galas udara memungkinkan tahap kelancaran pergerakan dan ketepatan kedudukan yang tidak dapat dipadankan oleh galas elemen bergolek-konvensional.
Artikel ini menerangkan apa itu galas udara, cara ia berfungsi, jenis yang wujud, dan sebab permukaan yang mereka tunggangi adalah penting seperti galas itu sendiri.
Prinsip Asas
Galas udara, dalam bentuk paling asasnya, ialah peranti yang menyokong beban pada filem nipis gas bertekanan - hampir selalu udara, walaupun gas lain mungkin digunakan dalam aplikasi khusus. Filem gas ini, biasanya setebal 5 hingga 20 mikrometer semasa operasi, memisahkan secara fizikal permukaan bergerak dan pegun. Kerana tiada sentuhan pepejal, tiada geseran mekanikal dalam erti kata tradisional.
Ketiadaan geseran ini mempunyai akibat praktikal yang mendalam. Galas elemen bergolek -konvensional - galas bebola, galas roller, galas jarum - semuanya mempamerkan kesan geseran yang nyata sebagai-kelakuan gelincir, penjanaan haba, haus dan pengenalan ralat kedudukan yang kecil tetapi nyata. Kesan ini, walaupun boleh diurus dalam kebanyakan aplikasi kejuruteraan, tidak boleh diterima dalam sistem di mana kebolehulangan kedudukan mesti dikawal ke tahap nanometer.
Peringkat galas udara boleh mencapai kebolehulangan lebih baik daripada 10 nm dalam keadaan yang sesuai, dan kelancaran pergerakannya membolehkan instrumen sensitif beroperasi tanpa -getaran mikro yang selalu diperkenalkan oleh galas bergolek.
Jenis-jenis Galas Udara
Galas udara dibahagikan kepada dua kategori utama berdasarkan bagaimana filem udara bertekanan dijana: aerostatik dan aerodinamik.
Galas aerostatik (jenis yang digunakan dalam instrumen ketepatan dan aplikasi semikonduktor) bergantung pada udara bertekanan yang dibekalkan secara luaran. Udara dipaksa melalui orifis kecil atau media berliang di permukaan galas, mewujudkan zon bertekanan antara galas dan permukaan rujukannya. Jurang kelegaan, dan oleh itu kapasiti beban dan kekakuan, ditentukan oleh tekanan bekalan, geometri orifis, dan jurang itu sendiri. Galas aerostatik boleh menyokong beban walaupun pada halaju sifar, menjadikannya sesuai untuk peringkat ketepatan yang mesti memegang kedudukan dengan tepat serta bergerak dengan lancar.
Galas aerodinamik bergantung pada gerakan relatif antara permukaan untuk menghasilkan filem udara - pada asasnya prinsip yang sama seperti galas minyak hidrodinamik. Kerana ia memerlukan gerakan untuk menjana filem, ia kurang berguna untuk aplikasi penentududukan ketepatan yang memerlukan sokongan beban statik.
Dalam galas aerostatik, terdapat lagi perbezaan berdasarkan reka bentuk salur masuk udara: jenis-orifis (di mana udara masuk melalui satu atau beberapa lubang ketepatan), jenis-liang (di mana udara masuk melalui media tersinter atau berliang dengan banyak-laluan mikro yang diedarkan), dan jenis alur-(di mana saluran bertekanan). Galas udara berliang biasanya menawarkan kekakuan tertinggi dan pengagihan tekanan paling lancar.
Permukaan Rujukan: Mengapa Granit
Galas udara hanya sebaik permukaan yang ditungganginya. Galas terapung pada celah 5–20 µm; sebarang gelombang atau sisihan dalam permukaan rujukan yang menghampiri dimensi ini akan mengganggu jurang, menukar kekakuan galas secara setempat dan memperkenalkan ralat gerakan.
Untuk peringkat galas udara linear dengan julat perjalanan 500 mm, spesifikasi kerataan untuk permukaan rujukan mungkin 1–3 µm sepanjang panjang penuh. Untuk mencapai ini memerlukan gabungan pengisaran ketepatan, lap halus dan pengesahan dengan instrumen ukuran yang boleh dikesan.
Granit ialah pilihan dominan untuk permukaan rujukan galas udara atas beberapa-sebab yang telah ditetapkan. Kekerasannya (Mohs 6–7) tahan haus daripada sentuhan tidak sengaja sekali-sekala. Wataknya yang tidak-magnet, tidak-reaktif mengelakkan gangguan dengan penderia yang digunakan dalam peringkat ketepatan. Ciri termanya - pekali pengembangan yang rendah, kekonduksian haba yang baik - membantu mengekalkan kestabilan dimensi semasa operasi. Dan secara kritikal, granit boleh disapu ke tahap kerataan yang diperlukan oleh aplikasi galas udara.
Spesifikasi kekasaran permukaan untuk permukaan laluan pandu galas udara ketepatan biasanya Ra Kurang daripada atau sama dengan 0.1 µm (100 nm), dan dalam sesetengah aplikasi Ra Kurang daripada atau sama dengan 0.05 µm. Ini ialah cermin-permukaan licin yang memerlukan bukan sahaja peralatan ketepatan tetapi pemprosesan mahir.
Kekakuan, Redaman dan Kapasiti Beban
Prestasi kejuruteraan bagi galas udara dicirikan oleh tiga parameter utama: kekakuan, redaman, dan kapasiti beban.
Kekakuan, dinyatakan dalam N/µm, menerangkan berapa banyak daya yang diperlukan untuk memesongkan bearing dengan satu mikrometer. Kekakuan yang tinggi adalah wajar untuk ketepatan kedudukan, kerana daya gangguan (daripada perubahan muatan, daya motor atau getaran) menghasilkan ralat kedudukan yang lebih kecil. Galas aerostatik boleh mencapai nilai kekukuhan puluhan hingga ratusan N/µm bergantung pada saiz dan tekanan bekalan.
Redaman dalam galas udara sememangnya lebih rendah daripada galas hidrostatik minyak, kerana udara mempunyai kelikatan yang jauh lebih rendah. Ini boleh menjadikan peringkat galas udara-terdedah kepada resonans apabila teruja oleh getaran luaran atau gerakan pantas. Pereka sistem menangani perkara ini melalui reka bentuk mekanikal yang teliti dan platform pengasingan getaran aktif.
Kapasiti beban ditetapkan oleh kawasan galas dan tekanan bekalan. Galas udara secara amnya lebih terhad dalam kapasiti beban seunit luas berbanding galas minyak atau magnet, yang bermaksud ia paling sesuai untuk aplikasi yang muatan muatannya-ditakrifkan dan boleh diurus dengan baik - seperti dalam peringkat instrumen - berbanding aplikasi alat mesin berat.
Aplikasi Merentasi Industri Ketepatan
Landskap aplikasi untuk galas udara merangkumi mana-mana industri yang memerlukan gerakan lancar, tepat dan boleh berulang.
Dalam peralatan semikonduktor, peringkat galas udara digunakan dalam pemeriksaan wafer, kedudukan photomask, sistem tulis-langsung laser dan metrologi pancaran elektron. Kerataan permukaan laluan pandu granit di mana peringkat ini beroperasi secara langsung mempengaruhi ketepatan kedudukan yang boleh dicapai oleh sistem.
Dalam mesin pengukur koordinat (CMM), galas udara membenarkan probe pengukur merentasi isipadu pengukuran dengan lancar, tanpa memperkenalkan getaran yang akan mengganggu probe sentuhan sensitif atau sensor pengimbasan. CMM berketepatan tinggi-menggunakan jadual granit sebagai rujukan datum dan sebagai permukaan galas untuk paksi-udaranya yang disokong.
Dalam instrumen optik ketepatan - interferometer, teleskop, spektrometer - jadual putar galas udara membenarkan putaran dengan-ralat habis di bawah 50 nm, membolehkan kedudukan sudut dan pengukuran permukaan yang mustahil dengan galas mekanikal.
Dalam-peringkat penentududukan nano untuk penyelidikan dan pembuatan lanjutan, galas udara menyediakan platform gerakan bebas-licin, geseran yang membolehkan elemen penentududukan halus-piezoelektrik berfungsi dengan berkesan, tanpa kayu-kesan gelinciran galas mekanikal yang sebaliknya akan mendominasi pada amplitud gerakan kecil.
Pertimbangan Integrasi
Melaksanakan galas udara dengan jayanya memerlukan perhatian kepada beberapa faktor tahap-sistem. Bekalan udara mesti ditapis untuk mengeluarkan zarah yang boleh merosakkan jurang galas, dikawal untuk mengekalkan tekanan yang stabil, dan dikeringkan untuk menghilangkan lembapan yang boleh menyebabkan kakisan pada permukaan ketepatan. Keperluan penapisan biasa ialah penyingkiran zarah sub-mikron dan titik embun jauh di bawah suhu operasi.
Sistem struktur yang menyokong galas udara mestilah cukup tegar supaya daya luaran tidak mencacatkan permukaan rujukan atau perumahan galas. Inilah sebabnya mengapa peringkat galas udara dalam peralatan ketepatan hampir selalu dipasang pada struktur tuangan granit atau tuangan mineral yang besar dan{1}}lembap dengan baik.
Persekitaran bilik bersih di mana sistem galas udara ketepatan sering beroperasi juga mempengaruhi pilihan reka bentuk. Keperluan gas keluar, kawalan pencemaran dan keserasian dengan bahan bilik bersih dan prosedur pembersihan semuanya memainkan peranan dalam reka bentuk sistem galas udara untuk aplikasi pembuatan semikonduktor dan optik.
Kesimpulan
Galas udara mewakili salah satu teknologi yang paling canggih dalam kejuruteraan ketepatan - pada dasarnya mudah menipu, menuntut dalam pelaksanaan. Keupayaan mereka untuk mencapai-gerakan bebas geseran, kebolehulangan tahap- nanometer, dan kelancaran yang luar biasa menjadikannya amat diperlukan dalam aplikasi penentududukan yang paling mencabar dalam pembuatan semikonduktor, metrologi ketepatan dan instrumentasi saintifik.
Permukaan granit di mana ia beroperasi bukanlah substrat pasif - ia adalah komponen kejuruteraan dengan ketepatan-sendiri, dengan spesifikasi kerataan, kekasaran dan kestabilan yang mesti dipenuhi dan dikekalkan sepanjang hayat operasi sistem. Memahami kedua-dua galas dan permukaan rujukannya sebagai elemen kejuruteraan bersepadu adalah penting bagi sesiapa yang mereka bentuk atau menentukan sistem gerakan ultra{3}}kepersisan.