Wenn ein Koordinatenmessgerät ohne sichtbaren Kontakt, ohne Schmiermittel und ohne Ruckgleiten über seinen Verfahrweg gleitet, läuft es mit ziemlicher Sicherheit auf einem Luftlager, und bei den meisten Präzisionsmaschinen besteht die Oberfläche, auf der es läuft, aus Granit. Die Kombination aus geläpptem Granit und Druckluft ist die ruhige Grundlage moderner Messgeräte, Halbleitertische und Linearmotorplattformen. Dieser Leitfaden erklärt, wie ein Granit-Luftlager funktioniert, warum Granit in den meisten Anwendungen Keramik vorzuziehen ist, wie Tragfähigkeit und Steifigkeit bestimmt werden, was die Luftversorgung erfordert und wie man ein Luftlager mit einer praktischen Auswahl-Checkliste auswählt.
So funktioniert die Luftlagerführung
Ein Luftlager ersetzt den festen Gleitkontakt durch einen dünnen Druckluftfilm, der typischerweise einige Mikrometer bis einige zehn Mikrometer dick ist. Luft wird durch kleine Öffnungen oder einen porösen Bereich im Lagerpolster zugeführt, breitet sich im Spalt zwischen Polster und Führungsfläche aus und entweicht an den Rändern. Der Druck im Inneren der Folie trägt die Last, sodass der Schlitten schwebt, anstatt sich zu berühren. Da es keinen Metall-zu-Metall-Kontakt gibt, gibt es keine Haftreibung, die zu Beginn der Bewegung überwunden werden muss, keine Verschleißpartikel und kein Schmiermittel, das Staub anzieht oder in einem Reinraum verdunstet.
Zwei Eigenschaften der Folie sind ebenso wichtig wie die Last, die sie trägt. Die erste ist die Mittelwertbildung: Der Film überbrückt mikroskopische Höhen und Tiefen auf der Führungsoberfläche und filtert kurzwellige Fehler, sodass die Nutzlast eine viel glattere Flugbahn als das rohe Oberflächenprofil sieht. Das zweite ist die Dämpfung: Der Luftfilm leitet Schwingungsenergie ab, was die natürliche Dämpfung von Granit selbst ergänzt. Zusammen erzeugen diese Effekte eine Bewegung mit einer Geradheit im Submikrometerbereich und einer Auflösung im Nanometerbereich, was genau das ist, was CMM-Luftlagertische und optische Inspektionssysteme erfordern.
Warum Granit statt Stahl oder Keramik
Die Führungsfläche ist die Hälfte des Luftlagersystems und ihre Qualität entscheidet über das Ganze. Granit bringt drei Vorteile mit sich. Es kann über große Flächen routinemäßig im Mikrometerbereich auf hervorragende Ebenheit geläppt werden, was dem Luftfilm einen stabilen und vorhersehbaren Spalt verleiht. Es verfügt über eine hohe innere Dämpfung, so dass die kombinierte Struktur nicht so klingelt wie ein Stahlrohr. Und es ist formstabil: Seine Wärmeausdehnung beträgt nur einen Bruchteil von Stahl und es korrodiert nicht, so dass die Spaltgeometrie jahrelange Temperaturwechsel und feuchte Reinraumluft ohne Nachbearbeitung übersteht.
Keramikführungen, typischerweise Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid, kommen in einigen Maschinen vor und weisen echte Stärken auf. Sie sind härter als Granit, tolerieren höhere Kontaktbelastungen bei der Verwendung von Hybrid-Ball-Air-Systemen und können bei gleicher Steifigkeit in bestimmten Geometrien leichter sein. In der Praxis kommt es auf die Anwendung an. Bei den meisten KMG- und Messplattformen ist Granit hinsichtlich der Kosten pro Genauigkeitseinheit, des verfügbaren Größenbereichs und der Reparierbarkeit von Vorteil, da eine verschlissene oder beschädigte Granitführung an Ort und Stelle neu geläppt werden kann, während bei einer Keramikführung in der Regel die gesamte Komponente ausgetauscht werden muss. Keramik verdient ihre Prämie in der Regel dort, wo extreme Härte, aggressive Umgebungen oder sehr hohe Beschleunigungen vorherrschen.
Belastbarkeit und Steifigkeit
Die Tragfähigkeit eines Luftlagers ist einfach der integrierte Druck der Folie über den Polsterbereich, verringert durch das Druckprofil zwischen Versorgung und Kante. Ein grober praktischer Leitfaden: Mit typischen Versorgungsdrücken um 4 bis 6 bar und effizienten Pad-Designs ist ein effektiver Foliendruck im Bereich von 1,5 bis 3 bar über die Pad-Fläche erreichbar, sodass ein Pad von 50 x 100 mm mit Spielraum in der Größenordnung von 75 bis 150 kg trägt. Multi-Pad-Wagen erhöhen die Kapazität direkt.
Die Steifigkeit ist die Änderung des Spalts pro Laständerungseinheit und sorgt dafür, dass die Nutzlast beim Verschieben der Last nicht in Richtung der Führung durchhängt. Die Filmsteifigkeit steigt mit dem Versorgungsdruck und bei einem kleineren Konstruktionsspalt, aber ein zu kleiner Spalt macht das Lager empfindlich gegenüber Oberflächenebenheitsfehlern und Partikeln. Gut konstruierte Lager auf geläpptem Granit liegen im Mittelfeld und vereinen sinnvolle Steifigkeit mit Toleranz gegenüber realer Oberflächenqualität. Wenn Sie Lieferanten vergleichen, fragen Sie nach der Last-Spalt-Kurve und der Filmsteifigkeit bei Ihrer Betriebslast, nicht nur nach der maximalen Lastzahl, denn ein Lager, das bei leichter Last hoch schwimmt und bei schwerer Last abtaucht, wird dies in Ihren Geradheitsdaten anzeigen.
Anforderungen an Luftfilmspalt und Luftversorgung
Der Designspalt wird so gewählt, dass er der Ebenheit der Führung und der Reinheit der Luft entspricht. Größere Lücken verzeihen Oberflächenfehler und Partikel, verringern aber die Steifigkeit; Präzisionsmaschinen erzeugen in geläpptem Granit üblicherweise Lücken von etwa 5 bis 12 Mikrometern. Aus diesem Grund wird die Ebenheit der Führung so streng spezifiziert: Der Film kann nur Fehler mitteln, die im Verhältnis zu seiner eigenen Dicke gering sind.
Die Luftversorgung benötigt die gleiche Sorgfalt. Typische Anforderungen sind saubere, trockene Luft mit 4 bis 8 bar, gefiltert auf 0,1 Mikrometer oder besser für Präzisionsarbeiten, mit einem Taupunkt, der niedrig genug ist, um Kondensation in den Leitungen zu verhindern, üblicherweise unter 10 °C bei Leitungsdruck. Öl ist der Feind: Selbst Spuren von Ölnebel wandern irgendwann in den Film und lagern sich auf der Führung ab. Daher sind ölfreie Kompressoren oder Koaleszenz- und Kohlefilter Standard. Regler und Behälter sollten so dimensioniert sein, dass der Verbrauch konstant bleibt, da Druckschwankungen direkt als Bewegungswellen auf der Bühne auftreten. Der Verbrauch hängt von der Größe und dem Abstand der Pads ab und reicht von einigen Litern pro Minute bei kleinen Pads bis weit über hundert bei großen Multi-Pad-Wagen. Daher sollte der Vorrat auf die Gesamtmenge ausgelegt sein, mit Redundanz oder einem Akkumulator, bei dem ein unerwartetes Abschalten dazu führen würde, dass sich die Maschine auf ihren Führungen absetzt.
Wo Granit-Luftlager verwendet werden
Die gleiche Physik bedient mehrere Maschinenfamilien, und die Schwerpunkte sind bei jeder unterschiedlich.
| Anwendung | Was das Luftlager bewirkt | Warum Granit passt |
| KMG und Messmaschinen | Trägt den Sondenschlitten mit reibungsloser, wiederholbarer Bewegung auf X- und Y-Schienen | Die geläppte Ebenheit und Dämpfung sorgen für eine Geradheit im Submikrometerbereich über lange Verfahrwege |
| Messsysteme | Bietet driftfreie Referenzbewegung für optische und taktile Sensoren | Durch die thermische Stabilität bleibt die Kalibrierung zwischen erneuten Überprüfungen gültig |
| XY-Tische | Unterstützt Nutzlasten auf planaren Multi-Pad-Layouts mit Laufwerken mit Nanometer-Auflösung | Hohe Steifigkeit kombiniert mit hervorragender Ebenheit über große Platten hinweg |
| Linearmotorplattformen | Ersetzt mechanische Führungen, bei denen der Kontakt zu Wellen und Partikeln führen würde | Nicht magnetisch, sauber und kompatibel mit Profilen mit hoher Beschleunigung |
| Halbleiter-Inspektionsausrüstung | Positioniert Wafer und Sensoren, ohne dass Abrieb entsteht | Kein Schmiermittel, keine Partikel, stabil unter Reinraumbedingungen |
Eine praktische Auswahl-Checkliste
Bevor Sie ein Angebot anfordern, gehen Sie sechs Punkte durch. Die Vorbereitung dauert eine Stunde und erspart wochenlange Iterationen.
Last: Geben Sie die Masse der Nutzlast, ihren Schwerpunktversatz und ob die Last konstant ist oder sich während des Zyklus ändert, an. Dazu gehören auch die Vorspannrichtung und die dynamischen Kräfte von Motoren und Kabeln.
Hub und Hüllkurve: Geben Sie den erforderlichen Hub in jeder Achse, den verfügbaren Platz sowie die Position der Festanschläge und der Kabelführung an. Die Führungslänge legt die Anzahl und den Abstand der Lagerpolster fest.
Genauigkeitsanforderungen: Drücken Sie sie als Geradheit, Ebenheit des zurückgelegten Wegs, Nicken, Rollen und Gieren über den gesamten Hub sowie Wiederholbarkeit aus. Die Zahlen bestimmen hier die Läppspezifikation des Granit-Leitfadens.
Luftversorgung: Überprüfen Sie den verfügbaren Druck, den Taupunkt und die Filterung am Maschineneinlass und ob die Leitung mit anderen Geräten geteilt wird, die Druckabfälle verursachen könnten.
Umgebung: Temperaturbereich und -stabilität, Luftfeuchtigkeit, Vibration des Bodens und ggf. Reinraumklasse. Diese entscheiden über die Materialqualität, die Spaltgröße und darüber, ob Isolationshalterungen erforderlich sind.
Montageschnittstelle: Stellen Sie Zeichnungen zur Verfügung, die zeigen, was am Schlitten befestigt wird und was die Führung trägt, einschließlich der Einsatzpositionen, damit die Granitkomponente montagefertig ankommt und nach der Lieferung keine Bohrungen vor Ort erforderlich sind.
Installation, Reinigung und Wartung
Ein Luftlagersystem ist nahezu wartungsfrei, aber ein paar Gewohnheiten schützen es. Halten Sie die Führungsfläche im Ruhezustand abgedeckt, um Schmutz und versehentlichen Kontakt zu verhindern. Reinigen Sie geläppten Granit mit einem milden Reinigungsmittel oder Isopropylalkohol und einem fusselfreien Tuch. Vermeiden Sie aggressive alkalische Reiniger, die die Oberfläche über Jahre hinweg stumpf machen können. Schieben Sie niemals einen Schlitten auf einer trockenen Führung, ohne dass die Luft abgeschaltet ist, da bereits ein Startstopp unter Last eine flache Stelle auf der Unterlage hinterlassen kann. Verwenden Sie die in die Maschine integrierten Hub- oder Ausgleichsfunktionen. Überprüfen Sie Filter und Regler regelmäßig und beobachten Sie die Spaltwerte, sofern die Maschine diese liefert, da ein langsam kleiner werdender Spalt oft auf Filteralterung oder Oberflächenverschmutzung hinweist, lange bevor es zu einem Fehler kommt. Mit diesen Gewohnheiten kann die Granitführung nach vielen Betriebsjahren erneut geläppt werden und die Leistung des Systems wiederhergestellt werden, was einer der stillen wirtschaftlichen Vorteile der Technologie ist.
Beginnen Sie mit Ihrer Ladung und Reise
Wenn Sie einen CMM-Luftlagertisch, eine Messplattform oder eine kundenspezifische Linearmotormaschine spezifizieren, senden Sie uns die obige Checkliste oder einfach die Last-, Weg-, Genauigkeitsziele und Schnittstellenzeichnungen. Wir fertigenGranit-LuftlagerKomponenten und passende geläppte Führungen im eigenen Haus und bei unsMessgerät aus GranitDie Linie umfasst die Schienen, Wagen und Sockel, auf denen sie laufen. Unsere Ingenieure prüfen Ihre Anforderungen, empfehlen das Pad-Layout, die Spaltklasse und die Ebenheit der Führung und senden Ihnen ein Angebot mit Lieferzeit zu, normalerweise innerhalb weniger Arbeitstage. Die kundenspezifische Fertigung nach Ihrer Zeichnung ist bei uns Standard und die Zeichnungsprüfung ist kostenlos.