Jedes mechanische Lager, egal wie gut es gebaut ist, hat irgendwo Kontakt - Kugeln gegen Laufringe, eine Welle gegen eine Buchse, Rollen gegen eine Schiene. Dieser Kontakt führt dazu, dass Präzisionsbewegungssysteme ihre Genauigkeit verlieren, und zwar auf eine Weise, die durch eine bessere Fertigung allein kaum zu beseitigen ist. Luftlager verfolgen einen völlig anderen Ansatz: Entfernen Sie den Kontakt, und Sie beseitigen die meisten damit verbundenen Fehlerquellen. Die Frage, die es wert ist, gestellt zu werden, ist nicht, ob das im Prinzip zutrifft -, es ist eindeutig -, sondern ob es tatsächlich wichtig genug ist, um die zusätzliche Komplexität und die zusätzlichen Kosten zu rechtfertigen.
Was herkömmliche Lager tatsächlich bekämpfen
Wälzlager-Elementlager - vom Kugel- oder Rollentyp - erreichen eine geringe Reibung durch gehärtete, präzise geschliffene Kontaktflächen, aber „geringe Reibung“ ist nicht „keine Reibung“ und die verbleibende Reibung ist nicht perfekt konstant. Die statische Reibung im Ruhezustand ist höher als die dynamische Reibung, sobald sich das Lager bewegt, ein Unterschied, der als Stick{4}}Slip bekannt ist, und zeigt sich jedes Mal, wenn eine Stufe aus dem Ruhezustand beginnt, als kleine, aber echte Positionierungsdiskontinuität. Bei der allgemeinen Bearbeitung ist diese Diskontinuität unsichtbar. Bei der Positionierung im Sub--Mikrometerbereich ist dies eine messbare Quelle für Wiederholgenauigkeitsfehler.
Auch Wälzlager-verschleißen. Bei jeder Umdrehung entsteht eine mikroskopische Kontaktspannung an der Kugellaufbahn-Grenzfläche, und über Millionen von Zyklen führt diese Spannung zu messbarem Verschleiß -, der die Vorspannung verändert, zu Spiel führt und die Wiederholgenauigkeit, die das Lager im Neuzustand hatte, allmählich verschlechtert. Schmierung hilft, beseitigt den Mechanismus aber nicht; Es hängt von der Funktionsweise des Lagers ab.
Was Luftlager strukturell verändern
Ein Luftlager trennt das bewegliche Element von seiner Referenzoberfläche durch einen dünnen, kontinuierlich unter Druck stehenden Luftfilm, der typischerweise einige Mikrometer dick ist. Es gibt keinen Rollkontakt, keinen Stick{1}}Slip-Übergang zwischen statischer und dynamischer Reibung und - vor allem - keinen Verschleißmechanismus durch die Lagerwirkung selbst, da es an einem Kontaktpunkt keinen physischen Kontakt gibt, der Spannungen erzeugt. Das bewegliche Element schwebt im Wesentlichen und wird eher durch Luftdruck als durch mechanischen Kontakt eingeschränkt.
Dies bringt zwei direkte Vorteile für die Präzisionsbewegung mit sich. Erstens wird die Reibung praktisch vernachlässigbar und bleibt über den gesamten Bewegungsbereich konstant, wodurch die Stick-{1}Rutsch-Diskontinuität beseitigt wird, die die Wiederholbarkeit rollender Elemente bei sehr feinen Positionierungsschritten einschränkt. Zweitens bleiben die Präzisionseigenschaften eines Luftlagers über die gesamte Betriebslebensdauer weitaus konstanter als die eines Wälzlagers, da es keinen Kontaktverschleiß gibt. - Dies ist ein bedeutender Vorteil für Geräte, von denen erwartet wird, dass sie die Kalibrierung über Jahre hinweg im Dauereinsatz halten.
Wo die Referenzfläche zum begrenzenden Faktor wird
Hier ist der Teil, der die Diskussion von „Luftlager vs. herkömmliche Lager“ zu etwas Spezifischerem ändert: Die Präzision eines Luftlagers selbst ist nur so gut wie die Referenzoberfläche, auf der es läuft. Die Konsistenz des Luftfilms hängt von der Ebenheit und Porosität dieser Oberfläche ab. - Jede Variation der Oberfläche führt direkt zu einer Steifigkeitsvariation und letztendlich zu einem Positionierungsfehler. Aus diesem Grund wird Granit so häufig als Referenzmaterial für verwendetLuftlagersystemekonkret und nicht nebensächlich für die Technologie.
Die feine, dicht gepackte Kristallstruktur von Granit bildet eine flache Referenzoberfläche mit geringer{0}Porosität, die über eine Arbeitsschicht hinweg formstabil, nicht-magnetisch und wirtschaftlich bei den größeren Oberflächen ist, die viele luftgelagerte XY-Tische und Linearmotorplattformen erfordern. Die Lagertechnologie und das Referenzmaterial sind in der Praxis keine getrennten Entscheidungen. - Ein gut konstruiertes Luftlager auf einer schlecht spezifizierten Referenzoberfläche ist schlechter als ein mittelmäßiges Lager auf einem hervorragenden.
Wo der Trade-Off tatsächlich landet
Nichts davon macht Luftlager zur richtigen Wahl für jede Anwendung, und es lohnt sich, das direkt zu sagen. Luftlager erfordern eine kontinuierliche, saubere und regulierte Luftversorgung -, eine Abhängigkeit, die bei herkömmlichen Lagern einfach nicht besteht, und die zu erheblichen Infrastruktur- und Betriebskosten führt. Die Tragfähigkeit pro Flächeneinheit ist im Allgemeinen geringer als bei einem entsprechenden Wälzlager, was bedeutet, dass Luftlagersysteme oft eine größere Lagerfläche benötigen, um die gleiche Last zu tragen. Für allgemeine -Zweckbewegungen, bei denen eine Wiederholgenauigkeit im Sub-Mikrometerbereich nicht die Antriebsanforderung ist, bleibt ein gut{7}}spezifiziertes Wälzelementsystem wirtschaftlicher und mechanisch einfacher.
Luftlager verdienen ihren Vorteil insbesondere bei Anwendungen, bei denen Stick{0}}Slip und langfristige-Abnutzung-bedingte Drift die tatsächlichen begrenzenden Faktoren sind - hochpräzise-Messtische, Handhabung von Halbleiterwafern, optische Ausrichtungssysteme und andere Anwendungen, bei denen die Wiederholbarkeit der Positionierung im Sub--Mikrometerbereich darüber entscheidet, ob das gesamte System den Spezifikationen entspricht.
Was Sie vor der Spezifikation eines Luftlagersystems überprüfen sollten
Für technische Einkäufer, die Luftlagersysteme bewerten, verdient die Referenzoberfläche ebenso viel Aufmerksamkeit wie die Lagerhardware selbst. Es lohnt sich, direkt nachzufragen: Welche Ebenheits- und Porositätsdaten stützen die angegebene Granit- oder Keramik-Referenzoberfläche, wie wird diese Ebenheit über den gesamten Arbeitsbereich anstelle eines Mustercoupons überprüft und ob der Lieferant über integrierte Erfahrung bei der Anpassung des Lagerpad-Designs an diese spezifische Referenzoberfläche verfügt, anstatt die beiden als unabhängig beschaffte Komponenten zu behandeln. Wir bearbeiten Granit-Referenzflächen für Luftlageranwendungen als Teil unserer Präzisions-Granit-Linie, und die praktischen Lehren aus dieser Arbeit sind konsistent: - Das Lager erhält in der Spezifikationsdiskussion die Aufmerksamkeit, aber die Oberfläche, auf der es läuft, ist genauso oft der eigentliche begrenzende Faktor für die Systemleistung.