परिचय
अति सटीक गति प्रणालियों के पीछे सक्षम प्रौद्योगिकियों में से, कुछ सैद्धांतिक रूप से उतनी ही सुंदर हैं या कार्यान्वयन में एयर बेयरिंग जितनी मांग वाली हैं। के हृदय में पाया गयाअर्धचालक निरीक्षण उपकरण, सटीक समन्वय मापने वाली मशीनें, उच्च सटीकता मेट्रोलॉजी उपकरण, और उन्नत विनिर्माण उपकरण, वायु बीयरिंग गति की चिकनाई और स्थिति सटीकता के संभावित स्तर बनाते हैं जो पारंपरिक रोलिंग तत्व बीयरिंग आसानी से मेल नहीं खा सकते हैं।
यह लेख बताता है कि एयर बियरिंग क्या हैं, वे कैसे काम करते हैं, किस प्रकार के होते हैं, और जिस सतह पर वे चलते हैं वह बियरिंग जितनी ही मायने रखती है।
मौलिक सिद्धांत
एयर बेयरिंग, अपने सबसे बुनियादी रूप में, एक ऐसा उपकरण है जो दबाव वाली गैस - की एक पतली फिल्म पर भार का समर्थन करता है, लगभग हमेशा हवा, हालांकि अन्य गैसों का उपयोग विशेष अनुप्रयोगों में किया जा सकता है। ऑपरेशन के दौरान आमतौर पर 5 से 20 माइक्रोमीटर मोटी यह गैस फिल्म चलती और स्थिर सतहों को भौतिक रूप से अलग करती है। चूँकि कोई ठोस संपर्क नहीं है, पारंपरिक अर्थों में कोई यांत्रिक घर्षण नहीं है।
घर्षण की इस अनुपस्थिति के गहरे व्यावहारिक परिणाम होते हैं। पारंपरिक रोलिंग {{1}तत्व बियरिंग्स - बॉल बियरिंग्स, रोलर बियरिंग्स, सुई बियरिंग्स - सभी घर्षण प्रभाव प्रदर्शित करते हैं जो स्टिक व्यवहार, गर्मी उत्पादन, घिसाव और छोटी लेकिन वास्तविक स्थिति त्रुटियों की शुरूआत के रूप में प्रकट होते हैं। ये प्रभाव, जबकि अधिकांश इंजीनियरिंग अनुप्रयोगों में प्रबंधनीय हैं, उन प्रणालियों में अस्वीकार्य हैं जहां स्थितीय दोहराव को नैनोमीटर स्तर तक नियंत्रित किया जाना चाहिए।
एक एयर बेयरिंग चरण उपयुक्त परिस्थितियों में 10 एनएम से बेहतर दोहराव प्राप्त कर सकता है, और इसकी गति की सहजता संवेदनशील उपकरणों को सूक्ष्म कंपन के बिना संचालित करने की अनुमति देती है जो रोलिंग बीयरिंग हमेशा पेश करते हैं।
एयर बियरिंग्स के प्रकार
दबाव वाली वायु फिल्म कैसे उत्पन्न होती है, इसके आधार पर एयर बियरिंग्स को दो प्रमुख श्रेणियों में विभाजित किया गया है: एयरोस्टैटिक और एयरोडायनामिक।
एयरोस्टैटिक बीयरिंग (सटीक उपकरण और अर्धचालक अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाने वाला प्रकार) बाहरी रूप से आपूर्ति की गई दबाव वाली हवा पर निर्भर करते हैं। हवा को असर सतह में छोटे छिद्रों या छिद्रपूर्ण मीडिया के माध्यम से मजबूर किया जाता है, जिससे असर और इसकी संदर्भ सतह के बीच एक दबाव क्षेत्र बनता है। क्लीयरेंस गैप, और इसलिए भार क्षमता और कठोरता, आपूर्ति दबाव, छिद्र ज्यामिति और गैप द्वारा ही निर्धारित की जाती है। एयरोस्टैटिक बीयरिंग शून्य वेग पर भी भार का समर्थन कर सकते हैं, जिससे वे सटीक चरणों के लिए उपयुक्त हो जाते हैं, जिन्हें स्थिति को सटीक रूप से बनाए रखना चाहिए और साथ ही सुचारू रूप से चलना चाहिए।
वायुगतिकीय बीयरिंग वायु फिल्म - उत्पन्न करने के लिए सतहों के बीच सापेक्ष गति पर निर्भर करते हैं जो अनिवार्य रूप से हाइड्रोडायनामिक तेल बीयरिंग के समान सिद्धांत है। क्योंकि उन्हें फिल्म उत्पन्न करने के लिए गति की आवश्यकता होती है, वे सटीक स्थिति निर्धारण अनुप्रयोगों के लिए कम उपयोगी होते हैं जहां स्थैतिक लोड समर्थन की आवश्यकता होती है।
एयरोस्टैटिक बियरिंग्स के भीतर, एयर इनलेट डिज़ाइन के आधार पर और भी भेद हैं: छिद्र प्रकार (जहां हवा एक या कुछ सटीक छिद्रों के माध्यम से प्रवेश करती है), झरझरा प्रकार (जहां हवा कई वितरित सूक्ष्म मार्ग के साथ एक पापी या छिद्रित मीडिया के माध्यम से प्रवेश करती है), और नाली प्रकार (जहां दबाव वाले चैनल हवा को वितरित करते हैं)। छिद्रपूर्ण वायु बीयरिंग आम तौर पर उच्चतम कठोरता और सबसे सहज दबाव वितरण प्रदान करते हैं।
संदर्भ सतह: ग्रेनाइट क्यों
एक एयर बेयरिंग केवल उतनी ही अच्छी होती है जितनी सतह पर वह चलती है। बेयरिंग 5-20 µm के अंतराल पर तैरता है; संदर्भ सतह में कोई भी लहर या विचलन जो इस आयाम तक पहुंचता है, अंतर को परेशान करेगा, स्थानीय स्तर पर असर की कठोरता को बदल देगा और गति त्रुटि उत्पन्न करेगा।
500 मिमी की यात्रा सीमा के साथ एक रैखिक वायु असर चरण के लिए, संदर्भ सतह के लिए समतलता विनिर्देश पूरी लंबाई पर 1-3 µm हो सकता है। इसे प्राप्त करने के लिए सटीक पीसने, बारीक लैपिंग और ट्रेस करने योग्य माप उपकरणों के साथ सत्यापन के संयोजन की आवश्यकता होती है।
कई सुस्थापित कारणों से वायु वाहक संदर्भ सतहों के लिए ग्रेनाइट प्रमुख विकल्प है। इसकी कठोरता (Mohs 6-7) कभी-कभार अनजाने संपर्क से घिसाव का प्रतिरोध करती है। इसका गैर-{5}}चुंबकीय, गैर-{6}}प्रतिक्रियाशील चरित्र सटीक चरणों में उपयोग किए जाने वाले सेंसर के साथ हस्तक्षेप से बचाता है। इसकी तापीय विशेषताएँ - कम विस्तार गुणांक, अच्छी ऊष्मा चालकता - ऑपरेशन के दौरान आयामी स्थिरता बनाए रखने में मदद करती हैं। और गंभीर रूप से, ग्रेनाइट को समतलता के स्तर पर लेपित किया जा सकता है जो वायु असर अनुप्रयोगों की मांग है।
एक सटीक वायु असर गाइडवे सतह के लिए सतह खुरदरापन विनिर्देश आमतौर पर 0.1 µm (100 एनएम) से कम या उसके बराबर Ra होता है, और कुछ अनुप्रयोगों में Ra 0.05 µm से कम या उसके बराबर होता है। ये दर्पण जैसी चिकनी सतहें हैं जिनके लिए न केवल सटीक उपकरण बल्कि कुशल प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है।
कठोरता, भिगोना और भार क्षमता
एयर बेयरिंग के इंजीनियरिंग प्रदर्शन को तीन प्रमुख मापदंडों द्वारा दर्शाया जाता है: कठोरता, भिगोना और भार क्षमता।
N/µm में व्यक्त कठोरता बताती है कि एक माइक्रोमीटर द्वारा बेयरिंग को विक्षेपित करने के लिए कितने बल की आवश्यकता होती है। स्थिति सटीकता के लिए उच्च कठोरता वांछनीय है, क्योंकि अशांति बल (पेलोड परिवर्तन, मोटर बल या कंपन से) छोटी स्थितिगत त्रुटियां उत्पन्न करते हैं। एयरोस्टैटिक बीयरिंग आकार और आपूर्ति दबाव के आधार पर दसियों से सैकड़ों N/µm की कठोरता मान प्राप्त कर सकते हैं।
तेल हाइड्रोस्टेटिक बियरिंग्स की तुलना में एयर बियरिंग्स में नमी स्वाभाविक रूप से कम होती है, क्योंकि हवा में चिपचिपाहट बहुत कम होती है। यह बाहरी कंपन या तीव्र गति से उत्तेजित होने पर वायु वाहक चरणों को प्रतिध्वनि के प्रति संवेदनशील बना सकता है। सिस्टम डिज़ाइनर सावधानीपूर्वक यांत्रिक डिज़ाइन और सक्रिय कंपन अलगाव प्लेटफार्मों के माध्यम से इसका समाधान करते हैं।
भार क्षमता असर क्षेत्र और आपूर्ति दबाव द्वारा निर्धारित की जाती है। एयर बियरिंग आम तौर पर तेल या चुंबकीय बियरिंग की तुलना में प्रति यूनिट क्षेत्र में भार क्षमता में अधिक सीमित होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे उन अनुप्रयोगों के लिए सबसे उपयुक्त हैं जहां पेलोड अच्छी तरह से परिभाषित और प्रबंधनीय है - जैसे कि भारी मशीन टूल अनुप्रयोगों के बजाय उपकरण चरण - में।
परिशुद्धता उद्योगों में अनुप्रयोग
एयर बेयरिंग के लिए अनुप्रयोग परिदृश्य किसी भी उद्योग तक फैला हुआ है, जिसमें सुचारू, सटीक और दोहराने योग्य गति की आवश्यकता होती है।
सेमीकंडक्टर उपकरण में, एयर बेयरिंग चरणों का उपयोग वेफर निरीक्षण, फोटोमास्क पोजिशनिंग, लेजर डायरेक्ट राइट सिस्टम और इलेक्ट्रॉन बीम मेट्रोलॉजी में किया जाता है। ग्रेनाइट गाइडवे सतह की समतलता जिस पर ये चरण संचालित होते हैं, सिस्टम द्वारा प्राप्त की जाने वाली स्थिति सटीकता को सीधे प्रभावित करती है।
समन्वय मापने वाली मशीनों (सीएमएम) में, वायु बीयरिंग मापने वाली जांच को कंपन उत्पन्न किए बिना माप मात्रा को आसानी से पार करने की अनुमति देती है जो संवेदनशील स्पर्श जांच या स्कैनिंग सेंसर को परेशान करेगी। उच्च सटीकता वाले सीएमएम ग्रेनाइट तालिकाओं का उपयोग डेटाम संदर्भ के रूप में और उनके वायु समर्थित अक्षों के लिए असर सतह के रूप में करते हैं।
सटीक ऑप्टिकल उपकरणों में - इंटरफेरोमीटर, टेलीस्कोप, स्पेक्ट्रोमीटर - एयर बेयरिंग रोटरी टेबल 50 एनएम से नीचे रनआउट त्रुटियों के साथ रोटेशन की अनुमति देते हैं, कोणीय स्थिति और सतह माप को सक्षम करते हैं जो यांत्रिक बीयरिंग के साथ असंभव होगा।
अनुसंधान और उन्नत विनिर्माण के लिए नैनो {{0}पोजिशनिंग चरणों में, एयर बियरिंग चिकनी, घर्षण मुक्त गति मंच प्रदान करते हैं जो पीजोइलेक्ट्रिक फाइन पोजिशनिंग तत्वों को प्रभावी ढंग से काम करने की अनुमति देता है, बिना यांत्रिक बियरिंग्स के स्टिक {3}स्लिप प्रभाव के जो अन्यथा छोटे गति आयामों पर हावी होते हैं।
एकीकरण संबंधी विचार
एयर बेयरिंग को सफलतापूर्वक लागू करने के लिए कई सिस्टम स्तर के कारकों पर ध्यान देने की आवश्यकता होती है। हवा की आपूर्ति को उन कणों को हटाने के लिए फ़िल्टर किया जाना चाहिए जो बेयरिंग गैप को नुकसान पहुंचा सकते हैं, स्थिर दबाव बनाए रखने के लिए विनियमित किया जाना चाहिए, और नमी को हटाने के लिए सुखाया जाना चाहिए जो सटीक सतहों पर जंग का कारण बन सकता है। विशिष्ट निस्पंदन आवश्यकताएँ माइक्रोन कण हटाने और ऑपरेटिंग तापमान से काफी नीचे ओस बिंदु हैं।
वायु असर का समर्थन करने वाली संरचनात्मक प्रणाली इतनी कठोर होनी चाहिए कि बाहरी ताकतें संदर्भ सतह या असर आवास को विकृत न करें। यही कारण है कि सटीक उपकरणों में वायु असर चरण लगभग हमेशा बड़े पैमाने पर, अच्छी तरह से नमीयुक्त ग्रेनाइट या खनिज कास्टिंग संरचनाओं पर लगाए जाते हैं।
साफ-सुथरे कमरे का वातावरण जिसमें सटीक एयर बेयरिंग सिस्टम अक्सर संचालित होते हैं, डिजाइन विकल्पों को भी प्रभावित करते हैं। आउटगैसिंग आवश्यकताएं, संदूषण नियंत्रण, और क्लीनरूम सामग्री और सफाई प्रक्रियाओं के साथ संगतता सभी सेमीकंडक्टर और ऑप्टिकल विनिर्माण अनुप्रयोगों के लिए एयर बेयरिंग सिस्टम डिजाइन में भूमिका निभाते हैं।
निष्कर्ष
एयर बियरिंग परिशुद्धता इंजीनियरिंग में सबसे परिष्कृत प्रौद्योगिकियों में से एक का प्रतिनिधित्व करते हैं - सिद्धांत में भ्रामक रूप से सरल, निष्पादन में मांग। घर्षण मुक्त गति, नैनोमीटर स्तर की पुनरावृत्ति और असाधारण चिकनाई प्राप्त करने की उनकी क्षमता उन्हें अर्धचालक विनिर्माण, सटीक मेट्रोलॉजी और वैज्ञानिक उपकरणीकरण में सबसे अधिक मांग वाले स्थिति अनुप्रयोगों में अपरिहार्य बनाती है।
जिन ग्रेनाइट सतहों पर वे काम करते हैं, वे निष्क्रिय सब्सट्रेट नहीं हैं - वे अपने आप में सटीक {{1}इंजीनियर्ड घटक हैं, जिनमें सपाटता, खुरदरापन और स्थिरता विनिर्देश हैं जिन्हें सिस्टम के परिचालन जीवन के दौरान पूरा किया जाना चाहिए और बनाए रखा जाना चाहिए। बीयरिंग और इसकी संदर्भ सतह दोनों को एकीकृत इंजीनियरिंग तत्वों के रूप में समझना अल्ट्रा-सटीक गति प्रणालियों को डिजाइन या निर्दिष्ट करने वाले किसी भी व्यक्ति के लिए आवश्यक है।