案例分享|如何提升空氣軸承運動平臺的精度
【機床商務網欄目 名企在線】大家經常會在市場上看到精密設備標榜采用空氣軸承。那么，到底什么是空氣軸承呢？簡單來說，空氣軸承是一種使用空氣(或其他氣體)作為潤滑劑，將空氣氣膜用作非接觸式支承的一種滑動軸承。在半導體、面板、精加工等眾多高端產業制程設備的運動平臺上，經常能看到空氣軸承的身影。平臺上的滑座就像“坐”在氣膜上，以懸浮的方式在平臺上移動。這些平臺為了優化整體性能，一般都會配置直線電機和光柵系統。
案例分享
行業：精密制造
客戶：東佑達納米系統股份有限公司(中國臺灣)
挑戰：空氣軸承運動平臺的性能通常受環境、基材精度及電控組件的影響，而光柵是其中的關鍵因素之一。廠家往往需要尋找規格合適的光柵，以滿足不同應用要求。
解決方案：雷尼紹多款光柵系統為不同精度要求的運動平臺，提供精準位置反饋方案。
中國臺灣省東佑達納米系統股份有限公司(以下簡稱“東佑達”)開發的空氣軸承運動平臺，采用共面式專利機構設計，以雷尼紹高精度光柵作為位置反饋系統。東佑達在確保成本效益最大化的前提下，為業界提供微米級和納米級的運動平臺解決方案。
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雷尼紹的光柵產品種類繁多，無論是RESOLUTETM絕對式光柵，還是QUANTiCTM、VIONiCTM、ATOMTM等增量式光柵，都在東佑達不同規格的空氣軸承運動平臺上發揮著重要作用。
--東佑達納米系統股份有限公司(中國臺灣)
空氣軸承的原理和優勢
市場上的空氣軸承大致可以分為兩類：動壓空氣軸承和靜壓空氣軸承。一般應用在運動平臺上的大多屬于靜壓空氣軸承。其工作原理是，從外部注入壓縮空氣(或其他氣體，如氮、氬、氫、氦或二氧化碳)；壓縮空氣從供氣孔通過節流器導入滑座底部和運動平臺花崗巖底座表面之間的間隙；在間隙內形成支承負載的靜壓氣膜，將滑座升起，懸浮在軸本體(導軌)上，以懸浮方式移動。氣膜厚度(工作氣隙)取決于平臺設計和運動副表面的加工精度，一般在5-10 μm之間。
節流器是一個十分關鍵的組件。當負載增加時，氣膜就會被壓縮，從而影響剛性，這時節流器會根據負載的變化控制壓縮空氣進入間隙的流量和流速，以維持氣膜厚度(剛性)的一致性?？諝廨S承的承載能力、規格、性能與其采用的節流器技術密切相關。各廠商都會自主開發節流器技術來優化性能。
TOYO空氣軸承運動平臺結構
東佑達副總經理鄧貴敦先生說：“有別于業界一般將空氣軸承運動平臺的節流器組件設計在外部，東佑達所設計的節流器組件直接嵌入花崗巖機構式內部，結構簡單、組裝容易、剛性高且承載能力強。”
光柵在空氣軸承運動平臺上的應用
目前，東佑達的空氣軸承運動平臺(比如XY平臺)的重復精度可達0.3 μm(每300 mm行程)，提供超高的6個自由度精度。XY平臺采用共面式結構設計，共享同一基準面，解決了線性X軸和Y軸在平面、正交垂直面上采用上下堆棧設計時，容易累積誤差的問題。
空氣軸承XY軸線性運動平臺
此外，某些平臺型號的加速度高達10 G，足以滿足大多數高端應用要求，包括半導體、顯示面板、PCB、激光曝光機等制程設備以及AOI自動光學檢測設備等，其中以AOI應用所占的比例最大。由于AOI需要對被測對象進行掃描成像，因此在運動控制層面上需要非常穩定的速度紋波。
得益于空氣軸承幾近于零的摩擦力，運動平臺可以進行很微小的位移；而且空氣軸承運動平臺中的空氣氣膜對平臺底座、滑座等組件表面的精度誤差具有平均效應，這意味著更好的平面度和直線度，因此更容易確保出色的速度穩定性。但是，必須依靠光柵來提供精確的位置反饋。
以東佑達的一款高性能空氣軸承龍門雙驅平臺為例。該平臺采用RESOLUTE系列光柵，配用RELA系列因鋼柵尺。平臺的重復精度達1 μm；橫梁的扭擺角小于3角秒；最高速度達1 m/s；X軸和Y軸行程分別為350 mm和1200 mm；光柵讀數頭分辨率為50 nm，通過BiSS® C通信協議連接到控制器上。
該平臺具有極低的速度紋波，因此適合用于PCB印刷電路板或DI直接成像曝光機等需要高速穩定移動的應用。
RESOLUTE系列光柵在TOYO空氣軸承運動平臺上的應用
鄧副總說道：“雷尼紹的光柵產品種類繁多，無論是RESOLUTE絕對式光柵，還是QUANTiC、VIONiC、ATOM等增量式光柵，都在東佑達不同規格的空氣軸承運動平臺上發揮著重要作用。事實上，不同產業對運動平臺定位系統的規格要求不同。在絕大部分情況下，雷尼紹都能提供相應規格的光柵產品；采用雷尼紹光柵系統以來，至今沒有收到客戶反映光柵出現故障的情況，因此雷尼紹光柵的性能非常值得信賴。”
光柵如何影響空氣軸承運動平臺的性能
空氣軸承優點很多，包括不發塵、不發熱、零噪音、無跳動、非接觸式特性等，輕松幫助運動平臺實現更高加速度。不過，也需要配合高精度光柵才能打造高性能的運動平臺。在選擇光柵時，需要考慮實際應用及工作環境等因素的影響：
溫度 — 溫度變化會造成光柵熱脹冷縮，從而影響精度，尤其是要求達到微米甚至納米級的定位精度時。因此，空氣軸承運動平臺大都采用對溫度變化不敏感的材料，如花崗巖基材和RELA因鋼柵尺等熱膨脹系數接近零的組件。
細分誤差 (SDE) — 細分誤差的高低直接影響讀數頭移動的流暢性，SDE數值越低表示移動的流暢性越高。AOI檢測和印刷等這些需要進行高速掃描的應用都要求低SDE。雷尼紹RESOLUTE系列和VIONiC系列的SDE分別小于30 nm和10 nm，絕對能滿足大部分應用要求。
抖動 — 抖動決定讀數頭停頓時的穩定性，抖動值越大表示讀數頭在停頓時抖動的幅度越大。VIONiC系列的抖動僅為1.6 nm RMS，適用于需要讀數頭高速移動和停頓的應用。
與雷尼紹合作
東佑達的空氣軸承運動平臺針對量產高端市場，主要銷往中國大陸、中國臺灣、韓國、日本、美國及東南亞等國家和地區。東佑達的產品線還包括電動缸、直線電機模塊和伺服驅動等其他產品。其中超過95%的直線電機產品都采用雷尼紹QUANTiC系列光柵，分別提供1、0.1、0.5 μm分辨率型號， 行程范圍從80 mm到8 m，推力從30到1000 N。
有別于其他廠商以抽檢的方式進行質量控制，東佑達采取全檢方式，即每一臺運動平臺在出廠前都必須使用雷尼紹XL-80激光干涉儀進行檢測和校準，然后生成報告交給客戶。一些大型平臺到達客戶現場后會使用XL-80再次進行校準，以確保精度無誤。
東佑達當初認識雷尼紹是從標志性的坐標測量機測頭產品開始的，后來更成為光柵以及激光干涉儀的客戶。選擇雷尼紹光柵是因為雷尼紹的業界口碑良好，在安裝便捷性和產品穩定性方面都符合他們的要求，而且技術支持非常出色。
鄧副總總結道：“雷尼紹的激光干涉儀在業界被高度認可，測試報告對客戶而言十分具有說服力。由于運動平臺產量大，我們目前已購買了5臺XL-80激光干涉儀，而且每天都在使用。
此外，我們也看過雷尼紹XM-60多光束激光干涉儀的演示，的確能大幅提升運動平臺的檢測效率，尤其是對于6個自由度都需要校準的精密平臺，我們后續會與雷尼紹相關專家進一步了解該產品。東佑達未來會將更多的資源投放在新產品開發上，包括標準型號的空氣軸承模塊以及采用空氣軸承的直驅旋轉電機，以滿足像MICRO LED等新興產業的發展要求。”
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