对于要求高精确度和低维修费的自动化行业而言,气垫轴承或许是合适的选择。
目前气垫轴承在半导体行业已经大量应用,而且人们已经开始尝试将它们用于从食品加工到制药等各种行业了。
很多工程师之所以青睐气垫轴承系统是因为它具有“零维护”、长使用周期的性能。“只要气垫轴承在使用中不被意外损伤或者污染就不用对它进行任何维护,” Newport公司的高级业务发展经理 Walter Silvesky指出。

Newport 公司的DynamYX 系列产品气垫轴承
台在陶瓷活动部件中应用最多,这些部件的特
点是质量轻,外形尺寸要求严格,通常对精度的
要求为低于0.5 微米。 还有一些工程师则看中了气垫轴承的定位性能。气垫轴承台没有摩擦力,因此做小距离的点到点运动或精确的匀速运动时就不用考虑摩擦力的影响了。这一点对于扫描等用途而言非常重要。
这并不意味着所有的滚子滑台都将被气垫轴承所取代。Galil 公司的高级应用工程师Todd Shearer 说:“我所经手过的电气项目中,有大约5%的使用了气垫轴承。”通常,你可以在需要保持平滑低速运动的多轴系统中找到气垫轴承的影子。
哪些领域最适合使用气垫轴承呢?为此,我们从这些行业的知名企业那里了解到一些信息。
Newport公司:半导体试验场
Newport公司的Silvesky认为,从电路印刷到内存修复的各种半导体技术的需求大大促进了气垫轴承台的发展。他指出,这些用途中的大部分都要求XY轴的移动精度小于0.5微米,重复精度小于0.25微米,角度偏差小于15微弧,定速规格优于0.1%。
Newport的工程师也见证了气垫轴承台在平板检测领域的蓬勃发展。大范围运动(以第七代宽度大于2.5m的玻璃为例)时应用了气垫轴承设计的系统的移动精度可达微米级。Newport认为,另一个潜在应用领域是晶圆凸块检测,以往的晶圆凸块检测系统使用的都是机械轴承台。例如,最近有个客户就在他们的高级动态平面(superior dynamic flatness)系统中使用了气垫轴承。与传统滚子载物台的点对点接触相比,气垫轴承台采用的是面接触,这种接触方式能将一点产生的误差平均到整个平面上去;因此气垫轴承台的垂直偏差很小。
大多数高性能载物台上采用轴承加精密研磨制得的参考表面的设计,参考面通常是越光滑越平整越好,” Silvesky解释道。“尽管如此,参考面不可能是一个理想的表面,当机械台上的球或滚子接触到表面哪怕是很小的缺陷时都会造成扰动。”
Newport将他们生产的DynamYX气垫轴承台的优良性能归功于大量使用陶瓷活动部件。这些部件具有质量轻,外形严整,密度与铝接近而杨氏模量与钢类似的特点。因为陶瓷材料可以很好的叠在一起,而且具有稳定的表面,所以可以直接用气垫轴承制成移动台。
将这些气垫轴承衬垫组合起来就可以获得XY面(安装表面)距花岗岩基体低截面仅66mm的低截面移动台了。这样的设计可提供高精确度同时将安装表面的横向误差降到最小。Newport认为低重心的设计,严密的结构以及高的可控制性能是该系列产品具有优异的步进及定位功能的原因所在。
同时,这种陶瓷材料具有低的热膨胀系数以及非常高的导热性能。结果就是,10nm的重复精度以及能使用误差图进一步提高系统精确度的功能。在近期的一个电路印刷项目中,就用装有线性编码器的 DynamYX GT取代了使用干涉仪反馈的旧移动台。新的设计不但降低了成本而且还降低了系统的复杂度。
Aerotech:系统化的途径
在诸多气垫轴承应用中,Aerotech在将台架与电机、控制器以及其他结构整合成一个系统的方面有其独到之处。
Aerotech的定位系统部门经理Al Ciez给出了一个具体的例子:该公司生产的ABL9000平面气垫轴承。他认为,由于部件间采用了最小容差的堆栈,以及低密度高硬度材料的使用,这款设计与同类产品相比会有更好的性能。

气垫轴承台用于平板显示器制造。
Aerotech的气垫轴承台通常使用直接驱动的线性或回转式无刷电机以及高分辨率的解码器反馈。有些线性设计中还使用激光干涉仪作为备份反馈。Aerotech使用Automation 3200型运动控制器来控制气垫轴承台以及系统的运转。这种控制器有单回路和双回路两种模式,界面使用名牌激光干涉仪,具有2MHz编码器输入频率。
除了半导体工业与平面用途以外,Aerotech发现气垫轴承在钻石加工方面有越来越多的应用。这些应用通常需要一个带线性及回转气垫轴承的复合轴承以严格控制表面缺陷从而获得高的表面质量。
直写用途也需要用到气垫轴承台的多轴造型精度。Ciez解释说,这方面的应用主要得益于Aerotec