大家經(jīng)常會在市場上看到精密設(shè)備標(biāo)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(dǎo)體、面板、精加工等眾多高端產(chǎn)業(yè)制程設(shè)備的運動平臺上，經(jīng)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(yōu)化整體性能，一般都會配置直線電機和光柵系統(tǒng)。

案例分享

行業(yè)：精密制造

客戶：東佑達納米系統(tǒng)股份有限公司（中國臺灣）

挑戰(zhàn)：空氣軸承運動平臺的性能通常受環(huán)境、基材精度及電控組件的影響，而光柵是其中的關(guān)鍵因素之一。廠家往往需要尋找規(guī)格合適的光柵，以滿足不同應(yīng)用要求。

解決方案：Renishaw系統(tǒng)為不同精度要求的運動平臺，提供精準(zhǔn)位置反饋方案。

中國臺灣省東佑達納米系統(tǒng)股份有限公司（以下簡稱“東佑達”）開發(fā)的空氣軸承運動平臺，采用共面式專利機構(gòu)設(shè)計，以雷尼紹高精度光柵作為位置反饋系統(tǒng)。東佑達在確保成本效益最大化的前提下，為業(yè)界提供微米級和納米級的運動平臺解決方案。

雷尼紹的光柵產(chǎn)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(guī)格的空氣軸承運動平臺上發(fā)揮著重要作用。

—— 東佑達納米系統(tǒng)股份有限公司（中國臺灣）

空氣軸承的原理和優(yōu)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(yīng)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(jié)流器導(dǎo)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(nèi)形成支承負載的靜壓氣膜，將滑座升起，懸浮在軸本體（導(dǎo)軌）上，以懸浮方式移動。氣膜厚度（工作氣隙）取決于平臺設(shè)計和運動副表面的加工精度，一般在5-10 μm之間。

節(jié)流器是一個十分關(guān)鍵的組件。當(dāng)負載增加時，氣膜就會被壓縮，從而影響剛性，這時節(jié)流器會根據(jù)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。空氣軸承的承載能力、規(guī)格、性能與其采用的節(jié)流器技術(shù)密切相關(guān)。各廠商都會自主開發(fā)節(jié)流器技術(shù)來優(yōu)化性能。

TOYO空氣軸承運動平臺結(jié)構(gòu)

東佑達副總經(jīng)理鄧貴敦先生說：“有別于業(yè)界一般將空氣軸承運動平臺的節(jié)流器組件設(shè)計在外部，東佑達所設(shè)計的節(jié)流器組件直接嵌入花崗巖機構(gòu)式內(nèi)部，結(jié)構(gòu)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(yīng)用

目前，東佑達的空氣軸承運動平臺（比如XY平臺）的重復(fù)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(jié)構(gòu)設(shè)計，共享同一基準(zhǔn)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(shè)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(shù)高端應(yīng)用要求，包括半導(dǎo)體、顯示面板、PCB、激光曝光機等制程設(shè)備以及AOI自動光學(xué)檢測設(shè)備等，其中以AOI應(yīng)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(wěn)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(yīng)，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(wěn)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(qū)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(fù)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(shù)頭分辨率為50 nm，通過BiSS? C通信協(xié)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(wěn)定移動的應(yīng)用。

RESOLUTE系列光柵在TOYO空氣軸承運動平臺上的應(yīng)用

鄧副總說道：“雷尼紹的光柵產(chǎn)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(guī)格的空氣軸承運動平臺上發(fā)揮著重要作用。事實上，不同產(chǎn)業(yè)對運動平臺定位系統(tǒng)的規(guī)格要求不同。在絕大部分情況下，雷尼紹都能提供相應(yīng)規(guī)格的光柵產(chǎn)品；采用雷尼紹光柵系統(tǒng)以來，至今沒有收到客戶反映光柵出現(xiàn)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(yōu)點很多，包括不發(fā)塵、不發(fā)熱、零噪音、無跳動、非接觸式特性等，輕松幫助運動平臺實現(xiàn)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(yīng)用及工作環(huán)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(shù)接近零的組件。

細分誤差 (SDE) — 細分誤差的高低直接影響讀數(shù)頭移動的流暢性，SDE數(shù)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(yīng)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(yīng)用要求。

抖動 — 抖動決定讀數(shù)頭停頓時的穩(wěn)定性，抖動值越大表示讀數(shù)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(shù)頭高速移動和停頓的應(yīng)用。

VIONiC系列光柵

TOYO空氣軸承龍門雙驅(qū)運動平臺

RESOLUTE系列光柵

與雷尼紹合作

東佑達的空氣軸承運動平臺針對量產(chǎn)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(qū)。東佑達的產(chǎn)品線還包括電動缸、直線電機模塊和伺服驅(qū)動等其他產(chǎn)品。其中超過95%的直線電機產(chǎn)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(zhì)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(zhǔn)，然后生成報告交給客戶。一些大型平臺到達客戶現(xiàn)場后會使用XL-80再次進行校準(zhǔn)，以確保精度無誤。

東佑達當(dāng)初認識雷尼紹是從標(biāo)志性的坐標(biāo)測量機測頭產(chǎn)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(yè)界口碑良好，在安裝便捷性和產(chǎn)品穩(wěn)定性方面都符合他們的要求，而且技術(shù)支持非常出色。

鄧副總總結(jié)道：“雷尼紹的激光干涉儀在業(yè)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(chǎn)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(zhǔn)的精密平臺，我們后續(xù)會與雷尼紹相關(guān)專家進一步了解該產(chǎn)品。東佑達未來會將更多的資源投放在新產(chǎn)品開發(fā)上，包括標(biāo)準(zhǔn)型號的空氣軸承模塊以及采用空氣軸承的直驅(qū)旋轉(zhuǎn)電機，以滿足像MICRO LED等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要求。”

來源：雷尼紹Renishaw