Lorsqu'une machine à mesurer tridimensionnelle glisse sur sa course sans contact visible, sans lubrifiant et sans broutage, elle roule presque certainement sur un coussin d'air, et dans la plupart des machines de précision, la surface sur laquelle elle roule est du granit. L'association du granit rodé et de l'air sous pression constitue la base silencieuse des équipements de métrologie modernes, des platines à semi-conducteurs et des plates-formes de moteurs linéaires. Ce guide explique comment fonctionne un coussin d'air en granit, pourquoi le granit est préféré à la céramique dans la plupart des applications, comment la capacité de charge et la rigidité sont déterminées, ce dont l'alimentation en air a besoin et comment en spécifier un avec une liste de contrôle de sélection pratique.
Comment fonctionne le guidage sur coussin d'air
Un coussin d'air remplace le contact glissant solide par un mince film d'air sous pression, généralement de quelques micromètres à quelques dizaines de micromètres d'épaisseur. L'air est introduit à travers de petits orifices ou une région poreuse dans le patin de roulement, se propage dans l'espace entre le patin et la surface de guidage et s'échappe par les bords. La pression à l'intérieur du film supporte la charge, de sorte que le chariot flotte plutôt que de se toucher. Puisqu’il n’y a pas de contact métal sur métal, il n’y a pas de friction statique à surmonter au début du mouvement, pas de particules d’usure et pas de lubrifiant pour attirer la poussière ou s’évaporer dans une salle blanche.
Deux propriétés du film comptent autant que la charge qu’il supporte. La première est la moyenne : le film fait le pont entre les hauts et les bas microscopiques de la surface du guide, filtrant les erreurs de courte longueur d'onde afin que la charge utile voie une trajectoire beaucoup plus douce que le profil de la surface brute. Le deuxième est l’amortissement : le film d’air dissipe l’énergie vibratoire, qui complète l’amortissement naturel du granit lui-même. Ensemble, ces effets produisent un mouvement avec une rectitude inférieure au micromètre et une résolution à l'échelle nanométrique, ce qui correspond exactement à ce qu'exigent les platines à coussin d'air et les systèmes d'inspection optique CMM.
Pourquoi le granit au lieu de l'acier ou de la céramique
La surface de guidage représente la moitié du système de roulement à air et sa qualité décide de l'ensemble. Le granit apporte trois avantages. Il peut être rodé jusqu'à atteindre une planéité exceptionnelle, régulièrement au niveau micrométrique sur de grandes surfaces, ce qui confère au film d'air un espace stable et prévisible. Il a un amortissement interne élevé, de sorte que la structure combinée ne sonne pas comme le ferait une voie en acier. Et il est dimensionnellement calme : sa dilatation thermique représente une petite fraction de celle de l'acier et il ne se corrode pas, de sorte que la géométrie de l'espace survit à des années de cycles de température et d'air humide de salle blanche sans retravailler.
Des guides en céramique, généralement en alumine ou en carbure de silicium, apparaissent dans certaines machines et présentent de véritables atouts. Ils sont plus durs que le granit, tolèrent des charges de contact plus élevées lorsque des systèmes pneumatiques hybrides à billes sont utilisés et peuvent être plus légers pour la même rigidité dans certaines géométries. En pratique, le choix dépend de l'application. Pour la plupart des plateformes de MMT et de métrologie, le granit gagne en termes de coût par unité de précision, de gamme de tailles disponibles et de réparabilité, car un guide en granit usé ou endommagé peut être remis en place, tandis qu'un guide en céramique nécessite généralement le remplacement de l'ensemble du composant. Les céramiques ont tendance à gagner leur place là où dominent une dureté extrême, des environnements agressifs ou des accélérations très élevées.
Capacité de charge et rigidité
La capacité de charge dans un coussin d'air est simplement la pression intégrée du film sur la zone du tampon, réduite par le profil de pression entre l'alimentation et le bord. Un guide pratique approximatif : avec des pressions d'alimentation typiques d'environ 4 à 6 bars et des conceptions de tampons efficaces, une pression de film efficace de l'ordre de 1,5 à 3 bars sur la zone du tampon est réalisable, de sorte qu'un tampon de 50 x 100 mm supporte de l'ordre de 75 à 150 kg avec marge. Les chariots multi-pads ajoutent directement des capacités.
La rigidité est le changement d'écart par unité de changement de charge, et c'est ce qui empêche la charge utile de s'affaisser vers le guide lorsque la charge se déplace. La rigidité du film augmente avec la pression d'alimentation et avec un jeu de conception plus petit, mais un jeu trop petit rend le roulement sensible aux erreurs de planéité de surface et aux particules. Les roulements bien conçus sur granit rodé se situent au milieu de la gamme, combinant une rigidité significative avec une tolérance à la qualité de surface réelle. Lorsque vous comparez les fournisseurs, demandez la courbe de charge en fonction de l'écart et le chiffre de rigidité du film à votre charge de fonctionnement, pas seulement un nombre de charge maximale, car un roulement qui flotte haut à faible charge et plonge à forte charge l'indiquera dans vos données de rectitude.
Écart de film d’air et exigences d’alimentation en air
L'espace de conception est choisi pour correspondre à la planéité du guide et à la pureté de l'air. Des espaces plus grands pardonnent les erreurs de surface et les particules mais réduisent la rigidité ; les machines de précision font généralement des écarts de près de 5 à 12 micromètres sur le granit rodé. C'est pourquoi la planéité du guide est si rigoureusement spécifiée : le film ne peut moyenner que des erreurs faibles par rapport à sa propre épaisseur.
L'alimentation en air nécessite le même soin. Les exigences typiques sont de l'air propre et sec entre 4 et 8 bars, filtré à 0,1 micromètre ou mieux pour un travail de précision, avec un point de rosée suffisamment bas pour empêcher la condensation dans les conduites, généralement inférieur à 10 degrés C à la pression de conduite. L'huile est l'ennemi : même les traces de brouillard d'huile finissent par migrer dans le film et se déposer sur le guide, c'est pourquoi les compresseurs sans huile ou les filtres coalescents et à charbon sont standard. Les régulateurs et les réservoirs doivent être dimensionnés de manière à ce que la consommation reste stable, car l'ondulation de pression apparaît directement sous forme d'ondulation de mouvement sur la scène. La consommation dépend de la taille et de l'espacement des tampons, de quelques litres par minute pour les petits tampons à bien plus d'une centaine pour les grands chariots multi-tampons. L'alimentation doit donc être conçue à partir de la totalité, avec une redondance ou un accumulateur lorsqu'un arrêt inattendu laisserait la machine s'installer sur ses guides.
Où les roulements à air en granit sont utilisés
Une même physique est au service de plusieurs familles de machines, et l'accent diffère selon chacune d'entre elles.
| Application | Ce que fait le coussin d'air | Pourquoi le granit convient |
| MMT et machines à mesurer | Transporte le chariot de la sonde avec un mouvement reproductible et sans friction sur les rails X et Y | La planéité et l'amortissement du rodage donnent une rectitude inférieure au micromètre sur de longues courses |
| Systèmes de métrologie | Fournit un mouvement de référence sans dérive pour les capteurs optiques et tactiles | La stabilité thermique maintient l'étalonnage valide entre les revérifications |
| Étapes XY | Prend en charge les charges utiles sur les configurations multi-pads planaires avec des lecteurs de résolution nanométrique | Rigidité élevée combinée à une excellente planéité sur les grandes plaques |
| Plateformes à moteur linéaire | Remplace les guides mécaniques où le contact ajouterait des ondulations et des particules | Non magnétique, propre et compatible avec les profils à forte accélération |
| Équipement d'inspection des semi-conducteurs | Positionne les plaquettes et les capteurs sans générer de débris d'usure | Sans lubrifiant, sans particules, stable en salle blanche |
Une liste de contrôle de sélection pratique
Avant de demander un devis, examinez six éléments. Ils prennent une heure pour se préparer et économisent des semaines d'itération.
Charge : indiquez la masse de la charge utile, son centre de gravité décalé et si la charge est constante ou change au cours du cycle. La direction de la précharge et les forces dynamiques des moteurs et des câbles ont également leur place.
Course et enveloppe : donner la course souhaitée dans chaque axe, l'espace disponible, la position des butées dures et du cheminement des câbles. La longueur du guide définit le nombre et l'espacement des coussinets de roulement.
Exigences de précision : exprimez-les en rectitude, planéité de la trajectoire parcourue, tangage, roulis et lacet sur toute la course et répétabilité. Les chiffres ici déterminent les spécifications de rodage du guide en granit.
Alimentation en air : vérifiez la pression disponible, le point de rosée et la filtration à l'entrée de la machine, et si la conduite est partagée avec d'autres équipements susceptibles de provoquer des baisses de pression.
Environnement : plage de température et stabilité, humidité, vibration du sol et classe de salle blanche le cas échéant. Ceux-ci déterminent la qualité du matériau, la taille des espaces et si des supports d'isolation sont nécessaires.
Interface de montage : fournissez les dessins de ce qui se fixe au chariot et de ce qui supporte le guide, y compris les positions des inserts, afin que le composant en granit arrive prêt à être assemblé plutôt que de nécessiter un perçage local après la livraison.
Installation, nettoyage et entretien
Un système de roulements à air ne nécessite presque aucun entretien, mais quelques habitudes le protègent. Gardez la surface de guidage couverte lorsque vous êtes inactif pour éviter les débris et tout contact accidentel. Nettoyer le granit rodé avec un détergent doux ou de l'alcool isopropylique et un chiffon non pelucheux ; évitez les nettoyants alcalins agressifs qui peuvent ternir la surface au fil des années. Ne faites jamais glisser un chariot sur un guide sec sans air, car même un démarrage et un arrêt sous charge peuvent laisser un endroit plat sur le patin ; utiliser les fonctions de levage ou de compensation conçues dans la machine. Vérifiez les filtres et les régulateurs selon un calendrier et surveillez les lectures d'écart si la machine les fournit, car un écart qui se rétrécit lentement indique souvent un vieillissement du filtre ou une contamination de surface bien avant qu'il ne devienne un défaut. Avec ces habitudes, le guide en granit peut être rodé après de nombreuses années de service et le système restauré à ses performances neuves, ce qui constitue l'un des avantages économiques discrets de la technologie.
Commencez par votre chargement et votre voyage
Si vous spécifiez un étage sur coussin d'air CMM, une plate-forme de métrologie ou une machine à moteur linéaire personnalisée, envoyez-nous la liste de contrôle ci-dessus, ou simplement la charge, la course, les cibles de précision et les dessins d'interface. Nous fabriquonscoussin d'air en granitcomposants et guides rodés assortis en interne, et notrecomposant de granit de machine à mesurerla ligne couvre les rails, les chariots et les bases sur lesquels ils circulent. Nos ingénieurs examineront vos besoins, recommanderont la disposition des patins, la classe d'écartement et la planéité du guide, et vous renverront un devis avec un délai de livraison, généralement sous quelques jours ouvrables. La fabrication sur mesure selon votre dessin est notre pratique standard, et la révision du dessin est gratuite.