Un ingegnere non sceglie la base di una macchina perché sembra pesante. La base decide la velocità con cui la macchina può accelerare, con quanta precisione si posiziona e con quanta affidabilità ritornerà domani allo stesso punto, perché ogni asse e sistema di misura fa riferimento ad essa. Nelle apparecchiature per semiconduttori, nell'AOI, nella perforazione di PCB, nell'elaborazione laser e negli stadi dei motori lineari, la base è il primo anello della catena di precisione e un primo anello debole non può essere riparato successivamente da controlli migliori. Questo articolo spiega cosa non funziona quando una base è instabile, perché viene utilizzato il granito, perché è importante il granito nero ad alta densità e come vengono realizzate basi personalizzate di grandi dimensioni.
Perché le fondamenta delle macchine sono importanti nelle-attrezzature ad alta precisione
Una macchina di precisione è un circuito chiuso: il controller comanda un movimento, l'azionamento accelera una massa e un sistema di misurazione riporta il risultato, il tutto riferito allo stesso corpo. Le rotaie, la scala e il telaio metrologico fanno tutti riferimento ad esso. Se la base è diritta, quadrata e stabile, gli assi possono essere costruiti su specifica; in caso contrario, ogni asse eredita l'errore, perché il riferimento stesso si sta muovendo. La richiesta è maggiore laddove velocità e precisione sono necessarie insieme: uno stadio ad alta-velocità che accelera diversi g trasmette forze di reazione alla base a ogni colpo e la base deve assorbirle senza flettersi o vibrare.
Cosa succede quando la base della macchina non è stabile?
L’instabilità appare raramente come un fallimento drammatico. La vibrazione viene prima di tutto: ogni spinta e fase eccita la struttura, e se la base ha poco smorzamento interno l'energia continua a circolare invece di svanire. Ad alta velocità l'eccitazione può avvicinarsi a una frequenza naturale, la risposta aumenta bruscamente e la macchina si sposta tra l'utensile e il pezzo - ondulazione superficiale, tremolio della sonda o un errore che appare solo a determinate velocità.
Ne consegue una deformazione: i carichi statici, la massa in movimento del palco e le forze di serraggio piegano leggermente la base e, a livelli inferiori ai -micron, pochi micrometri contano. Le fusioni in metallo aggiungono un problema più lento: le tensioni residue si rilasciano nel corso dei mesi, quindi una base corretta al momento della messa in servizio si allontana dalla geometria. La deriva termica è spesso la più grande: l'acciaio e la ghisa si espandono di circa 11-12 micrometri per metro per grado Celsius, quindi una base in acciaio di un-metro che si riscalda di un grado si sposta di circa 12 micrometri. Il risultato è un errore di posizionamento che varia con la velocità, il carico e la temperatura, e una perdita di ripetibilità - dalla quale dipende effettivamente la produzione.
| Modalità di fallimento | Causa fisica | Effetto sulla macchina |
|---|---|---|
| Vibrazione | Basso smorzamento, risposta risonante | Ondulazione superficiale, jitter della sonda |
| Deformazione | Carichi statici, rilascio delle tensioni di fusione | Perdita di rettilineità nel tempo |
| Deriva termica | Elevata dilatazione termica | Movimento posizionale lento per turno |
| Scarsa ripetibilità | L'errore varia in base alla velocità e al tempo | Processo instabile, finestra ristretta |
Perché il granito viene utilizzato per le basi delle macchine di precisione
Il granito risponde direttamente a ciascuna di queste modalità di guasto, motivo per cui è da oltre un secolo il materiale di riferimento per le macchine di precisione. La sua dilatazione termica è bassa, intorno a 5-8×10-6/ grado , circa la metà di quello dell'acciaio, quindi un dato cambiamento di temperatura sposta la struttura di circa la metà della distanza. Il suo smorzamento interno è elevato rispetto ai metalli, quindi le vibrazioni vengono assorbite anziché trasmesse allo strumento o all'ottica. Non presenta tensioni di fusione intrappolate, quindi una base finita è dimensionalmente stabile fin dalla consegna e non arrugginisce, il che è adatto alle camere bianche e agli ambienti umidi. Inoltre, la lavorazione è sufficientemente pulita da contenere superfici di riferimento lappate, sedi di binari, superfici di cuscinetti d'aria-e inserti filettati in un unico corpo, rimuovendo i giunti che ammorbidirebbero la struttura.
Perché il granito nero ad alta-densità è importante
La densità viene spesso citata come se una base più pesante fosse automaticamente migliore, il che non è il modo corretto di interpretarla. La densità è importante per ciò che rappresenta: un granito nero ad alta-densità è a grana-fine, a bassa-porosità e uniforme e tale struttura offre le proprietà di cui un ingegnere ha bisogno. La catena va dalla densità alla rigidità, alla stabilità strutturale, quindi al comportamento vibrazionale e infine alla stabilità dimensionale a lungo-termine.
In una fase che accelera rapidamente, la massa di base lavora contro le forze di reazione: a parità di forza dinamica, un corpo più pesante e rigido si muove meno nel punto utensile. L'alta densità indica anche una struttura cristallina densa, con un modulo elastico più elevato e meno difetti. Ciò che in definitiva governa la prestazione dinamica è la rigidità specifica - rigidità divisa per la densità - insieme allo smorzamento, e qui il granito si separa dai metalli: la sua rigidità specifica è paragonabile alla ghisa o meglio, mentre il suo smorzamento è parecchie volte superiore e la sua dilatazione termica inferiore. Il granito nero UNPARALLELED® è un materiale denso di circa 3100 kg/m³, ed è quella densità combinata con la qualità della macinazione, la geometria e gli inserti correttamente progettati che producono il risultato.
Basi di macchine in granito per apparecchiature a semiconduttore
I semiconduttori e le apparecchiature ad alta-velocità sono il luogo in cui questi requisiti arrivano contemporaneamente, perché queste macchine combinano posizionamento a livello nanometrico-, scansione rapida e un ambiente pulito. Le basi in granito vengono utilizzate nelle fasi di lavorazione e ispezione dei semiconduttori, nei sistemi AOI e di ispezione ottica, nelle macchine per foratura e fresatura di PCB, nei sistemi di taglio e marcatura laser, nelle macchine di misura a coordinate, nelle piattaforme di gestione dei wafer e nelle apparecchiature di ispezione delle batterie al litio-. In ogni caso la base fornisce tre cose: un riferimento stabile per gli assi, un corpo smorzato che mantiene le vibrazioni fuori dalla misurazione e un materiale non-magnetico e non-ruggine adatto a una camera bianca.
Basi in granito personalizzate per motori lineari e palchi con cuscinetti ad aria-
Due tecnologie rendono questo rapporto particolarmente diretto. Un motore lineare guida il palco senza contatto e, in cambio, invia tutta la sua forza di reazione alla struttura ad ogni accelerazione, quindi un motore lineare è valido quanto il corpo contro cui spinge. Un cuscinetto ad aria rimuove l'attrito e l'usura ma necessita di una superficie estremamente piatta e silenziosa su cui galleggiare e qualsiasi flessione su quella superficie viene trasferita direttamente alla fase mobile. La base è quindi parte del sistema di azionamento e misurazione, non un supporto separato. Ecco perché acuscinetto d'aria in granitoè normalmente tagliato nello stesso corpo monolitico della struttura circostante, quindi la superficie di guida, le superfici di montaggio e il riferimento di misura rimangono un pezzo di un unico materiale stabile.
Come UNPARALLELED® produce basi in granito di grande precisione
Una base stabile è principalmente una questione di scala e di processo. UNPARALLELED® lavora singoli componenti di granito fino a 20.000 mm di lunghezza, 4.000 mm di larghezza e 1.000 mm di spessore, con pezzi singoli che raggiungono circa 100 tonnellate. Questa capacità significa che una base può essere prodotta come un pezzo unico anziché assemblato da blocchi più piccoli, e la costruzione monolitica è il luogo da cui derivano rigidità e stabilità termica: nessuna giuntura per ammorbidire la struttura e nessuna interfaccia che si muova con la temperatura. La molatura e la lappatura manuale vengono eseguite da artigiani con oltre 30 anni di esperienza e ogni parte viene verificata con strumenti Mahr, Mitutoyo, WYLER e Renishaw in un'officina a temperatura-controllata, tracciabile secondo DIN, ASME, JIS, GB, BS e GOST.
Se la tua macchina deve sostenere un micron o più mentre si muove velocemente, la base fa parte delle specifiche, non della struttura dello sfondo. Inviaci il tuo disegno, la disposizione del palco e la precisione di cui hai bisogno in tempi rapidi e ti diremo come costruiremo unbase della macchina in granitoper questo.