Cojinetes aerostáticos
El gas presurizado actúa como lubricante en el espacio entre las piezas móviles de los cojinetes. El colchón de gas lleva la carga sin ningún contacto entre las partes móviles. Normalmente, el gas comprimido es suministrado por un compresor. Un objetivo clave de suministrar la presión del gas en el espacio es que la rigidez y el amortiguamiento del colchón de gas alcancen el nivel más alto posible. Además, el consumo de gas y la uniformidad de su suministro en el espacio son cruciales para el buen comportamiento de los cojinetes aerostáticos.
El suministro de gas a la interfaz entre los elementos móviles de un cojinete aerostático se puede lograr con varios métodos diferentes:[4].
No existe un único método óptimo para alimentar la película. Todos tienen sus ventajas e inconvenientes específicos para cada aplicación.[5].
Los volúmenes muertos se refieren en particular a las cámaras y canales existentes en los cojinetes aerostáticos convencionales para distribuir el gas y aumentar la presión comprimida dentro del espacio. En los cojinetes de gas porosos (sinterizados), las cavidades internas también se consideran volumen muerto.[6].
Con los cojinetes aerostáticos convencionales de una sola boquilla, el aire comprimido fluye a través de unas pocas boquillas relativamente grandes (de 0,1 a 0,5 mm de diámetro) hacia el espacio intermedio del cojinete. Por lo tanto, el consumo de gas solo permite cierta flexibilidad, de modo que las características del rodamiento (fuerza, momentos, superficie de apoyo, altura del entrehierro del cojinete, amortiguación) solo pueden ajustarse de manera insuficiente. Sin embargo, para permitir una presión de gas uniforme incluso con solo algunas boquillas, los fabricantes de cojinetes aerostáticos adoptan técnicas constructivas. Al hacerlo, estos cojinetes generan volúmenes muertos (volumen de aire no comprimible y, por lo tanto, de baja presión). En efecto, este volumen muerto es muy perjudicial para la dinámica del cojinete de gas y provoca vibraciones autoexcitadas.[7].
El sistema de compresión previo consta de una cámara alrededor de la boquilla central. Normalmente, la relación de esta cámara está entre el 3% y el 20% de la superficie del cojinete. Incluso con una profundidad de cámara de 1/100 mm, el volumen muerto es muy alto. En el peor de los casos, estos cojinetes de aire constan de una superficie de apoyo cóncavo en lugar de una cámara. Su principal desventaja es que disponen de una rigidez ante la inclinación de la parte rotante muy reducida.[8].
Normalmente, los cojinetes aerostáticos convencionales se fabrican con cámaras y canales. Este diseño asume que con una cantidad limitada de boquillas, el volumen muerto debe disminuir mientras se distribuye uniformemente el gas dentro del espacio intermedio. La mayoría de las concepciones se refieren a estructuras de canales especiales. Desde finales de la década de 1980 se fabrican cojinetes aerostáticos con estructuras de microcanales sin cámaras. Sin embargo, esta técnica también tiene que gestionar problemas de volumen muerto. A medida que aumenta la altura del espacio, la carga y la rigidez del microcanal disminuyen. Como en el caso de accionamientos lineales de alta velocidad o husillos de alta frecuencia, esto puede causar serias desventajas.[9].
Los cojinetes aerostáticos de microboquilla perforados con láser utilizan técnicas de diseño y fabricación computarizadas para optimizar el rendimiento y la eficiencia. Esta tecnología permite a los fabricantes una mayor flexibilidad en la producción, optimizando sus diseños para una aplicación determinada. En muchos casos, los ingenieros pueden crear cojinetes de aire que se acercan al límite teórico de rendimiento.
En lugar de unas pocas boquillas grandes, los cojinetes aerostáticos con muchas microboquillas evitan volúmenes muertos dinámicamente desventajosos. Los volúmenes muertos se refieren a todas las cavidades en las que el gas no puede comprimirse durante la disminución del espacio. Estos aparecen cuando la presión baja del gas estimula la vibración. Ejemplos de los beneficios obtenidos son: accionamientos lineales con aceleraciones de más de 1000 m/s² (100 g) o accionamientos de impacto con incluso más de 100 000 m/s² (10 000 g) debido a la alta amortiguación en combinación con una elevada rigidez dinámica; movimientos subnanométricos debido a los errores inducidos por ruido más bajos; y transmisión de gas o vacío sin juntas para accionamientos rotativos y lineales a través del intersticio gracias al suministro de aire guiado.
Los cojinetes aerostáticos de microboquillas logran una distribución de presión efectiva y casi perfecta dentro del espacio intermedio con una gran cantidad de microboquillas. Su diámetro típico está entre 0,02 mm y 0,06 mm. La sección transversal más estrecha de estas boquillas se encuentra exactamente en la superficie del cojinete. De este modo, la tecnología evita un volumen muerto en la superficie del cojinete de aire de apoyo y dentro del área de las boquillas de suministro de aire.
Las microboquillas se perforan automáticamente con un rayo láser que proporciona la máxima calidad y repetibilidad. Los comportamientos físicos de los cojinetes de aire demuestran tener una baja variación dimensional tanto para grandes como para pequeños volúmenes de producción. A diferencia de los cojinetes convencionales, con esta técnica los cojinetes neumáticos no requieren una fabricación manual ni costosa.
Las ventajas de la tecnología de cojinetes de aire de microboquillas incluyen:.
Algunas de estas ventajas, como la alta flexibilidad, las excelentes propiedades estáticas y dinámicas combinadas y una excitación de ruido muy baja, demuestran ser únicas entre todos los demás cojinetes aerostáticos.[10][11].
Los cojinetes de aire estándar se ofrecen con varios montajes para unirlos a un mecanismo:.