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羽昌科技工程團隊｜技術文章｜2026 年 10 月

重點摘要： 氣浮平台浮在只有數微米厚的氣膜上，底下的花崗石面就是導軌本身，它的平面度和熱變形會直接變成平台的直線度、角度誤差與漂移。花崗石的熱膨脹係數約 5–8 × 10⁻⁶/K（依石材而異）、導熱慢、不生鏽、碰傷不起毛邊，因此是氣浮導軌的首選基座。規格請依 DIN 876／ASME B89.3.7／JIS B 7513 等級訂定，同時控制溫度梯度，並把支撐點和基座一起設計。

一、氣膜：為什麼表面就是導軌

文獻中的氣膜厚度多在約 2–10 µm [3][4]。在這個尺度下：

• 間隙與剛性互相牽動：承載力與氣膜剛性都隨間隙非線性變化，局部高低點會造成垂直跳動與俯仰／滾轉誤差。

• 氣墊只能平均掉比自己短的誤差：波長比氣墊長的形狀誤差會直接反映在滑台運動上，所以全行程平面度和局部表面同樣重要。

• 對偶面的要求：多孔質氣浮軸承的研究指出，對偶面必須高平面度、不腐蝕、萬一接觸也不損壞軸承 [4]，研磨花崗石正好符合。

實際需要多少平面度，取決於氣墊尺寸、間隙與角度誤差預算，應由平台設計者決定，本文不給通用數值。

二、標準中的平面度等級

例：L = 1,000 mm，DIN 876 00 級為 4 µm [1]。

三、熱穩定性

• 1 m 長的花崗石（α≈5 × 10⁻⁶/K）每升溫 1 K 伸長約 5 µm，鋁約 23 µm。

• 溫度梯度比均勻溫變更要緊：上下面溫差會讓基座彎曲。花崗石導熱慢，對短暫溫度波動反應遲緩，但梯度一旦形成也會維持較久。熱源（馬達、光源）要遠離基座，室溫要穩、分層要小。

• 阿貝誤差：基座彎曲造成的傾斜，會被量測軸與工作點的距離放大。

四、動態：剛性、質量與支撐

氣浮軸承在運動方向幾乎不提供阻尼，移動後的穩定時間取決於伺服、結構與支撐。重而剛的花崗石基座能提高結構模態頻率，並降低移動質量對基座質量的比例。天然花崗石的阻尼文獻值差異很大，本文不宣稱它一定優於鑄鐵，請以實際組立結構量測或模擬為準。

支撐建議：三點支撐最確定；長樑支撐點靠近貝索點（距兩端約 0.22 L）可使長度變化最小，艾里點（約 0.211 L）可使端面傾斜最小。

五、羽昌能提供

• 天然花崗石基座與結構件，單件最大 4,000 × 2,500 × 300 mm、10 噸。

• 平面度最高 0.015 mm（依尺寸與等級）。

• 馬達、光學尺、拖鏈用的埋入件、螺孔與溝槽加工。

• 氣浮元件、多孔陶瓷吸盤、氧化鋁／碳化矽陶瓷結構件（防靜電等級 10⁵–10⁹ Ω）。

• 參考平台：行程 200 × 200 mm，定位精度 50 nm／200 mm。

常見問題

為什麼氣浮基座不用鋁或鑄鐵？ 鋁的熱膨脹（約 23 × 10⁻⁶/K）是花崗石的數倍；鐵會生鏽，碰傷會起毛邊、可能刮傷氣墊。花崗石不鏽、碰傷只會崩小缺口。

需要哪個平面度等級？ 依氣墊尺寸、氣膜間隙與俯仰／滾轉誤差預算決定，先做誤差預算再選 DIN 876 或 ASME B89.3.7 等級；等級越高越貴，也受尺寸限制。

用了花崗石就沒有熱漂移嗎？ 不會。它降低對均勻溫變的敏感度、延緩對短暫波動的反應，但垂直溫度梯度仍會造成彎曲，環境溫控仍不可少。

花崗石不導磁有什麼好處？ 不干擾線性馬達與磁性尺，也不會吸附鐵屑。

羽昌能在花崗石上加工安裝特徵嗎？ 可以，依客戶圖面加工埋入件、螺孔、槽與走線溝。

參考文獻

1. Kapraun Prüfdienst, "Flatness tolerances in accordance with DIN 876." https://neu.kapraun-pruefdienst.de/en/services-4/flatness-tolerances-in-accordance-with-din-876_new/

2. ASME B89.3.7-2013, Granite Surface Plates. ASME (standard listing referenced at https://www.tru-stone.com/spec-sheets).

3. "Design and analysis methods for aerostatic bearings: the past, the present, and the future," Proc. IMechE Part J: J. Engineering Tribology, 2024 (review). https://doi.org/10.1177/13506501241250121

4. V. Vainio, M. Miettinen, J. Majuri, R. Theska, R. Viitala, "Manufacturing and static performance of porous aerostatic bearings," Precision Engineering 84 (2023) 177–190. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2023.06.014

5. Academy Black granite physical properties (ASTM C97/C880/C1352 data). https://irp.cdn-website.com/4fbb675e/files/uploaded/Academy-Black.pdf

6. Engineering ToolBox, "Linear thermal expansion coefficients." https://www.engineeringtoolbox.com/linear-expansion-coefficients-d_95.html

7. Gray cast iron properties (ASM range 110–138 GPa; k ≈ 53 W/m·K). https://www.nuclear-power.com/nuclear-engineering/metals-what-are-metals/cast-iron/gray-iron-gray-cast-iron/

作者：羽昌科技工程團隊（羽昌科技股份有限公司，台中）