DE10156836A1

DE10156836A1 - Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorichen Bewegung und Verwendung derselben

Info

Publication number: DE10156836A1
Application number: DE10156836A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Roscher; Welf-Guntram Drossel
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2001-11-20
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2003-06-05
Anticipated expiration: 2021-11-21
Also published as: DE10156836B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine, insbesondere als Torsionsaktor zur Kompensation einer auf dieselbe einwirkenden Torsion und/oder Schwingung einsetzbare, Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung, wobei die Vorrichtung zumindest ein Aktormodul mit einem Grundkörper, zumindest ein Hebelelement und zumindest ein Stellglied aufweist und wobei der Grundkörper und das Hebelelement im Bereich eines Festkörpergelenkes einstückig miteinander, im übrigen unter Belassung eines Abstandes, angeordnet sind und das Stellglied zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Grundkörper und Hebelelement zwischen diesen angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung, die insbesondere in mechatronischen Einrichtungen, wie Werkzeugmaschinen, Handling-Systemen oder Robotern einsetzbar ist und eine Verwendung einer derartigen Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung.
Mit der Einführung von mechatronischen Maschinenkonzepten im Maschinenbau, wie beispielsweise bei parallelstrukturierten Maschinen und Roboter, sind qualitative Vorteile, wie kleine bewegte Massen, hohe erreichbare Beschleunigungen und eine hohe Anzahl an Wiederholungsteilen (Baukastenprinzip) verbunden. Allerdings bedingen diese mechatronischen Maschinenkonzepte teilweise Eigenschaften, die insbesondere die Steifigkeit und die Schwingungsanfälligkeit solcher mechatronischer Einrichtungen und damit die erreichbare Fertigungs- oder Positioniergenauigkeit negativ beeinflussen.

Aus der DE 199 03 613 ist bekannt, Fertigungs- und Positionierfehler einer Tripod- Lagerungseinrichtung, welche auf eine mangelnde Steifigkeit einzelner Baukomponenten der Tripod-Lagerungseinrichtung zurückführbar sind, mittels eines Torsionskompensationsverfahrens unter Nutzung schneller aktorischer Komponenten im Zusammenspiel mit einer entsprechenden Regeleinrichtung im Betrieb zu kompensieren und parasitäre Schwingungen kompensatorisch zu unterdrücken. Als aktorische Komponente zur Erzeugung einer hohen dynamischen Steifigkeit ist hierbei ein Torsionsantrieb vorgeschlagen.

Aus theoretischen Überlegungen heraus erscheinen an sich bekannte piezoelektrische Aktoren, insbesondere wegen ihrer hervorragenden dynamischen Eigenschaften, zur Bildung derartiger schneller aktorischer Komponenten besonders geeignet. Jedoch sind aufgrund der geringen erreichbaren mechanischen Dehnung piezoelektrischer Elemente, also der geringen erreichbaren Längenänderungen, trotz maximaler elektrischer Materialausnutzung mit piezoelektrischen Stapelaktoren lediglich praktikable lineare Auslenkungen im Bereich von wenigen 10 Mikrometern, bei allerdings großen Kräften von einigen Tausend Newton, erreichbar.

kungen im Bereich von wenigen 10 Mikrometern, bei allerdings großen Kräften von einigen Tausend Newton, erreichbar.

Wird eine derartige lineare Bewegung in eine rotatorische Bewegung umgewandelt, ergeben sich Winkelbereiche von maximal 0,05 bis 0,1 Grad. Ein solcher rotatorischer Bewegungsbereich ist für die meisten Kompensationsanwendungen zu gering. Wird beispielsweise in der Tripod-Lagerungsvorrichtung der DE 199 03 613 eine der längenveränderlichen Streben mit einem piezoelektrischen Torsionsaktor als schnelle aktorische Komponente ausgestattet, kann, aufgrund relativ großer parasitärer Nachgiebigkeiten in den einzelnen Baugruppen, insbesondere den Gelenken und den Streben, ein notwendiger Stellbereich zur aktiven Kompensation der durch Störkräfte hervorgerufenen Torsionsbewegungen derart große Winkelbereiche annehmen, dass mit piezoelektrischen (Torsions-)Aktoren eine Kompensation unmöglich ist. Um derartige piezoelektrische Aktoren als aktorische Komponenten einsetzen zu können, besteht dementsprechend die Notwendigkeit, den erreichbaren Stellweg bzw. Winkelbereich zu vergrößern.

Für eine solche Stellwegvergrößerung von aktorischen Komponenten mit translatorischen oder rotatorischen Bewegungen ist aus der DE 196 40 108 bekannt, einen piezoelektrischen Aktor mit stabförmigen Übertragungsgliedern (Hebelarmen) zu koppeln, welche eine Längenänderung des Aktors mechanisch vergrößern. Bei der in der DE 196 40 108 vorgeschlagenen Lösung ist jedoch nachteilig, dass bei einer Erhöhung des Stellweges um einen Faktor N, die Kraft um diesen Faktor N und die Steifigkeit der Anordnung in Bewegungsrichtung sogar um das Quadrat des Faktors N abnimmt. Eine zehnfache Stellwegvergrößerung brächte damit eine hundertfache Verringerung der Steifigkeit der Anordnung mit sich. Bekannte, nach diesem Hebelarmprinzip für maschinenbautechnische Anwendungen umgesetzte Lösungen werden folglich meist auf den Faktor N = 3 begrenzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung und eine Verwendung derselben anzugeben, durch die eine rotatorische Kompensationsbewegung mit einer hohen Dynamik präzise bei geringer Beeinflussung der Steifigkeit der Vorrichtung aktorisch erzeugt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Mit der vorliegenden Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung wird auf vorteilhafte Weise eine translatorische Bewegung des zumindest einen Stellgliedes in eine rotatorische Bewegung des Aktormoduls und damit in eine rotatorische Bewegung der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung umgesetzt, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und dem Hebelelement auftritt. Weiterhin ist vorteilhafterweise eine hohe Steifigkeit der Vorrichtung in einer axialen Richtung, also quer zur rotatorischen Bewegung, sowie eine geringe Steifigkeit in Richtung der rotatorischen Bewegung vorgesehen, wobei insbesondere das Festkörpergelenk in einer Tangentialrichtung des Aktormoduls eine geringe und in einer Axialrichtung desselben eine hohe Steifigkeit aufweist.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mehrere in einer Reihenanordnung angeordnete und untereinander gekoppelte Aktormodule auf, wobei die Hebelelemente der einzelnen Aktormodule mit den Grundkörpern der jeweiligen nachfolgenden Aktormodule verbunden sind und wobei die einzelnen Aktormodule mittels Distanzmitteln voneinander beabstandet sind.

In diesem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung folglich mehrere Aktormodule zur Erzeugung einer hochdynamischen rotatorischen Bewegung auf, welche aneinander reihbar sind. Werden dabei M Aktormodule aneinander gereiht, vervielfacht sich der erreichbare maximale Stellwinkel um diesen Faktor M, die übertragbare Kraft bleibt gleich, die Steifigkeit der Anordnung in Bewegungsrichtung nimmt lediglich um den Faktor 1/M ab. Somit kann über die Anzahl an Aktormodulen der erreichbare Winkelbereich frei eingestellt werden, wodurch eine sehr variable Vorrichtung mit einem großen Stellwinkel realisiert ist.

Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung eine mit dem zumindest einem Stellglied verbundene Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Bestimmung eines Stellwertes und/oder zu einer Ansteuerung des Stellgliedes mit einem Stellwert auf. Diese Steuer- und/oder Regeleinrichtung kann weiterhin mit einer Meßeinrichtung zur Erfassung einer Torsion und/oder Schwingung verbunden sein.

Bevorzugterweise sind der Grundkörper und das Hebelelement aus einem gemeinsamen Halbzeug durch Materialausarbeitung desselben gebildet, wobei Grundkörper und Hebelelement aus einem hochfesten Material, insbesondere Stahl, ausgebildet sein können. Insbesondere in dieser Ausgestaltung ergibt sich eine hohe Steifigkeit der Anordnung in axialer Richtung. Weiterhin kann der Grundkörper eine achs- und/oder rotationssymmetrische, insbesondere kreisrunde oder elliptische Querschnittsfläche aufweisen, wodurch sich ein fertigungstechnisch und dementsprechend in der Herstellung preisgünstiges Ausführungsbeispiel ergibt.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind das Hebelelement und der Grundkörper mittels zweier schlitzförmiger, vorzugsweise paralleler Ausnehmungen voneinander getrennt, wobei diese Ausnehmungen von einer Außenfläche des Grundkörpers einwärts verlaufen und das Festkörpergelenk mittels einer Verjüngung des Hebelelementes an einem innenliegenden Ende desselben ausgebildet ist.

Das Stellglied ist gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Aussparung des Grundkörpers zumindest teilweise aufgenommen und mit demselben stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden. Dabei kann ein Ausmaß einer Relativbewegung zwischen dem Hebelelement und dem Grundkörper mittels eines Abstandes zwischen dem Stellglied und dem Festkörpergelenk definiert sein. Weiterhin ist das Stellglied vorzugsweise längenveränderlich ausgebildet und umfasst insbesondere einen Piezoaktor, einen piezoelektrischen Stapelaktor, einen magneto- oder elektrostriktiven Aktor, einen elektrischen Antrieb oder einen Arbeitszylinder.

Weiterhin kann das zumindest eine Hebelelement mit zumindest zwei Stellgliedern in Wirkverbindung treten, wobei die Stellglieder auf gegenüberliegenden Seiten des Hebelelementes angeordnet sind. Durch diese zumindest paarweise Anordnung (Differentialanordnung) der Stellglieder innerhalb der einzelnen Aktormodule kann auf eine zusätzliche mechanische Vorspanneinrichtung (beispielsweise Federelement) zur Unterdrückung von Zugkräften auf die Stellelemente verzichtet werden. Damit kann praktisch der gesamte freie Hub der Stellglieder ausgenutzt werden. Gleichzeitig wird durch diese paarweise Anordnung der Stellglieder eine thermische Kompensation der Aktoranordnung ermöglicht. Zudem ist bei passiven Stellgliedern in Richtung der rotatorischen Bewegung der Aktormodule eine hohe Steifigkeit gewährleistet, wobei eine Steifigkeit der Gesamtanordnung derart groß ist, dass bei nicht-aktivem Kompensationsregime, beispielsweise bei Defekt der Stellglieder, das Aktormodul bzw. die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung praktisch keine zusätzliche Nachgiebigkeit verursacht.

Gemäß einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Stellglied als Piezoaktor oder als piezoelektrischer Stapelaktor ausgebildet und weist im montierten Zustand eine Vorspannung auf, welche mittels einer, insbesondere elektrisch erzeugten, Verkürzung des Stellgliedes bei der Montage oder mittels anpassbarer Justierelemente erzeugbar ist. Das Ausmaß einer Relativbewegung zwischen dem Hebelelement und dem Grundkörper ist bei dem als Piezoaktor oder als piezoelektrischer Stapelaktor ausgebildeten Stellglied mittels einer elektrischen Ansteuerspannung des Piezoaktors oder des piezoelektrischen Stapelaktors regelbar.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung zumindest zwei Hebelelemente aufweist, wobei die zumindest zwei Hebelelemente jeweils an einem innenliegenden Ende derselben mittels eines Festkörpergelenkes mit dem Grundkörper verbunden sind. Die zumindest zwei Hebelelemente sind dabei bevorzugterweise achssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers und/oder punktsymmetrisch bezüglich eines Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet. In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung zwei Hebelelemente, welche achssymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet sind, oder drei Hebelarme, welche sternförmig und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet sind, auf.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung sind in den weiteren abhängigen Ansprüchen dargelegt.

Die vorstehend erläuterte Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung kann als Torsionsaktor zur Kompensation einer auf dieselbe einwirkenden Torsion und/oder Schwingung eingesetzt werden, wobei der Torsionsaktor einen großen erreichbaren Stellwinkel aufweist. Dabei ist der erreichbare Stellwinkel von einer Anzahl hintereinandergekoppelter Aktormodule abhängig.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Aktormoduls der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer Draufsicht;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer Seitenansicht mit zwei gekoppelten Aktormodulen und einem mit den zwei gekoppelten Aktormodulen zu verbindenden dritten Aktormodul; und
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Aktormoduls der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer Draufsicht.
Nachfolgend wird zunächst anhand eines in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispieles eines Aktormoduls der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise desselben erläutert, wobei das Aktormodul zur Erzeugung einer hochdynamischen rotatorischen Bewegung mit einem großen Stellwinkel vorgesehen ist.
Das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Aktormoduls weist einen scheibenförmigen Grundkörper 1 aus einem hochfesten und begrenzt elastischen Material, in diesem Ausführungsbeispiel Stahl, mit einer kreissymmetrischen Querschnittsfläche auf. Die kreissymmetrische Ausbildung der Querschnittsfläche führt zu einem sehr kompakten Aufbau, der auf einfache Weise in eine vorhandene Einrichtung, beispielsweise eine mechatronische Werkzeugmaschine, integriert werden kann. Zudem ergibt sich aufgrund der Vermeidung von hervorstehenden Körperkanten eine hohe arbeittechnische Sicherheit. Die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung ist jedoch nicht auf diese kreissymmetrische Ausgestaltung der Querschnittsfläche beschränkt. Abhängig vom konkreten Anwendungsfall kann auch eine elliptische oder polygone Querschnittsfläche ausgebildet sein.
Das in Fig. 1 gezeigte Aktormodul weist weiterhin zwei Hebelelemente 3, 9 auf, welche jeweils mittels Festkörpergelenken 2 mit dem Grundkörper 1 verbunden sind. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind diese beiden Hebelelemente 3, 9 achssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnet. Zudem liegen die Wirkachsen der Hebelelemente 3, 9 auf einer Verbindungslinie durch einen Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1. Die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung ist jedoch nicht auf die genannte Anzahl an Hebelelementen und die beschriebene Anordnung dieser Hebelelemente beschränkt. Die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung kann beispielsweise ebenso einen Hebelarm oder auch drei Hebelarme, welche sternförmig und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet sind, aufweisen.
In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Grundkörper 1 und die beiden Hebelelemente 3, 9 aus einem Halbzeug hergestellt, wobei in dem Halbzeug mittels Materialausarbeitung aus demselben Bereiche mit Gelenkwirkung, also die Festkörpergelenke 2, ausgearbeitet sind, welche die in die Hebelelemente 3, 9 übergehen. Dabei sind die einzelnen Hebelelemente 3, 9 und der Grundkörper 1 jeweils mittels zweier schlitzförmiger und paralleler Ausnehmungen 20 voneinander getrennt, wobei diese Ausnehmungen 20 von einer Mantel- bzw. Außenfläche des Halbzeuges, welche einer Mantel- bzw. Außenfläche des Grundkörpers 1 entspricht, einwärts verlaufen.
Ein jeweiliges Festkörpergelenk 2 ist an einem innenliegenden Ende des zugehörigen Hebelelementes 3, 9 mittels Ausbildung einer Verjüngung desselben hergestellt. Diese Verjüngung wird im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel durch das Ausbilden von Aussparungen, in diesem Fall von Bohrungen, im Bereich des innenliegenden Endes der Hebelelemente 3, 9 definiert. Die Festkörpergelenke 2 weisen dabei jeweils in Tangentialrichtung des Aktormoduls eine geringe, in axialer Richtung eine sehr hohe Steifigkeit auf.
Weiterhin weist das Aktormodul in dem in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel jeweils einen piezoelektrischen Stapelaktor 5, 6, einen sogenannten Piezostack, pro Hebelelement 3, 9, also insgesamt zwei Piezostacks, auf. Jeder der Piezostacks 5, 6 ist in einer einzelnen Aussparung 4, welche im Grundkörper 1 ausgebildet ist, der sogenannten Aktoraufnahme, gelagert. Die einzelnen Aktoraufnahmen 4 sind jeweils benachbart zu Seitenflächen der jeweiligen Hebelelemente 3, 9 angeordnet, wobei die Piezostacks 5, 6 in Wirkverbindung mit diesen Seitenflächen der Hebelelemente 3, 9 stehen.
Folglich umfasst das Aktormodul in diesem Ausführungsbeispiel insgesamt zwei Stellglieder 3, 9, wobei jeweils ein Stellglied 3, 9 in einer Aktoraufnahme 4 aufgenommen ist und auf eines der Hebelelemente 3, 9 wirkt. Die Piezostacks 5, 6 wirken dabei als Stellglieder zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Grundkörper 1 und den jeweiligen Hebelelementen 3, 9, wobei ein Ausmaß der Relativbewegung zwischen den Hebelelementen 3, 9 über eine Längenänderung der Piezostacks 5, 6 bewirkt wird.
Eine Regelung der Längenänderungen der einzelnen Piezostacks 5, 6 erfolgt dabei mittels einer entsprechenden elektrischen Ansteuerspannung der einzelnen Piezostacks 5, 6, welche durch eine mit den Piezostacks 5, 6 verbundene Steuer- und/oder Regeleinrichtung (nicht gezeigt) zur Bestimmung der elektrischen Ansteuerspannung verbunden ist.
Das Ausmaß der Relativbewegung zwischen Grundkörper 1 und den jeweiligen Hebelelementen 3, 9 ist weiterhin von den jeweiligen Abständen zwischen den einzelnen Piezostacks 5, 6 und den Festkörpergelenken 2 abhängig, wobei diese Abstände die Hebelarme, der durch die Piezostacks 5, 6 jeweils eingeleiteten Kraft auf die Hebelelemente 3, 9 und damit das Hebelverhältnis bilden.
Die Piezostacks 5, 6 erzeugen bei der elektrischen Ansteuerung derselben eine translatorische Dehnung bzw. Stauchung, welche mittels der Anordnung aus Hebelelementen 3, 9 und Festkörpergelenken 2 in eine rotatorische Bewegung umgewandelt wird. Zwischen den Hebelementen 3, 9 und den übrigen Bauelementen des Aktormoduls entsteht damit eine Relativbewegung, deren Größe über das Hebelverhältnis (Abstand zwischen Aktoraufnahme 4 und Festkörpergelenk 2) definiert und über die Größe der elektrischen Ansteuerspannung des entsprechenden Piezostacks 5, 6 steuerbar ist.
Die Piezostacks 5, 6 sind in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel auf einer Seite der Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1, welche die beiden Hebelelemente 3, 9 miteinander verbindet, angeordnet. Das Ansteuerregime der Piezostacks 5, 6 wird dabei derart gewählt, dass sich jeweils einer der Piezostacks 5, 6 gerade um den Betrag verkürzt, um den sich der entsprechend andere Piezostack 5, 6 dehnt. Bezogen auf die Darstellung in Fig. 1 bedeutet dies, dass sich beispielsweise das freiliegende Ende des links angeordneten Hebelelementes 3 nach oben und das freiliegende Ende des rechts angeordneten Hebelelementes 9 um den gleichen Betrag nach unten bewegt. Folglich beschreibt die Verbindungslinie der Wirkachsen der Hebelelemente 3, 9 eine rotatorische Bewegung um den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1.
In Fig. 1 sind die beiden Piezostacks 5, 6 oberhalb der Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1, welche die beiden Hebelelemente 3,9 miteinander verbindet, angeordnet. Die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt. Ohne wesentlichen Änderungen vornehmen zu müssen, können auch beide Piezostacks 5, 6 in Fig. 1 unterhalb der Verbindungslinie oder einer der beiden Piezostacks 5, 6 unterhalb und der entsprechend andere Piezostacks 5, 6 oberhalb der Verbindungslinie angeordnet sein. Um derartige Anordnungen zu ermöglichen sind, wie weiterhin aus Fig. 1 entnehmbar, auch unterhalb der Verbindungslinie zwei weitere Aktoraufnahmen 4 ausgebildet, wobei jeweils eine der weiteren Aktoraufnahmen 4 benachbart zu einem der Hebelarme 3,9 angeordnet ist.
In Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mit drei Aktormodulen 10, 11, 12 in einem Zwischenstadium der Montage derselben gezeigt, wobei ein erstes und ein zweites Aktormodul 10, 11 miteinander gekoppelt und ein drittes Aktormodul 12 zur Kopplung an die schon miteinander verbundenen Aktormodule 10, 11 vorgesehen ist. Dabei sind die einzelnen Aktormodule 10, 11, 12 gleichartig dem im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel eines Aktormoduls ausgebildet.
Wie vorstehend im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, weist das Aktormodul einen Grundkörper 1 und zwei gegenüberliegend und auf einer gemeinsamen Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnete Hebelelemente 3, 9 auf. Aus Fig. 1 ist zudem entnehmbar, dass die Hebelelemente 3, 9 jeweils an dem freiliegenden Ende derselben jeweils eine Ausnehmung 8 aufweisen. Diese in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgebildeten Ausnehmungen 8 sind jeweils zur Aufnahme eines Verbindungsmittels 14 zwischen den einzelnen Aktormodulen 10, 11, 12 vorgesehen. Die Ausnehmungen 8 der einzelnen Hebelelemente 3, 9 sind dabei auf einer Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnet. Weiterhin ist aus Fig. 1 entnehmbar, dass der Grundkörper 1 zwei Ausnehmungen 7 aufweist, welche auf einer weiteren Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnet sind. Diese, in diesem Ausführungsbeispiel elliptisch ausgebildeten Ausnehmungen 7 sind ebenfalls zur Aufnahme des Verbindungsmittels 14 vorgesehen.
Ein Abstand zwischen den einzelnen Ausnehmungen 7 des Grundkörpers 1 und dem Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 entspricht einem Abstand zwischen den einzelnen Ausnehmungen 8 der Hebelelemente 3, 9 und dem Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1. Weiterhin ist die Verbindungslinie der Ausnehmung 7 im Grundkörper 1 senkrecht zur Verbindungslinie der Ausnehmungen 8 der Hebelelemente 3, 9 angeordnet.
Zum Verbindung der einzelnen Aktormodule 10, 11, 12 untereinander werden die einzelnen Aktormodule 10, 11, 12 tangential gegeneinander jeweils um einen Winkel von 90° verdreht. Dadurch sind die in den Hebelelementen 3, 9 des ersten Aktormoduls 10 ausgebildeten Ausnehmungen 8 benachbart zu den im Grundkörper 1 des zweiten Aktormoduls 11 ausgebildeten Ausnehmungen 7 angeordnet. Weiterhin sind die in den Hebelelementen 3, 9 des zweiten Aktormoduls 11 ausgebildeten Ausnehmungen 8 benachbart zu den im Grundkörper des dritten Aktormoduls 12 ausgebildeten Ausnehmungen 7 angeordnet. Die Ausnehmungen 7, 8 in den Hebelelementen 3, 9 bzw. dem Grundkörper 1 sind zur Aufnahme eines geeigneten Verbindungsmittels, beispielsweise eines Paßstiftes, zwischen den Aktormodulen vorgesehen.
Eine Kopplung der einzelnen Aktormodule 10, 11, 12 in einer Reihenanordnung erfolgt also derart, dass die Hebelelemente 3, 9 der einzelnen Aktormodule 10, 11, 12 mit den Grundkörpern 1 der jeweiligen nachfolgenden Aktormodule 10, 11, 12 verbunden sind, wobei die unmittelbar miteinander gekoppelten Aktormodule 10 und 11 bzw. 11 und 12 mittels Distanzmitteln 13 voneinander beabstandet sind.
Genauer gesagt, sind in dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel das erste und das zweite Aktormodul 10, 11 durch geeignetes Verbinden der Hebelelemente 3, 9 des ersten Aktormoduls 10 mittels der Verbindungsmittel 14 mit dem Grundkörper 1 des zweiten Aktormoduls 11 gekoppelt, wodurch eine rotatorische Bewegung der Hebelelemente 3, 9 des ersten Aktormoduls 10 auf den Grundkörper 1 des zweiten Aktormoduls 11 übertragen wird. Bei einer Längenänderung der piezoelektrischen Aktoren 5, 6 des ersten Aktormoduls 10 werden die Hebelelemente 3,9 des ersten Aktormoduls 10 und der mit diesen verbundene Grundkörper 1 des zweiten Aktormoduls 11 rotatorisch bewegt. Dementsprechend entsteht ein erster (Teil-)Stellwinkel oder (Teil-)Bewegungswinkel, wobei der erste Teilstellwinkel bei maximaler Längenänderung der Stapelaktoren 5, 6 sein Maximum erreicht. Werden die piezoelektrischen Aktoren 5, 6 des zweiten Aktormoduls 11 gleichsinnig zum ersten Aktormodul 10 angesteuert, werden die Hebelelemente 3,9 des zweiten Aktormoduls 11 gegenüber dem Grundkörper 1 des zweiten Aktormoduls 11 rotatorisch verschoben. Folglich addieren sich die rotatorischen Bewegungen (bzw. Bewegungswinkel) des ersten und des zweiten Aktormoduls 10, 11. Bei gleichartiger Ausbildung der Aktormodule 10, 11 und maximaler Ansteuerung der einzelnen Stapelaktoren 5, 6 der Aktormodule 10, 11 lässt sich zwischen dem Grundkörper 1 des ersten Aktormoduls 10 und den Hebelelementen 3, 9 des zweiten Aktormoduls 11 eine Verdopplung des erreichbaren Bewegungswinkels, also des erreichbaren Stellwinkels, erreichen.
In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird weiterhin das zweite Aktormodul 11 durch geeignetes Verbinden der Hebelelemente 3, 9 des zweiten Aktormoduls 11 mittels weiteren Verbindungsmitteln 14 mit dem Grundkörper 1 des dritten Aktormoduls 12 gekoppelt, wodurch eine rotatorische Bewegung der Hebelelemente 3, 9 des zweiten Aktormoduls 11 auf den Grundkörper 1 des dritten Aktormoduls 12 übertragen wird. Bei einer Längenänderung der piezoelektrischen Aktoren 5, 6 des zweiten Aktormoduls 11 werden die Hebelelemente 3, 9 des zweiten Aktormoduls 11 und der mit diesen verbundene Grundkörper 1 des dritten Aktormoduls 12 rotatorisch bewegt. Dementsprechend entsteht ein zweiter (Teil-)Stellwinkel oder (Teil-)Bewegungswinkel, wobei der zweite Teilstellwinkel bei maximaler Längenänderung der Stapelaktoren 5, 6 sein Maximum erreicht. Werden die piezoelektrischen Aktoren 5, 6 des dritten Aktormoduls 12 gleichsinnig zum zweiten Aktormodul 11 angesteuert, werden die Hebelelemente 3,9 des dritten Aktormoduls 12 gegenüber den Grundkörper 1 des ersten und des zweiten Aktormoduls 10, 11 rotatorisch verschoben. Folglich addieren sich die rotatorischen Bewegungen (bzw. Bewegungswinkel) des ersten, des zweiten und des dritten Aktormoduls 10, 11. Bei gleichartiger Ausbildung der Aktormodule 10, 11, 12 und maximaler Ansteuerung der einzelnen Stapelaktoren 5, 6 der Aktormodule 10, 11, 12 lässt sich zwischen dem Grundkörper 1 des ersten Aktormoduls 10 und den Hebelelementen 3, 9 des dritten Aktormoduls 12 eine Verdreifachung des erreichbaren Bewegungswinkels, also des erreichbaren Stellwinkels, erreichen. Dementsprechend ist bei Verbinden von drei Aktormodulen 10, 11, 12 der Bewegungsbereich der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung um den Faktor 3 vergrößerbar.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung einsichtig ist, können eine Vielzahl an Aktormodulen zur Erzeugung hochdynamischer rotatorischer Bewegungen aneinander gekoppelt werden, wobei bei M aneinander gereihten Aktormodulen eine Vervielfachung des erreichbaren Stellwinkels um den Faktor M erreichbar ist. Die übertragbare Kraft bleibt konstant und die Steifigkeit der Anordnung in Bewegungsrichtung nimmt lediglich um den Faktor 1 durch M ab.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktormoduls einer Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung gezeigt.
Vergleichbar dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das in Fig. 3 gezeigte Aktormodul einen scheibenförmigen Grundkörper 1 aus einem hochfesten elastischen Material mit einer kreissymmetrischen Querschnittsfläche auf. Weiterhin weist das Aktormodul nach Fig. 3 ebenfalls zwei Hebelelemente 3, 9 auf, welche jeweils mittels Festkörpergelenken 2 mit dem Grundkörper 1 verbunden sind. Zudem sind die Hebelelemente 3, 9 ebenfalls achssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnet. Auch liegen die Wirkachsen der Hebelelemente 3, 9 auf einer Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1.
Im Gegensatz zum Aktormodul nach Fig. 1 weist das Aktormodul nach Fig. 3 jeweils zwei piezoelektrische Stapelaktoren 5, 6 pro Hebelelement 3, 9, also insgesamt vier Piezostacks 5, 6, auf. Die zwei, einem Hebelelement 3, 9 zugeordneten Piezostacks 5, 6 sind auf gegenüberliegenden Seiten der entsprechenden Hebelelemente 5, 6 angeordnet und in einzelnen Aktoraufnahmen 4, welche im Grundkörper 1 ausgebildet sind, gelagert. Dabei stehen die Piezostacks 5, 6 jeweils in Wirkverbindung mit den entsprechenden Seitenflächen der zugehörigen Hebelelemente 3, 9. Die jeweils auf eines der Hebelelemente 3, 9 wirkenden und auf gegenüberliegenden Seiten des entsprechenden Hebelelementes angeordneten Piezostacks 5, 6 wirken dabei gegeneinander.
Ist die Anzahl, der pro Hebelelement 3, 9 gegeneinander wirkenden Piezostacks, wie in Fig. 3 gezeigt, mindestens zwei, kann eine zusätzliche Vorspanneinrichtung, beispielsweise durch Federelemente, zur Unterdrückung schädlicher Zugkräfte auf die Piezostacks 5, 6 entfallen. Eine derartige Vorspannung der Anordnung kann beispielsweise durch stoffschlüssiges Verbinden von Piezostack und Aktoraufnahme bei elektrisch erzeugter Verkürzung der Piezostacks während der Montage oder mit von Außen einstellbaren Justierelementen erzeugt werden. Damit kann praktisch der gesamte freie Hub der Piezostacks 5, 6 ausgenutzt werden. Gleichzeitig wird eine thermische Kompensation der Aktoreinrichtung erreicht.
Die gegeneinander wirkenden Piezostacks 5, 6 der einzelnen Hebelelemente 3, 9 nach Fig. 3 sind über die Steuer- und/oder Regeleinrichtung miteinander elektrisch gekoppelt, wodurch beispielsweise eine Längenvergrößerung des Piezostacks 5 und eine Längenverkürzung des Piezostacks 6 durch jeweils gleichsinnige Ansteuerung derselben erfolgt.
Das in Fig. 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ermöglicht folglich die Einsparung zusätzlicher (mechanischer) Vorspannelemente und die Realisierung einer thermischen Kompensation innerhalb der Aktormodule durch die beschriebene Differentialanordnung der Piezostacks.

Claims

1. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mit zumindest einem Aktormodul mit einem Grundkörper (1), zumindest einem Hebelelement (3, 9) und zumindest einem Stellglied (5, 6), wobei der Grundkörper (1) und das Hebelelement (3, 9) im Bereich eines Festkörpergelenkes (2) einstückig miteinander, im übrigen unter Belassung eines Abstandes angeordnet sind, und das Stellglied (5, 6) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Grundkörper (1) und Hebelelement (3, 9) zwischen diesen angeordnet ist.

2. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mehrere, in einer Reihenanordnung angeordnete und untereinander gekoppelte Aktormodule (10, 11, 12), wobei die Hebelelemente (3, 9) der einzelnen Aktormodule (10, 11, 12) mit den Grundkörpern (1) der jeweiligen nachfolgenden Aktormodule (10, 11, 12) mittels Verbindungsmitteln (14) verbunden sind, und wobei die einzelnen Aktormodule (10, 11, 12) mittels Distanzmitteln (13) voneinander beabstandet sind.

3. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine mit dem zumindest einen Stellglied (5, 6) verbundene Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Bestimmung eines Stellwertes und/oder zu einer Ansteuerung des Stellgliedes (5, 6) mit einem Stellwert.

4. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Meßeinrichtung zur Erfassung einer Torsion und/oder Schwingung, wobei die Meßeinrichtung mit der Steuer- und/oder Regeleinrichtung verbunden ist.

5. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) und das Hebelelement (3, 9) aus einem gemeinsamen Halbzeug durch Materialausarbeitung desselben gebildet sind.

6. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) und das Hebelelement (3, 9) aus einem hochfesten Material, insbesondere Stahl, ausgebildet sind.

7. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (1) eine achs- und/oder rotationssymmetrische, insbesondere kreisrunde oder elliptische Querschnittsfläche aufweist.

8. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hebelelement (3, 9) und der Grundkörper (1) mittels zweier schlitzförmiger, vorzugsweise paralleler Ausnehmungen (20) getrennt sind, wobei die Ausnehmungen (20) von einer Außenfläche des Grundkörpers (1) einwärts verlaufen, und das Festkörpergelenk (2) mittels einer Verjüngung des Hebelelementes (3, 9) an einem innenliegenden Ende desselben ausgebildet ist.

9. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Festkörpergelenk (2) in einer Tangentialrichtung des Aktormoduls eine geringe und in einer Axialrichtung desselben eine hohe Steifigkeit aufweist.

10. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (5, 6) in einer Aussparung (4) des Grundkörpers (1) zumindest teilweise aufgenommen und mit demselben stoffschlüssig oder formschlüssig verbunden ist.

11. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Hebelelement (3, 9) mit zumindest zwei Stellgliedern (5, 6) in Wirkverbindung ist, wobei die Stellglieder (5, 6) auf gegenüberliegenden Seiten des Hebelelementes (3, 9) angeordnet sind.

12. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausmaß einer Relativbewegung zwischen dem Hebelelement (3, 9) und dem Grundkörper (1) mittels eines Abstandes zwischen dem Stellglied (5, 6) und dem Festkörpergelenk (2) definiert ist.

13. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellglied (5, 6) längenveränderlich ausgebildet ist und insbesondere einen Piezoaktor, einen piezoelektrischen Stapelaktor, einen magneto- oder elektrostriktiven Aktor, einen elektrischen Antrieb oder einen Arbeitszylinder umfasst.

14. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das als Piezoaktor oder piezoelektrische Stapelaktor ausgebildete Stellglied (5, 6) im montierten Zustand eine Vorspannung aufweist, welche mittels einer, insbesondere elektrisch erzeugten, Verkürzung des Stellgliedes (5, 6) bei einer Montage desselben oder mittels anpassbarer Justierelemente erzeugbar ist.

15. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausmaß einer Relativbewegung zwischen dem Hebelelement (3, 9) und dem Grundkörper (1) mittels einer elektrischen Ansteuerspannung des Piezoaktors oder des piezoelektrischen Stapelaktors regelbar ist.

16. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch zumindest zwei Hebelelemente (3, 9), wobei die Hebelelemente (3, 9) jeweils an einem innenliegenden Ende derselben mittels eines Festkörpergelenkes (2) mit dem Grundkörper (1) verbunden sind.

17. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hebelelemente (3, 9) achssymmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers (1) und/oder punktsymmetrisch bezüglich eines Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers (1) angeordnet sind.

18. Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 16 oder 17, gekennzeichnet durch zwei Hebelelemente (3, 9), welche achssymmetrisch bezüglich der Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers (1) und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers (1) angeordnet sind oder drei Hebelarme, welche sternförmig und punktsymmetrisch bezüglich des Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet sind.

19. Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach zumindest einem der Ansprüche 1 oder 18 als Torsionsaktor zur Kompensation einer auf dieselbe einwirkenden Torsion und/oder Schwingung.

20. Verwendung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass ein erreichbarer maximaler Stellwinkel abhängig von einer Anzahl hintereinandergekoppelter Aktormodule einstellbar ist.