DE19710601C2 - Bewegungsgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bewegungsgenerator entsprechend dem Hauptanspruch, vorzugsweise auf einen Bewegungsgenerator auf der Basis von Piezoaktuatoren.

Der Einsatz piezoelektrischer Linearaktuatoren in Antrieben, Bewegungswandlern u. dgl. ist allgemein bekannt. Derartige Linearaktuatoren dehnen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an ihre Anschlußklemmen vorwiegend entlang ihrer Hauptachse aus und können somit eine Bewegung und Kraftwirkung auf angekoppelte Körper, z. B. auf ein Abtriebsglied oder einen Winkelhebel eines Wegvergrößerungssystems u. dgl. ausüben. Hierbei werden bei geringen Aktuatorwegen große Kräfte übertragen. Die Ansteuerungsfunktionen zur zeitlichen Veränderung des Aktuatorhubes, die letztendlich das Bewegungsgesetz des Abtriebsgliedes bestimmen, werden von einer Steuereinheit generiert und in spannungsentsprechende Stellsignale zur elektronischen Ansteuerung der Aktuatoren gewandelt.

Unter den bekannten Antrieben mit Piezoaktuatoren gibt es Versionen, die nach dem Prinzip der Addition kleiner Schritte arbeiten, welche zu einer Rotation oder Translation eines Körpers führen. Sie weisen in der Regel Reibpaarungen an der Kontaktstelle zwischen dem Abtriebsglied der Antriebseinheit und dem nachfolgenden bewegten Körper auf. Der dabei auftretende Schlupf bewirkt Ungenauigkeiten in der Bewegungs- und Kraftübertragung. Viele Anwendungen sind bekannt, die im Nano- bzw. Mikrometerbereich eine hochgenaue Verschiebung von Körpern ermöglichen oder eine Verstellbewegung rotatorischer und translatorischer Art erzeugen.

Bekannt sind auch Antriebsversionen, bei denen ein piezoelektrisches Element seine, durch eine hochfrequente Spannung erzeugte, Schwingung auf ein kontaktiertes Abtriebselement überträgt (z. B. DE 37 03 676 A1, DE 38 33 342 A1). Diese Abtriebsbewegung kann sowohl translatorischer als auch rotatorischer Art sein. Die zu erzeugende Schrittbewegung kann auch durch wechselseitiges Ansteuern von piezoelektrischen Klemm-Schub-Vorrichtungen erfolgen. Dabei ist es auch möglich, die Antriebsrichtung zu verändern (DE 38 25 587 A1, DE 40 38 020 A1, DE 43 29 163 A1, US 5,332,942, US 5,319,257).

Für Rotationsmotoren ist auch die Bezeichnung Ultraschallmotor und Schwingungsmotor auf dem breiten Gebiet der piezoelektrischen Antriebe geprägt worden, wenn die Bewegung auf hochfrequenten Schwingungen von Piezoaktuatoren basiert.

Dieses Schwingungsübertragungsprinzip ist bei Anwendungen unter Nutzung von Kraft- bzw. Reibschluß sehr häufig variiert worden, was die Beispiele DE 40 02 254 A1, DE 42 28 312 A1, DE 42 43 323 A1, DE 43 30 032 A1, US 5,103,128, WO 93/19494 nachhaltig belegen. Nachteilig ist dabei sehr oft die schon erwähnte Ungenauigkeit der Bewegungsübertragung und die geringe Güte der Kraftübertragung, was bei den Patenten DE 41 27 163 A1, WO 92/10874, WO 94/07271 zur Substitution der Reibpaarung durch eine formschlüssige Paarung (z. B. Verzahnung) führte.

Im Patent US 5,068,565 werden beispielsweise die geringen Auslenkungen von mehreren piezoelektrischen Linearaktuatoren mit jeweils zugeordneten Mechanismen vergrößert, bevor diese zum Antreiben eines im Gestell gelagerten Rotors genutzt werden. Bei dieser Lösung, bei welcher der Rotor nur Drehbewegungen um eine gestellfeste Lagerachse ausführen kann, kommt in der jeweiligen Kontaktstelle zwischen Mechanismus und Rotor eine kraftschlüssige Verbindung zur Anwendung.

Einen neuen Gedanken zur Erzeugung einer rotierenden Abtriebsbewegung eines Körpers zeigt die DE 195 38 978 C1 mit einer räumlichen Anordnung dreier Stapelaktuatoren, die über eine Taumelscheibe ein Innenzahnrad kontinuierlich zur Rotation bringen. In diesem Fall ist die Kontaktstelle vorzugsweise formschlüssig ausgeprägt.

Als weitere Versionen piezoelektrischer Antriebe sind auch Membranpumpen bekannt, bei denen zur Generierung von Schwing- oder Schwenkbewegungen piezokeramische Aktuatoren auf einen Hebel wirken, der über Zwischenelemente eine Membran antreibt (DE 39 26 348 C2). Eine Hebelwirkung liegt auch der Balligabrichteinrichtung mit piezoelektrischem Antrieb nach DE 41 43 162 A1, der Werkzeugschneiden-Verstelleinrichtung nach DE 44 01 496 A1, der Punktschweißzange nach DE 43 02 457 A1, einer optischen Stellschraube nach US 5,410,206 und einem Laserscannerantrieb nach WO 90/13842 zugrunde. Ein verstellbarer Hebel, als eine piezogesteuerte Weiche für ein Münzgerät angewendet, ist in DE 42 35 652 A1 beschrieben worden, welcher nur zwei Stellungen realisieren muß.

Mehrteilige Mechanismen zur Vergrößerung der Aktuatorausdehnungen und zur Generierung von Schwenk- bzw. Winkelbewegungen sind beispielsweise mechanische Grundlage für den Verschiebungsverstärkungsmechanismus nach US 5,270,984, den Druckkopf nach US 4,976,553, den Drahtantriebsmechanismus nach WO 91/06429 und die Poliervorrichtung nach EP 393615 A1. Die allgemeine Bewegung eines Gelenkrahmenkoppelpunktes als Punkt der Bohrstange einer Feinbohrarbeitsspindel zeigt DE 43 12 937 A1. Hierbei wird vom Koppelpunkt nur ein kleiner Abschnitt einer Koppelkurve abgefahren.

Der angeführte Stand der Technik zeigt, daß eine große Zahl von Bewegungsgeneratoren entwickelt wurde. Deren mechanische Struktur und elektrische Ansteuerung ist jedoch jeweils für einen speziellen Bewegungsablauf des Abtriebsgliedes ausgelegt, z. B. ausschließlich für eine Rotation bzw. Schwingbewegung in einer Ebene oder ausschließlich für eine geradlinige Translation in einer Ebene. Der funktionelle Anwendungsbereich dieser Bewegungsgeneratoren ist somit relativ begrenzt. Insofern mangelt es an Lösungen, bei denen das Abtriebsglied innerhalb eines Aktionsbereiches, der durch das Längenänderungsvermögen der Aktuatoren bestimmt ist, einen im wesentlichen frei programmierbaren ebenen Bewegungsablauf ausführen kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen multifunktionell einsetzbaren, vorzugsweise piezoelektrisch angetriebenen Bewegungsgenerator zu schaffen, mit welchem sich wahlweise an dessen Abtriebsglied unterschiedliche Bewegungen über anzusteuernde Aktuatoren erzeugen lassen.

Mit der Erfindung soll also ein Bewegungsgenerator geschaffen werden, dessen Abtriebsglied innerhalb des von den Aktuatoren bestimmten Aktionsbereiches eine im wesentlichen frei programmierbare ebene Bewegung ausführen kann, so daß es z. B. wahlweise um ein Zentrum schwingt oder rotiert oder eine Translation ausführt. Die Translationsbewegung des Abtriebsgliedes soll dabei entlang einer geschlossenen Kurve erfolgen, so daß die Bewegung wiederkehrend ist. Die geschlossene Kurve soll allgemein (für eine Kurvenschiebung), kreisförmig (für eine Kreisschiebung), dreiecksförmig (für eine in Abschnitten erfolgende Geradschiebung) vorgebbar sein. Bei dem zu schaffenden Bewegungsgenerator sollen zusätzlich die Verwendung kraftschlüssiger Verbindungen bei der Bewegungs- und Kraftübertragung und damit deren bekannte Nachteile vermieden werden.

Insbesondere soll mit der Erfindung die Aufgabe gelöst werden, den Bewegungsablauf eines zwangsläufig in einer Ebene bewegten Abtriebsgliedes allein durch Änderung der Ansteuerungsfunktionen der Aktuatoren von einer Rotation bzw. Schwingbewegung in eine richtungswechselnde, geradlinige Translation, eine Kreisschiebung oder in eine allgemeine ebene Translation um ein vorgebbares Symmetriezentrum zu ändern. Im Rahmen dieser Aufgabe sollen zur Hubvergrößerung der verwendeten Aktuatoren an sich bekannte Wegvergrößerungssysteme zugelassen sein, insbesondere Wegvergrößerungssysteme, die für piezoelektrische Aktoren in Stapelbauweise geeignet sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Lösungsgedanke besteht demnach darin, außer drei als Führungspunkte wirkende Verbindungen mit drei radialsymmetrisch angeordneten Antriebseinheiten, die ansteuerbare Aktuatoren enthalten, keine weiteren Verbindungen zu anderen Baugruppen des Bewegungsgenerators zuzulassen, insbesondere das Abtriebsglied nicht im Gestell mittels einer Welle zu lagern.

Damit ist der erfindungsgemäße Bewegungsgenerator in der Lage, die jeweils zeitlich versetzte lineare Längenänderung von drei Aktuatoren in eine geschlossene Bewegungskurve eines Punktes eines nicht im Gestell gelagerten Abtriebsgliedes zu wandeln, die bei entsprechenden Ansteuerungsfunktionen eine in drei Abschnitten geradlinige Translation oder Kurvenschiebung bzw. Kreisschiebung sein kann. Bei gleicher Ansteuerung ohne Zeitversatz ergibt sich eine Schwingbewegung, bei beliebiger, nicht gleicher Ansteuerung eine allgemeine Bewegung des Abtriebsgliedes.

Gegenüber dem Stand der Technik kommt demnach die Erfindung mit lediglich drei radialsymmetrisch angeordneten Antriebseinheiten aus, wodurch sich der Aufwand für die mechanischen Komponenten, für die Steuereinheit und für die Ermittlung der Ansteuerfunktionen in Grenzen hält.

Ein weiterer Vorteil resultiert aus der Tatsache, daß das Abtriebsglied erfindungsgemäß nicht im Gestell gelagert ist, so daß seine Position ausschließlich durch die Position seiner als Führungspunkte wirkende Verbindungen mit den drei Antriebseinheiten bestimmt wird. Dadurch lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Bewegungsgenerator sehr unterschiedliche Bewegungsabläufe des Abtriebsgliedes realisieren, ohne Änderungen an mechanischen Baugruppen vornehmen zu müssen. Dadurch entsteht für die Erfindung ein wesentlicher Kostenvorteil gegenüber Lösungen, bei denen eine Änderung der Bewegungsabläufe nur durch Auswechseln mechanischer Baugruppen möglich ist.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die längenveränderlichen Aktuatoren als vorgespannte, piezoelektrische Linearaktuatoren gleicher Größe und Bauart ausgeführt. Jedoch sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen andere Aktuatoren-Typen vorgesehen sind, z. B. pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Aktuatoren oder auch Aktuatoren mit thermisch bedingten Längenänderungen.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Abtriebsglied als Werkzeug oder Werkzeughalter ausgebildet. Eine derartige Variante ist u. a. zum Schleifen und Polieren von Flächen geeignet. In diesem Fall kann es z. B. zweckmäßig oder erforderlich sein, daß der Schleifkörper gegenüber der zu schleifenden Fläche eine reine Rotation oder eine allgemeine Bewegung (exzentrische Bewegung) bei einem Flächenschleifprozeß ausführt, um das Schleifbild gezielt zu beeinflussen. Diese Forderung ist durch die Wahl der Ansteuerungsfunktionen der drei Aktuatoren sehr einfach zu realisieren.

Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit und ihre Vorteile ergeben sich unmittelbar aus den Unteransprüchen.

Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, in denen als Antriebe piezoelektrische Aktuatoren verwendet werden. Die Ausführungsbeispiele beinhalten daher auch Wegvergrößerungssysteme, um die Wege der Aktuatoren für diese technische Aufgabe zu vergrößern und den Generator vielseitig einsetzbar zu gestalten. In den zugehörigen Zeichnungen, die insbesondere das wesentliche kinematische Prinzip zum Verständnis des erfinderischen Gedankens beinhalten, zeigen

Fig. 1a ein Beispiel für die linearen Ansteuerfunktionen zur Erzeugung einer reinen Translation des Abtriebsgliedes

Fig. 1b die Bahn des Abtriebsgliedes bei einer reinen Translation aufgrund der Ansteuerfunktionen gem. Fig. 1a

Fig. 1c ein Beispiel für lineare Ansteuerfunktionen zur Erzeugung einer Schwingbewegung des Abtriebsgliedes

Fig. 1d die Position des Abtriebsgliedes zu zwei Zeitpunkten bei einer Schwingbewegung aufgrund der Ansteuerfunktionen gem. Fig. 1c

Fig. 2-5 schematische Darstellungen verschiedener Varianten der mechanischen Struktur des Bewegungsgenerators mit integrierten Wegvergrößerungssystemen

Fig. 6 eine schematische Darstellung der mechanischen Struktur des erfindungsgemäßen Bewegungsgenerators mit einem als Zahn- oder Reibrad ausgebildeten Abtriebsglied

Fig. 7 eine schematische Darstellung der mechanische Struktur des erfindungsgemäßen Bewegungsgenerators mit einem als Schleiffläche ausgebildeten Abtriebsglied

Fig. 1a zeigt den Verlauf des Aktuatorhubes h für drei identische lineare Ansteuerungsfunktionen, die um 1/3 ihrer Periodenzeit T phasenversetzt sind. Fig. 1b zeigt die zugehörige dreiecksförmige Bahn eines Punktes des somit translatorisch bewegten Abtriebsgliedes 5 des Bewegungsgenerators.

Um diese Bewegungszyklen ständig wiederholbar abfahren zu können, sind die geschlossenen Bahnen der Translationsbewegung in drei aufeinanderfolgenden Abschnitten deckungsgleich aber jeweils um 120 Grad versetzt angeordnet. Dieses gelingt mit drei Geradenabschnitten, so daß die geradlinige Translation dreiecksförmig wird. Die Ansteuerfunktionen der Aktuatoren können aber auch so gewählt werden, daß das Abtriebsglied auf drei gleichen Kreisbögen bewegt wird, also einem Kreis, wodurch sich eine Kreisschiebung ergibt oder auf drei allgemeinen Kurven, so daß eine allgemeine Translation entsteht.

Diese allgemeine Kurvenform muß nicht stetig sein, sie kann z. B. einen Polygonzug darstellen. Die möglichen Kurvenpunkte müssen nur durch die Aktuatorlängen h erreichbar sein. Da der Akuatorhub h bekanntlich sehr klein ist, wird die Bewegung des Abtriebsgliedes 5 die beschriebenen Bahnen im Mikrometerbereich ausführen, wenn keine technische Möglichkeit der Wegvergrößerung vorgesehen ist.

Als Spezialfall ergibt sich für drei gleiche lineare Ansteuerungsfunktionen ohne Phasenverschiebung (Fig. 1c) eine Schwingbewegung des Abtriebsgliedes 5 um das Symmetriezentrum 20.

Fig. 2 bis Fig. 5 zeigen Möglichkeiten der Integration von Wegvergrößerungssystemen in diesen Bewegungsgenerator 1. Sie stellen die Lösungen dar, welche die gleiche Anzahl von Gliedern verwenden, sich aber in ihrer Struktur grundsätzlich unterscheiden und mit drei voneinander unabhängig betreibbaren Aktuatoren eindeutige Bewegungen erzeugen.

Die übereinstimmende Funktion der in Fig. 2 bis 5 gezeigten Varianten des erfindungsgemäßen Bewegungsgenerator besteht darin, die spannungsangeregte, jeweils zeitlich versetzte lineare Längenänderung von drei Aktuatoren in eine geschlossene Bewegungskurve eines Punktes eines nicht im Gestell gelagerten Abtriebsgliedes zu wandeln, die bei entsprechenden Ansteuerungsfunktionen eine in drei Abschnitten geradlinige Translation oder Kurvenschiebung bzw. Kreisschiebung sein kann. Bei gleicher Ansteuerung ohne Zeitversatz ergibt sich eine Schwingbewegung, bei beliebiger, nicht gleicher Ansteuerung eine allgemeine Bewegung des Abtriebsgliedes.

Der erfindungsgemäße piezoelektrisch angetriebene multifunktionelle Bewegungsgenerator 1 (Fig. 2 bis Fig. 5) weist als besonderes technisches Merkmal drei Aktuatoren 2 bis 4 auf, die um 120° bezüglich des Symmetriezentrums 20 gleichmäßig versetzt angeordnet sind und über Winkelhebel 10 bis 12 und Koppelglieder 13 bis 15 auf einen Abtriebskörper 5 einwirken, wobei der bewegliche Kontakt an den Berührungsstellen mit den Aktuatoren, einschließlich der Abstützstellen im Gehäuse 6, durch Federn 7 bis 9 gewährleistet wird. Der Abtriebskörper 5 wird durch diese Koppelglieder im Gehäuse 6 eindeutig zwangsläufig geführt. Die drei Aktuatoren 2 bis 4 werden mittels der hier nicht dargestellten Steuereinheit unabhängig voneinander mit Hilfe spannungsproportionaler Ansteuerung angetrieben, ohne daß Zwängungen im Antriebssystem des Bewegungsgenerators 1 auftreten. Bei elektronischer, auch unterschiedlicher, Spannungsansteuerung der Aktuatoren 2 bis 4 ergibt sich eine entsprechende Längeneinstellung derselben, die das Abtriebsglied 5 eindeutig bezüglich des definierten Symmetriezentrums 20 im Gehäuse 6 positionieren.

Sind die Aktuatoren 2 bis 4 identisch, gleichmäßig angeordnet und ihre Ansteuerungsfunktionswerte zu jedem Zeitpunkt verändert, aber übereinstimmend vorgegeben, so wird der Körper 5 eine Schwingbewegung um das Symmetriezentrum 20 ausführen (vgl. Fig. 1d).

Sind die Aktuatoren 2 bis 4 identisch oder unterschiedlich, beliebig oder gleichmäßig angeordnet und ihre Ansteuerungsfunktionswerte unterschiedlich vorgegeben, so wird der Körper 5 eine allgemeine Bewegung ausführen.

Sind die 3 Aktuatoren 2 bis 4 identisch, gleichmäßig angeordnet und ihre gleichen Ansteuerungsfunktionswerte um 1/3 ihrer Periodenzeit phasenversetzt, so wird der Körper 5 eine Translation ausführen. Die Ansteuerungsfunktion selbst entscheidet, ob sich eine geradlinige, kreisförmige oder allgemeine Translation ergibt.

Fig. 6 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem das Abtriebsglied 5 bei einer realisierten Kreisschiebung als Zahn- oder Reibrad ausgebildet ist, so daß es in einem Innenrad 16 ablaufen kann, welches im Symmetriezentrum 20 mit einem Wälzlager 17 im Gehäuse 6 des Bewegungsgenerators 1 gelagert ist und dieses Innenrad ständig rotatorisch antreibt. Der Bewegungsgenerator 1 wird dazu mit dem Spannzapfen 18 festgehalten.

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Nutzung des Abtriebsgliedes 5 mit einer Schleiffläche 19 in einer Schleifeinrichtung mit einstellbarem Schleifbild.

Claims (4)

1. Bewegungsgenerator, bestehend aus drei um je 120° radial symmetrisch zu einem Symmetriezentrum (20) in einer oder mehreren parallel zueinander liegenden Ebenen angeordneten Antriebseinheiten, die auf ein eine ebene Bewegung ausführendes gemeinsames Abtriebsglied (5) wirken, bei dem jede Antriebseinheit einen längenveränderlichen Aktuator wie Piezoaktoren u. dgl. sowie eine Schnittstelle als Führungspunkt für das Abtriebsglied aufweist und die von einer Steuereinheit nach vorgebbaren Funktionen gesteuerten Längenänderungen der Aktuatoren unmittelbar oder über je ein jedem Aktuator zugeordnetes Wegvergrößerungssystem Lageänderungen der Führungspunkte der Antriebseinheiten bedingen, wobei die Lageänderungen der Führungspunkte in einer oder mehreren parallel zueinander liegenden Ebenen erfolgen, wobei das Abtriebsglied (5) ausschließlich in den als kraft- und bewegungsübertragende formschlüssige und/oder feststoffliche Gelenke ausgebildeten Führungspunkten der Antriebseinheiten für das Abtriebsglied gelagert ist, so daß jeder Punkt dieses Abtriebsgliedes (5) innerhalb des vom Längenänderungsvermögen der Aktuatoren (2; 3; 4) abhängigen Aktionsbereiches der Antriebseinheiten frei positionierbar ist.

2. Bewegungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsglied (5) als Zahnrad oder Reibrad ausgebildet ist und mit einem im Symmetriezentrum (20) gelagerten Innenzahnrad oder -reibrad (16) im Eingriff steht, wobei die von der Steuereinheit erzeugten Ansteuerungsfunktionen der drei Aktuatoren (2; 3; 4) vorzugsweise eine Kreisschiebung um das Symmetriezentrum bewirken, so daß das Innenzahnrad oder - reibrad eine Rotation ausführt.

3. Bewegungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsglied (5) antreibender Teil eines Richtgesperres/Freilaufes ist, wobei die von der Steuereinheit erzeugten Ansteuerungsfunktionen der drei Aktuatoren (2; 3; 4) bezüglich Amplitude und Phase identisch sind.

4. Bewegungsgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtriebsglied (5) ein in seiner Form angepaßter antreibender Teil einer Zahnstange oder einer mit einem Reibbelag versehenen Stange ist und diese fortlaufend translatorisch bewegt.