DE19746609A1 - Rotatorischer, translatorischer Piezoantrieb - Google Patents
Rotatorischer, translatorischer PiezoantriebInfo
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
- H02N2/02—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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- H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
- H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors
Landscapes
- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
- Transmission Devices (AREA)
Description
Piezoantriebe an sich sind bekannt. Der Piezo wird dabei einmal
direkt als Vorschubelement verwendet d. h. sein Längenänderungs
verhalten, von ca. 1 bis 1,8 ‰ beim Anlegen einer elektrischen
Spannung von ca. 60 Volt an die Kristalle der piezoeffektfähigen
Keramik, wird als Hub verwendet. Bei der direkten Hubbetätigung
ergeben sich nur sehr geringe Hübe, daher wird das Hubverhalten
zum anderen auch in Schritten auf zu bewegende Maschinenteile
übertragen, z. B. wie in der Patentanmeldung P 4423155.5. Letzte
res verursacht ein in der Betätigungsfrequenz dauerndes Hämmern
an den Oberfläche der zu bewegenden Teile und der Kontaktfläche
des Piezomoduls in Verbindung mit einem reibschlüssigen Schie
ben.
Diese Kontaktflächenprobleme sollen mit der vorliegenden Lösung
gemildert werden.
Der hier zugrunde liegende Rotationsantrieb stützt sich auf Er
fahrungen mit einem bestehenden, vielfach angewendetem Unter
setzungsgetriebe, dem Harmonic-drive-Getriebe. Bei diesem Ge
triebe wird ein verzahntes, elastisches Teil durch ein rotie
renden Excenter in ein feststehendes, ebenfalls mit einer dif
ferenten Zähnezahl versehenes Maschinenteil gedrückt, wobei die
in der Regel starke Untersetzung einer Antriebsdrehzahl er
reicht wird.
Die um das Drehzentrum der getriebenen Welle 32 angeordneten
Piezos 1 bis 30 befinden sich in einem unterschiedlichem Aus
dehnungszustand zwischen L = max = Piezo 1, L = min = Piezo 16
wobei Piezo 2 bis 15 auf dem Weg zur Minimallänge sind und 17
bis 30 auf dem Weg zur Maximallänge. Bei dieser Betätigung er
gibt sich eine Rechtsdrehung. Die elektrische Betätigung der
einzelnen Piezos ist innerhalb eines Zyklus um 1/30 phasenver
setzt entsprechend der hier gewählten Anzahl von 30 Piezos.
Geht man davon aus, daß das Teil 32 z. B. 300 Zähne hat und das
Teil 31 306 Zähne, ist zu erkennen das das Lmax von Piezo 1 zu
30, 29 usw. wandert also in einer Linksrichtung. Dadurch wird
z. B. der Zahn Nr. 150 des Teiles 31 der sich etwa unter den Pie
zos 17/16 befindet nach 14/30 Zyklus in die Zahnlücke 150 des
Teils 32 gedrückt, die sich z.Z. unter dem Piezo 16 befindet und
damit einen Weg von etwa 1% des Umfangs zurückgelegt hat. Nach
einem voll ständigem Zyklus hat das Teil 32 sich um 6 Zähne ver
dreht, damit benötigt es 50 Zyklen für eine Umdrehung. Bei ei
ner Betätigungsfrequenz von 1 kHz macht die Welle also 20 Umdre
hungen pro Sekunde d. h. 1200 min⁻1.
Bei einer Zähnezahldifferenz von 2 (o. teilbar durch 2) kann
die Betätigung auch mit 2 0-Punkten z. B. bei Piezo 1 und 6 be
gonnen, und bei den Piezos 2-5 und 7-10 fort gesetzt werden.
Dabei arbeiten immer 2 Piezos parallel, was das Drehmoment ver
doppelt und die Umfangsgeschwindigkeit halbiert. Siehe dazu
auch Fig. 1b mit Betätigungsfrequenzen. Bei einem schwergängigen
Anlauf kann diese Arbeitsweise auch hintereinander geschaltet
werden durch entsprechende Frequenzsteuerung.
Bei dem Linearantrieb ist der Funktionsablauf ähnlich. Zählt man
zu einem Block 15 Piezos und legt fest, daß der Piezo 42 der
erste mit z.Z. L = max ist und Piezo 56 der letzte mit L = min
ist, die Teilung T = 1,02 mm und t = 1 mm ist, ist nach der reihen
weisen Betätigung innerhalb eines Zyklus = 1 Frequenzdurchgang/Block
die Welle um 15 × 0,02 mm = 0,3 mm weiterbewegt. Ist der Pie
zo 56 auf Lmax ist gleichzeitig der Piezo 42 auf Lmin. Bei einer
Frequenz von 1 kHz entspricht das einer Vorschubgeschwindigkeit
von 300 mm/s. Die Umkehrung der Betätigungsrichtung von Lmax in
Richtung Lmin kehrt die Bewegungsrichtung um. Es ist auch mög
lich 57 mit der gleichen Teilung auszustatten wie 58. In diesem
Fall muß der Zahn 1 von 57 in die Lücke 1 des Teils 58 greifen
und z. B. der Zahn 100 in die Lücke 99, so daß durch die flexi
ble Gestaltung des Teils 57 dieses eine beulenartige Welle mit
einem Zahnüberschuß über dem Teil 58 bildet.
Für beide Antriebsarten läßt sich ein Inkrementalgeber er
setzen durch die Zählung der Zyklen und der Teilzyklen (Beim
Rotationsantrieb = 30 Teilzyklen beim Translationsantrieb 15
Teilzyklen) zwischen Start und Stop der Bewegung.
Grundsätzlich können beide Antriebsarten auch ohne Zähne ausge
führt werden, wobei man dann allerdings auf einen Reibschluß
angewiesen ist und mit Schlupf zu rechnen ist, was eine Verwen
dung der Ansteuerung der einzelnen Piezos als Wegreferenz aus
schließt.
Da dieser Antrieb prädestiniert ist für hohe Leistungen und ho
he Umfangsgeschwindigkeiten sind Kraft-Weg-Geber erforderlich
die für die Realisierung einer Verzahnung mit Zahnhöhen von ca.
0,3-0,8 mm einen Hub bis ca. 1 mm ausführen können bei einer ver
tretbaren Hubkraft. Desweiteren müssen sie eine Bauform haben,
die die Unterbringung einer möglichst hohen Anzahl am Umfang
oder in einer Reihe an der Seite des zu bewegenden Maschinen
teils zulassen. Die beiden CMA's, im Rahmen des Makro-Piezo-
Hubelements, kurz MPH, erzeugen eine Kraft in Richtung "P", die
entsprechend des Winkel "a" in eine Kraft "P-resultierend" um
gesetzt wird auf einem Weg der ebenfalls entsprechend des Win
kels "a" übersetzt wird von ca. 10 : 1 bis 30 : 1. Die CMA's sind
dabei in Festkörperdrehpunkten gelagert. Bei der Verwendung von
zwei CMA's 38 × 8 × 2 mm, einer handelsüblichen Bauform, kann ein
Hub von ca. 1 mm bei einer Kraft von ca. 80 N mit einer Spannung
unter 100 Volt erzeugt werden durch das MPH gemäß Fig. 3.
Claims (2)
1. Rotatorischer, translatorischer Piezoantrieb dadurch gekenn
zeichnet, daß ein elastisches, ortsfest abgestütztes Zahnele
ment (31) und (57) in ein rotatorisch (32) oder translatorisch (58)
verzahntes, getriebenes Element eingreift und beim rotatori
schen Antrieb mit gleicher Teilung jedoch mit ca. 2% differenter
größerer Zahnanzahl und beim translatorischen Antrieb mit einer
ca. 2% größeren Teilung ausgestattet als das getriebene Element
und bei diesem eine Dreh- oder Translationsbewegung erzeugt,
indem durch die am Umfang ebenfalls ortsfest abgestützten Pie
zos in schneller Folge immer ein Zahn nach dem anderen des ela
stischen Zahnelements zum Eingriff in das getriebene Element
gebracht wird und dieses in Bewegung versetzt wird im Rotati
onsfall durch die Zähnezahldifferenz nach Durchlauf aller Pie
zos um ca. 2% des Umfangs und im Translations-Fall um ca. 2% der
Blocklänge aller Piezos die in einer Blocklänge zusammengefaßt
sind.
2. nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung durch ein
Makro-Piezo-Hubkraftelement, kurz MPH gemäß Fig. 3 verwendet
wird, das durch die im Winkel (a) aufeinander wirkenden CMA's
eine ca. 10-30fache Hubvergrößerung erzeugt und von der Kon
struktion her eine äußerst schmale Bauweise zuläßt, die eine
hohe Packungsdichte an der Betätigungsposition zur Erzeugung
hoher Leistungen ermöglicht.
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