DE19746609A1

DE19746609A1 - Rotatorischer, translatorischer Piezoantrieb

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Publication number: DE19746609A1
Application number: DE19746609A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1997-10-22
Publication date: 1999-03-11
Also published as: DE19820514A1; DE19820514C2

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.

Funktionsablauf Fig. 1

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 L_max 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.

Funktionsbeschreibung Fig. 1a und 1b

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.

Funktionsablauf Fig. 2

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 L_max ist gleichzeitig der Piezo 42 auf L_min. Bei einer Frequenz von 1 kHz entspricht das einer Vorschubgeschwindigkeit von 300 mm/s. Die Umkehrung der Betätigungsrichtung von L_max in Richtung L_min 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.

Funktionsbeschreibung Fig. 3

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

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.