DE2545743B2 - Stellglied - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellglied nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Auf den Gebieten der Optik und der Meß- und Regeltechnik bestehen vielfältige Anwendungen für mechanische Stellglieder z. B. beim Einstellen der Achse eines Laserstrahles, beim Einrichten eines Objektträgers beim Mikroskopieren, oder anderen Justier- und Regelvorgängen, die hohe Genauigkeit, bei hoher Stelifrequenz und großen Hüben erfordern.

Zur Erfüllung dieser Erfordernisse ist es bekannt (HEPL-660, International Conf. on Multiply-Charged Heavy Jon Sources and Accelerating Systems, Gatlingburg, Tenn. Oct. 25—28, 1971), spannungsgesteuerte Dehnungskörper-Elemente in Serie zu schalten, um den Hub zu vergrößern. Die Nachteile dieser Einrichtung bestehen insbesondere darin, daß deren geometrische Abmessungen mit wachsendem Hub zwangsläufig zunehmen. Daraus erwachsen bei der technischen Realisierung konstruktive Schwierigkeiten und bei der Anwendung zusätzliche Probleme. Die erreichbare Grenzfrequenz und damit die Stellgeschwindigkeit werden begrenzt, weil die bei hohen Frequenzen und großen Hüben auftretenden Massenkräfte zur Zerstörung des Huberzeugers führen. Bei größeren Baulängen des Huberzeugers wird außerdem eine größere Querschnittsfläche notwendig, wenn größere Stellkräfte übertragen werden müssen, um das Knicken zu verhindern.

Um größere Hübe zu realisieren wird bei einer anderen bekannten Einrichtung der erfindungsgemäßen Art ein elektromechanisches Stellglied mit einem spannungsgesteuerten Dehnungskörper in der Weise kombiniert, daß der elektromechanische Teil der Einrichtung eine großen Hub grob einstellt und der spannungsgesteuerte Dehnungskörper die Feineinstellung bewirkt. Diese Einrichtung hat insbesondere den Nachteil, daß das elektromechanische, aas Motor und Getriebe bestehende Regelsystem nur langsam und nicht spielfrei arbeitet.

Aus der DT-PS 2 30 889 ist ein Thermostat bekannt, der mit zwei bandförmigen Federn bei Temperaturänderung einen Hub erzeugt, der durch eine dritte, an beiden Enden bewegbar gelagerte bandförmige Feder als Wegtransformator vergrößert wird. Der Hub wird durch eine temperaturabhängige Längenänderung erzeugt, die nur mit einer Zeitverzögerung und relativ langsam ablaufen kann, so daß mit dieser Einrichtung höhere Stellfrequenzen nicht realisiert werden können.

Ein anderer aus der DT-OS 17 97 014 bekannter Huberzeuger ist elektrisch steuerbar und arbeitet mit einem elektrisch beheizbaren Bimetallstreifen. Diese Einrichtung ist wegen der erforderlichen Umwandlung elektrischer in Wärmeenergie und deren Umsetzung in eine Längenänderung im wesentlichen mit den gleichen Nachteilen behaftet und kann ebenfalls nur mit kleinen Stellfrequenzen arbeiten. Auch die aus der DT-OS 19 61794 bekannte spiralförmige Thermobimetallanordnung arbeitet als über einen Heizdraht elektrisch steuerbarer Huberzeuger mit Hilfe zeitgleicher temperaturabhängiger Längenänderungen unterschiedlicher Größe. Die mit dieser Einrichtung erreichbaren Stellfrequenzen liegen ebenfalls in einem niederfrequenten Bereich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektromechanisches Stellglied zu entwickeln, bei dem die Nachteile bekannter Stellglieder der erfindungsgemäßen Art beseitigt sind, insbesondere große Hübe mit hoher Stellfrequenz und großer Hubgenauigkeit realisiert werden können und gleichzeitig ein einfacher, betriebssicherer Aufbau bei kompakter Bauweise möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 beschriebene Anordnung gelöst.

Dabei besteht der elektrisch steuerbare Dehnungsoder Biegekörper des Huberzeugers aus piezoelektrischem oder magnetostriklivem Material. Der Hebel des Wegtransformators ist zur Kraftübertragung in einer Richtung, also zum Erzeugen von Druck oder Zug, einarmig und zur Kraftübertragung in zwei einander entgegengesetzten Richtungen, also zum alternierenden Erzeugen von Druck und Zug, zweiarmig ausgebildet. Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, an jedem

Arm des zweiarmigen Hebels mindestens einen Huberzeuger anzuschließen.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Stellgliedes nach der Erfindung zum Vergrößern des Hubes besteht der Wegtransformator aus einem oder meiireren s Lagern und zwei oder mehreren Hebeln, die über Stege spielfrei miteinander verbunden sind. Die Spielfreiheit der Einrichtung wird auch dadurch sichergestellt, daß Huberzeuger und Wegtransformator in einen gemeinsamen Rahmen eingespannt sind und daß für jeden Huberzeuger im Oberteil des Rahmens ein Gewindestift zum Einstellen einer mechanischen Vorspannung angeordnet ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß große Hübe auch in zwei einander entgegengesetzten Richtungen mit großer Stellgenauigkeit bei absoluter Spielfreiheit und hoher Stellfrequenz erreicht werden. Dabei kann mit einem einfachen elektromechanischen Antriebssystem gearbeitet werden, das nur eine kleine Zahl von Piezoelementen benötigt, so daß in Verbindung mit dem blockförmig aufgebauten, vollkommen spielfrei konzipierten mechanischen Wegtransformator eine sehr kompakte Bauweise möglich ist. Der erfindungsgemäße Aufbau erfordert nur geringe Herstellungskosten und ist völlig wartungsfrei und verschleißfrei. Die Einsetzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Stellgliedes werden auch dadurch wesentlich erweitert, daß dessen Funktionsfähigkeit auch bei Temperaturen bis in die Nähe des absoluten Nullpunktes und im Hochvakuum voll erhalten bleibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Zwei elektrisch steuerbare Dehnungskörper I₁ 2 sind in einen Rahmen 3 eingespannt und bilden den Huberzeuger 4. Die elektrisch steuerbaren Dehnungskörper 1,2 bestehen jeweils aus mehreren säulenförmig angeordneten Piezokristallscheiben 5, die in Parallelschaltung an eine sich schnell ändernde Wechselspannung U~ < 1000 V geschaltet werden und dabei aufgrund des Piezoeffektes einer Längenänderung unterworfen sind. Die Stirnseiten der Dehnungskörper 1, 2 sind mit Kappen 6, 7 abgeschlossen, die eine Ausfräsung 8 aufweisen zur Aufnahme eines drehmomentfreien Übertragungselementes 9, das z. B. als Kugel oder Rolle ausgebildet sein kann. Die Ausfräsung 8 in der Kappe 7 des Dehnungskörpers 1, das Übertragungselement 9 und die Ausfräsung 8 in einem unterhalb des Pehnungskörpers 1 angeordneten zweiarmigen Hebel 10 bilden eine erste gelenkförmige Verbindung 11, welche den Dehnungskörper 1 mit einem den Hub vergrößernden Wegtransformator 12 verbindet. Der Wegtransformator 12 besteht im wesentlichen aus dem zweiarmigen Hebel 1O₁ der über einen Steg 13 als zweite gelenkförmige Verbindung mit einem Lager 14 spielfrei verbunden ist. Der Drehnungskörper 1 ist in einem vorbestimmten horizontalen Abstand a von der Mitte des Steges 13 an den zweiarmigen Hebel 10 angeschlossen. In gleichem Abstand a ist an den anderen Arm des zweiarmigen Hebels 110 der Dehnungskörper 2 über eine gelenkförmige Verbindung angeschlossen. Der zweiarmige Hebel 10 ist über einen Steg 15 als dritte gelenkförmige Verbindung mit einem anderen zweiarmigen Hebel 16 spielfrei verbunden. Der Abstand zwischen den Stegen 13 und 15 beträgt 3a. Der von dem Steg 13 abgewandte Arm des zweiarmigen Hebels 16 ist im Abstand a von dem Steg 15 über einen weiteren Steg 17 als vierte gelenkförmige Verbindung mit einem Lager 18 verbunden. Der dem Steg 13 zugewandte Arm des zweiarmigen Hebels 16 ist im Abstand 2a von dem Steg 15 mit einer Bohrung 19 versehen, die einen Zapfen 20 aufnimmt. Ein konischer Stift 21 verbindet den zweiarmigen Hebel 16 spielfrei mit dem Zapfen 20, der in eine Hülse 22 eingeschweißit ist. Die Hülse 22 ist mit der Doppelwand 23 eines Hohlraum-Resonators verschweißt, mit der Außenwand 23 des Hohlraumresonators ist ein Sockel 24 verschweißt, mit dem das Stellglied verschraubt ist. Im Oberteil des Rahmens 3 sind Gewindestifte 25 mit Gegenmuttern 26 angeordnet, mit denen die Denungskörper 1, 2 unter einer frei wählbaren mechanischen Vorspannung gehalten werden.

Die Dehnungskörper 1, 2 sind unabhängig voneinander erregbar, so daß bei Verlängerung des Dehnungskörpers 1 über die spielfreie Verbindung 11 und den Wegtransformator 12 ein Zug und bei Verlängerung des Dehnungskörpers 2 ein Druck auf die Resonatorwand 23 ausgeübt wird. Die in dem Ausführungsbeispiel gewählte Hebelanordnung erzeugt an der Resonatorwand 23 einen Hub, der neun mal so groß ist wie der von den Dehnungskörpern 1 und 2 erzeugte Hub von 40 χ 10 ⁶ m bis zu einer Stellfrequenz von einigen KHz. Da die Wand 23 des Hohlniumresonators mit dem erfindungsgemäßen Stellglied sowohl gedrückt als auch gezogen werden kann, ist die Eigenfrequenz des Resonators im doppelten Frequenzbereich feinstufig einstellbar.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Stellglied mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Hubes und mit einem nachgeordneten Wegtransformator zum Vergrößern des Hubes, dessen Huberzeuger aus mindestens einem elektrisch steuerbaren Dehnung«- oder Biegekörper besteht und über eine erste gelenkförmige Verbindung an einen Wegtransformator angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegtransformator (12) im wesentlichen aus mindestens einem Hebe! (10) besteht, der über eine zweite gelenkförmige Verbindung (13) mit einem Lager (14) verbunden ist, daß die erste und die zweite gelenkförmige Verbindung (11, 13) spielfrei ausgebildet ist, daß die zweite gelenkförmige Verbindung (13) aus einem das Lager (14) mit dem Hebel (10) verbindenden Steg (13) besteht und daß das Lager (14), der Steg (13) und der Hebel (10) aus einem homogenen Werkstoff durch Gießen oder spangebende Verformung gebildet ist.

2. Stellglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch sleuerbare Dehnungsoder Biegekörper (1, 2) des Huberzeugers (4) aus piezoelektrischem oder magnetostriktivem Material besteht.

3. Stellglied nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (10) des Wegransformators (12) zur Kraftübertragung in einer Richtung, also zum Erzeugen von Druck oder Zug, einarmig ausgebildet ist.

4. Stellglied nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hebel (10) des Wegtransformalors (12) zur Kraftübertragung in zwei einander entgegengesetzten Richtungen, also zum alternierenden Erzeugen von Druck und Zug, zweiarmig ausgebildet ist.

5. Stellglied nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wegtransformator (12) aus einem oder mehreren Lagern (14,18) und zwei oder mehreren Hebeln (10,16) besteht, die über Stege (13, 15,17) spielfrei miteinander verbunden sind.

6. Stellglied nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Huberzeuger (1, 2) und Wegtransformator (12) in einen gemeinsamen Rahmen (3) eingespannt sind und daß für jeden Huberzeuger (1, 2) im Oberteil des Rahmens (3) ein Gewindestift zum Einstellen einer mechanischen Vorspannung angeordnet ist.