CN117693667A - 定位装置和用于操作这种定位装置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种定位装置(1)，该定位装置(1)具有：定位单元(2)，该定位单元(2)具有至少一个压电致动器(4)；用于与待定位元件(6)耦合的驱动元件(5)；以及控制器(3)。定位装置具有用于检测定位单元(2)中的缺陷的缺陷分析装置(16)，其中，致动器(4)或多个致动器除了用于驱动元件(5)的驱动功能之外，还具有声学超声波的发生器(12)或接收器(13)的功能，并且缺陷分析装置(16)包括用于产生用于激励所述或一个发生器(12)的正弦电压的测量信号发生器(22)和用于分析由所述或一个接收器(13)产生的电信号的共振分析器(24)。本发明还涉及一种用于操作这种用于检测定位单元(2)中的缺陷的定位装置的方法。
Description
技术领域
本发明涉及根据权利要求1所述的一种定位装置和根据权利要求14所述的一种用于操作这种定位装置的方法。
背景技术
压电驱动的定位装置允许在从十分之几皮米到数厘米的区域内进行精细定位。作为调节机构，在这些机械系统中尤其使用压电多层致动器。压电致动器是机电能量转换器，该机电能量转换器的功能原理基于特定晶体在电场影响下的形状变化。致动器由压电单晶、压电单晶陶瓷或压电聚合物复合材料组成。
压电驱动的定位装置还用在高度复杂且因此成本昂贵的设备中，例如光刻机或光学星形望远镜中。多层致动器主要准静态工作，即远低于系统的最低共振；然而，它们与通常在这种定位装置中使用的固态接头那样暴露于恒定的机械应力，通过这些固态接头来实现待驱动元件尤其它们的弹性变形引起的进给。致动器的收缩和膨胀或固态接头的弯曲可以在操作中进行，每秒高达20000次。随着操作时间的增加，在微定位装置的致动器、引导件、接头或其他部件中可能会出现微裂纹、短路、分层或其他缺陷，这可能会对装置的操作产生负面影响，直至完全故障。在这里，定位装置的突然故障通常引起高成本。
上述缺陷中的大多数通常不会突然出现，而是随着时间的推移而发展，从一个仅微小的初始缺陷开始，然后蔓延。每个机械系统都具有特定的共振图像，该特定的共振图像依赖于单个系统部件的形状、几何尺寸、材料特性等。缺陷引起系统的共振图像的变化。之前不存在的共振的出现或者系统中先前存在的共振的变化或消除表明了缺陷的出现。
从US3720098中已知一种借助超声波对物体的材料特性进行无损测量的方法。为此，借助发射器将超声波感应到待检查物体中并且借助接收器测量超声波的传播时间。通过分析在物体中的超声波传播，得出了关于其材料特性的结论。
由O.P.Kellawon、R.Geyer在《IEEE Transactions on Components,Hybrids and Manufacturing Technology(IEEE元件、混合和制造技术汇刊)》1989年第12卷第I期发表的科学文章“Rapid Nondestructive Testing of Ceramic MultilayerCapacitors(陶瓷多层电容器的快速无损检测)”描述了一种用于无损检测多层压电陶瓷电容器中的裂纹、分层或其他缺陷的方法。该方法基于电容器中的超声驻波的激励。使用HP4192A型实验室阻抗分析器执行电容器的阻抗记录。已经表明，多层电容器的阻抗图像中的变化是对电容器中的内部缺陷的证明。
从由C.R.Bowen、M.Lopez-Prieto、S.Mahon、F.Lowrie在Scripta mater，42(2000)，813-818中发表的科学文章《Impedance Spectroskopy of PiezoelectricActuators(压电致动器的阻抗谱)》中已知一种用于无损检测多层压电致动器中的裂纹、分层或其他缺陷的方法。在这里，检查了由于内部缺陷引起的致动器的共振图像中的变化。为此，借助光学和扫描电子显微镜将致动器的阻抗谱与直接测量值进行比较。借助实验室阻抗分析器(Solartron 1260)从致动器谐振的下方到上方执行阻抗记录。已经证实，通过检查压电多层致动器的阻抗，能够快速且无损地识别致动器内的缺陷。
US2010/0013352A1描述了一种用于分析和抑制各种机器例如涡轮机、电机或机器人中的不期望的振动的系统。该系统包括多个压电振动传感器、用于产生振动的致动器以及与传感器和致动器连接的控制器。所测量的振动借助反馈被传输到控制器，然后控制器动态地改变用于致动器的控制信号。为了抑制不期望的振动，控制器根据振动抑制算法控制致动器。
从EP1735586B1中已知一种用于无损检测结构损伤的装置。该装置包括压电传感器和致动器。致动器在待检查结构中产生声波。传感器接收由该结构反射的波。对传感器信号的评估可以推断结构损伤的存在。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够预测或检测定位单元内出现的缺陷的定位装置并且提供一种用于操作这种定位装置以预测或检测该定位单元内的缺陷的方法。这尤其使得能够对定位单元的相应部件在最不利的情况下发生完全故障之前进行及时更换。
根据本发明的定位装置包括定位单元和控制器。定位单元又包括至少一个压电且优选多层的致动器，该致动器用于驱动元件的移动，其中，驱动元件的移动由至少一个致动器的有针对性的机械变形引起，并且驱动元件的移动设置用于驱动或定位待定位元件。
为了将驱动元件的移动传递到待定位元件，设置有在驱动元件和待定位元件之间的耦合。该耦合可以例如是刚性机械连接，使得驱动元件的移动直接转移到待定位元件。然而，该耦合也可以实现为在驱动元件和待定位元件之间的摩擦接触、尤其是间歇摩擦接触，其中，临时地、即在驱动步骤期间，在驱动元件和待定位元件之间存在摩擦接触，并且在该时间段内存在通过摩擦接触的机械耦合。在时间上跟随相应驱动步骤的是一阶段，在该阶段中，驱动元件返回到初始位置，由此准备下一驱动步骤。
在定位单元具有单个致动器的情况下，该致动器除了其驱动功能之外还构成为或设置成用作或充当声学超声波的发生器和接收器两者。在定位单元具有多个即至少两个致动器的情况下，致动器中的至少一个构成为至少用作或充当声学超声波的发生器，并且致动器中的至少另一个构成为至少用作或充当声学超声波的接收器。
换句话说，根据本发明的定位装置或其定位单元仅具有一个压电的且优选多层的致动器，该致动器除了用于移动驱动元件的功能之外还同时充当声学超声波的发生器和接收器并因此集作为驱动器、发生器和接收器三者的功能于一体，或者定位装置或定位单元具有多个、即至少两个压电的且优选多层的致动器，这些致动器中的仅一个或多个或所有除了用于移动驱动元件的功能之外还同时充当声学超声波的发生器和接收器两者。此外，能够实现的是，在定位装置或定位单元具有多个致动器的情况下，致动器中的一个或多个除了驱动功能之外还可以仅充当声学超声波的发生器，并且另一个致动器或多个另外的致动器除了驱动功能之外还仅充当声学超声波的接收器，使得驱动器加发生器和驱动器加接收器的功能被划分为至少两个不同的且在空间上彼此分离的致动器。
当说明书的后续部分或权利要求涉及“一个致动器”或“所述致动器”(即单数)时，这不应理解为限制于单个致动器。更确切地说，单数与术语“致动器”(即“一个致动器”或“所述致动器”)相关联的使用应这样理解或解释，即，与致动器相关的特征仅适用于单个致动器，或者在多个致动器的情况下，适用于其中的全部或仅一部分或其中的仅一个。例如，如果描述了一个致动器的布置，则该布置描述要么即在存在单个致动器的情况下是指就是该单个致动器，要么即在存在多个致动器的情况下是指这些致动器中的一个、这些致动器中的全部或这些致动器中的仅一部分或这些致动器中的仅一个。上述内容同样适用于本文中的术语“发生器”和“接收器”的使用。
除非另有明确说明，否则本文中使用的术语“或”应理解为包含“或”，即非排他性分离。在此方面，例如表述“致动器具有发生器或接收器的功能”在本文中应这样理解，即，致动器具有发生器的功能或接收器的功能，或者致动器具有发生器和接收器两者的功能。
在这里，定位单元中的机械调节机构的功能接管一个致动器或多个致动器，其中，所使用的致动器的数量首先由应用情况来确定。除了调节机构的功能之外，在存在单个致动器的情况下，该致动器除了其驱动功能之外，还具有声学超声波的发生器和接收器两者的功能。在这种情况下，即在存在单个或唯一致动器的情况下，该致动器包括声学超声波的发生器和接收器两者。发生器的功能是产生声学超声波，而接收器的功能是接收声学超声波。
致动器例如布置在固态接头之间并且通过这些固态接头与驱动元件连接或耦合。在此，致动器的移动或变形通过固态接头的弹性变形被传递到驱动元件。
在多层致动器的情况下，该致动器由多个层构成，其中，每个层由两个电极和布置在电极之间的极化压电材料组成。在此方面，还谈到了多层致动器。
控制器包括致动器或定位单元的预设-调节控制器、缺陷分析装置和可选为换向器，由该缺陷分析装置激励声学超声波的发生器，并且由该缺陷分析装置记录和分析声学超声波的接收器的信号。在可选的换向器中，进行在致动器的致动操作(即用于产生其移动或变形)和致动器作为发生器或接收器的感测操作之间的切换。此外，控制器可以具有到具有屏幕的计算机的接口，在该屏幕上可以由人视觉执行缺陷分析。
预设-调节控制器包括用于致动器的功率输出级、轨迹和信号发生器、用于调节定位单元的位置以及可选为速度或加速度的位置调节器。
缺陷分析装置应具有控制和/或调节致动器或定位单元、用测量信号激励声学超声波的发生器以及处理来自声学超声波的接收器的信号的功能。缺陷分析装置包括用于产生正弦电压的至少一个测量信号发生器和用于分析由充当接收器的致动器产生的信号的共振分析器。
作为用于致动器的压电材料，可以使用单晶压电材料、多晶压电陶瓷、压电聚合物材料或其他压电或电致伸缩材料。定位单元可以包括一个或多个优选多层的致动器。在定位单元中使用固态接头时，这些固态接头可以实施为弯曲接头或扭转接头。
致动器连接到控制器以激励发生器以及处理从声学超声波的接收器接收到的信号。
在定位单元中使用致动器不仅作为调节机构，而且作为声学超声波的发生器或接收器，这赋予定位单元在定性上全新的性质。因此，避免了附加的分立发射器和接收器的昂贵安装。定位单元或定位装置的故障概率由于没有附加的系统部件而增加。
共振分析器处理来自电流传感器的信号，将该信号与测量发生器的信号进行存储，并且将两个记录的共振信号或共振谱彼此比较或分析。神经网络的符合目的的有效算法用于比较或分析。当在分析的共振图像中发现限定的偏差时，发出光学或其他警告。数据还由共振分析器通过可选接口转发到计算机的屏幕。操作人员或操作员可以在必要时对测量数据进行视觉分析或检查。
根据本发明的定位装置的一个有利实施方案规定的是，测量信号发生器构成为产生具有周期性频率扫描的正弦电压。由此，定位单元可以在特定范围内被周期性地激励，从而在限定的频率范围内产生可以被分析的共振图像。
根据本发明的定位装置的另一个有利实施方案规定的是，缺陷分析装置包括线性或时钟宽带输出电压或电流放大器，该输出电压或电流放大器相应地放大由测量信号发生器产生的信号，用于在必要的频率范围内激励发生器。此外，可以有利的是，缺陷分析装置作为用于测量信号发生器的输出电压或电流放大器使用相同的功率输出级，该相同的功率输出级用于从预设-调节控制器驱动致动器。
可以有利的是，缺陷分析装置包括用于白噪声的发生器，其中，尤其是可以有利的是，测量信号发生器适合于产生该白噪声。白噪声包括在限定的频率范围内具有恒定功率密度谱的宽频谱。该信号可以有利地用作定位单元的宽带和有效激励，以获得其共振图像。
此外，可以有利的是，位置调节器或控制器的轨迹和信号发生器借助集成电路、例如以数字信号处理器(DSP)或现场可编程门阵列(FPGA)的形式来实现，并且测量信号发生器和共振分析器作为程序模块在同一集成电路中实现。尤其地，在成本敏感的应用中，将缺陷分析装置的功能容纳在已经用于定位单元的控制或调节任务的同一集成电路中是有利的。
此外，可以有利的是，共振分析器具有到屏幕的数据接口，用于对共振图像的视觉控制。在这里，数据由共振分析器通过接口转发到计算机的监视器。操作员可以在必要时进行对测量数据的视觉分析或控制。
此外，可以有利的是，用于检测由致动器或接收器产生的信号的缺陷分析装置具有电流传感器。流过致动器或接收器的电流包含关于定位单元或定位装置的共振图像的信息。电流传感器将由接收器产生的电流转换为电压U’i，将其放大并使其可用于共振分析器。电流转换可以借助具有后续放大的电阻器来进行，或者也可以通过晶体管、变压器或运算放大器来进行。为此，也可以有利地使用光耦合器。当使用光耦合器或变压器时，致动器有利地与缺陷分析器电镀隔离。
此外，可以有利的是，至少一个发生器或接收器布置在固态接头之间。将声学超声波的发生器和接收器布置在诸如弯曲接头、扭转接头或弯曲接头引导件之类的固态接头之间实现了它们更好的声学保持。当激发或接收超声波时，发生器和接收器从周围机械部件受到较小负载。因此，其在超声波范围内的摆动受到较小影响。因此，这些机械振荡电路的机械质量变大，并且对于发生器的激励需要较低的功率。接收器的灵敏度由此也变大。
在此，可以有利的是，驱动器件的移动由固态接头或定位单元的附加固态接头引导，发生器或接收器布置在这些固态接头之间。
此外，可以有利的是，驱动元件与待定位元件的耦合通过固定连接或通过摩擦接触来实现。定位单元实现了对定位单元的摩擦接触的定性控制，在该定位单元中，致动器的移动或变形经由驱动元件通过摩擦接触被转移或传递到待定位元件。同样地，例如，可以检测待定位元件的摩擦导轨的分层，驱动元件与该摩擦导轨摩擦接触。在驱动元件和待定位元件之间的固定连接中，驱动元件的移动立即转换到待定位元件，这可以非常精确且高分辨率地进行，其中，但是由于致动器的有限变形，相对较小的调节路径是可能的。
此外，可以有利的是，发生器或接收器至少由致动器的一部分形成。在多层致动器的情况下，致动器的层的至少一部分形成发生器或接收器。通过部分或局部地对用于发生器或接收器的压电材料的应力施加或使用，可以实现声学超声波对机械环境的更好的声学适应。例如，在多层致动器的情况下，仅一层或所有层的大约一半可以用于发生器或接收器。在此，这些层被相应地电连接并且相应的电线被引出定位单元。对致动器和发生器的控制以及从接收器的信号接收在控制器中进行。
在此，可以证明有利的是，由致动器的至少一部分形成的发生器或接收器不具有致动功能，即不具有引起变形或移动的功能，并且与致动器的其余部分通过具有低声阻的声学连接来连接。通过由此产生的发生器或接收器与声学超声波的分离，可以实现一种可以不依赖于致动功能来使用的结构。
还可以有利的是，一个致动器的发生器和另一致动器的接收器用于检测定位单元中的缺陷。在具有多个致动器的定位单元中，因此可以使用致动器的声学超声波的发生器和另一致动器的接收器。通过声学超声波的发生器和接收器的由此产生的空间分离，即通过间隔，可以实现声学测量信号脉冲的运行时间测量。声学信号的运行时间测量是用于检测定位单元中的共振或缺陷的另一种方法。
本发明还涉及一种用于操作前述定位装置来预测或检测定位装置或其定位单元中出现的缺陷的方法。
定位单元的每个部件是机械振荡器，该机械振荡器具有由其尺寸、材料特性以及安装方法来确定的共振。定位单元的部件中的裂纹、多层致动器的多层结构中的分层、固态接头中的材料疲劳以及定位单元的其他缺陷导致其声学图像的变化。新的共振出现，现有的共振变化甚至消失。
根据本发明的方法规定的是，致动器除了调节机构的功能之外，即除了产生由致动器的变形引起的致动元件的用于待定位元件的定位的移动之外，还用于或被操作用于声学超声波的发生器或接收器的功能。
为此，致动器周期性地被施加缺陷分析装置的测量信号发生器的电测量信号。测量信号可以是交流电压或交流电流。致动器或发生器在整个定位单元中激励声学超声波，这些声学超声波由致动器或接收器周期性地记录为整个定位单元和致动器本身的机械共振并被供给共振分析器进行处理。共振分析器处理来自可选电流传感器的信号并将该信号以及测量信号发生器的信号进行存储。
在另一步骤中，共振分析器将定位单元的两个记录的信号或共振谱彼此比较或分析。在该比较中，检测先前存在和现在消失或变化的共振，并且记录新出现的共振。神经网络的符合目的的有效算法用于比较或分析。当在分析的共振图像中发现限定的偏差时，发出光学或其他警告。
根据本发明的用于预测和检测根据本发明的定位单元及其部件中的缺陷的方法实现了对定位单元的状态的自动观察以及在出现缺陷时的及时更换或及时维护。在定位单元中使用压电致动器不仅作为调节机构，而且作为声学超声波的发生器或接收器，这赋予定位单元在定性上全新的性质。根据本发明的定位装置或根据本发明的相应方法尤其节省了附加的分立发射器和接收器的昂贵安装。
在该方法中，致动器或是由功率输出级施加直流电压或低频交流电压，或是由放大器施加高频交流电压。在此，被称为低频的是频率比定位单元的最低共振频率低至少三倍的电压。在此，高频可以理解为电压的频率几乎等于定位单元的最低共振频率或更高。通过可选的换向器进行转换。在向致动器的压电材料施加电压时，该致动器根据电压正负号经历膨胀或收缩，并在这种情况下执行调节功能，即它将这种膨胀或收缩传递到与其连接的驱动器件，该驱动器件又设置用于与待定位元件耦合，并且通过这种耦合可以实现待定位元件的调节移动。
除了调节机构功能之外，致动器或其一部分还具有声学超声波的发生器或接收器的功能。在向发生器施加来自放大器的测量信号时，声学超声波在其环境中或在定位单元中被激励并由接收器接收并被转换为电流。流过致动器的电流IA到达可选的电流传感器，由该可选的电流传感器转换为电压Ui并由共振分析器进一步处理。
可以有利的是，通过形成定位单元的依赖于频率的电阻抗|Z|的量来执行对新出现的共振或先前存在的共振的消失或变化的识别。对此，测量信号电压UMG的频率根据从初始值fA到最终值fE的频率扫描而变化，并且流过接收器的电流值IA以及在电流和电压UA之间的相位角值以依赖于频率的形式被测量并与电压一起被记录。根据测量序列形成依赖于频率的阻抗量|Z|＝UA/IA的曲线以识别共振。然后，由共振分析器根据阻抗曲线Z(|Z|＝f(f))和曲线/>来确定新的机械共振的存在或先前存在的机械共振的缺失。
在阻抗的曲线中包括定位单元的所有共振。定位单元的系统部件中的缺陷的出现引起定位单元中的新的共振的出现或者先前存在的共振图像的变化。这些变化可以在阻抗曲线中容易识别。这些变化可以在共振分析器中有利地使用图案识别的神经网络的算法来识别。
还可以有利的是，在频率扫描时，流过接收器的电流值以及在电流和电压之间的相位角值以依赖于频率的形式被测量并与电压一起被记录，其中，根据测量序列在奈奎斯特图中示出阻抗量|Z|和相位角以识别共振。奈奎斯特图由于对阻抗量与相位角的同时图示而允许对定位单元的频率图像的特别有利的图示。
此外，可以有利的是，在频率扫描中，测量信号的频率初始值等于或略小于致动器的最低可测量共振频率值，并且测量信号的共振频率值等于或略大于致动器的最高可测量共振的共振频率值，其中，最低共振频率值和最高共振频率值都可以属于不同类型的声学超声波，例如致动器的纵向、弯曲、径向、剪切或其他振动模式。
优选多层压电致动器是定位装置的定位单元的重要部件。致动器具有特定的固有模式和相应的固有共振。致动器的固有共振可以在安装到定位单元中之前进行识别。在安装之后，这些固有共振在激励时包括在定位单元的共振图像中并且也是可识别的。通过在致动器的共振频率的频率范围内激励定位单元，可以有针对性地检测该致动器中的缺陷。
此外，在频率扫描中可以有利的是，测量信号的频率初始值等于致动器的由其长度确定的最低共振频率值，并且测量信号的频率最终值等于由致动器长度的一半确定的共振频率值的两倍。
致动器在操作中通常特别强地受到纵向膨胀的应力。在使用多层致动器的情况下，这种类型的应力经常导致各个层之间的裂纹以及分层。通过在致动器的纵向和弯曲振动模式的频率范围内对定位单元进行激励和共振分析，可以有针对性地检测这些类型的缺陷。
此外，在频率扫描中可以有利的是，测量电压的频率以对数方式或根据另一符合目的的函数从初始值变化到最终值。这使得能够执行定位单元的快速缺陷测试或者适配利用特定声学图像对定位单元的共振的检测。
此外，可以有利的是，测量信号是白噪声，并且流过致动器的电流被测量并被记录。然后，对测量序列进行傅立叶变换、离散傅立叶变换(DFT)或快速傅立叶变换(FFT)以识别共振。在这里，检测新出现的、消失的或变化的共振。傅立叶变换可以在DSP或FPGA中有效地实现并且能够执行快速分析。在傅立叶变换的结果中，共振作为振幅可容易识别地示出，从而也可以有效地执行对定位单元的共振图像中的变化的识别。
此外，可以有利的是，测量信号的频率值等于致动器的可测量共振频率值，其中，共振可以属于不同类型的声学超声波，例如致动器的纵向、弯曲、径向、剪切或其他振动模式，并且在将发生器在该共振频率上短暂激励之后，借助接收器记录定位单元的衰减，并且进一步将所记录的衰减曲线与在较早时间所记录的衰减曲线进行比较以检测共振变化。
由压电致动器驱动的定位单元的电流在致动器的触发或激励之后近似地根据函数I＝I0EXP(-λt)sin(ωt)在共振上衰减，其中，I是电流，I0是初始电流，λ是衰减常数，ω是电路频率，t是时间。在其中一个共振因缺陷而变化时，可以通过衰减行为或在振幅衰减函数Ai＝I0EXP(-λt)、衰减时间或衰减振动频率的变化中识别这种变化。振动的衰减时间和衰减函数可以通过基于微处理器的测量装置快速且容易地记录。在致动器中出现的缺陷可以通过比较衰减曲线来识别。
可以有利的是，测量信号的频率值等于定位单元的可测量共振频率值，其中，在发生器的短暂激励之后，定位单元的衰减行为被记录并与在较早时间所记录的衰减行为进行比较以检测共振变化。通过观察定位单元的特定共振的变化，可以检测其部件或构造部件中的缺陷。
还可以有利的是，测量信号的频率值等于定位单元的可测量共振频率值，其中，在发生器的激励期间，定位单元的内阻Ri＝UA/IAr被确定并与在较早时间所记录的内阻进行比较以检测共振变化。
当在定位单元中出现缺陷时，一些先前存在的共振改变。机械振荡器的共振曲线的特征在于其损耗电阻Rv，这里称为内阻Ri。定位单元的每个共振表示具有内阻Ri的振荡器。Ri由于出现的缺陷而改变。内阻Ri可以通过在限定的共振频率fr下记录致动器上的电压UAr和流过致动器的电流IAr来确定。电压UAr和电流IAr的记录可以由基于微控制器的测量装置容易地实现并且可以快速地进行分析。
还可以有利的是，测量信号的频率值等于定位单元的可测量共振频率值，其中，在发生器的激励期间或之后，反射脉冲由接收器记录并且其参数与较早时间所记录的反射脉冲的参数进行比较以检测共振变化。
在这里，反射脉冲的运行时间、振幅或形状可以用于检测缺陷。超声波脉冲可以由一个致动器的发生器发送并且由另一个致动器的接收器接收。通过激励短脉冲来检测定位单元的共振变化以及评估反射脉冲的参数使得能够快速识别定位单元的缺陷。在这里，测量信号可以包含多个脉冲。脉冲还可以是振幅调制的或相位调制的。
还可以有利的是，共振的检测和缺陷分析在定位单元的正常操作模式中执行。在此，定位单元的共振图像在第一次调试期间被记录一次，然后在正常操作期间被进一步周期性地或重复地记录。将测量记录与第一记录进行比较并进行分析。由此，可以在不中断定位单元的操作的情况下观察定位单元的状况。
此外，可以有利的是，对所记录的共振图像的分析由操作员视觉执行。由此，能够在共振图像不明确的情况下实现人员介入或者启动对有缺陷的定位单元或其有缺陷的部件的更换。为此，根据本发明的装置可以包括具有屏幕或监视器的计算机。
附图说明
本发明的进一步的细节、优点和特征从以下描述和附图中可以得知，针对所有在本文中未描述的细节明确参考附图。在附图中：
图1示出了根据本发明的定位装置的示意图；
图2示出了具有声学超声波的发生器和接收器的定位单元的压电多层致动器的实施方式的示意图；
图3a)示出了具有可变频率的测量信号发生器的电压UMG；图3b)示出了由根据图3a)的测量信号激励的、具有层结构的分层的多层致动器的FEM模型；图3c)示出了由根据图3a)的测量信号激励的、完好无损的致动器的电阻抗作为频率f的函数的示例性曲线，图3d)示出了由根据图3a)的测量信号激励的、具有分层的致动器的电阻抗作为频率f的函数的示例性曲线；
图4a)示出了由根据图3a)的测量信号激励的、根据本发明的带有具有层结构的分层的致动器的定位单元的FEM模型；图4b)示出了由根据图3a)的测量信号激励的、带有完好无损的且具有裂纹的致动器的定位单元的电阻抗|Z|的量作为频率f的函数的示例性曲线；
图5a)示出了白噪声的信号；图5b)示出了由具有根据图5a)的白噪声信号的测量信号发生器激励的定位单元的振幅谱；
图6示出了具有完好无损的和分层的致动器的定位单元的示例性电流衰减曲线；
图7示出了用于说明损耗电阻的测量的定位单元的电流共振曲线；
图8a)至图8c)示出了不同形式的超声脉冲；图8d示出了超声脉冲的回波；
图9示出了根据本发明的具有共振分析模式的定位装置的定位单元的致动器的同时正常操作的可能的电路技术实现方案的原理结构，其中，图9a)说明了功率输出级以及电流或电压放大器通过电感或通过电容连接到致动器，而图9b)示出了功率输出级通过变压器连接到致动器；
图10示出了具有公共功率级的并且将测量信号发生器、共振分析器和预设-调节控制器同时布置在同一集成电路中的定位装置；
图11a)至图11e)示出了不同实施方案中的电流传感器的原理结构；
图12示出了具有多个多层致动器的定位单元的示意图，其中在驱动元件和待定位元件之间的耦合通过摩擦接触来实现；
图13示出了具有层的局部利用来实现发生器和接收器的致动器；
图14示出了将发电机或接收器示例性实现为与致动器连接、但不起致动作用的部分。
具体实施方式
图1示意性示出了根据本发明的用于检测由致动器4驱动的定位单元2中的缺陷的定位装置1。
定位装置1除了定位单元2之外还包括控制器3。定位单元2除了单个压电和多层致动器4之外还包括由致动器4移动或驱动的驱动元件5，该单个压电和多层致动器4构成为除了其移动或驱动功能之外还具有声学超声波的发生器12和接收器13的功能，该驱动元件5与待定位元件6通过固定连接件耦合。此外，定位单元2包括图1中未示出的位置传感器。
致动器4在其两端处支撑在保持元件21上，这些保持元件21通过固态接头9与包围致动器的框架连接，使得集成在框架中的驱动元件5通过固态接头9与致动器4耦合，并且致动器4的移动或变形可传递到驱动元件5。
压电致动器4由多个层11构成，其中，每个层由两个电极和布置在它们之间的极化压电材料组成。层的可能极化方向在图1中用箭头P表示。
具有控制或调节致动器4或定位单元2、利用测量信号激励发生器12以及处理来自接收器13的信号的功能的控制器3包括预设-调节控制器14、缺陷分析装置16以及可选为换向器31，由该缺陷分析装置16激励发生器12并且记录和分析接收器13的信号。在换向器31中进行在致动器4的致动操作和感测操作之间的切换，在该切换时，致动器或其一部分充当发生器12或接收器13。此外，控制器3可以具有到具有屏幕的计算机29的接口，操作人员可以在该屏幕上视觉执行缺陷分析。
预设-调节控制器14包括用于致动器4的功率输出级15、轨迹和信号发生器19、用于定位单元2的位置以及可选为定位单元2的速度和加速度的调节器18。
缺陷分析装置16包括用于发生器12的电流-电压放大器17、测量信号发生器22、用于由接收器13产生的信号的电流传感器23以及共振分析器24。
图2示出了具有发生器12和接收器13的压电致动器4的优选实施变型例的示意图。致动器4的层11由导电金属化表面和位于它们之间的极化压电材料形成。在层11的电极化的可能变型例中，相邻层的极化矢量彼此相反地定向。电极化矢量在图2中和在相应的其他图中用箭头P表示。这些层11是电并联的并且是机械串联的。
图3a)示出了具有可变频率的测量信号发生器的电压UMG，而图3b)示出了具有层结构的分层的多层致动器4的FEM模型。图3c)示出了完好无损的致动器的电阻抗作为频率f的函数的示例性曲线。在此，可以看到致动器4的三种振荡模式的共振，即第一、第三和第五纵向模式。图3d)示出了具有分层的致动器4的电阻抗作为频率f的函数的示例性曲线。在此，可以看到由于分层而出现的附加共振。
图4a)示出了根据图1的具有致动器4的定位单元2的FEM模型，该致动器4具有层结构的分层。图4b)示出了定位单元2的电阻抗量作为频率的函数的示例性曲线，其中完好无损和破裂的致动器4作为f的函数。由于致动器4中的分层，阻抗量的曲线显著不同。致动器完好无损时出现的共振已经消失，并且由于分层而添加了新的共振。
图5a)示出了由白噪声激励的定位单元的振幅谱，而图5b)对应于经过傅立叶变换并作为频率的函数所记录的流过致动器4或接收器13的电流。
图6示例性示出了具有完好无损的和分层的致动器的定位单元2的电流衰减曲线。这里，致动器在其共振频率之一下被激励。具有带有振幅衰减函数Ai2的损坏的致动器的定位单元的衰减曲线由于变化的共振频率和衰减常数λ2而比具有完好无损的致动器的Ai1衰减得更快。由于分层，在振幅衰减函数Ai2的情况下振荡周期T2已经减小。
图7示出了根据图1的定位单元2的电流共振曲线。该定位单元2在其共振之一中受到振幅UAr的正弦测量信号的激励。流过接收器13的电流IAr被测量。Ri＝UAr/IAr由缺陷分析装置确定并与先前测量的值进行比较。在出现所限定的偏差时，发出警告。
图8示出了由发生器12发射的超声波脉冲以及由定位单元2反射并可由接收器13检测的超声波脉冲的不同形式。超声波脉冲可以根据图8a)具有指数上升和指数衰减，根据图8b)仅具有指数衰减，或者根据图8c)也具有不同的上升和衰减函数。超声波脉冲的特征在于它们的振幅Ap、频率fp、持续时间τ、上升和衰减函数fAn、fAp以及运行时间tp。
图9示出了用于具有共振分析模式的定位装置或定位单元的同时正常操作的可能电路技术实现方案的原理结构。根据图9a)，功率输出级15通过电感L连接到致动器4。电流或电压放大器17通过电容C激励致动器4或发生器12。一方面，通过电容C在直流电方面将功率输出级15与放大器17分开。另一方面，电感L在交流电方面将放大器17与功率输出级15分开。根据图9b)，功率输出级15通过变压器T的次级绕组连接到致动器4。电流或电压放大器17通过变压器T的初级绕组激励发生器12。通过变压器T在直流电方面将功率输出级15与放大器17分开。
图10示出了具有根据图1的定位单元2的定位装置1，其中由预设-调节控制器用于控制多层致动器的相同的功率输出级15由缺陷分析装置用作用于测量信号发生器22的输出电压或电流放大器。在这种情况下，功率输出级15具有足够的带宽，该足够的带宽满足了通过致动器或发生器12产生声学超声波的要求。由此节省了用于安装单独放大器的成本和空间。
图10进一步说明了定位装置1的一个实施方式，其中测量信号发生器22和共振分析器24容纳在与预设-调节控制器14相同的集成电路30中。
图11示出了用于对来自接收器13的电流或电压形式的电信号进行第一次处理的可能电路的原理结构。根据图11a)，来自接收器13的电流IA可以借助电阻由电压Ui来映射。通过图11b)中的电路将来自接收器13的电流IA借助晶体管转换为电压U’i。在图11c)中，来自接收器13的电流IA借助光耦合器被映射成电压U’i。在图11d)所示的电路布置中，来自接收器13的电流IA或电压UA借助变压器被转换为电压U’i。图11e)所示的电路布置将来自接收器13的电流IA或电压UA借助运算放大器转换为电压U’i。
图1、图7和图10示出了定位单元2的示意图，其中同时也形成发生器12和接收器13的单个多层压电致动器4布置在固态接头9之间。
图12示出了具有多个、即总共四个多层压电多层致动器4的定位单元2的示意图，其中，致动器中的每一个布置在固态接头9中或之间。相应致动器4的端部位于保持元件21上。从致动器4的驱动元件5到待定位元件6的移动传递通过摩擦接触进行，在该摩擦接触中，驱动元件5与待定位元件6的摩擦导轨26进行或处于摩擦接触。在此，待定位元件6通过引导装置20被线性地支承和引导。位置传感器28用于检测待定位元件6的位置。
图13示出了多层结构形式的致动器4，其中仅几层11用于实现发生器12和接收器13。为了实现发生器12，可以设想使用与用于实现接收器13的层数量不同的层数量。在换向器31的上部位置处，致动器的层连接到功率输出级15。致动器处于调节操作模式或驱动模式。通过切换到下部位置，设置用于发生器的功能或接收器的功能的致动器的层连接到功率输出级并由此相应地形成发生器12或接收器13。致动器电流IA由电流传感器23转换为电压Ui并由共振分析器24进一步处理。
图14示出了发生器12或接收器13作为与致动器连接的、但本身不是致动的、即在施加电压时执行变形的起作用的部分的示例性实现方案。声学超声波的发生器12和接收器13的层具有彼此相反定向的极化。发生器12和接收器13与致动器的其余部分通过具有低声阻的声学连接来连接，使得声学超声波不被边界层显著反射或衰减。这种连接可以例如通过将致动器与发生器或接收器烧结来实现。也可以将部件在熔炉中通过容易熔化的玻璃或类似的硬质材料进行连接。
基于图1对根据本发明的定位装置1或根据本发明的方法的功能方式进行说明。在第一步骤中执行标准具测量。为此，在完好无损的定位单元2的第一次调试时由缺陷分析装置16记录其共振图像。在这里，压电致动器4在其作为声学超声波的发生器12的功能中由测量信号发生器22施加电测量信号。测量信号表示具有频率f的电压。测量信号电压由电流-电压放大器17放大并通过换向器31被传输到发生器12。由此，激励发生器12并产生发射到定位单元中的超声波。通过超声波的传播，在定位单元的部件中以及在致动器本身中激励共振振荡。这些共振振荡又产生声学超声波，这些声学超声波与反射超声波一起到达接收器13并且由接收器13以电流变化的形式检测。
接收器13的电流IA到达缺陷分析器的电流传感器23，由电流传感器23转换为电压Ui并传递到缺陷分析器16。在缺陷分析器中记录、存储电流IA或其图像、电压Ui、来自测量信号发生器22的电压UMS以及电流IA和电压UMS之间的相位角值并且由此创建定位单元的共振图像。
随后，定位单元开始其操作，以便执行所设置的定位任务。在此，轨迹和信号发生器19利用由功率输出级15放大或通过换向器31引导的控制信号来控制致动器4。致动器使驱动元件5和与其耦合的待定位元件处于调节移动。可以借助位置传感器28通过调节器18来调节定位。
在特定操作时间之后，进行定位单元的状态或缺陷诊断。为此，执行对应于根据本发明的方法的第一步骤的测量。发生器12由测量信号发生器22施加电测量信号。由此，激励发生器12并产生发射到定位单元中的超声波。通过超声波的传播，在定位单元的部件以及在致动器本身中激励共振振荡。这些共振振荡又产生声学超声波，这些声学超声波与反射超声波一起到达接收器13并且由接收器13以电流变化的形式检测。
接收器13的电流IA到达缺陷分析器的电流传感器23，由电流传感器23转换为电压Ui并传递到缺陷分析器16。在缺陷分析器中记录、存储电流IA或其图像、电压Ui、来自测量信号发生器22的电压UMS以及电流IA和电压UMS之间的相位角值并且由此创建定位单元的共振图像。
在随后的方法步骤中，在共振分析器24中将当前创建的定位单元的共振图像与完好无损的定位单元的共振图像进行比较。在这里，确定新的机械共振的存在、先前存在的机械共振的变化或缺失。为此，在共振分析器中实施符合目的的算法，例如神经网络的算法。在识别到当前测量值与标准具测量值的限定偏差时，由缺陷分析装置发出警告，该限定偏差表明定位单元即将发生故障。
为了创建定位单元的共振图像，可以应用各种有利的方法。因此，定位单元2可以由测量信号发生器22施加电测量信号，该电测量信号表示具有可变频率f的电压(为此见图3和图4)。在此，频率f从初始值变化到最终值。在共振分析器24中，依赖于频率f记录流过接收器13的电流IA或其图像、电压Ui、来自测量信号发生器22的电压UMS以及电流IA和电压UMS之间的相位角值根据所存储的测量序列形成频率的阻抗量|Z|＝UA/IA的函数以识别定位单元的共振。根据阻抗的频率依赖曲线，共振分析器创建定位单元的共振图像并且创建缺陷预测或诊断。
此外，测量信号发生器22的定位单元2可以被施加电测量信号，该电测量信号表示具有特定频率f的电压。在此，共振图像基于各个共振的参数来执行(为此见图6和图7)。
在另一有利方法中，定位单元2由测量信号发生器22施加短持续时间且至少一个特定频率f的电测量信号。基于反射超声波的参数来创建定位单元的共振图像(见图8)。在这里，由共振分析器记录并分析一个反射脉冲或多个反射脉冲的持续时间、振幅、运行时间或形状。
在手动创建定位单元的共振图像及其视觉分析时，数据由缺陷分析器输出到具有屏幕的计算机22并由操作员进行分析。
附图标记说明：
1 定位装置
2 定位单元
3 控制器
4 致动器
5 驱动元件
6 待定位元件
9 固态接头
11 (致动器4的)压电层
12 声学超声波的发生器
13 声学超声波的接收器
14 预设-调节控制器
15 功率输出级
16 缺陷分析装置
17 电流-电压放大器
18 位置、速度或加速度的调节器
19 轨迹和信号发生器
20 引导装置
21 (致动器4的)保持元件
22 测量信号发生器
23 电流传感器
24 共振分析器
26 摩擦导轨
28 位置传感器
29 计算机
30 集成电路(例如FPGA，DSP)
31 电子换向器
32 声学超声波的发生器和接收器的层
33 具有声学超声波的发生器和接收器的致动器的连接层
Claims (26)
1.一种定位装置(1)，所述定位装置(1)具有：定位单元(2)，所述定位单元(2)包括压电致动器(4)；可通过所述致动器(4)移动的驱动元件(4)，所述驱动元件(4)设置用于与待定位元件(6)耦合；以及控制器(3)，其特征在于，所述定位装置(1)具有用于检测所述定位单元(2)中的缺陷的缺陷分析装置(16)，其中，在所述定位单元(2)具有单个致动器(4)的情况下，所述单个致动器(4)包括声学超声波的发生器(12)和接收器(13)，并且在所述定位单元(2)具有多个致动器(4)的情况下，所述致动器(4)中的至少一个包括至少一个声学超声波的发生器(12)，并且所述致动器(4)中的至少另外一个包括至少一个声学超声波的接收器(13)，并且其中所述缺陷分析装置(16)包括用于产生用于激励所述或一个发生器(12)的电压的测量信号发生器(22)和用于分析由所述或一个接收器(13)产生的电信号的共振分析器(24)。
2.根据权利要求1所述的定位装置(1)，其特征在于，所述测量信号发生器(22)如此构成，使得正弦电压的频率周期性地从初始值变化到最终值。
3.根据权利要求1或2所述的定位装置(1)，其特征在于，所述缺陷分析装置(16)包括宽带线性或时钟输出电压或电流放大器(17)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，所述控制器(3)具有用于驱动所述定位单元(2)的功率输出级(15)，其中，同一输出级(15)也用于所述测量信号发生器(20)的电能供应。
5.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，所述缺陷分析装置(16)包括白噪声发生器。
6.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，所述控制器(3)具有位置调节器(18)以及轨迹和信号发生器(19)，其中，所述位置调节器(18)或所述轨迹和信号发生器(19)借助集成电路实现，并且所述测量信号发生器(22)和所述共振分析器(24)作为程序模块在同一集成电路中实现。
7.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，所述共振分析器(24)具有到用于对共振图像进行视觉控制的屏幕的数据接口。
8.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，所述缺陷分析装置(16)具有用于检测由接收器(13)产生的电信号的电流传感器(23)，其中，电阻器、晶体管、变压器、光耦合器或运算放大器用于检测电流。
9.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，致动器(4)构成为多层压电致动器。
10.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，致动器(4)布置在固态接头(9)之间，并且所述致动器(4)的偏转向所述驱动元件(5)的传递以无摩擦的方式通过所述固态接头(9)的弹性变形来实现。
11.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，发生器(12)或接收器(13)形成致动器(4)的一部分并且不具有致动功能。
12.根据权利要求11所述的定位装置(1)，其特征在于，致动器(4)的构成发生器(12)或接收器(13)的部分与同一致动器(4)的其余部分通过具有低声阻的声学连接来连接。
13.根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)，其特征在于，发生器(12)构成在致动器(4)中，并且接收器(13)构成在另一个且间隔开的致动器中。
14.一种用于操作根据前述权利要求中任一项所述的定位装置(1)的方法，其中，发生器(12)周期性地被施加测量信号发生器(22)的交流电压形式的电测量信号，并且定位单元(2)的机械共振利用接收器(13)周期性地被记录，并且新共振的形成或者先前存在的共振的消失或变化由共振分析器(24)检测和分析，用于所述定位单元(2)中的缺陷的预测或检测。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，测量信号的频率从初始值变化到最终值，并且在这种情况下流过接收器(13)的电流值以及电流与电压之间的相位角值以依赖于频率的形式被测量并且与电压一起被记录，并且根据测量序列形成频率的阻抗量|Z|的函数以检测共振，并且根据阻抗确定新的机械共振的存在或者先前检测到的机械共振的变化或缺失。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，频率的阻抗量|Z|与相位角的函数在奈奎斯特图中示出，根据该奈奎斯特图确定新的机械谐振的存在或者先前检测到的机械谐振的变化或缺失。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号的频率初始值等于致动器(4)的最低可检测共振频率值，并且测量信号的频率最终值等于致动器的最高可测量共振的共振频率值，其中，最低共振频率值和最高共振频率值都属于不同类型的声学超声波。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号的初始频率值对应于致动器(4)的由其长度确定的最低共振频率值，并且测量信号的频率最终值对应于由致动器长度的一半确定的共振频率值的两倍。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号的频率从初始值以对数方式变化到最终值。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号表示白噪声并且流过接收器(13)的电流被测量并被记录，其中，对测量结果进行傅立叶变换或离散或快速傅立叶变换以识别共振，以便检测正在新出现或已消失的共振。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号的频率值等于致动器(4)的可测量共振频率值，其中，共振频率属于不同类型的声学超声波，并且其中，在发生器(12)在共振频率上的短暂激励之后，所述定位单元(2)的衰减通过接收器(13)被记录，然后所记录的衰减曲线与在较早时间所记录的衰减曲线进行比较以识别共振变化。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号的频率值等于所述定位单元(2)的可测量共振频率值，其中，在发生器(12)的短暂激励之后，所述定位单元(2)的衰减行为被记录并与在较早时间所记录的衰减行为进行比较以检测共振变化。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号的频率值等于所述定位单元(2)的至少一个可测量共振频率值，其中，在发生器(12)的激励期间，所述定位单元(2)的内阻Ri＝UA/IAr被确定并与在较早时间所记录的所述定位单元(2)的内阻值进行比较以检测至少一个共振变化。
24.根据权利要求14至23中任一项所述的方法，其特征在于，测量信号的频率值基本上等于所述定位单元(2)的可测量共振频率值，并且在这种情况下，在发生器(12)的短暂激励期间或之后，反射脉冲由接收器(13)记录，其中，反射脉冲的参数被记录并与在较早时间所记录的参数进行比较以检测共振变化。
25.根据权利要求14至24中任一项所述的方法，其特征在于，共振的检测和缺陷分析在所述定位单元(2)的正常操作模式中执行。
26.根据权利要求14至25中任一项所述的方法，其特征在于，对所记录的共振图像的分析由操作员视觉执行。
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