DE10025985A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Vermessen einer Kraft-Auslenkungs-Kennlinie eines Aktors - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Ausmessen einer Kraft-Auslenkungs-Kennlinie eines piezoelektrischen Aktors beschrieben, bei dem die Kraft des Aktors in Abhängigkeit von der Auslenkung des Aktors erfasst wird, wobei sich der Aktor eine erste Wegstrecke gegen eine erste Steifigkeit und eine zweite Wegstrecke gegen eine zweite Steifigkeit auslenkt. Zur Veränderung der ersten Wegstrecke ist ein steuerbares Abstandselement in Form eines piezoelektrischen Aktors vorgesehen. Auf diese Weise kann ohne eine Veränderung des Aufbaus eine Kraft-Auslenkungs-Kennlinie des Aktors vermessen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermessen einer Kraft-Auslenkungs-Kennlinie eines Aktors, ge­ mäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 7.

Es ist bereits ein Verfahren zum Vermessen einer Kraft- Auslenkungs-Kennlinie eines piezoelektrischen Aktors bekannt, bei dem der piezoelektrische Aktor gegen eine Gegenkraft ei­ nes Federelementes ausgelenkt wird. Dabei wird in Abhängig­ keit von der Auslenkung die vom Aktor erzeugte Kraft gemes­ sen. Zur Vermessung einer gesamten Kraft-Auslenkungs- Kennlinie ist es erforderlich, verschiedene Federelemente mit verschiedenen Federkennlinien zu verwenden. Dazu muss das Fe­ derelement für jeden Messvorgang gegen ein neues Federelement ausgetauscht werden. Weiterhin ist nach dem Austauschen des Federelementes eine erneute Justierung des piezoelektrischen Aktors notwendig. Somit ist das bekannte Verfahren relativ aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein einfaches Ver­ fahren und eine einfache Vorrichtung zum Vermessen einer Kraft-Auslenkungs-Kennlinie eines Aktors bereitzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des An­ spruchs 1 und durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Auslen­ kungskennlinie über eine erste Wegstrecke mit einer ersten Gegenkraft und über eine zweite Wegstrecke mit einer zweiten Gegenkraft vermessen wird. Vorzugsweise wird die erste Wegstrecke über ein einstellbares Abstandselement festgelegt.

Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Vorzugsweise wird als Di­ stanzelement ein steuerbarer, piezoelektrischer Aktor verwen­ det.

Der piezoelektrische Aktor weist in einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform eine Durchgangsbohrung auf, durch die hindurch die Stirnseite des Aktors mit einer optischen Wegmesseinrichtung erfasst wird. Auf diese Weise ist eine präzise Messung der Auslenkung des Aktors möglich.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher er­ läutert; Es zeigen

Fig. 1 eine Vorrichtung zum Vermessen der Kraft-Auslen­ kungs-Kennlinie des Aktors, und

Fig. 2 ein Diagramm mit Messkennlinien.

Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Vermessen der Kraft- Auslenkungs-Kennlinie eines Aktors 1. Dazu weist die Vorrich­ tung eine Führungshalterung 3 auf, die beispielsweise in Form von parallelen Schienen oder in Form einer Hülse ausgebildet ist. In die Führungshalterung 3 ist in einer ersten Öffnungs­ seite ein Gehäuse 10 eingeschraubt, in dem ein piezoelektri­ scher Aktor 1 axial beweglich angeordnet ist. Der piezoelekt­ rische Aktor 1 stützt sich mit einer Rückseite gegen eine An­ schlagplatte 11 des Gehäuses 10 ab.

Die zweite Stirnseite 20 des piezoelektrischen Aktors 1 ist in der Führungshalterung 3 angeordnet. Der zweiten Stirnseite 20 des Aktors 1 ist eine Anschlagfläche 17 eines ersten La­ gerblockes 2 zugeordnet. Der erste Lagerblock 2 ist in der Führungshalterung 3 parallel zur Auslenkungsrichtung des Ak­ tors 1 in der Führungshalterung 3 beweglich geführt. Zwischen der Anschlagfläche 17 und der zweiten Stirnseite 20 ist ein Federelement 9 eingespannt. Der erste Lagerblock 2 ist mit einer Druckseite 21, die gegenüberliegend zur Anschlagfläche 17 angeordnet ist, mit einer Kraftmesseinrichtung 4 in Wirk­ verbindung. Die Kraftmesseinrichtung 4 ist innerhalb der Füh­ rungshalterung 3 angeordnet und liegt mit einer Rückseite auf einer axial beweglichen in der Führungshalterung 3 gelagerten Platte 5 auf. Zwischen der Platte 5 und einem zweiten Lager­ block 2 ist ein einstellbares Abstandselement 6 angeordnet. Der zweite Lagerblock 7 ist in der Führungshalterung 3 ange­ bracht und vorzugsweise über ein Gewinde in seiner axialen Position verschiebbar ausgebildet. Der zweite Lagerblock 7 dient zu einer Grobjustierung der Messanordnung. Das Ab­ standselement 6 ist vorzugsweise als ansteuerbarer zweiter piezoelektrischer Aktor ausgebildet. Der verwendete piezo­ elektrische Aktor 6 weist eine deutlich höhere Steifigkeit als der Aktor 1 auf.

Weiterhin ist eine Wegmesseinrichtung 8 vorgesehen, mit der die Auslenkung des Aktors 1 erfasst werden kann. In einer be­ vorzugten Ausführungsform ist die Wegmesseinrichtung 8 als optische Wegmesseinrichtung, wie beispielsweise einem Laser­ messgerät ausgebildet. In einer bevorzugten Ausführungsform weisen der erste Lagerblock 2, die Kraftmesseinrichtung 4, die Platte 5, das Abstandselement 6 und der zweite Lagerblock 7 eine vorzugsweise mittig angeordnete Durchgangsöffnung 22 auf. Das Lasermessgerät ist vorzugsweise in der Weise ange­ ordnet, dass der vom Lasermessgerät 8 ausgesendete Laser­ strahl durch die Durchgangsöffnung 22 auf die zweite Stirn­ seite 20 des Aktors 3 fällt. Auf diese Weise ist eine präzise Messung der Auslenkung des Aktors 1 möglich.

Der Aktor 1 weist eine erste Steuerleitung 12, die Kraftmess­ einrichtung 4, eine zweite Messleitung 15, das Abstandsele­ ment 6, eine zweite Steuerleitung 16 und die Wegmesseinrich­ tung 8, eine erste Messleitung 13 auf, die an die Steuerein­ heit 14 angeschlossen sind.

Die Anordnung nach Fig. 1 funktioniert wie folgt:
Der Aktor 1 wird mit dem Gehäuse 10 in die Führungshalterung 3 eingeschraubt. Anschließend wird über eine entsprechende axiale Einstellung des zweiten Lagerblocks 7 eine Grobjustie­ rung des Abstands d vorgenommen, den die zweite Stirnseite 20 von der Anschlagfläche 17 aufweist. In dieser Position steht die zweite Stirnseite 20 des Aktors 1 durch das Federelement 9 mit dem ersten Lagerblock 2 in Wirkverbindung. Der erste Lagerblock 2, die Kraftmesseinheit 4, die Platte 5, das Ab­ standselement 6 und der zweite Lagerblock 7 liegen jeweils aneinander an und sind über den Aktor 1 zwischen der An­ schlagplatte 11 und dem zweiten Lagerbock 7 eingespannt.

Der Abstand d, der die erste Wegstrecke darstellt, wird an­ schließend über eine entsprechende Ansteuerung des zweiten piezoelektrischen Aktors 6 eingestellt. Der zweite piezo­ elektrischen Aktor 6 wird von der Steuereinheit 14 mit einer entsprechenden Spannung und Strom und/oder Ladung versehen, so dass eine gewünschte erste Wegstrecke so als Abstand vor­ liegt.

Anschließend wird der Aktor 1 von der Steuereinheit 14 mit einer entsprechenden Spannung und Ladung und/oder einem ent­ sprechenden Strom beaufschlagt, dass sich der Aktor 1 in Richtung auf den ersten Lagerblock 2 auslenkt. Die erste Wegstrecke S0 lenkt sich der Aktor 1 nur gegen die Vorspann­ kraft des Federelementes 9 aus.

Fig. 2 zeigt als erste Kennlinie B1 die von der Kraftmess­ einrichtung 4 erfasste Kraft in Abhängigkeit von dem Auslen­ kungsweg des Aktors 1, der von der Wegmesseinrichtung 8 er­ fasst wurde. Aus Fig. 2 ist deutlich zu erkennen, dass sich der Aktor 1 bis zu der ersten Wegstrecke S0 nur mit einer ge­ ringen Kraftauswirkung auslenkt. Bei der ersten Wegstrecke S0 erreicht die Stirnseite des Aktors 1 den ersten Lagerblock 2. Folglich muss der Aktor 1 sich weiter gegen die Gegenkraft des zweiten Aktors 6 auslenken. Dies ist in Fig. 2 deutlich mit einem Anstieg der ersten Kennlinie B1 dargestellt. Der Aktor 1 lenkt sich weiter aus, bis er die maximale Auslenkung bei der durch die Ansteuerung der Steuereinheit 14 vorgegebe­ nen Kraft bei der Kennlinie K erreicht.

Die Auslenkung des Aktors 1 wird durch die Wegmesseinrichtung 8 erfasst.

Um die Kraft-Auslenkungs-Kennlinie K des Aktors 1 zu vermes­ sen, wird anschließend die Länge des Abstandselements 6 von der Steuereinheit 14 verändert und somit eine andere erste Wegstrecke S1 eingestellt. Daraufhin wird der Aktor 1 wieder angesteuert und eine zweite Kennlinie B2 erfasst. Auf diese Weise werden eine Vielzahl von Messpunkten der Kraft- Auslenkungs-Kennlinie K des Aktors 1 abgefahren.

Die Steuereinheit 14 ist mit einem Datenspeicher 19 verbun­ den, in dem die Mess-Kennlinien B1, B2 abgespeichert sind. Aus den Endpunkten der Messkennlinien B1, B2 erstellt die Steuereinheit 14 die Kraft-Auslenkungs-Kennlinie K des Aktors 1.

Die Kraft-Auslenkungs-Kennlinie K des Aktors 1 gibt die maxi­ male Auslenkung bei einer sich ergebenden Kraftausübung des piezoelektrischen Aktors 1 wieder.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Kraft-Auslenkungs-Kennlinie K des Aktors 1 ermittelt wer­ den kann, ohne dass der Versuchsaufbau beispielsweise zu ei­ nem Austauschen von Federelementen oder Lagerblöcken umgebaut werden muss. Somit reicht eine einmalige Einstellung aus, um die gesamte Kraft-Auslenkungs-Kennlinie K des Aktors 1 auszu­ messen.

In Fig. 2 ist eine Kennlinie A eingezeichnet, die dem bishe­ rigen Messverfahren entspricht. Die zweite Kennlinie B2 stellt eine Messkennlinie mit einer zweiten, veränderten ers­ ten Wegstrecke S1 dar, die durch eine Längenänderung des zweiten piezoelektrischen Aktors 6 eingestellt wurde.

Claims (11)

1. Verfahren zum Vermessen einer Kraft-Auslenkungs-Kennlinie eines Aktors, wobei die vom Aktor erzeugte Kraft abhängig von der Auslenkung des Aktors erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Ak­ tor (1) in einer ersten Wegstrecke (S0, S1) mit einer ersten Steifigkeit (9) und in einer zweiten Wegstrecke mit einer zweiten Steifigkeit (6) beaufschlagt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wegstrecke (S0, S1) verändert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass einzelne Punkte der Kraft-Auslenkungs- Kennlinie (K) des Aktors (1) über mehrere Messvorgänge ermittelt werden, wobei bei den Messvorgängen die erste Wegstrecke unterschiedlich ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Auslenkung des Aktors (1) optisch gemessen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, dass als Aktor ein piezoelektrischer Aktor (1) verwendet wird, dass der piezoelektrische Aktor von einer Steuereinheit (14) mit vorgegebenen Strom- oder Spannungs- oder Ladungswerten angesteuert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die erste Wegstrecke über ein ansteu­ erbares Abstandselement (6) eingestellt wird.

7. Vorrichtung zum Vermessen der Kraft-Auslenkungs-Kennlinie (K) eines Aktors (1) mit einer Kraftmesseinrichtung (4), einem ersten Anschlagelement (11), einem zweiten An­ schlagelement (7), wobei der Aktor (1), die Kraftmessein­ richtung (4) und ein Federelement (9) miteinander in Wirkverbindung stehen und zwischen dem ersten und dem zweiten Anschlag (7, 11) angeordnet sind, dadurch gekenn­ zeichnet, dass ein einstellbares Abstandselement (6) zwi­ schen dem Aktor (1) und dem zweiten Anschlagelement (7) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wegmesseinrichtung (8) vorgesehen ist, mit der die Auslenkung des Aktors (1) erfasst wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wegmesseinrichtung (8) als optische Wegmesseinrich­ tung ausgebildet ist, dass das zweite Anschlagelement und das Abstandselement (6) eine Durchgangsöffnung (22) auf­ weisen, dass die Durchgangsöffnung (22) im Bereich der Stirnseite (20) des Aktors (1) angeordnet ist, und dass die Wegmesseinrichtung (8) durch die Durchgangsöffnung (22) die Auslenkung des Aktors (1) erfasst.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zwischen dem Aktor (1) und der Kraft­ messeinrichtung (4) ein Lagerblock (2) angeordnet ist, und dass der Lagerblock (2) in einer Lagerhalterung (3) parallel zur Auslenkungsrichtung des Aktors (1) beweglich geführt ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstandselement (6) in Form ei­ nes steuerbaren piezoelektrischen Aktors ausgebildet ist, dessen Länge über eine entsprechende Ansteuerung ein­ stellbar ist.