DE10046137A1

DE10046137A1 - Linearantrieb mit kontinuierlicher Bewegungskrafterzeugung

Info

Publication number: DE10046137A1
Application number: DE10046137A
Authority: DE
Inventors: Detlef Riemer; Torsten Gramsch
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 2000-09-15
Publication date: 2001-06-21

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem es möglich ist, eine kontinuierliche Bewegungskrafterzeugung des Läufers über den gesamten Bewegungsbereich zu erzeugen. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass mindestens zwei jeweils aus einem bewegungserzeugenden Element und einem steuerbaren Koppelelement bestehende Antriebssysteme abwechselnd mit dem Läufer gekoppelt sind, wobei die Kopplung immer dann wirksam ist, wenn sich die Antriebssysteme in die gewünschte Antriebsrichtung bewegen sollen. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, bei dem ein translatorisch bewegter Läufer mit bewegungserzeugenden Elementen über Koppelelemente verbunden ist, bewegt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb, bei dem ein translatorisch bewegter Läufer mit bewegungserzeugenden Elementen über Koppelelemente verbunden ist, bewegt wird.

In der Antriebstechnik gibt es verschiedenste Ausführungsformen und Prinzi pien von Linearantrieben mit kontinuierlicher bzw. diskontinuierlicher Bewegungskrafterzeugung. Eine allgemeine sowie grobe Einteilung von Antrie ben kann in Direktantriebe und Antriebe mit mechanischen Wandlerelementen (z. B. Rotationsantrieb mit Spindel zur Erzeugung einer Linearbewegung) erfol gen. Je nach Wandlerprinzip und der zu lösenden Antriebsaufgabe ist der entsprechende mechanische und elektrische (Steuerungs-)Aufwand unter schiedlich ausgeprägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Linearantrieb der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem es möglich ist eine kontinuierliche Bewegungskrafterzeugung des Läufers über den gesamten Bewegungsbereich zu erzeugen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das hier beschriebene Antriebsprinzip eines bidirektional wirkenden Linearak tors, mit der Möglichkeit einer kontinuierlichen Bewegungskrafterzeugung, zeichnet sich vor allem durch ein einfaches Lösungsprinzip aus. Vergleichbar ist das Grundprinzip des Antriebssystems mit dem aus der Biologie bekannten Effekts des Querbrückenzyklus auf der Aktin-/Myosin-Ebene (molekulare Eben) eines Muskels. Ähnlich wie bei einer relativen Bewegung der Myosin köpfchen gegenüber den Aktinmolekülen kommt es zu einem periodischen Haften, bewegen und lösen der bewegungserzeugenden Elementen an dem zu bewegenden Elemente an dem zu bewegenden Läufer. Mit Hilfe einer Kaska dierung der eigentlichen bewegungserzeugenden Elemente des Antriebssystems, in Verbindung mit einer definierten Ansteuerung der aktiven Elemente des Antriebs ist mit dem hier als Gegenstand der Erfindung beschrie benen Antriebssystems eine kontinuierliche, bidirektional Läuferbewegung bzw. eine auf den Läufer konstant wirkende Kraft realisierbar.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Linearantriebe mit axial angeordneten Antriebskaskaden,

Fig. 2 Linearantriebe mit bistabilen Elektrohubmagneten und

Fig. 3 das Bewegungsdiagramm.

Das in Fig. 1a dargestellte Antriebsprinzip besteht in seinem wesentlichen Hauptbestandteilen aus den bewegungserzeugenden Elementen 1 und 3, aus den Haft- bzw. Übertragungselementen 2 und 4 und einem Läufer-Element 6, auf dem die Bewegung ausgekoppelt wird. Desweiteren wird eine mechanische Führung mit 5 symbolisiert. Die Fig. 1a bis 1c stellen Beispiele axialer Anordnungen der einzelnen Antriebskaskaden dar. Neben einer weiteren Erhöhung des Kaskadierungsgrades, d. h. statt wie in den Fig. 1a bis 1c mit jeweils nur zwei Einzelantriebssystemen dargestellt, sind auch unter Beachtung eines entsprechenden Ansteuerregimes weitere Einzelantriebssysteme sowohl axial als auch radial kaskadierbar.

Die bewegungserzeugenden Elemente 1 und 3 können beliebige Ausführungs formen von Linearantrieben, z. B. bistabile Hubmagnete, Hubmagnete mit passi ver Rückstellfeder, Piezowandler, pneumatischer Zylinder, SMA-Aktuatoren usw., mit begrenztem, periodisch ausführbaren Hub sein. Die Kraftkopplung zwischen den kraft-/bewegungserzeugenden Elementen 2 und 4 und dem Läufer 6 kann neben den im folgenden beschriebenen magnetischen Koppelme chanismus auch z. B. mit Hilfe elektrostatischer Anziehungskräfte oder über entsprechend ausgebildete mechanische Anordnung erfolgen.

Bedingung für eine Bewegungsübertragung auf den Läufer 6 ist, dass die steuerbare Reibkraft F_R zwischen den Übertragungselementen/Gleitkörpern 2 und 4 und dem Läufer 6 größer als die an den Läufer 6 angreifende Trägheits kraft F_t ist (F_R < F_t). Soll dagegen ein Aufheben der Kraftkopplung zwischen den Übertragungselementen 2, 4 und dem Läufer 6 erreicht werden, muß die Reibkraft F_R kleiner als die an den Läufer 6 angreifende Trägheitskraft F_t sein (F_R < F_t).

Die Koppelelemente 2 und 4 sind wie hier dargestellt z. B. elektrisch ansteuer bare E-Haftmagneten. Während der Phase der Bewegungsübertragung von den bewegungserzeugenden Elementen 1 bzw. 3 auf den Läufer 6 werden die E-Haftmagnete 2 und 4 elektrisch zugeschalten, so dass es zu einer Kraftpaa rung/-kopplung zwischen bewegten und zu bewegendem Läuferelement 6 kommt. Während der Rückstellphase der jeweiligen bewegungserzeugenden Elemente 1, 3 sind die E-Haftmagneten deaktiviert, der 6 wird nicht mitbewegt.

In den Fig. 2 und 3 sind die Verhältnisse für eine kontinuierliche Läuferbe wegung dargestellt, wobei die aktiven Elemente des Antriebssystems hier beispielsweise bistabile E-Hubmagneten (Richtungsumkehr durch Änderung der Richtung des ansteuernden Stroms) sowie E-Haftmagneten (magnetische Haftkräfte werden über einen entsprechenden elektrischen Ansteuerstrom erzeugt, im ausgeschalteten Zustand sind keine magnetischen Haftkräfte vorhanden) sind.

Im Schritt A der Fig. 2 sind alle Elemente inaktiv. Erst im Schritt B kommt es zu einer Extension des Hubmagneten 3, gleichzeitig wird dabei der Haftmagnet 4 angesteuert, so dass es zu einer Bewegungsübertragung auf den Läufer 6 kommt und der Läufer 6 um das Inkrement Delta s verschoben wird. Im Schritt C kommt es zu einer Extension des Hubmagneten 1, zeitgleich wird der Haftmagnet 2 angesteuert und den Läufer 6 um das Inkrement Delta s mit; im gleichen Augenblick kommt es zu einer Bewegungsumkehr (Kontraktion) des Hubmagneten 3, wobei der Haftmagnet 4 ausgeschaltet ist und somit die Kraftübertragung vom Haftmagnet 4 auf den Läufer 6 aufgehoben wird. Im Schritt D der Fig. 2b ist der Haftmagnet 2 inaktiv und der Haftmagnet 4 überträgt die Bewegung des Hubmagneten 3 auf den Läufer 6. Soll der Läufer 6 in gleiche Bewegungsrichtung noch weiter kontinuierlich bewegt werden, ist entsprechend dem in Fig. 2 dargestellten Programmablaufplan zu verfahren (kontinuierliche Wiederholung von Schritt C und D).

Soll der Läufer 6 in die entgegengesetzte Koordinatenrichtung bewegt werden, ist die Ansteuerungsabfolge der Haftmagneten 2 und 4 entsprechend zu inver tieren. So ist mit einer entsprechenden periodischen Bewegung der bewegungs erzeugenden Elemente 1, 3 und eine phasenverschobenen Ansteuerung der Koppelelemente 2, 4 eine kontinuierliche sowie bidirektionale Bewegung des Läufers 6 mit einem theoretisch unbegrenzten Bewegungsbereich realisierbar. Des weiteren ist eine Variation der Vollschrittweite (Mikroschrittbetrieb) des Läufers 6 über die Einstellung der Schrittweite der bewegungsgenerierenden Elemente 1 und 3 bzw. über eine entsprechende phasenverschobene Ansteue rung der Haft- bzw. Übertragungselemente 2 und 4 möglich.

Werden an die Kontinuität der Läuferbewegung sehr hohe Ansprüche gestellt, kann z. B. die Kraftkopplung zwischen den bewegungsübertragenden Elementen 2 und 4 und dem Läufer 6 erst dann erfolgen, wenn das jeweilige bewegungs übertragende Element sich geschwindigkeitsgleich (die Geschwindigkeit des Läufers größer Null vorausgesetzt) zum Läufer 6 verhält.

Werden dagegen bistabile E-Haftmagnete (zusätzliche Integration eines perma nentmagnetischen Kreises innerhalb des E-Magnetkreises) verwendet, besteht bereits im ausgeschalteten Zustand der elektrischen E-Haftmagneten (aufgrund des integrierten permanentmagnetischen Kreises) eine Kraftpaarung zwischen den bewegungsübertragenden Elementen 2 und 4 und dem Läufer 6. Dadurch wird eine Selbsthaltung im ausgeschalteten Zustand des Antriebssystems ermöglicht. Soll die magnetfeldbedingte Kraftkopplung zwischen den bewegungsübertragenden Elementen 2 und 4 und dem Läufer 6 aufgehoben werden, wird der bistabile E-Haftmagnet so elektrisch angesteuert, dass es zu einer Kompensation des im Haftmagneten integrierten permanentmagnetischen Feldes durch das elektromagnetische Feld kommt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

,

3

bewegungserzeugendes Element

2

,

4

Übertragungselement

5

Führung

6

Läufer

Claims

1. Linearantrieb, bei dem ein translatorisch bewegter Läufer (6) mit bewegungserzeugenden Elementen (1, 3) über Koppelelemente (2, 4) verbunden ist, bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei jeweils aus einem bewegungserzeugenden Element (1, 3) und einem steuerbaren Koppelele ment (2, 4) bestehende Antriebssysteme abwechselnd mit dem Läufer (6) gekoppelt sind, wobei die Kopplung immer dann wirksam ist, wenn sich die Antriebssysteme in die gewünschte Antriebsrichtung bewegen sollen.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (6) das gestellfeste Element ist und sich die aus den bewegungserzeugenden Elementen (1, 3) und den Koppelelementen (2, 4) bestehenden Antriebssysteme entlang des Läufers bewegen.

3. Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die bewegungserzeugenden Elemente (1, 3) und die Koppelelemente (2, 4) so angeordnet sind, dass eine Rotationsbewegung generiert wird.

4. Antriebssystem nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe der gewählten Anordnung eine bidirektionale, kontinuierliche bzw. quasi kontinuierliche Bewegung über einen theoretisch unbegrenzten Bewegungsbe reich generiert wird.

5. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftkopplung zwischen den Koppelelementen (2, 4) und dem Läufer (6) erst dann erfolgt, wenn die Geschwindigkeit des jeweils wirksamen Koppelelementes (2, 4) der Geschwindigkeit des sich relativ dazu bewegenden Läufers (6) entspricht.

6. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer Kaskadierung mehrerer derartiger Antriebssysteme größere Bewegungskräfte oder/und Bewegungsgeschwindig keiten oder/und eine größere Kontinuität der erzeugten Bewegung ermöglicht wird.

7. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebssystem mit Hilfe ausgewählter Ansteuerre gime Mikroschritte ausführt.

8. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe einer in dem Antriebssystem integrierten bzw. einer externen Messanordnung die durch das Antriebssystem generierten Bewegungsparameter erfasst werden.

9. Antriebssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die steuerbare Kraftkopplung zwischen dem Läufer (6) und den Koppelelementen (2, 4) mit Hilfe von Reibungskräften und/oder magnetischen Kräften und/oder elektrostatischen Kräften und/oder sich in ihrer Viskosität ändernder Medien und/oder sich in ihrer Elastizität ändernder Medien und/oder über sich ändernde chemische Bindungskräfte erfolgt.