DE10156870A1

DE10156870A1 - Anordnung und Verfahren zur Erzeugung variabler Kennlinien von Antrieben

Info

Publication number: DE10156870A1
Application number: DE10156870A
Authority: DE
Inventors: Torsten Gramsch
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2000-11-22
Filing date: 2001-11-20
Publication date: 2002-07-11

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung und ein Verfahren anzugeben, mit denen Linearantriebe mit variablen Kraft-Weg-Kennlinien realisiert werden können. Nichtlineare Effekte, wie Hysterese und Kriecheffekte, sollen dabei in ihrer Wirkung neutralisiert und eine einfache Steuerung des gesamten Antriebes soll ermöglicht werden. DOLLAR A Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch die Kaskadierung mehrerer identischer oder ähnlicher Antriebselemente. Die starre Kopplung der einzelnen Aktoren wird aufgehoben und durch eine elastische und/oder temporäre mechanische Kopplung und eine separate Ansteuerung der einzelnen Aktoren ersetzt. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Anordnung und das zugehörige Verfahren sollen in der modernen Technik eingesetzt werden, wobei Eigenschaften wie die Realisierung von mehrdimensionalen Bewegungen, Ruck- und Stoßfreiheit, geringer Energieverbrauch u. a. gewährleistet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung und ein Verfahren mit denen Linearantriebe mit variablen Kraft-Weg-Kennlinien realisiert werden können. Nichtlineare Effekte, wie Hysterese und Kriecheffekte werden in ihrer Wirkung neutralisiert und ermöglichen eine einfache Steuerung des gesamten Antriebes.

In der modernen Technik werden hochdynamische und immer präzisere Bewegungen benötigt. Entwicklungsbedarf besteht vor allem auf den Gebieten, in denen besondere Eigenschaften, wie mehrdimensionale Bewegungen, Ruck- und Stoßfreiheit, sowie geringer Energieverbrauch gefordert werden.

Klassische Antriebe können diese Forderungen nur mit großem Aufwand erfüllen.

Biologische Bewegungssysteme liefern Beispiele für Realisierungsmöglichkeiten solcher Antriebe, wobei einzelne Antriebselemente räumlich und/oder zeitlich nacheinander zur Wirkung gebracht werden. Sie bilden eine Antriebskaskade.

Ist die Verbindung zwischen den einzelnen Aktoren starr und werden sie gemeinsam angesteuert, so ergibt sich ein einziger großer Antrieb mit der Übernahme aller Eigenschaften der Einzelaktoren, wie Hysterese und Nichtlinearitäten, welche die Steuerung und Regelung erschweren.

Auf diese Weise ist es nur bedingt möglich feininkrementierte Kraft- bzw. Wegschritte zu machen und sowohl vorwärts als auch rückwärts die selbe Kraft-Weg-Kennlinie zu realisieren.

Technische Antriebe, die einstellbare oder in Abhängigkeit vom Bewegungszustand variierbare Kennlinien haben, nichtlineare Effekte der Antriebsprinzipien eliminieren, Bewegungen in mehrere Dimensionen generieren und die mechanische Leistung von Mikroantrieben zu makroskopisch relevanten Leistungen summieren, sind nicht bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung und ein dazugehöriges Verfahren zu schaffen, welche in der technischen Antriebstechnik verwendet werden können, wobei sie wenigstens eine der folgenden Anforderungen genügen sollten:

- Realisierung feinerer Weg- und/oder Kraftschritte als die verwendeten einzelnen Antriebselemente es ermöglichen
- Entnahme von makroskopisch relevanten mechanischen Leistungen aus nur im Mikrobereich effizienten physikalischen Effekten, wie z. B. elektrostatische Kraftwirkungen
- Realisierung variabler Kraft-Weg- und/oder Kraft- Geschwindigkeits-Kennlinien bei Verwendung von identischen primären Antriebselementen in der Konstruktions- und/oder in der Betriebsphase
- Unterdrückung der Nichtlinearitäten der eingesetzten einzelnen Antriebselemente
- Reduzierung des Energieverbrauchs gegenüber vergleichbaren Antrieben mit dem Antriebsprinzip einzeln eingesetzter Antriebselemente
- Realisierung von Bewegungen in mehreren Dimensionen bei entsprechender Ansteuerung und Anordnung

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung dieser Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen der Patentansprüche 1 und 12.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung und des dazugehörigen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die vorliegende Anordnung und Verfahren zeichnen sich durch verringerte Massen und Volumina, einen höheren Freiheitsgrad, geringere Verlustleistung, Erhöhung der Zuverlässigkeit sowie Senkung der Herstellungskosten aus.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1a, b eine Aktorzelle mit einem expan diertem bzw. kontrahiertem Aktor

Fig. 2a, b eine einfache Kaskadierungsvariante mit expandierten Aktoren bzw. mit mindestens einem kontrahierten Ak tor in Parallelschaltung

Fig. 3 eine einfache Kaskadierungsvariante mit in Serie geschalteter einzelner Aktoren

Fig. 4 eine Kombination von Serien- und Pa rallelschaltung der Aktoren

Fig. 5 eine Kombination von Serien- und Pa rallelschaltung der Aktoren mit zu sätzlicher paralleler Koppelsteifig keit zwischen den Aktorzweigen

Fig. 6a, b, c, d eine Aktorzelle mit zu- und ab schaltbarer Steifigkeit parallel zum primären Antriebselement oder zur gesamten Aktorzelle

Fig. 7 eine Variante der Änderung der Stei figkeit des kaskadierten Aktors

Der erfindungsgemäße Antrieb wird durch die Kaskadierung mehrerer identischer oder ähnlicher Antriebselemente realisiert, wobei die starre Kopplung der einzelnen Aktoren aufgehoben und durch eine elastische und/oder temporäre mechanische Kopplung ersetzt wird.

Unter Kaskadierung sei die mechanisch nicht starre Verbindung der Antriebselemente in Längs- und/oder in Querrichtung verstanden. Die einzelnen Antriebselemente können separat angesteuert werden.

In Fig. 1a ist ein Grundelement des Antriebes, eine Aktorzelle mit expandiertem Primäraktor gezeigt. Sie setzt sich aus dem primären Antriebselement 1, dargestellt als kontrahierendes Element 2 mit seiner natürlichen intrinsischen Steifigkeit 3, und einer separat eingefügten definierten Koppelsteifigkeit bzw. Koppelnachgiebigkeit 4 in Längs- und/oder in Querrichtung zusammen.

In Fig. 1b ist diese Aktorzelle mit kontrahiertem Primäraktor 2a dargestellt. Der Abtriebspunkt 5 bewegt sich nach der Kontraktion in dargestellter Richtung um den Weg 6.

Werden derartige Aktorzellen miteinander seriell und/oder parallel miteinander verbunden, so führt die Kontraktion eines einzelnen Primäraktors zu Verformungen innerhalb der Anordnung, so dass nur ein Bruchteil des Weges bzw. der Kraft des Primäraktors am Abtrieb 5 zur Wirkung kommt.

Bereits mit den in den Fig. 2a, 2b und 3 dargestellten Kaskadierungsvarianten ist die Kraft und der Weg in gequantelten Schritten einstellbar. Die Blockierkraft in der Reihenschaltung und der Leerlaufweg in der Parallelschaltung erreichen als Maximum nur den Wert, den auch eine einzelne Aktorzelle erreicht.

Die Fig. 2a, 2b und 3 verdeutlichen aber auch, dass Kräfte bzw. Wege von Antriebsprinzipien im Mikrobereich über eine große Anzahl von Aktorzellen zu makroskopisch nutzbaren Kräften und Wegen akkumuliert werden können.

Sollen sowohl für den Leerlaufweg, als auch für die Blockierkraft größere Werte erreicht werden, als sie eine einzelne Zelle liefert, so bietet sich eine Kombination der Reihen- und Parallelschaltung, wie in Fig. 4 gezeigt, an. Sowohl in Kraftrichtung, als auch senkrecht dazu, werden mehrere Zellen zu einer Aktorkaskade angeordnet.

Die einzelnen Zweige werden untereinander stabilisiert, indem parallele Koppelnachgiebigkeiten eingebaut werden. Diese Ausführungsform einer Aktorkaskade mit Parallelkopplung ist in Fig. 5 dargestellt. Die Koppelelemente beeinflussen die Kräfte und Wege innerhalb der Aktorkaskade, verändern aber die Werte für die Blockierkraft und den Leerlaufweg nicht, da sich die in einem Zweig erzeugte Kraft lediglich auf mehrere Pfade verteilt.

Sollen die linearen Verhältnisse der gesamten Kaskade erhalten bleiben, so muss die Auskopplung der Kraft bzw. des Weges über eine gemeinsame Verbindung aller Zweige erfolgen, die den gleichen Weg an allen Zweigen sichert (z. B. eine Parallelführung am Abtriebspunkt). Die Nachgiebigkeit der Kaskade ist dann nach außen konstant. Die Werte für die Kraft und den Weg sind nur von der Anzahl der aktivierten Aktoren abhängig, nicht aber von deren Position.

Werden die Koppelnachgiebigkeiten zwischen den Elementen variiert und dem Ansteuermuster angepasst oder werden, wie in Fig. 6a, b, c und d dargestellt, innerhalb bzw. an den Aktorzellen bei der Kontraktion bzw. Expansion Verbindungen zu weiteren elastischen Elementen 8 und 9 hergestellt oder gelöst oder mechanische Übersetzungen zu diesen geändert, so kann die Steifigkeit des gesamten kaskadierten Aktors in Abhängigkeit vom Aktivierungszustand variiert werden.

Wie in Fig. 7 dargestellt, ergibt sich eine weitere Möglichkeit der Änderung der Steifigkeit des kaskadierten Aktors auch daraus, dass in Abhängigkeit vom Aktivierungszustand nur einzelne Kaskadenstränge in Eingriff gebracht werden.

Die Verbindung solcher elastisch kaskadierter Aktoren mit einer Masse ergibt einen mechanischen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz sich mit der Aktivierung des Aktors verändern lässt.

Werden die Primäraktoren nur in zwei Endlagen betrieben, werden durch diese Diskretisierung die Probleme der analogen Positionierung vermieden und die nichtlinearen Eigenschaften des eigentlichen Antriebsprinzips kommen nicht mehr zum Tragen. Die Ausgangsgrößen können dann nicht mehr stufenlos eingestellt werden, sondern nur in geguantelten Schritten, haben aber einen definierten Fehler. Besonders günstig ist diese Variante, wenn bistabile Primärantriebe, wie z. B. polarisierte Elektromagnete, verwendet werden.

Dynamisch betrachtet wird dann die Energie zuerst in eine interne Verformung des Aktors umgewandelt und dann über den Abtriebspunkt an das folgende mechanische System abgegeben. Dadurch können die Aktivierungszeiten der einzelnen Primäraktoren reduziert werden. Der Energieverbrauch wird sowohl durch die Verkürzung der notwendigen Aktivierungszeiten, als auch durch die Verringerung der Anzahl der angesteuerten Antriebselemente gesenkt, da nur die für die Erzeugung einer bestimmten Kraft oder eines bestimmten Weges notwendigen Antriebselemente aktiviert werden.

Erfolgt die Kaskadierung der Aktorzellen in mehreren Dimensionen des Raumes, können auch mit entsprechenden Ansteuermustern höherdimensionalere Bewegungen innerhalb eines Raumes erzeugt werden, als mit der gemeinsamen Ansteuerung aller Aktoren. Eine räumliche Kaskade kann sich auf diese Weise in drei Dimensionen bewegen.

Da jeder Primärantrieb einzeln angesteuert werden muss, sind entsprechend viele Zuleitungen notwendig, welche die gesamte Anordnung verkomplizieren. Die Lösung dieses Problem besteht darin, dass die Ansteuerung der einzelnen Primäraktoren in die Anordnung selbst integriert wird. So lässt sich z. B. mit einer internen mechanoelektrischen Logik die Entscheidung treffen, welcher Primäraktor als nächster aktiviert oder deaktiviert wird.

Die Ansteuerung kann Optimierungskriterien, wie die Minimierung der internen mechanischen Spannungen des Aktors, erfüllen. Durch eine intermittierende Schaltung der Elemente innerhalb einer Kaskade ist es möglich, die energetische Grenze der Einzelaktoren nach oben zu verschieben. Elektromagnete können durch die kleinere relative Einschaltdauer für geringere thermische Leistungen dimensioniert werden.

Bezugszeichenliste

1

primäres Antriebselement

2

kontrahierendes Element (expandiert)

2

a kontrahierendes Element (kontrahiert)

3

Steifigkeit des primären Antriebselementes

4

Steifigkeit der seriellen Kopplung

5

Abtriebspunkt

6

Weg des Abtriebpunktes

7

Parallelführung, die lineare Verhältnisse in der Aktorkaskade sichert

8

zu- bzw. abschaltbare Steifigkeit, parallel zum primären Antriebselement

9

zu- bzw. abschaltbare Steifigkeit, parallel zur gesamten Aktorzelle

10

mechanischer Anschlag, der die Verbindung zu den parallelen Steifigkeiten bei Kontraktion herstellt (Verbindung getrennt)

10

a mechanischer Anschlag, der die Verbindung zu den parallelen Steifigkeiten bei Kontraktion herstellt (Verbindung hergestellt)

11

mechanischer Anschlag, der die Verbindung zu den parallelen Steifigkeiten bei Kontraktion trennt (Verbindung hergestellt)

11

a mechanischer Anschlag, der die Verbindung zu den parallelen Steifigkeiten bei Kontraktion trennt (Verbindung getrennt)

12

Verbindungsplatte

13

Durchführung durch die Verbindungsplatte

14

Mitnehmer eines Teilaktors (nicht im Eingriff)

14

a Mitnehmer eines Teilaktors (im Eingriff)

15

parallele Koppelsteifigkeit zwischen den Aktorzweigen

Claims

1. Anordnung zum Erzeugen variabler Kennlinien von Antrieben, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere einzelne Primäraktoren seriell und/oder parallel elastisch miteinander verkoppelt sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäraktoren in der Kaskade linear, in einer beliebig geformten Ebene oder räumlich angeordnet sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäraktoren nur mit dem direkt benachbarten Primäraktor nur seriell und/oder nur parallel elastisch miteinander verbunden sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäraktoren mit zusätzlichen Dämpfungselementen und zusätzlichen Massen verbunden sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche parallele und/oder serielle Elastizitäten, Dämpfungselemente oder Trägheiten temporär mit den Primäraktoren verbunden sind.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Übersetzung, mit der die Elastizitäten, Dämpfungselemente oder Trägheiten mit Teilen der Kaskade verbunden sind, in Abhängigkeit vom Zustand einzelner Aktoren der Kaskade oder durch separate Aktoren geändert wird.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Teile der Aktorkaskade nicht dauerhaft mechanisch mit dem Abtriebspunkt verbunden sind.

8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass Bewegungen höheren Freiheitsgrades realisiert werden können.

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärantriebe in Sprungwerke integriert sind oder bistabile Aktoren verwendet werden.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die linearen Antriebselemente durch rotatorische Antriebe, Drehfedern, Rotationsdämpfer und Drehträgheiten ersetzt werden können.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Größen Drehmoment und Drehwinkel nach außen geführt werden.

12. Verfahren zum Erzeugen variabler Kennlinien von Antrieben, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Primäraktoren separat angesteuert werden können.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass nur die für die geforderte Bewegung notwendigen Primäraktoren angesteuert werden.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Aktorkaskade oder ganze Aktorkaskaden antagonisiert gegeneinander arbeiten.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die primären Antriebselemente nur in zwei Endlagen oder an zwei Anschlägen betrieben werden und die Bewegung von einer Endlage in die andere einen nicht stabilen Zwischenzustand darstellt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der primären Antriebselemente mit festgelegten Optimierungskriterien erfolgt.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des nächsten zu aktivierenden oder zu deaktivierenden Primäraktors mit Logikelementen erfolgt, die sich innerhalb, an oder außerhalb der Kaskade befinden.