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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den oberbegrifflichen Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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EP 1098429 A2 beschreibt
eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einem Gehäuse,
mit einer in Rotation versetzbaren Welle, mit einem in Schwingung
versetzbaren Antriebskörper
zum Versetzen der Welle in eine solche Rotation und mit zumindest
zwei Festkörperaktor-Einheiten
mit je einem Festkörperaktor
zum Versetzen des Antriebskörpers in
eine solche Schwingung relativ zum Gehäuse. Der Antriebskörper weist
eine runde Antriebsöffnung
auf, durch welche die Welle hindurch führt. Ein Außendurchmesser der Welle ist
derart kleiner als ein Innendurchmesser der Antriebsöffnung,
dass beim Betrieb in einem punkt- oder linienförmigen Abschnitt mit dem Innendurchmesser
der Antriebsöffnung
ein Reibkontakt besteht. Die Festkörperaktor-Einheiten und der
Antriebskörper
werden von einem plattenförmigen
Gehäuseblock
des Gehäuses
getragen. Derartige Bauformen sind hauptsächlich aus Frästeilen zusammengesetzt.
Deren Bereitstellung erfordert einen hohen Aufwand an Fertigungszeit
und verursacht hohe Fertigungskosten.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einem Aufbau vorzuschlagen, welcher eine geringere Fertigungszeit
bei gleichzeitig verbesserter Funktionalität erreicht.
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Diese
Aufgabe wird durch die Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugt
wird demgemäß eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit einem Gehäuse,
einer in Rotation versetzbaren Welle, einem in Schwingung versetzbaren
Antriebskörper
zum Versetzen der Welle in eine solche Rotation und zumindest zwei
Festkörperaktor-Einheiten
mit je einem Festkörperaktor zum
Versetzen des Antriebskörpers
in eine solche Schwingung relativ zum Gehäuse, wobei der Antriebskörper eine
runde Antriebsöffnung
aufweist, aus welcher die Welle herausführt, wobei ein Außendurchmesser
der Welle kleiner als ein Innendurchmesser der Antriebsöffnung ist
und beim Betrieb in einem punkt- oder linienförmigen Abschnitt mit dem Innendurchmesser
in Reibkontakt steht. Insbesondere vorteilhaft ist die Anordnung
durch einen in einer Ebene senkrecht zur Längsachse der Welle symmetrischen
Grundaufbau eines die Festkörperaktor-Einheiten und den
Antriebskörper
tragenden Gehäuseblocks
des Gehäuses
und/oder der Festkörperaktor-Einheiten.
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Durch
diese Konstruktion eines Piezo-Motors als der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
die hauptsächlich
aus Drehteilen herstellbar ist, werden Fertigungsvorteile durch
geringere Fertigungszeit und geringere Fertigungskosten bei gleichzeitig
verbesserter Funktionalität
erreicht.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Gehäuseblock
rahmenförmig
mit einem offenen Innenraum ausgebildet ist, wobei der Antriebskörper mittels
der Festkörperaktor-Einheiten
im Innenraum von Wandungen des Gehäuseblocks beabstandet angeordnet ist.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Gehäuseblock
Durchgangsöffnungen
von seiner Außenseite zu
seinem Innenraum aufweist, wobei die Durchgangsöffnungen zum Einsetzen, insbesondere
zum lösbar
festlegbaren Einsetzen und zum zumindest teilweisen Durchführen jeweils
einer der Festkörperaktor-Einheiten
in den Innenraum hinein ausgebildet sind.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher die Durchgangsöffnungen
ein Gewinde zum Einschrauben einer der Festkörperaktor-Einheiten aufweisen.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher Lagermodule zum Lagern der Welle deckelförmig ausgebildet
sind und den Innenraum in axialer Richtung der Welle abschließen.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Gehäuseblock
und/oder die Lagermodule symmetrisch, insbesondere im Wesentlichen
zylindersymmetrisch ausgebildet sind.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher die Festkörperaktor-Einheiten
einen Antriebshalter mit einer Aufnahmeöffnung zum Einsetzen einer
Festkörperaktor-Anordnung
und zum Einspannen der Festkörperaktor-Anordnung
mittels des Antriebshalters am Zentralblock in Expansions- bzw.
Kontraktionsrichtung des Festkörperaktors
aufweisen.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Antriebshalter zumindest einen Längsschlitz parallel zur Expansions-
bzw. Kontraktionsrichtung des Festkörperaktors zum Ausbilden einer
Spannfeder für
den Festkörperaktor
aufweist.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher die Festkörperaktor-Einheiten
ein Gewinde für
eine feste, insbesondere lösbar
feste Schraubverbindung mit einem Gewinde am oder im Umfang des
Antriebskörpers aufweisen.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Gehäuseblock,
die Antriebshalter der Festkörperaktor-Einheiten,
der Antriebskör per
und/oder Lagermodule zum Lagern der Welle auf Basis eines jeweils
entsprechenden Drehteiles ausgebildet sind.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Gehäuseblock,
die Antriebshalter der Festkörperaktor-Einheiten,
der Antriebskörper
und/oder Lagermodule zum Lagern der Welle mittels Klemm-, Schrumpf- oder Schraubverbindungen
entsprechend untereinander verbunden sind.
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Vorteilhaft
ist insbesondere eine Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
bei welcher der Gehäuseblock,
die Antriebshalter der Festkörperaktor-Einheiten,
der Antriebskörper
und/oder Lagermodule zum Lagern der Welle mittels Press- oder Schweißverbindungen
entsprechend untereinander verbunden sind.
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Gegenüber dem
bekannten Piezo-Motor, der hauptsächlich aus Frästeilen
aufgebaut ist, wurde durch ein Piezo-Motor-Design gefunden, dessen Bauteile
einen höheren
Symmetriegrad aufweisen und bevorzugt die Zylindersymmetrie besitzen,
so dass diese Bauteile auf Drehmaschinen schnell und kostengünstig hergestellt
werden können.
Vorteile bestehen insbesondere in einer einfachen, schnellen und
kostengünstigen
Herstellung auf Drehmaschinen mit 2,5 Achsen, in einem kompakter
Aufbau, in einem einfachen Zusammenbau, in einem modularen Aufbau
aus Untergruppen und in einer hohen mechanischen Steifigkeit der
Komponenten, was für
ein definiertes Funktionieren des reibschlussbasierten Piezo-Ring-Motors
als einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
ein wichtiges Kriterium darstellt.
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Gerade
der modularer Aufbau ist für
eine Serienfertigung sehr vorteilhaft, denn es können vorab Untereinheiten aufgebaut
und in ihrer Funktion validiert werden. Dies steht im Gegensatz
zur bisherigen Aufbauweise, bei der ein Funktionstest erst nach
Aufbau des kompletten Motors durchgeführt werden konnte.
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Besonders
vorteilhafte ist aufgrund der modularen Aufbausequenz, dass einzelne
Komponenten, insbesondere defekte Festkörperaktor-Einheiten, schnell
austauschbar sind.
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Ein
Ausführungsbeispiel
wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung,
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2 eine
perspektivische Ansicht einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
im teilweise montierten Zustand,
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3 eine
perspektivische Ansicht einer Festkörperaktor-Anordnung für eine solche Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
im teilweise montierten Zustand,
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3A und 3B eine
perspektivische Ansicht von Kappen einer solchen Festkörperaktor-Anordnung,
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4 eine
perspektivische Ansicht einer solchen Festkörper-Aktoreinheit im zusammengesetzten
Zustand und eines Antriebshalters davon,
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5 zwei
perspektivische Ansichten eines Lagermoduls einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
und
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6 eine
perspektivische Ansicht eines Antriebskörpers einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung.
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Wie
aus 1 ersichtlich, besteht eine beispielhafte Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
aus einer Vielzahl einzelner Komponenten, welche einzeln oder bevorzugt
im Wesentlichen alle als Drehteilen hergestellt sind.
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An
einen Zentralblock 1 als eigentlichem Hauptbestandteil
eines Gehäuses
sind zwei Antriebshalter 20 für zwei Piezoaktor- Einheiten als beispielhaften
Festkörperaktor-Einheiten 2 per Schraub-,
Schrumpf-, Klemm- oder Schweißverbindung
angeflanscht. An Stirnseiten des Zentralblocks 1 übernehmen
zwei am Zentralblock 1 verschraubte Lagermodule 3 die
Aufnahme von Wälz-
oder Gleitlagern 36 zur Lagerung einer Welle 4 so,
dass die Welle 4 radial und axial fixiert wird.
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Das
Innenleben der Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
bei abgenommenen Lagermodulen 3 ist in 2 dargestellt.
Die am Zentralblock 1 fixierten Antriebshalter 20 sorgen
für eine
mechanisch steife Lagerung der eigentlichen Festkörperaktor-Anordnungen 21,
die an ihrer Kopfseite jeweils an einem Ring, der einen Antriebskörper 5 ausbildet, über Schraub-,
Schrumpf-, Klemm- oder Schweißverbindungen
befestigt sind. Durch den Antriebskörper 5 wird die Welle 4 mit
einem Spaltmaß von
beispielsweise bis zu einigen zehn Mikrometern geführt. Jedoch
sind prinzipiell auch andere Bemaßungen möglich.
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Entscheidend
für die
Funktion des Motors ist eine mechanisch möglichst steife Lagerung der
Festkörperaktor-Einheiten 2,
deren bevorzugter Aufbau in 3, 3A, 3B und 4 dargestellt
ist. Ein piezoelektrischer Multilayer-Aktor (PMA/Piezoelektrischer
Mehrschicht-Aktor) als eigentlicher Festkörperaktor ist in einer Rohrfeder 22 unter
Vorspannung zwischen einer Boden-Kappe (Bottom-Cap) 23 – und einer
Kopf-Kappe (Top-Cap) 24 eingespannt,
insbesondere eingeschweißt.
Die Boden-Kappe 23 ist
von zylindrischer Form, was neben einfacher Anfertigung auch eine
hohe Rundlaufgenauigkeit bewirkt, und weist Bohrungen zum Durchlass
von Piezo-Anschlussdrähten 25 auf.
Die Maßhaltigkeit
der Bodenkappe 23 ist für
das Klemmverfahren zum Befestigen in dem Antriebshalter 20 innerhalb
von Toleranzen zu halten.
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Die
Kopf-Kappe 24 wird wie die Boden-Kappe 23 bevorzugt
durch eine Verschweißung
mit der Rohrfeder 22 verbunden. Die Kopf-Kappe 24 besitzt in
ihrem Kopfabschnitt, insbesondere an ihrer Spitze ein Gewinde 24b,
insbesondere Feingewinde, über das
sie mit dem Antriebskörper 5 wieder
lösbar
fest verbunden wird. An das Gewinde 24b schließen sich Schlüsselflächen 24a zum
gezielten Vorspannen der Schraubverbindung zwischen dem Antriebskörper 5 und
der Kopf-Kappe 24 an. Der Abschluss wird wie bei der Boden-Kappe 23 von
einem zylindrischen Abschnitt gebildet, der bezüglich der Formtoleranzen im Vergleich
keine hohen Anforderungen stellt. Beide Kappen 23, 24 können vorteilhafterweise
problemlos auf einer CNC-Drehmaschine hergestellt werden.
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Um
den Antriebskörper 5 relativ
zum Zentralblock 1 auf einer kreisförmigen Bahn zu verschieben bzw.
in eine translatorischen Bewegung zu versetzen, stützen sich
die Festkörperaktor-Einheiten 2 am Zentralblock 1 ab.
Dies wird durch die in u.a. 4 dargestellten
Antriebshalter 20 erreicht. Auch die Antriebshalter 20 sind
als zylindrische Drehteile ausgeführt. Die Antriebshalter 20 weisen
neben einer Zentralbohrung 28 und einer Schlüsselfläche 26 auch eine
Schlitzung in Form eines oder mehrerer Schlitze 29 in Richtung
einer Expansions- oder Kontraktionsbewegung der Festkörperaktoren
auf. Die Zentralbohrung 28 verengt sich rückseitig
vorzugsweise zur Ausbildung eines Anschlags für die eingesetzte Festkörperaktor-Anordnung 21.
Zusätzlich
schließt
sich vorderseitig an die Schlüsselfläche 26 ein
Gewinde 27, insbesondere ein Feingewinde zum Verschrauben
mit dem Zentralblock 1 an. Bei der Montage wird die Festkörperaktor-Anordnung 21 durch
die Zentralbohrung 28 eingeführt und in geeigneter Position
mit Hilfe der Schlitze 29 geklemmt. Dazu können z.B. Schellen
oder in den Zylinder eingebrachte Schrauben verwendet werden. Eine
Klemmung als Befestigungsart gewährleistet
eine sichere und mechanisch steife Verbindung der Piezo-Antriebe
bzw. Festkörperaktor-Einheiten 2 am
Zentralblock 1. Aufgrund der hohen mechanischen Halter-Steifigkeit
der Antriebshalter 20 treten vorteilhafterweise nur geringe
Dehnungsverluste auf.
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Eine
Umsetzung des Konzepts ist auch ohne Schlitze 29 möglich. Die
Schlitze 29 sind insbesondere für Einzelanfertigungen bei Sonderproduktionen und
bei der Entwicklung neuer Mo toren von Vorteil. Bei Lösungen mit
einem solchen Schlitz 29 kann zusätzlich eine endgültige Festlegung
der Festkörperaktor-Anordnung 21 in
dem Antriebshalter 20 durch Schweißen vorgesehen werden.
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Den
Aufbau des Zentralblocks 1 zeigt insbesondere 2.
Auf der rahmenartigen und vorzugsweise zylindrischen Grundform werden
mit Hilfe eines Fräsers
vorzugsweise mindestens zwei plane Flächen 12 erzeugt. Dies
ist z.B. auf einer Standard-2.5-Achsen-CNC-Maschine
möglich.
In diese Flächen 12 werden
mittig Bohrungen, insbesondere Gewindebohrungen 13 gesetzt,
die zur Verbindung mit dem Außengewinde 27 der
Antriebshalter 20 dienen. An beiden Stirnseiten des Zentralblocks 1 wird jeweils
ein Absatz 14 erzeugt, der als Anschlag für die Lagermodule 3 dient.
Mit dem stirnseitigen Anbringen von Gewindebohrungen 15 zur
Verschraubung mit den Lagermodulen 3 ist der Zentralblock
fertig gestellt. Eine solche Form des Zentralblocks 1 ermöglicht vielfältige Piezo-Motor-Konfigurationen.
So sind etwa Motoren mit 4 oder mehr Antriebseinheiten oder
die Integration von Sensorik mit z.B. kapazitiver oder induktiver
Bewegungserkennung denkbar.
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Die
am Zentralblock 1 zu befestigenden Lagermodule 3 sind
gemäß 5 ebenfalls
sehr einfach als Drehteile herstellbar. Zur Aufnahme eines zu verwendenden
Lagers, insbesondere eines Wälzlagers
oder eines Gleitlagers, sind sie auf einer Stirnseite mit einer
entsprechenden Vertiefung 31 ausgestattet. Diese Vertiefung 31 weist
zur Durchführung der
Welle 4 eine Bohrung 32 auf. Das Setzen von z.B. vier
Plan gesenkten Löchern 30 und
einer Fase 33 bildet den Abschluss der ersten Stirnseite.
Die Gegenseite bedarf lediglich des Anbringens einer Durchmesserverjüngung 34 und
einer zweiten Fase 35. Typische Maße für ein solches Modul liegen
bei einer Welle mit einem Durchmesser von ca. einem Zentimeter bei
einem Außendurchmesser
von etwa 6 cm. Jedoch sind beliebige andere Dimensionierungen je
nach erforderlichem Anwendungszweck und verfügbarem Raum zum Einbau eines
derartigen Antriebs umsetzbar.
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Wie
dies aus 6 ersichtlich ist, ist der insbesondere
ringförmige
Antriebskörper 5 vorzugsweise
ebenfalls als Drehteil konzipiert. Nach dem Abnehmen von insbesondere
mindestens zwei Flächen 50,
insbesondere Fräsflächen von
einem zylindrischen Grundteil sind auf mindestens zwei solcher Flächen 50 Gewindebohrungen 51 zu
setzen, die passend zum Gewinde 24b der Kopf-Kappen 24 der Piezo-Antriebseinheiten
dimensioniert sind. Mit dem Anbringen einer Wellenbohrung 52 zur
Durchführung der
Welle 4 mit vorzugsweise hoher Formtoleranz und Maßhaltigkeit
im Mikrometerbereich ist der Antriebskörper 5 fertig gestellt.
Der Innendurchmesser der Wellenbohrung 52 ist dabei entsprechend
dem Funktionsprinzip etwas größer als
der Außendurchmesser
der Welle 4.
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Bei
einem bevorzugten Montagezyklus zum Aufbau einer solchen Festkörperaktor-Antriebsvorrichtung
mit zwei Antrieben werden im ersten Schritt die Antriebshalter 20 noch
ohne Festkörperaktor-Anordnung 22 mit
dem Zentralblock 1 verschraubt. Dabei wird das Anbringen
einer Vorspannkraft von über 1000
N bevorzugt, wobei bei ausgefallenen Anwendungen und Dimensionierungen
auch geringere Vorspannkräfte
einsetzbar sind. Durch die Zentralbohrung 28 der Antriebshalter 20 werden
dann die Festkörperaktor-Anordnungen 22 als
eigentliche Antriebseinheiten eingeschoben und mit dem Antriebskörper 5 verschraubt.
Diese geschieht mittels der Schlüsselflächen 24a der
Kopf-Kappen 24.
Auch wird eine hohe Vorspannkraft von über 1000 N bevorzugt.
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Dabei
können
sich die Festkörperaktor-Anordnungen 22 noch
in den Antriebshaltern 20 drehen. Die Welle 4 wird
durch den Antriebskörper 5 geführt, wobei
der Innendurchmesser des Antriebskörpers 5 zusammen mit
dem Außendurchmesser
der Welle 4 eine enge Spielpassung mit einer Durchmesserdifferenz
von bevorzugt aber nicht notwendig ca. 4–20 μm bildet. Danach werden die
beiden Lagermodule 3 bzw. die Lager mit geeigneten Hilfsvorrichtungen
auf der Welle 4 entlang geführt, z.B. mittels Pressen bei Wälzlagern
etc., und abschließend
mit dem Zentralblock 1 verschraubt. Eine gute Zentrierung
aller Komponenten ist hierbei bevorzugt zu beachten.
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Die
Klemmung der Aktor-Einheiten zum Abstützen am Lagerblock 1 kann
in mehreren Varianten erfolgen. Beim typischen Fall einer Blockierklemmung
blockiert der Motor im ausgeschalteten Zustand. Durch das Anlegen
der halben Maximalspannung an beide Festkörperaktor-Anordnungen 22 liegen
der Antriebskörper 5 und
die Welle 4 in guter Näherung
konzentrisch zueinander. In dieser Position werden die Antriebseinheiten
bzw. Festkörperaktor-Anordnungen 22 geklemmt.
Durch das Abschalten der Spannung ziehen sich die Festkörperaktor-Anordnungen 22 zurück und führen zu
einem Anpressen des Antriebskörpers 5 an
die Welle 4. Das blockiert den Motor im ausgeschalteten
Zustand. Anschließend
kann durch das Anlegen einer sinusförmigen Spannung an die Festkörperaktor-Anordnungen 22 mit
90 Grad Phasenverschiebung der Motor betrieben werden.
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Mit
dem vorliegenden Aufbau ist es leicht möglich, defekte Antriebseinheiten
nachträglich
ohne ein Zerlegen des gesamten Motors, insbesondere ohne die Lagereinheiten
zu entfernen, zu wechseln. Dazu ist lediglich die Klemmung der Antriebe
an den Antriebshaltern 20 zu lösen und anschließend sind die
Antriebshalter 20 der defekten Einheit vom Zentralblock 1 zu
lösen.
Dann kann mit Hilfe eines geeigneten Werkzeugs durch die Zentralblockbohrung 11 hindurch
der Antriebskörper 5 von
der Festkörperaktor-Anordnung 22 gelöst und diese
nach hinten durch die Halterbohrung 28 entfernt werden.
In umgekehrter Reihenfolge kann dann die neue Festkörperaktor-Anordnung 22 eingebaut
werden.
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Eine
solche Anordnung bietet vorteilhaft einen einfachen Aufbau mit nur
wenigen Teile durch ein modulares Konzept mit einer teilorientierten
Optimierung. Möglich
ist eine kostengünstige
Fertigung der Komponenten als zylindersymmetrische Drehteile. Gewährleistet
wird dabei eine hohe mechanische Steifigkeit der kritischen Komponenten
wie Zentralblock 1 und Antriebshalter 20. Separate
Lagermodule lassen einen schnel len und einfachen Test verschiedener
Lagerkonzepte zu. Es besteht keine Begrenzung auf zwei Antriebseinheiten,
da auf dem Teilkreis des Lagerblocks 1 beispielsweise auch
16 Aktoreinheiten angebracht werden können. Vorteilhaft ist auch,
dass Ein- und Ausbau einer Bewegungssensorik einfach möglich sind.
Insbesondere ist eine einfacher Wechsel einzelner Antriebseinheiten
möglich. Das
Prinzip funktioniert mit allen Arten von Festkörperaktoren, z.B. neben piezoelektrischen
Aktoren auch mit elektrostriktiven oder magnetostriktiven Aktoren.
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Antriebshalter 20,
Festkörperaktor-Einheiten 2,
Lagermodule 3, Zentralblock 1, Antriebseinrichtung 5 und
Welle 4 können
Zylindersymmetrie aufweisen und sind damit als Drehteile herstellbar.
Die Einzelkomponenten können
durch Schraub-, Klemm- oder
Schrumpfverbindungen miteinander lösbar verbunden werden. Die
Einzelkomponenten können
alternativ auch durch Schweiß-
oder Schrumpfverbindungen unlösbar
miteinander verbunden werden.