DE102008046562A1 - Hydraulischer Linearantrieb - Google Patents

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    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/18Combined units comprising both motor and pump
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    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
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    • F15BSYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B7/00Systems in which the movement produced is definitely related to the output of a volumetric pump; Telemotors

Abstract

Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Linearantrieb mit mindestens einem Kolben, welcher in einem zugeordneten Zylinder verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder mindestens einen Einlass aufweist, über welchen mittels mindestens einer Pumpeinrichtung ein Fluid in den Zylinder einbringbar ist und mindestens einen Auslass, über welchen ein Fluid aus dem Zylinder entnehmbar ist, wobei zum Antrieb der Pumpeinrichtung mindestens ein piezoelektrischer und/oder ein magnetostriktiver Aktor vorgesehen ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Linearantriebes, welcher mindestens einen Kolben aufweist, welcher in einem zugeordneten Zylinder mit einem Einlass und einem Auslass verschiebbar gelagert ist, wobei mittels mindestens einem Pumpelement mit einem piezoelektrischen und/oder einem magnetostriktiven Antrieb ein Fluid aus einem Vorratsbehälter entnommen und dem Zylinder durch den Einlass zugeführt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Linearantrieb mit mindestens einem Kolben, welcher in einem zugeordneten Zylinder verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder mindestens einen Einlass aufweist, über welchen mittels mindestens einer Pumpeinrichtung ein Fluid in den Zylinder einbringbar ist und mindestens einen Auslass, über welchen ein Fluid aus dem Zylinder entnehmbar ist. Solche Linearantriebe werden beispielsweise in der Automatisierungstechnik eingesetzt, um Bauteile oder Werkzeuge oder Werkzeugteile in ihrer relativen Lage zueinander zu positionieren.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Linearantriebe elektromotorisch unter Zuhilfenahme von Zahnradgetrieben oder Gewindestangen zu realisieren. So kann ein auf mindestens einer Führungsstange gleitender Schlitten, welcher ein Innengewinde aufweist, entlang der Führungsstange verschoben werden. Dazu ist parallel zur Führungsstange eine Gewindestange angeordnet, welche mit dem Innengewinde in Eingriff steht. Eine Drehung der Gewindestange wird in eine laterale Bewegung des Schlittens umgewandelt. Die Betätigungsdauer und die Drehzahl des zum Antrieb der Gewindestange verwendeten Elektromotors bestimmen dabei die Position und die Verfahrgeschwindigkeit des Schlittens. Für eine besonders feinfühlige und reproduzierbare Positionierung des Schlittens können beispielsweise Schrittmotoren verwendet werden.
  • Weiterhin ist bekannt, den Schlitten mit einem Elektromotor zum Antrieb eines Zahnrades auszustatten, welches mit einer statisch parallel zur Führungsstange angeordneten Zahnstange im Eingriff steht. In dieser Weise kann der Schlitten durch Drehen des Zahnrades entlang der Zahnstange verschoben werden. Ach hier kann die Positionierung mittels eines Schrittmotors vorgenommen werden.
  • Nachteilig an diesen bekannten Linearantrieben ist insbesondere die Tatsache, dass zur Kontrolle des Stellweges zusätzliche Sensorik erforderlich ist. Weiterhin sind die verwendeten mechanischen Bauteile aufgrund ihrer Größe mit Masse behaftet und weisen eine entsprechende Trägheit auf, welche einer schnellen Veränderung der Position des Schlittens entgegenwirkt. Aufgrund der mechanischen Toleranzen der im Eingriff stehenden Bauteile ist darüber hinaus eine präzise Steuerung oder Regelung des Stellweges nicht möglich.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb anzugeben, welcher eine gegenüber dem Stand der Technik erhöhte Stellgeschwindigkeit und/oder eine geringere Toleranz beim Anfahren einer vorgebbaren Sollposition aufweist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen hydraulischen Linearantrieb mit mindestens einem Kolben, welcher in einem zugeordneten Zylinder verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder mindestens einen Einlass aufweist, über welchen mittels mindestens einer Pumpeinrichtung ein Fluid in den Zylinder einbringbar ist und mindestens einen Auslass, über welchen ein Fluid aus dem Zylinder entnehmbar ist, wobei zum Antrieb der Pumpeinrichtung mindestens ein piezoelektrischer und/oder ein magnetostriktiver Aktor vorgesehen ist.
  • Weiterhin besteht die Lösung der Aufgabe in einem Verfahren zum Betrieb eines Linearantriebes, welcher mindestens einen Kolben aufweist, welcher in einem zugeordneten Zylinder mit einem Einlass und einem Auslass verschiebbar gelagert ist, wobei mittels mindestens einem Pumpelement mit einem piezoelektrischen und/oder einem magnetostriktiven Antrieb ein Fluid aus einem Vorratsbehälter entnommen und dem Zylinder durch den Einlass zugeführt wird.
  • Erfindungsgemäß wird ein Linearantrieb vorgeschlagen, bei welchem ein Kolben hydraulisch in einem Zylinder bewegt wird. Zum Befüllen und/oder zum Entleeren des Hydraulikzylinders steht dabei mindestens eine Hydraulikpumpe zur Verfügung, welche mittels eines Piezoaktors oder einem magnetostriktiven Aktor angesteuert wird. Der Aktor erlaubt dabei das Befüllen und/oder das Entleeren des Hydraulikzylinders mit kleinen Flüssigkeitsmengen, so dass der Stellweg präzise kontrolliert werden kann. Dabei wird zumindest eine Bewegungsrichtung des Linearantriebs dadurch kontrolliert, dass der Zylinder mit einem Hydraulikfluid, beispielsweise Öl oder Wasser gefüllt wird. Das Fluid verdrängt dabei einen Arbeitskolben, welcher sich wunschgemäß in eine erste Richtung bewegt.
  • Sofern eine Bewegung in eine zweite, der ersten Bewegungsrichtung entgegen gesetzte Bewegung gewünscht wird, kann der Arbeitskolben entweder mittels Federkraft oder durch das Eigengewicht des Kolbens oder das Eigengewicht eines daran befestigten Werkzeuges oder Maschinenteils bewegt werden. Das dabei aus dem Zylinder verdrängte Hydraulikfluid wird dann durch ein steuerbares Ventil oder eine Drossel abgeführt.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kolben den Zylinder in ein erstes Teilvolumen und ein zweites Teilvolumen unterteilt. Je nachdem, ob das erste Teilvolumen oder das zweite Teilvolumen mit Fluid gefüllt wird, vergrößert sich dieses Teilvolumen und führt zu einer Bewegung des Kolbens entlang einer ersten Bewegungsrichtung oder entlang einer zweiten Bewegungsrichtung. Da sich ein Teilvolumen des Zylinders stets nur auf Kosten des anderen Teilvolumens des Zylinders vergrößern kann, wird das Fluid aus dem jeweils anderen Teilvolumen entweder über ein gesteuertes Ventil oder eine Drossel abgeführt.
  • Bevorzugt kann das aus dem Zylinder abgeführte Fluid in einem Vorratsbehälter gesammelt werden, von wo aus es bei Umkehrung der Bewegungsrichtung erneut mittels des Pumpelementes dem Zylinder zugeführt werden kann.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung wird die auf den piezoelektrischen und/oder den magnetostriktiven Aktor des Pumpelementes einwirkende Kraft mittels des Aktors gemessen. Dies geschieht in besonders einfacher Weise dadurch, dass die vom Piezoelement bei der Komprimierung des Pumpvolumens erzeugte Gegenspannung gemessen wird. Die Größe und Signalform dieser Gegenspannung ist von der Gegenkraft abhängig, gegen welche das Piezoelement auslenken muss. Daher ist diese Gegenspannung unmittelbar ein Maß für den Zeitverlauf des Druckes in der Pumpenkammer. Auf diese Weise kann insbesondere das pro Pumpzyklus verschobene Fluidvolumen bestimmt werden. Das Fluidvolumen kann mittels einer Regelvorrichtung zur Reproduktion des Hubverlaufes des Antriebskolbens verwendet werden. Im Falle eines magnetostriktiven Aktors tritt an die Stelle der Gegenspannung eine Messung des von der Antriebsspule aufgenommenen Stromes.
  • Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
  • 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Linearantriebs mit Federrückstellung.
  • 2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines bidirektional arbeitenden Linearantriebs.
  • 3 zeigt einen bidirektional arbeitenden Linearantrieb in kompakter Bauform.
  • 4 zeigt einen bidirektional arbeitenden Linearantrieb, welcher beidseitig Positionieraufgaben wahrnehmen kann.
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Linearantrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Linearantrieb umfasst einen Zylinder 11, in welchem ein Kolben 8 verschiebbar gelagert ist. Zwischen der Außenwand des Kolbens 8 und der Innenwand des Zylinders 11 ist dabei eine gleitende Dichtung angebracht, welche das Austreten von Hydraulikfluid aus dem Innenvolumen des Zylinders 11 verhindert oder zumindest begrenzt.
  • Am äußeren, aus dem Zylinder 11 herausragenden, Ende des Kolbens 8 ist ein Werkzeug oder ein Bauteil angebracht, welches mittels des Linearantriebes positioniert werden soll. Bei Füllung des Zylinders 11 mit Hydraulikfluid vergrößert sich das vom Fluid eingenommene Volumen im Zylinder 11. Dies führt zum Austreiben des Kolbens 8 aus dem Zylinder 11. Der Linearantrieb bewegt sich somit in 1 nach links. Durch Ablassen von Hydraulikfluid aus dem Zylinder 11 verkleinert sich das für das Fluid benötigte Volumen. Dadurch kann der Kolben 8 mittels einer Rückstellkraft in eine zweite Bewegungsrichtung bewegt werden, im Ausführungsbeispiel der Figur nach rechts.
  • Die Rückstellkraft wird im dargestellten Beispiel durch eine Druckfeder 9 aufgebracht, welche zwischen einem Widerlager 10 und dem Kolben 8 angreift. Das Aufbringen der Rückstellkraft mittels einer Feder 9 ist lediglich beispielhaft zu sehen. In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Rückstellkraft beispielsweise auch durch eine Gasdruckfeder bereitgestellt werden. Sofern der Linearantrieb dazu verwendet wird, ein Bauelement gegen die Schwerkraft nach oben zu bewegen, so kann auch das Eigengewicht des Kolbens 8 und/oder das Gewicht des Bauelementes dazu herangezogen werden, eine Rückstellkraft bereitzustellen.
  • Als Hydraulikfluid kann ein gasförmiges oder ein flüssiges Medium verwendet werden. Bevorzugt umfasst das Fluid Stickstoff, Luft, Wasser, Alkohol oder Öl. In einer Weiterbildung der Erfindung können auch Mischungen der genannten Flüssigkeiten eingesetzt werden.
  • Im Ausführungsbeispiel nach 1 wird eine Flüssigkeit als Hydraulikfluid eingesetzt. Zur Aufnahme der Flüssigkeit 5 steht ein Vorratsbehälter 6 zur Verfügung. Um die Flüssigkeit 5 aus dem Vorratsbehälter 6 in den Zylinder 11 zu fördern weist der erfindungsgemäße Linearantrieb eine Pumpeinrichtung auf. Die Pumpeinrichtung umfasst ein Pumpvolumen 12. Das Pumpvolumen 12 ist zumindest einseitig von mindestens einem beweglichen Element 2 begrenzt. Das bewegliche Element 2 kann beispielsweise einen Kolben oder eine Pumpmembran umfassen.
  • Zum Antrieb des beweglichen Elementes 2 steht ein piezoelektrisches Antriebselement 1 zur Verfügung. Das Antriebselement 1 umfasst beispielsweise einen piezoelektrischen Stapelaktor. Dieser weist eine starke elektromechanische Kopplung auf. Daher kann die Auswertung von Strom und Spannung an den elektrischen Anschlusskontakten des Stapelaktors zur Bestimmung der vom Antrieb ausgeübten Kraft und zur Bestimmung der Stellgeschwindigkeit herangezogen werden.
  • Das mindestens eine bewegliche Element 2 wirkt mit der Pumpenkammer 12 derartig zusammen, dass die Pumpenkammer 12 in einer Position des beweglichen Elementes 2 ein größeres Volumen aufweist als in der zweiten Position des beweglichen Elementes 2.
  • Wenn das bewegliche Element 2 von der zweiten in die erste Position bewegt wird, verringert sich der Druck in der Pumpenkammer 12. Dies führt zum Öffnen des Rückschlagventils 4. Dadurch wird Hydraulikfluid 5 aus dem Vorratsbehälter 6 angesaugt.
  • Das Rückschlagventil 4 besteht beispielsweise aus einer Kugel, welche mittels einer nicht dargestellten Feder dichtend an einen Kegelsitz geführt wird. Sofern der Druck in der Pumpenkammer 12 einen Wert unterschreitet, bei welchem das Produkt aus der projizierten Fläche des Einlassventils 4 und der Druckdifferenz zwischen Vorratsbehälter 6 und Pumpenkammer 12 die Federkraft überschreitet, wird die Kugel des Einlassventils 4 gegenüber der in 1 dargestellten Position nach unten bewegt und gibt den Zufluss von Hydraulikfluid 5 aus dem Vorratsbehälter 6 in die Pumpenkammer 12 frei.
  • In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird das bewegliche Element 2 mittels des Antriebselements 1 von der ersten in die zweite Position bewegt. Dadurch steigt der Druck in der Pumpenkammer 12 wieder an. Dieser Druckanstieg führt zusammen mit der Federkraft auf die Kugel des Einlassventils 4 zum Schließen des Einlassventils.
  • Gleichzeitig führt der Druckanstieg in der Pumpenkammer 12 zu einem Öffnen des Ventils 3 zwischen Pumpenkammer 12 und Zylinder 11. Das Ventil 3 öffnet dabei in analoger Weise wie für das Einlassventil 4 beschrieben, wenn die Druckdifferenz zwischen Pumpenkammer 12 und Zylinder 11 einen vorgebbaren Wert überschreitet.
  • Nachdem das Ventil 3 geöffnet ist, strömt das Hydraulikfluid von der Pumpenkammer 12 in den Zylinder 11. Die Volumenzunahme des Fluids im Zylinder 11 führt zum Austreiben des Kolbens B.
  • Sofern der Kolben 8 des Linearantriebes um einen größeren Betrag aus dem Zylinder 11 ausgetrieben werden soll, schließt sich an den oben beschriebenen Arbeitszyklus ein oder mehrere weitere Arbeitszyklen an. Hierzu kann das Antriebselement 1 bevorzugt mit einem periodischen Signal beaufschlagt werden. Unter einem periodischen Signal im Sinne der vorliegenden Erfindung wird dabei ein Signal mit konstanter Signalform und konstanter Maximalamplitude verstanden, wobei diese Maximalamplitude in äquidistanten Zeitabständen erreicht wird. Die Größe, die Form und Frequenz des Steuersignals kann dabei vom Fachmann an die Hydraulik, die Mechanik und den gewünschten Bewegungsverlauf angepasst werden.
  • Da sich der Kolben 8 bei jedem Arbeitstakt des periodischen Signals um einen festen Wert bewegt, kann über die Anzahl der Arbeitstakte am Antriebselement 1 der zurückgelegte Weg des Arbeitskolbens 8 bestimmt werden. Über die Periodendauer des periodischen Ansteuersignals des Antriebselementes 1 kann die Vorschubgeschwindigkeit festgelegt werden, mit welcher der Kolben 8 aus dem Zylinder 11 ausgetrieben wird. Mittels teilweiser Arbeitstakte, z. B. durch Anlegen einer geringeren elektrischen Spannung als der Maximalspannung an einen piezoelektrischen Stapelaktor, ist eine Feinpositionierung der Kolbenstange möglich. Somit kann mit dem beschriebenen Linearantrieb eine stufenlose Positionierung erfolgen.
  • Solange kein Hydraulikfluid aus dem Zylinder 11 aus- oder eintritt, bleibt der Kolben 8 in einer festgelegten Position stehen. Um den Kolben 8 wieder in den Zylinder 11, also nach rechts, zu bewegen, muss Fluid aus dem Volumen des Zylinders 11 entfernt werden. Dazu steht erfindungsgemäß ein Ablauf 11 zur Verfügung. Der Ablauf 11 mündet in den Vorratsbehälter 6, so dass das Fluid 5 danach wieder von der Pumpenkammer 12 angesaugt werden kann und für einen weiteren Arbeitstakt zur Verfügung steht.
  • Der Auslass 7 kann beispielsweise durch eine passive Drosselstelle gebildet werden, durch welche bei Betrieb des Linearantriebes permanent Hydraulikfluid 5 aus dem Zylinder 11 austritt. Zum Austreiben des Kolbens 8 aus dem Zylinder 11 muss dann von der Pumpeinrichtung eine Förderrate in das Zylinder hinein gefördert werden, welche größer ist als das pro Zeiteinheit aus dem Auslass 7 austretende Volumen. Wenn das geförderte Volumen niedriger ist als das austretende Volumen, beispielsweise bei Abschalten der Pumpeinrichtung, bewegt sich der Kolben 8 langsam in den Zylinder 11 hinein.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Auslass 7 mit einem gesteuerten Ventil versehen werden. Beispielweise kann der Auslass 7 mit einem piezoelektrischen Ventil verschlossen sein. Dadurch kann der Kolben 8 in einer Stellung fixiert werden, ohne elektrische Energie für das Antriebselement 1 aufwenden zu müssen. Sofern der Kolben 8 in den Zylinder 11 eingefahren soll, wird das Piezoventil am Auslass 7 geöffnet.
  • Das gesteuerte Ventil am Auslass 7 kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auf äußere oder innere Bedingungen des Linearantriebes reagieren. Beispielsweise kann das Ventil 7 nach einer festgelegten Zeitdauer öffnen. In einer weiteren Ausführungsform kann das Ventil am Auslass 7 als Überdruckventil ausgebildet sein. Dadurch wird der Antrieb bei Überschreiten einer maximalen Haltekraft zurückgestellt, d. h. der Kolben 8 fährt automatisiert in den Zylinder 11 hinein, um einen unzulässigen Druckanstieg und damit eine Beschädigung des Linearantriebes zu verhindern. Fallweise können auch mehrere Ventile an mehreren Auslassöffnungen 7 vorgesehen sein, welche unterschiedliche Aufgaben übernehmen, beispielsweise eine zeitgesteuerte oder einem Benutzereingriff zugängliche Beeinflussung des Kolbens 8 zusätzlich zu einer Überdrucksicherung.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Linearantriebes, mit welchem eine Bewegung in beide Stellrichtungen über zugeordnete Hydraulikelemente ermöglicht wird. Dies bedeutet, dass in beide Stellrichtungen, d. h. bei Bewegung des Kolbens 8 nach rechts oder nach links, die maximale, von der Hydraulik erzeugbare Stellkraft zur Verfügung steht. Weiterhin kann die Bewegung durch Ansteuerung der Hydraulikelemente präzise kontrolliert werden. Dadurch wird die Positioniergenauigkeit und die Reproduzierbarkeit erhöht.
  • Die Ausführungsform der 2 arbeitet mit zwei symmetrisch angeordneten Linearantrieben gemäß 1. Der zu positionierende Gegenstand wird dabei mit beiden Kolben 8a und 8b verbunden. Bei Positionierung nach links wird der Kolben 8a aus Zylinder 11a ausgetrieben, indem mittels des Antriebselementes 1a das zugeordnete Pumpelement betätigt wird, um Hydraulikfluid 5a aus dem Vorratsbehälter 6a in den Zylinder 11a zu fördern.
  • Aufgrund der starren Kopplung wird gleichzeitig der Kolben 8b in den Zylinder 11b eingefahren, d. h. das Volumen des Zylinders 11b verkleinert sich. Hierzu wird der Ablauf 7b geöff net, um die im Zylinder 11b befindliche Hydraulikflüssigkeit 5b in den Vorratsbehälter 6b abfließen zu lassen.
  • Um den Linearantrieb nach rechts zu bewegen, wird der Kolben 8b aus dem Zylinder 11b ausgetrieben. Hierzu wird mittels des Antriebselementes 1b in der oben beschriebenen Weise Hydraulikfluid 5b aus dem Vorratsbehälter 6b entnommen und über das Ventil 3b in den Zylinder 11b gefördert. Gleichzeitig wird Kolben 8a in den Zylinder 11a hineinbewegt. Um diese Bewegung zu ermöglichen, wird der Abfluss 7a geöffnet, um das Hydraulikfluid 5a aus dem Zylinder 11a in den Vorratsbehälter 6a zu leiten.
  • In einer Weiterbildung der Erfindung können beide Kolben 8a und 8b auch einstückig als einzelne Kolbenstange ausgeführt werden.
  • Die Steuerung der Antriebselemente 1a, 1b und der Abflussventile 7a und 7b erfolgt bevorzugt, aber nicht zwingend, durch ein Computerprogramm, welches einerseits eine Fehlbedienung mit nachfolgender Beschädigung des Linearantriebes verhindern kann, beispielsweise wenn mittels Antriebselement 1a im Zylinder 11b ein Überdruck erzeugt wird. Weiterhin kann das Computerprogramm den Fahrweg und die Fahrgeschwindigkeit des Linearantriebes anzeigen oder überwachen, d. h. auf Sollwerte regeln, welche vom Benutzer vorgebbar sind.
  • 3 zeigt eine alternative Ausführungsform eines beidseitig wirkenden Linearantriebes mit einer gegenüber 2 kompakteren Bauweise.
  • Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3 ist ein einzelner Kolben 8 vorgesehen, welcher das Volumen des Zylinders 11 in ein erstes Teilvolumen 11a und ein zweites Teilvolumen 11b unterteilt. In einer Mittelstellung des Kolbens 8 sind die Teilvolumina 11a und 11b in etwa gleich groß. Die Bewegung des Kolbens 8 wird über eine Pleuelstange 13 auf den zu bewegenden Gegenstand übertragen.
  • Jedes Teilvolumen 11a und 11b ist mit einem zugeordneten Ablauf 7a und 7b sowie einer zugeordneten Pumpeinheit verbunden. Das Zufuhrventil 3a und 3b, welches die Pumpeinrichtung an das jeweilige Teilvolumen 11a und 11b ankoppelt sowie die Ablaufventile 7a und 7b befinden sich an einer Stelle der Zylinderwandung, an welcher die Verbindung mit dem jeweiligen Teilvolumen 11a und 11b auch bei maximaler Auslenkung des Kolbens 8 im Zylinder 11 nicht unterbrochen wird.
  • Jedes Pumpelement weist eine Pumpenkammer 12a bzw. 12b auf. Die Pumpenkammer 12 wird jeweils durch ein bewegliches Element 2a bzw. 2b abgeschlossen. Zum Antrieb des beweglichen Elementes 2a steht ein Antriebselement 1a zur Verfügung. Zum Antrieb des beweglichen Elementes 2b steht ein Antriebselement 1b zur Verfügung. Die Antriebselemente 1a und 1b umfassen ein piezoelektrisches bzw. magnetostriktives Material wie im Zusammenhang mit 1 beschrieben.
  • Die Pumpenkammer 12a weist einen Einlauf auf, welcher mit einem Rückschlagventil 4a verschließbar ist. Ebenso mündet ein Einlauf mit einem Rückschlagventil 4b in die Pumpenkammer 12b. Beide Einlauföffnungen 4a und 4b beziehen Hydraulikfluid 5 aus einem gemeinsamen Vorratsbehälter 6. Beide Rückflussöffnungen 7a und 7b führen Hydraulikfluid 5 aus jedem Teilvolumen 11a und 11b in den gemeinsamen Vorratsbehälter 6 zurück.
  • Um die Pleuelstange 13 mit dem Kolben 8 in 3 nach links zu bewegen wird vorgeschlagen, die Rücklauföffnung 7a zu öffnen und das Antriebselement 1b periodisch zu betreiben. Dadurch wird vom rechts angeordneten Pumpelement Hydraulikfluid 5 durch die Öffnung 4b in die Pumpenkammer 12b angesaugt und über das Ventil 3b in das Teilvolumen 11b des Zylinders gefördert. Da sich das Teilvolumen 11b nur auf Kosten des Teilvolumens 11a vergrößern kann, wird das überschüssige Hydraulikfluid aus dem Teilvolumen 11a durch den Ablauf 7a ausgetrieben.
  • Sofern die Pleuelstange 13 nach rechts bewegt werden soll, wird in analoger Weise das Antriebselement 1a mit einem periodischen Ansteuersignal beaufschlagt. Dies führt zum Ansaugen von Hydraulikfluid 5 durch das Ventil 4a in die Pumpenkammer 12a. Bei Verkleinerung des Volumens der Pumpenkammer 12a durch das bewegliche Element 2a wird das Fluid durch das Ventil 3a in das Teilvolumen 11a des Zylinders ausgetrieben. Damit sich das Teilvolumen 11a vergrößert, wird der Ablauf 7a geschlossen. Nachdem eine Vergrößerung des Teilvolumens 11a nur auf Kosten des Teilvolumens 11b möglich ist, wird das überschüssige Hydraulikfluid aus dem Teilvolumen 11b durch den Ablauf 7b in den Vorratsbehälter ausgestoßen.
  • 4 zeigt einen doppelt wirkenden Linearantrieb gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 3, bei welchen am Kolben 8 zwei Pleuel 13a und 13b befestigt sind, um beidseitig des Linearantriebes Positionieraufgaben wahrnehmen zu können. Fallweise wird der Fachmann selbstverständlich auch vorsehen, beide Pleuel 13a und 13b einstückig auszuführen und diese in einer Bohrung des Kolbens 8 dichtend einzusetzen, beispielsweise durch Klebung oder Schweißung. Die Funktionsweise des Linearantriebes gemäß 4 unterscheidet sich nicht grundlegend von der anhand von 3 beschriebenen Funktionsweise. Vorteilhafterweise können aber zwei verschiedene Gegenstände, beispielsweise Werkstücke oder Werkzeuge, gegenläufig an den Pleuel 13a und 13b positioniert werden.
  • Selbstverständlich kann auch jedes Teilvolumen 11a und 11b der in 3 und 4 dargestellten Ausführungsform mehrere Abläufe 7a bzw. 7b aufweisen, beispielsweise um neben einem gesteuerten Ablaufventil ein Überdruckventil vorzusehen. Zur Erhöhung der Leistung des Linearantriebes kann auch vorgesehen sein, mehrere Pumpvorrichtungen vorzusehen, welche ein einzelnes Teilvolumen gleichzeitig mit Hydraulikfluid 5 beaufschlagen. Dabei können mehrere Pumpvorrichtungen auch dahingehend ausgelegt werden, dass eine Pumpvorrichtung eine langsame Bewegung des Kolbens 8 mit großer Kraft ermöglicht und eine weitere Pumpvorrichtung eine schnelle Bewegung des Kolbens 8 bei geringerer Kraft.
  • Die Erfindung wurde vorstehend anhand einiger Ausführungsbeispiele beschrieben. Dem Fachmann ist selbstverständlich geläufig, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr können bei der Umsetzung der Erfindung Modifikationen und Änderungen vorgenommen werden, ohne die Erfindung an sich wesentlich zu verändern. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen.

Claims (16)

  1. Hydraulischer Linearantrieb mit einem Kolben (8), welcher in einem Zylinder (11) verschiebbar gelagert ist, wobei der Zylinder (11) einen Einlass (3) aufweist, über welchen mittels einer Pumpeinrichtung ein Fluid (5) in den Zylinder (11) einbringbar ist und einen Auslass (7), über welchen ein Fluid aus dem Zylinder entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Antrieb der Pumpeinrichtung ein piezoelektrischer (1) und/oder ein magnetostriktiver Aktor vorgesehen ist.
  2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass am Einlass (3) des Zylinders (11) ein Rückschlagventil angeordnet ist.
  3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass (7) des Zylinders (11) ein Drosselventil angeordnet ist.
  4. Linearantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchfluss des Drosselventils geringer ist als die Förderrate der Pumpeinrichtung.
  5. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Auslass (7) des Zylinders (11) ein steuerbares Ventil angeordnet ist.
  6. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinrichtung zumindest die folgenden Elemente enthält: – eine zumindest einseitig von einem beweglichen Element (2) begrenzte Pumpenkammer (12) mit einem Einlass (4) und einem Auslass (3), wobei der Einlass und der Auslass mittels zugeordneter Ventile verschließbar sind und der Auslass (3) der Pumpenkammer (12) mit dem Einlass (3) des Zylinders (11) verbunden ist, – ein Piezoelement (1), mittels welchem das bewegliche Element (2) in Abhängigkeit von einem elektrischen Signal antreibbar ist.
  7. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Element (9) vorhanden ist, welches dem Kolben (8) beim Füllen des Zylinders (11) mit dem Fluid (5) eine Rückstellkraft entgegen setzt.
  8. Linearantrieb nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Zylinders (11) vom Kolben (8) in ein erstes (11a) und ein zweites (11b) Teilvolumen unterteilt wird und jedes Teilvolumen (11a, 11b) einen Einlass (3a, 3b) aufweist, über welchen mittels einer Pumpeinrichtung ein Fluid (5) in das Teilvolumen einbringbar ist und einen Auslass (7a, 7b), über welchen ein Fluid (5) aus dem Teilvolumen entnehmbar ist.
  9. Linearantrieb nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Pumpeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Fluid (5) in das erste Teilvolumen (11a) einbringbar ist und eine zweite Pumpeinrichtung vorgesehen ist, mittels welcher ein Fluid (5) in das zweite Teilvolumen (11b) einbringbar ist.
  10. Verfahren zum Betrieb eines Linearantriebes, welcher einem Kolben (8) aufweist, welcher in einem Zylinder (11) mit einem Einlass (3) und einem Auslass (7) verschiebbar gelagert ist, wobei mittels eines Pumpelementes mit einem Piezo-Antrieb (1) ein Fluid (5) aus einem Vorratsbehälter (6) entnommen und dem Zylinder (11) durch den Einlass (3) zugeführt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (7) des Zylinders (11) ein Drosselventil aufweist und die Förderrate des Pumpelementes in einem ersten Betriebszustand größer ist als die durch das Drosselventil austretende Menge und in einer zweiten Betriebsart die Förderrate des Pumpelementes kleiner ist als die durch das Drosselventil austretende Menge.
  12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (7) des Zylinders (11) ein steuerbares Ventil aufweist, welches bei Bewegung des Kolbens (8) in eine erste Richtung geschlossen und bei Bewegung des Kolbens (8) in eine zweite Richtung geöffnet wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ansteuerung des Piezo-Antriebes (1) ein Steuersignal verwendet wird, welches eine konstante Signalform und eine konstante Maximalamplitude aufweist, wobei die Maxima des Signalverlaufs in äquidistanten Zeitabständen auftreten.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (8) durch Füllen des Zylinders (11) mit dem Fluid (5) gegen eine Federkraft in eine erste Richtung bewegt wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Zylinders (11) vom Kolben in ein erstes (11a) und ein zweites (11b) Teilvolumen unterteilt wird und der Kolben (8) in eine erste Bewegungsrichtung bewegt wird, indem durch eine erste Pumpeinrichtung ein Fluid (5) in das erste Teilvolumen (11a) eingebracht wird und der Kolben (8) in eine zweite Bewegungsrichtung bewegt wird, indem durch eine zweite Pumpeinrichtung ein Fluid (5) in das zweite Teilvolumen (11b) eingebracht wird.
  16. Computerprogramm zu Durchführung eines Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird.
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