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Die Erfindung betrifft eine Verschiebevorrichtung zur linearen Verschiebung eines Läufers gegenüber einem Stator, umfassend mehrere Antriebseinheiten, die jeweils ein stiftförmiges Führungselement aufweisen, das zur reversiblen Bewegung in Richtung seiner axialen Erstreckung mit einem in einer Dimension dehnbaren und kontrahierbaren an dem Stator angeordneten Aktor fest verbunden ist, wobei die Führungselemente aller Antriebseinheiten parallel zueinander, insbesondere in einer Ebene parallel zueinander angeordnet sind und wobei jedes der stiftförmigen Führungselemente mittels einer Klemmvorrichtung an einem gemeinsamen Läufer klemmend befestigt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur elektrischen / elektronischen Ansteuerung einer solchen Verschiebevorrichtung.
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Die in den beiden erstgenannten Dokumenten beschriebenen Antriebseinheiten und Ansteuerverfahren machen sich die Massenträgheit des Läufers zunutze. Hierbei wird eine Bewegung des Läufers, der auf einem stiftförmigen Führungselement, klemmend befestigt ist, in einer gewünschten Richtung dadurch erreicht, dass das stiftförmige Führungselement impulsartig entgegen der gewünschten Richtung mittels eines Aktors entlang seiner axialer Erstreckung bewegt wird, wodurch die zwischen Führungselement und Läufer in der Klemmung wirkende Haftreibung aufgrund der Massenträgheit des Läufers überwunden wird und somit das Führungselement durch die Klemmstelle am Läufer in einem Gleitreibungszustand durchrutscht, wobei der Läufer seine Position im Raum aufgrund der Trägheit zumindest im Wesentlichen beibehält.
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Wird das zuvor impulsartig bewegte Führungselement nun langsamer mittels des Aktors zurückbewegt, so wird hierbei die Haftreibung nicht überwunden und somit der Läufer mit dieser Bewegung mitgeführt. Wiederholt man diese Schritte periodisch, so lässt sich der Läufer effektiv in einer gewünschten Richtung bewegen.
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Nachteilig bei dieser Art der Ansteuerung ist es, dass der Läufer entlang der zurückgelegten Strecke mit jeder Periode der Ansteuerung immer wieder zum Stillstand kommt und sogar in jeder Periode eine leichte Rückbewegung entgegen der eigentlich gewünschten Richtung durchführt. Bei einer hohen Antriebsfrequenz kommt es weiterhin zu störenden, akustisch deutlich wahrnehmbaren Geräuschen.
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Die eingangs genannten Veröffentlichungen offenbaren weiterhin auch eine Anordnung zur linearen Verschiebung von Läufern gegenüber einem Stator, bei dem in einer Verschiebevorrichtung drei der genannten Antriebseinheiten aus Aktor und stiftförmigen Führungselement zum Einsatz kommen. Bei diesen Verschiebevorrichtungen werden zwei der drei Antriebseinheiten gleichzeitig, d.h. mit demselben Steuersignal und somit gleichphasig angesteuert. Damit führt der Läufer dieselbe nachteilige Bewegung aus, wie zuvor beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Ansteuerung von Verschiebevorrichtungen dieser Art, ebenso wie eine Verschiebevorrichtung bereitzustellen, mit denen eine gleichförmige Bewegung des Läufers relativ zu einem Stator erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass bei einer Verschiebevorrichtung und einem Verfahren dieser Art eine gerade Gesamtanzahl von Aktoren vorliegt und die Aktoren wenigstens N>= 3 Gruppen zugeordnet sind und jede Gruppe eine gerade Anzahl von Aktoren umfasst, wobei die Aktoren mit periodischen, insbesondere gleichen elektrischen Stellsignalen angesteuert sind und die Stellsignale verschiedener Gruppen verschiedene Phasenlage aufweisen, wobei zu jedem Zeitpunkt der Ansteuerung, abgesehen von den singulären Umkehrpunkten des Stellsignalverlaufs, das Stellsignal wenigstens einer, bevorzugt genau einer Gruppe gegenüber den Stellsignalen aller anderen Gruppen eine im Vorzeichen invertierte Signalsteigung aufweist und die Aktoren jeder Gruppe symmetrisch um eine für alle Gruppen gemeinsame Symmetrieachse oder Symmetrieebene angeordnet sind.
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Hierbei soll lediglich das Vorzeichen der Signalsteigung invertiert sein, nicht jedoch die Signalsteigung hinsichtlich des Betrages.
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Durch diese Art der Ansteuerung wird erreicht, dass es zu jedem Zeitpunkt der Ansteuerung zwei Arten von Gruppen von Aktoren gibt, nämlich zu jedem Zeitpunkt eine Art von Gruppe/n, bei denen das Stellsignal am Aktor aktuell eine Flanke mit positiver Steigung aufweist und eine anderen Art von Gruppe/n bei denen das Stellsignal am Aktor aktuell eine Flanke mit negativer Steigung hat. Die Tatsache, dass zu einem singulären Zeitpunkt das Stellsignal an einem oder auch mehreren Aktoren sich gerade in einem Umkehrpunkt der Steigung von positiv nach negativ oder umgekehrt befindet, wird hierbei vernachlässigt, da dieser Zeitraum der Umkehrung - zumindest theoretisch - beliebig kurz ist.
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Dabei ist es wichtig, dass eine überwiegende Anzahl von Gruppen einer Art gegeben ist. Z.B. können sich durch die Ansteuerung bei drei Gruppen zwei dieser Gruppen im Bereich positiver und eine Gruppe im Bereich negativer Flankensteigung befinden. Bei vier Gruppen kann hinsichtlich der Art der Gruppen ein Verhältnis von 3 zu 1 und bei fünf Gruppen von 3 zu 2 oder auch 4 zu 1 gegeben sein etc.
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Da bei allen Antriebseinheiten aus Aktor und Führungselement bevorzugt die Klemmung zwischen Führungselement und gemeinsamen Läufer gleich ausgebildet ist, bedeutet dies, dass zu jeder Zeit eine größere Anzahl von Führungselementen in eine Richtung bewegt wird und eine kleine Anzahl entgegen dieser Richtung. Damit überwiegt die Gesamthaftreibungskraft bei der in einer Richtung bewegten größeren Zahl der Führungselemente gegenüber der Gesamthaftreibungskraft bei dem zumindest einen entgegen bewegten Führungselement, so dass an diesem die Haftreibung überwunden wird und dieses wenigstens eine Führungselement gegenüber dem Läufer den Zustand der Gleitreibung erreicht und in der Klemmstelle durchrutscht, wohingegen alle anderen Führungselemente im Läufer ortsfest einliegen. Die hier genannten Führungselemente dienen dabei nicht nur zur Führung eines Läufers, sondern insbesondere auch dazu, die Kräfte zur Bewegung des Läufers auf diesen über die Klemmstelle zu übertragen. Ein Führungselement bildet somit gleichsam ein Kraftübertragungselement.
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Gegenüber dem Stand der Technik wird hier das Durchrutschen an der Klemmstelle somit nicht mehr durch die wirkende Massenträgheit des Läufers erzielt, sondern alleine durch die Haftreibungsverhältnisse der gegenläufig bewegten Führungselemente.
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Aufgrund der Periodizität der Steuersignale und der zwischen den Gruppen von Aktoren bestehenden Phasenverschiebung zwischen den Steuersignalen, ändert sich diejenige Gruppe, deren Führungselemente in die Gleitreibung gehen immer wieder und mehrfach innerhalb einer Periode, nämlich bevorzugt N mal pro Periode, wenn N die Anzahl aller Gruppen ist, jeweils nur eine von allen Gruppen in einem Bereich des invertierten Flankensteigungsvorzeichens ist und die Phasendifferenz zwischen den Stellsignalen aller Gruppen gleich ist.
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Hier können die Stellsignale, mit denen die Gruppen angesteuert werden, z.B. aus einem ursprünglichen Stellsignal durch jeweilige Phasenverschiebung dieses ursprünglichen Stellsignals gebildet werden, was die Generierung vereinfacht.
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In einer möglichen Ausführung kann es vorgesehen sein, dass die Anzahl der Aktoren in jeder Gruppe gleich ist und die Aktoren innerhalb einer Gruppe alle mit derselben Phasenlage des Stellsignals angesteuert werden. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, die Aktoren auch innerhalb einer Gruppe mit verschiedener Phasenlage anzusteuern.
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Beispielsweise, aber nicht erfindungsgemäß, kann in einfachster Ausgestaltung die Anzahl der Aktoren innerhalb einer Gruppe 1 sein. Dann muss es wenigstens drei Gruppen, bzw. drei Aktoren geben, wobei zu jeder Zeit ein Führungselement genau eines Aktors entgegen der Richtung der Führungselemente der beiden verbleibenden Aktoren bewegt wird, wodurch sich ein Verhältnis der Gesamthaftreibungen von 2:1 ergibt und somit immer das in einer Richtung alleinig bewegte Führungselement in der Klemmung am Läufer durchrutscht.
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In erfindungsgemäßer Ausführung ist es vorgesehen, dass jede Gruppe eine gerade Anzahl von Aktoren umfasst, insbesondere genau 2 Aktoren, die bevorzugt phasengleich angesteuert werden, insbesondere, wenn sich die Aktoren bezogen auf die Verschieberichtung des Läufers auf derselben Seite des Läufers befinden. Durch das Vorsehen von jeweils geraden Anzahlen kann auf einfachere Weise Symmetrieüberlegungen Rechnung getragen werden, insbesondere um Kraft- und Hebelverhältnisse bei der Ansteuerung zu optimieren.
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Erfindungsgemäß werden daher weiterhin bei einer geraden Gesamtanzahl von Aktoren und Gruppen mit jeweils einer geraden Anzahl von Aktoren die Aktoren jeder Gruppe symmetrisch um eine für alle Gruppen gemeinsame Symmetrieachse oder Symmetrieebene in der Verschiebevorrichtung angeordnet werden.
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Hier können die Aktoren so angeordnet sein, dass die durch die Aktoren angetriebenen stiftförmigen Führungselemente alle in einer Ebene angeordnet sind, zumindest aber so angeordnet sind, dass zwei Aktoren derselben Gruppe zu zwei Seiten einer Symmetrieachse / -ebene einander gegenüberliegen, insbesondere wenn diese Aktoren bezogen auf die Verschieberichtung des Läufers auf derselben Seite des Läufers angeordnet sind. Innerhalb der Ebene, in welcher die Führungselemente angeordnet sind, werden so Kippmomente vermieden.
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Diese Ausführung kann noch besonders bevorzugt weitergebildet werden, wenn die Aktoren der Gruppen zu gleichen Anzahlen zu beiden Seiten eines Läufers, bezogen auf dessen Verschieberichtung angeordnet sind. Hierbei können z.B. die Aktoren an den Innenseiten der Schenkel eines U-profilförmigen Stators angeordnet sein, wobei sich die an den jeweiligen Aktoren befestigten Führungselemente in Richtung des jeweils gegenüberliegenden Schenkels erstrecken. Hierbei können in einer möglichen Ausführung die Enden der Führungselemente frei sein. In anderer Ausführung kann ein Führungselement oder alle Führungselemente auch an beiden Enden jeweils einen Aktor aufweisen, wobei diese beiden Aktoren desselben Führungselementes dann gegenphasig mit einem Stellsignal angesteuert sind, so dass gleichzeitig ein Aktor das Führungselement zieht und einer schiebt. Hierdurch wird der mechanische Aufbau stabilisiert.
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Im Bereich zwischen den Schenkeln kann sodann ein Läufer angeordnet sein, der von den, z.B. in einer Ebene nebeneinander liegenden Führungselementen durchdrungen ist und diese klemmend aufnimmt. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Aktoren auf einer Seite des Läufers in einer andere Ebene angeordnet sind, als die auf der anderen Seite des Läufers. Diese beiden Ebenen können senkrecht zueinander stehen.
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Bei allen Ausführungen wird unter dem Stator der Teil einer Verschiebevorrichtung verstanden, an dem die Aktoren befestigt sind, wohingegen der Läufer der Teil ist, der klemmend mit den Führungselementen verbunden ist. Im Erdkoordinatensystem kann somit je nach Ausführung der Stator oder auch der Läufer ortsfest sein.
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Um die gegenläufige Bewegung bei wenigstens einer Gruppe von Aktoren aus allen Gruppen zu erzielen ist es vorgesehen, dass die Stellsignale jeweils einen positiven und einen negativen Flankenteil unterschiedlicher Zeitdauer aufweisen, wobei die Zeitdauern im Verhältnis (N-M) / M stehen können, wobei N die Gesamtzahl aller Gruppen ist und M die Anzahl der Gruppen, die mit im Vorzeichen invertierter Signalsteigung angesteuert werden, wobei bevorzugt die Phasendifferenz aller Stellsignale gleich ist und (2xPI)/N entspricht. Bevorzugt wird hier M gleich 1 gewählt und N = 2, 3 oder 4 bzw. auch höhere ganze Zahlen, bevorzugt grade Zahlen.
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Um eine besonders gleichmäßige Bewegung zu erzielen, werden hier bevorzugt die Stellsignale als Sägezahnspannung ausgebildet mit jeweils linear steigender und fallender Flanke. Diese Ausführung kann gewählt werden, wenn die von den Aktoren erzeugten Stellwege exakt linear proportional dem Stellsignal folgen.
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Da dies ggfs. in der Praxis bei realen Aktoren bzw. Antriebssystemen nicht erzielbar ist, kann die Ansteuerung durch die Stellsignale bevorzugt so gewählt werden, dass die vom Stellsignal erzeugte Auslenkung / Verschiebung des Führungselements mit dem Aktor einen sägezahnförmigen Verlauf aufweist.
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Hierdurch können z.B. Nichtlinearitäten und Hysterese bei Piezoaktoren, sowie elastische Stauchungen / Dehnungen am Führungselement ausgeglichen werden.
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In einer möglichen Ausführung kann dafür z.B. eine Sägezahnspannung mit einem Signalgenerator generiert und mit der invertierten, z.B. gemessenen Nichtlinearität bzw. Kennlinie des Aktors bzw. des Systems Aktor / Führungselement überlagert (z.B. multipliziert) werden, um dann ein zwar von der sägezahnförmigen Spannung abweichendes Stellsignal zu erhalten, welches dann aber einen exakt sägezahnförmigen Stellweg am Aktor erzeugt. Ggfs. kann in einem Signalgenerator unmittelbar die Erzeugung eines nichtlinearen Stellsignales programmiert werden, das einen linearen Stellweg am Aktor erzeugt.
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Die Verhältnisse der Flankenzeitdauern der Sägezahnform können dann z.B. 3:1 sein, wenn M=1 und N=4 ist.
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Ein solches Spannungssignal kann ggfs. mehrfach, insbesondere entsprechend der Gesamtanzahl von Gruppen in der Phaselage geschoben werden. Alternativ werden mehrere solcher Signale parallel mit unterschiedlicher Phasenlage erzeugt.
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Die so erzeugten Stellsignale können direkt oder nach Verstärkung zur Ansteuerung von Aktoren eingesetzt werden, z.B. wenn es sich bei den Aktoren um elektrostriktive bzw. Piezoaktoren handelt, die in einer Dimension dehnen und kontrahieren und in der Richtung dieser Dimension die Führungselemente ihre axiale Längserstreckung aufweisen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind den nachfolgenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1: eine nicht erfindungsgemäße Verschiebevorrichtung mit 4 Gruppen zu je einem Aktor;
- 2: eine erfindungsgemäße Verschiebevorrichtung mit 4 Gruppen zu je zwei Aktoren;
- 3: Ein Ansteuerschema für die Vorrichtung nach 1 und 2.
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Die 1 zeigt eine mögliche, aber nicht erfindungsgemäße Ausführung einer Verschiebevorrichtung.
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Erkennbar ist in zwei Ansichten ein u-profilförmiger Stator 1 mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln 1a, an deren Innenseiten je zwei Antriebseinheiten angeordnet sind, umfassend je einen Aktor 2 und ein Führungselement 3, das mit einem Ende am Aktor 2 befestigt ist und dessen jeweils anderes Ende frei ist. Die stiftförmigen Führungselemente 3 durchdringen jeweils einen gemeinsamen Läufer 4, der diese klemmend aufnimmt, so dass in der jeweiligen Klemmstelle eine Haftreibung zwischen Führungselement 3 und Läufer 4 existiert. Die Haftreibungen aller Klemmstellen sollen hier gleich sein.
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In der Anordnung ist weiterhin erkennbar, dass die Führungselemente 3, die sich von den linken Aktoren 2 erstrecken, in einer Ebene senkrecht zu der Ebene angeordnet sind, in der die Führungselemente 3 der rechten Aktoren 2 liegen. Hierdurch kann eine enge Packung der Führungselemente 3 erzielt werden.
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Für die Ansteuerung sind nun die Aktoren 2 zu vier Gruppen zumindest logisch geordnet, wobei hier in dem singulären Fall jede Gruppe nur einen Aktor 2 umfasst. Diese Ansteuerung erfolgt in einem Beispiel gemäß 3.
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Dort sind vier Stellsignale U1, U2, U3 und U4 dargestellt, bzw. die von diesen Stellsignalen hervorgerufenen Auslenkungen ΔX der Aktoren 2 bzw. der Führungselemente 3. Alle vier Stellsignale bzw. Auslenkungen sind gleichartig, aber in der Phase verschoben, in diesem Beispiel um 2PI/4 also 90 Grad, um die vier verschiedenen Gruppen mit jeweils gleicher Phasendifferenz zwischen je zwei Gruppen ansteuern zu können. Diese vier Stellsignale können aus einem ursprünglichen Signal durch individuelle Phasenverschiebung gebildet sein.
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Hier ist es erkennbar, dass zum Zeitpunkt t0 die Phasen bzw. Stellsignale 1,2 und 3 in einem Bereich mit positiver Flankensteigung liegen, also die durch diese Stellsignale angesteuerten drei Gruppen mit dem Aktor das Führungselement in dieselbe Richtung schieben. Die Phase 4 bzw. dass Stellsignal 4 bewegt den zugehörigen Aktor dieser Gruppe und dessen Führungselement aber entgegen dieser ersten genannten Richtung, da dort das Stellsignal eine negative Flankensteigung aufweist. Deshalb klemmt der Läufer 4 an den Führungselementen der Gruppen 1,2 und 3 mit der dreifachen gesamten Haftreibungskraft und an dem Führungselement der Gruppe 4 nur mit der einfachen Haftreibungskraft was effektiv bedeutet, dass letzteres Führungselement durch den Läufer hindurchrutscht, da dessen Haftreibung überwunden wird.
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Zum Zeitpunkt t1 hingegen werden die Führungselemente der Gruppen 1,2 und 4 in dieselbe Richtung und das Führungselement der Gruppe 3 entgegen bewegt usf.
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Zu jeder Zeit t (abgesehen von den singulären Umkehrpunkten des Stellsignalverlaufs) gibt es somit ein Führungselement 3 jeweils einer bestimmten Gruppe, dass entgegen der Führungselemente 3 der verbleibenden Gruppen bewegt wird, wobei es einen „fliegenden“ Wechsel hierbei gibt. Daraus resultiert eine insgesamt gleichförmige Gesamtbewegung des Läufers 4.
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Wichtig ist hierbei, dass die Signalformen an allen Gruppen gleich sind und die Zeitdauern von positiver zu negativer Flanke unterschiedlich sind, nämlich bevorzugt in diesem Beispiel 3:1 bzw. allgemein N-1 zu 1 bei N Gruppen, von denen eine gegenläufig angesteuert ist.
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Natürlich können auch andere unsymmetrische oder nichtlineare Signalformen eingesetzt werden, insbesondere solche, die einen exakt linearen Stellweg des Aktors bewirken.
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Die 2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausbildung einer Verschiebevorrichtung, die auf dieselbe Weise gemäß 3 angesteuert werden kann, bei der jedoch die gerade Anzahl von acht Aktoren 2 vorgesehen ist, die zu vier Gruppen zu je zwei Aktoren 2 geordnet sind, zumindest logisch geordnet sind.
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Hier liegen in der an sich mit 1 vergleichbaren Anordnung alle Führungselemente 3 innerhalb einer gemeinsamen Ebene. Der oberste Teil der 2 zeigt dabei, wie die Aktoren 2 bzw. die Antriebseinheiten aus Aktor 2 und Führungselement 3 zu Gruppen zusammengefasst sind. Es gibt 4 Gruppen mit Aktoren 2a und 2a', 2b und 2b', 2c und 2c' sowie 2d und 2d', deren zugeordneten Führungselemente 3a und 3a', 3b und 3b', 3c und 3c' sowie 3d und 3d' im Läufer 4 dargestellt sind.
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Die Aktoren jeder Gruppe bzw. gleichzeitig damit die Führungselemente 3 jeder Gruppe sind dabei symmetrisch um die Symmetrieebene E angeordnet, wobei hier die jeweils äußeren Gruppen eine innere Gruppe umschließen. Durch diese Symmetrie wird erzielt, dass es keinerlei Kippmomente gibt, wenn die Aktoren 2 aller Gruppen gleichzeitig angesteuert werden und sich die Aktoren 2 einer von allen Gruppen gegenläufig bewegen.
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Hier ist die Ansteuerung so gewählt, dass die Aktoren innerhalb einer Gruppe das identische, also phasengleiche Stellsignal erhalten. Die in der 3 erwähnten Phasen 1, 2, 3 und 4 wirken somit immer auf zwei Aktoren 2 innerhalb einer Gruppe. Damit ergibt sich die gleiche gleichförmige Bewegung und die gleichen Haftreibungsverhältnisse von 3:1 bei den Klemmungen der Führungselemente 3 der Gruppen im Läufer 4, wie auch bei der Ausführung nach 1.
