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Die Erfindung betrifft eine Aktorvorrichtung zum Erzeugen einer linearen Bewegung sowie ein Verfahren zum Einstellen einer Position eines linear beweglichen Elements.
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Für bestimmte Justieraufgaben werden Aktoren benötigt, mit denen man möglichst präzise lineare Einstellungen vornehmen kann. Idealerweise sind solche Aktoren möglichst klein, elektrisch betrieben, beständig gegen Umweltbedingungen, insbesondere Verschmutzungen und möglichst verschleißarm.
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Es ist bekannt, derartige Justieraufgaben aufwändig manuell vorzunehmen bzw. elektromagnetische Linearaktoren, Spindelantriebe oder Pneumatik-Hydraulik-Aktoren vorzusehen. Auch die Verwendung von piezoelektrischen oder magnetoresistiven Aktoren ist bekannt. Für größere Auslenkungen sind auch piezoelektrische Aktoren bekannt, die nach dem Raupen- bzw. Inchworm-Prinzip arbeiten. Hierfür werden in der Regel drei Aktoren benötigt, nämlich je ein Klemmaktorelement vorne und hinten und ein Aktorelement für die Fortbewegung. Bekannte Aktoren sind in der Regel aufwändig und nicht beständig gegen Verschmutzung und Verschleiß.
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Neben den oben geschilderten Aktor-Typen ist auch ein Linearantrieb bekannt, der lediglich mit einer Masse, einer Klemmvorrichtung und nur einem Aktorelement auskommt. Zwischen der Masse und der Klemmvorrichtung wird ein Piezoaktor platziert, der mit einer steigenden Spannung so angesteuert wird, dass aus der daraus resultierenden Auslenkungskraft die Masse beschleunigt wird, die Kraft aber unterhalb der Haftreibungskraft der Klemmvorrichtung bleibt, an der sich der Aktor abstützt. Bei Erreichen der maximalen Auslenkung des Piezoelements wird die Ansteuerspannung so schnell reduziert, dass das daraus resultierende Zusammenziehen des Piezoelements zu einer negativen Beschleunigungskraft führt, die zwar die Bewegung der Masse reduziert, aber so groß ist, dass die Haftreibung der Klemmvorrichtung überschritten wird, die Klemmvorrichtung also in Bewegungsrichtung nachgezogen wird und in der nächsten Auslenkungsphase den neuen, jetzt in Bewegungsrichtung verschobenen Abstützpunkt bildet. Wird anstelle des Ansteuerprofils „langsames Auslenken, schnelles Zusammenziehen“ die Reihenfolge getauscht, so dreht sich auch die Bewegungsrichtung dieses Linearmotors um.
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Ein Nachteil dieses Verfahrens ist die Abhängigkeit der Auslenkung von der Größe der aktuellen Haftreibung des Klemmelements. Insbesondere wenn sich die Haftreibung durch den Eintrag von Öl oder Schmutz verändert, kann die gewünschte Präzision oder auch die gesamte Funktionsfähigkeit der Einstellvorrichtung verloren gehen. Das System ist ferner, wie bei allen mechanischen Systemen, bei denen zwei Flächen aufeinander reiben, langfristig anfällig für Verschleiß und damit für Veränderungen der Systemeigenschaften.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Aktorvorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, die auf besonders einfache, kostengünstige, präzise und verschleißarme Weise die Erzeugung von wohldefinierten linearen Bewegungen ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Aktorvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst.
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Eine solche Aktorvorrichtung zum Erzeugen einer linearen Bewegung umfasst einen hydraulischen Aktor mit einem ersten Kolbenelement zum Betätigen des Aktors und einem zweiten Kolbenelement zum Erzeugen der linearen Bewegung, welchen jeweilige fluidisch miteinander gekoppelte Arbeitsräume zugeordnet sind, deren Volumen durch Bewegung des jeweiligen Kolbenelements änderbar sind. Erfindungsgemäß ist ferner ein Piezoaktor zum Hin- und Herbewegen des ersten Kolbenelements vorgesehen und die jeweiligen Arbeitsräume sind über ein Rückschlagventil, dessen Durchflussrichtung von dem ersten Arbeitsraum, der dem ersten Kolbenelement zugeordnet ist, zu dem zweiten Arbeitsraum, der dem zweiten Kolbenelement zugeordnet ist, zeigt, und ein erstes Drosselelement, das parallel zum Rückschlagventil geschaltet ist, verbunden.
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Durch die Kopplung von piezoelektrischer Ansteuerung und hydraulischer Übertragung ist eine besonders präzise Erzeugung von Linearbewegungen möglich. Insbesondere können die beiden Kolbenelemente so gestaltet werden, dass die Kraft, die das Piezoelement aufbringt, mit einer vorgegebenen Übersetzung übertragen wird. Auch der Vorschub des zweiten Kolbenelements als Reaktion auf die piezoelektrische Hin- und Herbetätigung erfährt dann eine solche Übersetzung, so dass beispielsweise relativ große Vorschubbewegungen des Piezoelements in relativ kleine Kolbenbewegungen umgesetzt werden können, was zu einer besonders präzisen Platzierung des zweiten Kolbenelements und damit verbundener Elemente führt. Hierdurch eignet sich die beschriebene Aktorvorrichtung insbesondere für hochpräzise Justiervorgänge und dergleichen.
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Vorzugsweise ist der Durchströmungsquerschnitt des ersten Drosselelements fest eingestellt. Fernern ist es bevorzugt, dass der Durchströmungsquerschnitt des ersten Drosselelements auf die Öffnungskraft des Rückschlagventils und einer Vorspannkraft, die am zweiten Kolbenelement angreift, derart abgestimmt eingestellt ist, dass bei einer vorherbestimmten Frequenz und einer vorherbestimmten Auslenkung der Hin- und Herbewegung des ersten Kolbenelements das zweite Kolbenelement im Wesentlichen unbewegt ist. Der Durchströmungsquerschnitt des Rückschlagventils ist bevorzugtermaßen größer als der des Drosselelements.
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Bevorzugt ist es, dass der Arbeitsraum des ersten Kolbenelements über ein zweites Drosselelement mit einem Reservoir für ein Arbeitsfluid des hydraulischen Aktors gekoppelt ist. Die Arbeitsräume sind bevorzugtermaßen durch jeweilige Zylinder gebildet, in welchen die Kolben beweglich aufgenommen sind. Alternativ hierzu ist es bevorzugt, dass die Arbeitsräume durch jeweilige Faltenbälge gebildet sind.
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Mit der beschriebenen Vorrichtung ergibt sich nun folgende Möglichkeit zum Erzeugen von einer Linearbewegung gegen eine Vorspannung. In einer ersten Bewegungsphase wird das Piezoelement so angesteuert, dass es eine Hin- und Herbewegung mit einer hohen Frequenz erzeugt, die größer als die vorherbestimmte Frequenz ist. Die Hin- und Herbewegung wird auf den ersten Kolben übertragen und erzeugt entsprechend wechselseitig einen Überdruck und einen Unterdruck im Arbeitsfluid. In den Zeitintervallen, in denen im Arbeitsfluid ein Überdruck herrscht, der so groß ist, dass die Öffnungskraft des Rückschlagventils überwunden ist, öffnet sich das Rückschlagventil und es strömt Arbeitsfluid vom ersten Arbeitsraum via das Rückschlagventil und das erste Drosselelement in den zweiten Arbeitsraum, wobei der Massenstrom an Arbeitsfluid durch das Rückschlagventil größer ist als durch das erste Drosselelement. Aufgrund der hohen Frequenz der Hin- und Herbewegung des ersten Kolbenelements wird das Rückschlagventil entsprechend oft geöffnet, so dass das Arbeitsfluid insgesamt nun in den zweiten Arbeitsraum überströmt und das zweite Kolbenelement bewegt. Dadurch nimmt das Volumen des ersten Arbeitsraums ab und das Volumen des zweiten Arbeitsraums nimmt zu, wobei die gewünschte Vorwärtsbewegung erzeugt wird.
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In einer zweiten Bewegungsphase wird das Piezoelement mit einer Frequenz bewegt, die niedriger als die vorherbestimmte Frequenz ist. Hierdurch wird das erste Kolbenelement entsprechend hin- und herbewegt, wobei das Rückschlagventil weniger oft geöffnet wird als in der ersten Bewegungsphase. Somit ist der Gesamtmassenstrom durch das Rückschlagventil kleiner als durch das erste Drosselelement, so dass das Volumen des ersten Arbeitsraums zunimmt und das Volumen des zweiten Arbeitsraums abnimmt. Die entstehende Volumenänderung im ersten Arbeitsraum wird vom Reservoir durch das zweite Drosselelement ausgeglichen. Das Piezoelement und das erste Kolbenelement sind somit wieder in ihre Ausgangspositionen zurückgestellt, während das zweite Kolbenelement in seiner Position im Wesentlichen bleibt.
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Durch eine entsprechende Ansteuerung des Piezoelements, das entsprechend das erste Kolbenelement mit der Frequenz und der Auslenkung bewegt, kann ein beliebig weiter Vorschub des zweiten Kolbenelements erzielt werden, der den eigentlichen Bewegungsspielraum des Piezoaktors überschreitet. Dies ermöglicht eine besonders präzise Platzierung des zweiten Kolbenelements über weite, lineare Bewegungspfade. Ferner brauchen an die Dichtheit des Rückschlagventils im Schließzustand nur geringe Anforderungen gestellt zu werden, da hinreichend geringe Leckagen die Funktionsfähigkeit der Aktorvorrichtung nicht beeinträchtigen können. Außerdem ist der Bewegungsablauf im Unterschied zu den eingangs beschriebenen Aktoren nach dem Inchworm-Prinzip, unabhängig von der Haftreibung der beteiligten Komponenten und wird daher nicht von Verschmutzung, Öleintrag oder dergleichen beeinträchtigt.
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Die Arbeitsräume können dabei zweckmäßigerweise durch jeweilige Zylinder gebildet werden, in welchen die Kolben beweglich aufgenommen sind. Eine Alternative hierzu stellt die Ausbildung der Arbeitsräume durch jeweilige Faltenbälge dar, die mit den Kolbenelementen gekoppelt sind. In dieser Ausführungsform sind alle wesentlichen beweglichen Teile der Aktorvorrichtung gekapselt und damit vor Verschmutzung geschützt, so dass sich ein langfristig zuverlässiger und verschleißarmer Betrieb der Vorrichtung ergibt.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einstellen einer Position eines linear beweglichen und gegen die Vorwärtsbewegungsrichtung vorgespanntes Elements, bei welchem mittels des Piezoaktors die Hin- und Herbewegung des erstes Kolbenelement erzeugt wird, wobei je nach Frequenz und Auslenkung der Hin- und Herbewegung des ersten Kolbenelements der diesem zugeordnete Arbeitsraum eine Volumenveränderung erfahren kann, die auf den zweiten Arbeitsraum übertragen wird, wodurch das zweites Kolbenelement bewegt wird.
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Bevorzugt ist es, dass zum Ausführen einer Vorwärtsbewegung der Piezoaktor in einer ersten Bewegungsphase mit einer derartigen Frequenz und mit einer derartigen Auslenkung hin und her bewegt wird, dass durch die Hin- und Herbewegung des ersten Kolbenelements der erste Arbeitsraum eine Volumenvergrößerung erfährt. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass zum Ausführen einer Rückwärtsbewegung der Piezoaktor in einer zweiten Bewegungsphase mit einer derartigen Frequenz und mit einer derartigen Auslenkung hin und her bewegt wird, dass durch die Hin- und Herbewegung des ersten Kolbenelements der erste Arbeitsraum eine Volumenverkleinerung erfährt.
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Während der zweiten Bewegungsphase wird bevorzugtermaßen zum Ausgleich der Volumenänderung im ersten Arbeitsraum Arbeitsfluid zwischen dem ersten Arbeitsraum und dem Reservoir durch das zweite Drosselelement ausgetauscht. Die erste und zweite Bewegungsphase werden bevorzugt wahlweise durchgeführt, bis das zweite Kolbenelement sich in einer vorgegebenen Sollstellung befindet.
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Wie bereits der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben, wird so eine Bewegung eines mit dem zweiten Kolbenelement gekoppelten linearbeweglichen Elements ermöglicht, welche über den Bewegungsspielraum des Piezoaktors selbst hinaus geht. Hierzu wird, wie bereits vorstehend erläutert, zum Ausführen einer Bewegung in eine vorgegebene Richtung der Piezoaktor in einer ersten Bewegungsphase so schnell hin- und herbewegt bewegt, dass durch die Hin- und Herbewegung Arbeitsfluid vom ersten Arbeitsraum in den zweiten Arbeitsraum gefördert wird. Somit wird die Bewegung des Piezoaktors auf das zweite Kolbenelement übertragen. In einer zweiten Bewegungsphase wird der Piezoaktor so langsam hin- und herbewegt, dass durch die Hin- und Herbewegung Arbeitsfluid vom zweiten Arbeitsraum in den ersten Arbeitsraum gefördert wird. Wie bereits erläutert, kann so eine Bewegung erzeugt werden, die über den eigentlichen Bewegungsspielraum des Piezoaktors hinausgeht, was durch die Übersetzung zwischen den beiden Kolbenelementen noch verstärkt oder auch vermindert werden kann.
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Um die mit den Bewegungsphasen einhergehenden Volumenänderungen im ersten Arbeitsraum zu kompensieren, wird dem ersten Arbeitsraum Arbeitsfluid über das zweite Drosselelement aus dem Reservoir zu- bzw. in das Reservoir abgeführt. Die erste und/oder zweite Bewegungsphase werden vorzugsweise so oft wiederholt, bis das zweite Kolbenelement sich in einer vorgegebenen Soll-Stellung befindet. Auf die beschriebene Weise lassen sich somit beliebig weite Linearbewegungen, die lediglich den Bewegungsspielraum des zweiten Kolbenelements, nicht jedoch durch die maximale Auslenkung des Piezoaktors begrenzt sind, erreichen. Insgesamt ermöglicht das Verfahren eine besonders präzise Erzeugung von Linearbewegungen bei möglichst geringem Verschleiß und einem besonders kompakten mechanischen Aufbau der zugrunde liegenden Vorrichtung.
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Im Folgenden werden die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Hydraulikzylindern als hydraulischen Aktoren;
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2 ein hydraulisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß 1;
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3 eine schematische Darstellung eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Faltenbälgen als hydraulischen Aktoren; und
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4 ein hydraulisches Ersatzschaltbild der Vorrichtung gemäß 3.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Vorrichtung zum Erzeugen einer Linearbewegung, beispielsweise für Justieraufgaben umfasst einen hydraulischen Aktor 12 einen ersten Kolben 14, der in einem zugeordneten Arbeitsraum 16 beweglich aufgenommen ist und einen zweiten Kolben 18, der in einem zweiten Arbeitsraum 20 beweglich gelagert ist. Der Arbeitsraum 16 ist über eine erste Leitung 22 mit einem Rückschlagventil 24, welches in Richtung des zweiten Arbeitsraums 20 öffnet, mit dem zweiten Arbeitsraum 20 verbunden. Eine zweite Leitung 26 mit einem ersten Drosselelement 28 verbindet den zweiten Arbeitsraum 20 mit dem ersten Arbeitsraum 16. Der erste Arbeitsraum 16 ist ferner über eine Leitung 30, die ein zweites Drosselelement 32 umfasst, mit einem Reservoir 34 für Arbeitsfluid verbunden.
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Zum Betätigen des ersten Kolbens 14 ist ein Piezoaktor 36 vorgesehen. Eine vom Piezoaktor 36 auf die Kolbenstange 38 des ersten Kolbens 14 ausgeübte Kraft wird vom ersten Kolben 14 hydraulisch auf den zweiten Kolben 18 übertragen, dessen Kolbenstange 40 mit dem zu bewegenden Element gekoppelt ist. Um eine Bewegung in Richtung des Pfeils 42 zu bewirken, wird der Piezoaktor 36 gemäß dem Kraft-Zeit-Diagramm 44 angesteuert. Das zu bewegende Element und somit der zweite Kolben 18 ist mit einer Vorspannkraft 60 entgegen der Richtung des Pfeils 42 vorgespannt.
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Aus der Vorspannkraft 60, dem Durchströmungsquerschnitt 52 des ersten Drosselelements 28 und der Öffnungskraft des Rückschlagventils 24 ergibt sich eine Frequenz bei einer vorherbestimmten Auslenkung der Hin- und Herbewegung 46, 48 des ersten Kolbenelements 14, bei der das zweite Kolbenelement 18 im Wesentlichen unbewegt ist. Diese Art der Ansteuerung des Piezoaktors 36 ist schematisch im Kraft-Zeit-Diagramm 44" dargestellt. Eine Ansteuerung des Piezoaktors 36 mit einer höheren Frequenz als die Frequenz 44" ist im Kraft-Zeit-Diagramm 44 und eine Ansteuerung des Piezoaktors 36 mit einer niedrigeren Frequenz als die Frequenz 44" ist im Kraft-Zeit-Diagramm 44’ dargestellt.
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In einer ersten Bewegungsphase wird der Piezoaktor 36 so angesteuert, dass er eine Hin- und Herbewegung 46, 48 mit der hohen Frequenz erzeugt. Die Hin- und Herbewegung 46, 48 wird auf den ersten Kolben 18 übertragen und erzeugt entsprechend wechselseitig einen Überdruck und einen Unterdruck im Arbeitsfluid. In den Zeitintervallen, in denen im Arbeitsfluid ein Überdruck herrscht, öffnet sich das Rückschlagventil 24 und es strömt Arbeitsfluid vom ersten Arbeitsraum 16 via das Rückschlagventil 24 und das erste Drosselelement 28 in den zweiten Arbeitsraum 20, wobei der Massenstrom an Arbeitsfluid durch das Rückschlagventil 24 größer ist als durch das erste Drosselelement 28. Aufgrund der hohen Frequenz der Hin- und Herbewegung 46, 48 des ersten Kolbens 14 wird das Rückschlagventil 24 entsprechend oft geöffnet, so dass das Volumen des ersten Arbeitsraums 16 abnimmt und das Volumen des zweiten Arbeitsraums 20 zunimmt. Dadurch überströmt das Arbeitsfluid nun in den zweiten Arbeitsraum 20 und dort wird der zweite Kolben 18 bewegt, was die gewünschte Vorwärtsbewegung 42 erzeugt.
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In einer zweiten Bewegungsphase wird das Piezoelement 36 mit der niedrigeren Frequenz bewegt. Hierdurch wird der erste Kolben 14 entsprechend hin- und herbewegt, wobei das Rückschlagventil 24 weniger oft geöffnet wird als während der ersten Bewegungsphase. Somit ist der Gesamtmassenstrom durch das Rückschlagventil 24 kleiner als durch das erste Drosselelement 28, so dass das Volumen des ersten Arbeitsraums 16 zunimmt und das Volumen des zweiten Arbeitsraums 20 abnimmt. Dadurch überströmt das Arbeitsfluid in den ersten Arbeitsraum 16 und der zweite Kolben 18 erfährt die gewünschte Rückwärtsbewegung 50. Die entstehende Volumenänderung im ersten Arbeitsraum 16 wird vom Reservoir 34 durch das zweite Drosselelement 32 ausgeglichen.
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Der erste Kolben 18 kann weiter vorgeschoben werden als dies durch die Bewegungsreichweite des Piezoaktors 36 vorgegeben ist. Die Übersetzung zwischen den Kolben 14 und 18 ermöglicht dabei eine Positionierung des zweiten Kolbens 18 mit besonders hoher Präzision, wobei vorteilhafterweise zum Halten des Kolbens 18 in Position keine Kraft aufgewendet werden muss.
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3 und 4 zeigen eine alternative Ausbildung der Vorrichtung 10, bei welcher anstelle von Hydraulikzylindern Faltenbälge 54, 56 verwendet werden, die mit den Kolbenelementen 14, 18 verbunden sind und so die Aufnahmeräume 16, 20 zu bilden. Auch das Reservoir 34 wird durch einen Faltenbalg 58 gebildet. Ansonsten ist die Vorrichtung 10 gemäß den 3 und 4 funktionsgleich zur Vorrichtung 10 gemäß den 1 und 2. Die Verwendung von Faltenbälgen 54, 56, 58 ermöglicht es, die gesamte Vorrichtung 10 im Wesentlichen gekapselt auszubilden, so dass sie eine möglichst geringe Anfälligkeit für Verschmutzung und Verschleiß aufweist. Eine derartige Vorrichtung 10 kann daher besonders lange bei gleich bleibender Präzision betrieben werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
