DE102015113244A1 - Actuator arrangement with magnetic shape memory alloy - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Aktoranordnung, die ein Stellelement aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial, einen ansteuerbaren Elektromagneten mit mindestens einem ferromagnetischen Flussleitelement und mindestens einer auf dem Flussleitelement angeordneten Erregerspule umfasst, wobei das Stellelement in einem Luftspalt des Flussleitelements so angeordnet ist, dass ein durch Ansteuern des Elektromagneten erzeugtes magnetisches Feld das Stellelement durchdringt und eine Längenänderung des Stellelements bewirkt, wobei die Aktoranordnung ein Messmittel aufweist, das eine messbares elektrisches Signal erzeugt, dessen Betrag sich abhängig von der Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials und dem in den Elektromagneten eingeprägten Strom ändert.The invention relates to an actuator arrangement, which comprises an actuating element of a magnetic shape memory material, a controllable electromagnet with at least one ferromagnetic flux collector and at least one arranged on the flux collector excitation coil, wherein the actuating element is arranged in an air gap of the flux guide so that a by driving the electromagnet generated magnetic field penetrates the actuator and causes a change in length of the actuating element, wherein the actuator assembly comprises a measuring means which generates a measurable electrical signal whose amount varies depending on the elongation of the magnetic shape memory material and impressed in the electromagnet current.
Description
Die Erfindung betrifft einen kraftgeregelten Aktor mit magnetischer Formgedächtnislegierung und dessen Verwendung. The invention relates to a force-controlled actuator with magnetic shape memory alloy and its use.
Magnetische Formgedächtnislegierungen sind eine relativ neue Klasse von Festkörperaktoren. Sie ändern in verhältnismäßig geringen äußeren Magnetfeldern (< 1 T) ihre Form. Diese Formänderung ergibt sich aus der Bewegung von Zwillingsgrenzen innerhalb einer martensitischen Phase, was zu einer Dehnung des Einkristalls führt. Nähere Ausführen dazu sind in
Unter den elektrisch angetriebenen Greifern dominieren solche mit rotatorischen elektromagnetischen oder elektrodynamischen Antrieben. Ohne zusätzliche Rückstellelemente sind in der offenen Steuerkette keine stabilen Positionen anfahrbar. Ein beliebig langsames, das Greifobjekt schonende Anfahren einer bestimmten Greifposition ist somit nur durch zusätzliche Übersetzungs- und Koppelgetrieben und/oder Rotations-Translations-Umformer möglich. Diese Elemente verringern einerseits den Gesamtwirkungsgrad, erzeugen andererseits zusätzlichen Bauraum und bewegte Masse. Ist die Greifkraft zu steuern, oder zu regeln oder eine Greifobjekterkennung nötig, ist dies über die Begrenzung des Motorstroms nur ungenau möglich bzw. sind zusätzliche Sensoren nötig. Diese sind häufig nicht in den Antrieb integriert, sodass auch hierbei zusätzliche Bauteile und somit Bauraum und Masse anfallen. Among the electrically driven grippers, those with rotary electromagnetic or electrodynamic drives dominate. Without additional restoring elements, stable positions can not be approached in the open timing chain. An arbitrarily slow, the gripping object gently approaching a certain gripping position is thus possible only by additional translation and coupling gears and / or rotation-translation converter. On the one hand, these elements reduce the overall efficiency, but on the other hand generate additional space and moving mass. If the gripping force is to be controlled, or regulated, or a gripping object detection is necessary, this is only imprecisely possible by limiting the motor current or additional sensors are necessary. These are often not integrated into the drive, so that here also additional components and thus space and mass incurred.
Während Greifer mit thermischen Formgedächtnislegierungen (SMA) Stand der Technik sind, werden in wissenschaftlichen Veröffentlichungen und Schutzrechten kaum Greifer mit Aktoren aus magnetischen Formgedächtnislegierungen (MSM) beschrieben. In
Die rein sensorische Nutzung von magnetischen Formgedächtnislegierungen ist unter anderem in:
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WO 2003/078922 A1 - •
WO 2013/079794 A1 - •
US 2013/091954 A1 - •
DE 10 2010 032 690 A1
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US 2013/091954 A1 - •
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Nachteile der bisherigen Lösungen im Hinblick auf die Aktorik:
- • keine von der Greiferposition unabhängige Greifkraft bei bestimmtem Ansteuerstrom,
- • Kraftgradient über dem Weg verhindert quasistatische (langsame) Zustellung der Greiforgane,
- • keine stabile Position an jeder Hubposition ohne Rückstellelement,
- • stromlos keine oder nur sehr geringe hysteresebedingte Haltekräfte,
- • no gripping force independent of the gripper position for a certain drive current,
- • force gradient over the way prevents quasi-static (slow) delivery of the gripping organs,
- • no stable position at every stroke position without reset element,
- No current or only very little hysteresis-related holding forces,
Nachteile der bisherigen Lösungen im Hinblick auf die integrierte Sensorik:
- • keine intrinsische Greifobjekterkennung, Weg- oder Kraftmessung
- • no intrinsic grasping object recognition, displacement or force measurement
Aufgabe der Erfindung ist es, einen miniaturisierten, funktionsintegrierten Antrieb für Greifer zu entwickeln. The object of the invention is to develop a miniaturized, function-integrated drive for grippers.
Die Erfindung beschreibt einen Antrieb mit einem Bauelement aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung zur vorzugsweisen, aber nicht ausschließlichen Anwendung in Greifern oder anderen mechanischen Endeffektoren in der Handhabungsautomatisierung. Neben dem Aufbringen von Greifkraft und Greifweg wird das magnetische Formgedächtnismaterial ausgenutzt, um eine integrierte Greifkraftsteuerung in offener oder geschlossener Steuerkette sowie eine integrierte Positionsmessung der Greifeffektoren zu realisieren. The invention describes a drive with a magnetic shape memory alloy component for preferential but not exclusive use in grippers or other mechanical end effectors in handling automation. In addition to the application of gripping force and gripping path, the magnetic shape memory material is utilized in order to realize an integrated gripping force control in open or closed control chain as well as an integrated position measurement of the gripping effectors.
Aus eigenen Messungen und einer Vielzahl an Veröffentlichungen ist bekannt, dass magnetische Formgedächtnislegierungen über den Großteil ihres nutzbaren Hubs eine nahezu lineare Kraft-Weg-Kennlinie aufweisen. Dies erlaubt eine einfache Steuerung der Greifkraft in Abhängigkeit von dem eingeprägten Strom. Weiterhin ist die Blockierkraft im feldfreien Zustand, die sich aus Probenquerschnitt und der sog. Zwillingsspannung (twinning stress) σTw ergibt, nahezu wegunabhängig. Das Vorhandensein eben dieser inneren Materialspannung ermöglicht weiterhin, dass eine stabile Position an nahezu jeder Hubposition realisierbar ist. Dadurch wird ein beliebig langsames Anfahren einer Position erst möglich. From own measurements and a variety of publications it is known that magnetic shape memory alloys over the majority of their usable stroke, a nearly linear force Have path characteristic. This allows easy control of the gripping force as a function of the impressed current. Furthermore, the blocking force in the field-free state, which results from the sample cross-section and the so-called twinning stress σ Tw , is almost path-independent. The presence of just this inner material tension further allows a stable position at almost any stroke position can be realized. This makes an arbitrarily slow approach to a position possible.
Die Polarisierung der Martensitvarianten verhält sich, solange die Legierung magnetisch nicht gesättigt ist, etwa proportional zur Dehnung des Elements. Da sich die Polarisierung senkrecht zur eingeprägten, aktorisch genutzten Erregerflussdichte komplementär ändert, diese Richtung aber vektoriell nur mit einem geringen Feld beaufschlagt wird, ergibt sich eine weitere Möglichkeit, intrinsisch die Position zu ermitteln. The polarization of the martensite variants behaves as long as the alloy is not magnetically saturated, approximately proportional to the elongation of the element. Since the polarization changes in a complementary manner perpendicular to the impressed, field-used exciter flux density, but this direction is vectorially only applied with a small field, there is another possibility of determining the position intrinsically.
Über die Kenntnis des eingeprägten Stroms und ein Rechenmodell lässt sich indirekt die Greifkraft bestimmen und somit – bei geschlossener Steuerkette – auch regeln. Die zugrundeliegenden Zusammenhänge sind schematisch in
Bei adäquater Gestaltung des Magnetkreises erzeugt der Erregerstrom im magnetischen Formgedächtniswerkstoff ein hinreichend homogenes Magnetfeld, dessen Feldstärke in der Probe überall nahezu gleich ist. Die resultierende Polarisierung in der Probe ist werkstoffspezifisch sowohl vom Dehnungszustand als auch von der Feldstärke abhängig. The knowledge of the impressed current and a mathematical model indirectly determine the gripping force and thus - with the control chain closed - also regulate. The underlying relationships are schematic in
With adequate design of the magnetic circuit, the exciter current in the magnetic shape memory material generates a sufficiently homogeneous magnetic field whose field strength in the sample is almost identical everywhere. The resulting polarization in the sample is material-specific depending on both the strain state and the field strength.
Bei Kenntnis dieses Zusammenhangs in einem Rechenmodell kann aus Erregerstrom und gemessener magnetischer Flussdichte oder Polarisierung auf die Dehnung geschlossen werden. Polarisierung und Flussdichte sind wiederum über magnetische Feldkonstante und Feldstärke, die aus dem Strom bekannt ist, miteinander verknüpft. If this relationship is known in a mathematical model, the excitation current and the measured magnetic flux density or polarization can be used to deduce the strain. Polarization and flux density are in turn linked by magnetic field constant and field strength, which is known from the current.
Mit derart bestimmter Dehnung und Flussdichte sowie dem Vorzeichen der zeitlichen Flussdichteänderung kann auf der Basis der werkstoffspezifischen Hysterese zwischen Flussdichte, mechanischer Spannung und Dehnung auf die mechanische Spannung und damit die Kraft am Abtrieb des magnetischen Formgedächtniselements geschlossen werden. With such a certain elongation and flux density and the sign of the temporal flux density change can be concluded on the basis of the material-specific hysteresis between flux density, mechanical stress and strain on the mechanical stress and thus the force at the output of the magnetic shape memory element.
Zur Messung der magnetischen Flussdichte können aus dem Stand der Technik bekannte Messverfahren ausgenutzt werden, beispielsweise:
- 1. Messung der magnetischen Flussdichte des Luftspaltstreufeldes im oder neben dem Luftspalt durch
- a. einen magnetischen Sensor (beispielsweise auf dem Hall-Effekt basierende Sensoren, wie vorgeschlagen für einen Drucksensor in
DE 10 2010 032 690 A1 - b. eine oder mehrere Messspulen im Magnetkreis, wobei
- i. eine Erregerspule des Elektromagneten gleichzeitig zur Messung genutzt wird, oder/und
- ii. eine oder mehrere zusätzliche Messspulen im Magnetkreis ein ferromagnetisches Flussleitstück umschließend, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Arbeitsluftspalts des Magnetkreises angeordnet sind, oder/und
- iii. eine oder mehrere zusätzliche Messspulen das MSM-Element umschließend, vorzugsweise in eine Probeführung integriert sind (wie in
US 2013/091954 A1
- 1. Measurement of the magnetic flux density of the air gap stray field in or adjacent to the air gap
- a. a magnetic sensor (for example, sensors based on the Hall effect, as proposed for a pressure sensor in
FIG DE or magnetic field sensors based on other magnetoresistive effects such as the GMR, AMR or TMR effect),10 2010 032 690 A1 - b. one or more measuring coils in the magnetic circuit, wherein
- i. an exciter coil of the electromagnet is used simultaneously for the measurement, and / or
- II. one or more additional measuring coils in the magnetic circuit surrounding a ferromagnetic flux guide, preferably arranged in the immediate vicinity of the working air gap of the magnetic circuit, and / or
- iii. one or more additional measuring coils surrounding the MSM element, preferably integrated in a test guide (as in
US 2013/091954 A1
Mit Messspulen können nur magnetische Flussänderungen erfasst werden. Zum Fluss durch die Spule und damit zur Flussdichte kommt man durch Zeitintegration der in der Spule indizierten Spannung. Im Fall b.i ist diese induzierte Spannung der den Spulenstrom treibenden Spannung überlagert (entgegengerichtet). In den Fällen b.ii und b.iii wird sie in unabhängigen Messspulen erzeugt. In allen Fällen ist die Zeitintegration erforderlich. With measuring coils only magnetic flux changes can be detected. The flow through the coil and thus the flux density is achieved by time integration of the voltage indicated in the coil. In case b.i, this induced voltage is superimposed on the voltage driving the coil current (opposite direction). In cases b.ii and b.iii it is generated in independent measuring coils. In all cases, time integration is required.
Alternativ kann die Messung folgendermaßen erfolgen:
- 2. Messung der Induktivität durch
- a. Messung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, verstimmt durch die Reluktanzänderung des MSM-Elements,
- b. Auswertung der elektrischen Zeitkonstante des Magnetkreises, beeinflusst durch die Reluktanzänderung des MSM-Elements (Konzept überprüft in
WO2003078922
- 2. Measurement of inductance by
- a. Measurement of the resonance frequency of a resonant circuit, detuned by the reluctance change of the MSM element,
- b. Evaluation of the electrical time constant of the magnetic circuit, influenced by the reluctance change of the MSM element (concept checked in
WO2003078922
Bei der Messung der Änderung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises wird eine Messspule des Schwingkreises wie in den obigen Beispielen angeordnet wird. Der Schwingkreis kann beispielsweise aus der Erregerspule selbst oder einer zweiten, um das Stellelement gelegten oder gewickelten Spule sowie einem mit dieser Spule parallel oder seriell verschalteten Kondensator bekannter und konstanter Kapazität bestehen. Der Schwingkreis ist Teil einer Messschaltung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises. When measuring the change of the resonance frequency of a resonant circuit, a measuring coil of the resonant circuit is arranged as in the above examples. The resonant circuit can for example consist of the excitation coil itself or a second coil placed or wound around the control element and a capacitor of known and constant capacitance connected in parallel or in series with this coil. The resonant circuit is part of a measuring circuit for determining the resonant frequency of the resonant circuit.
Die Zeitkonstante des Magnetkreises ist definiert als
Aus dem zeitlichen Verlauf des Stromanstiegs di/dt über der angelegten treibenden Spannung u(t) kann auf die Induktivität geschlossen werden. Bei bekanntem Spulenwiderstand R kann die differentielle Induktivität Ldiff aus di/dt bestimmt werden:
Die Induktivität L ergibt sich aus Ldiff:
Aus der Induktivität kann auf die Polarisierung der MSM-Probe geschlossen werden, wenn die anderen Elemente im induktivitätsbestimmenden Magnetkreis bekannt sind. From the inductance can be concluded that the polarization of the MSM sample, if the other elements in the inductance-determining magnetic circuit are known.
Die Rückstellung des Elements erfolgt bevorzugt durch einen zuschaltbaren Antrieb, der beispielsweise als elektromagnetischer (wie beispielsweise in
Erfindungsgemäß wird daher bei einer Aktoranordnung, die ein Stellelement aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial sowie einen ansteuerbaren Elektromagneten mit mindestens einem ferromagnetischen Flussleitelement und mindestens einer auf dem Flussleitelement angeordneten Erregerspule umfasst, wobei das Stellelement in einem Luftspalt des Flussleitelements so angeordnet ist, dass ein durch Ansteuern des Elektromagneten erzeugtes magnetisches Feld das Stellelement durchdringt und eine Längenänderung des Stellelements bewirkt, vorgeschlagen, dass die Aktoranordnung ein Messmittel aufweist, das ein messbares elektrisches Signal erzeugt, dessen Betrag sich abhängig von der Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials und dem in den Elektromagneten eingeprägten Strom ändert. According to the invention is therefore in an actuator assembly comprising an actuating element of a magnetic shape memory material and a controllable electromagnet with at least one ferromagnetic flux collector and at least one arranged on the flux collector exciter, wherein the actuator is arranged in an air gap of the flux guide so that a by driving the Electromagnet-generated magnetic field penetrates the actuator and causes a change in length of the actuator, proposed that the actuator assembly comprises a measuring means which generates a measurable electrical signal, the amount of which varies depending on the elongation of the magnetic shape memory material and impressed in the electromagnet current.
Dabei sollen die Begriffe „ansteuerbar“ und „Ansteuern“ bedeuten, dass die von dem Elektromagneten erzeugte magnetische Feldstärke kontinuierlich einstellbar ist. Dies wird durch Variation des in eine Erregerspule des Elektromagneten eingespeisten Stroms erreicht. Ein messbares elektrisches Signal kann beispielsweise eine elektrische Spannung sein, aber auch eine elektrische Stromstärke oder ein digital codiertes Signal. Im Fall einer Spannung oder einer Stromstärke kann deren zeitliche Änderung ausgewertet werden, um die Dehnung sowie die mechanische Spannung des Stellelements zu ermitteln. Im Fall eines digital codierten Signals kann der codierte Wert direkt hierfür genutzt werden. The terms "controllable" and "driving" mean that the magnetic field strength generated by the electromagnet is continuously adjustable. This is achieved by varying the current fed into an excitation coil of the electromagnet. A measurable electrical signal may be, for example, an electrical voltage, but also an electrical current or a digitally coded signal. In the case of a voltage or a current strength, their temporal change can be evaluated in order to determine the elongation and the mechanical stress of the actuating element. In the case of a digitally coded signal, the coded value can be used directly for this purpose.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Betrag des elektrischen Signals sich in Abhängigkeit von der durch die Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials hervorgerufenen Änderung der Reluktanz oder/und der Polarisierung des Stellelements ändert. In one embodiment, it is provided that the amount of the electrical signal changes in dependence on the change in the reluctance or / and the polarization of the actuating element caused by the elongation of the magnetic shape memory material.
Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Messmittel unmittelbar am oder im Luftspalt des Flussleitelements angeordnet ist. It can be provided that a measuring means is arranged directly on or in the air gap of the flux guide.
Das Messmittel kann mindestens eine Messspule oder/und mindestens einen magnetischen Sensor umfassen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Messspule eine Erregerspule des Elektromagneten ist, d.h. der zeitliche Verlauf der in der Erregerspule induzierten Spannung wird bei dieser Ausgestaltung gleichzeitig zur Ermittlung der Dehnung und der mechanischen Spannung im Stellelement genutzt. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Messspule zusätzlich zu einer Erregerspule des Elektromagneten vorgesehen sein. The measuring means may comprise at least one measuring coil and / or at least one magnetic sensor. For example, it may be provided that the measuring coil is an exciting coil of the electromagnet, i. The temporal course of the induced voltage in the excitation coil is used in this embodiment simultaneously to determine the strain and the mechanical stress in the actuator. Alternatively or additionally, at least one measuring coil may be provided in addition to an exciter coil of the electromagnet.
Eine Messspule kann beispielsweise auf einem Flussleitelement des Elektromagneten so angeordnet sein, dass sie mindestens einen Abschnitt des Flussleitelements umschließt. In diesem Fall verläuft die Spulenachse parallel zur Richtung des magnetischen Flusses. Dabei kann eine solche Messspule vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zum Luftspalt des Magnetkreises angeordnet sein. A measuring coil can be arranged, for example, on a flux conducting element of the electromagnet so that it surrounds at least a portion of the flux conducting element. In this case, the coil axis is parallel to the direction of the magnetic flux. In this case, such a measuring coil can advantageously be arranged in the immediate vicinity of the air gap of the magnetic circuit.
Eine Messspule kann jedoch auch im Luftspalt angeordnet sein und dabei mindestens einen Abschnitt des Stellelements umschließen. Bei dieser Ausgestaltung verläuft die Spulenachse senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses. In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die Messspule an oder in einem mindestens einen Abschnitt des Stellelements umschließenden Führungselement angeordnet ist. Beispielsweise kann das Stellelement in einer Hülse angeordnet sein, die das Stellelement führt, und eine Messspule in diese Hülse integriert sein. However, a measuring coil can also be arranged in the air gap and thereby enclose at least a portion of the actuating element. In this embodiment, the coil axis is perpendicular to the direction of the magnetic flux. In a development, provision may be made for the measuring coil to be arranged on or in a guide element enclosing at least one section of the adjusting element. For example, the adjusting element can be arranged in a sleeve, which guides the adjusting element, and a measuring coil can be integrated into this sleeve.
Um die vorgeschlagene Aktoranordnung in einer geschlossenen Steuerkette betreiben zu können, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass das Messmittel elektrisch mit einer Regeleinrichtung verbunden ist. Dadurch wird es möglich, mit Hilfe des messbaren elektrischen Signals, das bei einer Verformung des magnetischen Formgedächtnismaterials erzeugt wird und somit erfasst und ausgewertet werden kann, den Aktor kraftgeregelt zu betreiben. Die Dehnung sowie die in dem Formgedächtnismaterial herrschende mechanische Spannung – und damit die Aktorkraft – können, wie oben ausführlich beschrieben, ohne zusätzliche Sensorik ermittelt und zur Steuerung und Regelung des Aktors genutzt werden. In order to operate the proposed actuator arrangement in a closed control chain, it is provided according to a further embodiment that the measuring means is electrically connected to a control device. This makes it possible, with the aid of the measurable electrical signal, which is generated in a deformation of the magnetic shape memory material and thus can be detected and evaluated to operate the actuator force-controlled. The strain as well as the mechanical stress prevailing in the shape memory material-and thus the actuator force-can, as described above in detail, be determined without additional sensors and used to control and regulate the actuator.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen Aktoranordnung kann weiterhin ein ansteuerbares, zur Umkehrung der Längenänderung des Stellelements ausgebildetes Rückstellmittel vorgesehen sein. Der Begriff „ansteuerbar“ bedeutet auch hier, dass nicht nur zwei Schaltzustände vorgesehen sind, sondern die von dem Rückstellmittel erzeugte Rückstellkraft kontinuierlich einstellbar ist. Das Rückstellmittel kann beispielsweise ein permanent wirksames elastisches Element, z. B. eine Feder, ein elektromagnetischer oder elektrodynamischer Antrieb oder ein dem Stellelement entgegenwirkend angeordneter magnetischer Formgedächtnisantrieb sein. Dieser kann in analoger Weise wie der Aktor selbst in offener oder geschlossener Steuerkette betrieben werden. According to a further embodiment of the proposed actuator arrangement, a controllable restoring means designed to reverse the change in length of the adjusting element can furthermore be provided. The term "controllable" here also means that not only two switching states are provided, but the restoring force generated by the return means is continuously adjustable. The return means may, for example, a permanently effective elastic element, for. Example, a spring, an electromagnetic or electrodynamic drive or a control element counteracting the arranged magnetic shape memory drive. This can be operated in an analogous manner as the actuator itself in open or closed control chain.
Die vorgeschlagene Aktoranordnung kann vorteilhaft in einem Greifwerkzeug, einem Stanzwerkzeug, einem Schneidwerkzeug, einem Spannwerkzeug oder einem Klemmwerkzeug verwendet werden. The proposed actuator arrangement can be advantageously used in a gripping tool, a punching tool, a cutting tool, a clamping tool or a clamping tool.
Zum Betrieb der Aktoranordnung in einer geschlossenen Kette wird ein Regelungsverfahren vorgeschlagen, bei dem die Regelgröße ein messbares elektrisches Signal ist, dessen Betrag sich abhängig von einer Dehnung des Formgedächtnismaterials des Stellelements und einer in die Erregerspule eingespeisten Stromstärke ändert. To operate the actuator assembly in a closed chain, a control method is proposed in which the controlled variable is a measurable electrical signal whose magnitude changes depending on an elongation of the shape memory material of the control element and a current injected into the field coil.
Dabei kann die Stellgröße eine in die Erregerspule eingespeiste Stromstärke sein, mit der der Elektromagnet angesteuert wird. In this case, the manipulated variable may be a current intensity fed into the exciter coil, with which the electromagnet is driven.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Regelgröße von einer Erregerspule des Elektromagneten oder/und von einem magnetischen Sensor oder/und einer zusätzlichen Messspule abgegriffen wird. Furthermore, it can be provided that the controlled variable is picked up by an exciter coil of the electromagnet and / or by a magnetic sensor and / or an additional measuring coil.
Neu gegenüber bisher bekannten Lösungen ist,
- • dass eine magnetische Formgedächtnislegierung in Form einer Sensor-Aktor-Kombination vorzugsweise für Greifer eingesetzt wird und dabei intrinsisch Aktorkraft und Position magnetisch aus dem System selbst bestimmt werden,
- • dass die wegunabhängige aktorische Kraft des Elements ausgenutzt wird, und
- • dass die Aktorkraft einfach gesteuert oder durch Auswertung der o.g. Messgrößen geregelt werden kann.
- That a magnetic shape memory alloy in the form of a sensor-actuator combination is preferably used for grippers and thereby intrinsically actuator force and position are determined magnetically from the system itself,
- • that the path-independent actuator force of the element is exploited, and
- • That the actuator force can be easily controlled or controlled by evaluating the above-mentioned variables.
Der Kern der Erfindung liegt in der aktorischen Ausnutzung der Kraft-Weg-Kennlinie zur Greifkraftsteuerung oder Greifkraftregelung bei gleichzeitiger sensorischer Ausnutzung der dehnungsabhängigen Magnetisierungsänderung einer magnetischen Formgedächtnislegierung. The core of the invention lies in the actuator utilization of the force-displacement characteristic curve for gripping force control or gripping force control with simultaneous sensory utilization of the strain-dependent magnetization change of a magnetic shape memory alloy.
Wesentliche Vorteile sind:
- • die Möglichkeit eines gesteuerten Betriebs,
- • der Wegfall von zusätzlicher Sensorik im geregelten Betrieb,
- • stabile Position an jeder Hubposition realisierbar, abhängig vom Arbeitspunkt,
- • Hub kann beliebig langsam durchfahren werden,
- • die nahezu wegunabhängige Greifkraft,
- • eine intrinsische Greifobjekterkennung.
- The possibility of controlled operation,
- • the omission of additional sensors in controlled operation,
- • stable position can be realized at any stroke position, depending on the operating point,
- • stroke can be traversed as slowly as you like,
- • the almost path-independent gripping force,
- • an intrinsic grasping object recognition.
Zusätzliche Vorteile sind:
- • geringer tribologischer Verschleiß des Elements, dadurch geeignet für saubere Umgebungen,
- • hohe Lebensdauer von MSM Aktoren (mehrere 100 Mio. Zyklen in Literatur berichtet),
- • kleinere Masse und geringerer Bauraum als bei vergleichbaren motorisierten Antrieben.
- • low tribological wear of the element, making it suitable for clean environments,
- • high lifetime of MSM actuators (several 100 million cycles reported in literature),
- • smaller mass and smaller installation space than comparable motorized drives.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail with reference to embodiments and accompanying drawings.
Ein beispielhafter Verlauf der Ausdehnung ε über eingeprägter Flussdichte B und Druckspannung σ innerhalb der Hysteresegrenzflächen während eines Greifzyklus ist in
- (1) Kraftfreier Start des Greifvorgangs bei feldfreiem MSM-Element.
- (2) Die Dehnung des MSM-Elements, und damit der Bewegungsvorgang des Aktors, setzt bei Überschreiten der erforderlichen Flussdichte ein.
- (3) Der Greifer ist am Greifobjekt zugestellt, die Greifspannung steigt sprunghaft an (d. h. unterschiedlich große Greifobjekte werden mit nahezu gleicher Kraft gegriffen).
- (4) Die Greifkraft wird über die Flussdichte, d.h. durch Variation des in die Erregerspule des Magnetkreises eingespeisten Stroms, gesteuert.
- (5) Bei Reduktion der Flussdichte auf Null erfolgt ein Abfallen der mechanischen Spannung im MSM-Element auf das Niveau der Zwillingsspannung, zur vollständigen Rückstellung des MSM-Elements in den unverformten Zustand ist eine zusätzlich aufgebrachte Rückstellkraft erforderlich.
- (1) Force-free start of gripping process with field-free MSM element.
- (2) The expansion of the MSM element, and thus the movement of the actuator, begins when the required flux density is exceeded.
- (3) The gripper is delivered to the gripping object, the gripping tension increases abruptly (ie differently sized gripping objects are gripped with almost the same force).
- (4) The gripping force is controlled by the flux density, that is, by varying the current supplied to the exciting coil of the magnetic circuit.
- (5) When the flux density is reduced to zero, the mechanical stress in the MSM element falls to the level of the twin stress; for the complete recovery of the MSM element in the undeformed state, an additionally applied restoring force is required.
Die Änderung der Polarisation in Abhängigkeit von der Dehnung und der eingeprägten Flussdichte ist schematisch in
Mögliche Anordnungen von Element und Sensorik innerhalb eines Magnetkreises sind in
Die Veränderung der Reluktanz des Stellelements
Die magnetischen Eigenschaften in der Richtung senkrecht zur Ausdehnung des Stellelements
Daher ist die Messung der zur Erregerflussdichte senkrecht stehenden Permeabilität mit Hilfe einer Messspule
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Prinzips ist in
Eine weitere Möglichkeit stellt die Messung der Luftspaltinduktion mit Hilfe eines magnetischen Sensors
In einem in
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Erregerspule excitation coil
- 2 2
- Flussleitelement flux collector
- 3 3
- Stellelement actuator
- 4 4
- Messspule measuring coil
- 5 5
- Messspule (um MSM-Element gewickelt) Measuring coil (wound around MSM element)
- 6 6
- Messspule (in Probenhülse integriert) Measuring coil (integrated in sample sleeve)
- 7 7
- Führungselement guide element
- 8 8th
- Streufeldlinien Stray field lines
- 9 9
- magnetischer Sensor magnetic sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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