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Die Erfindung betrifft einen Piezo-Ring-Motor dessen mindestens zwei piezoelektrische Aktoren fest mit einem Antriebsring verbunden sind und diesen zu verschiedenen Bewegungen anregen, so dass die Welle in Rotation gerät. Bei der Erstmontage des Systems aus Antriebsring und Welle kann in der Regel lediglich eine Grobjustierung vorgenommen werden.
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In der europäischen Patentschrift
EP 1 098 429 B1 wird ein elektromechanischer Motor beschrieben, der in einer besonderen Ausgestaltung ein Piezo-Ring-Motor ist. Insgesamt wird das Grundprinzip des Piezo-Ring-Motors als Antriebseinheit oder als Stellantrieb beschrieben. Hinsichtlich der Anwendung in verschiedenen Funktionsgebieten sind derartige Motoren hinsichtlich der Montage, der Funktion und der Produktionsfreundlichkeit optimiert.
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Die Druckschrift
US 5 079 471 A beschreibt ein Verfahren zur Justierung eines piezoelektrischen Ringmotors. Dieser weist zwei piezoelektrischen Aktoren, einen Antriebsring, der durch die Hubbewegungen ausführenden Aktoren zu einer umlaufenden Verschiebebewegung anregbar ist, und eine Welle, die durch Andruck relativ zum Antriebsring von diesem gedreht wird, auf.
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Die Druckschrift
DE 103 19 530 A1 beschreibt ein Verfahren zur Justierung mehrerer piezoelektrischer Aktoren, wobei anhand der Auswertung des Verlaufes der elektrischen Signale bei der Ansteuerung eines jeden Piezoaktors Spannungswerte für den Wechsel des Betriebszustands aufgenommen werden.
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Prinzipbedingt ist zum Erreichen der optimalen Funktion des Piezo-Motors eine Mikrometer genaue Positionierung der Zylinderachse des Antriebsringes relativ zum Zylinder der Antriebswelle erforderlich. Nur so kann sicher gestellt werden, dass ein gleichmäßiges und damit Drehwinkel unabhängiges maximales Drehmoment an der Antriebswelle schlupffrei bereitgestellt wird. Jeder Aufbau eines Piezo-Ring-Motors erfordert daher eine Justage, welche einen wesentlichen Aufwand an Zeit bedeutet. Die bisher genutzte exakt quantifizierbare Kontrollgröße zur Justage des Piezo-Motors besteht in einer Zeit aufgelösten bzw. Winkel aufgelösten Messung des vom Piezo-Motor abgegebenen Drehmomentes an einem Drehmomenten-Messplatz.
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Für die Serienreife eines Piezo-Ring-Motors sind derzeit noch bestimmte bauliche Parameter weiter zu entwickeln. Da sich beispielsweise die im Betrieb ständig verändernden Abstände zwischen Welle und Antriebsring im μm-Bereich bewegen, kann bei der Montage lediglich eine grobe Justierung vorgenommen werden. Eine genaue Angabe der relativen Position der Welle im Verhältnis zum Ring ist jedoch ohne Weiters nicht möglich.
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Zur Erläuterung bisher angewandter Justierverfahren können die
1 bis
3 herangezogen werden, in denen der Piezo-Ring-Motor im transversalen Schnitt dargestellt ist und wobei sich die Piezo-Multilayer-Aktoren (PMA) in unterschiedlichen Ladungszuständen befinden. Aus der europäischen Patentschrift
EP 1 098 429 B1 geht der Aufbau und die Funktion des Piezo-Ring-Motor mit Varianten hervor, Im Prinzip wird, wie in den
1 bis
3 erkennbar, eine Antriebswelle spielfrei und axial drehbar in einer mechanisch steifen Grundplatte mittels einer drehbaren Lagerung angebracht. Die Zylinderachse der Antriebswelle fällt im dargestellten Idealfall entsprechend
1 mit der Zylinderachse des Antriebsringes zusammen. Der Innendurchmesser des Antriebsringes ist hoch präzise, das heißt Mikrometer genau, auf den Außendurchmesser der Antriebswelle abgestimmt, wobei je nach Motorauslegung eine Durchmesserdifferenz im Bereich von ca. 5 μm bis 30 μm eingestellt ist.
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Mit dem Antriebsring sind im rechten Winkel zwei piezoelektrische Antriebsmodule steif verbunden. Diese dehnen sich bei elektrischer Aufladung in Längsrichtung aus, wobei die Parameter Betriebsspannung und Elongation wesentlich sind. Eine Blockierkraft kann bis zu 1200 N betragen. Dieser Betriebszustand entspricht einer Klemmung des Piezo-Ring-Motors. Zur Vermeidung schädlicher Zugspannungen in der Piezokeramik, wie sie im hoch dynamischen Betrieb auftreten können, sind die piezoelektrischen Multilayer-Aktoren (PMA) unter einer hinreichend großen Druckkraft mit beispielsweise 600 N vorgespannt. Die gesamte Anordnung ist mechanisch steif ausgelegt. Die zusammengesetzte Baugruppe besteht beispielsweise aus einer Rohrfeder, einem PMA und Endplatten und wird mit dem Begriff piezoelektrisches Antriebsmodul bezeichnet. Eine Endplatte eines jeden PMA ist mit dem Antriebsring steif verbunden. Die vom Antriebsring abgewandte Endplatte eines jeden PMA ist so gestaltet, dass sie lösbar aber steif mit der Grundplatte verbunden ist. Im gelösten, Zustand sind die Endplatten und somit die PMA und der Antriebsring relativ zur Grundplatte und damit auch die Antriebswelle transversal zu den Achsen mit den Bezugszeichen 4, 5 in 3 verschiebbar angeordnet. Begrenzt wird die transversale Verschiebbarkeit des Antriebsringes relativ zur Antriebswelle lediglich durch die Kontaktbedingung des Antriebsring mit der Antriebswelle. Maßgeblich für den Bereich der möglichen Verschiebbarkeit ist die Durchmesserdifferenz zwischen Antriebsring (Innendurchmesser) und Antriebswelle (Außendurchmesser).
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1 zeigt den Piezo-Ring-Motor in einem bevorzugten Justierzustand für den unipolaren Betrieb, das heißt die Polarität der Spannung an den elektrischen Anschlüssen des PMA ändert nicht ihr Vorzeichen. Untersuchungen ergaben, dass ein konstantes Drehwinkel unabhängiges maximales Drehmoment nur dann an der Antriebswelle des Piezo-Ring-Motors schlupffrei auftritt, wenn die Endplatten in einer Position auf der Grundplatte steif fixiert sind. Die Antriebswelle und der Antriebsring sollten konzentrisch zueinander liegen und gleichzeitig sollte die Elongation im Betrieb der PMA um die Hälfte (x0/2) ausgelenkt sein. In diesem Zustand liegt an den Klemmen des PMA ca. die halbe maximale Betriebsspannung (U0/2) an. Unter Vernachlässigung der in der Praxis vernachlässigbaren Hysterese-Effekte ist die Auslenkung der PMA in sehr guter Nährung direkt proportional zur Klemmenspannung.
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Mit Hilfe von bekannten Justierwerkzeugen und unter Anwendung verschiedener Justierstrategien ist bisher versucht worden, den oben beschriebenen Zustand mit gelösten Endplatten einzustellen und bei Erreichen dieser Position die Endplatten mit der Grundplatte steif aber lösbar beispielsweise durch eine Schraubklemmung zu verbinden.
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Anschließend kann der PMA entladen werden, wobei sich der PMA kontrahiert und sich eine Konfiguration gemäß 2 einstellt, in der der Antriebsring (2) an die Antriebswelle (1) stark angepresst ist. Aufgrund des Reibschlusses ist die Antriebswelle (2) im spannungsfreien Zustand des Piezo-Ring-Motors gegen Rotation blockiert. Justagefehler sind hierbei unvermeidbar.
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Die Durchmesserdifferenz zwischen dem Innendurchmessers des Antriebsrings und dem Außendurchmesser der Antriebswelle liegt im Mikrometerbereich, weist jedoch einen endlichen Wert auf, wobei der Justagefehler bis zur Hälfte des Betrages der Durchmesserdifferenz betragen kann. Die Wahrscheinlichkeit eine ideale Justageposition im Mikrometerbereich zwischen Antriebswelle und Antriebsring zu erzielen, ist äußerst gering. Die Befestigung von Endplatten verursacht alleine wesentliche Abweichungen im Mikrometerbereich.
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Der Motorbetrieb kann anschließend durch Anlegen einer beispielsweise sinusförmigen Spannung an die beiden Aktoreinheiten mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung realisiert werden. Die Sinusschwingung muss dabei um eine Installationsspannung in den positiven Bereich verschoben sein, um insgesamt immer positive Spannungen zu gewährleisten. Dadurch wird eine reine Elongation des Multilayer-Aktors aus seiner Grundlänge heraus gewährleistet.
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Aufgrund der an auftretenden Spalten vorhandenen Spiele im Mikrometerbereich kann bei der Installation jedoch keine genau konzentrische Einstellung zwischen Welle und Ring realisiert werden, so dass wiederum ein Zustand beispielsweise wie in 3 vorliegt. Die Zentren der Antriebswelle und des Antriebsringes weisen einen gegenseitigen Versatz auf. Ein solcher Versatz kann in Verbindung mit unterschiedlichen Betriebszuständen auftreten. Dies hat direkt eine unsymmetrische Anpressbewegung zwischen Ring und Welle zur Folge, wodurch bei einem Umlauf unterschiedliche Anpressdrucke zwischen Ring und Welle auftreten. Für ein symmetrisches Drehmoment und Geschwindigkeitsverhalten pro Umlauf ist jedoch genau dies entscheidend. Bisher konnte diese Asymmetrie nicht berücksichtigt und auch nicht korrigiert werden.
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Die im Betrieb auftretenden Temperaturwechsel führen zu unterschiedlichen temperaturbedingten Dehnungen oder Schrumpfungen verschiedener Bauteile. Daraus resultierende betriebs oder auch alterungsbedingte Abweichungen führen ebenso nicht zu idealen Justierverhältnissen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Justierung eines Piezo-Ring-Motors zur Verfügung zu stellen, durch das ein Messwert ermittelt wird, der in einfacher Weise einen Ausgleich des Versatzes zwischen Zentrum der Antriebswelle und Zentrum des Antriebsringes ausgleicht. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die entsprechenden Merkmalskombinationen des Anspruchs 1.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Ziel der vorliegenden Erfindung ein Verfahren aufzuzeigen, welches durch Messung und Auswertung einer elektrischen Größe eine exakte Erfassung der Relativlage zwischen dem Antriebsring und der Antriebswelle auf einfachste Weise ermöglicht. Eine Abweichung zwischen Soll- und Ist-Position bei der Relativlage von Antriebsring und Welle wird dann durch Anpassung der Installationsspannung korrigiert. Dazu wird das in den beiden unabhängigen Richtungen jeweils vorhandene x-Piezo-Element bzw. das y-Piezo-Element über die Installationsspannung hinsichtlich der gegenseitigen Soll-Position eingestellt. Dies entspricht der elektronischen Justage unter Ausnutzung der elektromechanischen Sensoreigenschaften des piezomechanischen Aktors bzw. des Multilayer-Aktors. Hierbei werden die Wirkung des inversen piezoelektrischen Effekts, die sich durch eine Längenänderung des Aktors aufgrund des Anlegens einer elektrischen Spannung ergibt und die Wirkung des direkten piezoelektrischen Effekts, der sich durch Erzeugung von Ladungen bzw. einem Strom aufgrund der Änderung des mechanischen Spannungszustandes ergibt und eine Kraftwirkung ausmacht, gleichzeitig ausgenutzt. Der direkte und der inverse Piezoeffekt treten im behandelten mechanischen System gleichzeitig auf. Somit können während der Ansteuerung von Piezoaktoren zwei Fälle unterschieden werden, wobei sich die Aktoren zum einen frei ausdehnen können, wenn zwischen Antriebsring und Antriebswelle ein Spalt existiert oder gegen einen Anschlag laufen, wenn der Antriebsring die Antriebswelle berührt. Ausgewertet werden Stromsignale während der Ansteuerung. Durch Mittelung der aus diesem Verfahren gewonnenen Spannungen für den Anschlag kann ein modifizierter und den mechanischen Verhältnissen angepasster Offset-Wert bzw. Versatzwert für die Ansteuersignale ermittelt werden. Damit sind Richtung und Betrag des Versatzes der Mittelpunkte von Antriebswelle und Antriebsring bekannt. Dieser Offset-Wert wird bei der folgenden Betriebsweise eines Piezo-Ring-Motors bei der Ansteuerung entsprechend berücksichtigt, wobei sowohl bei der Aufnahme des Offset-Wertes, als auch bei der zukünftigen Ansteuerung mit jeweils vorgegebenen Spannungszeitkurven angesteuert wird. Der gesamte Vorgang kann gesteuert oder geregelt werden. Mit einer Einfach- oder Mehrfachmessung kann eine Korrektur an der Installationsspannung vorgenommen werden, in x- oder in y-Richtung oder in beiden Richtungen.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, das Verfahren auch im Betrieb eines Piezo-Ring-Motors anwenden zu können. Dies kann sowohl für eine Anfangskontrolle bzw. Ermittlung des Offset-Wertes geschehen, als auch für eine ständige Kontrolle des Piezo-Ring-Motors beispielsweise für eine Nachregelung. Vorzugsweise werden mindestens zwei Anschlagpunkte (PRG unabhängiger Richtung x, y) ausgewertet, wobei dazwischen ein Zustand der freien Bewegung zwischen Antriebsring und Antriebswelle vorhanden ist. Bei der Verwendung von mehr als einem Anschlagpunkt wird in der Regel der Mittelwert der entsprechenden Spannungswerte errechnet.
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Zur Ermittlung des Offset-Wertes werden ein oder beide oder eine Mehrzahl von Piezoaktoren mit einem vorgegebenen Verlauf der Ladespannung beschickt, so dass beispielsweise eine linear ansteigende Ladespannung für einen bestimmten Zeitbereich vorgegeben ist und Unstetigkeiten im Verlauf der Ladestromkurve eindeutig Anschlagpunkte kennzeichnet.
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Im Folgenden werden anhand der begleitenden Figuren die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben.
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Die 1 bis 3 und 4 bis 6 zeigen jeweils schematisch, einen Schnitt durch einen Piezo-Ring-Motor mit jeweils zwei um 90° versetzt angebrachten Piezoaktoren 31, 32, wobei die Achsen 4, 5 von Antriebsring und Antriebswelle zentrisch, exzentrisch oder für einen Anschlagpunkt typisch dargestellt sind.
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1 zeigt die konzentrische Anordnung von Antriebsring und Antriebswelle.
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2 zeigt den Zustand bei einer Blockade eines Motors, wobei diese Stellung stellvertretend für einen Anschlagpunkt bei der Ermittlung der Exzentrizität bzw. des Offset-Wertes entsprechend dem beanspruchten Verfahren ist,
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3 zeigt einen grob justierten Zustand eines Piezo-Ring-Motors, wobei zur Feinjustierung der Abstand zwischen den Achsen von Antriebsring und Antriebswelle als Offset-Wert zu verrechnen ist,
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4 stellt einen Anschlagpunkt eines Piezo-Ring-Motors dar,
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5 stellt die freie Bewegung eines Piezo-Ring-Motors dar,
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6 stellt einen weiteren Anschlagpunkt des Piezo-Ring-Motors dar,
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7 zeigt den entsprechenden Stromverlauf korrespondierend mit den 4, 5 und 6,
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8 zeigt die linear ansteigende Ladespannung für einen entsprechend justierten Piezoaktor,
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9 zeigt elektrische Signale und Koordinaten bei veränderlichen Berührungskonfigurationen zwischen Ring und Welle,
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10 zeigt die zur 9 korrespondierende Kurve der Ladespannung für den entsprechenden Piezoaktor,
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11 zeigt sowohl die Ladespannung als auch den Ledestrom für einen Piezoaktor, wobei der Spannungsverlauf durch die stetig abfallende und aufsteigende Kurve dargestellt ist,
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12, 13 und 14 zeigen sowohl die Auslenkung des Aktors, als auch den Strom und die Ladespannung für das Justierverfahren.
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Anhand einer Simulation wird das Verfahren mit speziellen Ausgestaltungen beschrieben.
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Das Prinzip wird in einem ersten Schritt durch eine Simulation des idealen Piezomotorsystems veranschaulicht. Die identischen Piezoaktoren werden bei der Installation des Motors mit einer Gleichspannung von +80 V angesteuert und anschließend geklemmt. Nach dem Herunterfahren der Gleichspannung auf 0 V blockiert der Motor. Dieser Zustand ist Ausgangspunkt der Simulation. Bei dem Verfahren werden vorzugsweise linear ansteigende Spannungen benutzt, beispielsweise von 0 V bis zu 160 V. Dies führt bei einer konstanten kapazitiven Last zu einem konstanten Ladestrom I. Es gelten die folgenden formelmäßigen Zusammenhänge: Q = C·U(t) I = dQ/dt = C·dU(t)/dt mit U(T) = a·t folgt: I = C·a = konstant
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Unter mechanisch veränderlicher Belastung verändert der Piezoaktor seine effektive Kapazität. Somit kommt es zu einer Stromänderung, die der mechanischen Spannungsänderung proportional ist. Trifft der Piezoaktor nun auf einen unendlich steifen Anschlag, so wird sich auch der Strom sprunghaft ändern. Bei lediglich endlicher Steifigkeit des Anschlags geht die ursprüngliche Stromänderung in einen endlichen Anstieg über. Entsprechend der 4 bis 8 ist der rechnerisch simulierte Verlauf der Ansteuerspannung und des Ladestromes für das Piezo-Ring-Motor-System dargestellt. Dazu ist ein lineares elektromechanisches Piezoaktormodell verwendet worden, das eine komplette Kopplung von elektrischen und mechanischen Effekten beinhaltet. Der linear ansteigende Spannungsverlauf am Piezoaktor ist deutlich in 8 zu erkennen. Dies führt zu einem konstanten Ladestrom von ca. 18 mA. Ab dem Zeitpunkt t = 27 ms ist ein deutlicher Sprung im Ladestrom zu erkennen. Hier trennen sich Ring und Welle voneinander. Beide können sich jetzt frei bewegen. Dies entspricht der Darstellung in 5. Ab einer Zeit t = 33 ms wird die Welle aufgrund der Aktorspannung wieder geklemmt. Somit kommt es zu einem sprunghaften Abfall des Stroms. Diese deutliche Änderung ist elektrisch einfach zu detektieren und ergibt zwei Spannungswerte, zwischen denen eine freie Bewegung stattfindet. Der Mittelwert der beiden Spannungen gibt den Offset-Wert für den horizontalen Aktor an. Der horizontale Aktor ist entsprechend 1 mit dem Bezugszeichen 32 benannt.
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Bisher sind ideale Voraussetzungen berücksichtigt worden, so dass beim Anlegen von der Spannung U = U0/2 an den vertikalen Aktor eine ideale Mittelstellung in vertikaler Richtung bewirkt würde. Da dies im Allgemeinen nicht der Fall sein wird, müssen die beiden horizontalen Spannungen für mehrere Vertikalspannungen um U0/2 gescannt werden. Diejenige Konfiguration, bei der der größte Abstand von den beiden Spannungen auftritt, entspricht einer möglichst mittigen Position.
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Als nächstes sieht das Verfahren vor, für den vertikalen Aktor analoge Betrachtungen anzustellen. Als Ausgangswert für den horizontalen Aktor wird der soeben ermittelte Korrekturwert unter Abzug von beispielsweise 10% verwendet. Nach Ermittlung der Anschlagspannungen wird auch hier der Bereich von –10% bis +10% des ursprünglichen Korrekturwertes gescannt. Nach Abschluss der Justage liegen zwei neue Offset-Spannungen vor, die eine möglichst symmetrische Anpassung von Ring und Welle ermöglichen. Dieses Verfahren kann nach Aufbau des Motors oder auch nach einer bestimmten Anzahl von Betriebsstunden wiederholt werden.
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In 9 ist abschließend ein vollständiger Lade- und Entladevorgang dargestellt. Auch der Entladevorgang ist eine sprunghafte Stromänderung beim Übergang in den freien Bereich ohne Anschlag.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann experimentell überprüft werden. 11 zeigt die Messung an einem realen Piezoringmotor. Zunächst werden die Antriebseinheiten bei +80 V geklemmt und dann aus der Blockierkonfiguration mit linear steigender Spannung angefahren. Im Vergleich zur Simulation ist zu beachten, dass reale Piezoaktoren eine von der Spannung abhängige meist steigende Kapazität aufweisen. Das bedeutet, dass der Strom im Zeitverlauf nicht konstant ist, sondern mit steigender Spannung auch noch leicht ansteigt. Dies ist in der Grafik deutlich zu erkennen. Entsprechend 11 ist bei einer Zeit t = 3 s der Anpresszustand zu Ende und wechselt in den freien Bewegungszustand über. Es ist deutlich die Änderung des Ladestroms zu erkennen. Aufgrund der mechanisch endlich steifen Lagerung der Welle vollzieht sich die Stromänderung nicht sprunghaft. Prinzipiell könnte man aus diesem Anstieg die Steifigkeit der Wellenlagerung beurteilen, was ein weiteres Kriterium zum Test der Motorkonfiguration darstellt.
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Das beschriebene Verfahren muss prinzipiell nicht mit linear ansteigenden Spannungen durchgeführt werden. Auch die im CT-Piezo-Ring-Motor verwendeten sinusförmigen Spannungsverläufe eignen sich hierzu. Entsprechend der 12 bis 14 wird der rechnerisch simulierte Stromverlauf für den Fall dargestellt, dass der Vertikalaktor auf U0/2 aufgeladen ist. Damit ist er in Vertikalrichtung zentriert. Anschließend wird ausgehend von 0 V die Ladespannung am Horizontalaktor sinusförmig variiert. Auch hier zeigt sich beim Erreichen des freien Bereiches zum Zeitpunkt t = 10,5 ms eine signifikante Stromänderung. Nach Überwindung des eingebauten Spaltspieles von 20 μm zum Zeitpunkt t = 13 ms fällt der Strom nach Erreichen des Anschlages wieder stark ab. Derartige Unstetigkeitsstellen sind elektrisch relativ leicht zu detektieren und ergeben auch hier zwei Anschlagsspannungen, die zur Korrektur verwendet werden können. Gleichzeitig soll während der Ansteuerung auch der Offset-Wert, U0/2, des Vertikalaktors in einem Bereich von ca. 20% variiert werden. Die maximale Differenz der Anschlagspannungen sowohl horizontal als auch vertikal ergeben dann die idealen Korrekturspannungen in beiden Richtungen.
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Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens liegen insbesondere in:
- – der Nutzung der aktorischen und sensorischen Eigenschaften von Piezo-Multilayer-Aktoren,
- – einfach zu realisierenden Verfahrensweisen zur elektronischen Justage eines Piezo-Ring-Motors,
- – der Anwendung bei der Installation bzw. Inbetriebnahme eines Motors,
- – der Justage während des Motorbetriebs durch Auswertung der sinusartigen Ansteuerspannungen,
- – der Beurteilung der mechanischen Steifigkeit der Wellenlagerung durch Auswertung des detaillierten Stromverlaufes im Anschlagsbereich.
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Ein Verfahren entsprechend der Erfindung zur elektrischen Justage eines Piezo-Ring-Motors weist insbesondere die Merkmale auf, dass der Ladestrom von einem oder mehreren Piezo-Multilayer-Aktoren elektronisch gemessen wird. Weiterhin wird beim Zustand der freien Bewegung zwischen Welle und Ring bzw. beim Anschlag eine entsprechende Stromänderung beim Übergang zwischen zwei Zuständen detektiert. Dabei werden keinerlei Einschränkungen auf lineare oder beispielsweise sinusförmige Ansteuersignale vorgenommen. Aus der zeitlichen Änderung des Stromes im Anschlagsbereich kann die Steifigkeit der Wellenlagerung beurteilt werden.
