DE19738296A1

DE19738296A1 - Mechanismus zur Erzeugung von Stellbewegungen

Info

Publication number: DE19738296A1
Application number: DE19738296A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Vollbarth; Joerg Gasmann
Original assignee: Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Technische Universitaet Dresden
Priority date: 1997-09-02
Filing date: 1997-09-02
Publication date: 1999-03-04

Description

Die Erfindung betrifft einen Mechanismus zur Erzeugung von Stellbewegungen, der selbst Baugruppen wie Greifer, Kupplungen oder elektrische/mechanische Schaltwerke bilden kann, Teil dieser Baugruppen ist oder als Antrieb dieser Baugruppen dienen kann.

Aus Krause W.: Konstruktions-Elemente der Feinwerktechnik, Carl Hanser Verlag München-Wien, S. 521-532 ist eine Anzahl unterschiedlicher Schaltwerke bekannt, die eine sprunghafte Stellbewegung ausführen.

Weiterhin sind Formgedächtnisaktoren in Form von Formgedächtnis drähten oder Federn sind. Diese führen unter Temperatureinfluß eine allmähliche Stellbewegung aus.

Ferner ist aus der DE 44 06 771 A1 beispielsweise ein Greifer für einen Industrieroboterarm bekannt. Der Greifer besteht aus zwei beweglichen Fingern, wobei die Bewegung der Finger durch die Formänderung von Teilen, die aus Form-Gedächtnis-Legierung bestehen, hervorgerufen wird. Die Kraftwirkung der Form- Gedächtnis-Legierung erfolgt auf Gelenke des Fingers oder die Finger selbst, so daß bei Erwärmung und anschließender Abkühlung eine Greifbewegung ausgeführt werden kann. Nachteilig ist, daß die Greifkraft auch infolge Abkühlung durch Verfahrbewegungen des Greifers verloren gehen kann.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen vielseitig verwendbaren, stark miniaturisierbaren Mechanismus anzugeben, der die allmähliche Bewegung eines Formgedächtniselementes in eine schnelle und definierte Sprungbewegung umsetzt. Die erzeugte Stellbewegung soll für verschiedene Anwendungen nutzbar sein.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Wesentlich an der Erfindung ist, daß die allmähliche Bewegung eines Formgedächtniselementes auf ein Sprungwerk einwirkt, und diese Bewegung von dem Sprungwerk in definierte Getriebezustände umgesetzt wird. Die Anzahl der definierten Getriebezustände ist dabei beliebig und von der Ausbildung des Sprungwerkes abhängig. Prinzipiell ist hierzu jedes Sprungwerk einsetzbar. Das Formgedächtniselement ist bei der beschriebenen Erfindung ein Bauteil, das aus einer Formgedächtnislegierung besteht, die bei Temperaturänderung eine Formänderung erfährt. Das sind beispielsweise Formgedächtnisdrähte oder Formgedächtnisfedern.

Ein weiteres wesentliches Teil des Mechanismus ist ein sogenannter Grundkörper, mit dem das Sprungwerk direkt oder indirekt verbunden ist. Das Formgedächtniselement ist einerseits mit dem Sprungwerk direkt oder indirekt und andererseits mit dem Grundkörper direkt oder indirekt verbunden. Unter einer indirekten Verbindung wird hier eine Verbindung über Koppelelemente verstanden. Somit sind die beiden unterschiedlichen Bewegungen von Sprungwerk und Formgedächtnisaktor gekoppelt.

Die mit dem Mechanismus erzeugte Stellbewegung läßt sich auf unterschiedliche Weise nutzen; als Schalter, Greifer, Kupplung direkt oder als Antrieb derartiger Baugruppen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung als Greifer in Miniaturform ergibt sich aus Anspruch 2. Als krafterzeugendes Element im Sprungwerk ist eine Omegafeder vorgesehen, die einerseits durch einen kippbaren Hebel und anderseits durch einen weiteren Hebel mit dem Grundkörper verbunden ist. Der kippbare Hebel ist durch ein Festkörpergelenk mit dem Grundkörper verbunden. Ebenso der weitere Hebel. Zwischen dem weiteren Hebel und dem Grundkörper ist ein Formgedächtniselement in Form eines Formgedächtnisdrahtes vorgesehen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus Anspruch 6. Die bewegliche Greifbacke und die feste Greifbacke sind in Form elektrischer Kontakte ausgeführt. Der Grundkörper und der weitere Hebel weisen potentialgetrennte Anschlüsse auf. Damit bildet der Mechanismus einen temperaturabhängigen elektrischen Schalter.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung als Kupplung ergibt sich aus Anspruch 7. Als Sprungwerk ist eine Tellerfeder vorgesehen, die in ihrer Mittenachse über einen vorgespannten Formgedächtnisdraht mit dem Grundkörper verbunden ist. Die Tellerfeder ist in radialer Entfernung zur Mittenachse auf einer ringförmigen Erhebung des Grundkörpers abgestützt. Der Grundkörper bildet eine An- oder Abtriebswelle, zu der eine entkuppelte weitere An- oder Abtriebswelle achsparallel gelagert ist. Die Übertragung des Drehmomentes von der einen zur anderen Welle erfolgt durch das in seiner Auslenkung verstellbare Sprungwerk, in diesem Fall durch die Tellerfeder.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich aus Anspruch 9. Der Mechanismus dient hier als Antrieb eines Ventils, indem das auslenkbare Sprungwerk mit einem Ventilstößel zur Übertragung der Stellbewegung verbunden ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die allmähliche Formänderung des Formgedächtniselementes in eine schnelle und definierte Sprungbewegung des Mechanismus sowie definierte Zustände des Sprungwerkes umgesetzt werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mechanismus in Form eines Miniaturgreifers

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mechanismus zum Betreiben einer Kupplung

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Mechanismus als Antrieb eines Ventils.

Der erfindungsgemäße Mechanismus stellt in der Fig. 1 einen Miniaturgreifer dar. Der Miniaturgreifer besteht aus einem Grundkörper 1, mit dem ein beweglicher Hebel b mittels eines Festkörpergelenkes e verbunden ist. In der Ansicht bildet das untere Ende des Hebels b (bewegliche Greifbacke b') mit dem Grundkörper 1 als feste Greifbacke c den eigentlichen Greifer. Das obere Ende des Hebels b, die Omegafeder 3, der Hebel a sowie die Festkörpergelenke d, e bilden das Sprungwerk S. Die Omegafeder 3 ist ihrerseits durch den Hebel a, der um das Festkörpergelenk d kippbar ist, mit dem Grundkörper 1 verbunden. Für das Erzeugen der Kippbewegung des Hebels a ist ein Formgedächtnisdraht 2 vorgesehen, der an einem Ende durch Befestigungselement 4 am Hebel a und am anderen Ende am Grundkörper 1 durch ein weiteres Befestigungselement 4 angebracht ist. Für die Bewegungsbegrenzung des Hebels b sind die beiden Anschläge 6 vorgesehen. Mittels der Stellschraube 7 und der Feder 8 läßt sich der Hebel a vorspannen.

Beim Erhitzen des Formgedächtnisdrahtes 2 verkürzt sich dieser und bewirkt so das Kippen des Hebels a um das Festkörpergelenk d. Dadurch verschiebt sich die Kraftwirkungslinie der Omegafeder 3 und bei Überschreiten einer kritischen Auslenkung erfolgt die Auslösung des Sprungwerkes S, so daß die bewegliche Greifbacke b' um das Gelenk e dreht und sich der Greifer schließt. Der Anschlag 6 begrenzt die Bewegung der beweglichen Greifbacke b' und damit die Verschiebung der Kraftwirkungslinie, so daß bei Abschalten des Formgedächtniselementes 2 ein selbsttätiges Rückstellen durch die Feder 8 erfolgt.

Der in der Fig. 1 dargestellte Miniaturgreifer kann in dieser Ausführung sehr leicht zu einem elektrischen Schalter mit Formgedächtnisantrieb modifiziert werden. Dazu sind lediglich die bewegliche Greifbacke b' und die feste Greifbacke c als Schaltkontakte auszuführen. Der Kontakt wird dann temperaturabhängig geschlossen und geöffnet.

Der erfindungsgemäße Mechanismus dient in der Fig. 2a und 2b zum Betreiben einer Kupplung. In Fig. 2a befindet sich die Kupplung im Grundzustand und in Fig. 2b im eingeschalteten Zustand. Das Formgedächtniselement 2 ist mittels des Befestigungselementes 4 zwischen Sprungwerk S und Grundkörper 1 gespannt. Das Sprungwerk S ist in der Art einer Tellerfeder 3' ausgeführt und besitzt zwei stabile Zustände; einen Zustand (gemäß Fig. 2a) der ohne äußere Einwirkung eingenommen wird und einen Zustand (gemäß Fig. 2b), der bei Krafteinwirkung des Formgedächtniselementes 2 eingenommen wird.

Durch Verkürzung des Formgedächtniselementes 2 wird die Tellerfeder 3' vom Zustand a) in Zustand b) versetzt. Die Tellerfeder 3' kann bei Entspannung des Formgedächtniselementes 2 von selbst oder durch Einwirkung einer zusätzlichen Kraft (zusätzliche Feder, nicht dargestellt) in den Zustand a) zurückkehren. In beiden Zuständen liegt die Tellerfeder 3' am Grundkörper 1 an. In Zustand b) liegt die Tellerfeder 3' zusätzlich an der Abtriebswelle 9 an, und erzeugt durch ihre innere Spannung eine Kraft zwischen dem Grundkörper 1 als Antriebswelle und der Abtriebswelle 9, indem die Tellerfeder 3' auf den Reibbelag 10 drückt oder Formschluß mit einer Perforierung im Reibbelag 10 herstellt. Im Zustand b) kann somit ein Moment vom Grundkörper 1 als Antriebswelle über die Tellerfeder 3' und den Reibbelag 10 bzw. Perforation 10 auf die Abtriebswelle 9 übertragen werden. Die Teile 1 und 9 können in ihrer Funktion von An- und Abtrieb getauscht werden.

Der erfindungsgemäße Mechanismus dient in der Fig. 3 als Antrieb eines Ventils. Das Formgedächtniselement 2 ist mit dem Sprungwerk S, hier in Form einer Blattfeder 3'', verbunden. An der Blattfeder 3'' ist ein Ventilstößel 12 angelenkt. Die allmähliche Bewegung des Formgedächtniselementes 2 infolge Verkürzung führt zu einer sprunghaften Bewegung des Sprungwerkes S, die zum Öffnen eines Ventils genutzt wird. Der Ventilstößel 12 bewegt den Ventilkegel 13f und das zu schaltende Medium kann den Ventilkörper 14 vom Zulauf 15 zum Ablauf 16 durchfließen. Im unbeheizten Zustand dehnt der durch die Feder 8 vorgespannte Ventilstößel 12 über das Sprungwerk S das Formgedächtniselement 2, das Sprungwerk S springt in seine Ausgangsstellung zurück und schließt das Ventil schlagartig.

Bezugszeichenliste

1

Grundkörper

2

Formgedächtniselement

3

Omegafeder

3

' Tellerfeder

3

'' Blattfeder

4

Befestigungselement

5

Scheibe

6

Anschlag

7

Stellschraube

8

Feder

9

Abtriebswelle

10

Reibbelag

11

Lager

12

Ventilstößel

13

Ventilkegel

14

Ventilkörper

15

Zulauf

16

Ablauf
a Hebel
b Hebel
b' bewegliche Greifbacke
c feste Greifbacke
d Festkörpergelenk
e Festkörpergelenk
S Sprungwerk

Claims

1. Mechanismus zur Erzeugung von Stellbewegungen, bestehend aus Formgedächtniselement (2), Sprungwerk (S) und Grundkörper (1) als gemeinsamer Stütz- oder Aufhängepunkt, sowie weiteren Elementen zur Umsetzung der Bewegung des Sprungwerkes (S) in eine Stellbewegung, wobei das Sprungwerk (S) zusätzlich durch das Formgedächtniselement (2) mit dem Grundkörper (1) direkt oder indirekt in Verbindung steht, das Sprungwerk (3) durch das Formgedächtniselement (2) in seiner Auslenkung gegenüber dem Grundkörper (1) verstellbar ist, und mittels der Auslenkung des Sprungwerkes (S) die Stellbewegung erzeugt wird.

2. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Sprungwerk (S; 3, a, b) eine Omegafeder (3) vorgesehen ist, die einerseits mit dem Hebel (b) und andererseits mit dem Hebel (a) verbunden ist, der Hebel (b) mittels Festkörpergelenk (e) und der Hebel (a) mittels Festkörpergelenk (d) mit dem Grundkörper (1) verbunden sind, wobei der Hebel (b) mit seinem - in Ansicht gesehen - unteren Ende eine bewegliche Greifbacke (b'), der Grundkörper (1) eine feste Greifbacke (c), bildet, und zwischen Hebel (a) und dem Grundkörper (1) das Formgedächtniselement (2) zur Auslenkung des Sprungwerkes (S; 3, a, b) vorgesehen ist.

3. Mechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formgedächtniselement (2) ein Formgedächtnisdraht ist, der an einem Ende mittels Befestigungselement (4) mit dem Hebel (a) und am anderen Ende mittels Befestigungselement (4) mit dem Grundkörper (1) verbunden ist.

4. Mechanismus nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß an einem oder beiden Enden des Hebels (b) ein Anschlag (6) vorgesehen ist.

5. Mechanismus nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hebel (a) und dem Grundkörper (1) eine Feder (8) vorgesehen ist, deren Federkraft verstellbar ist.

6. Mechanismus nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Greifbacke (b') und die feste Greifbacke (c) in Form elektrischer Kontakte ausgeführt sind und der Grundkörper (1) und der Hebel (b) potentialgetrennte Anschlüsse aufweisen.

7. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sprungwerk (S) eine Tellerfeder (3') vorgesehen ist, die in ihrer Mittenachse über einen vorgespannten Formgedächtnisdraht (2) mit dem Grundkörper (1) verbunden ist, die Tellerfeder (3') in radialer Entfernung zur Mittenachse auf einer ringförmigen Erhebung des Grundkörpers (1) abgestützt ist, wobei der Grundkörper (1) eine An- oder Abtriebswelle bildet, zu der eine entkuppelte weitere An- oder Abtriebswelle achsparallel gelagert ist, und die Momentübertragung von der einen zur anderen Welle durch das in seiner Auslenkung verstellbare Sprungwerk (S) erfolgt.

8. Mechanismus nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tellerfeder (3') nach der Verstellung durch den Formgedächtnisdraht (2) mit ihrem Rand auf einer Reibfläche (7) oder Perforierung (7) an der weiteren An- oder Abtriebswelle (9) unter Kraft aufliegt, wodurch die Drehmomentübertragung zwischen erster und zweiter Welle erfolgt.

9. Mechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Sprungwerk (S) eine Blattfeder (3'') vorgesehen ist, die beidseitig an einem Grundkörper (1) aufgehängt ist, die Auslenkung der Blattfeder (3'') gegenüber dem Grundkörper (1) durch einen einerseits mit dem Grundkörper (1) und andererseits mit der Blattfeder (3'') verbundenen Formgedächtnisdraht (2) verstellbar ist, wobei die Blattfeder (3'') mit einem Ventilstößel (12) verbunden ist, und der Ventilstößel (12) durch die Auslenkung der Blattfeder (3'') betätigt wird.

10. Mechanismus nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Sprungwerk (S) entgegen der Kraftwirkung des Formgedächtnisdrahtes (2) durch eine Feder (8) vorgespannt ist.