DE19853324A1

DE19853324A1 - Linearantrieb

Info

Publication number: DE19853324A1
Application number: DE19853324A
Authority: DE
Inventors: Detlef Riemer
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: RIEMER, DETLEF, PROF. DR.-ING., 04416 MARKKLEEBERG
Priority date: 1998-04-18
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 1999-10-21

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb anzugeben, der einfach zu realisieren ist, einen großen Bewegungsbereich ermöglicht und der sowohl für planare als auch rotatorische Bewegungserzeugung geeignet ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß die Linearaktoren zwischen den passiven Elementen an einer Oberfläche angeordnet sind und so ansteuerbar sind, daß zeitlich versetzt wirkende Reibungsdifferenzen zwischen unbewegten und bewegten passiven Elementen eine gerichtete Bewegung ergeben. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit bewegungserzeugenden Linearaktoren und damit verbundenen, zu bewegenden passiven Elementen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit bewegungserzeugenden Linearaktoren und damit verbundenen, zu bewegenden passiven Elementen.

Im Stand der Technik werden für Linearantriebe bzw. Antriebssystemen mit linear bewegten Elementen vor allem Direktantriebe auf der Basis elektromagnetischer Schrittmotoren sowie hydraulische und pneumatische Stellantriebe verwendet. Es ist auch bekannt indirekt erzeugte Linearbewegungen mit Hilfe mechanischer Übertragungselemente (z. B. Rotationsantrieb mit Spindel) in Linearbewegungen umzuwandeln. Nachteilig ist dabei, daß zur Erzeugung relativ großer Bewegungsbereiche des Antriebs bzw. des Antriebssystems, ein nicht unerheblicher Aufwand hinsichtlich Materialeinsatz, anzuwendender Herstellungstechnologie und notwendiger Steuerung-/Regelungstechnik notwendig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Linearantrieb anzugeben, der einfach zu realisieren ist, einen großen Bewegungsbereich ermöglicht und der sowohl für planare als auch rotatorische Bewegungserzeugung geeignet ist.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Der erfindungsgemäße Linearantrieb zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Vorteilhaft sind neben der einfach zu realisierenden Anordnung und der Möglichkeit einen großen Bewegungsbereich sowohl für eine planare als auch rotatorische Bewegung zu verwirklichen, die Möglichkeit einer hohen Einzelschrittauflösung. Durch Kaskadierung der Antriebe ist in einfacher Weise ein Mehrkoordinantenantrieb aufbaubar: Ferner ist eine Miniaturisierung des Gesamtantriebssystems möglich.

Für den erfindungsgemäßen Linearantrieb ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Hierzu zählen insbesondere

- Aufgaben zur Inspektion (Vermessen, Beobachten, Überwachen, Scannen) und Manipulation (Bearbeiten, Reinigen, Kennzeichnen, Zeichnen, Plotten) auf bzw. von Oberflächen unterschiedlicher Werkstoffzusammensetzung und Geometrie (wie z. B. Blutgefäße, allgemeine Hohlräume, Körperhohlräume oder hohlraumartige Körpergebilde in Biologie/Medizin, gekrümmte Oberflächen, Glasscheiben, Rohre bzw. rohrartige Elemente, Fußböden, Wände, Decken, Werkstücke u.ä.),
- dabei kann die Oberfläche der Reibkörper so ausgebildet sein, daß während der Drehbewegung bereits z. B. Reinigungsaufgaben übernommen werden (z. B. durch Borsten auf der Oberfläche zum Reinigen von Rohrleitungen),
- in bzw. an die Reibkörper können Meßanordnungen (z. B. zum Feststellen von Beschädigungen von Rohrleitungen) oder aktivierbare Manipulatoren (z. B. Ultraschallreinigungssysteme) integriert bzw. extern angebracht sein,
- für Ausbildungszwecke und als technisches Spielzeug zum verstehenden Lernen logischer mechanischer und steuerungstechnischer Zusammenhänge sowie
- zum Einsatz als unterhaltsames technisches Gebilde, z. B. für Werbezwecke.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Bewegung auf einer Oberfläche mit Bewegungserzeugung durch Kontraktion,

Fig. 2 eine Anordnung zur Bewegung auf einer Oberfläche mit Bewegungserzeugung durch Dilatation,

Fig. 3 und 4 entsprechende Anordnungen in einem Rohr

Fig. 5 und 6 Anordnungen, bei denen ein um die Elemente angeordnetes Rohr bewegt wird

Fig. 7 und 8 Anordnungen, bei denen ein mittleres Element feststehend angeordnet ist,

Fig. 9 und 10 Anordnungen, bei denen sich der Linearantrieb auf einer im Inneren angebrachten Stange bewegt,

Fig. 11 und 12, Anordnungen, bei denen ein auf dem Antrieb liegendes Teil transportiert wird und

Fig. 13 und 14 Anordnungen, bei denen eine rotatorische Bewegung erzeugt wird.

Der erfindungsgemäße Linearantrieb verwendet direkt oder indirekt wirkende Linearaktoren (4, 5, 9, 10, 28, 34, 37, 40), wobei bewegungserzeugende Elemente und bewegte passiven Elemente (1, 2, 3, 27, 31, 36, 38, 41) zeitlich versetzt wirkende Reibungsdifferenzen zwischen unbewegten und bewegten Gliedern (7) auf einer Oberfläche (6, 11, 13, 14, 17, 18, 20, 22, 23, 25, 30, 42) nutzen.

Die in den Fig. 1 bis 14 dargestellten Bewegungs-Grundprinzipien des Antriebsystems beruhen alle gleichermaßen auf dem Nutzen der zeitlich versetzt wirkenden Reibungsdifferenz zwischen temporär unbewegten sowie bewegten Gliedern mit dem Ziel, eine Linear- bzw. Rotationsbewegung mit oder durch das Antriebsystem zu generieren.

Der Aufbau des Antriebsprinzips kann so modifiziert werden, daß die auskoppelbare/nutzbare Linear- bzw. Rotationsbewegung entweder von der Antriebsanordnung auf einer Oberfläche (Fig. 1-Fig. 4c, Fig. 9-Fig. 10c, Fig. 14) durchgeführt wird oder das ein Läufer/Körper (Fig. 5-Fig. 8c, Fig. 11-Fig. 13) durch das Antriebssystem bewegt wird.

Eine Vergrößerung bzw. Modifizierung der Reib- sowie Haftkräfte zwischen antreibenden und angetriebenen Elementen ist z. B. über zuschaltbare Reibflächen, eine Veränderung der Gewichtskräfte, mit Hilfe eines Unterdrucks in entsprechenden Sauganordnungen, über permanentmagnetische Anordnungen, elektrostatische Kräfte oder auch mit Hilfe gesteuerter magnetischer (z. B. bistabile E-Haftmagnete) sowie Felder möglich.

Als Antriebselemente finden Linearaktoren bzw. Antriebe, welche eine Linearbewegung als Ausgangsgröße realisieren können, Anwendung. Die Erzeugung der Linearbewegung kann direkt oder indirekt (z. B. mit der Hilfe mechanischer Übertragungselemente, wie Rotationsantrieb + Spindel) erfolgen. Als bewegungserzeugende Wandler können beispielsweise elektromagnetische/elektrostatische Aktoren, pneumatische/hydraulische Stellelemente, Piezoaktoren, (elektro-)chemische Bewegungswandler, thermomechanische Antriebe (Dehnstoffelemente, Bimetalle, Shap-Memory-Alloys) dienen.

Sind der Hub (wie z. B. bei Proportionalmagneten) bzw. der Bewegungsbereich der bewegungserzeugenden Elemente oder/und die Haft- und Reibungskräfte zwischen Bewegungsoberfläche und bewegten Elementen einstellbar, ist eine Vergrößerung der Bewegungauflösung (Feinpositionierung) sowie eine Verkleinerung der Schrittweite des Antriebssystems realisierbar. Eine Veränderung der Schrittweite des Antriebssystems ist auch mittels einer Modifizierung der Bewegungsgeschwindigkeit der Antriebsglieder, durch ein gezieltes Überwinden von wirkenden Haftkräften zwischen den sich gegenseitig berührenden Riebungsoberflächen möglich.

Eine Bewegung des Antriebssystems bzw. der zu treibenden Elemente (Läufer) ist wohl in der dargestellten positiven als auch in negativer Koordinaten- bzw. Rotationsrichtung möglich. Die Bewegungsumkehr der in den Fig. 1 bis 14 dargestellten Bewegungsabläufe ist z. B. durch eine Invertierung der gezeigten Bewegungsabläufe realisierbar.

Die in Fig. 13 dargestellte Erzeugung rotatorischer Bewegungen bzw. eine Bewegung des Antriebssystems auf gekrümmten Flächen (Fig. 14) ist mit den in den Fig. 1 bis 12c dargestellten Bewegungsprinzipien ebenfalls möglich.

Das Antriebsprinzip zeichnet sich desweiteren durch folgende Eigenschaften aus:

Es stellt ein relativ einfach zu realisierendes Antriebsprinzip dar, wobei theoretisch ein unbegrenzter Bewegungsbereich erreichbar ist. Ferner besteht die Möglichkeit einer hohen Einzelschrittauflösung, das Antriebssystem kann durch weitere passive und aktive Elemente seriell sowie parallel erweitert werden (z. B. um auskoppelbare Kräfte/Momente zu vergrößern), durch Kaskadierung der Antriebe ist ein Mehrkoordinatenantrieb aufbaubar, es ist eine Miniaturisierung des Gesamtantriebssystems möglich.

Die Oberflächenpaarung zwischen den bewegten Elementen des Antriebssystems und der relativ dazu bewegten Oberfläche kann nicht nur durch gleitende Elemente, sondern auch mit Hilfe von abwälzenden/rollenden Elementen erfolgen. Die auskoppelbare Bewegung beruht dann vor allem auf der Nutzung von Differenzen der Rollreibung bzw. des Rollwiderstandes zwischen bewegtem Glied und unbewegten Gliedern.

Für Bewegungsrealisierungen z. B. in Rohren mit ungleichmäßigen Durchmesser sind für das dargestellte Bewegungsprinzip bestimmte Reibwerte zwischen den Elementen des Antriebssystems und der umgebenden Oberfläche von grundlegender Bedeutung. Durch die Verwendung passiver nachgiebiger Strukturen oder/und aktiver Stellelemente/Haftelemente (z. B. Saugelemente, Haftmagnete) werden die geforderten bzw. notwendigen Reibwerte bzw. die Anpassung an den jeweiligen Rohrdurchmesser realisiert.

Claims

1. Linearantrieb mit bewegungserzeugenden Linearaktoren und damit verbundenen, zu bewegenden passiven Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Linearaktoren zwischen den passiven Elementen an einer Oberfläche angeordnet sind und so ansteuerbar sind, daß zeitlich versetzt wirkende Reibungsdifferenzen zwischen unbewegten und bewegten passiven Elementen eine gerichtete Bewegung ergeben.

2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Linearantrieb Mittel zur Modifizierung der Reib- sowie Haftkräfte zwischen antreibenden und angetriebenen Elementen enthält.

3. Linearantrieb nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bewegungsbereich der bewegungserzeugenden Elemente oder/und die Haft- und Reibungskräfte zwischen Bewegungsoberfläche und bewegten Elementen einstellbar sind.

4. Linearantrieb nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsgeschwindigkeit der Antriebsglieder einstellbar ist.