DE19953934C2 - Linearantrieb für Raumfahrtanwendungen - Google Patents

Linearantrieb für Raumfahrtanwendungen

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Description

Die Erfindung betrifft hochgenaue Positioniersysteme, z. B. für exterrestrische optische Spiegel. Hochgenaue Positioniersysteme benötigen spielfreie, vibrations­ freie und wartungsfreie Präzisionsantriebe für lineare Bewegungen von maximal ca. 50 mm Hub.
Aus DE 689 22 968 T2 und DE 41 36 119 A1 sind gattungsgemässe, rein elektrome­ chanische Linearantriebe für Anwendungen in der Raumfahrt bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Präzisions-Linearantrieb mit folgenden Merkma­ len zu schaffen:
  • - spielfrei,
  • - Wege (je nach Auslegung) ca. 50 mm,
  • - sehr kleine Geschwindigkeiten möglich (0 bis einige µm/s),
  • - sehr gute Geschwindigkeitskonstanz,
  • - hohe Stellkräfte.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher erläutert, die einen Linearantrieb in Seitenansicht zeigt.
Der beschriebene Linearantrieb besteht aus einem Faltenbalg 1 aus Metall oder Kunststoff, der mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllt und mittels einer Hydraulikleitung 2 mit einem Präzisionsnadelventil 3 als Stellelement und einem ersten Druck­ behälter 4 verbunden ist. Der Druckbehälter ist teilweise mit Flüssigkeit gefüllt, wobei ein Innendruck durch ein über der Flüssigkeit stehendes Gaspolster erzeugt wird.
Bei Öffnung des Präzisionsventils 3 strömt Flüssigkeit vom ersten Druckbehälter 4 in den Faltenbalg 1, der dadurch eine lineare Stellbewegung in axialer Richtung ausführt. Mittels eines zweiten Stellelements 5 (Präzisionsnadelventil) kann Flüssig­ keit aus dem Faltenbalg 1 in einen zweiten drucklosen Behälter 6 zurückströmen. Dadurch kann bei gleichzeitiger Öffnung beider Ventile 3, 5 eine differentielle (sehr kleine) Geschwindigkeit am Faltenbalg 1 erzeugt werden.
Wird das mit dem ersten Behälter 4 verbundene Ventil 3 geschlossen, wird die Bewegung reversiert, da jetzt die parallel zum Faltenbalg 1 geschalteten Federelemente 7 Flüssigkeit aus dem Faltenbalg 1 zum zweiten Behälter 6 fördern. Um schnelles Vor- oder Zurückstellen des Aktuatorsystems zu initiieren, sind Bypassventile 8 grossen Querschnitts vorgesehen, über die der Balg 1 schnell mittels der Behälter 4 oder 6 befüllt oder entleert werden kann. Durch Öffnen des Ventils 9 kann die Flüssigkeit bei Bedarf aus dem Behälter 6 in den Behälter 4 zurückströmen (bei entsprechend eingestellter Druckdifferenz P2 < P1). Der Piezoaktuator 10 dient der Kompensation hochfrequenter Störsignale (z. B. von Rauschsignalen aus der Umgebung).
Alternativ kann die lineare Stellbewegung des Faltenbalgs 1 auch mittels zweier Mikropumpen (nicht gezeigt) erzeugt werden, die die Ventile 3 und 5 ersetzen. Beide Volumenströme können dann aus einem druckfreien Tank entnommen oder in diesen zurückgeführt werden.
Für die Volumenströme und Bewegungen gilt:
Q in < Q out: Bewegung in Richtung +X
Q in < Q out: Bewegung in Richtung -X
Q in = Q out: keine Bewegung.
In der Figur ist weiter dargestellt:
Eine Endplatte 12, die Teil einer Struktur 14 ist. An dieser ortsfesten Endplatte stützt sich ein Ende der Federelemente 7 ab, während das andere Ende der Federele­ mente mit einer beweglichen Endplatte 16 in Verbindung steht.
Zur Geradführung der Platte 16 sind ölgeschmierte hermetisch abgedichtete Gleitla­ ger 18 vorgesehen, die auf Stangen 20 laufen, wobei die Stangen 20 an der Struktur 14 befestigt sind. Die hermetische Abdichtung der Gleitlager 18 erfolgt mittels der Faltenbalge 22.
Gesteuert wird das System mittels einer Steuerung über elektrische Leitungen, die nachfolgend erläutert werden:
Leitung (Kabel) 26 verbindet die Steuerung mit P1 und Druckbehälter 4,
Leitung (Kabel) 28 verbindet die Steuerung mit P2 und Behälter 6,
Leitung (Kabel) 30 verbindet die Steuerung mit dem Präzisionsnadelventil 3,
Leitung (Kabel) 32 verbindet die Steuerung mit dem Präzisionsnadelventil 5,
die elektrischen Leitungen 34, 36 verbinden die Steuerung mit dem Piezo-Aktuator 10 und die elektrische Leitung 38 verbindet die Steuerung mit einer Laser- Messeinrichtung 40.

Claims (3)

1. Linearantrieb zur hochgenauen Positionierung optischer Geräte oder dergleichen für Anwendungen in der Raumfahrt, gekennzeichnet durch:
einen Faltenbalg (1), der mit einem Aktuator (10) verbunden ist;
eine ortsfeste Endplatte (12), die ein Teil der Struktur (14) ist und mit einem Ende des Faltenbalgs (1) verbunden ist;
eine bewegliche Endplatte (16), die mit dem anderen Ende des Faltenbalgs (1) verbunden ist;
Zugfederelemente (7), die an beiden Endplatten (12; 16) befestigt sind;
ein Hydrauliksystem, das einen Faltenbalg (1) beaufschlagt, wobei Hydraulik­ mittel von einem ersten Behälter (4) über Leitungen (2) zum Faltenbalg (1) und vom Faltenbalg (1) über Leitungen (2) zu einem zweiten Behälter (6) geführt werden, die lineare Stellbewegung des Balgs über Stellelemente (3, 5) in den Leitungen gesteuert wird, den Stellelementen (3, 5) jeweils ein Bypassventil (8) zugeordnet ist und die beiden Hydraulikmittelbehälter (4, 6) direkt über eine Leitung mit einem Ventil (9) verbunden sind;
eine elektrische Steuerung (24) mit
elektrischen Leitungen (26, 28), die die Steuerung (24) mit P1, P2 und den Behältern (4, 6) verbinden;
elektrischen Leitungen (30, 32), die die Steuerung (24) mit den Stellelementen (3, 5) verbinden;
elektrischen Leitungen (34, 36), die die Steuerung (24) mit dem Aktuator (10) verbinden und
einer elektrischen Leitung (38), die die Steuerung (24) mit einer Messeinrich­ tung (40) verbindet.
2. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellele­ mente (3, 5) Präzisionsnadelventile sind.
3. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellele­ mente (3, 5) Mikropumpen sind.
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