DE3134488A1

DE3134488A1 - Schrittmotor

Info

Publication number: DE3134488A1
Application number: DE19813134488
Authority: DE
Inventors: Theodore Amen 93065 Simi Valley Calif. Heinz
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1980-11-28
Filing date: 1981-09-01
Publication date: 1982-07-01
Also published as: JPS57145569A; GB2088645A; FR2495400A1; GB2088645B; FR2495400B1

Description

1A-3639
77R10

ROCKWELL INTERNATIONAL CORPORATION El Segundo, California, USA

Schrittmotor

Die Erfindung betrifft einen Hochgeschwindigkeits-Präzisionsmotor mit einer Eingangsgeschwindigkeit von z.B. mehreren Hillionen Umdrehungen pro Minute und mit einer Ausgangsgeschwindigkeit von mehreren Zehntausend Umdrehungen pro Minute.

Die Erzeugung von Präzisionsbewegungen und Präzisionsverschiebungen stellt ein erhebliches Problem dar. Die Probleme werden offensichtlich umso schwieriger, je höher die Geschwindigkeit ist, mit der die Bewegungen und Verschiebungen stattfinden müssen (Bandbreite). Ein typisches Anwendungsgebiet ist die Positionierung, Bewegung, Verschiebung und Deformation von Laserspiegeln. Ein solcher Spiegel muß üblicherweise einen hochgradig parallelen Strahl mit koplanaren Wellenfronten liefern. Unerwünschte

Störungen der Wellenfronten werden beispielsweise verursacht durch Strukturschwingungen, atmosphärische Turbulenzen und Dichteschwankungen im Laserhohlraum. Diese Störungen treten häufig mit einer hohen Frequenz auf (Bandbreite im Kilohertz-Bereich und darüber). Eine mechanische Korrekturbewegung, welche auf den Spiegel wirkt, muß deshalb diesen Hochfrequenzverschiebungen folgen können. Die Korrekturbewegung muß die gewünschte Frequenz und Geschwindigkeit haben und genügend präzise sein.

Erfindungsgemäß wird ein neues Verfahren zur Herbeiführung von Bewegungen und Verschiebungen hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision geschaffen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Präzieloneantrieb für hohe Geschwindigkeit zu schaffen.

Erfindungsgemäß werden die sog. harmonischen Antriebe dergestalt verbessert, daß man einen äußerst präzisen Betrieb bei hoher Geschwindigkeit erhält, und zwar aufgrund einer neuartigen Einspeisung der Energie.

Erfindungsgemäß wird eine ringförmige Anordnung von piezoelektrischen Biegeelementen auf einer deformierbaren Hülse mit einer Innenverzahnung angeordnet. Diese Innenverzahnung wirkt zusammen mit einer Rotorverzahnung für einen harmonischen Antrieb, so daß die Anzahl der Zähne der Verzahnungen entsprechend ausgewählt ist. Die Biegeelemente sind mit Elektroden ausgestattet, welche durch einen zweckentsprechenden Signalgenerator beaufschlagt werden. Während des Betriebs erregt der Generator einige der Biegeelemente elektrisch in einer Richtung und die anderen in der entgegengesetzten Richtung, so daß der mit Innenverzahnung ausgestattete Ring elliptisch deformiert wird. Somit kämmen die Innenverzahnung und die Rotorverzahnung

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In der Nähe der kurzen Achse der Ellipse, jedoch nicht In der Nähe der langen Achse der Ellipse. Das Erregungemuster wird fortlaufend geändert, so daß die elliptische Deformation rotiert. Sobald die Ellipse eine Umdrehung vollführt hat,ist der Rotor um einen Winkelbetrag gedreht worden, welcher dem Zahnverhältnis entspricht. Dieser Antrieb hat den Vorteil, daß die elliptische Deformation der Hülse, d.h. das Erregungsmuster, mit äußerst hoher Geschwindigkeit gedreht werden kann, wobei Beschränkungen nur durch die elektronischen Bauteile für die Signalerzeugung gegeben sind oder durch die Strukturresonanz der piezoelektrischen Einrichtungen. Es ist ein besonderes Merkmal dieses Antriebs, daß er frei ist von rückwärtsgerichteten "emf"-Effekten. Diese rückwärtsgerichteten Effekte beeinträchtigen das Ansprechverhalten von elektromagnetischen Antrieben beträchtlich. Der erfindungsgemäße Antrieb gehurt im Grunde zu den Schrittantriebseinrichtungen, wobei sich ein Schritt ergibt durch Änderung des Erregungsmusters der Biegeelemente. Eine regelmäßige Peripherieänderung dieses Musters, z.B. mit Hilfe von sinusförmigen Erregerspannungen, führt zu einer kontinuierlichen Drehbewegung, wobei jedoch eine besondere Position momentan verwirklicht und aufrechterhalten werden kann. Im Schrittbetrieb ist die Anzahl der verschiedenen Schritte pro Umdrehung vorgegeben durch die Anzahl der Biegeelemente, multipliziert mit dem Zahnverhältnis. Typischerweise beträgt dieses Verhältnis mehrere 100:1. Somit eignet sich ein solcher Antrieb in der Tat für einen Präzisionsbetrieb mit hoher Geschwindigkeit.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antriebsein-

S* richtung;

..^:.3 1 34A88 - 4 -

Fig. 2 eine vergrößerte Frontansicht eines Teilbereichs des Antriebs gemäß Fig. 1; und

Flg. 3 und 4 schematische Darstellungen der elliptischen Deformation eines Teils des Antriebs gemäß den Fig. 1 und 2.

Fig. 1 zeigt ein Rohr oder eine Hülse 10. Das Rohr oder die Hülse erstreckt sich freitragend von einer zweckentsprechenden Halterung und besteht aus einem zweckentsprechenden, elastischen Material. Insbesondere ist die Hülse 10 flexibel. Die Hülse kann daher flexibel deformiert werden und beispielsweise von einer kreisförmigen Kontur in eine elliptische übergehen. Abgesehen von dieser Deformation bleibt die Hülse 10 stationär. Das Vorderende der Hülse 10 weist eine Zahnradverzahnung 12 auf. (Innenverzahnung) , welche mit einer Verzahnung 22 eines Rotors 20 (Außenverzahnung) zusammenwirkt oder kämmt. Im Gegensatz zur Hülse 10 ist der Rotor 20 nicht flexibel oder deformierbar. Vie auf dem Gebiet der harmonischen Antriebseinrichtungen üblich, hat der Rotor eine Anzahl von Zähnen, welche die Anzahl der Zähne 12 der Hülse um einen oder um mehrere Zähne überschreitet oder unterschreitet.

Die Hülse 10 trägt auf ihrer Außenseite eine Vielzahl von piezoelektrischen Biegeelementen. Zum einen ist ein gemeinsamer keramischer Ring 15 vorgesehen, welcher wiederum eine Vielzahl von Außenelektroden 16 trägt, z.B. etwa zwanzig. Die Hülse 10 weist eine gemeinsame Innenelektrode auf. Jedes Biegeelement besteht somit aus einem Segment des P2T-Rings 15 und der benachbarten Elektroden, welche ein Paar von einander entgegengesetzt positionierten Elektroden definieren, und zwar eine Elektrode aus der Vielzahl der Elektroden 16 und eine andere aus der Hülse 10. Der PZT-Ring ist mit der Hülse 10 und mit den Elektroden verbunden.

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Alle Elektroden sind mit einem Signalgenerator 18 verbunden, welcher die Elektroden der Biegeelement-Anordnung mit geeigneten Signalen beaufschlagt. Ein Elektrodenpaar besteht aus einer Elektrode 16 und der Hülse 10. Der Wellengenerator 16 erzeugt z.B. Schwingungen mit einer bestimmten Frequenz, welche für alle Elektroden exakt gleich ist, Jedoch jeweils phasenverschoben. Dies wird in Zusammenhang mit der Arbeitsweise erläutert. Alternativ kann der Generator auch Schrittsignale erzeugen, und zwar Signale unterschiedlicher Polarität für die verschiedenen Elektroden.

Das Prinzip der Arbeitsweise einer piezoelektrischen Einrichtung 15 besteht in der Erzeugung einer elliptischen Deformation der Hülse 10, und zwar in Nachbarschaft zur Verzahnungsposition, welche durch die Zähne 12 vorgegeben ist. Diese elliptische Deformation führt dazu, daß die Zähne 12 in der Nähe der kurzen Achse einer solchen Ellipse voll mit den gegenüberliegenden Zähnen 22 des Rotors kämmen. Andererseits stehen die Zähne 12 in der Nähe der langen Achse der Ellipse außer Eingriff mit der Verzahnung des Rotors. Die elliptische Deformation der Hülse 10 ergibt sich aus den elektrischen Potentialen, welche in jedem Moment an die Elektroden angelegt werden, und zwar mit den jeweils ausgewählten Polaritäten. Fig. 3 zeigt in übertriebener Darstellung ein Beispiel der Deformation der Hülse 10. Die Polaritätswerte, welche bei den Außenelektroden angegeben sind, zeigen die Signalpolaritäten, welche radial über den piezoelektrischen Ring angelegt werden. Eine positive Polarität an den Außenelektroden erzwingt eine radiale Deformation der Hülse in Einwärtsrichtung, während eine negative Polarität eine radiale Auswärtsdeformation erzwingt. Die Gesamtbeaufschlagung der verschiedenen Bereiche des Rings 15 führt zu einer elliptischen Deformation des Rings und der Hülse 10.

Wenn die Polaritäten einiger der Elektroden geändert werden, so ändert sich die Orientierung der Achsen der Ellipse gemäß Fig. 4, d.h. die Ellipse rotiert. Diese Änderung der Orientierung der Ellipsendeformation führt zu einer Änderung des Eingriffsmusters zwischen den Zähnen der Hülse und den Zähnen des Rotors und somit zu einer Winkelverschiebung des Rotors in der Richtung der Drehung der Ellipse. Nach einer vollen Umdrehung der Ellipse (die Hülse 10 selbst dreht sich nicht) hat sich das Eingriffsmuster zwischen Stator und Rotor um einen Zahn verschoben, und der Rotor 20 wurde um das entsprechende Winkelinkrement gedreht.

Es soll zunächst der "schnelle" Betrieb erläutert werden. Wenn f die Frequenz der Wechselspannung bezeichnet, welche angelegt wird, so vollführt die Ellipse eine Umdrehung während zwei Zyklen, d.h. sie dreht sich mit der Geschwindigkeit f/2. DarUberhinaus dreht sich die Ellipse kontinuierlich und auch der Rotor 20 dreht sich mit einer Geschwindigkeit, welche festgelegt ist durch die Geschwindigkeitsuntersetzung des harmonischen Antriebs. Wenn die Anzahl der Zähne der Hülse mit η bezeichnet wird und die Anzahl der Zähne des Rotors mit η + 1, dann ist f/2n die Anzahl der Umdrehungen des Rotors pro Zeiteinheit, in der die Frequenz ausgedrückt wird.

Die Resonanzfrequenz des PZT-Rings 15, welcher auf der Hülse 10 und dem Rotor 20 sitzt, kann sich der Resonanzfrequenz eines einzigen Biegeelements nähern, welches definier+ ist durch ein PZT-Ringsegment und die benachbarten Elektroden. Zum Beispiel kann der piezokeramische Ring aus einem "GuIton" G-1512-Material bestehen. Ein Ring mit einem Durchmesser von 5 cm und mit zwanzig Elektroden zeigt eine Resonanzfrequenz von =188 kHz. Wenn man diese Frequenz auswählt als Betriebsfrequenz des

piezoelektrischen Rings, so entspricht dies einer Eingangs-' drehzahl von knapp tinter 6 Hillionen U/min der Ellipse.

Im Falle η » 200, kann der Rotor eine Drehzahl von 28 200 U/min haben. Der besondere Vorteil dieser Hochgej schwindigkeitsantriebseinrichtung ergibt sich aus der Tat-

; sache, daß die Bewegung in präziser Synchronisation mit

dem Erregerfeld erfolgt, da sich keine entgegengesetzt ; gerichtete emf ergibt, wie dies bei elektromagnetischen

• Einrichtungen der Fall ist. Dies bedeutet, daß der Rotor

die Betätigungseinrichtung in äußerst präzise Positionen zu bringen vermag, welche durch die Eingangesignale ein- ; gegeben werden. Die Eingangssignale arbeiten mit einer

■ sehr hohen Frequenz, welche einer hohen Eingangsdrehzahl

. äquivalent ist, sowie einer hohen Rate der Zahnfreisetzung.

Die Eingangedrehzahlen sind so hoch, daß immer noch sehr hohe Ausgangsdrehzahlen erhalten werden. Man erhält somit die gewünschte Präzision bei einem Betrieb mit hoher Bandbreite. Dies gilt insbesondere, wenn die Vorrichtung im

! Schrittbetrieb arbeitet. Es gilt aber auch für den Schnellbetrieb, falls die Wechselstrombeaufschlagung interpretiert wird als Erregung mit einer speziellen, d.h. gemessenen Vielzahl von Zyklen. Der Rotor kann in jeder ge-

■ wünschten Position angehalten werden.

Was den Schrittbetrieb anbelangt, so beträgt die Resonanz-

j frequenz für den Schrittbetrieb 1/10 des Schnellbetriebs

oder 9400 Schritte/see. Die Präzision im Schrittbetrieb ist ein Ergebnis der Konstruktion und hängt nicht von irgendeiner Rückkopplung hinsichtlich der Position und/ oder Geschwindigkeitssteuerung ab. Die Betätigungseinrichtung auf der Ausgangsseite, welche mit dem Rotor 20 verbunden ist, folgt der Bewegung gemäß einem offenen Steuersystem.

Ein einziger Schritt kann definiert werden als Änderung der Erregung, wobei die vier Grenzen zwischen den positiv

negativ beaufschlagten Elektroden um ein Elektrodenpaar verschoben oder rotiert werden. Im Falle von zwanzig BIegeelementen führt dies zu einer Drehung um 18°. Falls η die angenommene Geschwindigkeitsverringerung des Antriebs ist, so kann die Einrichtung 2On Stufen pro Rotorumdrehung ausführen. Falls η für 200 steht, kann die Einrichtung pro Rotorumdrehung 4000 Stufen verwirklichen. Darüberhinaus kann bei jedem Schritt die Richtung umgekehrt werden.

Was die Geschwindigkeit der Betätigungseinrichtung anbelangt» so kann man annehmen» daß Jeder Drehschritt des Rotors 20 einer linearen Verschiebung der Betätigungseinrichtung von 5/1000 cm äquivalent 1st. Im Schrittbetrieb beträgt somit die Geschwindigkeit der Betätigungseinrichtung 188 000 χ 2 Mikrozoll, d.h. 0,376 Zo11/see. In der schnellen Betriebsweise beträgt die Geschwindigkeit das 1Ofache der Schrittgeschwindigkeit, d.h. 3,76 Zoll/sec. Es sollte beachtet werden, daß zwei Perioden der Erregerspannung für eine Umdrehung der HUlsenellipse erforderlich sind.

Die Spannungsänderungen der jeweiligen Elektroden, welche an einer Änderung des Husters für einen Schritt teilhaben, sollten nicht vom Schrittfunktionstyp sein, sondern eine rampenförmige Kontur haben, um eine wohldefinierte Beschleunigung und Verlangsamung herbeizuführen, falls der Schrittbetrieb und der kontinuierliche Betrieb oder Schnell-

betrieb kombiniert werden. Somit sollte die letzte Welle eines Zugs von Wechselstromsignalen allmählich abfallen. Falls die Resonanzbedingungen beachtet werden, können der Schrittbetrieb und der kontinuierliche Betrieb kombiniert werden. Ein langer Schritt wird definiert durch eine definierte Folge von Wechselstromzyklen des kontinuierlichen Betriebs, so daß der Antrieb über eine definierte Anzahl von Einzelschritten bewegt wird, jedoch im kontinuierlichen Betrieb.

Claims

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Patentansprüche

Hochgeschwindigkeitsantrieb mit gutem Ansprechvermögen, gekennzeichnet durch einen deformierbaren Ring mit Innenverzahnung; eine Vielzahl von piezoelektrischen Biegeelementen auf dem Ring mit Innenverzahnung in winkelmäßig versetzter Anordnung; eine Steuereinrichtung zur Deformierung der Biegeelemente im Sinne der Erzeugung von elliptischen oder nahezu elliptischen Deformationen des Rings mit Innenverzahnung; und ein Rotorelement mit einer Außenverzahnung, wobei die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung von der Anzahl der Zähne der Innenverzahnung um einen oder zwei abweicht und wobei die Außenverzahnung des Rotorelements mit der Innenverzahnung des Rings an der kleinen Achse der Ellipse kämmt und andererseits mit der Innenverzahnung des Rings entlang der langen Achse der Ellipse nicht in Eingriff steht, so daß bei Drehung der Ellipse aufgrund einer Änderung des Erregungsmusters der Steuereinrichtung das Rotorelement synchron mit der Drehung der Ellipse gedreht wird.

2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet duroh eine Vielzahl von piezoelektrischen Elementen mit einem gemeinsamen piezoelektrischen Ring und diskreten Elektroden.

3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Steuereinrichtung einen Signalgenerator umfaßt, welcher mit den Elektroden der Elemente verbunden ist und diese mit Wechselstromsignalen gleicher Frequenz, jedoch unterschiedlicher Phasen beaufschlagt.

A. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Signalgenerator umfaßt, welcher die Elektroden der Biegeelemente

* ψ ■

mit einer Folge von diskreten Signalpegeln beaufschlagt.

5. Hochgeschwindigkeitsantrieb mit hohem Ansprechve mögen, gekennzeichnet durch eine elastische Hülse mit Innenverzahnung und eine piezoelektrische Biegeeinrichtung, welche auf der Hülse angeordnet ist und durch Einzelbeaufschlagungen elliptisch deformierbar ist, so daß eine Änderung des Beaufschlagungsmusters der Biegeeinrichtung zu einer Änderung der Orientierung der Ellipse führt, wobei die Innenverzahnung mit einer Rotorverzahnung entlang der kurzen Achse, Jedoch nicht entlang der langen Achse der Ellipse kämmt.

6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung in Jedem Zeitpunkt die Vielzahl von Einrichtungen mit einem Signalmuster beaufschlagt und in Aufeinanderfolge unterschiedliche Signalmueter erzeugt, derart, daß sich die Beaufschlagung der Biegeelemonte von Signalmuster zu Signalmuster ändert.