WO2006136546A1 - Verfahren und vorrichtung zur justierung eines piezoelektrischen ring-motors - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur justierung eines piezoelektrischen ring-motors Download PDF

Info

Publication number
WO2006136546A1
WO2006136546A1 PCT/EP2006/063333 EP2006063333W WO2006136546A1 WO 2006136546 A1 WO2006136546 A1 WO 2006136546A1 EP 2006063333 W EP2006063333 W EP 2006063333W WO 2006136546 A1 WO2006136546 A1 WO 2006136546A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
ring
drive
shaft
piezoelectric
voltage
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/063333
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tim Schwebel
Georg Bachmaier
Bernhard Gottlieb
Oliver Hennig
Andreas Kappel
Christian Tump
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Priority to DE112006001288.6T priority Critical patent/DE112006001288B4/de
Publication of WO2006136546A1 publication Critical patent/WO2006136546A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/14—Drive circuits; Control arrangements or methods
    • H02N2/142—Small signal circuits; Means for controlling position or derived quantities, e.g. speed, torque, starting, stopping, reversing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02N—ELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H02N2/00—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction
    • H02N2/10—Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • H02N2/105—Cycloid or wobble motors; Harmonic traction motors

Definitions

  • the invention relates to a piezo ring motor whose at least two piezoelectric actuators are fixedly connected to a drive ring and stimulate this to various movements, so that the shaft gets into rotation.
  • a piezo ring motor whose at least two piezoelectric actuators are fixedly connected to a drive ring and stimulate this to various movements, so that the shaft gets into rotation.
  • EP 1 098 429 B1 describes an electromechanical motor which in a particular embodiment is a piezo ring motor. Overall, the basic principle of the piezo ring motor is described as a drive unit or as an actuator. With regard to the application in various functional areas, such motors are optimized in terms of assembly, function and production friendliness.
  • FIGS. 1 to 3 can be used, in which the piezo ring motor is shown in a transverse section and wherein the piezo multilayer actuators (PMA) are in different charge states.
  • European Patent EP 1 098 429 B1 discloses the structure and function of the piezo ring motor with variants.
  • the cylinder axis of the drive shaft coincides in the illustrated ideal case corresponding to Figure 1 with the cylinder axis of the drive ring together.
  • the inner diameter of the drive ring is highly precise, ie microns accurate, tuned to the outer diameter of the drive shaft, with a depending on the engine design
  • Diameter difference is set in the range of about 5 microns to 30 microns.
  • Two piezoelectrical drive modules are rigidly connected at right angles to the drive ring. These expand when electrically charged in the longitudinal direction, the parameters operating voltage and elongation are essential.
  • a blocking force can be up to 1200 N. This operating state corresponds to a clamping of the piezo ring motor.
  • the piezoelectric multilayer actuators (PMA) under a sufficiently large compressive force with, for example, 600 N biased. The entire arrangement is designed mechanically stiff.
  • the assembled assembly consists for example of a Bourdon tube, a PMA and end plates and is referred to by the term piezoelectric drive module. An end plate of each PMA is rigidly connected to the drive ring.
  • each PMA The remote from the drive ring end plate of each PMA is designed so that it is releasably but rigidly connected to the base plate.
  • the end plates and thus the PMA and the drive ring relative to the base plate and thus also the drive shaft are arranged transversely to the axes with the reference numerals 4, 5 in Figure 3 slidably.
  • Limited is the transversal displaceability of the drive ring relative to the drive shaft only by the contact condition of the drive ring with the drive shaft.
  • Decisive for the range of possible displaceability is the difference in diameter between drive ring (inner diameter) and drive shaft (outer diameter).
  • FIG. 1 shows the piezo ring motor in a preferred state for unipolar operation, ie the polarity of the voltage at the electrical connections of the PMA does not change its sign. Investigations showed that a constant angle independent torque maximum torque only occurs slip-free on the drive shaft of the piezo ring motor, when the end plates in a position on the
  • Base plate are rigidly fixed.
  • the drive shaft and the drive ring should be concentric with each other and at the same time the elongation should be deflected by half (xg / 2) during operation of the PMA. In this state, approximately half the maximum operating voltage (Ug / 2) is applied to the terminals of the PMA. Neglecting the negligible in practice hysteresis effects, the deflection of the PMA in very good nutrition is directly proportional to the terminal voltage.
  • the PMA can be discharged, wherein the PMA contracts and a configuration according to FIG. represents, in which the drive ring (2) to the drive shaft (1) is strongly pressed. Due to the frictional engagement, the drive shaft (2) is blocked against rotation in the de-energized state of the piezo ring motor. Adjustment errors are unavoidable here.
  • the diameter difference between the inner diameter of the drive ring and the outer diameter of the drive shaft is in the micrometer range, but has a finite value, wherein the adjustment error can be up to half of the amount of the diameter difference.
  • the probability of achieving an ideal adjustment position in the micrometer range between drive shaft and drive ring is extremely low.
  • the attachment of end plates alone causes significant deviations in the micrometer range.
  • the motor operation can then be realized by applying an example sinusoidal voltage to the two actuator units with a predetermined phase shift.
  • the sine wave must be shifted by an installation voltage in the positive range, in order to ensure always positive voltages. This guarantees a pure elongation of the multilayer actuator from its basic length.
  • the invention has for its object to provide a method for adjusting a piezo ring motor and a device available by or through which a measured value is determined, in a simple way, a compensation of the offset between the center of the drive shaft and center of the drive ring compensates.
  • the solution to this problem is achieved by the corresponding feature combinations of claims. 1
  • the invention is based on the finding that the aim of the present invention is to provide a method which enables a precise detection of the relative position between the drive ring and the drive shaft in the simplest manner by measuring and evaluating an electrical variable. A deviation between the setpoint and the actual position in the relative position of the drive ring and shaft is then adjusted by adjusting the
  • the respectively present in the two independent directions x-piezo element or the y-piezo element via the installation voltage with respect to the mutual desired position is set.
  • the effect of the inverse piezoelectric effect resulting from a change in length of the actuator due to the application of an electric voltage and the effect of the direct piezoelectric effect resulting from generation of charges due to the change of the mechanical stress state and a force effect equal early exploited.
  • the direct and the inverse piezoelectric effect occur simultaneously in the treated mechanical system.
  • one or both or a plurality of piezoactuators are charged with a predetermined course of the charging voltage, so that, for example, a line voltage ar rising charging voltage for a certain time range is given and discontinuities in the course of the charging current curve clearly indicates attachment points.
  • Figures 1 to 3 and 4 to 6 each show schematically a section through a piezo ring motor with two offset by 90 ° mounted piezo actuators 31, 32, wherein the axes 4, 5 of drive ring and drive shaft centric, eccentric or for a Anchor point are typically shown.
  • Figure 1 shows the concentric arrangement of drive ring and drive shaft.
  • FIG. 2 shows the state in the event of a blockage of an engine, this position being representative of a stop point in the determination of the eccentricity or the offset value according to the claimed method
  • FIG. 3 shows a coarse-adjusted state of a piezo-ring motor, wherein the distance between the axes of drive ring and drive shaft is to be calculated as an offset value for fine adjustment;
  • FIG. 4 shows an attachment point of a piezo ring motor
  • FIG. 5 illustrates the free movement of a piezo ring motor.
  • FIG. 6 shows another stop point of the piezo ring motor
  • FIG. 7 shows the corresponding current profile corresponding to FIGS. 4, 5 and 6,
  • FIG. 8 shows the linearly increasing charging voltage for a suitably adjusted piezoactuator.
  • FIG. 9 shows electrical signals and coordinates in variable contact configurations between ring and shaft
  • FIG. 10 shows the curve of the charging voltage corresponding to FIG. 9 for the corresponding piezoelectric actuator
  • FIG. 11 shows both the charging voltage and the charging current for a piezoelectric actuator, wherein the voltage profile is represented by the continuously decreasing and ascending curve
  • Figures 12, 13 and 14 show both the deflection of the actuator, as well as the current and the charging voltage for the Justiertechnisch.
  • the principle is illustrated in a first step by a simulation of the ideal piezo motor system.
  • the identical piezo actuators are activated with a DC voltage of + 80 V during the installation of the motor and then clamped. After shutting down the DC voltage to 0 V, the motor blocks. This state is the starting point of the simulation.
  • the method preferably uses linearly increasing voltages, for example from 0 V to 160 V. This leads to a constant charging current I given a constant capacitive load.
  • the following formulary relationships apply:
  • the piezoelectric actuator changes its effective capacity.
  • a linear electromechanical piezoelectric actuator model has been used, which includes a complete coupling of electrical and mechanical effects. The linearly increasing voltage curve on the piezoelectric actuator can be clearly seen in FIG. This leads to a constant charging current of approx. 18 rtiA.
  • Actuator would have an ideal center position in the vertical direction. Since this will generally not be the case, the two horizontal voltages must be scanned Ug / 2 for several vertical voltages. The configuration on, in which the largest distance from the two voltages occurs, corresponds to a central position as possible.
  • the output value for the horizontal actuator is the correction value just calculated, for example 10%. After determination of the impact stresses, the range from -10% to +10% of the original correction value is also scanned here. After the adjustment has been completed, two new offset
  • FIG. 9 shows a complete loading and unloading process.
  • the unloading process is also a sudden change in current during the transition to the free area without a stop.
  • FIG. 11 shows the measurement on a real piezo ring motor.
  • the drive units are clamped at + 80 V and then approached from the blocking configuration with linearly rising voltage.
  • real piezoactuators have a mostly increasing capacity dependent on the voltage. This means that the current over time is not constant, but also slightly increases with increasing voltage. This is clearly visible in the graphic.
  • the current drops sharply after reaching the stop.
  • Such points of discontinuity are relatively easy to detect electrically, and here too there are two stop voltages that can be used for correction.
  • the offset value, Ug / 2 of the vertical actuator should also be varied within a range of approximately 20% during activation. The maximum difference in the impact stresses, both horizontally and vertically, then gives the ideal correction stresses in both directions.
  • a method according to the invention for the electrical adjustment of a piezo ring motor has in particular the features that the charging current of one or more piezo multilayer actuators is measured electronically. Furthermore, in the state of free movement between the shaft and ring or the stop a corresponding change in current at the transition between two states is detected. There are no restrictions on linear or, for example, sinusoidal drive signals. From the temporal change of the current in the stop area, the stiffness of the shaft bearing can be assessed.

Landscapes

  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

Verfahren zur Justierung eines piezoelektrischen Ringmotors, der aus folgenden Elementen besteht: - mindestens zwei piezoelektrischen Aktoren (3.1, 3.2) , mindestens einem Antriebsring (2) , der durch die Hubbewegungenausführenden Aktoren zu einer umlaufenden Verschiebebewegung anregbar ist, - einer Welle (5), die durch Andruck relativ zum Antriebsring von diesem gedreht wird, - wobei anhand der Auswertung des Verlaufes der elektrischen Signale bei der Ansteuerung eines jeden Piezoaktors Spannungswerte für den Wechsel des Betriebszustands zwischen Anschlag von Welle und Ring und freier Bewegung zwischen beiden oder umgekehrt aufgenommen werden und daraus ein Offsetwert des Versatzes zwischen Antriebswelle und Antriebsring berechnet wird. Produkte sind mit Festkörperaktoren angetriebene Ringmotoren, die fein zu justieren sind.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Justierung eines piezoelektrischen Ring-Motors
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 Erst- montage des Systems aus Antriebsring und Welle kann in der Regel lediglich eine GrobJustierung vorgenommen werden.
In der europäischen Patentschrift EP 1 098 429 Bl wird ein elektromechanischer Motor beschrieben, der in einer besonde- ren 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 Produktions- freundlichkeit optimiert.
Prinzipbedingt ist zum Erreichen der optimalen Funktion des Piezo-Motors eine Mikrometer genaue Positionierung der Zylinderachse des Antriebsringes relativ zum Zylinder der An- triebswelle 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 .
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.
Zur Erläuterung bisher angewandter Justierverfahren können die Figuren 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 Bl geht der Aufbau und die Funktion des Piezo- Ring-Motor mit Varianten hervor. Im Prinzip wird, wie in den Figuren 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 Figur 1 mit der Zylinderachse des Antriebsringes zusammen. Der Innendurchmesser des Antriebsringes ist hoch präzise, das heißt Mikrometer genau, auf den Außendurchmesser der An- triebswelle abgestimmt, wobei je nach Motorauslegung eine
Durchmesserdifferenz im Bereich von ca. 5 μm bis 30 μm eingestellt ist.
Mit dem Antriebsring sind im rechten Winkel zwei piezoelekt- rische 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 verbun- den. 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 Figur 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) .
Figur 1 zeigt den Piezo-Ring-Motor in einem bevorzugten Jus- tierzustand 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 (xg/2) ausgelenkt sein. In diesem Zustand liegt an den Klem- men des PMA ca. die halbe maximale Betriebsspannung (Ug/2) an. Unter Vernachlässigung der in der Praxis vernachlässigbaren Hysterese-Effekte ist die Auslenkung der PMA in sehr guter Nährung direkt proportional zur Klemmenspannung.
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.
Anschließend kann der PMA entladen werden, wobei sich der PMA kontrahiert und sich eine Konfiguration gemäß Figur 2 ein- stellt, 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.
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.
Der Motorbetrieb kann anschließend durch Anlegen einer beispielsweise sinusförmigen Spannung an die beiden Aktoreinheiten mit einer vorgegebenen Phasenverschiebung realisiert wer- den. 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.
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 Figur 3 vorliegt. Die Zentren der Antriebswelle und des Antriebsringes weisen einen gegenseitigen Versatz auf. Ein solcher Versatz kann in Verbindung mit unterschiedlichen Be- triebszuständen auftreten. Dies hat direkt eine unsymmetrische Anpressbewegung zwischen Ring und Welle zur Folge, wo- durch bei einem Umlauf unterschiedliche Anpressdrucke zwischen Ring und Welle auftreten. Für ein symmetrisches Drehmoment und Geschwindigkeitsverhalten pro Umlauf ist jedoch ge- nau dies entscheidend. Bisher konnte diese Asymmetrie nicht berücksichtigt und auch nicht korrigiert werden.
Die im Betrieb auftretenden Temperaturwechsel führen zu un- terschiedlichen temperaturbedingten Dehnungen oder Schrumpfungen verschiedener Bauteile. Daraus resultierende betriebs- oder auch alterungsbedingte Abweichungen führen ebenso nicht zu idealen Justierverhältnissen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Justierung eines Piezo-Ring-Motors und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, durch das bzw. durch die 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 der Ansprüche 1.
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 Relativla- ge 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 elekt- rischen 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, gleich- zeitig 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 wer- den. Mit einer Einfach- oder Mehrfachmessung kann eine Korrektur an der Installationsspannung vorgenommen werden, in x- oder in y- Richtung oder in beiden Richtungen.
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 unabhän- giger 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.
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 line- ar ansteigende Ladespannung für einen bestimmten Zeitbereich vorgegeben ist und Unstetigkeiten im Verlauf der Ladestromkurve eindeutig Anschlagpunkte kennzeichnet.
Im Folgenden werden anhand der begleitenden Figuren die Erfindung nicht einschränkende Ausführungsbeispiele beschrieben.
Die Figuren 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.
Figur 1 zeigt die konzentrische Anordnung von Antriebsring und Antriebswelle.
Figur 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,
Figur 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,
Figur 4 stellt einen Anschlagpunkt eines Piezo-Ring-Motors dar,
Figur 5 stellt die freie Bewegung eines Piezo-Ring-Motors dar,
Figur 6 stellt einen weiteren Anschlagpunkt des Piezo-Ring- Motors dar, Figur 7 zeigt den entsprechenden Stromverlauf korrespondierend mit den Figuren 4, 5 und 6,
Figur 8 zeigt die linear ansteigende Ladespannung für einen entsprechend justierten Piezoaktor,
Figur 9 zeigt elektrische Signale und Koordinaten bei veränderlichen Berührungskonfigurationen zwischen Ring und Welle,
Figur 10 zeigt die zur Figur 9 korrespondierende Kurve der Ladespannung für den entsprechenden Piezoaktor,
Figur 11 zeigt sowohl die Ladespannung als auch den Ladestrom für einen Piezoaktor, wobei der Spannungsverlauf durch die stetig abfallende und aufsteigende Kurve dargestellt ist,
Figur 12, 13 und 14 zeigen sowohl die Auslenkung des Aktors, als auch den Strom und die Ladespannung für das Justierverfahren .
Anhand einer Simulation wird das Verfahren mit speziellen Ausgestaltungen beschrieben.
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 = OdU (t) /dt mit U(T)= a-t folgt: I = C-a = konstant
Unter mechanisch veränderlicher Belastung verändert der Pie- zoaktor 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 än- dern. Bei lediglich endlicher Steifigkeit des Anschlags geht die ursprüngliche Stromänderung in einen endlichen Anstieg über. Entsprechend der Figuren 4 bis 8 ist der rechnerisch simulierte Verlauf der Ansteuerspannung und des Ladestromes für das Piezo-Ring-Motor-System dargestellt. Dazu ist ein Ii- neares elektromechanisches Piezoaktormodell verwendet worden, das eine komplette Kopplung von elektrischen und mechanischen Effekten beinhaltet. Der linear ansteigende Spannungsverlauf am Piezoaktor ist deutlich in Figur 8 zu erkennen. Dies führt zu einem konstanten Ladestrom von ca. 18 rtiA. 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 Figur 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 Figur 1 mit dem Bezugszeichen 32 benannt.
Bisher sind ideale Voraussetzungen berücksichtigt worden, so dass beim Anlegen von der Spannung U = Ug/2 an den vertikalen
Aktor eine ideale Mittelstellung in vertikaler Richtung be- wirkt würde. Da dies im Allgemeinen nicht der Fall sein wird, müssen die beiden horizontalen Spannungen für mehrere Vertikalspannungen um Ug/2 gescannt werden. Diejenige Konfigurati- on, bei der der größte Abstand von den beiden Spannungen auftritt, entspricht einer möglichst mittigen Position.
Als nächstes sieht das Verfahren vor, für den vertikalen Ak- tor 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 ges- cannt . 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.
In Figur 9 ist abschließend ein vollständiger Lade- und Entladevorgang dargestellt. Auch der Entladevorgang ist eine sprunghafte Stromänderung beim Übergang in den freien Bereich ohne Anschlag.
Das vorgeschlagene Verfahren kann experimentell überprüft werden. Figur 11 zeigt die Messung an einem realen Piezoring- motor. 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 Figur 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. 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 Figuren 12 bis 14 wird der rechnerisch simulierte Stromverlauf für den Fall dargestellt, dass der Vertikalaktor auf Ug/2 aufgeladen ist. Damit ist er in Vertikalrichtung zentriert. Anschließend wird ausgehend von 0 V die Ladespannung am Horizontalaktor sinusför- mig 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 Unstetigkeitsstel- len 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, Ug/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.
Die wesentlichen Vorteile des Verfahrens liegen insbesondere in:
- der Nutzung der aktorischen und sensorischen Eigenschaften von Piezo-Multilayer-Aktoren,
- einfach zu realisierenden Verfahrensweisen zur elektroni- sehen 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 . 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.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Justierung eines piezoelektrischen Ringmotors, der aus folgenden Elementen besteht: - mindestens zwei piezoelektrischen Aktoren (31, 32),
- mindestens einem Antriebsring (2), der durch die Hubbewegungen ausführenden Aktoren zu einer umlaufenden Verschiebebewegung anregbar ist,
- einer Welle (5) , die durch Andruck relativ zum Antriebsring von diesem gedreht wird,
- wobei anhand der Auswertung des Verlaufes der elektrischen Signale bei der Ansteuerung eines jeden Piezoaktors Spannungswerte für den Wechsel des Betriebszustands zwischen Anschlag von Welle und Ring und freier Bewegung zwischen beiden oder umgekehrt aufgenommen werden und daraus ein Offsetwert des Versatzes zwischen Antriebswelle und Antriebsring berechnet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ermittlung eines Off- setwertes während des Betriebs des Piezoringmotors erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , wobei zur Ermittlung eines Offsetwertes der zeitliche Ladestromverlauf eines Piezoaktors bei vorgegebenem zeitlichen Verlauf der Ladespannung ermittelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei als Ladespannung eine linear ansteigende, absteigende oder sinusförmige Spannung verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Vielzahl von Anschlagpunkten ausgewertet wird.
PCT/EP2006/063333 2005-06-20 2006-06-20 Verfahren und vorrichtung zur justierung eines piezoelektrischen ring-motors WO2006136546A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE112006001288.6T DE112006001288B4 (de) 2005-06-20 2006-06-20 Verfahren zur Justierung eines piezoelektrischen Ring-Motors

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE200510028482 DE102005028482A1 (de) 2005-06-20 2005-06-20 Verfahren und Vorrichtung zur Justierung eines piezoelektrischen Ring-Motors
DE102005028482.5 2005-06-20

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006136546A1 true WO2006136546A1 (de) 2006-12-28

Family

ID=36942433

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/063333 WO2006136546A1 (de) 2005-06-20 2006-06-20 Verfahren und vorrichtung zur justierung eines piezoelektrischen ring-motors

Country Status (2)

Country Link
DE (2) DE102005028482A1 (de)
WO (1) WO2006136546A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006029925A1 (de) * 2006-06-29 2008-01-03 Siemens Ag Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs und Stellantrieb
US11911831B2 (en) 2019-05-29 2024-02-27 Big Kaiser Prazisionswerkzeuge Ag Boring head with a mechanism for clamping a displaceable tool carrier

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007028642A1 (de) 2007-06-21 2008-12-24 Siemens Ag Festkörperaktorischer Antrieb

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5079471A (en) * 1990-06-04 1992-01-07 Martin Marietta Corporation High torque harmonic traction motor
EP1098429B1 (de) * 1999-11-03 2004-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Elektromechanischer Motor

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19905340C2 (de) * 1999-02-09 2001-09-13 Siemens Ag Verfahren und Anordnung zur Voreinstellung und dynamischen Nachführung piezoelektrischer Aktoren
DE10012607C2 (de) * 2000-03-15 2002-01-10 Siemens Ag Verfahren zur Ansteuerung eines kapazitiven Stellgliedes
DE10319530B4 (de) * 2003-04-30 2007-01-25 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines elektromechanischen Aktors
DE10338282A1 (de) * 2003-08-20 2005-03-31 Siemens Ag Verfahren und Vorrichtung zum Positionieren eines piezoelektrischen Aktors
DE10349307B3 (de) * 2003-10-23 2005-05-25 Siemens Ag Diagnoseverfahren für einen elektromechanischen Aktor

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5079471A (en) * 1990-06-04 1992-01-07 Martin Marietta Corporation High torque harmonic traction motor
EP1098429B1 (de) * 1999-11-03 2004-10-06 Siemens Aktiengesellschaft Elektromechanischer Motor

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006029925A1 (de) * 2006-06-29 2008-01-03 Siemens Ag Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs und Stellantrieb
DE102006029925B4 (de) * 2006-06-29 2008-11-27 Siemens Ag Verfahren zum Betrieb eines Stellantriebs und Stellantrieb
US11911831B2 (en) 2019-05-29 2024-02-27 Big Kaiser Prazisionswerkzeuge Ag Boring head with a mechanism for clamping a displaceable tool carrier

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005028482A1 (de) 2006-12-28
DE112006001288A5 (de) 2008-05-08
DE112006001288B4 (de) 2015-08-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19903555C2 (de) Vorrichtung zur Steuerung eines Piezoelement-Einspritzventils
EP2258002B1 (de) Verfahren zum betrieb eines piezoelements
DE102011005285B4 (de) Verfahren zur Bestimmung des Leerhubes eines Piezoinjektors mit direkt betätigter Düsennadel
WO2013071452A1 (de) Hohlprofil für einen weight-in-motion sensor
WO2012139854A1 (de) Verfahren zur detektion eines düsenraumdrucks in einem injektor und einspritzsystem
EP2258004B1 (de) Hochpräziser ultraschallmotor
EP3084379A1 (de) Kraftsensor für handbetriebene oder pneumatische pressen
DE112006001288B4 (de) Verfahren zur Justierung eines piezoelektrischen Ring-Motors
EP2473818A1 (de) Vorrichtung zur messung und/oder erfassung von distanzen und distanzänderungen sowie vorrichtung zur messung und/oder erfassung von mechanischen belastungen
DE102005043430A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Beeinflussung der mechanischen Beanspruchbarkeit und/oder Beanspruchung einer technischen Struktur
DE102014105321C5 (de) Antriebsvorrichtung mit Motor-Getriebe-Einheit
EP2872283A1 (de) Federpaket, maschine und schweisskopf
EP3301730B1 (de) Energiewandlervorrichtung
WO2020030507A1 (de) Piezoantrieb, insbesondere als automatisches stellglied für eine fahrzeugkomponente
DE2600939C2 (de) Schaltungsanordnung für eine Vorrichtung zum Anziehen einer Verbindung von Bauteilen, insbesondere einer Schraubverbindung
EP1064121A1 (de) Verfahren zum aufbringen einer gewünschten vorspannkraft einer schraubverbindung
DE102015218087B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Ausrichten einer Ankerwelle
DE102017220644A1 (de) Energiespeichermodul sowie Verfahren zum Betreiben eines Energiespeichermoduls
WO2015189059A1 (de) Verfahren zur charakterisierung eines hydraulischen koppelelementes eines piezo-injektors
WO2005108774A1 (de) Kraftstoffinjektor mit einer korrigierbaren einstellung eines leerhubs einer aktoreinheit
DE102019110540A1 (de) Verfahren zum Einstellen einer Position eines Aktors nach Unterbrechung einer Spannungsversorgung
EP2027614A1 (de) Festkörperaktor-antriebsvorrichtung
EP2638615A2 (de) Verfahren und schaltungsanordnung zur aufladung eines zwischenkreiskondensators
DE102017128099A1 (de) Werkstückträgervorrichtung
WO2006034905A1 (de) Festkörperaktor, insbesondere piezokeramikaktor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1120060012886

Country of ref document: DE

REF Corresponds to

Ref document number: 112006001288

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20080508

Kind code of ref document: P

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06777371

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

REG Reference to national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: 8607