WO2016023922A1 - Aktoranordnung mit magnetischer formgedächtnislegierung - Google Patents

Aktoranordnung mit magnetischer formgedächtnislegierung Download PDF

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WO2016023922A1
WO2016023922A1 PCT/EP2015/068500 EP2015068500W WO2016023922A1 WO 2016023922 A1 WO2016023922 A1 WO 2016023922A1 EP 2015068500 W EP2015068500 W EP 2015068500W WO 2016023922 A1 WO2016023922 A1 WO 2016023922A1
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magnetic
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actuator arrangement
shape memory
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Holger Neubert
Fabian Ehle
Johannes Ziske
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Publication of WO2016023922A8 publication Critical patent/WO2016023922A8/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices
    • H10N35/80—Constructional details
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00—Magnetostrictive devices

Definitions

  • the invention relates to a force-controlled actuator with magnetic shape memory alloy and its use.
  • Magnetic shape memory alloys are a relatively new class of solid state actuators. They change their shape in relatively small external magnetic fields ( ⁇ 1 T). This change of shape results from the movement of
  • Ni2MnGa alloys observed. Current alloys have strains of 6% at compressive stresses up to approx. 2.0 MPa. This results in energy densities greater than 100 kJ / m 3 . Maximum operating frequencies are in the single-digit kHz range and cycle strengths of> 10 8 cycles have been measured.
  • the basic structure most frequently used for this purpose is a cuboidal sample which is subjected to an external magnetic field B parallel to the shortest edges. This causes the twin boundaries to move so that the element stretches along the longest edges and does work while the load is attached. The provision of the element is carried out by a force or compressive stress ⁇ against the expansion direction.
  • Reset elements are not in the open timing chain Stable positions approachable. An arbitrarily slow, the gripping object gently approaching a certain
  • Shape memory material for actoric and sensory
  • Shape memory alloys is among others in:
  • the object of the invention is to develop a miniaturized, function-integrated drive for grippers.
  • the invention describes a drive with a component of a magnetic shape memory alloy for
  • Shape memory material exploited to provide an integrated gripping force control in open or closed
  • Shape memory alloys have a nearly linear force-displacement characteristic over most of their usable stroke. This allows easy control of the gripping force in
  • Computational model can indirectly determine the gripping force and thus - when the control chain is closed - also regulate.
  • the underlying relationships are shown schematically in FIG. 7:
  • Polarization in the sample is material-specific depending on both the strain state and the field strength. If this relationship is known in a mathematical model, the excitation current and the measured magnetic flux density or polarization can be used to deduce the strain.
  • Polarization and flux density are in turn linked by magnetic field constant and field strength, which is known from the current.
  • measuring methods known from the prior art can be used, for example:
  • Air gapStreufeldes in or next to the air gap by a. a magnetic sensor for example, sensors based on the Hall effect, as proposed for a pressure sensor in DE 10 2010 032 690 A1 or on other magnetoresistive effects such as the GMR, AMR or TMR effect based magnetic field sensors
  • a magnetic sensor for example, sensors based on the Hall effect, as proposed for a pressure sensor in DE 10 2010 032 690 A1 or on other magnetoresistive effects such as the GMR, AMR or TMR effect based magnetic field sensors
  • b. one or more measuring coils in the magnetic circuit wherein i. an excitation coil of the electromagnet
  • Surrounding flux guide preferably in the immediate vicinity of the working air gap of the Magnetic circuit are arranged, and / or iii. one or more additional measuring coils enclosing the MSM element, preferably integrated in a test lead (as proposed in US 2013/091954 A1 for a sensor)
  • the measurement can be carried out as follows: 2. Measurement of the inductance by a. Measurement of the resonant frequency of a resonant circuit, detuned by the reluctance change of the MSM element, b. Evaluation of the electrical time constant of the
  • a measuring coil of the resonant circuit is arranged as in the above examples.
  • the resonant circuit may, for example, from the exciter coil itself or a second, placed or wound around the actuator coil and one with this coil in parallel or serially
  • the interconnected capacitor consist of known and constant capacity.
  • the resonant circuit is part of a measuring circuit for Determination of the resonant frequency of the resonant circuit.
  • the differential inductance Ldiff can be determined from di / dt:
  • electrodynamic or antagonistic magnetic shape memory drive can be executed.
  • the provision can also by a permanently effective elastic element, for. As a spring done. The reset takes place immediately when the excitation current falls below a certain threshold.
  • an actuator assembly comprising an actuating element of a magnetic shape memory material and a controllable electromagnet with at least one ferromagnetic flux conducting element and at least one arranged on the flux guide excitation coil, wherein the actuating element is arranged in an air gap of the flux guide s so that a through Driving the solenoid generated magnetic field penetrates the actuator and causes a change in length of the actuator, proposed that the
  • Actuator having a measuring means which generates a measurable electrical signal, the amount of which changes depending on the elongation of the magnetic shape memory material and the current impressed in the electromagnet.
  • controllable and driving mean that the generated by the electromagnet
  • magnetic field strength is continuously adjustable. This is done by varying the in an excitation coil of the
  • Electromagnet supplied current reaches.
  • a measurable electrical signal may be, for example, an electrical voltage, but also an electrical current or a digitally coded signal.
  • their temporal change can be evaluated in order to determine the elongation and the mechanical stress of the actuating element.
  • the coded value can be used directly for this purpose.
  • the amount of the electrical signal is dependent on the strain of the magnetic shape memory material
  • a measuring means is arranged directly on or in the air gap of the flux guide.
  • the measuring means may comprise at least one measuring coil and / or at least one magnetic sensor.
  • the measuring coil is an excitation coil of the electromagnet, ie the time course of the induced voltage in the excitation coil is simultaneously in this embodiment for determining the Elongation and the mechanical stress used in the actuator.
  • at least one measuring coil may be provided in addition to an exciter coil of the
  • a measuring coil for example, on a
  • Fluxing of the electromagnet be arranged so that it encloses at least a portion of the flux-conducting.
  • the coil axis is parallel to the direction of the magnetic flux.
  • Air gap of the magnetic circuit may be arranged.
  • a measuring coil can also be arranged in the air gap and thereby enclose at least a portion of the actuating element.
  • Measuring coil is arranged on or in a at least a portion of the actuating element enclosing guide element.
  • the actuator in a sleeve is arranged on or in a at least a portion of the actuating element enclosing guide element.
  • Measuring coil to be integrated in this sleeve.
  • the measuring means is electrically connected to a control device. This makes it possible, with the help of the measurable electrical signal, which in a deformation of the magnetic
  • Shape memory material is generated and thus can be detected and evaluated, the actuator force-controlled to
  • Shape memory material prevailing mechanical tension - and thus the actuator force - can, as described above in detail, determined without additional sensors and used to control and regulate the actuator. According to a further embodiment of the proposed
  • Actuator can also be a controllable, for
  • Reversal of the change in length of the actuating element formed return means may be provided.
  • controllable here also means that not only two switching states are provided, but the restoring force generated by the restoring means is continuously adjustable.
  • the restoring means may, for example, a permanently effective elastic element, such as a spring, a
  • Timing chain are operated.
  • the proposed actuator arrangement can be advantageously used in a gripping tool, a punching tool, a cutting tool, a clamping tool or a clamping tool.
  • Controlled variable is a measurable electrical signal whose amount depends on an elongation of the
  • Shape memory material of the actuating element and a current injected into the field coil current changes.
  • the controlled variable is picked up by an exciter coil of the electromagnet and / or by a magnetic sensor and / or an additional measuring coil.
  • the core of the invention lies in the actuator utilization of the force-displacement characteristic for gripping force control or
  • Additional benefits include: ⁇ low tribological wear of the element,
  • the invention is based on
  • FIG. 1 shows measured stress-strain curves ⁇ ( ⁇ ) with a constantly impressed flux density B of an MSM sample. It can be seen that, over a wide range of motion, a force almost independent of the expansion results at the output. Thus, it can be seen that with MSM elements, regardless of the way a nearly constant gripping force
  • Fig. 3 shows that at constant bias ⁇ and
  • Actuator movement starts when the required flux density is exceeded. (3)
  • the gripper is delivered to the gripper object, which
  • the gripping force is determined by the flux density, i. by varying the in the excitation coil of the magnetic circuit
  • Permeability of the alloy for small field strengths are almost linearly dependent.
  • the position can be determined directly, and via stored models and knowledge of the impressed current, the force can be determined.
  • Control element 3 which consists of an MSM alloy, is arranged in a magnetic circuit which is formed by a flux guide 2 and an excitation coil 1 arranged thereon.
  • the change in the reluctance of the control element 3 due The entering strain can be increased by an additional
  • Measuring coil 4 are detected, which is a section of the
  • Flux guiding element 2 encloses and is arranged immediately adjacent to the air gap.
  • the coil axis is aligned parallel to the magnetic flux.
  • the measuring coil 5 encloses a portion of the adjusting element 3, so that the coil axis is aligned perpendicular to the magnetic flux.
  • FIG. 6c A compact measuring coil 6 is to the
  • Embodiment is arranged below the actuating element 3.
  • the magnetic sensor 9 is arranged next to the positioning element 3 of magnetic shape memory material.
  • Measuring coil integrated in sample sleeve

Landscapes

  • Reciprocating, Oscillating Or Vibrating Motors (AREA)
  • Electromagnets (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aktoranordnung, die ein Stellelement aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial, einen ansteuerbaren Elektromagneten mit mindestens einem ferromagnetischen Flussleitelement und mindestens einer auf dem Flussleitelement angeordneten Erregerspule umfasst, wobei das Stellelement in einem Luftspalt des Flussleitelements so angeordnet ist, dass ein durch Ansteuern des Elektromagneten erzeugtes magnetisches Feld das Stellelement durchdringt und eine Längenänderung des Stellelements bewirkt, wobei die Aktoranordnung ein Messmittel aufweist, das eine messbares elektrisches Signal erzeugt, dessen Betrag sich abhängig von der Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials und dem in den Elektromagneten eingeprägten Strom ändert.

Description

Aktoranordnung mit magnetischer Formgedächtnislegierung
Die Erfindung betrifft einen kraftgeregelten Aktor mit magnetischer Formgedächtnislegierung und dessen Verwendung.
Magnetische Formgedächtnislegierungen sind eine relativ neue Klasse von Festkörperaktoren. Sie ändern in verhältnismäßig geringen äußeren Magnetfeldern (< 1 T) ihre Form. Diese Formänderung ergibt sich aus der Bewegung von
Zwillingsgrenzen innerhalb einer martensitischen Phase, was zu einer Dehnung des Einkristalls führt. Nähere Ausführen dazu sind in EP 0 997 953 AI oder in der zugehörigen
Veröffentlichung (Ullakko, K.; et al . Appl . Phys . Lett . , 69, 1996, 1966-1968) zu finden. Besonders große und
langzeitstabile magnetfeldinduzierte Dehnungen werden in
Ni2MnGa-Legierungen beobachtet. Aktuelle Legierungen weisen Dehnungen von 6 % bei Druckspannungen bis ca. 2,0 MPa auf. Daraus ergeben sich Energiedichten größer 100 kJ/m3. Maximale Betriebsfrequenzen liegen im einstelligen kHz-Bereich und Zyklenfestigkeiten von >108 Zyklen sind gemessen worden.
Aufgrund dieser vorteilhaften Eigenschaften leitet sich die aktorische Nutzung dieser Legierungen ab. Die dafür am häufigsten genutzte Grundstruktur ist eine quaderförmige Probe, die parallel zu den kürzesten Kanten mit einem äußeren Magnetfeld B beaufschlagt wird. Dies bewirkt eine Bewegung der Zwillingsgrenzen, sodass sich das Element entlang der längsten Kanten dehnt und bei angeschlossener Last Arbeit verrichtet. Die Rückstellung des Elements erfolgt durch eine Kraft bzw. Druckspannung σ entgegen der Ausdehnungsrichtung.
Unter den elektrisch angetriebenen Greifern dominieren solche mit rotatorischen elektromagnetischen oder
elektrodynamischen Antrieben. Ohne zusätzliche
Rückstellelemente sind in der offenen Steuerkette keine stabilen Positionen anfahrbar. Ein beliebig langsames, das Greifobjekt schonende Anfahren einer bestimmten
Greifposition ist somit nur durch zusätzliche Übersetzungs¬ und Koppelgetrieben und/oder Rotations-Translations-Umformer möglich. Diese Elemente verringern einerseits den
Gesamtwirkungsgrad, erzeugen andererseits zusätzlichen
Bauraum und bewegte Masse. Ist die Greifkraft zu steuern, oder zu regeln oder eine Greifobjekterkennung nötig, ist dies über die Begrenzung des Motorstroms nur ungenau möglich bzw. sind zusätzliche Sensoren nötig. Diese sind häufig nicht in den Antrieb integriert, sodass auch hierbei zusätzliche Bauteile und somit Bauraum und Masse anfallen.
Während Greifer mit thermischen Formgedächtnislegierungen (SMA) Stand der Technik sind, werden in wissenschaftlichen Veröffentlichungen und Schutzrechten kaum Greifer mit
Aktoren aus magnetischen Formgedächtnislegierungen (MSM) beschrieben. In WO 99/045631 AI und WO 97/003472 AI ist der Einsatz von MSM-Aktoren im Bereich der Automatisierung und der Manipulatoren lediglich erwähnt. Ein Prototyp ist in J. Guldbakke, et.al. ACTUATOR 2008, pp . 880-882
veröffentlicht. Bisher nicht beschrieben ist die
gleichzeitige Ausnutzung des magnetischen
Formgedächtnismaterials für aktorische und sensorische
Aufgaben in der Greiftechnik . Die rein sensorische Nutzung von magnetischen
Formgedächtnislegierungen ist unter anderem in:
WO 2003/078922 AI
WO 2013/079794 AI
US 2013/091954 AI · DE 10 2010 032 690 AI beschrieben. Hierbei wird jedoch kein konkreter Zusammenhang zur Aktorik und insbesondere nicht zur Greiftechnik
hergestellt. Damit sind auch die Möglichkeiten der
integrierten Greifobjekterkennung, Greifkraftregelung usw. bisher nicht erfasst.
Nachteile der bisherigen Lösungen im Hinblick auf die Aktorik :
• keine von der Greiferposition unabhängige Greifkraft bei bestimmtem Ansteuerstrom,
• Kraftgradient über dem Weg verhindert quasistatische (langsame) Zustellung der Greiforgane,
• keine stabile Position an jeder Hubposition ohne
Rückstellelement ,
• stromlos keine oder nur sehr geringe hysteresebedingte Haltekräfte,
Nachteile der bisherigen Lösungen im Hinblick auf die integrierte Sensorik:
• keine intrinsische Greifobjekterkennung, Weg- oder Kraftmessung
Aufgabe der Erfindung ist es, einen miniaturisierten, funktionsintegrierten Antrieb für Greifer zu entwickeln.
Die Erfindung beschreibt einen Antrieb mit einem Bauelement aus einer magnetischen Formgedächtnislegierung zur
vorzugsweisen, aber nicht ausschließlichen Anwendung in Greifern oder anderen mechanischen Endeffektoren in der Handhabungsautomatisierung. Neben dem Aufbringen von
Greifkraft und Greifweg wird das magnetische
Formgedächtnismaterial ausgenutzt, um eine integrierte GreifkraftSteuerung in offener oder geschlossener
Steuerkette sowie eine integrierte Positionsmessung der Greifeffektoren zu realisieren.
Aus eigenen Messungen und einer Vielzahl an
Veröffentlichungen ist bekannt, dass magnetische
Formgedächtnislegierungen über den Großteil ihres nutzbaren Hubs eine nahezu lineare Kraft-Weg-Kennlinie aufweisen. Dies erlaubt eine einfache Steuerung der Greifkraft in
Abhängigkeit von dem eingeprägten Strom. Weiterhin ist die Blockierkraft im feldfreien Zustand, die sich aus
Probenquerschnitt und der sog. Zwillingsspannung (twinning stress) aiw ergibt, nahezu wegunabhängig. Das Vorhandensein eben dieser inneren Materialspannung ermöglicht weiterhin, dass eine stabile Position an nahezu jeder Hubposition realisierbar ist. Dadurch wird ein beliebig langsames
Anfahren einer Position erst möglich. Die Polarisierung der Martensitvarianten verhält sich, solange die Legierung magnetisch nicht gesättigt ist, etwa proportional zur Dehnung des Elements. Da sich die
Polarisierung senkrecht zur eingeprägten, aktorisch
genutzten Erregerflussdichte komplementär ändert, diese Richtung aber vektoriell nur mit einem geringen Feld
beaufschlagt wird, ergibt sich eine weitere Möglichkeit, intrinsisch die Position zu ermitteln.
Über die Kenntnis des eingeprägten Stroms und ein
Rechenmodell lässt sich indirekt die Greifkraft bestimmen und somit - bei geschlossener Steuerkette - auch regeln. Die zugrundeliegenden Zusammenhänge sind schematisch in Fig. 7 dargestellt :
Bei adäquater Gestaltung des Magnetkreises erzeugt der
Erregerstrom im magnetischen Formgedächtniswerkstoff ein hinreichend homogenes Magnetfeld, dessen Feldstärke in der Probe überall nahezu gleich ist. Die resultierende
Polarisierung in der Probe ist Werkstoffspezifisch sowohl vom Dehnungszustand als auch von der Feldstärke abhängig. Bei Kenntnis dieses Zusammenhangs in einem Rechenmodell kann aus Erregerstrom und gemessener magnetischer Flussdichte oder Polarisierung auf die Dehnung geschlossen werden.
Polarisierung und Flussdichte sind wiederum über magnetische Feldkonstante und Feldstärke, die aus dem Strom bekannt ist, miteinander verknüpft.
Mit derart bestimmter Dehnung und Flussdichte sowie dem Vorzeichen der zeitlichen Flussdichteänderung kann auf der Basis der Werkstoffspezifischen Hysterese zwischen
Flussdichte, mechanischer Spannung und Dehnung auf die mechanische Spannung und damit die Kraft am Abtrieb des magnetischen Formgedächtniselements geschlossen werden.
Zur Messung der magnetischen Flussdichte können aus dem Stand der Technik bekannte Messverfahren ausgenutzt werden, beispielsweise :
1. Messung der magnetischen Flussdichte des
LuftspaltStreufeldes im oder neben dem Luftspalt durch a. einen magnetischen Sensor (beispielsweise auf dem Hall-Effekt basierende Sensoren, wie vorgeschlagen für einen Drucksensor in DE 10 2010 032 690 AI oder auf anderen magnetoresistiven Effekten wie z.B. dem GMR-, AMR- oder TMR-Effekt beruhende Magnetfeldsensoren) , b. eine oder mehrere Messspulen im Magnetkreis, wobei i. eine Erregerspule des Elektromagneten
gleichzeitig zur Messung genutzt wird, oder/und ii. eine oder mehrere zusätzliche Messspulen im Magnetkreis ein ferromagnetisches
Flussleitstück umschließend, vorzugsweise in unmittelbarer Nähe des Arbeitsluftspalts des Magnetkreises angeordnet sind, oder/und iii. eine oder mehrere zusätzliche Messspulen das MSM-Element umschließend, vorzugsweise in eine Probeführung integriert sind (wie in US 2013/091954 AI für einen Sensor vorgeschlagen)
Mit Messspulen können nur magnetische Flussänderungen erfasst werden. Zum Fluss durch die Spule und damit zur Flussdichte kommt man durch ZeitIntegration der in der Spule indizierten Spannung. Im Fall b.i ist diese induzierte
Spannung der den Spulenstrom treibenden Spannung überlagert (entgegengerichtet) . In den Fällen b.ii und b.iii wird sie in unabhängigen Messspulen erzeugt. In allen Fällen ist die ZeitIntegration erforderlich.
Alternativ kann die Messung folgendermaßen erfolgen: 2. Messung der Induktivität durch a. Messung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, verstimmt durch die Reluktanzänderung des MSM- Elements , b. Auswertung der elektrischen Zeitkonstante des
Magnetkreises, beeinflusst durch die
Reluktanzänderung des MSM-Elements (Konzept überprüft in WO2003078922)
Bei der Messung der Änderung der Resonanzfrequenz eines Schwingkreises wird eine Messspule des Schwingkreises wie in den obigen Beispielen angeordnet wird. Der Schwingkreis kann beispielsweise aus der Erregerspule selbst oder einer zweiten, um das Stellelement gelegten oder gewickelten Spule sowie einem mit dieser Spule parallel oder seriell
verschalteten Kondensator bekannter und konstanter Kapazität bestehen. Der Schwingkreis ist Teil einer Messschaltung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Die Zeitkonstante des Magnetkreises ist definiert als T = L/R.
Aus dem zeitlichen Verlauf des Stromanstiegs d.i./dt über der angelegten treibenden Spannung u(t) kann auf die
Induktivität geschlossen werden. Bei bekanntem
Spulenwiderstand R kann die different ielle Induktivität Ldiff aus di/dt bestimmt werden:
Ldlff = (u - R-i) / (di/dt) Die Induktivität L ergibt sich aus Ldiff'.
L = f(Ldiff (i)di) /i
Aus der Induktivität kann auf die Polarisierung der MSM- Probe geschlossen werden, wenn die anderen Elemente im induktivitätsbestimmenden Magnetkreis bekannt sind. Die Rückstellung des Elements erfolgt bevorzugt durch einen zuschaltbaren Antrieb, der beispielsweise als
elektromagnetischer (wie beispielsweise in DE 10 2012 108 568 AI beschrieben) , elektrodynamischer oder antagonistisch angeordneter magnetischer Formgedächtnisantrieb ausgeführt sein kann. Die Rückstellung kann auch durch ein permanent wirksames elastisches Element, z. B. eine Feder, erfolgen. Die Rückstellung findet dann unmittelbar statt, wenn der Erregerstrom einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Erfindungsgemäß wird daher bei einer Aktoranordnung, die ein Stellelement aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial sowie einen ansteuerbaren Elektromagneten mit mindestens einem ferromagnet ischen Flussleitelement und mindestens einer auf dem Flussleitelement angeordneten Erregerspule umfasst, wobei das Stellelement in einem Luftspalt des Flussleitelement s so angeordnet ist, dass ein durch Ansteuern des Elektromagneten erzeugtes magnetisches Feld das Stellelement durchdringt und eine Längenänderung des Stellelements bewirkt, vorgeschlagen, dass die
Aktoranordnung ein Messmittel aufweist, das ein messbares elektrisches Signal erzeugt, dessen Betrag sich abhängig von der Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials und dem in den Elektromagneten eingeprägten Strom ändert.
Dabei sollen die Begriffe „ansteuerbar" und „Ansteuern" bedeuten, dass die von dem Elektromagneten erzeugte
magnetische Feldstärke kontinuierlich einstellbar ist. Dies wird durch Variation des in eine Erregerspule des
Elektromagneten eingespeisten Stroms erreicht. Ein messbares elektrisches Signal kann beispielsweise eine elektrische Spannung sein, aber auch eine elektrische Stromstärke oder ein digital codiertes Signal. Im Fall einer Spannung oder einer Stromstärke kann deren zeitliche Änderung ausgewertet werden, um die Dehnung sowie die mechanische Spannung des Stellelements zu ermitteln. Im Fall eines digital codierten Signals kann der codierte Wert direkt hierfür genutzt werden.
In einer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Betrag des elektrischen Signals sich in Abhängigkeit von der durch die Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials
hervorgerufenen Änderung der Reluktanz oder/und der
Polarisierung des Stellelements ändert.
Dabei kann vorgesehen sein, dass ein Messmittel unmittelbar am oder im Luftspalt des Flussleitelements angeordnet ist.
Das Messmittel kann mindestens eine Messspule oder/und mindestens einen magnetischen Sensor umfassen.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Messspule eine Erregerspule des Elektromagneten ist, d.h. der zeitliche Verlauf der in der Erregerspule induzierten Spannung wird bei dieser Ausgestaltung gleichzeitig zur Ermittlung der Dehnung und der mechanischen Spannung im Stellelement genutzt. Alternativ oder zusätzlich kann mindestens eine Messspule zusätzlich zu einer Erregerspule des
Elektromagneten vorgesehen sein.
Eine Messspule kann beispielsweise auf einem
Flussleitelement des Elektromagneten so angeordnet sein, dass sie mindestens einen Abschnitt des Flussleitelements umschließt. In diesem Fall verläuft die Spulenachse parallel zur Richtung des magnetischen Flusses. Dabei kann eine solche Messspule vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zum
Luftspalt des Magnetkreises angeordnet sein.
Eine Messspule kann jedoch auch im Luftspalt angeordnet sein und dabei mindestens einen Abschnitt des Stellelements umschließen. Bei dieser Ausgestaltung verläuft die
Spulenachse senkrecht zur Richtung des magnetischen Flusses. In einer Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass die
Messspule an oder in einem mindestens einen Abschnitt des Stellelements umschließenden Führungselement angeordnet ist. Beispielsweise kann das Stellelement in einer Hülse
angeordnet sein, die das Stellelement führt, und eine
Messspule in diese Hülse integriert sein.
Um die vorgeschlagene Aktoranordnung in einer geschlossenen Steuerkette betreiben zu können, ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung vorgesehen, dass das Messmittel elektrisch mit einer Regeleinrichtung verbunden ist. Dadurch wird es möglich, mit Hilfe des messbaren elektrischen Signals, das bei einer Verformung des magnetischen
Formgedächtnismaterials erzeugt wird und somit erfasst und ausgewertet werden kann, den Aktor kraftgeregelt zu
betreiben. Die Dehnung sowie die in dem
Formgedächtnismaterial herrschende mechanische Spannung - und damit die Aktorkraft - können, wie oben ausführlich beschrieben, ohne zusätzliche Sensorik ermittelt und zur Steuerung und Regelung des Aktors genutzt werden. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorgeschlagenen
Aktoranordnung kann weiterhin ein ansteuerbares, zur
Umkehrung der Längenänderung des Stellelements ausgebildetes Rückstellmittel vorgesehen sein. Der Begriff „ansteuerbar" bedeutet auch hier, dass nicht nur zwei Schalt zustände vorgesehen sind, sondern die von dem Rückstellmittel erzeugte Rückstellkraft kontinuierlich einstellbar ist. Das Rückstellmittel kann beispielsweise ein permanent wirksames elastisches Element, z. B. eine Feder, ein
elektromagnetischer oder elektrodynamischer Antrieb oder ein dem Stellelement entgegenwirkend angeordneter magnetischer Formgedächtnisantrieb sein. Dieser kann in analoger Weise wie der Aktor selbst in offener oder geschlossener
Steuerkette betrieben werden. Die vorgeschlagene Aktoranordnung kann vorteilhaft in einem GreifWerkzeug, einem Stanzwerkzeug, einem Schneidwerkzeug, einem Spannwerkzeug oder einem Klemmwerkzeug verwendet werden .
Zum Betrieb der Aktoranordnung in einer geschlossenen Kette wird ein Regelungsverfahren vorgeschlagen, bei dem die
Regelgröße ein messbares elektrisches Signal ist, dessen Betrag sich abhängig von einer Dehnung des
Formgedächtnismaterials des Stellelements und einer in die Erregerspule eingespeisten Stromstärke ändert. Dabei kann die Stellgröße eine in die Erregerspule
eingespeiste Stromstärke sein, mit der der Elektromagnet angesteuert wird.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Regelgröße von einer Erregerspule des Elektromagneten oder/und von einem magnetischen Sensor oder/und einer zusätzlichen Messspule abgegriffen wird.
Neu gegenüber bisher bekannten Lösungen ist, • dass eine magnetische Formgedächtnislegierung in Form einer Sensor-Aktor-Kombination vorzugsweise für Greifer eingesetzt wird und dabei intrinsisch Aktorkraft und Position magnetisch aus dem System selbst bestimmt werden,
• dass die wegunabhängige aktorische Kraft des Elements ausgenutzt wird, und
• dass die Aktorkraft einfach gesteuert oder durch
Auswertung der o.g. Messgrößen geregelt werden kann. Der Kern der Erfindung liegt in der aktorischen Ausnutzung der Kraft-Weg-Kennlinie zur GreifkraftSteuerung oder
Greifkraftregelung bei gleichzeitiger sensorischer
Ausnutzung der dehnungsabhängigen Magnetisierungsänderung einer magnetischen Formgedächtnislegierung. Wesentliche Vorteile sind:
• die Möglichkeit eines gesteuerten Betriebs,
• der Wegfall von zusätzlicher Sensorik im geregelten
Betrieb,
• stabile Position an jeder Hubposition realisierbar, abhängig vom Arbeitspunkt,
• Hub kann beliebig langsam durchfahren werden,
• die nahezu wegunabhängige Greifkraft,
• eine intrinsische Greifobjekterkennung .
Zusätzliche Vorteile sind: · geringer tribologischer Verschleiß des Elements,
dadurch geeignet für saubere Umgebungen, • hohe Lebensdauer von MSM Aktoren (mehrere 100 Mio.
Zyklen in Literatur berichtet) ,
• kleinere Masse und geringerer Bauraum als bei
vergleichbaren motorisierten Antrieben. Nachfolgend wird die Erfindung anhand von
Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert .
Fig. 1 zeigt gemessene Spannungs-Dehnungs-Verläufe σ(ε) bei konstant eingeprägter Flussdichte B einer MSM-Probe. Es ist ersichtlich, dass sich über einen weiten Bewegungsbereich eine nahezu von der Ausdehnung unabhängige Kraft am Abtrieb ergibt. Somit ist ersichtlich, dass mit MSM-Elementen unabhängig vom Weg eine nahezu konstante Greifkraft
realisiert werden kann, die bspw. in der offenen Steuerkette ausgenutzt wird.
Fig. 2 stellt eine gemessene Gegenspannung σ(ε, B=) beim mechanischen Rücksteilen der Probe ohne Erregungsflussdichte dar. Hieraus ist ersichtlich, dass die Blockierkraft nahezu wegunabhängig ist. Fig. 3 zeigt, dass bei konstanter Vorspannung σ und
Einprägung verschiedener Flussdichten B die Dehnung ε an jedem Punkt gehalten wird und somit diese auch in
Abhängigkeit von der eingeprägten Flussdichte, die
proportional zum Strom ist, beliebig langsam angefahren werden kann.
Ein beispielhafter Verlauf der Ausdehnung ε über
eingeprägter Flussdichte B und Druckspannung σ innerhalb der Hysteresegrenzflächen während eines Greifzyklus ist in Fig. 4 dargestellt. Der Ablauf eines solchen Zyklus ist dabei wie folgt:
(1) Kraftfreier Start des GreifVorgangs bei feldfreiem MSM- Element .
(2) Die Dehnung des MSM-Elements , und damit der
Bewegungsvorgang des Aktors, setzt bei Überschreiten der erforderlichen Flussdichte ein. (3) Der Greifer ist am Greifobjekt zugestellt, die
GreifSpannung steigt sprunghaft an (d. h. unterschiedlich große Greifobjekte werden mit nahezu gleicher Kraft
gegriffen) .
(4) Die Greifkraft wird über die Flussdichte, d.h. durch Variation des in die Erregerspule des Magnetkreises
eingespeisten Stroms, gesteuert.
(5) Bei Reduktion der Flussdichte auf Null erfolgt ein Abfallen der mechanischen Spannung im MSM-Element auf das Niveau der Zwillingsspannung, zur vollständigen Rückstellung des MSM-Elements in den unverformten Zustand ist eine zusätzlich aufgebrachte Rückstellkraft erforderlich.
Die Änderung der Polarisation in Abhängigkeit von der
Dehnung und der eingeprägten Flussdichte ist schematisch in Fig. 5 dargestellt (Quelle: Ziske, Johannes, et al . IEEE Transactions on Magnetics, 51.1 (2015): 1-8.). Hierbei wird ersichtlich, dass die Änderung der Position und die
Permeabilität der Legierung für kleine Feldstärken nahezu linear abhängig sind. Über diesen Zusammenhang kann direkt die Position und über hinterlegte Modelle und Kenntnis des eingeprägten Stroms die Kraft bestimmt werden.
Mögliche Anordnungen von Element und Sensorik innerhalb eines Magnetkreises sind in Fig. 6 dargestellt. Das
Stellelement 3, das aus einer MSM-Legierung besteht, ist in einem Magnetkreis angeordnet, der durch ein Flussleitelement 2 sowie eine darauf angeordnete Erregerspule 1 gebildet ist.
Die Veränderung der Reluktanz des Stellelements 3 aufgrund der eintretenden Dehnung kann durch eine zusätzliche
Messspule 4 erfasst werden, die einen Abschnitt des
Flussleitelements 2 umschließt und unmittelbar neben dem Luftspalt angeordnet ist. Die Spulenachse ist dabei parallel zum magnetischen Fluss ausgerichtet. Somit kann bei Kenntnis des in die Erregerspule 1 eingespeisten Stroms auf Kraft und Weg des Stellelements 3 geschlossen werden. Hierbei begrenzt allerdings die magnetische Sättigung des Materials den
Messbereich . Die magnetischen Eigenschaften in der Richtung senkrecht zur Ausdehnung des Stellelements 3 verändern sich komlementär. Jedoch erfahren diese Zwillingsvarianten vektoriell nur einen geringen Teil des aktorisch genutzten Erregerfelds, sodass hier insbesondere durch Kleinsignalmessungen die oben erwähnte Abhängigkeit zwischen Permeabilität und Dehnung ausgenutzt werden kann.
Daher ist die Messung der zur Erregerflussdichte senkrecht stehenden Permeabilität mit Hilfe einer Messspule 5 zu bevorzugen, wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6b dargestellt. Die Messspule 5 umschließt einen Abschnitt des Stellelements 3, so dass die Spulenachse senkrecht zum magnetischen Fluss ausgerichtet ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Prinzips ist in Fig. 6c dargestellt. Eine kompakte Messspule 6 ist, um die
Reibung zwischen Messspule 6 und Stellelement 3 zu
reduzieren, in ein Führungselement7 integriert, das hier beispielhaft in Form einer das Stellelement 3 umschließenden Hülse ausgeführt ist.
Eine weitere Möglichkeit stellt die Messung der
Luftspaltinduktion mit Hilfe eines magnetischen Sensors 9 dar, der in einem in Fig. 6d dargestellten
Ausführungsbeispiel unterhalb des Stellelements 3 angeordnet ist . In einem in Fig. 6d dargestellten Ausführungsbeispiel ist der magnetischen Sensor 9 neben dem Stellelement 3 aus magnetischem Formgedächtnismaterial angeordnet.
Aktoranordnung mit magnetischer Formgedächtnislegierung
Bezugszeichenliste
Erregerspule
Flussleitelement
Stellelement
Messspule
Messspule (um MSM-Element gewickelt )
Messspule (in Probenhülse integriert ]
Führungseiement
Streuteldlinien
magnetischer Sensor

Claims

Aktoranordnung mit magnetischer Formgedächtnislegierung
Patentansprüche
1. Aktoranordnung, umfassend ein Stellelement aus einem magnetischen Formgedächtnismaterial, einen
ansteuerbaren Elektromagneten mit mindestens einem ferromagnetischen Flussleitelement und mindestens einer auf dem Flussleitelement angeordneten Erregerspule, wobei das Stellelement in einem Luftspalt des
Flussleitelements so angeordnet ist, dass ein durch Ansteuern des Elektromagneten erzeugtes magnetisches Feld das Stellelement durchdringt und eine
Längenänderung des Stellelements bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktoranordnung ein
Messmittel aufweist, das eine messbares elektrisches Signal erzeugt, dessen Betrag sich abhängig von der Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials und einer in die Erregerspule eingespeisten Stromstärke ändert .
2. Aktoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Betrag des elektrischen Signals sich in
Abhängigkeit von der durch die Dehnung des magnetischen Formgedächtnismaterials hervorgerufenen Änderung der
Reluktanz oder/und der magnetischen Polarisierung des Stellelements ändert.
3. Aktoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass das Messmittel unmittelbar am oder im Luftspalt des Flussleitelements angeordnet ist.
4. Aktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel mindestens eine Messspule oder/und mindestens einen magnetischen Sensor umfasst.
. Aktoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine Messspule eine Erregerspule des Elektromagneten ist.
. Aktoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine Messspule zusätzlich zu einer Erregerspule des Elektromagneten vorgesehen ist.
. Aktoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass mindestens eine Messspule mindestens einen
Abschnitt des Stellelements umschließt.
. Aktoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet dass die Messspule an oder in einem, mindestens einen Abschnitt des Stellelements umschließenden
Führungselement angeordnet ist.
. Aktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messmittel elektrisch mit einer Regeleinrichtung verbunden ist.
0. Aktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein
ansteuerbares, zur Umkehrung der Längenänderung des Stellelements ausgebildetes Rückstellmittel vorgesehen ist .
1. Aktoranordnung nach Anspruch 10, dadurch
gekennzeichnet, dass das Rückstellmittel ein permanent wirksames elastisches Element, ein elektromagnetischer oder elektrodynamischer Antrieb oder ein dem
Stellelement entgegenwirkend angeordneter magnetischer Formgedächtnisantrieb ist.
2. Verwendung einer Aktoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 in einem GreifWerkzeug, einem
Stanzwerkzeug, einem Schneidwerkzeug, einem
Spannwerkzeug oder einem Klemmwerkzeug.
13. Regelungsverfahren für einen Aktor mit einem Stellelement aus einem magnetischen
Formgedächtnismaterial und einem Elektromagneten, bei dem die Regelgröße ein messbares elektrisches Signal ist, dessen Betrag sich abhängig von einer Dehnung des Formgedächtnismaterials des Stellelements und einer in die Erregerspule eingespeisten Stromstärke ändert.
14. Regelungsverfahren nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Stellgröße eine in die
Erregerspule eingespeiste Stromstärke ist, mit der der Elektromagnet angesteuert wird.
15. Regelungsverfahren nach Anspruch 12 oder 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Regelgröße von einer Erregerspule des Elektromagneten oder/und von einem magnetischen Sensor oder/und einer zusätzlichen
Messspule abgegriffen wird.
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