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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung, die
insbesondere in mechatronischen Einrichtungen, wie Werkzeugmaschinen,
Handling-Systemen oder Robotern einsetzbar ist und eine Verwendung
einer derartigen Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung.
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Mit der Einführung von mechatronischen Maschinenkonzepten
im Maschinenbau, wie beispielsweise bei parallelstrukturierten Maschinen
und Roboter, sind qualitative Vorteile, wie kleine bewegte Massen,
hohe erreichbare Beschleunigungen und eine hohe Anzahl an Wiederholungsteilen
(Baukastenprinzip) verbunden. Allerdings bedingen diese mechatronischen
Maschinenkonzepte teilweise Eigenschaften, die insbesondere die
Steifigkeit und die Schwingungsanfälligkeit solcher mechatronischen Einrichtungen
und damit die erreichbare Fertigungs- oder Positioniergenauigkeit
negativ beeinflussen.
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Eine derartige Vorrichtung wird in
der
DE 197 12 919
C1 beschrieben. Diese Druckschrift zeigt einen Grundkörper, der
ein Hebelelement und ein Stellglied aufweist. Der Grundkörper und
das Hebelelement sind im Bereich eines Festkörpergelenkes einstückig miteinander
verbunden, im übrigen
unter Belassung eines Abstandes angeordnet. Dabei ist das Stellglied
zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen Grundkörper und
Halteelement zwischen diesen angeordnet.
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Inder
EP 0 085 745 B1 wird ein Feinrotationsmechanismus
beschrieben. In dieser Druckschrift ist ein Rotor dargestellt, der
einen ersten und einen zweiten Abschnitt aufweist. Darüber hinaus
sind zwei piezoelektrische Elemente dargestellt, die zwischen dem
ersten und dem zweiten Abschnitt des Rotors in der Richtung der
Verlängerung
und der Zusammenziehung angekoppelt sind. Die beiden Abschnitte sind
im Bereich eines Festkörpergelenkes
einstückig miteinander
verbunden.
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Die
US 4, 578, 607 A beschreibt einen piezoelektrischen
Rotationsmechanismus. Auf einer Scheibe sind bewegliche und feste
Abschnitte angeordnet, die miteinander durch einen Kupplungsabschnitt
verbunden sind, der in der Mitte der Scheibe angeordnet ist. Die
beweglichen Abschnitte sind mit dem Kupplungsabschnitt über elastische
Gelenke verbunden. Die beweglichen Abschnitte sind weiterhin mit
den festen Abschnitten durch piezoelektrische Elemente verbunden.
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In der
DE 41 43 162 C1 wird eine Balligabrichteinrichtung
mit piezoelektrischem Antrieb beschrieben. In dieser Einrichtung
ist ein Abrichtdiamant in einem Winkelhebel geklemmt. Zwischen dem Winkelhebel
und einem Grundkörper
ist ein Biegegelenk ausgebildet. Im Grundkörper ist ein piezoelektrischer
Translator aufgenommen. Zwischen dem piezoelektrischen Translator
und einer Bundbuchse ist eine Kugel angebracht. Die Kraftübertragung
vom piezoelektrischen Translator auf den Winkelhebel erfolgt über die
Kugel und die Bundbuchse. Die Rückseite
des piezoelektrischen Translators wird über eine weitere Kugel arretiert,
die durch einen Bolzen als Gegenlager in einem Deckel gehalten ist.
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Aus der
DE 199 03 613 C1 ist bekannt,
Fertigungs- und Positionierfehler einer Tripod-Lagerungseinrichtung, welche auf eine
mangelnde Steifigkeit einzelner Baukomponenten der Tripod-Lagerungseinrichtung
zurückführbar sind,
mittels eines Torsionskompensationsverfahrens unter Nutzung schneller
aktorischer Komponenten im Zusammenspiel mit einer entsprechenden
Regeleinrichtung im Betrieb zu kompensieren und parasitäre Schwingungen
kompensatorisch zu unterdrücken.
Als aktorische Komponente zur Erzeugung einer hohen dynamischen
Steifigkeit ist hierbei ein Torsionsantrieb vorgeschlagen.
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Aus theoretischen Überlegungen
heraus erscheinen an sich bekannte piezoelektrische Aktoren, insbesondere
wegen ihrer hervorragenden dynamischen Eigenschaften, zur Bildung
derartiger schneller aktorischer Komponenten besonders geeignet. Jedoch
sind aufgrund der geringen erreichbaren mechanischen Dehnung piezoelektrischen
Elemente, also der geringen erreichbaren Längenänderungen, trotz maximaler
elektrischer Materialausnutzung mit piezoelektrischen Stapelaktoren
lediglich praktikable lineare Auslen kungen im Bereich von wenigen
10 Mikrometern, bei allerdings großen Kräften von einigen Tausend Newton,
erreichbar.
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Wird eine derartige lineare Bewegung
in eine rotatorische Bewegung umgewandelt, ergeben sich Winkelbereiche
von maximal 0,05 bis 0,1 Grad. Ein solcher rotatorischer Bewegungsbereich
ist für
die meisten Kompensationsanwendungen zu gering. Wird beispielsweise
in der Tripod-Lagerungsvorrichtung der
DE 199 03 613 C1 der längenveränderlichen Streben
mit einem piezoelektrischen Torsionsaktor als schnelle aktorische
Komponente ausgestattet, kann, aufgrund relativ großer parasitärer Nachgiebigkeiten
in den einzelnen Baugruppen, insbesondere den Gelenken und den Streben,
ein notwendiger Stellbereich zur aktiven Kompensation der durch Störkräfte hervorgerufenen
Torsionsbewegungen derart große
Winkelbereiche annehmen, dass mit piezoelektrischen (Torsions-)Aktoren
eine Kompensation unmöglich
ist. Um derartige piezoelektrische Aktoren als aktorische Komponenten
einsetzen zu können,
besteht dementsprechend die Notwendigkeit, den erreichbaren Stellweg
bzw. Winkelbereich zu vergrößern.
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Für
eine solche Stellwegvergrößerung von aktorischen
Komponenten mit translatorischen oder rotatorischen Bewegungen ist
aus der
DE 196 40
108 C1 bekannt, einen piezoelektrischen Aktor mit stabförmigen Übertragungsgliedern
(Hebelarmen) zu koppeln, welche eine Längenänderung des Aktors mechanisch
vergrößern. Bei
der in der
DE 196
40 108 C1 vorgeschlagenen Lösung ist jedoch nachteilig,
dass bei einer Erhöhung
des Stellweges um einen Faktor N, die Kraft um diesen Faktor N und
die Steifigkeit der Anordnung in Bewegungsrichtung sogar um das
Quadrat des Faktors N abnimmt. Eine zehnfache Stellwegvergrößerung brächte damit
eine hundertfache Verringerung der Steifigkeit der Anordnung mit
sich. Bekannte, nach diesem Hebelarmprinzip für maschinenbautechnische Anwendungen
umgesetzte Lösungen
werden folglich meist auf den Faktor N = 3 begrenzt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung
und eine Verwendung derselben anzugeben, durch die eine rotatorische
Kompensationsbewegung mit einer hohen Dynamik präzise bei geringer Beeinflussung
der Steifigkeit der Vorrichtung aktorisch erzeugt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.
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Mit der vorliegenden Vorrichtung
zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung wird auf vorteilhafte
Weise eine translatorische Bewegung des zumindest einen Stellgliedes
in eine rotatorische Bewegung des Aktormoduls und damit in eine
rotatorische Bewegung der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen
Bewegung umgesetzt, wobei eine Relativbewegung zwischen dem Grundkörper und
dem Hebelelement auftritt. Weiterhin ist vorteilhafterweise eine
hohe Steifigkeit der Vorrichtung in einer axialen Richtung, also
quer zur rotatorischen Bewegung, sowie eine geringe Steifigkeit
in Richtung der rotatorischen Bewegung vorgesehen, wobei insbesondere das
Festkörpergelenk
in einer Tangentialrichtung des Aktormoduls eine geringe und in
einer Axialrichtung desselben eine hohe Steifigkeit aufweist.
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Die Vorrichtung zur Erzeugung einer
rotatorischen Bewegung weist weiterhin mehrere in einer Reihenanordnung
angeordnete und untereinander gekoppelte Aktormodule auf, wobei
die Hebelelemente der einzelnen Aktormodule mit den Grundkörpern der
jeweiligen nachfolgenden Aktormodule verbunden sind und wobei die
einzelnen Aktormodule mittels Distanzmitteln voneinander beabstandet
sind.
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Die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung einer
rotatorischen Bewegung weist mehrere Aktormodule zur Erzeugung einer
hochdynamischen rotatorischen Bewegung auf, welche aneinander reihbar sind.
Werden dabei M Aktormodule aneinander gereiht, vervielfacht sich
der erreichbare maximale Stellwinkel um diesen Faktor M, die übertragbare Kraft
bleibt gleich, die Steifigkeit der Anordnung in Bewegungsrichtung
nimmt lediglich um den Faktor 1/M ab. Somit kann über die
Anzahl an Aktormodulen der erreichbare Winkelbereich frei eingestellt
werden, wodurch eine sehr variable Vorrichtung mit einem großen Stellwinkel
realisiert ist.
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Gemäß einem weiteren bevorzugten
Ausführungsbeispiel
weist die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung
eine mit dem zumindest einem Stellglied verbundene Steuer- und/oder
Regeleinrichtung zur Bestimmung eines Stellwertes und/oder zu einer
Ansteuerung des Stellgliedes mit einem Stellwert auf. Diese Steuer-
und/oder Regeleinrichtung kann weiterhin mit einer Meßeinrichtung zur
Erfassung einer Torsion und/oder Schwingung verbunden sein.
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Bevorzugterweise sind der Grundkörper und das
Hebelelement aus einem gemeinsamen Halbzeug durch Materialausarbeitung
desselben gebildet, wobei Grundkörper
und Hebelelement aus einem hochfesten Material, insbesondere Stahl,
ausgebildet sein können.
Insbesondere in dieser Ausgestaltung ergibt sich eine hohe Steifigkeit
der Anordnung in axialer Richtung. Weiterhin kann der Grundkörper eine achs-
und/oder rotationssymmetrische, insbesondere kreisrunde oder elliptische
Querschnittsfläche
aufweisen, wodurch sich ein fertigungstechnisch und dementsprechend
in der Herstellung preisgünstiges Ausführungsbeispiel
ergibt.
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Gemäß einem besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind das Hebelelement und der Grundkörper mittels zweier schlitzförmiger,
vorzugsweise paralleler Ausnehmungen voneinander getrennt, wobei
diese Ausnehmungen von einer Außenfläche des
Grundkörpers
einwärts
verlaufen und das Festkörpergelenk
mittels einer Verjüngung
des Hebelelementes an einem innenliegenden Ende desselben ausgebildet
ist.
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Das Stellglied ist gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
in einer Aussparung des Grundkörpers
zumindest teilweise aufgenommen und mit demselben stoffschlüssig oder
formschlüssig
verbunden. Dabei kann ein Ausmaß einer
Relativbewegung zwischen dem Hebelelement und dem Grundkörper mittels
eines Abstandes zwischen dem Stellglied und dem Festkörpergelenk
definiert sein. Weiterhin ist das Stellglied vorzugsweise längenveränderlich
ausgebildet und umfasst insbesondere einen Piezoaktor, einen piezoelektrischen
Stapelaktor, einen magneto- oder elektrostriktiven Aktor, einen
elektrischen Antrieb oder einen Arbeitszylinder.
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Weiterhin kann das zumindest eine
Hebelelement mit zumindest zwei Stellgliedern in Wirkverbindung
treten, wobei die Stellglieder auf gegenüberliegenden Seiten des Hebelelementes
angeordnet sind. Durch diese zumindest paarweise Anordnung (Differentialanordnung)
der Stellglieder innerhalb der einzelnen Aktormodule kann auf eine
zusätzliche mechanische
Vorspanneinrichtung (beispielsweise Federelement) zur Unterdrückung von
Zugkräften auf
die Stellelemente verzichtet werden. Damit kann praktisch der gesamte
freie Hub der Stellglieder ausgenutzt werden. Gleichzeitig wird
durch diese paarweise Anordnung der Stellglieder eine thermische Kompensation
der Aktoranordnung ermöglicht.
Zudem ist bei passiven Stellgliedern in Richtung der rotatorischen
Bewegung der Aktormodule eine hohe Steifigkeit gewährleistet,
wobei eine Steifigkeit der Gesamtanordnung derart groß ist, dass
bei nicht-aktivem Kompensationsregime, beispielsweise bei Defekt
der Stellglieder, das Aktormodul bzw. die Vorrichtung zur Erzeugung
einer rotatorischen Bewegung praktisch keine zusätzliche Nachgiebigkeit verursacht.
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Gemäß einem besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist das Stellglied als Piezoaktor oder als piezoelektrischer Stapelaktor
ausgebildet und weist im montierten Zustand eine Vorspannung auf, welche
mittels einer, insbesondere elektrisch erzeugten, Verkürzung des
Stellgliedes bei der Montage oder mittels anpassbarer Justierelemente
erzeugbar ist. Das Ausmaß einer
Relativbewegung zwischen dem Hebelelement und dem Grundkörper ist
bei dem als Piezoaktor oder als piezoelektrischer Stapelaktor ausgebildeten
Stellglied mittels einer elektrischen Ansteuerspannung des Piezoaktors
oder des piezoelektrischen Stapelaktors regelbar.
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Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn
die Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung zumindest
zwei Hebelelemente aufweist, wobei die zumindest zwei Hebelelemente
jeweils an einem innenliegenden Ende derselben mittels eines Festkörpergelenkes
mit dem Grundkörper
verbunden sind. Die zumindest zwei Hebelelemente sind dabei bevorzugterweise
achssymmetrisch bezüglich
einer Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers und/oder
punktsymmetrisch bezüglich
eines Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet.
In einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist die Vorrichtung
zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung zwei Hebelelemente, welche
achssymmetrisch bezüglich
der Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers und
punktsymmetrisch bezüglich
des Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet
sind, oder drei Hebelarme, welche sternförmig und punktsymmetrisch bezüglich des
Mittelpunktes der Querschnittsfläche
des Grundkörpers angeordnet
sind, auf.
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Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung sind in den
weiteren abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.
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Die vorstehend erläuterte Vorrichtung
zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung kann als Torsionsaktor
zur Kompensation einer auf dieselbe einwirkenden Torsion und/oder
Schwingung eingesetzt werden, wobei der Torsionsaktor einen großen erreichbaren
Stellwinkel aufweist. Dabei ist der erreichbare Stellwinkel von
einer Anzahl hintereinandergekoppelter Aktormodule abhängig.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Aktormoduls
der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer
Draufsicht;
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles der Vorrichtung
zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer Seitenansicht
mit zwei gekoppelten Aktormodulen und einem mit den zwei gekoppelten
Aktormodulen zu verbindenden dritten Aktormodul; und
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3 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Aktormoduls der
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer
Draufsicht.
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Nachfolgend wird zunächst anhand
eines in 1 gezeigten
Ausführungsbeispieles
eines Aktormoduls der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen
Bewegung der grundsätzliche
Aufbau und die Funktionsweise desselben erläutert, wobei das Aktormodul
zur Erzeugung einer hochdynamischen rotatorischen Bewegung mit einem
großen
Stellwinkel vorgesehen ist.
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Das in 1 gezeigte
Ausführungsbeispiel eines
Aktormoduls weist einen scheibenförmigen Grundkörper 1 aus
einem hochfesten und begrenzt elastischen Material, in diesem Ausführungsbeispiel Stahl,
mit einer kreissymmetrischen Querschnittsfläche auf. Die kreissymmetrische
Ausbildung der Querschnittsfläche
führt zu
einem sehr kompakten Aufbau, der auf einfache Weise in eine vorhandene Einrichtung,
beispielsweise eine mechatronische Werkzeugmaschine, integriert
werden kann. Zudem ergibt sich aufgrund der Vermeidung von hervorstehenden
Körperkanten
eine hohe arbeittechnische Sicher heit. Die vorliegende Vorrichtung
zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung ist jedoch nicht auf diese
kreissymmetrische Ausgestaltung der Querschnittsfläche beschränkt. Abhängig vom
konkreten Anwendungsfall kann auch eine elliptische oder Polygone
Querschnittsfläche
ausgebildet sein.
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Das in 1 gezeigte
Aktormodul weist weiterhin zwei Hebelelemente 3,9 auf,
welche jeweils mittels Festkörpergelenken 2 mit
dem Grundkörper 1 verbunden
sind. In dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
sind diese beiden Hebelelemente 3, 9 achssymmetrisch
bezüglich
einer Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnet.
Zudem liegen die Wirkachsen der Hebelelemente 3, 9 auf
einer Verbindungslinie durch einen Mittelpunkt der Querschnittsfläche des
Grundkörpers 1. Die
vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung
ist jedoch nicht auf die genannte Anzahl an Hebelelementen und die
beschriebene Anordnung dieser Hebelelemente beschränkt. Die
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung kann beispielsweise
ebenso einen Hebelarm oder auch drei Hebelarme, welche sternförmig und
punktsymmetrisch bezüglich
des Mittelpunktes der Querschnittsfläche des Grundkörpers angeordnet
sind, aufweisen.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Grundkörper 1 und
die beiden Hebelelemente 3, 9 aus einem Halbzeug
hergestellt, wobei in dem Halbzeug mittels Materialausarbeitung
aus demselben Bereiche mit Gelenkwirkung, also die Festkörpergelenke 2,
ausgearbeitet sind, welche die in die Hebelelemente 3,9 übergehen.
Dabei sind die einzelnen Hebelelemente 3,9 und
der Grundkörper 1 jeweils
mittels zweier schlitzförmiger
und paralleler Ausnehmungen 20 voneinander getrennt, wobei
diese Ausnehmungen 20 von einer Mantel- bzw. Außenfläche des
Halbzeuges, welche einer Mantel- bzw. Außenfläche des Grundkörpers 1 entspricht,
einwärts
verlaufen.
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Ein jeweiliges Festkörpergelenk 2 ist
an einem innenliegenden Ende des zugehörigen Hebelelementes 3,9 mittels
Ausbildung einer Verjüngung desselben
hergestellt. Diese Verjüngung
wird im in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
durch das Ausbilden von Aussparungen, in diesem Fall von Bohrungen,
im Bereich des innenliegenden Endes der Hebelelemente 3,9 definiert.
Die Festkörpergelenke 2 weisen
dabei jeweils in Tangentialrichtung des Aktormoduls eine geringe,
in axialer Richtung eine sehr hohe Steifigkeit auf.
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Weiterhin weist das Aktormodul in
dem in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel
jeweils einen piezoelektrischen Stapelaktor 5,6,
einen sogenannten Piezostack, pro Hebelelement 3,9,
also insgesamt zwei Piezostacks, auf. Jeder der Piezostacks 5,6 ist in
einer einzelnen Aussparung 4, welche im Grundkörper 1 ausgebildet
ist, der sogenannten Aktoraufnahme, gelagert. Die einzelnen Aktoraufnahmen 4 sind
jeweils benachbart zu Seitenflächen
der jeweiligen Hebelelemente 3, 9 angeordnet,
wobei die Piezostacks 5,6 in Wirkverbindung mit
diesen Seitenflächen
der Hebelelemente 3,9 stehen.
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Folglich umfasst das Aktormodul in
diesem Ausführungsbeispiel
insgesamt zwei Stellglieder 3,9, wobei jeweils
ein Stellglied 3,9 in einer Aktoraufnahme 4 aufgenommen
ist und auf eines der Hebelelemente 3,9 wirkt.
Die Piezostacks 5,6 wirken dabei als Stellglieder
zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen dem Grundkörper 1 und
den jeweiligen Hebelelementen 3,9, wobei ein Ausmaß der Relativbewegung
zwischen den Hebelelementen 3,9 über eine Längenänderung
der Piezostacks 5,6 bewirkt wird.
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Eine Regelung der Längenänderungen
der einzelnen Piezostacks 5,6 erfolgt dabei mittels
einer entsprechenden elektrischen Ansteuerspannung der einzelnen
Piezostacks 5,6, welche durch eine mit den Piezostacks 5,6 verbundene
Steuer- und/oder Regeleinrichtung (nicht gezeigt) zur Bestimmung
der elektrischen Ansteuerspannung verbunden ist.
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Das Ausmaß der Relativbewegung zwischen Grundkörper 1 und
den jeweiligen Hebelelementen 3,9 ist weiterhin
von den jeweiligen Abständen
zwischen den einzelnen Piezostacks 5,6 und den
Festkörpergelenken 2 abhängig, wobei
diese Abstände die
Hebelarme, der durch die Piezostacks 5,6 jeweils eingeleiteten
Kraft auf die Hebelelemente 3,9 und damit das
Hebelverhältnis
bilden.
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Die Piezostacks 5, 6 erzeugen
bei der elektrischen Ansteuerung derselben eine translatorische Dehnung
bzw. Stauchung, welche mittels der Anordnung aus Hebelelementen 3,9 und
Festkörpergelenken 2 in
eine rotatorische Bewegung umgewandelt wird. Zwischen den Hebelementen 3,9 und
den übrigen
Bauelementen des Aktormoduls entsteht damit eine Relativbewegung,
deren Größe über das
Hebelverhältnis
(Abstand zwischen Aktoraufnahme 4 und Festkörpergelenk 2)
definiert und über
die Größe der elektrischen
Ansteuerspannung des entsprechenden Piezostacks 5,6 steuerbar
ist.
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Die Piezostacks 5, 6 sind
in dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel
auf einer Seite der Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des
Grundkörpers 1,
welche die beiden Hebelelemente 3,9 miteinander
verbindet, angeordnet. Das Ansteuerregime der Piezostacks 5, 6 wird
dabei derart gewählt,
dass sich jeweils einer der Piezostacks 5, 6 gerade
um den Betrag verkürzt,
um den sich der entsprechend andere Piezostack 5,6 dehnt.
Bezogen auf die Darstellung in 1 bedeutet dies,
dass sich beispielsweise das freiliegende Ende des links angeordneten
Hebelelementes 3 nach oben und das freiliegende Ende des
rechts angeordneten Hebelelementes 9 um den gleichen Betrag
nach unten bewegt. Folglich beschreibt die Verbindungslinie der
Wirkachsen der Hebelelemente 3, 9 eine rotatorische
Bewegung um den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1.
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In 1 sind
die beiden Piezostacks 5,6 oberhalb der Verbindungslinie
durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1,
welche die beiden Hebelelemente 3,9 miteinander
verbindet, angeordnet. Die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung
einer rotatorischen Bewegung ist jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel
beschränkt.
Ohne wesentlichen Änderungen
vornehmen zu müssen, können auch
beide Piezostacks 5,6 in 1 unterhalb der Verbindungslinie oder
einer der beiden Piezostacks 5,6 unterhalb und
der entsprechend andere Piezostacks 5,6 oberhalb
der Verbindungslinie angeordnet sein. Um derartige Anordnungen zu
ermöglichen
sind, wie weiterhin aus 1 entnehmbar,
auch unterhalb der Verbindungslinie zwei weitere Aktoraufnahmen 4 ausgebildet,
wobei jeweils eine der weiteren Aktoraufnahmen 4 benachbart
zu einem der Hebelarme 3,9 angeordnet ist.
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In 2 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel der
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mit drei
Aktormodulen 10,11,12 in einem Zwischenstadium
der Montage derselben gezeigt, wobei ein erstes und ein zweites
Aktormodul 10,11 miteinander gekoppelt und ein
drittes Aktormodul 12 zur Kopplung an die schon miteinander
verbundenen Aktormodule 10,11 vorgesehen ist.
Dabei sind die einzelnen Aktormodule 10,11,12 gleichartig
dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen
Ausführungsbeispiel
eines Aktormoduls ausgebildet.
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Wie vorstehend im Zusammenhang mit 1 erläutert, weist das Aktormodul
einen Grundkörper 1 und
zwei gegenüberliegend
und auf einer gemeinsamen Verbindungslinie durch den Mittelpunkt
der Querschnittsfläche
des Grundkörpers 1 angeordnete
Hebelelemente 3, 9 auf. Aus 1 ist zudem entnehmbar, dass die Hebelelemente 3, 9 jeweils
an dem freiliegenden Ende derselben jeweils eine Ausnehmung 8 aufweisen.
Diese in diesem Ausführungsbeispiel
kreisförmig
ausgebildeten Ausnehmungen 8 sind jeweils zur Aufnahme
eines Verbindungsmittels 14 zwischen den einzelnen Aktormodulen 10,11,12 vorgesehen.
Die Ausnehmungen 8 der einzelnen Hebelelemente 3, 9 sind
dabei auf einer Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des
Grundkörpers 1 angeordnet.
Weiterhin ist aus 1 entnehmbar,
dass der Grundkörper 1 zwei
Ausnehmungen 7 aufweist, welche auf einer weiteren Verbindungslinie
durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnet
sind. Diese, in diesem Ausführungsbeispiel
elliptisch ausgebildeten Ausnehmungen 7 sind ebenfalls zur
Aufnahme des Verbindungsmittels 14 vorgesehen.
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Ein Abstand zwischen den einzelnen
Ausnehmungen 7 des Grundkörpers 1 und dem Mittelpunkt
der Querschnittsfläche
des Grundkörpers 1 entspricht
einem Abstand zwischen den einzelnen Ausnehmungen 8 der
Hebelelemente 3, 9 und dem Mittelpunkt der Querschnittsfläche des
Grundkörpers 1.
Weiterhin ist die Verbindungslinie der Ausnehmung 7 im
Grundkörper 1 senkrecht
zur Verbindungslinie der Ausnehmungen 8 der Hebelelemente 3, 9 angeordnet.
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Zum Verbindung der einzelnen Aktormodule 10, 11, 12 untereinander
werden die einzelnen Aktormodule 10,11,12 tangential
gegeneinander jeweils um einen Winkel von 90° verdreht. Dadurch sind die in
den Hebelelementen 3,9 des ersten Aktormoduls 10 ausgebildeten
Ausnehmungen 8 benachbart zu den im Grundkörper 1 des
zweiten Aktormoduls 11 ausgebildeten Ausnehmungen 7 angeordnet.
Weiterhin sind die in den Hebelelementen 3,9 des
zweiten Aktormoduls 11 ausgebildeten Ausnehmungen 8 benachbart
zu den im Grundkörper
des dritten Aktormoduls 12 ausgebildeten Ausnehmungen 7 angeordnet. Die
Ausnehmungen 7, 8 in den Hebelelementen 3, 9 bzw.
dem Grundkörper 1 sind
zur Aufnahme eines geeigneten Verbindungsmittels, beispielsweise
eines Paßstiftes,
zwischen den Aktormodulen vorgesehen.
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Eine Kopplung der einzelnen Aktormodule 10,11,12 in
einer Reihenanordnung erfolgt also derart, dass die Hebelelemente 3,9 der
einzelnen Aktormodule 10,11,12 mit den
Grundkörpern 1 der
jeweiligen nachfolgenden Aktormodule 10,11,12 verbunden sind,
wobei die unmittelbar miteinander gekoppelten Aktormodule 10 und 11 bzw.
11 und 12 mittels Distanzmitteln 13 voneinander beabstandet
sind.
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Genauer gesagt, sind in dem in 2 dargestellten Beispiel
das erste und das zweite Aktormodul 10,11 durch
geeignetes Verbinden der Hebelelemente 3, 9 des
ersten Aktormoduls 10 mittels der Verbindungsmittel 14 mit
dem Grundkörper 1 des
zweiten Aktormoduls 11 gekoppelt, wodurch eine rotatorische Bewegung
der Hebelelemente 3, 9 des ersten Aktormoduls 10 auf
den Grundkörper 1 des
zweiten Aktormoduls 11 übertragen
wird. Bei einer Längenänderung
der piezoelektrischen Aktoren 5,6 des ersten Aktormoduls 10 werden
die Hebelelemente 3,9 des ersten Aktormoduls 10 und
der mit diesen verbundene Grundkörper 1 des
zweiten Aktormoduls 11 rotatorisch bewegt. Dementsprechend
entsteht ein erster (Teil-)Stellwinkel oder (Teil-)Bewegungswinkel,
wobei der erste Teilstellwinkel bei maximaler Längenänderung der Stapelaktoren 5,6 sein
Maximum erreicht. Werden die piezoelektrischen Aktoren 5,6 des
zweiten Aktormoduls 11 gleichsinnig zum ersten Aktormodul 10 angesteuert,
werden die Hebelelemente 3,9 des zweiten Aktormoduls 11 gegenüber dem
Grundkörper 1 des
zweiten Aktormoduls 11 rotatorisch verschoben. Folglich
addieren sich die rotatorischen Bewegungen (bzw. Bewegungswinkel)
des ersten und des zweiten Aktormoduls 10,11.
Bei gleichartiger Ausbildung der Aktormodule 10,11 und
maximaler Ansteuerung der einzelnen Stapelaktoren 5,6 der
Aktormodule 10,11 lässt sich zwischen dem Grundkörper 1 des
ersten Aktormoduls 10 und den Hebelelementen 3, 9 des
zweiten Aktormoduls 11 eine Verdopplung des erreichbaren
Bewegungswinkels, also des erreichbaren Stellwinkels, erreichen.
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In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird weiterhin
das zweite Aktormodul 11 durch geeignetes Verbinden der
Hebelelemente 3, 9 des zweiten Aktormoduls 11 mittels
weiteren Verbindungsmitteln 14 mit dem Grundkörper 1 des
dritten Aktormoduls 12 gekoppelt, wodurch eine rotatorische Bewegung
der Hebelelemente 3, 9 des zweiten Aktormoduls 11 auf
den Grundkörper 1 des
dritten Aktormoduls 12 übertragen
wird. Bei einer Längenänderung
der piezoelektrischen Aktoren 5,6 des zweiten
Aktormoduls 11 werden die Hebelelemente 3,9 des
zweiten Aktormoduls 11 und der mit diesen verbundene Grundkörper 1 des
dritten Aktormoduls 12 rotatorisch bewegt. Dementsprechend entsteht
ein zweiter (Teil-)Stellwinkel oder (Teil-)Bewegungswinkel, wobei
der zweite Teilstellwinkel bei maximaler Längenänderung der Stapelaktoren 5,6 sein
Maximum erreicht. Werden die piezoelektrischen Aktoren 5,6 des
dritten Aktormoduls 12 gleichsinnig zum zweiten Aktormodul 11 angesteuert,
werden die Hebelelemente 3,9 des dritten Aktormoduls 12 gegenüber den
Grundkörper 1 des
ersten und des zweiten Aktormoduls 10,11 rotatorisch
verschoben. Folglich addieren sich die rotatorischen Bewegungen
(bzw. Bewegungswinkel) des ersten, des zweiten und des dritten Aktormoduls 10,11.
Bei gleichartiger Ausbildung der Aktormodule 10,11,12 und
maximaler Ansteuerung der einzelnen Stapelaktoren 5,6 der
Aktormodule 10,11,12 lässt sich
zwischen dem Grundkörper 1 des
ersten Aktormoduls 10 und den Hebelelementen 3, 9 des
dritten Aktormoduls 12 eine Verdreifachung des erreichbaren
Bewegungswinkels, also des erreichbaren Stellwinkels, erreichen.
Dementsprechend ist bei Verbinden von drei Aktormodulen 10, 11, 12 der
Bewegungsbereich der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen
Bewegung um den Faktor 3 vergrößerbar.
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Wie aus der vorangehenden Beschreibung einsichtig
ist, können
eine Vielzahl an Aktormodulen zur Erzeugung hochdynamischer rotatorischer
Bewegungen aneinander gekoppelt werden, wobei bei M aneinander gereihten
Aktormodulen eine Vervielfachung des erreichbaren Stellwinkels um
den Faktor M erreichbar ist. Die übertragbare Kraft bleibt konstant
und die Steifigkeit der Anordnung in Bewegungsrichtung nimmt lediglich
um den Faktor 1 durch M ab.
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In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Aktormoduls einer Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen
Bewegung gezeigt.
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Vergleichbar dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das in 3 gezeigte Aktormodul einen
scheibenförmigen
Grundkörper 1 aus
einem hochfesten elastischen Material mit einer kreissymmetrischen
Querschnittsfläche
auf. Weiterhin weist das Aktormodul nach 3 ebenfalls zwei Hebelelemente 3, 9 auf,
welche jeweils mittels Festkörpergelenken 2 mit
dem Grundkörper 1 verbunden sind.
Zudem sind die Hebelelemente 3, 9 ebenfalls achssymmetrisch
bezüglich
einer Symmetrieachse der Querschnittsfläche des Grundkörpers 1 angeordnet.
Auch liegen die Wirkachsen der Hebelelemente 3, 9 auf
einer Verbindungslinie durch den Mittelpunkt der Querschnittsfläche des
Grundkörpers 1.
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Im Gegensatz zum Aktormodul nach 1 weist das Aktormodul nach 3 jeweils zwei piezoelektrische
Stapelaktoren 5, 6 pro Hebelelement 3, 9, also
insgesamt vier Piezostacks 5, 6, auf. Die zwei
einem Hebelelement 3, 9 zugeordneten Piezostacks 5, 6 sind
auf gegenüberliegenden
Seiten der entsprechenden Hebelelemente 5, 6 angeordnet
und in einzelnen Aktoraufnahmen 4, welche im Grundkörper 1 ausgebildet
sind, gelagert. Dabei stehen die Piezostacks 5, 6 jeweils
in Wirkverbindung mit den entsprechenden Seitenflächen der
zugehörigen
Hebelelemente 3, 9. Die jeweils auf eines der
Hebelelemente 3, 9 wirkenden und auf gegenüberliegenden
Seiten des entsprechenden Hebelelementes angeordneten Piezostacks 5, 6 wirken
dabei gegeneinander.
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Ist die Anzahl, der pro Hebelelement 3, 9 gegeneinander
wirkenden Piezostacks, wie in 3 gezeigt,
mindestens zwei, kann eine zusätzliche
Vorspanneinrichtung, beispielsweise durch Federelemente, zur Unterdrückung schädlicher
Zugkräfte
auf die Piezostacks 5, 6 entfallen. Eine derartige
Vorspannung der Anordnung kann beispielsweise durch stoffschlüssiges Verbinden
von Piezostack und Aktoraufnahme bei elektrisch erzeugter Verkürzung der Piezostacks
während
der Montage oder mit von Außen
einstellbaren Justierelementen erzeugt werden. Damit kann praktisch
der gesamte freie Hub der Piezostacks 5, 6 ausgenutzt
werden. Gleichzeitig wird eine thermische Kompensation der Aktoreinrichtung erreicht.
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Die gegeneinander wirkenden Piezostacks 5, 6 der
einzelnen Hebelelemente 3, 9 nach 3 sind über die Steuer- und/oder Regeleinrichtung
miteinander elektrisch gekoppelt, wodurch beispielsweise eine Längenvergrößerung des
Piezostacks 5 und eine Längenverkürzung des Piezostacks 6 durch
jeweils gleichsinnige Ansteuerung derselben erfolgt.
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Das in 3 gezeigte
Ausführungsbeispiel ermöglicht folglich
die Einsparung zusätzlicher
(mechanischer) Vorspannelemente und die Realisierung einer thermischen
Kompensation innerhalb der Aktormodule durch die beschriebene Differentialanordnung
der Piezostacks.