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.The present invention relates to
a device for generating a rotational movement, the
especially in mechatronic facilities, such as machine tools,
Handling systems or robots can be used and one use
such a device for generating a rotational movement.
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.With the introduction of mechatronic machine concepts
in mechanical engineering, such as in parallel structured machines
and robots, are qualitative advantages, like small moving masses,
high achievable accelerations and a high number of repetition parts
(Modular principle) connected. However, these require mechatronic
Machine concepts partially properties, in particular the
Stiffness and the susceptibility to vibration of such mechatronic devices
and thus the achievable manufacturing or positioning accuracy
influence negatively.
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.Such a device is in the DE 197 12 919 C1 described. This document shows a base body which has a lever element and an actuator. The base body and the lever element are integrally connected to one another in the region of a solid-state joint, and are otherwise arranged while leaving a distance. The actuator for generating a relative movement between the base body and the holding element is arranged between them.
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.In the EP 0 085 745 B1 a fine rotation mechanism is described. This publication shows a rotor which has a first and a second section. In addition, two piezoelectric elements are shown which are coupled between the first and the second section of the rotor in the direction of the extension and contraction. The two sections are integrally connected to one another in the area of a solid-state joint.
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.The US 4,578,607A describes a piezoelectric rotation mechanism. Movable and fixed sections are arranged on a disk and are connected to one another by a coupling section which is arranged in the center of the disk. The movable sections are connected to the coupling section via elastic joints. The movable sections are further connected to the fixed sections by piezoelectric elements.
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.In the DE 41 43 162 C1 describes a ballig dressing device with a piezoelectric drive. In this device, a dressing diamond is clamped in an angle lever. A flexible joint is formed between the angle lever and a base body. A piezoelectric translator is accommodated in the base body. A ball is attached between the piezoelectric translator and a collar bushing. Power is transferred from the piezoelectric translator to the angle lever via the ball and the collar bush. The back of the piezoelectric translator is locked by another ball, which is held in a cover by a bolt as a counter bearing.
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.From the DE 199 03 613 C1 It is known to compensate for manufacturing and positioning errors of a tripod mounting device, which can be traced back to a lack of rigidity of individual structural components of the tripod mounting device, by means of a torsion compensation method using fast actuator components in cooperation with a corresponding control device and to suppress parasitic vibrations in a compensatory manner , A torsion drive is proposed as an actuator component for generating a high dynamic rigidity.
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.From theoretical considerations
known piezoelectric actuators appear, in particular
because of their excellent dynamic properties, for education
such fast actuator components are particularly suitable. however
are piezoelectric due to the low achievable mechanical expansion
Elements, i.e. the small achievable changes in length, despite maximum
electrical material utilization with piezoelectric stack actuators
only practicable linear deflections in the range of a few
10 micrometers, but with large forces of a few thousand Newtons,
reachable.
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.If such a linear movement is converted into a rotary movement, angular ranges of a maximum of 0.05 to 0.1 degrees result. Such a rotary range of motion is too small for most compensation applications. For example, in the tripod storage device DE 199 03 613 C1 the length-adjustable struts equipped with a piezoelectric torsion actuator as a fast actuator component can, due to relatively large parasitic compliance in the individual assemblies, in particular the joints and the struts, a necessary adjustment range for active compensation of the torsional movements caused by disturbing forces assume such large angular ranges that with piezoelectric (torsion) actuators compensation is impossible. Accordingly, in order to be able to use such piezoelectric actuators as actuator components, there is a need to increase the reach or angular range that can be achieved.
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.For such an increase in the travel of actuator components with translatory or rotary movements is from the DE 196 40 108 C1 known to a piezoelectric actuator with rod-shaped transmission members (lever arms) couple which mechanically increase a change in length of the actuator. At the in the DE 196 40 108 C1 The proposed solution is disadvantageous, however, that if the adjustment path is increased by a factor N, the force by this factor N and the rigidity of the arrangement in the direction of movement even decrease by the square of the factor N. A tenfold increase in travel distance would result in a hundredfold reduction in the rigidity of the arrangement. Known solutions implemented according to this lever arm principle for mechanical engineering applications are therefore usually limited to the factor N = 3.
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.The invention is therefore the object
based, a device for generating a rotational movement
and to indicate a use thereof by which a rotary
Compensation movement with high dynamics precise with little influence
the rigidity of the device can be generated by an actuator.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung mit den Merkmalen
des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by a device for generating a rotational movement with the features of the claim 1 solved.
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.With the present device
to generate a rotational movement is advantageous
Way a translational movement of the at least one actuator
into a rotary movement of the actuator module and thus into one
rotary movement of the device for generating a rotary
Movement implemented, with a relative movement between the body and
the lever element occurs. Furthermore, advantageously
high rigidity of the device in an axial direction, that is
transverse to the rotational movement, as well as a low rigidity
provided in the direction of the rotational movement, in particular the
Solid joint
a slight in a tangential direction of the actuator module and in
an axial direction of the same has a high rigidity.
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.The device for generating a
rotary motion also has several in a row arrangement
arranged and mutually coupled actuator modules, wherein
the lever elements of the individual actuator modules with the base bodies of the
respective subsequent actuator modules are connected and the
individual actuator modules spaced from each other by means of distance means
are.
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.The present device for generating a
rotary motion has several actuator modules for generating a
highly dynamic rotary movement, which can be strung together.
If M actuator modules are strung together, this multiplies
the maximum setting angle that can be achieved by this factor M, the transferable force
remains the same, the rigidity of the arrangement in the direction of movement
only decreases by a factor of 1 / M. Thus, the
Number of actuator modules the angular range that can be achieved is freely set
be a very variable device with a large angle
is realized.
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.According to another preferred
embodiment
has the device for generating a rotational movement
a control and / or connected to the at least one actuator
Control device for determining a manipulated variable and / or a
Actuation of the actuator with a control value. This tax
and / or control device can also be equipped with a measuring device
Detection of a torsion and / or vibration may be connected.
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.The base body and the are preferably
Lever element from a common semi-finished product through material processing
of the same, being basic body
and lever element made of a high-strength material, in particular steel,
can be trained.
In this embodiment, in particular, there is high rigidity
the arrangement in the axial direction. Furthermore, the base body can have an axis
and / or rotationally symmetrical, in particular circular or elliptical
Cross sectional area
have, which is a manufacturing technology and accordingly
In the manufacture inexpensive embodiment
results.
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.According to a particularly preferred
embodiment
are the lever element and the base body by means of two slit-shaped,
preferably parallel recesses separated from each other, wherein
these recesses from an outer surface of the
the body
inwards
run and the solid body joint
by means of a taper
the lever element is formed at an inner end thereof
is.
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.The actuator is according to one
another embodiment
in a recess in the base body
at least partially incorporated and cohesively with the same or
form-fitting
connected. An extent can be one
Relative movement between the lever element and the base body by means of
a distance between the actuator and the solid joint
be defined. Furthermore, the actuator is preferably variable in length
formed and in particular comprises a piezo actuator, a piezoelectric
Stack actuator, a magneto- or electrostrictive actuator, one
electric drive or a working cylinder.
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.Furthermore, the at least one lever element can interact with at least two actuators, the actuators being arranged on opposite sides of the lever element. This arrangement of the actuators within the individual actuator modules, at least in pairs (differential arrangement), makes it possible to dispense with an additional mechanical pretensioning device (for example spring element) for suppressing tensile forces on the actuators. This means that practically the entire free stroke of the actuators can be achieved be used. At the same time, this paired arrangement of the actuators enables thermal compensation of the actuator arrangement. In addition, with passive actuators in the direction of the rotational movement of the actuator modules, a high degree of rigidity is ensured, the rigidity of the overall arrangement being so great that the actuator module or the device for generating a rotational movement in the case of a non-active compensation regime, for example in the event of a defect in the actuators practically causes no additional compliance.
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.According to a particularly preferred
embodiment
is the actuator as a piezo actuator or as a piezoelectric stack actuator
formed and has a bias in the assembled state, which
by means of a, in particular electrically generated, shortening of the
Actuator during assembly or by means of adjustable adjustment elements
can be generated. The extent of one
Relative movement between the lever element and the base body is
in the form of a piezo actuator or a piezoelectric stack actuator
Actuator by means of an electrical control voltage of the piezo actuator
or the piezoelectric stack actuator adjustable.
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.It is also advantageous if
the device for generating a rotational movement at least
has two lever elements, the at least two lever elements
each at an inner end of the same by means of a solid body joint
with the main body
are connected. The at least two lever elements are preferably
axially symmetrical with respect
an axis of symmetry of the cross-sectional area of the base body and / or
point symmetric with respect
a center of the cross-sectional area of the base body.
In a particularly advantageous embodiment, the device
to generate a rotational movement two lever elements, which
axially symmetrical with respect
the axis of symmetry of the cross-sectional area of the base body and
point symmetric with respect
the center of the cross-sectional area of the base body
are, or three lever arms, which are star-shaped and point-symmetrical with respect to the
Center of the cross-sectional area
arranged of the base body
are on.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung sind in den
weiteren abhängigen
Ansprüchen
dargelegt.Further preferred embodiments of the
Devices for generating a rotational movement are in the
other dependent
claims
explained.
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.The device explained above
to generate a rotational movement can be used as a torsion actuator
to compensate for a torsion acting on the same and / or
Vibration can be used, the torsion actuator being a large achievable
Has setting angle. The reachable setting angle is
depending on a number of actuator modules coupled in series.
Die Erfindung wird nachstehend anhand
von bevorzugten Ausführungsbeispielen
in Verbindung mit den zugehörigen
Zeichnungen näher
erläutert.
In diesen zeigen:The invention is illustrated below
of preferred embodiments
in conjunction with the associated
Drawings closer
explained.
In these show:
1 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispieles eines Aktormoduls
der Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer
Draufsicht; 1 a schematic representation of an embodiment of an actuator module of the device for generating a rotational movement in a plan view;
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 2 a schematic representation of an embodiment of the device for generating a rotary movement in a side view with two coupled actuator modules and a third actuator module to be connected to the two coupled actuator modules; and
3 eine
schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispieles eines Aktormoduls der
Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen Bewegung in einer
Draufsicht. 3 is a schematic representation of a further embodiment of an actuator module of the device for generating a rotational movement in a plan view.
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.In the following, an in 1 Embodiment shown an actuator module of the device for generating a rotary movement explains the basic structure and operation of the same, wherein the actuator module is provided for generating a highly dynamic rotary movement with a large setting angle.
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.This in 1 The exemplary embodiment of an actuator module shown has a disk-shaped base body 1 made of a high-strength and limited elastic material, in this embodiment steel, with a circularly symmetrical cross-sectional area. The circularly symmetrical design of the cross-sectional area leads to a very compact structure which can be easily integrated into an existing device, for example a mechatronic machine tool. In addition, due to the avoidance of protruding body edges, there is a high level of work safety. However, the present device for generating a rotary movement is not limited to this circularly symmetrical configuration of the cross-sectional area. Depending on the specific application, an elliptical or polygon cross-sectional area can also be formed.
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.This in 1 Actuator module shown also has two lever elements 3 . 9 on which each by means of solid joints 2 with the main body 1 are connected. In the in 1 Embodiment shown are these two lever elements 3 . 9 axially symmetrical with respect to an axis of symmetry of the cross-sectional area of the base body 1 arranged. The axes of action of the lever elements are also located 3 . 9 on a connecting line through a center point of the cross-sectional area of the base body 1 , However, the present device for generating a rotary movement is not limited to the number of lever elements mentioned and the arrangement of these lever elements described. The device for generating a rotary movement can, for example, also have a lever arm or three lever arms which are arranged in a star shape and point symmetry with respect to the center of the cross-sectional area of the base body.
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.In the in 1 The embodiment shown are the basic body 1 and the two lever elements 3 . 9 Made from a semi-finished product, the semi-finished product being made from the same areas with articulation in the semi-finished product 2 , which are worked out in the lever elements 3 . 9 pass. Here are the individual lever elements 3 . 9 and the main body 1 in each case by means of two slot-shaped and parallel recesses 20 separated from each other, these recesses 20 of a jacket or outer surface of the semi-finished product, which a jacket or outer surface of the base body 1 corresponds, run inward.
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.A respective solid-state joint 2 is at an inner end of the associated lever element 3 . 9 produced by forming a taper. This rejuvenation is carried out in 1 shown embodiment by forming recesses, in this case bores, in the region of the inner end of the lever elements 3 . 9 Are defined. The solid joints 2 each have a low stiffness in the tangential direction of the actuator module and a very high stiffness in the axial direction.
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.Furthermore, the actuator module in the in 1 shown embodiment each have a piezoelectric stack actuator 5 . 6 , a so-called piezo stack, per lever element 3 . 9 , a total of two piezostacks. Each of the piezostacks 5 . 6 is in a single recess 4 which in the main body 1 is formed, the so-called actuator mount. The individual actuator recordings 4 are each adjacent to the side surfaces of the respective lever elements 3 . 9 arranged, the piezostacks 5 . 6 in operative connection with these side surfaces of the lever elements 3 . 9 stand.
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.Consequently, the actuator module in this exemplary embodiment comprises a total of two actuators 3 . 9 , each with an actuator 3 . 9 in an actuator holder 4 is recorded and on one of the lever elements 3 . 9 acts. The piezostacks 5 . 6 act as actuators for generating a relative movement between the base body 1 and the respective lever elements 3 . 9 , wherein a degree of relative movement between the lever elements 3 . 9 by changing the length of the piezo stack 5 . 6 is effected.
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.A regulation of the changes in length of the individual piezostacks 5 . 6 takes place by means of a corresponding electrical control voltage of the individual piezostacks 5 . 6 which by using the piezostacks 5 . 6 connected control and / or regulating device (not shown) for determining the electrical control voltage is connected.
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.The extent of the relative movement between the base body 1 and the respective lever elements 3 . 9 is also dependent on the respective distances between the individual piezo stacks 5 . 6 and the solid joints 2 dependent, these distances the lever arms by the piezostacks 5 . 6 force applied to the lever elements 3 . 9 and thus form the leverage ratio.
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.The piezostacks 5 . 6 generate a translational expansion or compression during the electrical actuation of the same, which by means of the arrangement of lever elements 3 . 9 and solid-state joints 2 is converted into a rotary motion. Between the lifting elements 3 . 9 and the other components of the actuator module thus result in a relative movement, the size of which depends on the lever ratio (distance between the actuator receptacle 4 and solid-state joint 2 ) defined and via the size of the electrical control voltage of the corresponding piezo stack 5 . 6 is controllable.
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.The piezostacks 5 . 6 are in the in 1 Embodiment shown on one side of the connecting line through the center of the cross-sectional area of the base body 1 which are the two lever elements 3 . 9 connects, arranged. The control regime of the piezostacks 5 . 6 is chosen in such a way that one of the piezostacks 5 . 6 just shortened by the amount by which the corresponding other piezo stack 5 . 6 expands. Based on the representation in 1 this means that, for example, the exposed end of the lever element arranged on the left 3 upwards and the exposed end of the lever element arranged on the right 9 moved down by the same amount. Consequently, the connecting line describes the effective axes of the lever elements 3 . 9 a rotational movement around the center of the cross-sectional area of the base body 1 ,
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.In 1 are the two piezo stacks 5 . 6 above the connecting line through the center of the cross-sectional area of the base body 1 which are the two lever elements 3 . 9 connects, arranged. However, the present device for generating a rotary movement is not restricted to this exemplary embodiment. Both piezo stacks can also be made without having to make any major changes 5 . 6 in 1 below the connecting line or one of the two piezo stacks 5 . 6 below and the corresponding other piezo stack 5 . 6 be arranged above the connecting line. In order to enable such arrangements, we continue from 1 removable, two further actuator mounts below the connecting line 4 trained, each one of the other actuator receptacles 4 adjacent to one of the lever arms 3 . 9 is arranged.
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.In 2 is a further embodiment of the device for generating a rotary movement with three actuator modules 10 . 11 . 12 shown in an intermediate stage of assembly thereof being a first and a second actuator module 10 . 11 coupled with each other and a third actuator module 12 for coupling to the already connected actuator modules 10 . 11 is provided. The individual actuator modules 10 . 11 . 12 like that related to 1 Embodiment of an actuator module described.
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.As previously related to 1 explained, the actuator module has a base body 1 and two opposite and on a common connecting line through the center of the cross-sectional area of the base body 1 arranged lever elements 3 . 9 on. Out 1 can also be seen that the lever elements 3 . 9 each have a recess at the exposed end thereof 8th exhibit. These recesses, which are circular in this exemplary embodiment 8th are each for receiving a lanyard 14 between the individual actuator modules 10 . 11 . 12 intended. The recesses 8th of the individual lever elements 3 . 9 are on a connecting line through the center of the cross-sectional area of the base body 1 arranged. Furthermore is off 1 removable that the main body 1 two recesses 7 which, on a further connecting line through the center of the cross-sectional area of the base body 1 are arranged. These recesses, which are elliptical in this exemplary embodiment 7 are also used to hold the lanyard 14 intended.
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.A distance between the individual recesses 7 of the basic body 1 and the center of the cross-sectional area of the base body 1 corresponds to a distance between the individual recesses 8th of the lever elements 3 . 9 and the center of the cross-sectional area of the base body 1 , Furthermore, the connecting line of the recess 7 in the basic body 1 perpendicular to the connecting line of the recesses 8th of the lever elements 3 . 9 arranged.
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.For connecting the individual actuator modules 10 . 11 . 12 the individual actuator modules 10 . 11 . 12 tangentially rotated against each other by an angle of 90 °. As a result, they are in the lever elements 3 . 9 of the first actuator module 10 trained recesses 8th adjacent to those in the main body 1 of the second actuator module 11 trained recesses 7 arranged. Furthermore, they are in the lever elements 3 . 9 of the second actuator module 11 trained recesses 8th adjacent to those in the base body of the third actuator module 12 trained recesses 7 arranged. The recesses 7 . 8th in the lever elements 3 . 9 or the base body 1 are provided for receiving a suitable connecting means, for example a dowel pin, between the actuator modules.
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.A coupling of the individual actuator modules 10 . 11 . 12 in a row arrangement so that the lever elements 3 . 9 of the individual actuator modules 10 . 11 . 12 with the basic bodies 1 of the respective subsequent actuator modules 10 . 11 . 12 are connected, the actuator modules being directly coupled to one another 10 and 11 or 11 and 12 by means of distance means 13 are spaced from each other.
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.More specifically, are in the 2 example shown the first and the second actuator module 10 . 11 by appropriately connecting the lever elements 3 . 9 of the first actuator module 10 by means of the connecting means 14 with the main body 1 of the second actuator module 11 coupled, causing a rotational movement of the lever elements 3 . 9 of the first actuator module 10 on the main body 1 of the second actuator module 11 is transmitted. If the length of the piezoelectric actuators changes 5 . 6 of the first actuator module 10 become the lever elements 3 . 9 of the first actuator module 10 and the basic body connected to it 1 of the second actuator module 11 rotationally moved. Accordingly, a first (partial) positioning angle or (partial) movement angle is created, the first partial positioning angle with a maximum change in length of the stack actuators 5 . 6 reached its maximum. Will the piezoelectric actuators 5 . 6 of the second actuator module 11 in the same direction as the first actuator module 10 are controlled, the lever elements 3 . 9 of the second actuator module 11 towards the main body 1 of the second actuator module 11 rotatory shifted. As a result, the rotational movements (or movement angles) of the first and the second actuator module add up 10 . 11 , With a similar design of the actuator modules 10 . 11 and maximum control of the individual stack actuators 5 . 6 the actuator modules 10 . 11 can be between the base body 1 of the first actuator module 10 and the lever elements 3 . 9 of the second actuator module 11 achieve a doubling of the achievable movement angle, that is to say the achievable setting angle.
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.In the in 2 The illustrated embodiment continues to be the second actuator module 11 by appropriately connecting the lever elements 3 . 9 of the second actuator module 11 by means of further connecting means 14 with the main body 1 of the third actuator module 12 coupled, causing a rotational movement of the lever elements 3 . 9 of the second actuator module 11 on the main body 1 of the third actuator module 12 is transmitted. If the length of the piezoelectric actuators changes 5 . 6 of the second actuator module 11 become the lever elements 3 . 9 of the second actuator module 11 and the basic body connected to it 1 of the third actuator module 12 rotationally moved. Accordingly, a second (partial) positioning angle or (partial) movement angle is created, the second partial positioning angle with a maximum change in length of the stack actuators 5 . 6 reached its maximum. Will the piezoelectric actuators 5 . 6 of the third actuator module 12 in the same direction as the second actuator module 11 are controlled, the lever elements 3 . 9 of the third actuator module 12 towards the main body 1 of the first and the second actuator module 10 . 11 rotatory shifted. consequently the rotary movements (or movement angles) of the first, the second and the third actuator module add up 10 . 11 , With a similar design of the actuator modules 10 . 11 . 12 and maximum control of the individual stack actuators 5 . 6 the actuator modules 10 . 11 . 12 can be between the base body 1 of the first actuator module 10 and the lever elements 3 . 9 of the third actuator module 12 tripling the achievable movement angle, i.e. the achievable setting angle. Accordingly, when connecting three actuator modules 10 . 11 . 12 the range of motion of the device for generating a rotary motion can be increased by a factor of 3.
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.As can be seen from the previous description
is, can
a variety of actuator modules for the generation of highly dynamic rotary
Movements are coupled to each other, with M strung together
Actuator modules multiply the achievable setting angle by
the factor M is attainable. The transferable force remains constant
and the rigidity of the arrangement in the direction of movement only increases
by a factor of 1 through M.
In 3 ist
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Aktormoduls einer Vorrichtung zur Erzeugung einer rotatorischen
Bewegung gezeigt.In 3 Another embodiment of an actuator module of a device for generating a rotary movement is shown.
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.Comparable to that in 1 shown embodiment shows in 3 Actuator module shown a disk-shaped base body 1 made of a high-strength elastic material with a circular symmetrical cross-sectional area. The actuator module also detects 3 also two lever elements 3 . 9 on which each by means of solid joints 2 with the main body 1 are connected. In addition, the lever elements 3 . 9 likewise axially symmetrical with respect to an axis of symmetry of the cross-sectional area of the base body 1 arranged. The axes of action of the lever elements are also located 3 . 9 on a connecting line through the center of the cross-sectional area of the base body 1 ,
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.In contrast to the actuator module 1 demonstrates the actuator module 3 two piezoelectric stack actuators each 5 . 6 per lever element 3 . 9 , a total of four piezostacks 5 . 6 , on. The two a lever element 3 . 9 assigned piezostacks 5 . 6 are on opposite sides of the corresponding lever elements 5 . 6 arranged and in individual actuator recordings 4 which in the main body 1 are trained, stored. The piezostacks are there 5 . 6 each in operative connection with the corresponding side surfaces of the associated lever elements 3 . 9 , Each on one of the lever elements 3 . 9 acting piezo stack arranged on opposite sides of the corresponding lever element 5 . 6 act against each other.
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.Is the number per lever element 3 . 9 counteracting piezo stacks, as in 3 shown, at least two, an additional biasing device, for example by spring elements, to suppress harmful tensile forces on the piezo stack 5 . 6 omitted. Such a pre-tensioning of the arrangement can be generated, for example, by materially connecting the piezo stack and actuator receptacle with an electrically generated shortening of the piezo stack during assembly or with adjustment elements that can be adjusted from the outside. This means that practically the entire free stroke of the piezo stack 5 . 6 be exploited. At the same time, thermal compensation of the actuator device is achieved.
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.The opposing piezo stacks 5 . 6 of the individual lever elements 3 . 9 to 3 are electrically coupled to one another via the control and / or regulating device, which, for example, increases the length of the piezo stack 5 and a reduction in the length of the piezo stack 6 by controlling them in the same direction.
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.This in 3 The exemplary embodiment shown consequently enables the saving of additional (mechanical) prestressing elements and the realization of thermal compensation within the actuator modules by means of the described differential arrangement of the piezostacks.
