DE19710601C2

DE19710601C2 - Motion generator

Info

Publication number: DE19710601C2
Application number: DE1997110601
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Ing Goetze; Carsten Dipl Ing Haertel; Roland Prof Dr Ing Kasper
Original assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Current assignee: Otto Von Guericke Universitaet Magdeburg
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 1999-05-20
Anticipated expiration: 2017-03-15
Also published as: DE19710601A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bewegungsgenerator entsprechend dem Hauptanspruch, vorzugsweise auf einen Bewegungsgenerator auf der Basis von Piezoaktuatoren.The invention relates to a motion generator according to the Main claim, preferably a motion generator based on Piezo actuators.

Der Einsatz piezoelektrischer Linearaktuatoren in Antrieben, Bewegungswandlern u. dgl. ist allgemein bekannt. Derartige Linearaktuatoren dehnen sich bei Anlegen einer elektrischen Spannung an ihre Anschlußklemmen vorwiegend entlang ihrer Hauptachse aus und können somit eine Bewegung und Kraftwirkung auf angekoppelte Körper, z. B. auf ein Abtriebsglied oder einen Winkelhebel eines Wegvergrößerungssystems u. dgl. ausüben. Hierbei werden bei geringen Aktuatorwegen große Kräfte übertragen. Die Ansteuerungsfunktionen zur zeitlichen Veränderung des Aktuatorhubes, die letztendlich das Bewegungsgesetz des Abtriebsgliedes bestimmen, werden von einer Steuereinheit generiert und in spannungsentsprechende Stellsignale zur elektronischen Ansteuerung der Aktuatoren gewandelt.The use of piezoelectric linear actuators in drives, motion transducers and. Like well known. Such linear actuators expand when an electrical one is applied Voltage on their terminals mainly along their main axis and can a movement and force effect on coupled bodies, e.g. B. on an output member or Angle lever of a path enlargement system u. Exercise like. Here, at low Actuator paths transfer large forces. The control functions for the temporal Change in the actuator stroke, which ultimately the law of motion of the output member determine are generated by a control unit and in voltage-appropriate control signals converted to electronic control of the actuators.

Unter den bekannten Antrieben mit Piezoaktuatoren gibt es Versionen, die nach dem Prinzip der Addition kleiner Schritte arbeiten, welche zu einer Rotation oder Translation eines Körpers führen. Sie weisen in der Regel Reibpaarungen an der Kontaktstelle zwischen dem Abtriebsglied der Antriebseinheit und dem nachfolgenden bewegten Körper auf. Der dabei auftretende Schlupf bewirkt Ungenauigkeiten in der Bewegungs- und Kraftübertragung. Viele Anwendungen sind bekannt, die im Nano- bzw. Mikrometerbereich eine hochgenaue Verschiebung von Körpern ermöglichen oder eine Verstellbewegung rotatorischer und translatorischer Art erzeugen.Among the known drives with piezo actuators there are versions based on the principle of Addition of small steps work, which lead to a rotation or translation of a body to lead. They usually have friction pairings at the contact point between the output member the drive unit and the following moving body. The slip that occurs causes inaccuracies in the movement and power transmission. Many applications are known that in the nano or micrometer range a highly accurate displacement of bodies enable or generate an adjustment movement of a rotary and translatory type.

Bekannt sind auch Antriebsversionen, bei denen ein piezoelektrisches Element seine, durch eine hochfrequente Spannung erzeugte, Schwingung auf ein kontaktiertes Abtriebselement überträgt (z. B. DE 37 03 676 A1, DE 38 33 342 A1). Diese Abtriebsbewegung kann sowohl translatorischer als auch rotatorischer Art sein. Die zu erzeugende Schrittbewegung kann auch durch wechselseitiges Ansteuern von piezoelektrischen Klemm-Schub-Vorrichtungen erfolgen. Dabei ist es auch möglich, die Antriebsrichtung zu verändern (DE 38 25 587 A1, DE 40 38 020 A1, DE 43 29 163 A1, US 5,332,942, US 5,319,257). Drive versions are also known in which a piezoelectric element is provided by a generated high-frequency voltage, transmits vibration to a contacted output element (e.g. DE 37 03 676 A1, DE 38 33 342 A1). This output movement can be more translational as well be of a rotary nature. The step movement to be generated can also be reciprocal Control of piezoelectric clamping-pushing devices take place. It is also there possible to change the drive direction (DE 38 25 587 A1, DE 40 38 020 A1, DE 43 29 163 A1, US 5,332,942, US 5,319,257).

Für Rotationsmotoren ist auch die Bezeichnung Ultraschallmotor und Schwingungsmotor auf dem breiten Gebiet der piezoelektrischen Antriebe geprägt worden, wenn die Bewegung auf hochfrequenten Schwingungen von Piezoaktuatoren basiert.The term ultrasonic motor and vibration motor is also used for rotary motors The wide field of piezoelectric drives has been shaped when the movement is on high-frequency vibrations based on piezo actuators.

Dieses Schwingungsübertragungsprinzip ist bei Anwendungen unter Nutzung von Kraft- bzw. Reibschluß sehr häufig variiert worden, was die Beispiele DE 40 02 254 A1, DE 42 28 312 A1, DE 42 43 323 A1, DE 43 30 032 A1, US 5,103,128, WO 93/19494 nachhaltig belegen. Nachteilig ist dabei sehr oft die schon erwähnte Ungenauigkeit der Bewegungsübertragung und die geringe Güte der Kraftübertragung, was bei den Patenten DE 41 27 163 A1, WO 92/10874, WO 94/07271 zur Substitution der Reibpaarung durch eine formschlüssige Paarung (z. B. Verzahnung) führte.This vibration transmission principle is for applications using force or Friction has been varied very often, what the examples DE 40 02 254 A1, DE 42 28 312 A1, DE 42 43 323 A1, DE 43 30 032 A1, US 5,103,128, WO 93/19494 prove sustainably. A disadvantage is very often the already mentioned imprecision of the transmission of movement and the low quality of the power transmission, which is what the patents DE 41 27 163 A1, WO 92/10874, WO 94/07271 for the substitution of the friction pairing by a form-fitting pairing (e.g. Gearing) led.

Im Patent US 5,068,565 werden beispielsweise die geringen Auslenkungen von mehreren piezoelektrischen Linearaktuatoren mit jeweils zugeordneten Mechanismen vergrößert, bevor diese zum Antreiben eines im Gestell gelagerten Rotors genutzt werden. Bei dieser Lösung, bei welcher der Rotor nur Drehbewegungen um eine gestellfeste Lagerachse ausführen kann, kommt in der jeweiligen Kontaktstelle zwischen Mechanismus und Rotor eine kraftschlüssige Verbindung zur Anwendung.In US Pat. No. 5,068,565, for example, the small deflections of several piezoelectric linear actuators with associated mechanisms enlarged before these are used to drive a rotor mounted in the frame. With this solution, at which the rotor can only perform rotary movements around a bearing axis fixed to the frame in the respective contact point between the mechanism and the rotor a non-positive Connection to the application.

Einen neuen Gedanken zur Erzeugung einer rotierenden Abtriebsbewegung eines Körpers zeigt die DE 195 38 978 C1 mit einer räumlichen Anordnung dreier Stapelaktuatoren, die über eine Taumelscheibe ein Innenzahnrad kontinuierlich zur Rotation bringen. In diesem Fall ist die Kontaktstelle vorzugsweise formschlüssig ausgeprägt.Shows a new thought for generating a rotating output movement of a body DE 195 38 978 C1 with a spatial arrangement of three stack actuators, which have a Swashplate continuously rotate an internal gear. In this case it is Contact point preferably pronounced positively.

Als weitere Versionen piezoelektrischer Antriebe sind auch Membranpumpen bekannt, bei denen zur Generierung von Schwing- oder Schwenkbewegungen piezokeramische Aktuatoren auf einen Hebel wirken, der über Zwischenelemente eine Membran antreibt (DE 39 26 348 C2). Eine Hebelwirkung liegt auch der Balligabrichteinrichtung mit piezoelektrischem Antrieb nach DE 41 43 162 A1, der Werkzeugschneiden-Verstelleinrichtung nach DE 44 01 496 A1, der Punktschweißzange nach DE 43 02 457 A1, einer optischen Stellschraube nach US 5,410,206 und einem Laserscannerantrieb nach WO 90/13842 zugrunde. Ein verstellbarer Hebel, als eine piezogesteuerte Weiche für ein Münzgerät angewendet, ist in DE 42 35 652 A1 beschrieben worden, welcher nur zwei Stellungen realisieren muß.Diaphragm pumps are also known as further versions of piezoelectric drives, in which to generate oscillating or swiveling movements piezoceramic actuators on one Act lever, which drives a membrane via intermediate elements (DE 39 26 348 C2). A The ballig dressing device with piezoelectric drive is also leveraged DE 41 43 162 A1, the tool cutting adjustment device according to DE 44 01 496 A1, the Spot welding gun according to DE 43 02 457 A1, an optical adjusting screw according to US 5,410,206 and based on a laser scanner drive according to WO 90/13842. An adjustable lever, as one Piezo-controlled switch used for a coin-operated device has been described in DE 42 35 652 A1, which only has to realize two positions.

Mehrteilige Mechanismen zur Vergrößerung der Aktuatorausdehnungen und zur Generierung von Schwenk- bzw. Winkelbewegungen sind beispielsweise mechanische Grundlage für den Verschiebungsverstärkungsmechanismus nach US 5,270,984, den Druckkopf nach US 4,976,553, den Drahtantriebsmechanismus nach WO 91/06429 und die Poliervorrichtung nach EP 393615 A1. Die allgemeine Bewegung eines Gelenkrahmenkoppelpunktes als Punkt der Bohrstange einer Feinbohrarbeitsspindel zeigt DE 43 12 937 A1. Hierbei wird vom Koppelpunkt nur ein kleiner Abschnitt einer Koppelkurve abgefahren.Multi-part mechanisms for enlarging the actuator expansion and for generation of pivoting or angular movements are, for example, a mechanical basis for the Shift amplification mechanism according to US 5,270,984, the print head according to US 4,976,553, the wire drive mechanism according to WO 91/06429 and the polishing device according to EP 393615 A1. The general movement of an articulated frame coupling point as the point of DE 43 12 937 A1 shows the boring bar of a fine boring spindle. Here, the crosspoint only traversed a small section of a coupling curve.

Der angeführte Stand der Technik zeigt, daß eine große Zahl von Bewegungsgeneratoren entwickelt wurde. Deren mechanische Struktur und elektrische Ansteuerung ist jedoch jeweils für einen speziellen Bewegungsablauf des Abtriebsgliedes ausgelegt, z. B. ausschließlich für eine Rotation bzw. Schwingbewegung in einer Ebene oder ausschließlich für eine geradlinige Translation in einer Ebene. Der funktionelle Anwendungsbereich dieser Bewegungsgeneratoren ist somit relativ begrenzt. Insofern mangelt es an Lösungen, bei denen das Abtriebsglied innerhalb eines Aktionsbereiches, der durch das Längenänderungsvermögen der Aktuatoren bestimmt ist, einen im wesentlichen frei programmierbaren ebenen Bewegungsablauf ausführen kann.The cited prior art shows that a large number of motion generators was developed. However, their mechanical structure and electrical control are each designed for a special movement of the output member, e.g. B. exclusively for one Rotation or swinging motion in one plane or only for a straight line Translation in one level. The functional area of application of these motion generators is therefore relatively limited. In this respect there is a lack of solutions in which the output link within an area of action that is determined by the length change capacity of the actuators is intended to perform an essentially freely programmable, flat movement sequence can.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen multifunktionell einsetzbaren, vorzugsweise piezoelektrisch angetriebenen Bewegungsgenerator zu schaffen, mit welchem sich wahlweise an dessen Abtriebsglied unterschiedliche Bewegungen über anzusteuernde Aktuatoren erzeugen lassen.The invention is therefore based on the object of providing a multifunctional, preferably to create piezoelectrically driven motion generator with which optionally different movements on the output member via actuators to be controlled let generate.

Mit der Erfindung soll also ein Bewegungsgenerator geschaffen werden, dessen Abtriebsglied innerhalb des von den Aktuatoren bestimmten Aktionsbereiches eine im wesentlichen frei programmierbare ebene Bewegung ausführen kann, so daß es z. B. wahlweise um ein Zentrum schwingt oder rotiert oder eine Translation ausführt. Die Translationsbewegung des Abtriebsgliedes soll dabei entlang einer geschlossenen Kurve erfolgen, so daß die Bewegung wiederkehrend ist. Die geschlossene Kurve soll allgemein (für eine Kurvenschiebung), kreisförmig (für eine Kreisschiebung), dreiecksförmig (für eine in Abschnitten erfolgende Geradschiebung) vorgebbar sein. Bei dem zu schaffenden Bewegungsgenerator sollen zusätzlich die Verwendung kraftschlüssiger Verbindungen bei der Bewegungs- und Kraftübertragung und damit deren bekannte Nachteile vermieden werden. With the invention, therefore, a motion generator is to be created, the output member within the range of action determined by the actuators, essentially free Programmable level motion can perform, so that it z. B. optionally around a center swings or rotates or performs a translation. The translational movement of the The output member should take place along a closed curve, so that the movement is recurring. The closed curve should generally (for a curve shift), circular (for a circular shift), triangular (for a segmented one Straight shift) can be specified. With the motion generator to be created, additional the use of positive connections in the movement and power transmission and so that their known disadvantages are avoided.

Insbesondere soll mit der Erfindung die Aufgabe gelöst werden, den Bewegungsablauf eines zwangsläufig in einer Ebene bewegten Abtriebsgliedes allein durch Änderung der Ansteuerungsfunktionen der Aktuatoren von einer Rotation bzw. Schwingbewegung in eine richtungswechselnde, geradlinige Translation, eine Kreisschiebung oder in eine allgemeine ebene Translation um ein vorgebbares Symmetriezentrum zu ändern. Im Rahmen dieser Aufgabe sollen zur Hubvergrößerung der verwendeten Aktuatoren an sich bekannte Wegvergrößerungssysteme zugelassen sein, insbesondere Wegvergrößerungssysteme, die für piezoelektrische Aktoren in Stapelbauweise geeignet sind.In particular, the object of the invention is to solve the movement sequence of a inevitably moved in one plane output member only by changing the Actuation functions of the actuators from a rotation or swinging movement into one directional, linear translation, a circular shift or in a general plane translation to change a given symmetry center. As part of this Task to increase the stroke of the actuators used are known per se Path magnification systems may be approved, especially path magnification systems used for Piezoelectric actuators in stacked construction are suitable.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Lösungsgedanke besteht demnach darin, außer drei als Führungspunkte wirkende Verbindungen mit drei radialsymmetrisch angeordneten Antriebseinheiten, die ansteuerbare Aktuatoren enthalten, keine weiteren Verbindungen zu anderen Baugruppen des Bewegungsgenerators zuzulassen, insbesondere das Abtriebsglied nicht im Gestell mittels einer Welle zu lagern.According to the invention, this object is achieved by the features of claim 1. The The idea of a solution is therefore, except for three that act as guide points Connections with three radially symmetrical drive units, the controllable Actuators contain no further connections to other modules of the Allow movement generator, in particular the output member not in the frame by means of a Bearing shaft.

Damit ist der erfindungsgemäße Bewegungsgenerator in der Lage, die jeweils zeitlich versetzte lineare Längenänderung von drei Aktuatoren in eine geschlossene Bewegungskurve eines Punktes eines nicht im Gestell gelagerten Abtriebsgliedes zu wandeln, die bei entsprechenden Ansteuerungsfunktionen eine in drei Abschnitten geradlinige Translation oder Kurvenschiebung bzw. Kreisschiebung sein kann. Bei gleicher Ansteuerung ohne Zeitversatz ergibt sich eine Schwingbewegung, bei beliebiger, nicht gleicher Ansteuerung eine allgemeine Bewegung des Abtriebsgliedes.The motion generator according to the invention is thus able to offset the respective time linear change in length of three actuators in a closed movement curve of one Point of an output member not mounted in the frame to convert the corresponding Control functions a linear translation in three sections or Curve shift or circular shift can be. With the same control without a time offset there is a swinging movement, with any, not the same control a general Movement of the output link.

Gegenüber dem Stand der Technik kommt demnach die Erfindung mit lediglich drei radialsymmetrisch angeordneten Antriebseinheiten aus, wodurch sich der Aufwand für die mechanischen Komponenten, für die Steuereinheit und für die Ermittlung der Ansteuerfunktionen in Grenzen hält.Compared to the prior art, the invention therefore comes with only three radially symmetrically arranged drive units, which increases the effort for mechanical components, for the control unit and for determining the Control functions within limits.

Ein weiterer Vorteil resultiert aus der Tatsache, daß das Abtriebsglied erfindungsgemäß nicht im Gestell gelagert ist, so daß seine Position ausschließlich durch die Position seiner als Führungspunkte wirkende Verbindungen mit den drei Antriebseinheiten bestimmt wird. Dadurch lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Bewegungsgenerator sehr unterschiedliche Bewegungsabläufe des Abtriebsgliedes realisieren, ohne Änderungen an mechanischen Baugruppen vornehmen zu müssen. Dadurch entsteht für die Erfindung ein wesentlicher Kostenvorteil gegenüber Lösungen, bei denen eine Änderung der Bewegungsabläufe nur durch Auswechseln mechanischer Baugruppen möglich ist.Another advantage results from the fact that the output member is not according to the invention is mounted in the frame so that its position is determined solely by the position of its as Guide points acting connections with the three drive units is determined. This makes it possible to use the motion generator according to the invention to be very different Realize motion sequences of the output element without changes to mechanical Need to make assemblies. This creates an essential for the invention Cost advantage compared to solutions in which the movement sequences can only be changed by It is possible to replace mechanical assemblies.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die längenveränderlichen Aktuatoren als vorgespannte, piezoelektrische Linearaktuatoren gleicher Größe und Bauart ausgeführt. Jedoch sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen andere Aktuatoren-Typen vorgesehen sind, z. B. pneumatisch oder hydraulisch angetriebene Aktuatoren oder auch Aktuatoren mit thermisch bedingten Längenänderungen.In a particularly preferred embodiment of the invention, the lengths are variable Actuators as preloaded, piezoelectric linear actuators of the same size and design executed. However, embodiments are also possible in which other actuator types are provided, e.g. B. pneumatically or hydraulically driven actuators or Actuators with thermal length changes.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Abtriebsglied als Werkzeug oder Werkzeughalter ausgebildet. Eine derartige Variante ist u. a. zum Schleifen und Polieren von Flächen geeignet. In diesem Fall kann es z. B. zweckmäßig oder erforderlich sein, daß der Schleifkörper gegenüber der zu schleifenden Fläche eine reine Rotation oder eine allgemeine Bewegung (exzentrische Bewegung) bei einem Flächenschleifprozeß ausführt, um das Schleifbild gezielt zu beeinflussen. Diese Forderung ist durch die Wahl der Ansteuerungsfunktionen der drei Aktuatoren sehr einfach zu realisieren.In another advantageous embodiment of the invention, the output member is as Tool or tool holder trained. Such a variant is u. a. for grinding and Suitable for polishing surfaces. In this case it can e.g. B. may be appropriate or necessary, that the grinding body relative to the surface to be ground is a pure rotation or a general movement (eccentric movement) in a surface grinding process to influence the grinding pattern in a targeted manner. This requirement is due to the choice of Control functions of the three actuators can be implemented very easily.

Weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antriebseinheit und ihre Vorteile ergeben sich unmittelbar aus den Unteransprüchen.Further embodiments of the drive unit according to the invention and their advantages result directly from the subclaims.

Die erfindungsgemäße Lösung wird einschließlich ihrer Funktionsweise nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, in denen als Antriebe piezoelektrische Aktuatoren verwendet werden. Die Ausführungsbeispiele beinhalten daher auch Wegvergrößerungssysteme, um die Wege der Aktuatoren für diese technische Aufgabe zu vergrößern und den Generator vielseitig einsetzbar zu gestalten. In den zugehörigen Zeichnungen, die insbesondere das wesentliche kinematische Prinzip zum Verständnis des erfinderischen Gedankens beinhalten, zeigenThe solution according to the invention, including its mode of operation, is described below with reference to Embodiments explained in more detail, in which piezoelectric actuators as drives be used. The exemplary embodiments therefore also include path enlargement systems, to enlarge the paths of the actuators for this technical task and the generator designed to be versatile. In the accompanying drawings, in particular that include essential kinematic principle for understanding the inventive concept, demonstrate

Fig. 1a ein Beispiel für die linearen Ansteuerfunktionen zur Erzeugung einer reinen Translation des Abtriebsgliedes Fig. 1a shows an example of the linear control functions for generating a pure translation of the output member

Fig. 1b die Bahn des Abtriebsgliedes bei einer reinen Translation aufgrund der Ansteuerfunktionen gem. Fig. 1a FIG. 1b, the path of the driven element in accordance with a purely translational because of the control functions. Fig. 1a

Fig. 1c ein Beispiel für lineare Ansteuerfunktionen zur Erzeugung einer Schwingbewegung des Abtriebsgliedes Fig. 1c an example of linear control functions for generating an oscillating movement of the output member

Fig. 1d die Position des Abtriebsgliedes zu zwei Zeitpunkten bei einer Schwingbewegung aufgrund der Ansteuerfunktionen gem. Fig. 1c FIG. 1d, the position of the output member at two time points with a swing motion due to the activation functions gem. Fig. 1c

Fig. 2-5 schematische Darstellungen verschiedener Varianten der mechanischen Struktur des Bewegungsgenerators mit integrierten Wegvergrößerungssystemen Fig. 2-5 schematic representations of different variants of the mechanical structure of the motion generator with integrated path magnification systems

Fig. 6 eine schematische Darstellung der mechanischen Struktur des erfindungsgemäßen Bewegungsgenerators mit einem als Zahn- oder Reibrad ausgebildeten Abtriebsglied Fig. 6 is a schematic representation of the mechanical structure of the motion generator according to the invention with an output member designed as a toothed or friction wheel

Fig. 7 eine schematische Darstellung der mechanische Struktur des erfindungsgemäßen Bewegungsgenerators mit einem als Schleiffläche ausgebildeten Abtriebsglied Fig. 7 is a schematic representation of the mechanical structure of the motion generator according to the invention with an output member designed as a grinding surface

Fig. 1a zeigt den Verlauf des Aktuatorhubes h für drei identische lineare Ansteuerungsfunktionen, die um 1/3 ihrer Periodenzeit T phasenversetzt sind. Fig. 1b zeigt die zugehörige dreiecksförmige Bahn eines Punktes des somit translatorisch bewegten Abtriebsgliedes 5 des Bewegungsgenerators. FIG. 1a shows the course of the actuator stroke h for three identical linear control functions, which are phase-shifted by 1/3 of their period time T. FIG. 1b, the associated triangular web exhibits a point of the thus moved in translation output member 5 of the movement generator.

Um diese Bewegungszyklen ständig wiederholbar abfahren zu können, sind die geschlossenen Bahnen der Translationsbewegung in drei aufeinanderfolgenden Abschnitten deckungsgleich aber jeweils um 120 Grad versetzt angeordnet. Dieses gelingt mit drei Geradenabschnitten, so daß die geradlinige Translation dreiecksförmig wird. Die Ansteuerfunktionen der Aktuatoren können aber auch so gewählt werden, daß das Abtriebsglied auf drei gleichen Kreisbögen bewegt wird, also einem Kreis, wodurch sich eine Kreisschiebung ergibt oder auf drei allgemeinen Kurven, so daß eine allgemeine Translation entsteht.In order to be able to repeat these movement cycles repeatedly, the closed ones are Paths of the translational movement in three successive sections congruent but each offset by 120 degrees. This works with three straight sections, see above that the linear translation becomes triangular. The control functions of the actuators can also be chosen so that the output member moves on three identical arcs becomes a circle, which results in a circular shift or on three general ones Curves, so that a general translation arises.

Diese allgemeine Kurvenform muß nicht stetig sein, sie kann z. B. einen Polygonzug darstellen. Die möglichen Kurvenpunkte müssen nur durch die Aktuatorlängen h erreichbar sein. Da der Akuatorhub h bekanntlich sehr klein ist, wird die Bewegung des Abtriebsgliedes 5 die beschriebenen Bahnen im Mikrometerbereich ausführen, wenn keine technische Möglichkeit der Wegvergrößerung vorgesehen ist.This general curve shape does not have to be continuous, it can e.g. B. represent a polygon. The possible curve points must only be accessible through the actuator lengths h. Since the actuator stroke h is known to be very small, the movement of the output member 5 will execute the described paths in the micrometer range if no technical possibility of enlarging the path is provided.

Als Spezialfall ergibt sich für drei gleiche lineare Ansteuerungsfunktionen ohne Phasenverschiebung (Fig. 1c) eine Schwingbewegung des Abtriebsgliedes 5 um das Symmetriezentrum 20. As a special case, for three identical linear control functions without phase shift ( FIG. 1c), the output member 5 oscillates about the center of symmetry 20.

Fig. 2 bis Fig. 5 zeigen Möglichkeiten der Integration von Wegvergrößerungssystemen in diesen Bewegungsgenerator 1. Sie stellen die Lösungen dar, welche die gleiche Anzahl von Gliedern verwenden, sich aber in ihrer Struktur grundsätzlich unterscheiden und mit drei voneinander unabhängig betreibbaren Aktuatoren eindeutige Bewegungen erzeugen. FIG. 2 to FIG. 5 show ways of integrating Wegvergrößerungssystemen in this motion generator 1. They represent the solutions that use the same number of members, but differ fundamentally in their structure and generate three independently operable actuators unique movements.

Die übereinstimmende Funktion der in Fig. 2 bis 5 gezeigten Varianten des erfindungsgemäßen Bewegungsgenerator besteht darin, die spannungsangeregte, jeweils zeitlich versetzte lineare Längenänderung von drei Aktuatoren in eine geschlossene Bewegungskurve eines Punktes eines nicht im Gestell gelagerten Abtriebsgliedes zu wandeln, die bei entsprechenden Ansteuerungsfunktionen eine in drei Abschnitten geradlinige Translation oder Kurvenschiebung bzw. Kreisschiebung sein kann. Bei gleicher Ansteuerung ohne Zeitversatz ergibt sich eine Schwingbewegung, bei beliebiger, nicht gleicher Ansteuerung eine allgemeine Bewegung des Abtriebsgliedes.The corresponding function of the variants of the motion generator according to the invention shown in FIGS. 2 to 5 consists in converting the voltage-excited, time-shifted linear length change of three actuators into a closed motion curve of a point of an output member not mounted in the frame, which, with corresponding control functions, converts one into three sections can be linear translation or curve displacement or circular displacement. With the same control without a time offset, there is an oscillating movement, with any, not the same control, a general movement of the output member.

Der erfindungsgemäße piezoelektrisch angetriebene multifunktionelle Bewegungsgenerator 1 (Fig. 2 bis Fig. 5) weist als besonderes technisches Merkmal drei Aktuatoren 2 bis 4 auf, die um 120° bezüglich des Symmetriezentrums 20 gleichmäßig versetzt angeordnet sind und über Winkelhebel 10 bis 12 und Koppelglieder 13 bis 15 auf einen Abtriebskörper 5 einwirken, wobei der bewegliche Kontakt an den Berührungsstellen mit den Aktuatoren, einschließlich der Abstützstellen im Gehäuse 6, durch Federn 7 bis 9 gewährleistet wird. Der Abtriebskörper 5 wird durch diese Koppelglieder im Gehäuse 6 eindeutig zwangsläufig geführt. Die drei Aktuatoren 2 bis 4 werden mittels der hier nicht dargestellten Steuereinheit unabhängig voneinander mit Hilfe spannungsproportionaler Ansteuerung angetrieben, ohne daß Zwängungen im Antriebssystem des Bewegungsgenerators 1 auftreten. Bei elektronischer, auch unterschiedlicher, Spannungsansteuerung der Aktuatoren 2 bis 4 ergibt sich eine entsprechende Längeneinstellung derselben, die das Abtriebsglied 5 eindeutig bezüglich des definierten Symmetriezentrums 20 im Gehäuse 6 positionieren.The invention piezoelectrically driven multifunctional motion generator 1 (FIG. 2 to FIG. 5) has as a special technical feature of three actuators 2 to 4 which are arranged in the center of symmetry 20 offset by 120 ° with respect to evenly and bell crank 10 to 12 and coupling members 13 to 15 act on an output body 5 , the movable contact at the points of contact with the actuators, including the support points in the housing 6 , being ensured by springs 7 to 9 . The output body 5 is inevitably guided by these coupling elements in the housing 6 . The three actuators 2 to 4 are driven independently of one another by means of the voltage-proportional control by means of the control unit, not shown here, without constraints occurring in the drive system of the motion generator 1 . In the case of electronic, also different, voltage control of the actuators 2 to 4 , there is a corresponding length adjustment of the same, which positions the output member 5 clearly in relation to the defined center of symmetry 20 in the housing 6 .

Sind die Aktuatoren 2 bis 4 identisch, gleichmäßig angeordnet und ihre Ansteuerungsfunktionswerte zu jedem Zeitpunkt verändert, aber übereinstimmend vorgegeben, so wird der Körper 5 eine Schwingbewegung um das Symmetriezentrum 20 ausführen (vgl. Fig. 1d).If the actuators 2 to 4 are identical, arranged uniformly and their control function values are changed at any point in time but predetermined in a consistent manner, the body 5 will execute an oscillating movement around the center of symmetry 20 (cf. FIG. 1d).

Sind die Aktuatoren 2 bis 4 identisch oder unterschiedlich, beliebig oder gleichmäßig angeordnet und ihre Ansteuerungsfunktionswerte unterschiedlich vorgegeben, so wird der Körper 5 eine allgemeine Bewegung ausführen.If the actuators 2 to 4 are identical or different, arbitrarily or evenly arranged and their control function values are specified differently, the body 5 will perform a general movement.

Sind die 3 Aktuatoren 2 bis 4 identisch, gleichmäßig angeordnet und ihre gleichen Ansteuerungsfunktionswerte um 1/3 ihrer Periodenzeit phasenversetzt, so wird der Körper 5 eine Translation ausführen. Die Ansteuerungsfunktion selbst entscheidet, ob sich eine geradlinige, kreisförmige oder allgemeine Translation ergibt.If the 3 actuators 2 to 4 are identical, arranged uniformly and their identical control function values are out of phase by 1/3 of their period time, the body 5 will carry out a translation. The control function itself decides whether there is a linear, circular or general translation.

Fig. 6 stellt ein Ausführungsbeispiel dar, bei dem das Abtriebsglied 5 bei einer realisierten Kreisschiebung als Zahn- oder Reibrad ausgebildet ist, so daß es in einem Innenrad 16 ablaufen kann, welches im Symmetriezentrum 20 mit einem Wälzlager 17 im Gehäuse 6 des Bewegungsgenerators 1 gelagert ist und dieses Innenrad ständig rotatorisch antreibt. Der Bewegungsgenerator 1 wird dazu mit dem Spannzapfen 18 festgehalten. Fig. 6 shows an embodiment in which the output member 5 is formed with a realized circular displacement as a toothed or friction wheel, so that it can run in an inner wheel 16 which is mounted in the center of symmetry 20 with a roller bearing 17 in the housing 6 of the motion generator 1 and drives this inner wheel constantly in rotation. For this purpose, the movement generator 1 is held in place with the clamping pin 18 .

Fig. 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel zur Nutzung des Abtriebsgliedes 5 mit einer Schleiffläche 19 in einer Schleifeinrichtung mit einstellbarem Schleifbild. Fig. 7 shows an embodiment for utilization of the output member 5 having a grinding surface 19 in a grinding device with an adjustable grinding pattern.

Claims

1. Motion generator, consisting of three by 120 ° each radially symmetrical to a symmetry center ( 20 ) in one or more planes lying parallel to each other, which act on a flat motion common output member ( 5 ), in which each drive unit has a variable length Actuators such as piezo actuators Like. and has an interface as a guide point for the output member and the changes in length of the actuators controlled by a control unit according to predefinable functions directly or via a path enlargement system assigned to each actuator cause changes in position of the guide points of the drive units, the changes in position of the guide points in one or more parallel to one another lying planes take place, the output member ( 5 ) being mounted exclusively in the guide points of the drive units for the output member designed as force-transmitting and motion-transmitting positive and / or solid joints, so that each point of this output member ( 5 ) is within the length change capacity of the actuators ( 2 ; 3 ; 4 ) dependent action area of the drive units can be freely positioned.

2. Motion generator according to claim 1, characterized in that the output member ( 5 ) is designed as a gear or friction wheel and with a symmetrical center ( 20 ) mounted internal gear or friction wheel ( 16 ) is engaged, the control functions generated by the control unit three actuators ( 2 ; 3 ; 4 ) preferably cause a circular shift around the center of symmetry so that the internal gear or friction wheel rotates.

3. Motion generator according to claim 1, characterized in that the output member ( 5 ) is the driving part of a directional lock / freewheel, the control functions of the three actuators ( 2 ; 3 ; 4 ) generated by the control unit being identical in terms of amplitude and phase.

4. Motion generator according to claim 1, characterized in that the output member ( 5 ) is a form-adapted driving part of a rack or a rod provided with a friction lining and this moves continuously translationally.