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Miniaturisierter Schrittantrieb mit Piezoaktoren und Harmonic Drive Getriebe

 
: Barth, O.

Heimsheim: Jost-Jetter Verlag, 2000, 119 S.
Zugl.: Stuttgart, Univ., Diss., 2000
IPA-IAO Forschung und Praxis, 326
ISBN: 3-931388-49-2
Deutsch
Dissertation
Fraunhofer IPA ()
Harmonic-Drive-Getriebe; Piezo-Aktoren; Mikromotor

Abstract
Das Ziel dieser Arbeit ist es, neuartige Lösungsansätze und Konzepte für miniaturisierte Servoantriebe zu schaffen. Hierzu wird der Ansatz verfolgt, Aktorik und Getriebe zu einer kompakten Einheit zusammenzufassen und aufwendige Spulenwicklungen durch den Einsatz von Piezoaktoren zu vermeiden. Die neue Antriebsmethodik soll den Anforderungen der Servoantriebstechnik im Hinblick auf hohe Drehmomente bei niedrigen Drehzahlen, präziser Positionierung und hoher Dynamik genügen. Neben der Erarbeitung und Verifikation theoretischer Grundlagen soll die technische Machbarkeit anhand eines Prototypen nachgewiesen werden.
Es wurden zunächst rotatorische Schrittantriebe analysiert, die durch Kombination linearer Aktoren mit Zahnrädern/Getrieben entstehen. Darauf folgte die Auswahl und Bewertung geeigneter Aktoriken. Als Ergebnis der Bewertung stellte sich heraus, daß die Kombination eines Harmonic Drive Getriebes mit Piezoaktoren und einem Wegeübersetzungs-Mechanismus die Anforderungen optimal erfüllt. Nach der Konzeption folgte die Entwicklung der theoretischen Basis zur Berechung der Leistungsdaten des Antriebs. Hierzu wurden mechanische und elektrische Modelle für den piezoelektrischen Schrittantrieb entwicklelt. Zunächst wurden die Grundlagen zum Funktionsprinzip, der Aktoranzahl und der Ansteuerung erarbeitet. Danach folgte eine statistische und dynamische Analyse des Antriebs. Die Grundlegenden Kenndaten Drehmoment, Drehzahl und Leistung ergaben sich aus der mechanischen und elektrischen Analyse der Systemkomponenten Aktor und Getriebe. Im Anschluß daran wurden mögliche Steuerungs- und Regelungskonzepte für das Antriebssystem im offenen und geschlossenen Regelkreis aufgezeigt.
Zur Evaluierung der Entwicklungsergebnisse wurde ein Prototyp des miniaturisierten Servoantriebs realisiert und erfolgreich auf einem Prüfstand getestet. Dabei wurden die relevanten Leistungsdaten wie Aktorauslenkung in Abhängigkeit von der Frequenz, Drehmoment und Wirkungsgrad gemessen, grafisch veranschaulicht und mit den Modellberechnungen verglichen. Im Rahmen der Meßgenauigkeit stimmten Meßwerte und vorausberechnete Kenndaten überein, so daß neben der Machbarkeit auch eine theoretische Basis zur Kenndatenberechnung für das neuartige Antriebskonzept verifiziert wurde.

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-2814.html