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Flach wie eine Flunder - Plastverarbeiter

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Komponenten + Systeme
Antriebstechnik
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10/2006
Hintergrundbericht
Flach wie eine Flunder
Felder und wird auch nicht von solchen beeinflusst. Im stromlosen Zustand ist er
selbsthemmend und damit äußerst positionsstabil – ohne den Versatz, wie ihn mechanische Bremsen zeigen. Elektromagnetische Motoren brauchen dagegen Strom zum
Halten ihrer Position und erzeugen obendrein noch Wärme.
„Das Direktantriebsprinzip erlaubt den
Aufbau sehr kompakter Translationstische,"
resümiert Michael Donat. Der gesamt Motor
misst gerade mal 9,0 x 6,5 x 2,4 mm. Der Stellweg beträgt 3,2 mm. Der Motor arbeitet mit
Geschwindigkeiten bis 80 mm/s.
Die Integration des neuen Antriebs ist einfach, da der bewegte Läufer und der Piezomotor bereits zu einer Komponente zusammengefasst sind. Alles was fehlt sind die mechanische und elektrische Anbindung sowie die Ankopplung der Last auf der Anwenderseite.
Ultraschallmotor von
Physik Instrumente:
Eine Besonderheit ist die
integrierte Führung.
Preisgünstiger Piezomotor für vielseitigen Einsatz
Diesen Beitrag
können Sie sich
im Internet unter
www.konstruktion.de
downloaden
Kompakt, dynamisch, große Haltekräfte, ohne Spiel und Hysterese – das sind
die wesentlichen Attribute des neuen piezoelektrischen Ultraschallmotors von
Physik Instrumente. Doch überzeugen Sie sich selbst.
von Dr. Barbara Stumpp
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„Potenzielle Anwendungen gibt es viele, egal ob es sich um Autofocus- oder Zoomeinstellungen in Kameras und Mobiltelefonen
handelt. Oder aber im automotiven Bereich in
elektrischen Fensterhebern, Rückspiegeln
oder der automatischen Nachführung von
Sensoren," zählt Michael Donat, bei Physik Instrumente (PI) für neue Geschäftsfelder zuständig, auf.
Die Besonderheit an dem neuen Motor ist
die integrierte Führung, die das Ganze kompakt und kostengünstig macht. „Damit eignet
er sich für einen Massenmarkt," betont Donat.
„Und bei den vielfältigen Einsatzmöglichkeiten für den Antrieb ist dieses Ziel auch reell."
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PI ist zwar vorzugsweise auf die Fertigung
mittlerer Stückzahlen eingerichtet, aber mit
der Tochterfirma PI Ceramic in Lederhose
(Thüringen) sind Produktionszahlen jenseits
der Millionengrenze realisierbar.
Der neun Millimeter große Zwerg ist extrem leicht und flach und bietet gegenüber
konventionellen, elektromagnetischen Antrieben einige wichtige Vorteile: Er spricht ungewöhnlich schnell an und da er weder Getriebe noch Getriebespindel hat, ist er wartungsfrei und frei von Spiel und Hysterese.
Kurzum: er verfügt über eine sehr hohe Positioniergenauigkeit.
Er generiert keine elektromagnetischen
Geringe Einschwingzeiten
Dank der hohen Steifigkeit reichen dem Antrieb geringe Einschwingzeiten von wenigen
Millisekunden. Außerdem kann er ohne Endschalter arbeiten. So wird der Motor auch
dann nicht beschädigt, wenn der Läufer in
den Anschlag fährt. Auch ist keine Energie in
einer rotierenden Antriebsspindel gespeichert, die unvermittelt freigesetzt werden
könnte. All das macht den Antrieb extrem sicher und zuverlässig.
Einschränkend meint Donat: „Da der Antrieb mittels Reibung funktioniert, ist natürlich ein gewisser Verschleiß normal. Wir kalkulieren bei dieser Technologie mit 20 000
Stunden MTBF.“ Das Kürzel steht für Mean Time Between Failures, also die mittlere Zeitdauer zwischen zwei Ausfällen.
Mechanische Komponenten wie Wellen
und Zahnräder, die in konventionellen Antrieben zu Ausfällen führen können, gibt es hier
nicht. Damit ist der Motor überall dort optimal geeignet, wo die kompakte Bauweise und
die hohen Haltekräfte wichtig sind und der
Antrieb nicht permanent in Betrieb ist. Beispielsweise bei einem Mikroskop oder einem
Zoomobjektiv, wo eine Position genau angefahren und dann über einen beliebigen Zeitraum gehalten werden muss, ohne noch zusätzlich Energie zu verbrauchen.
„Der Antrieb wurde für höchste Leistung
auf kleinstem Bauraum entwickelt," so Donat.
Antriebstechnik
fähig wird, umso mehr Anwendungen werden parallel dazu entwickelt“, ist sich Michael Donat sicher. Dazu gehört auch, dass
der Antrieb das Potenzial hat traditionelle Systeme ersetzen zu können. Um ein Fallbeispiel zu nennen: Stellmotoren, über die die
Stellung des Außenspiegels im Auto eingestellt wird.
10/2006
Webguide
www.pi.ws
Physik Instrumente
Direkter Zugriff unter www.konstruktion.de
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ke6107
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Der PI-Mann ergänzt euphorisch: „Kein anderer Miniaturantrieb bietet ähnlich hohe Werte
für Beschleunigung, Geschwindigkeit und
Präzision."
Da die Entwicklung der Ultraschallmotoren eine relativ neue Technologie darstellt,
gibt es momentan auch noch wenig Applikationen, aber je mehr die Technologie markt-
Komponenten + Systeme
Elliptische Bewegung
Die Piezolinearmotoren von PI basieren auf einem
patentierten Ultraschallantrieb. Kernstück ist eine
Piezokeramikplatte, in der eine hochfrequente resonante Eigenschwingung statt findet. In der Keramik addieren sich die Longitudinal- und Transversalschwingungen zu einer elliptischen Bewegung, die je nach Bauart über eine 'Reibnase' oder
über eine integrierte Führung abgegriffen wird.
Durch den Kontakt mit einem Reibelement schiebt
sie den bewegten Teil der Mechanik an, in jedem
Zyklus einen mikroskopisch kleinen Schritt. Und
das jeweils von wenigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern, so dass in der Summe eine
gleichmäßige Bewegung mit unbegrenztem Stell-
bereich stattfindet. Die Schubkraft wird dabei aus
der Energie der Längsschwingung der Piezokeramik gewonnen. Die transversale Schwingung
sorgt für das periodische Anpressen und Abheben
des Kontaktpunktes an die Reibschiene. Die Energie dieser Schwingung bestimmt die maximale
Reibkraft und damit die Halte- bzw. Schubkraft
des Antriebes. Die Ultraschallschwingungen werden durch eine Treiberelektronik erzeugt, die mit
kurzen 3 Volt-Pulsen angesteuert wird. Die Treiberelektronik stimmt die Anregungsfrequenz
automatisch auf die Resonanzfrequenz der Piezokeramik ab, eine individuelle Abstimmung der
Elektronik auf den Motor ist deshalb nicht nötig.
Grafik des kompletten Piezomotors mit integrierter Führung.
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Technik
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