Die keramischen PILine® Ultraschallmotoren basieren auf einem patentierten Antriebsprinzip von PI. Schwingungen mit Ultraschallfrequenzen eines piezokeramischen Aktuators werden entlang einer Reibschiene in lineare Bewegung umgewandelt, und treiben so den beweglichen Teil eines mechanischen Aufbaus an.
Das Kernstück des Systems ist eine monolithische Piezokeramik (der Stator), der auf einer Seite durch zwei Elektroden segmentiert wird. Wahlweise wird die linke oder die rechte Elektrode zu den hochfrequenten Eigenschwingungen des piezokeramischen Elements im Bereich von einigen Hundert Kilohertz angeregt und bestimmt so die Bewegungsrichtung. Eine Reibnase aus Aluminiumoxid am Keramikelement bewegt sich mit der Eigenfrequenz auf einer geneigten Linie.
Animation Lineartisch mit Ultraschallmotor
Im Kontakt mit einer Reibschiene entstehen so Mikroimpulse, die den beweglichen Teil der Mechanik (Schlitten, Drehteller, usw.) vorwärts oder rückwärts bewegen. Jeder Schwingungszyklus bewegt die Mechanik um einige Nanometer; insgesamt ergibt sich so eine gleichmäßige Bewegung mit theoretisch unbegrenztem Stellbereich. Aktuelle Ultraschallmotoren erreichen so eine Beschleunigung bis zu 5 g und eine Geschwindigkeit bis 0,500 m/s.
Die unbegrenzte Auflösung, wie sie typisch für Piezoaktoren und Nanopositioniersysteme mit Festkörpergelenken ist, kann mit Ultraschallmotoren nicht erreicht werden. Die Bewegung und die Kraft werden durch Reibung übertragen, wodurch ihre Wiederholbarkeit im Bereich von etwa 50 nm liegt. Für höhere Auflösung und Haltekräfte werden Piezo-Walk® Piezomotoren eingesetzt.
Integrationsstufen für PILine® Antriebe
PILine® Ultraschallantriebe sind in verschiedenen Produkten integriert und werden in drei Klassen angeboten. Entsprechende Treiberelektronik und Servocontroller stehen ebenfalls zur Verfügung.
P-661 und P-664 OEM Motoren besitzen den niedrigsten Grad der Integration und bedingen einigen Aufwand für den Einbau. Motor und Reibschiene in der erforderlichen Länge müssen in den mechanischen Aufbau integriert werden. Für den Betrieb ist eine geeignete Vorspannung des Aktors gegen die Reibschiene, Führungsmechanismen und, wo nötig, eine Positionsregelung erforderlich.
Klassische Antriebselemente in Mikropositionierern oder Handlingsystemen sind DCoder Schrittmotor und Gewindespindel oder magnetische Linearmotoren. Mit M-674 RodDrive Antrieben kann man diese ersetzen. Hier ist kundenseitig ebenfalls eine Führung und, soweit gewünscht, Positionsregelung erforderlich.
Lineare Positioniersysteme bilden die höchste Stufe der Integration, die bereitgestellt wird. Der Piezomotor ist Teil eines Präzisionsverstellers, wobei zur Positionsregelung direktmessende Linearencoder verwendet werden.
PILine® Ultraschall-Piezomotoren im Überblick
Kompakt: Der Direktantrieb erlaubt den Bau extrem kompakter Lineartische. So bietet z.B. der M-662 20 mm Stellweg bei Abmessungen von nur 28 x 28 x 8 mm.
Geringe Trägheit, hohe Beschleunigung, Geschwindigkeit und Auflösung: PILine® Antriebe erreichen eine Geschwindigkeit bis zu 0,5 m/s und eine Beschleunigung bis zu 5 g. Außerdem sind sie sehr steif, eine Voraussetzung für die kurze Einschwingzeit von wenigen Millisekunden, und bieten eine Auflösung bis zu 10 nm. Kriechen im Sub-Mikrometerbereich, wie es bei Gewindespindeln durch Schmiermittel oder Materialentspannung erfolgt, tritt hier nicht auf, ebenso wenig wie rotatorische Trägheit, die die Beschleunigungs- und Bremszeiten erhöht.
Hervorragendes Masse-Leistungs-Verhältnis: PILine® Antriebe bieten Höchstleistungen auf kleinstem Raum. Die Verbindung von Beschleunigung, Geschwindigkeit und Genauigkeit ist einzigartig.
Sicherheit: Die geringe Trägheit der bewegten Plattform bewirkt zusammen mit dem Durchrutschen des Antriebs bei Blockierung einen besseren Schutz für Präzisionssysteme als bei Motor-Spindel-Antrieben. Trotz der hohen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ist die Verletzungsgefahr durch Einklemmungen viel geringer. Dadurch kann auf Lichtschranken und andere Sicherheitsvorkehrungen verzichtet werden.
Selbsthemmung: Im ausgeschalteten Zustand entwickeln die PILine® Antriebe eine Haltekraft ohne Positionsverschiebung, die z. B. häufig bei mechanischen Bremsen auftritt. Der Piezomotor muss dafür nicht bestromt werden, was ein Aufheizen vermeidet und ein Zittern um die Ruheposition verhindert.
Vakuumtauglich: PILine® Antriebe sind als Vakuumversionen erhältlich.
EMC-konform: PILine® Antriebe erzeugen weder Magnetfelder, noch werden sie von diesen beeinflusst – ein deutlicher Vorteil für viele Anwendungsfelder.
Kundenspezifische Lösungen, Flexibilität für OEMKunden: PILine® Antriebe sind als OEM Komponenten oder Präzisionsversteller mit und ohne Positionsregelung erhältlich. PI entwickelt und fertigt alle Piezokeramik-Komponenten im Haus. Das macht flexibel für kundenspezifische Ansprüche an den Motor (z.B. Größe, Kraft, Umgebungsbedingungen).
Qualität, Lebensdauer: PILine® Antriebe basieren auf vier Jahrzehnten an Erfahrung mit Piezo-Antriebstechnologie, und bieten außergewöhnliche Präzision und Verlässlichkeit mit einer MTBF über 20000 Stunden.
Integrationsstufen der PILine® Antriebe: OEM Motor, RodDrive, lineares Positioniersystem
Die hochmoderne Technologie der PILine® Ultraschallantriebe basiert auf einem relativ einfachen Konzept. Dies ermöglicht die Fertigung preisgünstiger Motoren und extrem kompakter Hochgeschwindigkeits-Mikrostelltische
Kundenspezifische Ultraschall-Piezomotoren mit Kräften bis zu 50 N
Einschwingverhalten eines PILine® M-663 Lineartisches, Schrittweite 100 µm. Eine stabile Position mit 0,1 µm maximalem Fehler kann unter 10 ms erreicht werden
Aufbau eines Mikropositioniertisches mit PILine® Ultraschallantrieb
Typische Anwendungsbereiche für PILine® Ultraschallmotoren
