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Übersicht

Piezoelektrische Trägheitsantriebe

Q-Motion® Positionierer: Hochauflösend, klein und preisgünstig

  • Linearversteller mit 21 mm Breite, Drehversteller mit einem Durchmesser von 14 mm, 6-achsige Parallelkinematiken
  • Optionaler integrierter Encoder mit 1 nm Auflösung (10 nrad)
  • Selbsthemmend im Ruhezustand, keine Wärmeentwicklung 
  • Nichtmagnetisches und vakuumkompatibles Funktionsprinzip
Funktionsprinzip

Funktionsprinzip

Piezoträgheitsantriebe sind platzsparende und preiswerte piezobasierte Antriebe mit relativ hohen Haltekräften und prinzipiell unbegrenztem Stellweg. Sie nutzen den Stick-Slip-Effekt (Trägheitseffekt) – ein durch das Piezoelement erzeugter zyklischer Wechsel von Haft- und Gleitreibung zwischen einem bewegten Läufer und dem Piezoaktor – für einen kontinuierlichen Vorschub des Läufers. Mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 20 kHz erreichen direkt auf den Läufer wirkende Antriebe Geschwindigkeiten von über 5 mm/s.

PI Q-Motion StickSlip Diagramm
PI Q-Motion Trägheitsprinzip

Das Tragheitsantriebsprinzip basiert auf einem einzelnen piezoelektrischen Aktor, der über die Treiberelektronik mit einer modifizierten Sägezahnspannung angesteuert wird. Der Aktor dehnt sich langsam aus und nimmt einen Läufer mit. Die schnelle Kontraktion des Aktors kann der Läufer aufgrund seiner Trägheit nicht nachvollziehen und verharrt auf seiner Position.

Tangentialer Antrieb

Ein seitlich am bewegten Läufer angebrachtes Antriebselement erlaubt lineare oder rotatorische Bewegungen und eine besonders kleine Bauform der Versteller. In Kombination mit geeigneten inkrementellen Encodern, entstehen Linear- und Rotationstische mit einer Breite von knapp über 20 mm und einer Höhe von lediglich 10 mm. Für den ungeregelten Betrieb ohne Sensor sind die Baugrößen der Versteller sogar noch geringer.

PIShift Stabantrieb

Stabantriebe bieten eine größere Kopplungsfläche zwischen Piezoaktor und Läufer als tangentiale Antriebe. Daraus resultieren relativ hohe Haltekräfte von bis zu 10 N. Der Läufer wird durch die Innenbohrung des Aktors geführt, was zu einer noch immer sehr kompakten Bauweise des Antriebs führt. Der Stabantrieb ist in Produkten wie dem positionsgeregelten Linearversteller Q-545 mit 45 mm Breite verbaut oder den OEM-Linearaktoren N-412.

PiezoMike Linearantrieb

Anders als bei den Direktantrieben, bewirkt die Ausdehnung eines PiezoMike Aktors eine Drehbewegung eines Greifers. Da dieser die Feingewindeschraube umfasst erfolgt mit der Bewegung des Greifers auch eine Drehung der Schraube. Durch diese Gewindeuntersetzung werden hohe Haltekräfte bis >100 N erzeugt bei Vorschubkräften von >22 N:

PI Antriebsprinzip N-470
Eigenschaften

Eigenschaften

PI Q-Motion StickSlip Diagramm
Vorschub während der Stick- und Slip-Phase eines Trägheitsantriebs

Nanometer-Auflösung

In der langsamen Ansteuerungsphase, in welcher der Läufer bewegt wird, verhält sich der Antrieb wie ein klassischer Piezoaktor. Durch die Variation der angelegten Spannung kann der Aktor eine beliebige Position einnehmen und erreicht somit die für Piezokeramiken typische hohe Bewegungsauflösung.

Im Zusammenspiel mit einem hochauflösenden inkrementellen Encoder zur Positionsmessung, wird eine hohe Positioniergenauigkeit und Widerholbarkeit der Bewegung auf langen Stellwegen erzielt.

Geräuschlos und energiesparend

Der Antrieb arbeitet bei der maximalen Betriebsfrequenz von 20 kHz geräuschlos. Im Stillstand ist der Antrieb selbsthemmend, muss nicht bestromt werden und erwärmt sich nicht. Er hält die Position mit maximaler Kraft. Er ist damit prinzipiell geeignet für batteriebetriebene, mobile Anwendungen mit geringen Lastzyklenzahlen. Die Ansteuerspannung variiert dabei abhängig vom Antriebstyp. Sie liegt bei tangentialen Antrieben bei unter 48 V, bei Stabantrieben bis 100 V.

Kostengünstig

Trägheitsantriebe basieren auf einer kostengünstigen Ein-Aktor-Lösung. Die Ansteuerung ist einfach auch in bestehende Schaltungen integrierbar.


Produkte

Produkte

Q-Motion® Linear und Rotationsversteller können einfach zu mehrachsigen Systemen kombiniert werden. Sechsdimensionale Bewegungen werden mit miniaturisierten parallelkinematischen SpaceFAB Robotern realisiert.

>> zu den Produkten

PI Q-614 Q-Motion

PI N-470

Linearaktoren mit Piezoträgheitsantrieb lassen sich leicht integrieren und ermöglichen eine stabile und hochaufgelöste Bewegung. PiezoMike Aktoren erzielen besonders hohe Kräfte, weil sie nicht direkt auf einen bewegten Läufer wirken sondern eine Feingewindeschraube drehen.

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Video-Interview

Warum Q-Motion®?

Mark Freyer, Produktbereichsleiter Inertia Motors, im Interview mit Oliver Dreissigacker vom Fachmagazin "Optik & Photonik".


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