02.03.2016

Fachbeitrag: Präzisere Nanopositionierung durch intelligente Dämpfungsmethoden


Dämpfung mit elektronischen Bauteilen - open loop

Grafik 1: PX200 Open Loop Test

Dämpfung mit elektronischen Bauteilen - close loop

Grafik 2: MIPOS500SG Closed Loop Test

Dämpfung mit Elastomeren

Grafik 3: PX200 Open Loop Test mit Elastomer-Dämpfung

Wird ein Piezoaktor mit einem kurzen Spannungsimpuls angesteuert, weil er zum Beispiel den an ihm befestigten Spiegel an eine neue Position bewegen soll, dehnt sich der Piezokristall innerhalb einer gewissen Anstiegszeit aus. Dabei wird seine Resonanzfrequenz angeregt, was zu einer gedämpften Schwingung um die angesteuerte Position führt. Dieses Phänomen ist im physikalischen Sinne natürlich und muss daher für den Betrieb des Aktors beachtet werden. Eine langsamere Ansteuerung führt dabei zu einer geringeren Schwingungsamplitude, erhöht allerdings auch die Zeit bis zum Erreichen der gewünschten Position. Auf der anderen Seite führt eine Verkürzung des Ansteuerimpulses zwar zu einer weiteren Überhöhung der angeregten Schwingung, nicht aber zu einer Verkürzung der Anstiegszeit.

Völlig ausschalten kann man diese Eigenschwingung nicht. Bei Positioniergenauigkeiten im Nanometer-Bereich muss sie daher kritisch betrachtet werden. Ziel der Anstrengungen bei piezosystem jena ist es daher, den Toleranzbereich bei der Positionierung so schnell wie möglich zu erreichen und dabei Oszillationen des Aktors so gut wie möglich zu minimieren. Genau an diesem Punkt kommt die Dämpfung ins Spiel. Seit mehreren Jahren werden bei piezosystem jena verschiedene Möglichkeiten getestet, die Eigenschwingungen eines Systems durch gezielte Dämpfungsmaßnahmen zu reduzieren. 

Dämpfung mit elektrischen Bauelementen

Die mechanischen Schwingungen eines Aktors führen auch dazu, dass auch die elektrische Energie oszilliert. Eine Möglichkeit der Dämpfung ist daher der Transfer überschüssiger Energie vom Piezo-Aktor auf andere elektrische Bauelemente. Dies führt in der Folge auch zu einer Dämpfung der mechanischen Schwingungen. Mit diesem Verfahren konnte piezosystem jena in Tests bisher großartige Dämpfungsergebnisse erzielen. Da statt mechanischer Reglementierungen hier elektrische Eigenschaften entscheidend sind, können auch extrem hohe Oszillationsspitzen deutlich und schnell abgeschwächt werden.

Im open-loop-Test mit einem PX200 (Grafik 1), sowie im closed-loop-Test mit einer MIPOS500SG (Grafik 2) von piezosystem jena erreichten die Aktoren den angestrebten Toleranzbereich deutlich schneller – teils um bis zu 50%!

Grafik 1:

Grafik 2:

Einbringen von Dämpfungsmaterialien

Bei  diesem Verfahren werden elastische Dämpfungsmaterialen an neuralgischen Punkten des Aktors integriert, um die durch den Aktor selbst verursachten, unerwünschten Oszillationen abzuschwächen. Die Position und Form der Dämpfer wird dabei je nach Element angepasst und auf die Kundenanwendung optimiert. In Tests konnten Oszillationsspitzen deutlich bedämpft werden. Auch von außen z.B. durch den Aufbau auf den Aktor übertragene Schwingungen können bei intelligent platzierten Dämpfern schnell kompensiert werden. (Grafik 3)

Grafik 3:

Dämpfung durch Oberflächenreibung

Das Einbringen von Reibungsflächen ist ebenfalls eine effektive Methode, Oszillationen zu reduzieren und eine schnellere Einschwingzeit zu erreichen – egal ob durch die Bewegung hervorgerufene oder von außen induzierte Schwingungen. Dazu werden an bestimmten Punkten entlang der Bewegungsachsen besondere Reibflächen am Aktor installiert. Das Prinzip funktioniert ähnlich einer klassischen Bremse wie sie etwa in Fahrzeugen zum Einsatz kommt. Die Energie der Vibration wird hier in Reibungswärme umgesetzt und schwächt dadurch die Eigenschwingung ab.

Externe Faktoren

Es existieren auch externe Faktoren, die unerwünschte Energie auf den Aktor übertragen und so zu Schwingungen führen. Der Aufbau, bzw. das Gerät in dem der Aktor integriert ist, führt dabei am häufigsten zu Störungen. Speziell gedämpfte Aktoren können dabei helfen, auch diese Schwingungen zu reduzieren. Wunder können dabei leider nicht vollbracht werden: einen stark vibrierenden oder extrem weichen Aufbau kann auch ein perfekter Aktor nicht im Nanometer-Bereich positionieren.

Individuelle Lösungen sind gefragt!

Intelligente Dämpfungslösungen können den Einfluss von internen Schwingungen und externen Vibrationen drastisch reduzieren. Daher ist es für die Hersteller von Systemen zur Nanopositionierung wichtig, im Vorfeld die spezifische Betriebsumgebung eines Piezo-Aktors zu prüfen und daraufhin eine maßgeschneiderte Lösung zu entwickeln – so wie es piezosystem jena schon seit Jahren macht.

Dabei gibt es verschiedene Herangehensweisen. Nicht jede Dämpfungsmethode eignet sich für jedes Einsatzszenario. Fingerspitzengefühl beim Design, Erfahrung und viel Entwicklungs-Know-How sind gefragt.

piezosystem jena entwickelt daher stetig an neuen, effizienteren Dämpfungen seiner Piezoaktoren. Höchste Präzision ist schließlich das, was uns antreibt.


NEUER Produktkatalog von piezosystem jena

  • Anwendungsbeispiele von Piezopositionierern
  • Piezoelemente mit Nanometer-Präzision
  • Piezokomposite- Hochlastaktoren
  • Motion Control Elemente
  • Piezoline: Detaillierte Beschreibung der Piezotechnologie
  • Ausführliche Erklärung der Technologie in Hochlastaktoren

(+49) 3641 66 88-0

Unsere Ingenieure stehen Ihnen gern für eine umfassende Beratung zur Verfügung.

E-Mail-Adresse: info@piezojena.com

schnellkontakt

Kontaktformular
Mit dem Absenden bestätige ich die Datenschutzhinweise insbesondere nach Art. 13 DSGVO zur Kenntnis genommen zu haben.
* Dieses Feld muss ausgefüllt werden!

Wir melden uns schnellstmöglich bei Ihnen!

Unsere Partner weltweit