Fachartikel aus MECHATRONIK 7-8/2011, S. 14 bis 17
Digital-Controller für piezobasierte Nanopositioniersysteme.
Mit ''Grips" zum Millionstel Millimeter
Sie sind für ihre hohe Präzision bekannt. Das ist jedoch keineswegs selbstverständlich, denn die Bewegungseigenschaften der eingesetzten Piezoaktoren sind nicht linear. Dies widerspricht den hohen Genauigkeitsanforderungen an die Positioniersysteme und muss durch eine geeignete Ansteuerung beziehungsweise. Regelung kompensiert werden. Wo höchste Präzision gefordert ist, eröffnet heute die digitale Steuer- und Regeltechnik Möglichkeiten, die in der klassischen analogen Technik nicht gegeben sind.
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| Piezobasierte Mehrachssysteme für die präzise Positionierung bis in den Schwerlastbereich. (Bild: Physik Instrumente) |
Grundlage für eine hohe Positioniergenauigkeit piezobasierter Nanopositioniersysteme ist immer das perfekte Zusammenspiel mechanischer und elektronischer Komponenten. Denn aufgrund ihrer Funktionsweise arbeiten Piezoaktoren mit geringem Hub, typischerweise lediglich zwischen 10 und einigen 100 μm. Die Bewegung beziehungsweise Auslenkung der Piezokeramik beim Anlegen einer Spannung ist nicht geradlinig und der Zusammenhang zwischen Spannungsanstieg und Positionsänderung nicht linear. Das ist zwar keineswegs bei allen Anwendungen störend, die sich die hohe Dynamik und den kompakten Bauraum der Piezokeramik zunutze machen, jedoch ganz sicher im Bereich der Präzisionspositionierung, wo Nanometergenauigkeit gefordert ist.
Kompensation prinzipbedingter Eigenschaften
Will man Piezos für die Nanopositionierung nutzen, muss man also diese drei Probleme lösen. Die beiden ersten, nicht geradlinige Bewegung und geringer Hub, bekommt man mit Hilfe mechanischer Führungssysteme in den Griff. Durch kombinierte Führungs- und Hebelmechanismen, zum Beispiel über reibungsfreie Festkörpergelenke, lässt sich die Auslenkung geraderichten und vervielfachen. Spannt man diese Führungssysteme vor, lässt sich gleichzeitig die Dynamik steigern. Bleibt die nichtlineare Auslenkungskennlinie, die eine Positionsregelung erfordert.
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