Piezoelektrische Lagerung: Aktive Lagerung empfindlicher Analysegeräte

Entwicklung und Potential einer

  • Abb. 1: Prinzip der aktiven Isolation. (a) Transmissionsverläufe: Isolation durch passive Systeme mit und ohne Dämpfung sowie aktiv gedämpfte Systeme. (b) Schema der aktiven Lagerung einer Masse.Abb. 1: Prinzip der aktiven Isolation. (a) Transmissionsverläufe: Isolation durch passive Systeme mit und ohne Dämpfung sowie aktiv gedämpfte Systeme. (b) Schema der aktiven Lagerung einer Masse.
  • Abb. 1: Prinzip der aktiven Isolation. (a) Transmissionsverläufe: Isolation durch passive Systeme mit und ohne Dämpfung sowie aktiv gedämpfte Systeme. (b) Schema der aktiven Lagerung einer Masse.
  • Abb. 2: Piezoelektrischer Biegebalken. (a) Schematische Darstellung eines beidseitig eingespannten piezoelektrischen Biegebalkens. (b) Biegelinie: Absenkung des Balkens durch eine Aktorspannung oder eine externen Kraft. (c) Konstruktionsschema eines piezoelektrischen Biegebalkenlagers. (d) Prototypisches piezoelektrisches Biegebalkenlager.
  • Abb. 3: Prototypische Plattform zur aktiven Isolation von drei Freiheitsgraden. (a) Aufbau. (b) Simulierte und gemessene Transmissionsverläufe des passiven und aktiven Systems.
  • Abb. 4: Entwicklungsschritte eines Lagermoduls für eine prototypische Plattform zur aktiven Isolation von sechs Freiheitsgraden.

Piezoelektrische Lagerung - Hochpräzise Analysegeräte werden durch aktive Lagerungsplattformen von Umgebungsschwingungen isoliert. Erst dadurch kann das volle Potential moderner Anlagen ausgenutzt werden. Ein neues Lagerungskonzept vereint den dazu benötigten Aktor und die passive Lagerwirkung in einem multifunktionalen Bauteil. Dadurch können mehraxiale Lagerungsmodule kompakt aufgebaut werden. Dieser Artikel beschreibt das Prinzip, den methodischen Entwicklungsprozess und das Potential einer piezoelektrischen Lagerung.

Aktive Empfängerisolation
Zur Empfängerisolation wird der Übertragungspfad von einer schwingenden Quelle zu einem zu isolierenden Empfängersystem so gestaltet, dass eine Schwingungsreduktion des Systems in einem bestimmten Frequenzbereich eintritt. Das kann durch die Integration einer Steifigkeit k, einer Dämpfung d und, falls erforderlich, einem Aktor A erreicht werden. Das Schema der Isolation einer Masse m durch eine Lagerung ist in Abbildung 1 (b) skizziert. Der Transmissionsverlauf einer Fußpunktverschiebung x1 zur Verschiebung der gelagerten Masse x2, ist in Abbildung 1 (a) dargestellt. Bei Amplitudenwerten kleiner 0 dB tritt eine Schwingungsisolation der gelagerten Masse auf. Eine ungedämpfte passive Isolation bewirkt eine Schwingungsisolation im Frequenzbereich oberhalb der Resonanz des Masse-Feder-Systems. Allerdings tritt dabei eine Schwingungsüberhöhung im Bereich der Systemresonanz auf. Die Überhöhung kann durch die Integration eines passiven Dämpfers reduziert werden. Gleichzeitig verringert sich jedoch die Isolationswirkung im höheren Frequenzbereich. Eine aktive Isolation kann im einfachsten Fall durch die Rückführung der Geschwindigkeit der gelagerten Masse v2 zum Aktor erreicht werden. Dabei wird, in Abhängigkeit vom Verstärkungsfaktor gv, die Amplitudenüberhöhung in der Systemresonanz reduziert, ohne dass eine Verringerung der Isolation im höheren Frequenzbereich auftritt.

Funktionsintegrierte Lagerung
Die meisten aktiven Systeme basieren auf einer rein mechanischen Struktur, getrennt davon ausgeführten Aktoren und Sensoren.

Demgegenüber bietet die Integration aktorischer, sensorischer und mechanischer Eigenschaften in ein multifunktionales Bauteil eine Reduktion der Komplexität und kompaktere Bauweisen. Dazu können multifunktionale Materialien, wie piezoelektrische Keramiken, eingesetzt werden [2]. Piezoelektrische Biegebalken, auch Bimorphe genannt, erfüllen die Anforderungen an Aktoren und Sensoren zum Einsatz in aktiven Isolationssystemen.

Ein Vorteil des piezoelektrischen Biegebalkenaktors ist die Einfachheit seines Aufbaus. Wie die schematische Darstellung in Abbildung 2 (a) zeigt, besteht ein beidseitig eingespannter Bimorph aus einem Biegebalken mit darauf applizierten Piezomodulen. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung werden Biegemomente durch die Piezomodule bewirkt, die eine Absenkung des Balkens, entsprechend einer Kraft f am Balkenende, verursachen. Diese Kraft entspricht der Aktorkraft des Bimorphs aus Abbildung 2 (b), die in einem bestimmten Frequenzbereich als konstant angenommen werden kann, bevor das lagerinterne Schwingverhalten (Eigenverhalten) den Einsatzfrequenzbereich beschränkt. Die schematische Konstruktion eines piezoelektrischen Bimorphlagers zeigt Abbildung 2 (c). Darin werden zwei Balken zu einem Lagerverbund zusammengefasst. Eine elektrische Spannung UA bewirkt eine Verschiebung x2 des freien Lagerendes. Eine Realisierung des Lagers stellt Abbildung 2 (d) dar.

Piezoelektrische Isolationsplattform
An eine Plattform zur Isolation empfindlicher Geräte werden verschiedene Anforderungen wie die Isolationswirkung, die zu isolierende Masse und der wirksame Frequenzbereich gestellt. Der Aufbau einer solchen Plattform aus mehreren piezoelektrischen Bimorphenlagern stellt Herausforderungen an deren Auslegungsprozess. Während des Prozesses müssen sowohl die Wechselwirkung zwischen Lagersteifigkeit und Aktorkraft als auch das frequenzabhängige Eigenverhalten des Lagers entsprechend der Anforderungen berücksichtigt werden. Dabei erfolgt die Umsetzung der Lager nach festgelegten Entwicklungsschritten, die von der Optimierung eines analytischen Modells, über die Verifizierung der Eigenschaften durch eine Finite-Elemente-Simulation bis hin zum Abgleich der gefertigten Hardware reichen [3]. Die Arbeiten in den einzelnen Entwicklungsschritten werden durch eine flexibel anpassbare Systemsimulationsumgebung unterstützt. Eine prototypische Plattform zur aktiven Isolation von drei Freiheitsgraden zeigt Abbildung 3 (a). Neben den piezoelektrischen Bimorphlagern sind in ihr Aktorverstärker, Sensoren und eine digitale Regelung integriert. Die gemessenen und simulierten Transmissionsverläufe des passiven und aktiven Systems sind in Abbildung 3 (b) dargestellt. In der Systemresonanz wird eine Isolation von 17 dB erreicht.

Die einzelnen Entwicklungsschritte zum Aufbau einer Plattform zur Isolation von sechs Freiheitsgraden sind in Abbildung 4 dargestellt. Der Entwurf einer mehraxialen piezoelektrischen Lagerung besteht aus einer Serienschaltung von orthogonal angeordneten Bimorphstrukturen [4], die geometrisch ineinander verschachtelt sind. In einer numerischen Simulation werden die Kräfte, die Steifigkeiten und das dynamische Eigenverhalten der Lagerung untersucht und mit den Anforderungen abgeglichen. Nach erfolgreicher Verifikation werden vier Lagermodule aufgebaut und zu einem Gesamtsystem zusammengefasst. Zudem werden unter anderem eine speziell aufgebaute Verstärkereinheit für die 12 Aktorkanäle, dreiaxial hochempfindliche Sensoren [5] und eine digitale Regelungsplattform integriert.

Zusammenfassung:
Dieser Artikel stellt die Einsetzbarkeit piezoelektrischer Bimorphaktoren als Lagerelemente in aktiven Isolationsplattformen vor. Basierend auf dem Ansatz können mehraxiale Lagermodule in einem methodischen Entwicklungsprozess kompakt aufgebaut werden. Messergebnisse zeigen eine gute aktive Isolationswirkung der aufgebauten Plattform.

Literatur
[1] Preumont A.: Vibration control of active structures: An introduction, Kluwer Academic Publishers, 2002
[2] Bös J. et al.:Tagungsband: Acoustics (2008)
[3] Bartel T. et al.: Tagungsband: International Conference on Noise and Vibration Engineering (2012)
[4] Bartel T. und Melz T.: Patentschrift, WO 2012130474 A1 (2012)
[5] Seipel B. und Bartel T.: Patentanmeldung, DE 10 2013 018 865.2 (2013)

 

Weitere Beiträge zum Thema: http://bit.ly/GIT-Piezo
Mehr Informationen: http://bit.ly/Adaptronik

 

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