Jungnickel, Uwe (2004)
Miniaturisierte Positioniersysteme mit mehreren Freiheitsgraden auf der Basis monolithischer Strukturen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Das Ziel dieser Arbeit bestand darin, neue Wege zur Realisierung miniaturisierter Manipulatoren für die Miniatur- und Mikrorobotik aufzuzeigen. Ein besonderer Schwerpunkt wurde dabei auf eine kostengünstige und damit serientaugliche Fertigung gelegt, da erst mit der Verfügbarkeit bezahlbarer Miniatur- und Mikromanipulatoren die Möglichkeiten der Mikrorobotik auf breiter Front genutzt werden. Aus der Tatsache heraus, dass in einem hybriden Mikrosystem bis zu 80% der Kosten durch die aufwendige Montage verursacht werden, galt ein besonderes Augenmerk einem montagearmen Aufbau der Manipulatoren. Auf der Basis allgemeiner Betrachtungen wurde das Manipulatorkonzept bestimmt, dass am besten die gestellten Forderungen erfüllt. Dieses Konzept sieht eine monolithische Parallelkinematik in Kombination mit gestellfest angeordneten monolithischen Aktoren vor, so dass der Manipulator, unabhängig von der Anzahl der Freiheitsgrade, nur aus zwei Fertigungsteilen besteht. Zur Umsetzung dieses Konzeptes mussten Lösungen für monolithische parallelkinematische Strukturen mit mehreren räumlichen Freiheitsgraden und für monolithische Antriebe mit großem Stellweg gefunden werden. Als Grundlage zur Entwicklung einer monolithischen Kinematik wurden die Eigenschaften von Festkörpergelenken eingehend betrachtet. Dabei zeigte sich, dass sich Festkörpergelenke maßgeblich von konventionellen Lagern unterscheiden: Zu der begrenzten Nachgiebigkeit in der Hauptbewegungsrichtung kommen je nach Gelenkauslegung nur geringfügig kleinere Nachgiebigkeiten für die Bewegungen in den Achsen, die gesperrt seien sollten. Dies führt dazu, dass besondere Gestaltungsrichtlinien bei der Entwicklung einer räumlichen Festkörperkinematik berücksichtig werden müssen, um eine bezüglich Position und Orientierung fehlerfreie Bewegung der Arbeitsplattform zu erreichen. Unter Berücksichtigung dieser Gestaltungskriterien und den Erkenntnissen einer Analyse von kinematischen Grundstrukturen wurde eine Familie von Festkörperkinematiken entwickelt, die sich durch eine planare Fertigung auszeichnet. Durch den planare Aufbau ergeben sich bei einer Fertigung im Spritzgussverfahren besonders geringe Werkzeugkosten. Als Material eignet sich insbesondere Polypropylen (PP), das nach Bedarf anschließend im Bereich der Streben galvanisch verstärkt werden kann. In einer umfangreichen Analyse der Eigenschaften der entwickelten Kinematiken wurden die Singularitäten und das Weg- und Kraftübertragungsverhalten bestimmt. Für die Kinematiken ergeben sich nur an den Grenzen des Arbeitsraumes singuläre Stellungen. In Optimierungsrechnungen wurde gezeigt, dass es jeweils eine optimale Länge für die Streben gibt, so dass der Arbeitsraum maximal wird. Zur Realisierung von monolithischen Antrieben mit großen Stellwegen und großen Stellkräften wurden monolithische Schrittantriebe entwickelt, die in ihrem Konzept auf einer historischen Bergwerkstechnik, der Fahrkunst, basieren. Diese Antriebe in einer Ausführung als Linearantrieb besitzen zwei parallel zueinander angeordnete Stege, die sich über den gesamten Stellweg erstrecken und eine oszillierende Linearbewegung mit kleiner Amplitude ausführen. Ein Schlitten wird je nach gewünschter Bewegungsrichtung an dem einen oder anderen Steg fixiert. Zum Antrieb der Stege und der Fixierung wurden Niedervolt-Piezostapelaktoren ausgewählt, deren Stellweg mit einem Getriebe vergrößert wird. Zur Realisierung dieser Stellwegvergrößerung in einem monolithischen und miniaturisierten Aufbau wurden verschiedene Getriebearten untersucht und dabei festgestellt, dass ein einfaches Hebelgetriebe keine zufriedenstellenden Ergebnisse bringen kann. Dagegen hat sich ein Kniehebelrahmen-Getriebe als sehr günstig heraus gestellt. Für den Kniehebelrahmen in Verbindung mit der angekoppelten Last konnte ein Modell aufgestellt werden, mit dem eine Aussage über den erzielbaren Stellweg unter Berücksichtigung der Dehnungen im Rahmen möglich ist. Der Schlitten wird mit einer Klemmbacke fixiert, die sich über die gesamte Länge des Steges erstreckt. Mit einer formschlüssigen Kraftübertragung in Form einer Mikroverzahnung können hohe Stellkräfte übertragen werden. Für einen positionsgeregelten Betrieb der beiden Stege konnte eine kapazitive Wegsensorik in den monolithischen Aufbau integriert werden. Durch eine differentielle Anordnung wird ein linearisiertes Wegsignal mit hoher Empfindlichkeit erreicht. Die entwickelten Ansätze wurden in einem Prototypen verifiziert und bestätigt. Das gefundene Konzept lässt sich in einem weiten Bereich skalieren, so dass sowohl Miniatur- als auch Mikroroboter auf diesen Grundlagen realisiert werden können.

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