Piezohydraulischer Aktor Die Erfindung betrifft einen piezohydraulischen Aktor sowie ein Verfahren zu dessen Betrieb.

Bei Aktoren spielen insbesondere vier Eigenschaften eine Rolle, und zwar Kraft, Auslenkung, Geschwindigkeit und Bauraum. Bei vielen Aktoranwendungen existieren unterschiedliche Arbeitspunkte, in denen entweder eine hohe Kraft oder eine hohe Geschwindigkeit erforderlich ist. Bei einem Aktor zum Auswurf von Werkzeugen bei einer Werkzeugmaschine ist die Anforde ^¬ rung, dass der Aktor die Auslenkung bis zum Kontakt mit dem Werkzeug mit großer Geschwindigkeit zurücklegt, wobei keine besonders großen Kräfte erforderlich sind. Sobald der Aktor Kontakt mit dem Werkzeug hat, ist die Anforderung genau an ^¬ ders herum. Es werden große Kräfte benötigt, um das Werkzeug ausstoßen zu können. Allerdings ist keine große Geschwindig- keit erforderlich, da die hierfür notwendige Aktorauslenkung sehr gering ist. Somit ergeben sich für den Aktor zwei erforderliche Modi. Einen Geschwindigkeitsmodus und einen Kraftmo ^¬ dus. Ein derartiges Konzept mit diesen beiden Modi findet ebenso in der Robotik immer öfter Verwendung.

Herkömmlicherweise wird ein zwei-stufiges Getriebe verwendet, welches die Möglichkeit der Umschaltung zwischen den zwei Mo ^¬ di, und zwar den Geschwindigkeits- und den Kraftmodus, anbie ^¬ tet. Nachteilig sind dabei die Drehmoment-/Kraftsprünge wäh- rend der Umschaltung, insbesondere unter Last. [1] offenbart einen linearen Aktor, der mit Hilfe eines Getriebes und eines zusätzlichen Motors dem Problem entgegenwirkt. ([1]: A.

Girard and H. Asada - A Two-Speed Actuator for Robotics with Fast Seamless Gear Shifting, 2015 IEEE/RSJ International Con- ference on Intelligent Robots and Systems (IROS)) . Nachteili ^¬ gerweise haben die Komplexität und die Leistungsdichte eines derartigen Systems noch einen großen Optimierungsbedarf. Alternative werden herkömmlicherweise unterschiedliche Aktor ^¬ prinzipien, wie beispielsweise Seilantriebe angeboten, die zur Realisierung zweier unterschiedlicher Modi verwendbar sind. Beispielsweise verfügen verdrillte Seile unter anderem über ein nicht lineares Übersetzungsverhältnis, sodass ver ^¬ drillte Seile ebenso mittels einer zusätzlichen Verdrehung für höhere Kräfte aus derselben Motoreinheit verwendet werden können. Der Vorteil einer derartigen Lösung sind geringere Verluste. Allerdings sind die beiden Modi über einen hystere- se-behafteten Entspannungsprozess ("relaxation process") mit ^¬ einander gekoppelt. Um diesen Effekt entgegenzuwirken, haben Forscher einen Kupplungsmechanismus mit einer zusätzlichen Motoreinheit entwickelt, (siehe [2]: Y.J. Shin, H.J. Lee, K.- S. Kim, S. Kim, - "Dual-Mode Twisting Actuation Mechanism with an Active Clutch for Active Mode-Change and Simple Re ^¬ laxation Process", 2015 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS)). Ein derartiges System erhöht ebenso die Komplexität des Gesamtsystems. Die Beherr ^¬ schung verdrehter Seile und die damit verbundenen Nichtlinea- ritäten sind weiterhin ein Forschungsthema.

Es ist Aufgabe der Erfindung einen piezohydraulischen Aktor derart bereit zu stellen, dass dieser in einem ersten Modus hinsichtlich der Kraft und in einem zweiten Modus hinsicht- lieh der Geschwindigkeit der Auslenkung des Aktors optimiert ist, wobei im ersten Modus die Kraft möglichst groß und im zweiten Modus die Geschwindigkeit möglichst groß sein sollen. Es soll zudem ein unterbrechungsfreies Umschalten zwischen beiden Modi ausführbar sein. Es soll zudem ein automatisches Umschalten ausführbar sein. Der Aktor soll in harschen oder belastenden Umgebungen verwendbar sein.

Die Aufgabe wird durch einen piezohydraulischen Aktor gemäß dem Hauptanspruch und mittels eines Verfahrens zum Betrieb eines piezohydraulischen Aktors gemäß dem Nebenanspruch gelöst. Gemäß einem ersten Aspekt wird ein piezohydraulischer Aktor vorgeschlagen, der als ein vier Kammern aufweisendes System ausgebildet ist, wobei eine erste Kammer ein von einem Piezo- aktor bewegbarer, mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllter Antriebsbalg ist, der über ein erstes Rückschlagventil hyd ^¬ raulisch mit einer als ein mit der Hydraulikflüssigkeit ge ^¬ füllter Hydraulikzylinder ausgebildeten zweiten Kammer als ersten Abtrieb verbunden ist, dessen Gehäuse und dessen Hydraulikkolben an einem mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllten und eine dritte Kammer ausbildenden Abtriebsbalg als zweiten Abtrieb mechanisch parallel gekoppelt sind, wobei der Ab ^¬ triebsbalg über ein zweites Rückschlagventil hydraulisch mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllten vierten Kammer als Reservoire verbunden ist, wobei dieses über ein drittes Rück- schlagventil mit dem Abtriebsbalg und der Hydraulikzylinder über ein viertes Rückschlagventil mit dem Abtriebsbalg hyd ^¬ raulisch verbunden ist.

Antriebsbalg ist hier insbesondere ein eine Flüssigkeit bein- haltendes, insbesondere in Bewegungsrichtung, elastisches Re ^¬ servoir, das derart eingerichtet ist, dass auf dieses Kraft aufbringbar ist.

Abtriebsbalg ist hier insbesondere ein eine Flüssigkeit bein- haltendes, insbesondere in Bewegungsrichtung, elastisches Re ^¬ servoir, das derart eingerichtet ist, dass aus diesem Kraft ausgebbar ist.

Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Betrieb ei- nes piezohydraulischen Aktors vorgeschlagen, der als ein vier Kammern aufweisendes System ausgebildet ist, wobei eine erste Kammer ein von einem Piezoaktor bewegbarer, mit einer Hydraulikflüssigkeit gefüllter Antriebsbalg ist, der über ein ers ^¬ tes Rückschlagventil hydraulisch mit einer als ein mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllter Hydraulikzylinder ausgebilde ^¬ ten zweiten Kammer als ersten Abtrieb verbunden ist, dessen Gehäuse und dessen Hydraulik Kolben an einem mit der Hydraulikflüssigkeit gefüllten und eine dritte Kammer ausbildenden Abtriebsbalg als zweiten Abtrieb mechanisch parallel gekop ^¬ pelt sind, wobei der Antriebsbalg über ein zweites Rück ^¬ schlagventil hydraulisch mit einer mit der Hydraulikflüssig ^¬ keit gefüllten vierten Kammer als Reservoire verbunden ist, wobei dieses über ein drittes Rückschlagventil mit dem

Abtriebsbalg und dieser über ein viertes Rückschlagventil mit dem Hydraulikzylinder hydraulisch verbunden ist, wobei ein mittels des Ausdehnens des Piezoaktors ausgeführtes Kompri ^¬ mieren und Drücken der Hydraulikflüssigkeit gegen das erste Rückschlagventil, das bei einem eingestellten Druck öffnet und die Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylinder fließt und eine Übersetzung oder Untersetzung des Piezohubs ausgeführt wird, wobei mittels eines Zurückziehens des Piezoaktors ein Unterdruck im Antriebsbalg derart erzeugt wird, dass das zweite Rückschlagventil öffnet und Hydraulikflüssigkeit vom

Reservoir in den Antriebsbalg fließt und damit ein wiederhol ^¬ barer Zyklus eines Pumpens abgeschlossen ist.

Ein erfindungsgemäßer piezohydraulischer Aktor hat den Vor- teil, dass mit diesem sowohl kraft- als auch geschwindig- keitsoptimiert ausgelenkt werden kann. Der Vorteil gegenüber vergleichbaren herkömmlichen Lösungen, die mit Getriebestufen arbeiten, ist, dass das beschriebene System automatische zwi ^¬ schen Geschwindigkeits- und Kraftmodus wechseln kann. Insbe- sondere ist es möglich, zwischen den beiden Modi unterbre ^¬ chungsfrei umzuschalten. Außerdem ist dieser Antrieb bei Verwendung von metallischen Kapselungen aufgrund von Metallbälgen für eine harsche Umgebung beispielsweise bei starken Vib ^¬ rationen oder großen Verschmutzungen geeignet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der hydraulische Querschnitt des Hydraulikkolbens kleiner als der hydraulische Querschnitt der als Abtriebsbalg geschaffenen dritten Kammer und kleiner als der hydraulische Querschnitt der als An ^¬ triebsbalg geschaffenen ersten Kammer sein. Der hydraulische Querschnitt eines Bauteils ist hier insbe ^¬ sondere die von dem Bauteil geschaffene Fläche, auf die eine für einen Druckaufbau notwendige Kraft senkrecht wirkt und die senkrecht zu einer Bewegungsrichtung orientiert ist.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das vierte Rückschlagventil derart eingerichtet sein, dass es bei einem Druckanstieg im ersten Abtrieb in Folge einer äußeren Gegenkraft derart öffnet, dass Hydraulikflüssigkeit zusätz ^¬ lich zum zweiten Abtrieb gepumpt wird.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das dritte Rückschlagventil eine Leckage zum Rückdriften von Hyd- raulikflüssigkeit vom Abtriebsbalg zum Reservoire aufweisen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann parallel zum dritten Rückschlagventil eine Drossel zum Rückdriften von Hydraulikflüssigkeit vom Abtriebsbalg zum Reservoire hyd- raulisch angeschlossen sein.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mechanische Abtrieb mittels einer Fläche des Hydraulikkolbens bereit gestellt werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der mechanische Abtrieb mittels einer Fläche der als Abtriebsbalg geschaffenen dritten Kammer bereit gestellt werden, wobei der Hydraulikkolben, insbesondere form- oder kraftschlüssig, mit der Fläche des Abtriebsbalgs verbunden sein kann.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Hydraulikzylinder und zumindest teilweise der Hydraulikkolben innerhalb der als Abtriebsbalg geschaffenen dritten Kammer positioniert sein. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Piezoaktor mittels Pulsweitenmodulation einer Ansteuerspannung elektrisch angesteuert werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das dritte Rückschlagventil öffnen, wenn infolge des Pumpens der Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylinder ein Unterdruck im Abtriebsbalg erzeugt ist, und Hydraulikflüssigkeit vom Re ^¬ servoire in den Abtriebsbalg fließt.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann falls der erste Abtrieb gegen eine einstellbare Gegenkraft, insbe ^¬ sondere ein Hindernis, fährt, und der Druck im Hydraulikzy ^¬ linder sich vergrößert, das vierte Rückschlagventil öffnen und Hydraulikflüssigkeit vom Antriebsbalg zusätzlich in den Abtriebsbalg fließen.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann bei einem Zurückziehen des ersten Abtriebs und des zweiten Abtriebs mittels des dritten Rückschlagventils Hydraulikflüssigkeit in den Reservoirebalg rückfließen.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen piezohydraulischen Aktors;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä ^¬ ßen piezohydraulischen Aktors;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemä ^¬ ßen piezohydraulischen Aktors;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens . Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin ^¬ dungsgemäßen piezohydraulischen Aktors 1. Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße Konzept. Als Antriebselement wird ein

Piezoaktor 5 verwendet, der mit einem hydraulischen System gekoppelt ist. Das hydraulische System weist vier Kammern auf. Und zwar einen Antrieb 3, ein Reservoire 15, einen Ab ^¬ trieb 1 (AI) und einen Abtrieb 2 (A2) . Abtrieb 1 (AI) ist in diesem Fall als Hydraulikzylinder 9 ausgeführt und sowohl an dessen Gehäuse als auch an einem Hydraulikkolben 11 mit den parallel geschalteten Abtrieb 2 (A2) mechanisch fest verbunden. Abtrieb 1 (AI) hat eine kleinere hydraulische Quer ^¬ schnittsfläche als Abtrieb 2 (A2) und gegebenenfalls als der Antrieb 3. Zum Ansteuern des Aktors 1 wird eine Spannung in Pulsweitenmodulation - (PWM) - Form angelegt. Infolge des Spannungsanstiegs des PWM-Signals dehnt sich der Piezo 5 aus, wodurch das Fluid 7 im Antrieb 3 komprimiert wird und der Druck aufgrund der Quasi-Inkompressibilität steigt. Dadurch öffnet sich das Rückschlagventil RV1, sodass Öl als Ausfüh ^¬ rungsbeispiel für die Hydraulikflüssigkeit 7 vom Antrieb 3 in den Abtrieb AI, also in den Hydraulikzylinder 9 fließt. Mit kleinerem Querschnitt von Abtrieb AI im Vergleich zum Antrieb 3 erfolgt eine Übersetzung des Piezohubs. Als Nächstes wird die PWM-Spannung an Piezo 5 wieder auf null gesetzt, wo ^¬ durch sich der Druck im Antrieb 3 verringert und aufgrund der Volumenreduktion des Fluids 7 ergibt sich ein Unterdruck (dabei wurde zuvor ein Teil des im Antrieb 3 vorhandenen

Fluids 7 in den Abtrieb AI gepumpt) . In Folge des Unterdrucks öffnet das Rückschlagventil RV 2 und Fluid 7 wird vom Reser ^¬ voire 15 in den Antrieb 3 gesaugt. Danach kann die PWM-Span- nung wieder erhöht werden und der zuvor beschriebene Zyklus wiederholt werden. Durch die Wiederholung wird stufenweise Öl als Ausführungsbeispiel für die Hydraulikflüssigkeit 7 vom Reservoir 15 über den Antrieb 3 in den Abtrieb AI gepumpt. In Folge der Auslenkung des Hydraulikkolbens 11, also des Ab- triebs AI, wird ebenso der Abtrieb A2 ausgelenkt, da beide mechanisch miteinander gekoppelt sind. Bezugszeichen 12 bezeichnet eine Befestigungsstelle, an der ein Abtriebsbalg 13 mit dem Hydraulikkolben 11 mechanisch verbunden ist. Da in dem Abtrieb A2 keine Hydraulikflüssigkeit 7 aktiv gepumpt wird, würde Unterdruck entstehen, da die Fluidmenge trotz steigenden Volumen des zweiten Abtriebs A2 konstant bleibt. Dadurch würde eine Gegenkraft am Abtrieb AI entstehen, wo- durch die Auslenkung des Abtriebs AI blockiert werden würde. Aus diesem Grunde wird eine hydraulische Verbindung zwischen Abtrieb A2 und Reservoire 15 geschaffen, die das Rückschlag ^¬ ventil RV3 aufweist. Dieses Rückschlagventil RV3 öffnet sich, wenn in Folge des Pumpens der Hydraulikflüssigkeit 7 in den Abtrieb AI ein Unterdruck in dem zweiten Abtrieb A2 entsteht. Dadurch wird auf passive Weise dafür gesorgt, dass der zweite Abtrieb A2 lediglich einen geringen Einfluss auf die Expansi ^¬ on von dem ersten Abtrieb AI hat. Sobald der erste Abtrieb AI gegen eine Gegenkraft, beispiels ^¬ weise in Folge eines Hindernisses, bewegt wird oder fährt, ist für den Aktor 1 zum Betrieb erforderlich, dass viel Kraft aufgebaut wird. Dies ist allerdings mit dem ersten Abtrieb AI lediglich bedingt möglich, da die hydraulische Querschnitts- fläche zu klein gewählt wurde, um eine große Geschwindig ^¬ keitsübersetzung bereit zu stellen. Je kleiner die hydraulische Fläche des ersten Abtriebs AI ist, desto kleiner ist die Abtriebskraft bei einem maximalen Druck im ersten Abtrieb AI. Aus diesem Grund ist zwischen dem ersten Abtrieb AI und dem zweiten Abtrieb A2 ein Rückschlagventil RV4 verbaut. Steigt der Druck im ersten Abtrieb AI aufgrund einer Gegenkraft, öffnet sich das Rückschlagventil RV4, wodurch die Hydraulik ^¬ flüssigkeit 7 zusätzlich zu dem ersten Abtrieb AI ebenso den zweiten Abtrieb A2 in diesen gepumpt wird. Da bei dem zweiten Abtrieb A2 der hydraulische Querschnitt deutlich größer ist, steigt im Vergleich zu dem ersten Abtrieb AI bei gleichem Druck die vom zweiten Abtrieb A2 bereit gestellte Abtriebs ^¬ kraft . Das Zurückziehen des ersten und des zweiten Abtriebs AI und

A2 erfolgt gemäß diesem Konzept mittels einer eingebauten Le ^¬ ckage. Gemäß Figur 1 kann das dritte Rückschlagventil RV3 mit einer einfachen Leckage bereit gestellt sein, sodass die Hyd- raulikflüssigkeit 7 langsam vom zweiten Abtrieb A2 zum Reservoire 15 zurückdriftet.

Figur 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfin- dungsgemäßen piezohydraulischen Aktors 1. Dabei weist dieses zweite Ausführungsbeispiel weitgehend dieselben Elemente wie das erste Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 auf. Alternativ wird gemäß Figur 2 parallel zu dem Rückschlagventil RV3 zu ^¬ sätzlich eine Drossel 17 verbaut. Die Drossel 17 kann alter- nativ oder kumulativ ein Zurückdriften der Hydraulikflüssigkeit 7 langsam vom zweiten Abtrieb A2 zum Reservoire 15 be ^¬ reitstellen. Figur 2 zeigt eine Fläche 19 des Hydraulikkol ^¬ bens 11 des Hydraulikzylinders 9, wobei mittels dieser Flä ^¬ che 19 eine Kraftübertragung des erfindungsgemäßen Aktors 1 ausgeführt wird.

Figur 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfin ^¬ dungsgemäßen piezohydraulischen Aktors 1. Dabei weist das dritte Ausführungsbeispiel weitgehend die gleichen Systemele- mente wie das erste Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 auf. Entsprechend ist Figur 3 ebenso wie Figur 2 mit den zu Fi ^¬ gur 1 gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Gemäß dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 erfolgt der mechanische Ab ^¬ trieb im Unterschied zu Figur 2 nicht über die Fläche 19, sondern über die Fläche 21, die über den Abtriebsbalg 13 des zweiten Abtriebs A2 ausgebildet wird. Dabei kann der Hydrau ^¬ likkolben 11 im zweiten Abtrieb A2 entweder form- oder kraftschlüssig an der Befestigungsstelle des Abtriebsbalgs 13 mit dem Hohlzylinderkolben 11 mechanisch verbunden sein.

Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Verfahren betrifft den Betrieb des erfin ^¬ dungsgemäßen piezohydraulischen Aktors 1 beispielsweise gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen. Mittels eines ersten Schrittes Sl erfolgt ein Ausdehnen des Piezo- aktors und ein Komprimieren und Drücken der Hydraulikflüssig ^¬ keit gegen das erste Rückschlagventil, das bei einem einge ^¬ stellten Druck öffnet und die Hydraulikflüssigkeit in den Hydraulikzylinder fließen lässt und dabei eine Übersetzung oder Untersetzung des Piezohubs ausgeführt wird. Mit einem zweiten Schritt S2 erfolgt ein Zusammenziehen des Piezo- aktors, wobei ein Unterdruck im Antriebsbalg derart erzeugt wird, dass das zweite Rückschlagventil öffnet und Hydraulik ^¬ flüssigkeit vom Reservoire in den Antriebsbalg fließt und auf diese Weise ein Zyklus eines Pumpens abgeschlossen ist. Die Schritte Sl und S2 können wiederholt zyklisch ausgeführt wer ^¬ den .