Modellierung und Validierung der Krafterzeugung mit Stick-Slip ...

62 3. Krafterzeugung mit Stick-Slip-Antrieben: Proof of concept
anzupassen. Die Grundidee des Konzepts - ohne Sensoren auszukommen - wäre
dann jedoch verletzt, und es könnte nicht vom einfachen Aufbau und der Miniaturisierbarkeit
der Stick-Slip-Antriebe profitiert werden. Dies sind nämlich genau
die Eigenschaften, welche die Methode der Krafterzeugung besonders attraktiv
machen.
Bei der Messung der Kraft wurden teilweise starke Vibrationen beobachtet.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das Niveau dieser ,parasitären’ Vibrationen
mit der Vorspannung skaliert. Mit anderen Worten: Antriebe mit großer Vorspannung
vibrieren mehr als solche mit weniger Vorspannung. Aus technischen
Gründen ist die Vorspannung stark an die Dimensionen solcher Antriebe gekoppelt.
Kleine Antriebe werden eine geringe Vorspannung aufweisen, weil die mechanischen
Randbedingungen keine größere Vorspannung zulassen. Also werden
die Vibrationen mit zunehmender Miniaturisierung abgeschwächt. Gleichzeitig
nimmt die Wiederholbarkeit bei Vorspannungen nahe der Blockier-Vorspannung
stark ab. Deshalb sollten Vorspannungen größer als das Maximum in Abbildung
3.6 vermieden werden. Aus der Sicht des Konstrukteurs ist der optimale
Arbeitsbereich dann gefunden, wenn mit einer minimalen Vorspannung die maximale
Kraft erzeugt werden kann.
Ein wesentlicher Nachteil der Krafterzeugung ist in der Tatsache zu sehen,
das die Kraft in diskreten Anteilen beziehungsweise Schritten übertragen wird.
Dies macht die Erzeugung wirklich kontinuierlicher Kräfte unmöglich. In der
Messung in Abbildung 3.4 werden die Stick-Slip-Schritte mit einer Frequenz von
1kHz erzeugt. Wenn die Frequenz (beziehungsweise der Stick-Gradient) geringer
wäre, könnte das Ansteigen der Kraft weniger abrupt sein, da die Asperitenverformung
langsamer vonstattenginge. Trotzdem ist die Diskontinuität der Kraft
implizit aufgrund der Slip-Phase gegeben. Es wird noch zu untersuchen sein,
inwiefern Vibrationen minimiert werden können und eine quasi-kontinuierliche
Krafterzeugung etabliert werden kann.
Der Aspekt der Drift im Kraftsignal kann in Abbildung 3.3 beobachtet werden.
Drift, beziehungsweise Relaxation von Piezoaktoren, ist ein gut untersuchter Effekt.
Diverse Lösungen bezüglich dieses Problems sind bereits bekannt [117,118].
Aufgrund des Vorkommens während des Stick könnten diese bekannten Methoden
für eine Driftkompensation eingesetzt werden.
Verschleiß spielt für Stick-Slip-Antriebe eine wichtige Rolle. Während der Messungen
konnte eine stetig zunehmende Kraft aufgrund von verschlissenen Laufflächen
am Läufer registriert werden. Dieser Effekt ist ausgeprägt für den unbehandelten
Läufer, kommt aber in geringerem Maße beim gehärteten Typ vor. Daher
sollte die Wirkung von Verschleiß langfristig Teil des Modells der Krafterzeugung
sein.