DFG Projekt: Kick and Catch - kooperative Mikroaktoren für frei bewegliche Palttformen

Jade Welt: Jade Hochschule entwickelt mikrotechnische Systeme weiter

Kick and Catch - kooperative Mikroaktoren für frei bewegliche Plattformen

Bewegliche Massen sind wichtige Bestandteile von Mikrosystemen und üblicherweise über Biegefedern gelagert. Diese dienen als Gelenke und ersetzen die in der Mikrotechnik fehlenden Kugellager. Dadurch wird der Arbeitsbereich limitiert, und die Aktoren müssen immer die Rückstellkraft der Balken überwinden. Um eine Masse in ausgelenkter Position zu halten, muss der Aktor also stets aktiv sein oder arretiert werden. So wird viel Energie verbraucht.

Das Ziel dieses Forschungsvorhabens sind neuartige Mikroaktuatoren, die nicht über Balkenstruturen gelagert, sondern frei beweglich sind. Zudem sollen sie energie sparen, größere Verfahrwege bieten und auch schneller sein. Um dies zu ermöglichen, müssen verschiedene Typen von Aktuatoren miteinander kooperieren. Um hohe Geschwindigkeiten und große Auslenkungen zu ermöglichen, soll die Masse einem plötzlichen Stoß (Kick) ausgesetzt werden und in eine Freiflugphase eintreten. Anschließend wird wird diese Masse in einer definierten Endposition aufgefangen (Catch).

 

Projektgruppen:

Ulrike Wallrabe, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Institut für Mikrosystemtechnik, Forschungsgruppe Mikroaktorik, Georges-Köhler-Allee 102, 79110 Freiburg

Martin Hoffmann, Ruhr-Universität Bochum, Lehr­stuhl Mi­kro­sys­tem­tech­nik, Universitätsstraße 150, 44801 Bochum

Christoph Ament, Universität Augsburg, Lehrstuhl für Regelungstechnik, Eichleitner Straße 30, D-86159 Augsburg

Tamara Bechtold, Jade Hochschule, Fachbereich Ingenieurwissenschaften, Modellierung und Simulation mechatronischer Systeme, Friedrich-Paffrath-Straße 101, 26389 Wilhelmshaven

 

Tamara Bechtolds Gruppe für Modellierung und Simulation mechatronischer Systeme an der Jade Hochschule hat das Ziel, Methoden zur Erstellung des Systemmodells für das Kick-and-Catch-Mikroaktuatorsystem zu entwickeln. Diese Arbeit geht den Tätigkeiten der Ament-Gruppe voraus, da ein Aktuatormodell für den Reglerentwurf benötigt wird. Des Weiteren profitiert sowohl die Hoffmann- als auch die Wallrabe-Gruppe von dieser Arbeit, da die Verfügbarkeit eines effizienten und akkuraten Modells die Entwicklung ihres jeweiligen Aktuatoren erleichtern. Die im Zuge dieser Arbeit entwickelte Methoden können auf eine große Klasse von kooperativen, multistabilen Mikroaktuatorsystemen angewandt werden.  

Das Kick-and-Catch-Systemmodell besteht aus zwei Submodellen: dem elektromagnetischen Catch-Aktuatormodell und dem elektrostatischen bzw. piezoelektrischen Kick-Aktuatormodell. Die hier betrachteten Mikroaktuatoren zeigen nichtlineares strukturdynamisches Verhalten (mit periodischen Kontakten zwischen Sphäre und Plattform) und nutzen elektrostatische und magnetische Felder für Aktuierung und Positionsmessung.Um diese Effekte mit ausreichender Genauigkeit abzubilden werden numerische, multiphysikalische Modelle benötigt. Submodelle haben zwar eine sehr hohe Genauigkeit, sind jedoch zu groß, um in einen Regelkreis implementiert zu werden. Des Weiteren leben Kick-, Spin-, Fly- und Catch-Prozess auf ganz unterschiedlichen Zeitskalen, welche die adequate Modellierung des Kontaktverhaltens vor großen Herausforderungen stellt. Darum ist es die Aufgabe der Bechtold-Gruppe geeignete Methoden für Ordnungsreduktion von multiphysikalischen Feldmodellen zu entwicklen und diese der Ament-Gruppe für die Integration in den Regelkreis zur Verfüngung zu stellen. Über die Mikroaktuatorsystemen hinaus sind die entwickelten Methoden auf andere multiphysikalischen Systeme übertragbar, vor allem auf solche, die zeitvariantes Kontaktverhalten und nichtlineare Effekte aufweisen. 

 

Beobachter-basierte Regelung der Kick and Catch Aktuatoren umfasst ein Modell auf Systemebene, welches ein reduziertes Modell (ROM), ein Lumped-Element (LE) Modell oder eine von einem Finite-Elemente-Modell abgeleitete Look-up-Table (LT) sein kann. Das Systemmodell beschreibt das Verhalten der Aktuatoren als Antwort auf die Anredung durch die Eingangsspannung und den Eingangsstrom; die Ausgangsgrößen des Modells sind Position der fliegenden Masse und die Lage des darauf befindlichen Plattforms. Dieses Modell dient dem Reglerentwurf werden.

 

         

Prof. Dr. -Ing. Ulrike Wallrabe; Prof. Dr. -Ing. Martin Hoffmann; Prof. Dr. -Ing. Christoph Ament; Prof. Dr. -Ing. Tamara Bechtold