Kick and Catch - kooperative Mikroaktoren für frei bewegliche Palttformen

Jade Welt: Jade Hochschule entwickelt mikrotechnische Systeme weiter

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 Balkenstrukturen 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 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

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 erleichtert. Die im Zuge dieser Arbeit entwickelten 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 Halbkugel 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 laufen Kick-, Spin-, Fly- und Catch-Prozess auf ganz unterschiedlichen Zeitskalen ab, welche die angemessene Modellierung des Kontaktverhaltens vor große Herausforderungen stellt. Darum ist es die Aufgabe der Bechtold-Gruppe, geeignete Methoden für die Ordnungsreduktion von multiphysikalischen Feldmodellen zu entwicklen und diese der Ament-Gruppe für die Integration in den Regelkreis zur Verfügung zu stellen. Über die Mikroaktuatorsysteme 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 Anregung durch Eingangsspannungen und Eingangsströme; die Ausgangsgrößen des Modells sind Position und Orientierung der fliegenden Halbugel. Dieses Modell dient dem Reglerentwurf.
Dreidimensionale Schnittdarstellung des Catch-aktors mit beschrifteten Bauteilen.
Funktionsprinzip des Kick and Catch-Aktuators: Das Kick-Modul "startet" die Hemisphäre durch einen plötzlichen Stoß. Ein System aus Permanent- und Elektromagneten erlaubt es, den Flug zu regeln. Schließlich bremst der Catch-Aktuator die Hemisphäre vorsichtig ab, um sie zu landen.
Das Team hinter dem "Kick and Catch"-Projekt beim Kick-Off Treffen im Oktober 2019 in Karlsruhe:
Prof. Dr.-Ing. Ulrike Wallrabe, Arwed Schütz, Prof. Dr.-Ing. Tamara Bechtold, Michael Olbrich, Prof. Dr.-Ing. Christoph Ament, Prof. Dr.-Ing. Martin Hoffmann, Peter Conrad