Charakterisierung, Modellbildung und Regelung mechatronischer Hochlastaktoren aus thermischen Formgedächtnislegierungen

Die Integration aktorischer Funktionen in Werkzeuge und Maschinenkomponenten erfordert eine Technologie für die Realisierung miniaturisierter, kurzhubiger und sehr steifer Aktoren im Kraftbereich größer 1 kN. Konventionelle Aktortechnologien erfüllen diese Anforderungen nur teilweise. Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL) als unkonventionelle Aktortechnologie haben sich aufgrund ihrer hohen spezifischen Arbeitsdichte und des einfachen Aufbaus inzwischen in Form miniaturisierter Drahtaktoren zur Erzeugung kleiner Kräfte am Markt etabliert. Die Skalierung auf höhere Kräfte erfordert den Einsatz massiver auf Druck belastbarer FG-Bauteile. Im Vergleich zu Drahtaktoren existieren durch die ungünstigeren thermischen und geometrischen Randbedingungen deutlich mehr Einflussgrößen auf die Leistungsfähigkeit dieser Aktoren, was die Auslegung komplexer macht. Derzeit sind die wirkenden Einflussgrößen und die entstehenden
Wechselwirkungen nur unzureichend bekannt. Dies verhindert die gezielte Auslegung druckbelasteter FG-Aktoren für hohe Kräfte. Die vorliegende Arbeit verfolgt das Ziel, die an druckbelasteten FG-Aktoren für hohe Lasten wirkenden Einflussgrößen zu beschreiben, hinsichtlich ihrer Einflussstärke zu quantifizieren und Gestaltungsmöglichkeiten des
Aktors zur Verbesserung seiner Leistungsfähigkeit aufzuzeigen. Dazu erfolgt zunächst die Analyse der funktionalen Eigenschaften einer NiTiCu7,5-FGL. Dies ermöglicht die Bewertung der aktorischen Leistungsfähigkeit des Werkstoffes und liefert notwendige Werkstoffund Bauteilkennwerte. Besonderen Raum nimmt die Entwicklung eines übertragbaren Modells
des stationären und transienten Verhaltens eines FG-Hochlastaktors ein. Um eine explizite Darstellung des Einflusses von Nichtlinearitäten und Wechselwirkungen zu erreichen, erfolgt die Darstellung des Systemverhaltens mit konzentrierten Parametern bei einer Reduktion auf wenige Freiheitsgrade. Dieses Modell wird genutzt, um für einen Referenzaktor
die Einflussgrößen auf die Stelldynamik des Aktors zu quantifizieren sowie das bestehende Verbesserungspotential zu identifizieren und zu bewerten. Abschließend erfolgt die Entwicklung eines adaptiven PI-Reglers zur Positionsregelung des FG-Aktors.
Die Regelung wird experimentell validiert und das Übergangsverhalten bewertet.