Physik Instrumente Technischer Fortschritt mit Piezo-Ultraschallmotoren

Autor / Redakteur: Steffen Arnold, Ellen-Christine Reiff / Reinhard Kluger

Wenn die Anforderungen an Antriebe steigen, können Piezo-Ultraschallmotoren als praxisgerechte Alternative zur klassischen Gleichstrom-Schrittmotorkombination verwendet werden. So ermöglichen Piezo-Ultraschallantriebe bei den neuesten in der Geodäsie eingesetzten Totalstationen eine bislang unerreichte Geschwindigkeit und Beschleunigung bei hoher Auflösung und niedrigem Stromverbrauch.

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Die neue Totalstation Leica TS30 setzt hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Winkel- und Distanzmessung neue Maßstäbe. Dazu trägt auch die Antriebslösung bei Bild: Leica Geosystems AG, Schweiz
Die neue Totalstation Leica TS30 setzt hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Winkel- und Distanzmessung neue Maßstäbe. Dazu trägt auch die Antriebslösung bei Bild: Leica Geosystems AG, Schweiz
( Archiv: Vogel Business Media )

Totalstationen sind die in der Geodäsie am häufigsten eingesetzten Vermessungsinstrumente zur Winkel- und Distanzmessung. Einer der weltweit führenden Hersteller solcher Präzisionsinstrumente ist die Leica Geosystems AG mit Stammsitz in Heerbrugg in der Ostschweiz und deutschen Vertriebsniederlassungen in München, Berlin, Karlsruhe und Düsseldorf. Das Unternehmen hat fast 200 Jahre Erfahrung auf dem Gebiet geodätischer Messinstrumente und beeindruckt immer wieder mit seinen Innovationen. Auch heute - etliche Gerätegenerationen nach der Einführung des ersten hochgenauen Präzisionstheodoliten WILD T3 vor mehr als 75 Jahren - sind Genauigkeit und Zuverlässigkeit die wichtigsten Eigenschaften der Produkte des Unternehmens. Das beweisen die Schweizer Spezialisten auch mit der jüngsten Entwicklung, der Totalstation Leica TS30, die hinsichtlich Genauigkeit und Zuverlässigkeit in der Winkel- und Distanzmessung neue Maßstäbe setzt.

Geodätische Totalstation einer neuen Generation

Die Winkelmessgenauigkeit der neuen Totalstation Leica TS30 beträgt 0,5“ (nach ISO 17123-3) und die Distanzmessgenauigkeit 0.6 mm + 1 ppm (nach ISO 17123-4) für Messungen auf Leica Rundprismen (GPH1P) und 2 mm + 2 ppm bei Messungen auf beliebige, natürliche Oberflächen.. Neben den Messgenauigkeiten ist die Performance der Totalstation hinsichtlich kurzer Positionier- und Messzeiten ein für den Anwender entscheidendes Kriterium. Hier überzeugt die neue Leica TS30 hinsichtlich ihrer Motorisierung durch große Beschleunigungen, hohe Geschwindigkeiten und präzises Anfahrverhalten von Instrument und Teleskop. Damit kombiniert sie genaueste Winkel- und Distanzmessungen mit einer optimierten Automatisierung der Messprozesse. Vermessungsingenieure auf der ganzen Welt wissen das zu schätzen. Mit herkömmlicher Antriebstechnik ließ sich ein solcher technischer Fortschritt jedoch nicht realisieren.

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Der zur Verfügung stehende Einbauplatz ist knapp bemessen, dennoch müssen Geschwindigkeiten von mindestens 180 Grad pro Sekunde, dem Vierfachen des bisher Üblichen, bei hoher Beschleunigung und kurzen Positionierzeiten erreicht werden. Dies erforderte zusammen mit der gewünschten Positioniergenauigkeit und den Anforderungen an die Zuverlässigkeit beim Außeneinsatz unter meteorologisch anspruchsvollen Umweltbedingungen zukunftsweisende, alternative Antriebslösungen.

So können in der beschriebenen Anwendung die notwendigen Untersetzungsgetriebe bei typischen Gleichstrom- bzw. Schrittmotoren zur Schwachstelle werden, weil mechanische Komponenten naturgemäß immer dem Verschleiß unterliegen. Außerdem kann die zwangsläufige Geräuschentwicklung in manchen Anwendungsbereichen unerwünscht sein, z.B. wenn die Instrumente im 24-h-Einsatz für Überwachungsmessungen in Wohnvierteln oder Innenstadtlagen arbeiten. Parallel zu klassischen Schrittmotorlösungen ist auf dem Vermessungsinstrumentenmarkt auch eine magnetische Direktantriebslösung erhältlich. Da aber der Magnetantriebstechnologie das bei Präzisionmessungen erforderliche, natürliche, mechanische Haltemoment fehlt, muss diese Friktion elektrisch erzeugt werden, was im mobilen Einsatz zu hohem Energieverbrauch und unerwünschten Wärmeeffekten führt.

Piezo-Ultraschallantriebe erzeugen die Drehbewegungen

Sowohl für die vertikale als auch für die horizontale Bewegung der Messoptik der Totalstation fiel die Wahl deshalb auf Direktantriebe, die nach dem Piezo-Prinzip arbeiten. Sie ermöglichen eine bisher unerreichte Geschwindigkeit (von über 180°/s) und hohe Beschleunigungen (bis zu 360°/s²). Die Antriebe sind selbsthemmend, d.h., sie erzeugen auch im stromlosen Zustand hohe Haltekräfte. Außerdem laufen sie beinahe geräuschlos, sind wartungsfrei und arbeiten bei Umgebungstemperaturen zwischen -20 °C und + 50 °C. Die in der Totalstation eingesetzten Piezo-Ultraschallantriebe (vgl. Kastentext) wurden von der Karlsruher Firma PI (Physik Instrumente) entwickelt, einem Unternehmen, das im Bereich der Mikro- und Nanopositioniertechnik mehr als 30 Jahre Erfahrung hat und heute zu den Weltmarktführern gehört.

Die prinzipielle Funktionsweise der für die vertikale und horizontale Rotation der Messoptik eingesetzten Piezo-Ultraschallantriebe ist einfach zu verstehen. Die Drehbewegungen werden durch jeweils zwei Ultraschallmotoren erzeugt, die tangential gegen einen Reibring vorgespannt sind. Der Reibring ist drehbar gelagert. Durch die Vorspannung ist der Antrieb in Ruhelage geklemmt; es gibt in diesem Zustand also auch kein Positionszittern wie es bei magnetbasierten Direktantrieben zu beobachten ist. Im Betrieb schwingen dann die keramischen Piezomotoren synchron mit Ultraschallfrequenzen. Die Schwingung führt zu einem Versatz der Reibspitze. Zusammen mit der Vorspannung wird so eine Vorschubbewegung für den Reibring erzeugt. Da keine mechanischen Komponenten wie Getriebe zur Kraftübertragung notwendig sind, arbeiten die Antriebe nahezu verschleißfrei und sehr zuverlässig. Obendrein ist die Antriebslösung einfach integrierbar. Genauso effektiv und einfach lassen sich mit Piezo-Ultraschallmotoren auch lineare Bewegungen realisieren. Das tangentiale Antriebsprinzip wird dann auf eine gerade geführte Reibschiene angewandt.

Anwendungen in Hülle und Fülle

Piezo-Ultraschallmotoren eignen sich dadurch für eine Vielzahl weiterer Anwendungen, bei denen ebenfalls eine geringe Größe, hohe Geschwindigkeiten und Zuverlässigkeit die entscheidenden Faktoren sind. So gibt es z.B für das Biohandling oder die Mikroskopie Verstelleinheiten, die sich durch eine besonders flache und leicht integrierbare Bauform auszeichnen. Typische industrielle Anwendungsbeispiele reichen von der Halbleiter- und Photonik-Fertigung über allgemeine Handhabungsaufgaben bis hin zur Mess- und Medizintechnik. Da sich Piezo-Ultraschallmotoren, wie das beschriebene Anwendungsbeispiel anschaulich belegt, immer wieder neue Einsatzbereiche erschließen, darf man gespannt sein, bei welchen Applikationen sie als Nächstes dazu beitragen werden, die technische Entwicklung weiter voranzutreiben.

Dipl.-Phys. Steffen Arnold, Leiter „Markt und Produkte“ bei Physik Instrumente (PI) GmbH & Co. KG, Ellen-Christine Reiff, M.A., Redaktionsbüro Stutensee

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