Entwicklung eines elektrodynamischen, linearen Schwingaktors und das Verfahren zu dessen Steuerung und Regelung

Development of an electrodynamic linear oscillating drive and the method for its control and regulation

  • Eine lineare, repetierende Bewegung kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Kurbeltriebs, so dass sich ein aufgrund der kinematischen Kopplung vordefinierter Bewegungsablauf einstellt. Um die Bewegungsprofile im laufenden Betrieb verändern zu können, bedarf es einer aufwendigen mechanischen Konstruktion. Andere Funktionsprinzipien, wie das Tauch- oder Zugankerprinzip, ermöglichen hingegen eine einstellbare Schwingungsamplitude, gestatten jedoch wegen einer Eine lineare, repetierende Bewegung kann auf unterschiedliche Weise erzeugt werden, beispielsweise mit Hilfe eines Kurbeltriebs, so dass sich ein aufgrund der kinematischen Kopplung vordefinierter Bewegungsablauf einstellt. Um die Bewegungsprofile im laufenden Betrieb verändern zu können, bedarf es einer aufwendigen mechanischen Konstruktion. Andere Funktionsprinzipien, wie das Tauch- oder Zugankerprinzip, ermöglichen hingegen eine einstellbare Schwingungsamplitude, gestatten jedoch wegen einer sehr hohen Induktivität der Erregerspule keine schnelle Regelung der Bewegungsbahn. Solche linearen Schwingaktoren werden in verschieden Bereichen eingesetzt und sind meistens für einen bestimmten Anwendungsfall ausgelegt. Demgegenüber unterscheidet sich der in dieser Arbeit entwickelte elektrodynamische, lineare Schwingaktor von dem Stand der Technik insofern, dass dank einer kontaktlosen Erregung eines mechanischen, schwingenden Systems sowie einer geringen Spuleninduktivität nicht nur nahezu beliebige Bewegungsprofile der Schwingmasse generiert, sondern auch diese regelungstechnisch kontrolliert werden können. Hierfür wurden zwei Regelungsalgorithmen ausgearbeitet, von denen einer experimentell untersucht wurde. Es konnte gezeigt werden, dass sich die Schwingungsamplitude bei äußeren Einflüssen, wie z. B. einer Dämpfung der Bewegung durch Einstechen in die Haut, in drei bis fünf Schwingungsperioden ausregeln lässt. Um die gewünschten Geschwindigkeitsprofile ebenfalls aufrecht zu erhalten, ist eine permanente Überwachung der Position der Schwingmasse erforderlich. Dabei wird eine schnelle und punktgenaue Ausregelung der Bewegungsbahn realisiert. Dem Anwender steht eine bequeme, vollelektronische Einstellung der einzelnen Arbeitsparameter, beispielsweise Schwingungsamplitude, Schwingungsfrequenz sowie Regelgüte zur Verfügung. Dies kann sowohl konventionell mittels eines Stand-alone-Steuergeräts, als auch zeitgemäß via Smartphone oder Laptop, kabelgebunden oder wireless erfolgen. Der entwickelte Schwingaktor ist für das Ausführen einer Stechbewegung prädestiniert, beispielsweise das Tätowieren, bzw. das Pigmentieren. So wurde der Schwingaktor mit professionellen Tätowierern auf Eignung für den intradermalen Farbeintrag getestet. Das Besondere an diesem Schwingaktor ist die Möglichkeit, mittels einer Vorgabe bezüglich der Regelgüte, die eine „weiche“ oder „harte“ Regelung bedeutet, die Eindringtiefe einer Nadel oder eines Nadelpakets in die menschliche Haut (die „Weichheit“ beim Tätowieren) einstellen zu können, so dass sich dies auf den resultierenden Farbeintrag auswirkt und fotorealistische Farbübergänge erlaubt. Die Erzeugung eines Einzelstichs, der im Medizinbereich Anwendung findet, beispielsweise bei der Injizierung unterschiedlicher Wirkstoffe, ist mit dem entwickelten linearen Schwingaktor ebenfalls realisierbar.show moreshow less
  • Repetitive linear motion can be generated in various ways, for instance, by means of a slider-crank mechanism, with the kinematic coupling pre-defining a motion sequence. In order to be able to alter motion profiles while such a system is running, costly mechanical design is required. Other types of mechanisms, using push- or pull-type solenoids, make it possible to regulate the oscillation amplitude, yet do not allow for swift adjustment of the mechanical trajectory due to the very high inductaRepetitive linear motion can be generated in various ways, for instance, by means of a slider-crank mechanism, with the kinematic coupling pre-defining a motion sequence. In order to be able to alter motion profiles while such a system is running, costly mechanical design is required. Other types of mechanisms, using push- or pull-type solenoids, make it possible to regulate the oscillation amplitude, yet do not allow for swift adjustment of the mechanical trajectory due to the very high inductance of the field coil. Such linear oscillatory drives are used in various areas and are mostly designed for specific application. The use of contactless excitation of the mechanical oscillating system, in combination with low coil inductivity, gives the electrodynamic linear oscillating drive presented in this paper the following advantage over the current state of technology: not only can it generate nearly all possible motion profiles of the oscillating weight, but these profiles can be systematically controlled. For this purpose, two controlling algorithms are mapped out, of which one is experimentally investigated. It can be shown that oscillation amplitude under external influence (such as the damping of motion caused by the piercing of human skin) settles itself in three to five oscillatory periods. In order to sustain the desired tempo, permanent monitoring of the position of the oscillatory weight is required. In doing so, swift and precise control of the motion trajectory is achieved. The device has a convenient, fully electronic operator interface for adjusting individual work parameters, such as oscillatory amplitude, frequency, and control quality. Settings can be adjusted conventionally with the help of a stand-alone control unit, or by using a smartphone or a laptop computer with a cable or wireless connection. The oscillatory drive described in this paper is designated for the execution of skin-piercing movements, such as tattooing or pigmentation. The oscillatory drive has been tested by professional tattoo artists for its suitability for intradermal pigmentation. A special feature of the device is the possibility of adjusting the depth of penetration of the needle or a grouping of needles into human skin (i.e. the “softness” of tattooing) by changing the setting for “soft” or ”hard” operation, affecting the resulting pigmentation and allowing for photo-realistic color gradations. The linear oscillating drive is also suitable for generating motion resulting in a single skin-piercing instance, such as required in the medical field for various types of injections.show moreshow less

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Metadaten
Author: Dmitrij Demjanenko
URN:urn:nbn:de:kobv:83-opus-36380
Advisor:Dr. rer. nat Heinz Lehr
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/09/03
Publishing Institution:Technische Universität Berlin
Granting Institution:Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Date of final exam:2012/08/10
Release Date:2012/09/03
Tag:Regelung; Schwingaktor; Stechen; elektrodynamisch; linear
control; electrodynamic; linear; oscillating
Institutes:Institut für Konstruktion, Mikro- und Medizintechnik
Dewey Decimal Classification:600 Technik, Technologie
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand (u.a. für Dissertationen empfohlen)