Steinmeyer Mechatronik

电子储存环贝西 II 实验

绳索压电微型马达

为研究人员服务的特殊合同：为了在柏林进行电子存储环 BESSY II 的实验，定位器专家 Steinmeyer Mechatronik 公司受托开发样品机械手。除了灵活性和高精度外，还要求设计能够承受真空和磁力。该公司采用压电电机执行器来完成这项具有挑战性的任务。

活电路中磁性的三维可视化是研究人员的目标，他们找到了位于德累斯顿的 Steinmeyer Mechatronik 公司。科学家们的实验需要极其耀眼的 X 射线光，例如同步辐射光源 BESSY II 产生的光。全世界的研究人员都可以使用这种光源进行实验，例如检查太阳能电池、制氢材料或量子材料。储存环一侧的光束管配备了最先进的光谱和显微镜方法。

Steinmeyer Mechatronik 公司的 Elger Matthes 解释说："所谓的 RICXS 实验是由一个大型装置组成的，其中包括一个样品机械手、一个带导向系统的照相机和一个样品安装装置"。该公司专门从事高精度定位应用，提供创新产品和满足特殊要求的定制解决方案。Steinmeyer Mechatronik 公司的重点是开发和生产 OEM 系列产品，以及复杂的多轴系统和用于实验应用（如柏林研究人员的实验应用）的一次性系统。

RICXS 实验需要创建一个五轴操纵器，将安装好的电子电路提升到超导体矢量磁铁的磁场中，并将其暴露在高强度光源下。马特斯解释了其中的原理："漫射辐射由轨道照相机拍摄，生成三维图像"。由于这需要特定的短波长 X 射线光谱，因此该实验只能在 10E-8 毫巴的超高真空环境中进行。

适用于挑战性环境的制动器

Steinmeyer Mechatronik 公司很快就意识到谁才是这一应用的理想合作伙伴：该公司与 PiezoMotor 的成功合作已超过 15 年。"Matthes 解释说："我们在要求高分辨率、高精度、小步距和长行程的应用中一直使用压电电机。压电电机利用压电效应产生运动。当电压施加到压电材料上时，它就会膨胀。PiezoMotor 开发的^{Piezoo-LEGS®} 由陶瓷制成，可以横向拉长和弯曲。这将导致亚微米到纳米范围内的运动。执行器具有自锁功能，这意味着它们能以机械稳定性保持位置，并且在断电状态下不消耗能量。

压电电机的优点是无需润滑剂，不会造成磨损或热蒸发。因此非常适合在真空环境中使用。由于压电电机在设计上没有电机绕组，因此不会产生磁通量，对磁干扰也不敏感，这也使其适用于传统电机会产生不良影响的应用场合。PiezoMotor 提供完全无磁的电机。Steinmeyer Mechatronik 公司的 Elger Matthes 证实说："极强的磁性与超高真空相结合，对传统电机来说是一种挑战"。"结合该项目的特殊精度要求，压电电机提供了出色的解决方案"。

五轴灵活运动

经过一年的开发，最终开发出了一款适用于小执行距离的五轴机械手，该机械手使用了 PiezoMotor 公司生产的六个线性电机。样品随后暴露在磁力作用下的平台被夹在六对带有拉伸弹簧的绳索上。之所以使用绳索，是因为安装空间仅限于鞋盒大小。有了这些绳索，设计人员就可以在拐角处引导磁力。六对绳索确定了平台在空间中的位置：拉动绳索可使平台相应移动。绳索传递驱动力，而弹簧产生反作用力并补偿重力。马特斯说："它就像一个木偶剧院"。"绳索是我们的客户提供的一个绝妙创意：它们使我们能够制造复杂的机械装置，在非常狭小的空间内以纳米级的分辨率和稳定性运行。

压电电机具有几纳米的机械分辨率、无限的行程和巨大的刚性。为实现无间隙运行，必须对电动马达进行持续调节，而压电马达则从本质上解决了这一问题。由于电机中的执行杆始终与压电元件直接接触，因此支脚和执行杆之间的摩擦耦合产生了零反冲、极短的反应时间和高分辨率。由于夹紧和移动是由同一个执行器完成的，因此在停止时不会消耗电能，从而确保了强大的互锁功能。在获奖的 RICXS 实验中，样品的位置由六个电容传感器控制。"Elger Matthes 解释说："电机会迈出步子，但步子的长度各不相同。传感器测量步长间隔并控制电机。这需要闭环操作"。

这一复杂系统的安装又花了一年时间，直到可以投入使用。在 RICXS 实验中，压电电机执行器还被用于 X 射线照相机调整和样品安装。这种独特的样品操纵器使许多磁力科学实验成为可能。