Piezomotor hilft, Gleisverschiebungen zu überwachen

Zahlreiche Faktoren beeinflussen die Wahl eines Antriebssystems: der zur Verfügung stehende Einbauplatz, die benötigten Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie die erforderliche Positioniergenauigkeit, der Energieverbrauch und die Zuverlässigkeit der gewählten Motorisierung.

Wenn die Anforderungen steigen, bieten sich heute Piezo-Ultraschallmotoren als praxisgerechte Alternative zur klassischen Gleichstrom-Schrittmotorkombination an. Ein typisches Beispiel dafür sind in der Geodäsie eingesetzte Mess-Systeme, bei denen Piezo-Ultraschallantriebe die Leistungsfähigkeit deutlich steigern. Bewiesen haben sie dies z.B. bei der Gleisüberwachung der Bahnlinie München-Salzburg während der Bauarbeiten an einem Straßentunnel.

Zur Verkehrsentlastung des Stadtzentrums Traunstein wurde im Frühjahr 2009 mit dem Bau einer Ortsumfahrung begonnen. Da die neue Straße in einem Tunnel die Bahnlinie München-Salzburg unterquert, forderte die Deutsche Bahn aus Sicherheitsgründen eine permanente Überwachung der Bahnstrecke. Daraufhin wurde die ing Traunreut GmbH mit der Installation eines Monitoring-Systems zur Sicherung der Gleislage beauftragt. Hierfür geradezu prädestiniert zeigten sich die individuell kombinierbaren Mess-Sensoren von Leica Geosystems zusammen mit der passenden Software für Monitoring, Analyse und webbasierter Datenübertragung.

Technischer Fortschritt dank Piezo-Ultraschallmotoren Eine wichtige Rolle bei der Gleisüberwachung übernehmen dabei zwei Monitoringtachymeter, die durch ihre Robustheit und Zuverlässigkeit als klassische Überwachungsinstrumente überzeugen. Lageänderungen des Gleiskörpers oder Bewegungen der Oberleitungsmasten lassen sich mit ihrer Hilfe zuverlässig erfassen. Um für zukünftige Monitoringaufgaben mit ähnlichen oder höheren Anforderungen noch besser gerüstet zu sein, entschloss sich die ing Traunreut GmbH, während des Projektes den neuen Monitoring-Sensor Leica TM30 zu testen, der mit neuartigen Piezo-Antrieben ausgestattet ist. Die daraus resultierenden Vorteile überzeugen: Die Drehgeschwindigkeit des Tachymeters hat sich auf ca. 200 gon/sec erhöht und gemessen wird jetzt, da Untersetzungsgetriebe unnötig sind, nahezu geräuschlos.

Die hohe Geschwindigkeit ermöglicht einen kürzeren Zeitabstand zwischen den Messzyklen. Darüber hinaus unterstützen die Antriebe eine sehr hohe Winkelgenauigkeit bis zu 0,5“. Die winzig kleinen Schrittgrößen erlauben hochgenaue Messungen, wie sie im Monitoring erforderlich sind.

Die in der Totalstation eingesetzten Piezo-Ultraschallantriebe wurden von der Karlsruher Firma PI (Physik Instrumente) entwickelt. Sie sind selbsthemmend, d.h., sie erzeugen auch im stromlosen Zustand hohe Haltekräfte und damit höchste Winkelstabilität, die sowohl horizontal als auch vertikal eindeutige Ergebnisse mit der geforderten Genauigkeit liefert. Im Gegensatz zu Kombinationen aus Untersetzungsgetrieben und Gleichstrom- bzw. Schrittmotoren arbeiten sie wartungsfrei, sind auch unter den im rauen Außeneinsatz üblichen Umgebungsbedingungen zuverlässig und beanspruchen vergleichsweise wenig Einbauplatz.

Die prinzipielle Funktionsweise
Die prinzipielle Funktionsweise der für die vertikale und horizontale Rotation der Messoptik eingesetzten Piezo-Ultraschallantriebe ist einfach zu verstehen (Bild 3). 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.

Genauso effektiv und einfach lassen sich mit Piezo-Ultraschallmotoren natürlich auch lineare Bewegungen realisieren. Das tangentiale Antriebsprinzip wird dann auf eine gerade geführte Reibschiene angewandt. 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 (Bild 4). Typische industrielle Anwendungsbeispiele reichen von der Halbleiter- und Photonik-Fertigung über allgemeine Handhabungsaufgaben bis hin zur Mess- und Medizintechnik.

Über PI
In den letzten vier Jahrzehnten hat sich PI mit Stammsitz in Karlsruhe zum führenden Hersteller von Nanopositioniertechnik entwickelt. Als privat geführtes Unternehmen mit gesundem Wachstum, über 500 Angestellten weltweit und einer flexiblen, vertikal integrierten Organisation, kann PI fast jede Anforderung aus dem Bereich innovativer Präzisions-Positioniertechnik erfüllen. Alle Schlüsseltechnologien werden im eigenen Haus entwickelt. Dadurch kann jede Phase vom Design bis hin zur Auslieferung kontrolliert werden: die Präzisionsmechanik und Elektronik ebenso wie die Positionssensorik und die Piezokeramiken bzw. -aktoren. Letztere werden bei der Tochterfirma PI Ceramic gefertigt. In allen wichtigen Märkten ist PI mit eigenen Vertriebs- und Serviceniederlassungen vertreten. Außerdem unterhält das Unternehmen Testausrüstungen für Nanometrologie auf drei Kontinenten. PI Shanghai und USA haben darüber hinaus Entwicklungs- und Fertigungsressourcen, die vor Ort eine schnelle Reaktion auf kundenspezifische Anforderungen ermöglichen.
Über die ing Traunreut GmbH
Die ing Traunreut GmbH gehört zur ing Ingenieurgruppe, die heute mit acht Standorten zu den führenden Ingenieur-Gesellschaften nicht nur im süddeutschen Raum gehört. Verkehrsanlagen, Kanalsanierung, Bauleitplanung, Landschaftsplanung, Geo-Informationssysteme (GIS) und Vermessung gehören ebenso zum breiten Leistungsspektrum wie Abwasserbeseitigung, Brückensanierung oder Industrie- und Gewerbebau. Dabei garantieren ein hochqualifiziertes Spezialistenteam und die Firmenstruktur hohe Qualität, angefangen von Beratung und Planung bis hin zur Realisierung komplexer technischer Lösungen.
Über Leica Geosystems AG
Einer der weltweit führenden Hersteller geodätischer Messinstrumente 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, dem Monitoring-Sensor Leica TM30, der hinsichtlich Genauigkeit, Schnelligkeit und Zuverlässigkeit neue Maßstäbe setzt.

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

Leseranfragen bitte direkt an Physik Instrumente (PI)