DE102022100439A1

DE102022100439A1 - Technique for measuring the wear of a ball screw

Info

Publication number: DE102022100439A1
Application number: DE102022100439.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Körner; Sebastian Riedmiller; Thomas Moser
Original assignee: Berger Holding & Co Kg GmbH
Current assignee: Berger Holding & Co Kg GmbH
Priority date: 2022-01-11
Filing date: 2022-01-11
Publication date: 2023-07-13

Abstract

Es wird eine Messeinrichtung (100) zur Messung des Verschleißes eines Kugelgewindetriebs (10) bereitgestellt. Die Messeinrichtung (100) umfasst eine am oder in der Nähe des Kugelgewindetriebs (10) anordenbare Magnetsensoreinheit (120), die dazu ausgebildet ist, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das mit einer Spindelmutter eines Kugelgewindetriebs (10) wechselwirkt, und eine durch eine Spindelmutter der Kugelgewindetriebanordnung hervorgerufene Änderung des magnetischen Wechselfelds zu detektieren; und eine Auswerteeinheit (140), welche dazu ausgebildet ist, auf der Grundlage der detektierten Änderung des magnetischen Wechselfeldes auf den Verschleiß des Kugelgewindetriebs (10) zu schließen. Ferner wird eine Kugelgewindetriebanordnung bereitgestellt. Die Kugelgewindetriebanordnung umfasst eine Spindel und eine Spindelmutter; Kugeln, die bei Translation der Spindelmutter relativ zur Spindel auf Laufrillen zwischen der Spindel und der Spindelmutter entlang rollen; und die Messeinrichtung (100). Außerdem wird ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt.A measuring device (100) for measuring the wear of a ball screw drive (10) is provided. The measuring device (100) comprises a magnetic sensor unit (120) which can be arranged on or in the vicinity of the ball screw (10) and which is designed to generate an alternating magnetic field which interacts with a spindle nut of a ball screw (10), and a through a spindle nut to detect the change in the alternating magnetic field caused by the ball screw arrangement; and an evaluation unit (140) which is designed to conclude on the wear of the ball screw drive (10) on the basis of the detected change in the alternating magnetic field. A ball screw assembly is also provided. The ball screw assembly includes a spindle and a spindle nut; balls which roll along raceways between the spindle and the spindle nut when the spindle nut is translated relative to the spindle; and the measuring device (100). A corresponding method is also provided.

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft Kugelgewindetriebe. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Technik zum Messen des Verschleißes eines Kugelgewindetriebs.The present invention relates to ball screws. More particularly, the present invention relates to a technique for measuring wear of a ball screw.

Stand der TechnikState of the art

Kugelgewindetriebe werden zum Verfahren von Achsen, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, eingesetzt. Ein Kugelgewindetrieb ist ein Schraubgetriebe mit zwischen Spindel (oder Schraube) und Spindelmutter (Schraubenmutter) eingefügten Kugeln. Ein derartiger Kugelgewindetrieb ist exemplarisch in der DE 10 2013 225 467 B4 beschrieben.Ball screws are used to move axes, for example a machine tool. A ball screw is a helical gear mechanism with balls inserted between the spindle (or screw) and the spindle nut (screw nut). Such a ball screw is exemplary in the DE 10 2013 225 467 B4 described.

Kugelgewindetriebe dienen der Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung (bzw. translatorische Bewegung) oder umgekehrt. Der Vorteil von Kugelgewindetrieben im Vergleich zu konventionellen Schraubgetrieben besteht darin, dass Kugelgewindetriebe eine wesentlich geringere Reibung sowie einen geringeren Verschleiß aufweisen. Sie sind langlebig und in vielen Anwendungen der bevorzugte Antrieb.Ball screw drives are used to convert a rotary movement into a longitudinal movement (or translational movement) or vice versa. The advantage of ball screw drives compared to conventional screw drives is that ball screw drives have significantly lower friction and less wear. They are durable and the preferred drive in many applications.

Aus dem Stand der Technik sind ferner unterschiedliche Ansätze zum Messen des Verschleißes in Kugelgewindetrieben bekannt. So wird beispielsweise in der DE 10 2013 225 467 B4 der Zustand des Kugelgewindetriebs anhand von Dehnungsmessstreifen überwacht. In der Spindelmutter ist hierfür eine Ausnehmung vorgesehen, die bis unmittelbar an die Laufbahn der Kugeln heranreicht, so dass die Spindelmutter im Bereich des Bodens der Ausnehmung eine geringe Wandstärke aufweist. Der dünnwandige Boden wird durch die vorbeilaufenden Kugeln verformt. Diese Verformung wird mit Hilfe der Dehnungsmessstreifen detektiert. Mit zunehmendem Verschleiß verringert sich der Kugeldurchmesser, so dass auch die durch die Kugeln verursachte Verformung abnimmt. Somit ist die mittels der Dehnungsmessstreifen detektierte Bodenverformung ein Maß für den Verschleiß des Kugelgewindetriebs.Various approaches for measuring the wear in ball screws are also known from the prior art. For example, in the DE 10 2013 225 467 B4 the condition of the ball screw is monitored using strain gauges. For this purpose, a recess is provided in the spindle nut, which extends right up to the raceway of the balls, so that the spindle nut has a small wall thickness in the area of the bottom of the recess. The thin-walled floor is deformed by the passing balls. This deformation is detected using the strain gauges. With increasing wear, the ball diameter decreases, so that the deformation caused by the balls also decreases. The soil deformation detected by means of the strain gauges is therefore a measure of the wear on the ball screw drive.

Ferner ist aus der DE 10 2007 038 890 B4 ein Verfahren zur Bestimmung der Lebensdauer bzw. Restlebensdauer eines mittels eines Motors angetriebenen Maschinenbauteils (z.B. einer Gewindespindel eines Kugelgewindetriebs) bekannt. Das Verfahren beruht auf der Integration einer Sensoreinrichtung im Motor, die Motorkennwerte während des Betriebs kontinuierlich ausliest und auf dessen Grundlage eine Aussage über die real existierende Belastung des Maschinenbauteils während des Betriebs und somit über die Lebensdauer bzw. Restlebensdauer des Maschinenbauteils getroffen werden kann.Furthermore, from the DE 10 2007 038 890 B4 a method for determining the service life or remaining service life of a machine component driven by a motor (eg a threaded spindle of a ball screw drive) is known. The method is based on the integration of a sensor device in the engine, which continuously reads the engine parameters during operation and on the basis of which a statement can be made about the actual load on the machine component during operation and thus about the service life or remaining service life of the machine component.

Aus der DE 10 2005 015 465 B4 ist ferner ein Verfahren und ein Gerät zur Kategorisierung von Wälzlagerschäden anhand von Körperschallschwingungen bekannt. Die Körperschallschwingungen werden mit Hilfe eines statischen Magnetfelds erfasst.From the DE 10 2005 015 465 B4 a method and a device for categorizing roller bearing damage based on structure-borne noise vibrations is also known. The structure-borne noise vibrations are recorded with the help of a static magnetic field.

Ferner ist aus der DE 10 2014 102 108 B3 eine Technik bekannt, bei der mit Hilfe eines Magnetelements und der Sammlung von Spänen bzw. Metallabrieb am Magnetelement auf den Verschleiß bzw. die Belastung eines Kugelgewindetriebs geschlossen wird. Anhand der gewonnenen Daten wird die Restlebensdauer ermittelt.Furthermore, from the DE 10 2014 102 108 B3 a technique is known in which the wear or the load on a ball screw drive is inferred with the aid of a magnetic element and the collection of chips or metal debris on the magnetic element. The remaining service life is determined on the basis of the data obtained.

Ferner bekannt ist die Integration komplexer Sensorik in einer Spindel eines Kugelgewindetriebs zur Messung von beispielsweise der Last/Laständerung, Temperatur/Temperaturänderung, Vibrationen usw. im Kugelgewindetrieb, um Aussagen über den Zustand bzw. Verschleiß des Kugelgewindetriebs zu treffen.Also known is the integration of complex sensors in a spindle of a ball screw to measure, for example, the load / load change, temperature / temperature change, vibrations, etc. in the ball screw to make statements about the state or wear of the ball screw.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Technik zum Messen des Verschleißzustandes eines Kugelgewindetriebs bereitzustellen, welche einfach in der Implementierung, nachrüstbar sowie zuverlässig und unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine zuverlässige Vorhersage über einen zufkünftigen Verschleißzustand einer Kugelgewindetriebs zu treffen.The object of the present invention is to provide a technique for measuring the state of wear of a ball screw which is simple to implement, can be retrofitted and is reliable and insensitive to external influences. Furthermore, it is the object of the present invention to make a reliable prediction about a future state of wear of a ball screw drive.

Kurzer AbrissShort outline

Zur Lösung wenigstens der obengenannten Aufgaben wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung eine Messeinrichtung zur Messung des Verschleißes eines Kugelgewindetriebs bereitgestellt, wobei die Messeinrichtung umfasst: eine am oder in unmittelbare Nähe des Kugelgewindetriebs anordenbare Magnetsensoreinheit, die dazu ausgebildet ist, ein magnetisches Wechselfeld zu erzeugen, das mit der Spindelmutter des Kugelgewindetriebs wechselwirkt, und eine durch die Spindelmutter des Kugelgewindetriebs hervorgerufene Änderung des magnetischen Wechselfelds zu detektieren; und eine Auswerteeinheit, die dazu ausgebildet ist, auf der Grundlage der detektierten Änderung des magnetischen Wechselfeldes auf einen Verschleiß des Kugelgewindetriebs zu schließen.In order to achieve at least the above-mentioned objects, a measuring device for measuring the wear of a ball screw is provided according to a first aspect of the invention, the measuring device comprising: a magnetic sensor unit which can be arranged on or in the immediate vicinity of the ball screw and which is designed to generate an alternating magnetic field, which interacts with the spindle nut of the ball screw drive, and to detect a change in the alternating magnetic field caused by the spindle nut of the ball screw drive; and an evaluation unit which is designed to conclude wear of the ball screw drive on the basis of the detected change in the alternating magnetic field.

Die Magnetsensoreinheit kann wenigstens eine Erregerspule umfassen, die dazu ausgebildet ist, das magnetische Wechselfeld zu erzeugen. Das erzeugte magnetische Wechselfeld kann ein niederfrequentes Wechselfeld sein (beispielsweise im Frequenzbereich von 10 bis 500 Hz). Das erzeugte magnetische Wechselfeld wird nachfolgend auch „Erregerfeld“ genannt. Die wenigstens eine Erregerspule kann dabei derart an oder in der Nähe des Kugelgewindetriebs angeordnet sein, dass das Erregerfeld in die Spindelmutter des Kugelgewindetriebs hineinreicht. Das magnetische Wechselfeld kann so in (magnetische) Wechselwirkung mit der Spindelmutter treten. Gemäß einer Variante kann die wenigstens eine Erregerspule an einer der axialen Stirnseiten oder an der radialen Außenoberfläche der Spindelmutter angeordnet sein.The magnetic sensor unit can include at least one excitation coil, which is designed to generate the alternating magnetic field. The generated alternating magnetic field can have a low be a frequent alternating field (e.g. in the frequency range from 10 to 500 Hz). The generated alternating magnetic field is also referred to below as the "exciter field". The at least one exciter coil can be arranged on or in the vicinity of the ball screw such that the exciter field extends into the spindle nut of the ball screw. The alternating magnetic field can thus interact (magnetically) with the spindle nut. According to one variant, the at least one excitation coil can be arranged on one of the axial end faces or on the radial outer surface of the spindle nut.

Da die Spindelmutter des Kugelgewindetriebes in der Regel ferromagnatisch ist, führt die Wechselwirkung der ferromagnetischen Spindelmutter mit dem Erregerfeld zu einer Änderung bzw. Deformation der magnetischen Feldlinien des Erregerfeldes in (unmittelbarer) Umgebung der Spindelmutter. Die Änderung bzw. Deformation der magnetischen Feldlinien führt zu einer messbaren Änderung der magnetischen Flussdichte des magnetischen Wechselfelds (Erregerfeldes).Since the spindle nut of the ball screw drive is usually ferromagnetic, the interaction of the ferromagnetic spindle nut with the exciter field leads to a change or deformation of the magnetic field lines of the exciter field in the (immediate) vicinity of the spindle nut. The change or deformation of the magnetic field lines leads to a measurable change in the magnetic flux density of the alternating magnetic field (excitation field).

Der Grad (bzw. die Stärke) der Deformation der magnetischen Feldlinien und somit der Grad (bzw. die Stärke der Änderung der magnetsichen Flussdichte hängt vom Zustand von der inneren Spannung bzw. der Deformation) der Spindelmutter ab, die mit dem Erregerfeld wechselwirkt. Die innere Spannung bzw. Deformation der Spindelmutter hängt wiederum von der Vorspannung und somit vom Verschleiß des Kugelgewindetriebs ab. Eine gewisse Vorspannung ist in der Regel gewünscht. Denn je höher die Vorspannung ist, desto höher ist die Steifigkeit des Kugelgewindetriebes. Diese wird bei diversen Anwendungen gefordert. Der Verschleiß eines Kugelgewindetriebs äußert sich in erster Linie im Verlust von Vorspannung, was zu Positionierungsungenauigkeiten und zur Abnahme der Steifigkeit führt.The degree (or the strength) of the deformation of the magnetic field lines and thus the degree (or the strength of the change in the magnetic flux density depends on the state of the internal tension or the deformation) of the spindle nut, which interacts with the excitation field. The internal stress or deformation of the spindle nut depends in turn on the preload and thus on the wear of the ball screw. A certain preload is usually desired. Because the higher the preload, the higher the rigidity of the ball screw. This is required for various applications. The wear of a ball screw primarily manifests itself in the loss of preload, which leads to positioning inaccuracies and a reduction in rigidity.

Die Vorspannung des Kugelgewindetriebs kann durch einen Versatz in der Laufbahnsteigung in der Spindelmutter oder durch eine zweigeteilte Spindelmuttter bzw. Doppelmutter eingestellt werden (2-Punkt-Auflage). Ebenso kann die Vorspannung durch die Wahl der Größe der eingesetzten Kugeln eingestellt werden (4-Punkt-Auflage). Der Verschleißgrund ist bei allen Varianten der gleiche, eine abnehmende Kugelgröße. Anhand der letzten Variante soll dies exemplarisch betrachtet werden. Je größer die im Kugelgewindetrieb eingesetzten Kugeln sind (also je größer der Kugeldurchmesser), desto größer ist die Vorspannung des Kugelgewindetriebs und desto größer ist auch die innere Spannung bzw. Deformation der Spindelmutter. Die Kugeln verschleißen mit zunehmender Betriebsdauer, was sich dadurch manifestiert, dass der Durchmesser der Kugeln mit zunehmender Betriebsdauer sukzessive kleiner wird. Ein kleinerer Kugeldurchmesser resultiert in einer kleineren Vorspannung des Kugelgewindetriebs und somit in einer geringeren inneren Spannung bzw. Deformation der Spindelmutter. Diese Änderung im Zustand der Spindelmutter (also geringere innere Spannung bzw. Deformation) wirkt sich unmittelbar (direkt) auf die magnetische Wechselwirkung der Spindelmutter mit dem magnetischen Erregerfeld aus. Somit ist die Messung der magnetischen Flussdichte des Erregerfeldes bzw. die Änderung der magnetischen Flussdichte des Erregerfeldes in unmittelbarer Umgebung der Spindelmutter ein direktes Maß für den Verschleiß/Verschleißgrad der Kugeln und somit des Kugelgewindetriebs.The preload of the ball screw can be adjusted by offsetting the raceway pitch in the spindle nut or by using a two-part spindle nut or double nut (2-point support). The preload can also be adjusted by choosing the size of the balls used (4-point support). The reason for wear is the same for all variants, a decreasing ball size. This is to be considered as an example based on the last variant. The larger the balls used in the ball screw (i.e. the larger the ball diameter), the greater the preload of the ball screw and the greater the internal stress or deformation of the spindle nut. The balls wear out with increasing service life, which manifests itself in the fact that the diameter of the balls becomes successively smaller with increasing service life. A smaller ball diameter results in less preload of the ball screw and thus in less internal stress or deformation of the spindle nut. This change in the state of the spindle nut (i.e. lower internal stress or deformation) has an immediate (direct) effect on the magnetic interaction of the spindle nut with the magnetic excitation field. Thus, the measurement of the magnetic flux density of the exciter field or the change in the magnetic flux density of the exciter field in the immediate vicinity of the spindle nut is a direct measure of the wear/degree of wear of the balls and thus of the ball screw.

Zur Detektion (Messung) der durch die Spindelmutter hervorgerufenen Änderung des magnetischen Wechselfeldes kann die Magnetsensoreinheit wenigstens eine am oder in der Nähe des Kugelgewindetriebs anordenbare Detektorspule umfassen. Beispielsweise kann die wenigstens eine Detektorspule an einer der axialen Stirnseiten oder an der radial Außenoberfläche der Spindelmutter angeordnet sein. Ferner kann die wenigstens eine Detektorspule in unmittelbarer Umgebung der Erregerspule angeordnet sein, so dass das durch die Erregerspule erzeugte und durch Wechselwirkung mit der Spindelmutter veränderte magnetische Wechselfeld eine Spannung in der wenigstens einen Detektorspule induzieren kann. Die wenigstens eine Detektorspule kann somit bezüglich der wenigstens einen Erregerspule (und der Spindelmutter) derart angeordnet sein, dass das durch die wenigstens eine Erregerspule erzeugte und von der Spindelmutter durch magnetische Wechselwirkung veränderte magnetische Wechselfeld eine Spannung in der wenigsten einen Detektorspule induziert.To detect (measure) the change in the alternating magnetic field caused by the spindle nut, the magnetic sensor unit can comprise at least one detector coil that can be arranged on or in the vicinity of the ball screw drive. For example, the at least one detector coil can be arranged on one of the axial end faces or on the radially outer surface of the spindle nut. Furthermore, the at least one detector coil can be arranged in the immediate vicinity of the exciter coil, so that the alternating magnetic field generated by the exciter coil and modified by interaction with the spindle nut can induce a voltage in the at least one detector coil. The at least one detector coil can thus be arranged with respect to the at least one exciter coil (and the spindle nut) in such a way that the alternating magnetic field generated by the at least one exciter coil and modified by the spindle nut through magnetic interaction induces a voltage in the at least one detector coil.

Somit kann die durch Wechselwirkung mit der Spindelmutter erzeugte Änderung des magnetischen Wechselfeldes detektiert werden, indem das wenigstens eine durch das magnetische Wechselfeld erzeugte Induktionsspannungssignal in der wenigstens einen Detektorspule ausgelesen wird. Das wenigstens eine ausgelesene Induktionsspannungssignal ist proportional zur magnetischen Flussdichte in der wenigstens einen Detektorspule. Die magnetische Flussdichte in der Detektorspule wird von der Wechselwirkung des externen magnetischen Wechselfeldes mit der Spindelmutter bestimmt. Wie weiter oben beschrieben, kann die Spindelmutter abhängig von ihrer inneren Spannung bzw. Deformation, die durch die Kugelgröße bestimmt wird, das externe magnetische Wechselfeld unterschiedlich stark deformieren und somit eine unterschiedlich starke Änderung der magnetischen Flussdichte in der wenigstens einen Detektorspule hervorrufen. Das wenigstens eine ausgelesene Induktionsspannungssignal ist somit ein direktes Maß für die innere Spannung bzw. Deformation der Spindelmutter und somit ein direktes Maß für den Verschleiß der Kugeln bzw. des Kugelgewindetriebs.Thus, the change in the alternating magnetic field generated by interaction with the spindle nut can be detected by reading out the at least one induction voltage signal generated by the alternating magnetic field in the at least one detector coil. The at least one read out induction voltage signal is proportional to the magnetic flux density in the at least one detector coil. The magnetic flux density in the detector coil is determined by the interaction of the external alternating magnetic field with the spindle nut. As described above, the spindle nut can deform the external alternating magnetic field to varying degrees depending on its internal stress or deformation, which is determined by the size of the ball, and thus cause a varying degree of change in the magnetic flux density in the at least one detector coil. The at least one read out induction chip The voltage signal is therefore a direct measure of the internal tension or deformation of the spindle nut and thus a direct measure of the wear of the balls or the ball screw.

Gemäß einer Variante kann die Magnetsensoreinheit wenigstens zwei Detektorspulen umfassen, welche die wenigstens eine Erregerspule peripher umgeben. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass mehrere Induktionsspannungssignale gleichzeitig erfasst und ausgelesen werden können. Somit können Messfehler leichter erkannt und eliminert werden, wodurch die Messsensitivität verbessert wird.According to one variant, the magnetic sensor unit can comprise at least two detector coils, which peripherally surround the at least one excitation coil. The advantage of this arrangement is that several induction voltage signals can be recorded and read out simultaneously. In this way, measurement errors can be recognized and eliminated more easily, which improves the measurement sensitivity.

Um ferner den Grad des Verschleißes der Kugeln bzw. des Kugelgewindetriebs zu ermitteln, kann die Auswerteeinheit ferner dazu ausgebildet sein, einen Verschleißgrad des Kugelgewindetriebs bzw. der Kugeln des Kugelgewindetriebs zu bestimmen. Der Verschleißgrad kann aus einem Vergleich eines oder mehrerer ausgelesener Induktionsspannungssignale mit einem Referenzsignal ermittelt werden. Bevorzugt kann des Referenzsignal ein Induktionsspannungssignal sein, das nach Einbau, jedoch vor Inbetriebnahme des Kugelgewindetriebs in einer Werkzeugmaschine gewonnen wurde. Das Referenzsignal kann somit zu einem Zeitpunkt gewonnen worden sein, bei dem der Kugelgewindetrieb noch keinen nennenswerten Verschleiß aufweist und somit die gewünschte Kugelgröße und Vorspannung aufweist. Aus dem Vergleich der Induktionsspannungssignale kann der Verschleißgrad (d.h. die Stärke des Verschleißes) des Kugelgewindetriebs bestimmt werden.In order to also determine the degree of wear of the balls or the ball screw, the evaluation unit can also be designed to determine a degree of wear of the ball screw or the balls of the ball screw. The degree of wear can be determined from a comparison of one or more read out induction voltage signals with a reference signal. The reference signal can preferably be an induction voltage signal that was obtained after the ball screw drive was installed in a machine tool, but before it was put into operation. The reference signal can thus have been obtained at a point in time at which the ball screw does not yet show any significant wear and thus has the desired ball size and preload. By comparing the induction voltage signals, the degree of wear (i.e. the degree of wear) of the ball screw can be determined.

Die Auswerteeinheit kann ferner dazu ausgebildet sein, auf der Grundlage des ermittelten Verschleißgrads eine Verschleißklassifizierung vorzunehmen. Mit anderen Worten kann das Messergebnis/die Messergebnisse abhängig vom ermittelten Verschleißgrad in vorgegebene Verschleißkategorien eingeordnet werden. Durch die Klassifizierung in unterschiedliche Verschleißkategorien (beginnend beispielsweise mit der Kategorie „kein Verschleiß“ über „mittlerer Verschleiß“ bis hin zu Kategorie „hoher Verschleiß“) wird es einem Werkzeugmaschinenbenutzer ermöglicht, frühzeitig zu erkennnen, ob der Kugelgewindetrieb weiterhin eingesetzt werden kann, oder eine Wartung nötig wird.The evaluation unit can also be designed to carry out a wear classification on the basis of the determined degree of wear. In other words, the measurement result/results can be classified into predetermined wear categories depending on the determined degree of wear. The classification into different wear categories (starting, for example, with the category "no wear" through "medium wear" to the category "high wear") enables a machine tool user to recognize at an early stage whether the ball screw can still be used, or whether a maintenance becomes necessary.

Ferner kann die Auswerteeinheit dazu ausgebildet sein, auf der Grundlage des erfassten Verschleißes/Verschleißgrades eine Vorhersage über den zukünftigen Verschleiß zu treffen. Dadurch wird es möglich, eine Aussage über die Restlebensdauer des Kugelgewindetriebs oder zukünftige Wartungszeitpunkte zu treffen.Furthermore, the evaluation unit can be designed to make a prediction about the future wear on the basis of the detected wear/degree of wear. This makes it possible to make a statement about the remaining service life of the ball screw or future maintenance times.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine Kugelgewindetriebanordnung bereitgestellt, wobei die Kugelgewindetriebanordnung umfasst: eine Spindel und eine Spindelmutter; Kugeln, die bei Translation der Spindelmutter relativ zur Spindel auf Laufrillen zwischen der Spindel und der Spindelmutter entlang rollen; und die oben beschriebene Messeinrichtung.According to a second aspect of the invention, there is provided a ball screw assembly, the ball screw assembly comprising: a spindle and a spindle nut; balls which roll along raceways between the spindle and the spindle nut when the spindle nut is translated relative to the spindle; and the measuring device described above.

Die Magnetsensoreinheit der Messeinrichtung kann (direkt) am oder in der Nähe des Kugelgewindetriebs angeordnet sein. Gemäß einer Implementierung kann die Magnetsensoreinheit (direkt) an der Spindelmutter oder in einem vorgegebenen Abstand zur Spindelmutter angeordnet sein. Gemäß einer Variante kann die Magnetsensoreinheit direkt an der radialen Außenoberfläche der Spindelmutter positioniert angeordnet sein. Gemäß einer alternativen Variante kann die Magnetsensoreinheit in einer Ausfräsung an der Außenoberfläche der Spindelmutter positioniert angeordnet sein. Die hier beschriebene direkte Positionierung der Magnetsensoreinheit auf der Spindelmutter bzw. in einer Ausfräsung der Spindelmutter hat den Vorteil, dass das erzeugte Magnetfeld unmittelbar mit der verspannten Spindelmutter in Wechselwirkung tritt und somit der Effekt der Änderung des magnetischen Wechselfeldes (bzw. seiner Flussdichte) durch Wechselwirkung mit der Spindelmutter besser detektiert werden kann. Somit ist die Magnetsensoreinheit genügend sensitiv auch gegenüber kleinsten Veränderungen in der Spindelmutter.The magnetic sensor unit of the measuring device can be arranged (directly) on or in the vicinity of the ball screw. According to one implementation, the magnetic sensor unit can be arranged (directly) on the spindle nut or at a predetermined distance from the spindle nut. According to one variant, the magnetic sensor unit can be positioned directly on the radial outer surface of the spindle nut. According to an alternative variant, the magnetic sensor unit can be positioned in a cutout on the outer surface of the spindle nut. The direct positioning of the magnetic sensor unit on the spindle nut or in a cutout of the spindle nut as described here has the advantage that the generated magnetic field interacts directly with the clamped spindle nut and thus the effect of changing the magnetic alternating field (or its flux density) through interaction can be better detected with the spindle nut. Thus, the magnetic sensor unit is sufficiently sensitive to even the smallest changes in the spindle nut.

Alternativ kann die Magnetsensoreinheit auch außerhalb zur Spindelmutter, wie beispielsweise in einem Werkzeugtisch untergebracht sein. In einem derartigen Fall sollte vorzugsweise der Abstand zur Spindelmutter nicht zu groß sein, um die nötige Sensitivität zu erreichen, so dass auch geringe Deformationen der Spindelmutter detektierbar bleiben.Alternatively, the magnetic sensor unit can also be accommodated outside of the spindle nut, for example in a tool table. In such a case, the distance from the spindle nut should preferably not be too great in order to achieve the necessary sensitivity, so that even small deformations of the spindle nut remain detectable.

Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen des Verschleißes eines Kugelgewindetriebs bereitgestellt, wobei zum Messen des Verschleißes eine Messeinrichtung bereitgestellt wird, die wenigstens eine Magnetsensoreinheit umfasst, die am oder in der Nähe des Kugelgewindetriebs angeordnet wird. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Erzeugen, mit Hilfe der Magnetsensoreinheit, eines magnetischen Wechselfelds derart, dass das magnetische Wechselfeld in Wechselwirkung mit einer Spindelmutter des Kugelgewindetriebs kommt; Detektieren, mit Hilfe der Magnetsensoreinheit, einer durch die Wechselwirkung mit der Spindelmutter hervorgerufenen Änderung des magnetischen Wechselfelds; und Ermitteln eines Verschleißes des Kugelgewindetriebs auf der Grundlage der detektierten Änderung des magnetischen Wechselfeldes.According to a third aspect of the invention, a method for measuring the wear of a ball screw is provided, wherein a measuring device is provided for measuring the wear, which comprises at least one magnetic sensor unit, which is arranged on or in the vicinity of the ball screw. The method comprises the following steps: generating, with the aid of the magnetic sensor unit, an alternating magnetic field in such a way that the alternating magnetic field interacts with a spindle nut of the ball screw drive; detecting, with the aid of the magnetic sensor unit, a change in the alternating magnetic field caused by the interaction with the spindle nut; and determining wear of the ball screw on the basis of the detected change in the alternating magnetic field.

Die bereitgestellte Messeinrichtung kann eine Messeinrichtung mit wenigstens einer Erregerspule und wenigstens einer Detektorspule sein, wie oben beschrieben. Insbesondere kann das magnetische Wechselfeld mit Hilfe der wenigstens einen Erregerspule der Magnetsensoreinheit erzeugt werden. Ferner kann die Änderung des magnetischen Wechselfeldes mit Hilfe der wenigstens einen Detektorspule der Magnetsensoreinheit detektiert werden. Hierzu kann die wenigstens eine Detektorspule bezüglich der wenigstens einen Erregerspule (und der Spindelmutter) derart angeordnet sein, dass das durch Wechselwirkung mit der Spindelmutter veränderte magnetische Wechselfeld die wenigstens eine Detektorspule durchdringt und dort eine Spannung (Spannungssignal) induziert. Die wenigstens eine induzierte Spannung ist proportional zum magnetischen Fluss bzw. der magnetischen Flussdichte, die durch das veränderte magnetische Wechselfeld in der wenigstens einen Detektorspule erzeugt wird. Wie bereits oben dargelegt, ändert sich das magnetische Wechselfeld und somit der magnetische Fluss bzw. die magnetische Flussdichte in der wenigstens einen Detektorspule proportional zur Deformation bzw. inneren Spannung der Spindelmutter. Das wenigstens eine induzierte Spannungssignal ist somit ein direktes Maß für die Deformation bzw. innere Spannung der Spindelmutter und somit auch ein direktes Maß für den Verschleiß/Verschleißgrad des Kugelgewindetriebs (bzw. seiner Kugeln). Der Schritt des Detektierens der Änderung des magnetischen Wechselfeldes kann somit auf ein Auslesen des wenigstens einen in der wenigstens einer Detektorspule der Messeinrichtung induzierten Spannungssignals beruhen.The measuring device provided can be a measuring device with at least one excitation coil and at least one detector coil, as described above. In particular, the alternating magnetic field can be generated with the aid of the at least one excitation coil of the magnetic sensor unit. Furthermore, the change in the alternating magnetic field can be detected using the at least one detector coil of the magnetic sensor unit. For this purpose, the at least one detector coil can be arranged with respect to the at least one excitation coil (and the spindle nut) in such a way that the alternating magnetic field changed by interaction with the spindle nut penetrates the at least one detector coil and induces a voltage (voltage signal) there. The at least one induced voltage is proportional to the magnetic flux or the magnetic flux density that is generated by the changed alternating magnetic field in the at least one detector coil. As already explained above, the alternating magnetic field and thus the magnetic flux or the magnetic flux density in the at least one detector coil changes in proportion to the deformation or internal stress of the spindle nut. The at least one induced voltage signal is therefore a direct measure of the deformation or internal stress of the spindle nut and thus also a direct measure of the wear/degree of wear of the ball screw drive (or its balls). The step of detecting the change in the alternating magnetic field can thus be based on reading out the at least one voltage signal induced in the at least one detector coil of the measuring device.

Dem wenigstens einen ausgelesenen Induktionsspannungssignal kann ein Verschleißwert zugeordnet werden, der proportional zur Signalamplitude und/oder Signalform des Induktionsspannungssignals ist. Somit kann der Verschleiß des Kugelgewindetriebs ermittelt bzw. quantifiziert werden. Diese Auswertung des wenigstens einen ausgelesenen Induktionsspannungssignals kann durch eine Auswerteeinheit der Messeinrichtung erfolgen, wie oben bereits beschrieben. Optional kann durch die Auswerteeinheit ein Verschleißgrad des Kugelgewindetriebs ermittelt werden, indem beispielsweise ein ermittelter Verschleißwert mit einem Referenzwert vergleichen wird. Der Referenzwert kann ein Referenzspannungssignal sein, das vor Inbetriebnahme des Kugelgewindetriebs ermittelt bzw. gemessen wird. A wear value, which is proportional to the signal amplitude and/or signal shape of the induction voltage signal, can be assigned to the at least one read out induction voltage signal. Thus, the wear of the ball screw can be determined or quantified. This evaluation of the at least one induction voltage signal that has been read out can be carried out by an evaluation unit of the measuring device, as already described above. Optionally, a degree of wear of the ball screw can be determined by the evaluation unit, for example by comparing a determined wear value with a reference value. The reference value can be a reference voltage signal that is determined or measured before the ball screw drive is put into operation.

Optional kann durch die Auswerteeinheit auch eine Verschleißklassifizierung durchgeführt werden, bei der der ermittelte Verschleiß bzw. Verschleißgrad in vorgegebene Verschleißkategorien eingeordnet wird, wie in Zusammenhang mit der Messeinrichtung weiter oben beschrieben.Optionally, the evaluation unit can also carry out a wear classification, in which the determined wear or degree of wear is classified into predefined wear categories, as described above in connection with the measuring device.

Das beschriebene Messverfahren kann (in vorgegebenen Abständen) wiederholt werden, um die Verschleißentwicklung des Kugelgewindetriebs zu detektieren. Aus den Messwerten kann ferner eine Vorhersage über die zukünftige Verschleißentwicklung und somit über die Lebensdauer des Kugelgewindetriebs getroffen werden.The measuring method described can be repeated (at specified intervals) in order to detect the wear of the ball screw drive. The measured values can also be used to make a prediction about the future development of wear and thus about the service life of the ball screw.

Insbesondere kann wenigstens eine Leerlaufmessung vor dem Einbau des Kugelgewindetriebs in eine Werkzeugmaschine durchgeführt werden. Die wenigstens eine Leerlaufmessung (oder Offsetmessung) dient dazu, den Einfluss des vorgespannten Kugelgewindetriebs ohne Verschleiß und ohne Last auf die erfassten Messsignale zu bestimmen. Insbesondere kann diese Offsetmessung als Referenz für nachfolgende Messungen verwendet werden, um den Grad des Verschleißes möglichst korrekt zu ermitteln.In particular, at least one idling measurement can be carried out before installing the ball screw in a machine tool. The at least one idling measurement (or offset measurement) is used to determine the influence of the prestressed ball screw without wear and without load on the measured signals. In particular, this offset measurement can be used as a reference for subsequent measurements in order to determine the degree of wear as correctly as possible.

Zusätzlich oder alternativ zur oben beschriebenen Leerlaufmessung kann auch nach dem Einbau eines Kugelgewindetriebs in eine Werkzeugmaschine eine Messung ohne Last oder mit einer definierten Last durchgeführt werden, um eine etwaige Fehlmontage zu detektieren. Im Anschluss (also nach regulärer Inbetriebnahme der Werkzeugmaschine) können in vorgegebenen (zeitlichen) Abständen weitere Messungen durchgeführt werden, um den Verschleiß des Kugelgewindetriebs zu messen und vorherzusagen.In addition or as an alternative to the no-load measurement described above, a measurement can also be carried out without a load or with a defined load after the installation of a ball screw in a machine tool in order to detect any incorrect assembly. Subsequently (i.e. after regular commissioning of the machine tool), further measurements can be carried out at specified (time) intervals in order to measure and predict the wear of the ball screw drive.

Figurenlistecharacter list

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen weiter beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Messeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematische Darstellung einer Magnetsensoreinheit, wie sie in der Messeinrichtung gemäß 1 verwendet wird;
3a bis 3c Darstellungen des Messprinzips der Messeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a, 4b Darstellungen der Montage wenigstens eines Teils der Messeinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
5 ein Flussdiagramm, welches ein erfindungsgemäßes Messverfahren zur Messung des Verschleißes eines Kugelgewindetriebs zeigt.

Further details and advantages of the invention are described further with reference to the embodiments shown in the figures. Show it:

1 a schematic representation of a measuring device according to the present invention;
2 a schematic representation of a magnetic sensor unit, as in the measuring device according to 1 is used;
3a until 3c Representations of the measuring principle of the measuring device according to the present invention;
4a , 4b Representations of the assembly of at least part of the measuring device according to the present invention; and
5 a flowchart showing a measurement method according to the invention for measuring the wear of a ball screw.

Detaillierte BeschreibungDetailed description

In Zusammenhang mit der 1 wird eine Messeinrichtung 100 zur Messung des Verschlei-ßes eines Kugelgewindetriebs 10 beschrieben. Der Kugelgewindetrieb 10 ist schematisch in den 3a-3c angedeutet und umfasst eine Spindel 16, eine Spindelmutter 12 sowie Kugeln 14, die zwischen der Spindel 16 und der Spindelmutter 12 angeordnet sind. Die Kugeln 14 sind in Laufrillen zwischen der Spindel 16 und der Spindelmutter 12 angeordnet und laufen entlang dieser Laufrillen, wenn sich die Spindelmutter 12 in Längsrichtung (also translatorisch) relativ zur rotierenden Spindel 16 bewegt.In connection with the 1 a measuring device 100 for measuring the wear and tear of a ball screw 10 is described. The ball screw 10 is shown schematically in the 3a-3c indicated and comprises a spindle 16, a spindle nut 12 and balls 14 which are arranged between the spindle 16 and the spindle nut 12. The balls 14 are disposed in raceways between the spindle 16 and the spindle nut 12 and ride along these raceways when the spindle nut 12 moves longitudinally (ie, translationally) relative to the rotating spindle 16 .

Die Messeinrichtung 100 (siehe 1) umfasst eine Magnetsensoreinheit 120. Diese ist dazu ausgebildet, ein magnetisches Wechselfeld 22 zu erzeugen, deren magnetischen Feldlinien in die Spindelmutter 12 reichen (siehe 3a-3c). Die Magnetsensoreinheit 120 ist ferner dazu ausgebildet, eine durch die Spindelmutter 12 des Kugelgewindetriebs 10 hervorgerufene Änderung des magnetischen Wechselfeldes 22 zu detektieren (messen). Ferner weist die Messeinrichtung 100 eine Auswerteeinheit 140 aus, die dazu ausgebildet ist, auf der Grundlage der detektierten Änderung des magnetischen Wechselfeldes 22 auf den Verschleiß des Kugelgewindetriebs 10 zu schließen. Hierfür steht die Auswerteeinheit 140 mit der Magnetsensoreinheit 120 in Kommunikation, um die auf die Änderung des magnetischen Wechselfeldes 22 hinweisenden Messdaten der Magnetsensoreinheit 120 zu empfangen und auszuwerten, d.h. einen Verschleiß bzw. Verschleißwert aus den gemessenen Änderungen des magnetischen Wechselfeldes 22 abzuleiten. Die Kommunikation zwischen der Magnetsensoreinheit 120 und Auswerteeinheit 140 kann drahtlos oder drahtgebunden sein und ist in 1 nur schematisch durch die Linie 130 angedeutet. Es versteht sich, dass bei drahtloser und/oder drahtgebundener Kommunikation die erfassten Messdaten (Spannungssignale) noch in der Magnetsensoreinheit 120 prozessiert und digitalisiert werden können, um eine zügige Kommunikation (unter Verwendung eines Standardprotokolls) zu ermöglichen.The measuring device 100 (see 1 ) comprises a magnetic sensor unit 120. This is designed to generate an alternating magnetic field 22, the magnetic field lines of which reach into the spindle nut 12 (see 3a-3c ). The magnetic sensor unit 120 is also designed to detect (measure) a change in the alternating magnetic field 22 caused by the spindle nut 12 of the ball screw drive 10 . Furthermore, the measuring device 100 has an evaluation unit 140 which is designed to infer the wear of the ball screw drive 10 on the basis of the detected change in the alternating magnetic field 22 . For this purpose, the evaluation unit 140 is in communication with the magnetic sensor unit 120 in order to receive and evaluate the measurement data from the magnetic sensor unit 120 indicating the change in the alternating magnetic field 22, ie to derive a wear or wear value from the measured changes in the alternating magnetic field 22. The communication between the magnetic sensor unit 120 and the evaluation unit 140 can be wireless or wired and is 1 indicated only schematically by the line 130. It goes without saying that in the case of wireless and/or wired communication, the recorded measurement data (voltage signals) can still be processed and digitized in the magnetic sensor unit 120 in order to enable rapid communication (using a standard protocol).

Zur Erzeugung des magnetischen Wechselfelds 22 (im Folgenden auch Erregerfeld 22 genannt) umfasst die Magnetsensoreinheit 120 wenigstens eine Erregerspule 122 (siehe auch 2). Die wenigstens eine Erregerspule 122 ist zur Erzeugung des magnetischen Wechselfelds 22 ausgebildet. Das erzeugte Erregerfeld 22 kann ein Wechselfeld im niederfrequenten Bereich, insbesondere im Frequenzbereich von 10 bis 1000 Hz, bevorzugt im Bereich von 100-500 Hz, sein. Es versteht sich, dass die Erzeugung von magnetischen Wechselfeldern 22 in anderen Frequenzbereichen denkbar ist, ohne dass das hier beschriebene Messprinzip nennenswert beeinflusst wird.To generate the alternating magnetic field 22 (also referred to below as the exciter field 22), the magnetic sensor unit 120 comprises at least one exciter coil 122 (see also 2 ). The at least one excitation coil 122 is designed to generate the alternating magnetic field 22 . The excitation field 22 generated can be an alternating field in the low-frequency range, in particular in the frequency range from 10 to 1000 Hz, preferably in the range from 100-500 Hz. It goes without saying that the generation of alternating magnetic fields 22 in other frequency ranges is conceivable without the measuring principle described here being significantly affected.

Ferner umfasst die Magnetsensoreinheit 120 wenigstens eine Detektorspule 124 (siehe auch 2). Die wenigstens eine Detektorspule 124 ist dazu ausgebildet, Änderungen des magnetischen Wechselfeldes 22 zu detektieren. Hierfür wird die wenigstens eine Detektorspule 124 in die Nähe der Erregerspule 122 und der Spindelmutter 12 gebracht, so dass das durch Wechselwirkung des Erregerfeldes 22 mit der Spindelmutter 12 veränderte magnetische Wechselfeld 22 die wenigstens eine Detektorspule 124 durchdringt und dort wenigstens eine der magnetischen Flussdichte des veränderten magnetischen Wechselfelds 22 proportionale Spannung induziert.Furthermore, the magnetic sensor unit 120 comprises at least one detector coil 124 (see also 2 ). The at least one detector coil 124 is designed to detect changes in the alternating magnetic field 22 . For this purpose, the at least one detector coil 124 is brought into the vicinity of the excitation coil 122 and the spindle nut 12, so that the alternating magnetic field 22, which has been changed by the interaction of the excitation field 22 with the spindle nut 12, penetrates the at least one detector coil 124 and there at least one of the magnetic flux densities of the changed alternating magnetic field 22 proportional voltage induced.

Aus dem wenigstens einen ausgelesenen Spannungssignal kann die Auswerteeinheit 140 einen Verschleißwert für den Kugelgewindetrieb 10 berechnen (ableiten). Dies kann mit Hilfe eines in der Auswerteeinheit 140 integrierten Rechenmoduls 142 erfolgen. Ferner kann die Auswerteeinheit 140 dazu ausgebildet sein, durch Vergleich des berechneten Verschleißes oder Verschleißwertes mit einem Referenzwert einen Verschleißgrad (Stärke des Verschlei-ßes) des Kugelgewindetriebs 10 zu berechnen. Dies kann mit Hilfe eines in der Auswerteeinheit 140 integrierten Vergleichsmoduls 144 erfolgen. Ferner kann die Auswerteeinheit 140 dazu ausgebildet sein, auf der Grundlage des berechneten Verschleißes oder Verschleißgrades eine Verschleißklassifizierung durchzuführen. Dies kann mit Hilfe eines in der Auswerteeinheit 140 integrierten Klassifizierungsmoduls 146 erfolgen. Ferner kann die Auswerteeinheit 140 dazu ausgebildet sein, auf der Grundlage vorangegangener Messungen und berechneter Verschleißwerte die zukünftige Verschleißentwicklung vorherzusagen. Dies kann mit Hilfe eines in der Auswerteeinheit 140 integrierten Vorhersagemoduls 148 erfolgen. Die hier beschriebenen Module 142-148 können eigenständige Software- und/oder Hardwaremodule sein, die die nötigen Softwareroutinen sowie Speicher- und Rechenkapazitäten aufweisen, um die beschriebenen Funktionen durchführen zu können. Alternativ ist auch denkbar, dass die Module 142-148 Teil eines übergeordneten Rechenmoduls sind.The evaluation unit 140 can calculate (derive) a wear value for the ball screw drive 10 from the at least one read-out voltage signal. This can be done using a computing module 142 integrated in the evaluation unit 140 . Furthermore, the evaluation unit 140 can be designed to calculate a degree of wear (amount of wear) of the ball screw drive 10 by comparing the calculated wear or wear value with a reference value. This can be done using a comparison module 144 integrated in the evaluation unit 140 . Furthermore, the evaluation unit 140 can be designed to carry out a wear classification on the basis of the calculated wear or degree of wear. This can be done using a classification module 146 integrated in the evaluation unit 140 . Furthermore, the evaluation unit 140 can be designed to predict the future development of wear on the basis of previous measurements and calculated wear values. This can be done with the help of a prediction module 148 integrated in the evaluation unit 140 . The modules 142-148 described here can be independent software and/or hardware modules that have the necessary software routines as well as memory and computing capacities in order to be able to carry out the functions described. Alternatively, it is also conceivable that the modules 142-148 are part of a superordinate computing module.

In Zusammenhang mit der 2 wird eine konkrete Implementierung der Magnetsensoreinheit 120 gezeigt. Die Magnetsensoreinheit 120 gemäß der Implementierung in der 2 umfasst eine Erregerspule 122 sowie vier Detektorspulen 124. Die Erregerspule 122 ist hierbei in Bezug auf die vier Detektorspulen 124 mittig angeordnet. Hingegen sind die vier Detektorspulen 124 äquidistant zueinander und in radialer Richtung in gleichen Abständen zur Erregerspule 122 um die Erregerspule 122 herum angeordnet. Es versteht sich, dass diese Anordnung lediglich beispielhaft ist, und dass hierzu abweichende Implementierungen denkbar sind. Beispielsweise ist denkbar, dass die Magnetsensoreinheit 120 anstelle von vier Detektorspulen 124 lediglich zwei, drei oder mehr als vier Detektorspulen 124 aufweist, die in einer symmetrischen Anordnung um die Erregerspule 122 herum angeordnet sind. Wichtig ist lediglich, dass der Abstand einer jeden Detektorspule 124 zur Erregerspule 122 so gewählt ist, dass das Erregerfeld 22 bzw. das veränderte Erregerfeld 22 aufgrund der Wechselwirkung mit der Spindelmutter 12 durch die jeweilige Detektorspule 124 hindurchgeht. Die Verwendung einer Vielzahl von Detektorspulen 124 steigert die Messgenauigkeit, da Messfluktuationen und apparativ bedingte Messfehler leichter erkannt und eliminiert werden können.In connection with the 2 a concrete implementation of the magnetic sensor unit 120 is shown. The magnetic sensor unit 120 according to the implementation in FIG 2 includes an excitation coil 122 and four detector coils 124. The excitation coil 122 is here arranged in relation to the four detector coils 124 in the middle. In contrast, the four detector coils 124 are equidistant from one another and in the radial direction at equal distances from the excitation coil 122 around the excitation coil 122 arranged around. It goes without saying that this arrangement is merely an example and that implementations that deviate from this are conceivable. For example, it is conceivable that the magnetic sensor unit 120 has only two, three or more than four detector coils 124 instead of four detector coils 124, which are arranged in a symmetrical arrangement around the exciter coil 122. It is only important that the distance between each detector coil 124 and the exciter coil 122 is chosen such that the exciter field 22 or the changed exciter field 22 passes through the respective detector coil 124 due to the interaction with the spindle nut 12 . The use of a large number of detector coils 124 increases the measurement accuracy since measurement fluctuations and measurement errors caused by the apparatus can be more easily recognized and eliminated.

Das Messprinzip wird in Zusammenhang mit den 3a bis 3c weiter beschrieben. Die 3a bis 3c zeigen beispielhaft einen Abschnitt der Spindelmutter 12, der Spindel 16 und einer dazwischen angeordneten Kugel 14. Die Erregerspule 122 und die wenigstens eine Detektorspule 124 der Magnetsensoreinheit 120 sind ebenso schematisch angedeutet (in den 3a-3c ist der Übersicht halber lediglich eine Detektorspule 124 gezeigt). Die Erregerspule 122 erzeugt das Erregerfeld 22 (magnetisches Wechselfeld 22), das in die Spindelmutter 12 reicht und durch die ferromagnetische Spindelmutter 12 deformiert bzw. verändert wird. Der durch das Erregerfeld 22 erzeugte magnetische Fluss bzw. magnetische Flussdichte in der wenigstens einen Detektorspule 124 ist proportional zum Grad der Deformation bzw. Veränderung des Erregerfeldes 22 durch die Spindelmutter 12. Der Grad der Deformation bzw. Veränderung des Erregerfeldes 22 hängt wiederum von der Stärke der Deformation bzw. inneren Spannung der Spindelmutter 12 ab. In 3a ist die Spindelmutter 12 nicht deformiert bzw. verspannt und das Erregerfeld 22 weist eine leichte Deformation/Veränderung seiner Feldlinien in der Nähe der Spindelmutter 12 aufgrund der Wechselwirkung des Erregerfelds 22 mit dem ferromagnetischen Material der Spindelmutter 12 auf. In 3b übt die (nicht verschlissene) Kugel 14 aufgrund ihres großen Durchmessers eine beträchtliche Spannung auf die Spindelmutter 12 aus. Die Spindelmutter 12 wird lokal verspannt bzw. deformiert, wodurch auch das Erregerfeld 22 sich in der Nähe der Spindelmutter 12 beträchtlich deformiert bzw. verändert. In 3c ist die Kugel 14 bereits verschlissen und weist im Vergleich zu 3b einen kleineren Durchmesser auf. Entsprechend übt die Kugel 14 eine im Vergleich zur nicht verschlissenen Kugel 14 in 3b geringere Spannung auf die Spindelmutter 12 aus. Entsprechend wird die Spindelmutter 12 im Vergleich zur nicht verschlissenen Kugel 14 in 3b weniger stark lokal verspannt bzw. deformiert, wodurch auch das Erregerfeld 22 sich in der Nähe der Spindelmutter 12 weniger stark deformiert bzw. verändert. Die hier beschrieben Änderung des Erregerfelds 22 aufgrund der Deformation der Spindelmutter 12 führt zu einer Änderung in der magnetischen Flussdichte in der wenigstens einen Detektorspule 124 und somit zu einer Änderung in der induzierten Spannung. Die induzierte Spannung der wenigstens einen Detektorspule 124 bzw. das aus der wenigstens einen Detektorspule 124 ausgelesene Induktionsspannungssignal ist somit ein Maß für den Verspannungsgrad der Spindelmutter 12 und somit auch ein Maß für die Größe bzw. den Verschleiß der Kugeln 14. Aus dem ausgelesenen Induktionsspannungssignal kann somit der Verschleißgrad des Kugelgewindetriebs 10 bzw. seiner Kugeln 14 bestimmt werden.The measuring principle is related to the 3a until 3c further described. The 3a until 3c show an example of a section of the spindle nut 12, the spindle 16 and a ball 14 arranged between them. The exciter coil 122 and the at least one detector coil 124 of the magnetic sensor unit 120 are also indicated schematically (in FIGS 3a-3c only one detector coil 124 is shown for the sake of clarity). The exciter coil 122 generates the exciter field 22 (alternating magnetic field 22), which extends into the spindle nut 12 and is deformed or changed by the ferromagnetic spindle nut 12. The magnetic flux or magnetic flux density generated by the exciter field 22 in the at least one detector coil 124 is proportional to the degree of deformation or change in the exciter field 22 by the spindle nut 12. The degree of deformation or change in the exciter field 22 in turn depends on the strength the deformation or internal stress of the spindle nut 12 from. In 3a the spindle nut 12 is not deformed or strained and the exciter field 22 has a slight deformation/change in its field lines in the vicinity of the spindle nut 12 due to the interaction of the exciter field 22 with the ferromagnetic material of the spindle nut 12. In 3b the (unworn) ball 14 exerts considerable stress on the spindle nut 12 due to its large diameter. The spindle nut 12 is locally braced or deformed, as a result of which the excitation field 22 is also considerably deformed or changed in the vicinity of the spindle nut 12 . In 3c the ball 14 is already worn out and points to in comparison 3b a smaller diameter. Correspondingly, the ball 14 exerts an in comparison to the unworn ball 14 in 3b lower tension on the spindle nut 12. Correspondingly, the spindle nut 12 is compared to the unworn ball 14 in 3b less strongly locally braced or deformed, as a result of which the excitation field 22 is also less strongly deformed or changed in the vicinity of the spindle nut 12 . The change in the excitation field 22 described here due to the deformation of the spindle nut 12 leads to a change in the magnetic flux density in the at least one detector coil 124 and thus to a change in the induced voltage. The induced voltage of the at least one detector coil 124 or the induction voltage signal read out of the at least one detector coil 124 is therefore a measure of the degree of strain on the spindle nut 12 and thus also a measure of the size or the wear of the balls 14. From the induction voltage signal read out, thus the degree of wear of the ball screw 10 and its balls 14 are determined.

In Zusammenhang mit den 4a und 4b wird die Anordnung der Messeinrichtung 100, insbesondere der Magnetsensoreinheit 120, weiter beschrieben. Wie bereits oben dargelegt ist die Messeinrichtung 100, insbesondere die Magnetsensoreinheit 120, an oder in der Nähe des Kugelgewindetriebs 10 angeordnet. Gemäß einer Variante ist die Magnetsensoreinheit 120 (direkt) an der Außenoberfläche der Spindelmutter 12 angeordnet (siehe 4a). Gemäß einer alternativen Variante, die in 4b dargestellt ist, kann die Magnetsensoreinheit 120 auch in einer Ausnehmung 12a an der Spindelmutter 12 angeordnet sein. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass die Magnetsensoreinheit 120 plan an der Spindelmutter 12 aufliegt und die durch die Kugeln 14 erzeugte Verformung bzw. Verspannung der Spindelmutter 12 noch besser gemessen werden kann. In beiden Varianten ist die Magnetsensoreinheit 120 in der Nähe des Flansches 12b (lediglich einige cm entfernt davon) angeordnet, da dort die stärksten Verformungskräfte auf die Spindelmutter 12 wirken. Gemäß einer weiteren alternativen Variante kann die Magnetsensoreinheit auch radial um die Spindelmutter angeordnet sein. Dies erfordert jedoch flexible Sensorik und/oder für jede Spindelmuttergröße eine jeweils angepasste Anordnung und Auswertung. Gemäß einer weiteren Variante (in den 4a und 4b nicht dargestellt) ist auch denkbar, dass die Magnetsensoreinheit 120 in der Nähe der Spindelmutter 12 (beispielsweise in einer eigens dafür vorgesehenen Ausnehmung eines Lagertisches der Werkzeugmaschine) angeordnet wird. Wesentlich ist nur, dass das durch die Magnetsensoreinheit 120 erzeugte Erregerfeld 22 in die Spindelmutter 12 reicht, um die Verformung der Spindelmutter 12 detektieren zu können.In connection with the 4a and 4b the arrangement of the measuring device 100, in particular the magnetic sensor unit 120, is described further. As already explained above, the measuring device 100 , in particular the magnetic sensor unit 120 , is arranged on or in the vicinity of the ball screw drive 10 . According to a variant, the magnetic sensor unit 120 is arranged (directly) on the outer surface of the spindle nut 12 (see FIG 4a ). According to an alternative variant, which is 4b is shown, the magnetic sensor unit 120 can also be arranged in a recess 12a on the spindle nut 12 . The advantage of this arrangement is that the magnetic sensor unit 120 rests flat on the spindle nut 12 and the deformation or distortion of the spindle nut 12 produced by the balls 14 can be measured even better. In both variants, the magnetic sensor unit 120 is arranged in the vicinity of the flange 12b (only a few cm away from it), since the strongest deformation forces act on the spindle nut 12 there. According to a further alternative variant, the magnetic sensor unit can also be arranged radially around the spindle nut. However, this requires flexible sensor technology and/or a customized arrangement and evaluation for each spindle nut size. According to another variant (in den 4a and 4b not shown) is also conceivable that the magnetic sensor unit 120 is arranged in the vicinity of the spindle nut 12 (for example in a specially provided recess of a bearing table of the machine tool). The only important thing is that the excitation field 22 generated by the magnetic sensor unit 120 reaches into the spindle nut 12 in order to be able to detect the deformation of the spindle nut 12 .

In Zusammenhang mit der 5 wird nun ein Verfahren zum Messen des Verschleißes eines Kugelgewindetriebs 10 weiter beschrieben (nachstehend auch kurz Verschleißmessverfahren genannt). Das Verfahren wird mit Hilfe der oben beschriebenen Messeinrichtung 100 durchgeführt, die wenigstens die oben beschriebene Magnetsensoreinheit 120 und Auswerteeinheit 140 umfasst. Die Magnetsensoreinheit 120 ist am oder in der Nähe des Kugelgewindetriebs 10, insbesondere an der Spindelmutter 12 angeordnet, wie in Zusammenhang mit den 4a und 4b beschrieben.In connection with the 5 a method for measuring the wear of a ball screw 10 will now be described further (hereinafter also called wear measuring method for short). The procedure is described using the above Measuring device 100 performed, which comprises at least the magnetic sensor unit 120 and evaluation unit 140 described above. The magnetic sensor unit 120 is arranged on or in the vicinity of the ball screw 10, in particular on the spindle nut 12, as in connection with 4a and 4b described.

Das Verfahren umfasst den Schritt S10 des Erzeugens eines magnetischen Wechselfelds 22 derart, dass das magnetische Wechselfeld 22 in Wechselwirkung mit der Spindelmutter 12 des Kugelgewindetriebs 10 kommt. Genauer gesagt, reicht das erzeugte Wechselfeld 22 (oder Erregerfeld 22) in die Spindelmutter 12 und wird von der Spindelmutter 12 abhängig von ihrem Verspannungsgrad unterschiedlich stark verformt.The method includes step S10 of generating an alternating magnetic field 22 in such a way that the alternating magnetic field 22 interacts with the spindle nut 12 of the ball screw drive 10 . More precisely, the generated alternating field 22 (or excitation field 22) extends into the spindle nut 12 and is deformed by the spindle nut 12 to different extents depending on its degree of tension.

Das Verfahren umfasst ferner den Schritt S12 des Detektierens einer durch die Wechselwirkung mit der Spindelmutter 12 hervorgerufenen Änderung des magnetischen Wechselfeldes 22. Der Schritt S12 kann mit Hilfe wenigstens einer der oben beschriebenen Detektorspule 124 durchgeführt werden. Die wenigstens eine Detektorspule 124 kann bezüglich der Erregerspule 122 (und der Spindelmutter 12) derart angeordnet sein, dass sie die Änderung des magnetischen Wechselfelds 22 erfasst und eine hierzu proportionale Induktionsspannung als Messsignal ausgibt, wie bereits oben in Zusammenhang mit der Messeinrichtung 100 beschrieben.The method also includes step S12 of detecting a change in the alternating magnetic field 22 caused by the interaction with the spindle nut 12. Step S12 can be carried out using at least one of the detector coils 124 described above. The at least one detector coil 124 can be arranged with respect to the excitation coil 122 (and the spindle nut 12) in such a way that it detects the change in the alternating magnetic field 22 and outputs an induction voltage proportional thereto as a measurement signal, as already described above in connection with the measurement device 100.

Ferner umfasst das Verfahren den Schritt S14 des Ermittelns des Verschleißes des Kugelgewindetriebs auf der Grundlage der detektierten Änderung des magnetischen Wechselfeldes 22. Der Schritt S14 kann mit Hilfe der oben beschriebenen Auswerteeinheit 124 durchgeführt werden. Hierzu liest die Auswerteeinheit 124 das wenigstens eine von der wenigstens einen Detektorspule 124 erzeugte Induktionsspannungssignal aus (dieses ist proportional zum Verspannungsgrad der Spindelmutter 12 und somit ein Maß für die Größe bzw. den Verschleiß der Kugeln 14) und berechnet aus dem wenigstens einen ausgelesenen Induktionsspannungssignal einen Verschleiß bzw. Verschleißwert der Kugeln 14. Zur Ermittlung des Verschleißes kann beispielsweise die Amplitude oder andere Signalgrößen (wie beispielsweise die Signalform und/oder die zeitabhängige Signalentwicklung) des wenigstens einen erfassten Spannungssignals analysiert werden, um daraus einen Verschleißwert zu berechnen. Beispielsweise kann das wenigstens eine erfasste Induktionsspannungssignal ein zeitabhängiges Spannungssignal sein. Mit Hilfe einer Fast-Fourier-Transformation (FFT) können dann die erfassten zeitabhängigen Spannungssignale in den Frequenzraum transformiert werden und einer nachfolgenden Frequenzanalyse unterzogen werden. Dabei können Frequenzbereiche identifiziert werden, die Rückschlüsse auf entweder einen falschen Einbau und/oder einen Verschleiß des Kugelgewindetriebs erlauben.The method also includes step S14 of determining the wear of the ball screw drive on the basis of the detected change in the alternating magnetic field 22. Step S14 can be carried out with the aid of the evaluation unit 124 described above. To do this, evaluation unit 124 reads the at least one induction voltage signal generated by the at least one detector coil 124 (this is proportional to the degree of tension in spindle nut 12 and is therefore a measure of the size or wear of balls 14) and calculates a from the at least one induction voltage signal read out Wear or wear value of the balls 14. To determine the wear, for example, the amplitude or other signal variables (such as the signal shape and/or the time-dependent signal development) of the at least one recorded voltage signal can be analyzed in order to calculate a wear value therefrom. For example, the at least one detected induction voltage signal can be a time-dependent voltage signal. With the help of a Fast Fourier Transformation (FFT), the recorded time-dependent voltage signals can then be transformed into the frequency domain and subjected to a subsequent frequency analysis. In this way, frequency ranges can be identified that allow conclusions to be drawn about either incorrect installation and/or wear of the ball screw.

Der Schritt S14 des Ermittelns des Verschleißes kann ferner ein Ermitteln des Verschleißgrades (Stärke des Verschleißes) des Kugelgewindetriebs 10 umfassen, indem das auf dem Verschleiß hinweisende erfasste wenigstens eine Induktionsspannungssignal mit einem Referenzsignal verglichen wird. Das Referenzsignal kann ein Induktionsspannungssignal sein, das zu einem Zeitpunkt erfasst wurde, an dem der Kugelgewindetrieb 10 noch keinen nennenswerten Verschleiß aufwies (z.B. vor Einbau und/oder Inbetriebnahme des Kugelgewindetriebs).The step S14 of determining the wear can also include determining the degree of wear (extent of wear) of the ball screw 10 by comparing the at least one induction voltage signal indicative of the wear with a reference signal. The reference signal can be an induction voltage signal that was detected at a point in time when the ball screw 10 did not show any appreciable wear (e.g. before the ball screw was installed and/or put into operation).

Das Verfahren kann ferner ein Klassifizieren des Verschleißgrades in unterschiedliche Verschleißklassen umfassen. Denkbar ist beispielsweise eine Klassifizierung in wenigstens vier unterschiedlichen Klassen, wobei eine erste Klasse auf keinen Verschleiß hinweist, eine zweite Klasse auf einen geringen Verschleiß hinweist, eine dritte Klasse auf einen mittleren Verschleiß hinweist und eine vierte Klasse auf einen hohen Verschleiß hinweist.The method can also include classifying the degree of wear into different wear classes. A classification into at least four different classes is conceivable, for example, with a first class indicating no wear, a second class indicating low wear, a third class indicating medium wear and a fourth class indicating high wear.

Das hier beschriebene Verschleißmessverfahren kann in vorgegebenen Zeitabständen wiederholt werden, um die Verschleißentwicklung des Kugelgewindetriebs 10 zu detektieren. Insbesondere kann aus der Entwicklung der Verschleißmessungen eine Vorhersage für den zukünftigen Verschleiß des Kugelgewindetriebs 10 gemacht werden. Insbesondere kann ein Zeitpunkt vorhergesagt werden, zu dem eine Wartung der Kugelgewindetriebs 10 zu erwarten ist. Insbesondere kann aus der Verschleißentwicklung der durch den vorangegangenen Prozess / durch die vorangegangenen Prozesse verursachte Verschleiß am Kugelgewindetrieb abgeleitet werden und somit den Prozesskosten zugeteilt werden. Insbesondere im Rahmen von beispielsweise Maschinenleasing kann somit eine genauere und transparente Berechnung der Abnutzung durchgeführt werden.The wear measurement method described here can be repeated at predetermined time intervals in order to detect the development of wear on the ball screw 10 . In particular, a prediction for the future wear of the ball screw 10 can be made from the development of the wear measurements. In particular, a time can be predicted at which maintenance of the ball screw 10 is to be expected. In particular, the wear on the ball screw drive caused by the previous process(es) can be derived from the wear development and thus allocated to the process costs. A more precise and transparent calculation of the wear and tear can thus be carried out, in particular in the context of machine leasing, for example.

Die hier beschriebene Technik zum Messen des Verschleißes ist einfach in der Ausführung, kann für einen beliebigen Kugelgewindetrieb beliebig nachgerüstet werden und ist außerdem platzsparend in der Anordnung. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Technik besteht darin, dass diese preisgünstig ist, die Sensoreinheit der Messeinrichtung leicht ausgetauscht werden kann und die Messeinrichtung insgesamt robust und resistent gegenüber äußeren Einflüssen ist. Durch die hier beschriebene magnetische Messeinrichtung können bereits geringste Deformationen des magnetischen Erregerfeldes erfasst werden und somit präzise Aussagen über den Verschleiß/Verschleißgrad eines Kugelgewindetriebs getroffen werden.The technology for measuring wear described here is simple to implement, can be retrofitted to any ball screw drive and is also space-saving in terms of its arrangement. A further advantage of the technology described here is that it is inexpensive, the sensor unit of the measuring device can be easily replaced and the measuring device as a whole is robust and resistant to external influences. With the magnetic measuring device described here, even the slightest deformation of the magnetic exciter field can be detected and thus precise off say about the wear/degree of wear of a ball screw.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

DE 102013225467 B4 [0002, 0004]
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Claims

Measuring device (100) for measuring the wear of a ball screw (10), the measuring device (100) comprising: a magnetic sensor unit (120) that can be arranged on or in the vicinity of the ball screw (10) and is designed to generate an alternating magnetic field (22) that interacts with a spindle nut (12) of a ball screw (10), and one through a spindle nut (12) to detect changes in the alternating magnetic field (22) caused by the ball screw drive (10); and an evaluation unit (140) which is designed to conclude on the wear of the ball screw drive (10) on the basis of the detected change in the alternating magnetic field (22).

Measuring device (100) according to claim 1 , wherein the magnetic sensor unit (120) comprises at least one on or in the vicinity of the ball screw (10) can be arranged excitation coil (122), which is designed to generate the alternating magnetic field (22).

Measuring device (100) according to one of the preceding claims, wherein the change in the alternating magnetic field (22) through interaction with the spindle nut (12) depends on the internal stress or deformation of the spindle nut (12) in the ball screw (10).

Measuring device (100) according to one of the preceding claims, wherein the magnetic sensor unit (120) comprises at least one detector coil (124) which can be arranged on or in the vicinity of the ball screw drive (10) and which is used to detect the change in the alternating magnetic field caused by the spindle nut (12). (22) is formed.

Measuring device (100) according to claim 4 , wherein the change in the alternating magnetic field (22) is detected by reading out at least one induction voltage signal from the at least one detector coil (124) which is proportional to the magnetic flux density in the at least one detector coil (124) which is caused by the interaction of the alternating magnetic field ( 22) is generated with the spindle nut (12) in the detector coil (124).

Measuring device (100) according to claim 5 , wherein the magnetic flux density in the at least one detector coil (124) or the at least one induction voltage signal read out of the at least one detector coil (124) depends on the internal stress or deformation of the spindle nut (12) interacting with the alternating magnetic field (22) and thus a measure of the wear of the ball screw (10) or the balls (14) of the ball screw (10).

Measuring device (100) according to claim 5 or 6 , wherein the evaluation unit (140) is designed to determine a degree of wear of the ball screw (10) or the balls (14) of the ball screw (10) on the basis of the at least one read induction voltage signal.

Measuring device (100) according to claim 7 , wherein the degree of wear is determined by comparing one or more read out induction voltage signals with a reference signal.

Measuring device (100) according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit (140) is also designed to carry out a wear classification on the basis of the detected wear or degree of wear.

Measuring device (100) according to one of the preceding claims, wherein the evaluation unit (140) is also designed to make a prediction about the future wear on the basis of the detected wear or degree of wear.

A ball screw assembly comprising: a spindle (16) and a spindle nut (12); balls (14) which roll along raceways between the spindle (16) and the spindle nut (12) as the spindle nut (12) translates relative to the spindle (16); and the measuring device (100) according to one of Claims 1 until 10 .

Ball screw arrangement according to claim 11 , The magnetic sensor unit (120) of the measuring device (100) being arranged on the spindle nut (12) or at a predetermined distance from the spindle nut (12).

Ball screw arrangement according to claim 12 , wherein the magnetic sensor unit (120) is positioned on the radially outer surface of the spindle nut (12).

Ball screw arrangement according to claim 12 , wherein the magnetic sensor unit (120) is positioned in a cutout (12a) of the spindle nut (12).

Ball screw arrangement according to claim 12 , wherein the magnetic sensor unit is positioned radially around the spindle nut (12).

Method for measuring the wear of a ball screw (10), wherein a measuring device (100) is provided for measuring the wear, which comprises at least one magnetic sensor unit (120) which is arranged on or in the vicinity of the ball screw (10), the method comprises the following steps: generating (S10), using the magnetic sensor unit (120), an alternating magnetic field (22) such that the alternating magnetic field (22) interacts with a spindle nut (12) of the ball screw (10); detecting (S12), with the aid of the magnetic sensor unit (120), a change in the alternating magnetic field (22) caused by the interaction with the spindle nut (12); and determining (S14) wear of the ball screw (10) on the basis of the detected change in the alternating magnetic field (22).

procedure after Claim 16 , the alternating magnetic field (22) being generated with the aid of at least one excitation coil (122) of the magnetic sensor unit (120), the change in the alternating magnetic field (22) being detected with the aid of at least one detector coil (124) of the magnetic sensor unit (120).

procedure after Claim 16 or 17 , wherein the step (S12) of detecting the change in the alternating magnetic field (22) is based on reading out at least one induction voltage signal in at least one detector coil (124) of the measuring device (120) which is proportional to the magnetic flux density in the at least one detector coil (124) the measuring device (100), which is generated by the changed magnetic alternating field (22) in the at least one detector coil (124).

procedure after Claim 18 , wherein the wear of the ball screw drive (10) is determined by assigning a wear value to the at least one read out induction voltage signal, which wear value is proportional to the signal amplitude and/or signal shape.

Procedure according to one of Claims 16 - 19 , wherein the step of determining wear comprises at least one of the following sub-steps: determining a degree of wear of the ball screw (10) by comparing a determined wear value with a reference value; Carrying out a wear classification based on the determined wear or degree of wear.

Method according to one of one of Claims 16 - 20 , wherein the measuring method is repeated at predetermined time intervals in order to detect the development of wear.

Method according to one of one of Claims 16 - 21 , further comprising making a prediction of the future development of wear on the basis of previous wear measurements.