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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Reibungsverlaufs
in mechanischen Schlitten-Führungen, insbesondere Schienen-Kugelwälzführungen
gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch
4.
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Aus
der
DE 41 34 100 A1 ist
ein Linearmotorantrieb mit einer Schiene vorbekannt, wobei die Schiene
der Aufnahme eines Schlittens dient. Schiene und Schlitten stehen über
eine Mehrzahl von Wälzlagerelementen in Verbindung, um
eine sichere, längsverschiebliche Führung zu gewährleisten. Schiene
und Schlitten weisen im Querschnitt ein U-Profil auf und sind mit
ihren U-förmigen Schenkeln zueinander gerichtet derart,
dass die Schiene in ihrem Schenkelzwischenraum den eigentlichen
Schlitten nahezu bündig aufnimmt. Ein derartig geführter Antrieb
weist jedoch aufgrund unterschiedlicher Reibungsverhältnisse
in der Führung Bewegungsungenauigkeiten auf, die es an
sich zu vermeiden gilt, um gewünschte hochgenaue Positionierungen
entsprechender Objekte, die sich auf dem Schlitten befinden, zu
gewährleisten.
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Zum
Stand der Technik sei ergänzend auf die
DE 196 01 018 Ab1 verwiesen,
die einen linear verstellbaren Präzisionstisch offenbart,
der zur Verstellung einer Deckplatte relativ zu einer Basisplatte
für die Bewegung in zumindest einer Koordinatenachse einen
Linearantrieb umfasst. Der Linearantrieb wiederum weist einen Magneten
und eine Spule auf. Der Magnet oder die Spule des Linearantriebs
sind hierbei so angeordnet, dass der Linearantrieb eine resultierende
Kraft zentral auf die zu bewegende Platte ausübt.
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Bei
Linearantrieben nach dem bekannten Tauchspulenantrieb wird das physikalische
Prinzip der Lorentzkraft genutzt. Üblicherweise weisen
derartige Linearantriebe rechteckförmige Spulen auf, die um
einen quaderförmigen Eisenkern gewickelt innerhalb von
zwei quaderförmigen Hochleistungsmagneten angeordnet sind.
Diese Hochleistungsmagneten befinden sich üblicherweise
an äußeren Eisen-Jochteilen. Innerer Kern sowie
das äußere Eisenteil bilden das Joch für
den so ausgestalteten Linearmotor. Das Magnetfeld der eingesetzten
Hochleistungs-Permanentmagneten ist radial auf das Spulenpaket bzw.
die Spulenanordnung gerichtet, wobei bei Stromzuführung
die axial gerichtete Lorentzkraft auf die Spule wirkt. Die Spule
wird dann aus dem magnetischen Wirkraum der am Joch gestellfest
angebrachten Magneten bewegt. Spulenstrom und die geradlinig wirkende
Kraft des Antriebs verhalten sich proportional zueinander, so dass
die Stärke der Antriebskraft üblicherweise sehr
feinfühlig über den Betriebsstrom der Spule geregelt
werden kann. Für das Erreichen einer entsprechenden Feinpositionierung
werden inkrementelle Wegmesssysteme eingesetzt, die üblicherweise
mit der Regelung des Linearmotors in Verbindung stehen.
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Bekanntermaßen
entstehen Gleichlaufschwankungen an Führungen dann, wenn
während des Betriebs Glieder des mechanischen Aufbaus der entsprechenden
Führung zusätzlich zur systemspezifischen Roll-
oder Gleitreibung des Gesamtführungssystems zeitlich begrenzt
oder ständig Reibung erzeugen.
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Ursachen
für solche das Gleichlaufverhalten beeinflussende Effekte
können fertigungstechnischer Natur oder wie bei zwangsgeführten
Kugelkäfigen in manchen Rollelemente-Führungen
zeitlich begrenzt auftretende Reibkräfte sein, die z. B.
in der Nebenführung eines Zwangskugelkäfigs, z.
B. durch ein zeitlich begrenztes Eingreifen eines Ritzels in eine Zahnstange
entstehen.
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Es
ist bekannt, Führungsbahnen durch Autokollimation oder
durch direktes Antasten der Führung mittels hochauflösender
Kraftsensoren zu vermessen. Ein Nachteil dieser Messverfahren besteht
darin, dass zum Messbetrieb der Führung ein Bewegungserzeuger
separat angekoppelt werden muss und dass z. B. die Erfassung von
Reibwertunterschieden mittels Kraftsensoren ein direktes Antasten des
Messsystems an den Prüfling, d. h. die Führung notwendig
ist.
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Beim
Ermitteln des Gleichlaufverhaltens von Führungen im praktischen
Betriebsmodus und bei verschiedenen Geschwindigkeiten erzeugen angekoppelte
Messfühler und entsprechende Antriebe nicht zu vernachlässigende
Einflüsse auf den Prüfling, die sich im Messergebnis
als Störgrößen manifestieren und somit
in der Regel das Messergebnis verfälschen bzw. einen zusätzlichen
Fehlerausgleich notwendig machen.
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Aus
dem Vorgenannten ist es daher Aufgabe der Erfindung, ein weiterentwickeltes
Verfahren sowie eine zugehörige Vorrichtung zur Bestimmung
des Reibungsverlaufs in mechanischen Schlitten-Führungen,
insbesondere Schienen-Kugelwälzführungen oder
dergleichen Führungen anzugeben. Die ermittelten Reibungsverläufe
der jeweiligen Führung sollen über den Verfahrweg
aufgelöst abspeicherbar sein, um einen späteren
sicheren Betrieb mit Hilfe der entsprechenden Führung zu
gewährleisten.
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Die
Lösung der Aufgabe der Erfindung erfolgt verfahrensseitig
durch die Lehre nach Patentanspruch 1 sowie vorrichtungsseitig durch
die Merkmalskombination nach Patentanspruch 4, wobei die Unteransprüche
mindestens zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
darstellen.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung
des Reibungsverlaufs in mechanischen Schlitten-Führungen
wird zunächst der für die Vermessung der Führung
notwendige Bewegungsweg durch eine Verschiebung des Schlittens mittels
eines Linearmotors erzeugt. Dabei ist der Linearmotor bzw. Linearantrieb
mit der Führung, respektive dem Schlitten verbunden. Der
Linearantrieb kann hier gleichzeitig der spätere Antrieb,
z. B. für die Bewegung eines Objekts oder eines Messtisches
oder dergleichen sein.
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Der
Linearmotor beschleunigt dann den Schlitten auf eine definierte,
konstante Verfahrgeschwindigkeit. Positionsabhängige Schwankungen der
Fahrgeschwindigkeit werden nun über Änderungen
des Linearmotorantriebsstroms erfasst. Hieraus wird die Varianz
der Reibkraft des Schlittens in der Führung über
den zurückgelegten Weg berechnet und abgespeichert.
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Bevorzugt
ist ein Linearmotor eingesetzt, der über einen Tauchspulenantrieb
verfügt, wobei aus dem über den Messweg ermittelten
Spulenstrom Änderungen der Reibungsverlauf in der Führung
berechenbar ist.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Verfahren durch folgende
Schritte gekennzeichnet.
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Zunächst
erfolgt ein Einprägen eines konstanten Stroms auf die mindestens
eine Antriebsspule zum Erzeugen der definierten Verfahrgeschwindigkeit.
Die Antriebsspule ist hierbei diejenige eines Tauchspulen-Linearantriebs.
Es erfolgt dann eine Beschleunigung des Schlittens auf eine nahezu
konstante Verfahrgeschwindigkeit. Weiterhin wird laufend ein Erfassen
positionsabhängiger Verfahrgeschwindigkeitsänderungen über
den gesamten Verfahrweg der Führung vorgenommen, und zwar
mittels des sich entsprechend ändernden Antriebsspulenstroms.
Im nächsten Schritt erfolgt ein Zuordnen der relativen Änderungen
der Verfahrgeschwindigkeit über den Weg zur relativen Änderung
der Reibkraft des Schlittens über diesen in der Führung
zurückgelegten Weg sowie ein Dokumentieren dieser Größe für
den späteren hochgenauen Betrieb unter Nutzung der entsprechend
geprüften und quasi reibungsseitig kalibrierten Führung.
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Bei
der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens wird von
einer Führung ausgegangen, die ein schienenartiges Gestellteil
und ein bewegliches Führungsteil, d. h. den Schlitten aufweist.
Parallel zur Führung ist ein Linearmotor mit Spule angeordnet. Das
Joch des Linearmotors ist in der Ebene der Bewegungsrichtung der
Spule geteilt und weist zwei U-förmige, zueinander weisende
erste Jochteile sowie ein drittes, zwischen den ersten Jochteilen
befindliches weiteres Jochteil auf, welches die Spule aufnimmt.
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Die
Spule steht über ein Koppelteil mit dem beweglichen Führungsteil,
d. h. dem Schlitten oder einer dort fixierten Trägerplatte
in Verbindung.
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Am
beweglichen Führungsteil oder der Trägerplatte
ist eine Maßverkörperung, z. B. ein linearer Maßstab
angebracht oder entsprechend dort befindlich. Die Maßverkörperung
verläuft parallel zum Bewegungsweg. Weiterhin steht die
Maßverkörperung mit einem Längenmess-Sensor
in Verbindung oder tritt in Wechselwirkung mit einem solchen Längenmess-Sensor,
wobei sowohl der Sensor als auch die Stromversorgung der Spule an
einen Rechner angeschlossen ist. Der Rechner kann darüber
hinaus mit einer Anzeigeeinrichtung in Verbindung stehen oder eine
solche Anzeige aufweisen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Figuren sowie eines Ausführungsbeispiels
näher erläutert werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 die
erfindungsgemäße Vorrichtung in Vorderansicht
und
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2 eine
räumliche Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung
des Reibungsverlaufs in mechanischen Schlitten-Führungen
mit einer angedeuteten Verschaltung bezüglich einer Stromversorgung
für Antriebsspule des Linearantriebs zu einem Rechner und
einer Anzeigeeinheit.
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Gemäß dem
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird von einem Verfahren
und einer Vorrichtung zum hochgenauen Detektieren der Reibung in
Führungen ausgegangen, wobei der Effekt der Gleichlaufschwankungen
an Gleit- oder Rollführungen zur Detektierung genutzt wird.
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Die
Amplituden der Gleichlaufschwankungen stellen ein Maß für
die Reibungsverhältnisse in der jeweiligen Führung
dar. Diese Schwankungen werden erfindungsgemäß dynamisch
erfasst, ohne dass verfälschende Einflüsse von
Seiten des Antriebs und der notwendigen Messsensorik das Messergebnis
beeinträchtigen.
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Erfindungsgemäß werden
die Nachteile des bekannten Standes der Technik dadurch vermieden, dass
der für die Vermessung der Führung einzubringende
Messweg durch Verschiebung eines Führungsschlittens mittels
Linearmotor auf der Basis des bekannten Tauchspulenantriebs erfolgt.
Die im Magnetfeld der Vorrichtung reibungsfrei bewegte Luftspule
treibt hier direkt den Führungsschlitten an und prägt
somit den Messweg ein.
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Reibungsunterschiede
in der Führungsbahn verursachen Reaktionskräfte
des Schlittens in der Führung. Soll nun die Verfahrgeschwindigkeit,
die quasi die Messgeschwindigkeit darstellt, konstant gehalten werden,
ist ein Nachregeln des Antriebsspulenstroms erforderlich. Im dynamischen
Betrieb über den Messweg gewonnene Spulenstromänderungen stellen
damit ein Maß für die Reibungsverhältnisse
in der geprüften oder untersuchten Führung dar.
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Bei
einer entsprechend bevorzugten Ausführungsform trägt
der Schlitten der Führung eine Maßverkörperung
als Maßstab des Längenmess-Systems. Gegenüber
der Maßverkörperung ist gestellfest ein Längenmess-Sensor
positioniert, der den Messweg des Führungsschlittens erfasst.
Dieser ist signalschlussseitig mit einem Rechner in Verbindung stehend.
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Die
in Luft magnetisch bewegte Antriebsspule des Linearmotors ist über
geeignete Koppelteile fest mit dem Führungsschlitten verbunden.
Eine Stromversorgung dient zum Betrieb der Spule, wobei die Unterschiede
des Spulenstroms in der Regelungseinheit für den Linearmotor
verarbeitet werden. Die erhaltenen Messergebnisse können
auf der erwähnten Anzeigeeinrichtung des Rechners visualisiert
werden.
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Die
Darstellung nach 1 zeigt eine Vorderansicht der
Messanordnung, wobei die Prüflingsführung aus
einem schienenartigen Gestellteil 1a und einem beweglichen
Führungsteil 1b (dem Schlitten) besteht.
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Diese
Teile sind auf einem Gestell 2 montiert.
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Parallel
zur Führung befindet sich ein Linearmotor 4, der
aus zwei U-förmigen zueinander weisenden ersten, äußeren
Jochteilen 11 sowie einem dritten, zwischen den ersten
Jochteilen 11 befindlichen weiteren Jochteil 12 besteht.
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Das
Jochteil 12 nimmt die Spule 10 auf.
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Die
Spule 10 steht über einen Spulenhalter 5 und
eine Koppeleinheit 9 mit einer Trägerplatte 3 in Verbindung.
Die Trägerplatte 3 stellt ein tragendes Element
der Antriebsspule 10 und einer Lineal-Maßverkörperung 8 dar
und wird parallel zur Laufrichtung des Linearmotors 4 ausgerichtet.
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Zudem
kann die Antriebsspule 10 vertikal am Koppelteil 9 zur
Laufrichtung des Motors 4 ausgerichet werden.
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Am
Spulenhalter 5 befindet sich ein Stromversorgungskabel 6 für
die Antriebsspule 10. Gegenüber dem Linearmotor 4 kolinear über
der Maßverkörperung 8 ist ein Längenmess-Sensor 7 des
Messsystems positioniert.
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Ergänzend
zeigt die 2 noch die Anordnung der Permanentmagneten 13a (unterer
Magnet) und 13b (oberer Magnet). Vom Kabelanschluss 6 besteht
eine Verbindung zur Stromversorgung 14 für die Antriebsspule 10.
Der Rechner 15, der mit einer Anzeige 16 in Verbindung
steht, steuert zum einen die Stromversorgung 14 und wertet
zum anderen die Signale des Längenmess-Sensors 7 aus.
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- 1a
- schienenartiges
Gestellteil
- 1b
- bewegliches
Führungsteil (Schlitten)
- 2
- Gestell
- 3
- Trägerplatte
- 4
- Linearmotor
- 5
- Spulenhalter
- 6
- Kabelanschluss
- 7
- Längenmess-Sensor
- 8
- Maßverkörperung
- 9
- Verbinder
Spule – Führung (Koppelteil)
- 10
- Antriebsspule
- 11
- U-förmige
zueinander weisende äußere Jochteile
- 12
- inneres
Jochteil
- 13a,
13b
- Permanentmagnete
- 14
- Stromversorgungseinheit
für die Spule
- 15
- Rechner
- 16
- Anzeigevorrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4134100
A1 [0002]
- - DE 19601018 A1 [0003]