DE102010036096A1

DE102010036096A1 - Kugelgewindetrieb

Info

Publication number: DE102010036096A1
Application number: DE102010036096A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Leibniz Universitaet Hannover
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Leibniz Universitaet Hannover
Priority date: 2010-09-01
Filing date: 2010-09-01
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-09-02
Also published as: DE102010036096B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kugelgewindetrieb (10) mit einer Gewindespindel (12), einer an der Gewindespindel (12) gelagerten Doppelmutter (14), die eine erste Mutternhälfte (16) und eine zweite Mutternhälfte (18) umfasst, die gegeneinander mit einer Vorspannkraft (Fax) beaufschlagbar sind, und eine manuell einstellbare Zustellvorrichtung, mittels der die Vorspannkraft (Fax) einstellbar ist, wobei mindestens ein elektrischer Spannkraftsensor (20) zum Erfassen der Vorspannkraft (Fax) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit (a) einer Gewindespindel, (b) einer an der Gewindespindel gelagerten Doppelmutter, die eine erste und eine zweite Mutternhälfte umfasst, die gegeneinander mit einer Vorspannkraft beaufschlagbar sind, und (c) eine manuell einstellbare Zustellvorrichtung, mit der die Vorspannkraft einstellbar ist.
In linearen Vorschub- und Stellachsen für Positioniersysteme unterschiedlichster Art (z. B. in Werkzeugmaschinen, Handhabungs- und Montagegeräten, Automatisierungsanlagen, Portalrobotern, allgemeinen Positioniersystemen für technische Anlagen, etc.) kommen Kugelgewindetriebe (bestehend aus einer Gewindespindel und einer Kugelumlaufmutter bzw. einer entsprechenden Doppelmutter) zum Einsatz, die eine Rotationsbewegung der Gewindespindel in eine Translationsbewegung wandeln.
Zwischen Mutter und Gewindespindel befinden sich Kugeln für die Kraftübertragung. Insbesondere bei Werkzeugmaschinen werden hohe Anforderungen an die translatorische Positioniergenauigkeit sowie an die statische und dynamische Steifigkeit der Kraftübertragung gestellt. Diese Eigenschaften werden von der Vorspannung des Kugelgewindetriebs maßgeblich beeinflusst. In Doppelmuttersystemen werden die beiden Mutternhälften gegeneinander verspannt. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich bereits relativ geringer Verschleiß an den Elementen des Kugelgewindetriebs dahingehend auf das System auswirkt, dass die Vorspannung nachlässt.
Das reibungsbehaftete Abwälzen der Wälzkörper führt prinzipbedingt zu Verschleiß an den an der Bewegung beteiligten Komponenten Gewindespindel, Wälzkörper und Kugelgewindemuttern. Untersuchungen von Kugelgewindetrieben haben ergeben, dass neben der Veränderung des Reibverhaltens in der Kugelgewindemutter der Vorspannungsverlust in dieser durch verschleißbedingte Abnahme der Kugeldurchmesser wesentliche Verschleißauswirkungen sind. Durch die Vorspannungsänderung resultiert ebenfalls eine nichtlineare Veränderung der Steifigkeit der Kugelgewindemutter, was die Dynamik der gesamten Maschinenachse beeinflusst. Dies wirkt sich negativ auf das Genauigkeits- und Steifigkeitsverhalten des Kugelgewindetriebs aus.
Bisherige Lösungsansätze beziehen sich auf Einheiten, die als zusätzliche Komponenten zwischen die beiden Mutternhälften integriert werden. Nachteilig ist, dass durch diese neue Komponenten die axiale Steifigkeit des Kugelgewindetriebs und damit der gesamten Vorschubachse abnimmt.
Aus der DE 39 00 121 A1 ist ein System zum permanenten Nachstellen der Vorspannung mit Piezoelementen bekannt. Nachteilig daran ist der hohe Aufwand.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kugelgewindetrieb anzugeben, mit dem ein Einhalten der Anforderungen an die statische und dynamische Steifigkeit der Kraftübertragung erleichtert wird.
Die Erfindung löst das Problem durch einen gattungsgemäßen Kugelgewindetrieb mit einem elektrischen Spannkraftsensor zum Erfassender Vorspannkraft.
Vorteilhaft an der erfindungsgemäßen Lösung ist, im Gegensatz zu bekannten Lösungsansätzen, dass die Vorspannung eines Kugelgewindetriebs im in eine Maschine eingebauten Zustand direkt messtechnisch erfassbar ist. Dazu werden kraftsensorische Schichten in eine Mutter integriert, so dass die Systemsteifigkeit erhalten bleibt.
Der Spannkraftsensor dient einerseits als Hilfe zur Einstellung der Vorspannung, andererseits kann das aus Verschleiß resultierende Nachlassen der Vorspannung gemessen werden. Auf diese Weise kann festgestellt werden, wann ein Verschleißgrad erreicht ist, der einen Austausch des Kugelgewindetriebes erfordert. Darüber hinaus kann eine Anpassung der Maschinennutzung (z. B. Belastung durch dynamische Positionierbewegungen) an die Vorspannungseigenschaften des Kugelgewindetriebs erfolgen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Zustellvorrichtung arretierbar ausgebildet. Das bedeutet in anderen Worten, dass eine einmal mittels der Zustellvorrichtung eingestellte Vorspannkraft dauerhaft gehalten wird. Bei der Zustellvorrichtung kann es sich beispielsweise um eine Schraube handeln, etwa um eine Madenschraube, wobei die Schraube so angeordnet ist, dass durch Eindrehen der Schraube die Vorspannkraft erhöht wird. Möglich ist auch, dass die beiden Mutternhälften so ausgebildet sind, dass es möglich ist, durch ein Verdrehen der beiden Mutternhälften gegeneinander die Mutternvorspannung aufzubringen. Die eingestellte Vorspannung kann mit einem Arretierelement, wie einer Passfeder oder einem Stift, die ein Verdrehen der beiden Mutternhälften gegeneinander verhindert, gehalten werden.
Die bevorzugten Ausführungsformen weisen die Spannkraftsensoren Kraftmessschichten auf. Die Kraftmessschichten haben eine Schichtdicke von beispielsweise weniger als 10 μm, teilweise noch deutlich darunter, und besitzen eine hohe Steifigkeit. Durch die Verwendung von Kraftmessschichten kann die Vorspannkraft mit hoher Genauigkeit gemessen werden, ohne dass die Steifigkeit der Gewindespindel signifikant reduziert wird. Besonders günstig ist es, wenn die Kraftmessschicht ein Elastizitätsmodul von zumindest 80 GPa besitzt.
Günstig ist es zudem, wenn die Kraftmessschicht eine Dicke von höchstens 250 Mikrometern aufweist. Vorteilhaft ist es, wenn die Kraftmessschicht auf einer Stirnseite zumindest einer der Mutternhälften und/oder auf einem Bolzen aufgebracht ist, der die Vorspannkraft zumindest teilweise trägt.
Besonders bevorzugt besitzt der Gewindetrieb zumindest drei Bolzen, die in der ersten Mutternhälfte aufgenommen und auf die zweite Mutternhälfte manuell zustellbar sind, beispielsweise per Schraube, so dass durch Zustellen der Bolzen auf die zweite Mutternhälfte die Vorspannkraft auf die Doppelmutter aufbringbar ist. Die Bolzen können in einer Bohrung in einer der beiden Mutternhälften aufgenommen sein und per Schrauben, beispielsweise Madenschrauben, vorspannbar sein. Das hat den Vorteil, dass die Mutternhälften die gleichen Abmessungen haben können wie herkömmliche Mutternhälften, so dass die Gewindespindel eines vorhandenen Kugelgewindetriebs einfach gegen eine neuartige Gewindespindel ausgetauscht werden kann.
Vorzugsweise besitzt der Kugelgewindetrieb eine Energieerzeugungsvorrichtung zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer Umgebung der Gewindespindel. Beispielsweise besitzt die Energieerzeugungsvorrichtung eine Antenne zum Empfang elektromagnetischer Strahlung aus der Umgebung. Die Energieerzeugungsvorrichtung kann zusätzlich oder alternativ eingerichtet sein zum Erzeugen von elektrischer Energie aus der sich ändernden Geschwindigkeit der Doppelmutter. Beispielsweise umfasst die Energieerzeugungsvorrichtung eine federnd aufgehängte Masse, die sich beim Beschleunigen der Gewindespindel relativ zu übrigen Komponenten der Gewindespindel bewegt. Diese Relativbewegung wird zur Energieerzeugung genutzt. Beispielsweise kann die federnd aufgehängte Masse ein Magnet sein, der in den die Magneten umgebenden Tauchspulen ein zeitlich veränderliches magnetisches Feld und damit einen elektrischen Strom induziert. Die Energieerzeugungsvorrichtung kann Energiespeichervorrichtungen wie Kondensatoren und Akkumulatoren aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die Rotationsenergie der Kugelgewindespindel über ein Laufrad drehantreibbar mit der Gewindespindel gekoppelt sein und einen Generator aufweisen, so dass bei Drehung der Gewindespindel der Generator in Drehung versetzt wird und Strom erzeugt. Konstruktiv wird dafür ein Laufrad mit definiertem Durchmesser auf die Gewindespindel aufgesetzt und mit einer Mechanik dort leicht angepresst. Das Laufrad ist dabei in gleichem Winkel wie die Steigung der Gewindespindel aufgesetzt. Eine Mechanik ermöglicht es, diesen Winkel zu ändern, um das generatorische Prinzip in Kugelgewindetrieben anderer Steigung nutzen zu können. Durch den definierten Durchmesser des Laufrades und der Kugelgewindespindel wird die Übersetzung bestimmt und damit die Generatordrehzahl. Die Übersetzung kann durch ein geeignetes, zwischengeschaltetes Getriebe verändert werden, um damit den Generator anzutreiben. Als Generator können einfache Gleichstrommotoren oder Schrittmotoren genutzt werden. Die Baugröße sollte den Einbaubedingungen des Kugelgewindetriebs angepasst werden. Durch eine geeignete mechanische Anbringung werden der Generator mit Laufrad und ggf. Getriebe konstruktiv in einem Gehäuse untergebracht. Die Anzahl der Generatoren und Laufräder ist dabei variabel.
Alternativ oder zusätzlich kann die Energieerzeugungsvorrichtung ausgebildet sein zum Erzeugen elektrischen Stromes aus eingestrahlten elektromagnetischen Wellen mittels des induktiven Prinzips. Beispielsweise sind Sendeantennen zum Senden elektromagnetischer Wellen radial oder axial der Achse angebracht und die Energieerzeugungsvorrichtung besitzt Empfangsantennen. Es ist auch möglich, dass die Energieerzeugungsvorrichtung nach dem thermoelektrischen Prinzip arbeitet.
Vorzugsweise besitzt der Kugelgewindetrieb eine Sendeeinheit zum Senden eines Funksignals, das eine Information über die Vorspannkraft kodiert. Beispielsweise ist es möglich, dass die Sendeeinheit eingerichtet ist, um mit einer elektrischen Steuereinheit zusammenzuwirken, die aus den Signalen des Spannkraftsensors die Spannkraft ermittelt. Beispielsweise ist die elektrische Steuerung eingerichtet, um im vorgegebenen Zeitintervall, etwa alle 100 Millisekunden, ein Signal abzusenden, das die Spannkraft kodiert. Es ist aber auch möglich, dass eine direkte Steuerung so eingerichtet ist, dass sie immer dann ein Funksignal absetzt, wenn von einer etwaig vorhandenen Energieerzeugungsvorrichtung hinreichend viel elektrische Energie erzeugt worden ist, um das Funksignal senden zu können.
Vorzugsweise besitzt der Kugelgewindetrieb eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die mit dem zumindest einen Spannkraftsensor zum Ermitteln der Spannkraft verbunden ist, wobei die Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder die Energieerzeugungsvorrichtung und/oder die Sendeeinheit axial von einer Kugelumlaufstruktur verabstandet angeordnet ist, in der Kugeln des Kugelgewindetriebs laufen. Hieran ist vorteilhaft, dass die äußeren Abmessungen der Gewindespindel denen der herkömmlichen Gewindespindeln entsprechen. Das hat den Vorteil, dass bestehende Werkzeugmaschinen dadurch zu einem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb aufgerüstet werden können, so dass hier lediglich die Gewindespindel ersetzt wird.
Vorzugsweise umfasst der Kugelgewindetrieb zudem einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Doppelmutter. Die Temperatur wird als Zustandsgröße des Kugelgewindebetriebs gemessen und zur Temperaturkompensation anderer Messgrößen eingesetzt. Beispielsweise kann der Spannkraftsensor eine temperaturabhängige Charakteristik aufweisen, so dass die im Formspannkraftsensor gelieferten Sensorwerte anhand der Temperaturdaten korrigiert werden müssen.
Erfindungsgemäß ist zudem eine Werkzeugmaschine mit einem erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb.
Die oben angesprochenen Module, wie Energieerzeugungsvorrichtung, Sendeeinheit, Datenverarbeitungsvorrichtung und der Temperatursensor sind vorzugsweise an der Gewindespindel angeordnet, insbesondere axial seitlich der Kugelumlaufstruktur.
Vorzugsweise umfasst die Gewindespindel einen Beschleunigungssensor und/oder Körperschallsensor, zumindest in einer Beschleunigung der Gewindespindel und/oder eines Körperschallsignals. Um den Verschleißzustand der Maschinenkomponente festzustellen, liegt es daher nahe neben anderen Messgrößen (z. B. Beschleunigung, Temperatur, ...) die Vorspannkraft als eine wesentliche Zustandsgröße direkt zu messen.
Vorzugsweise sind die oben genannten Sensoren, wie Spannkraftsensor, Temperatursensor, Beschleunigungssensor und/oder Körperschallsensor energieautarke Sensoren, die die Daten drahtlos mit einer Empfangsvorrichtung austauschen. Die Empfangsvorrichtung ist an einem Maschinenbett befestigt.
Vorzugsweise sitzen die energieautarken Körperschall- und/oder Beschleunigungssensoren an einem modularen Aufbau. Der modulare Aufbau erfolgt beispielsweise durch die Einheitensensorkommunikation und Energieversorgen in einem oder mehreren separaten Gehäusen.
Durch den modularen Aufbau wird erreicht, dass auch weitere Sensoren für die Zustandsüberwachung am Doppelmutternsystem eingesetzt werden können. Ein solch beschriebener modularer Aufbau ist bisher für den Kugelgewindetrieb unbekannt. Ebenfalls sind der Einsatz von drahtloser Kommunikation zur Übertragung der Messdaten sowie der Einsatz von Energiewandlern für den energieautarken Betrieb im Kugelgewindetrieb bisher unbekannt. Dadurch wird aber erreicht, dass das beschriebene System als universelle Maschinenkomponente überall einsetzbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt
1a eine Gewindespindel für einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb in seiner ersten Ausführungsform
1b eine Gewindespindel gemäß seiner zweiten Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb,
1c ein Energiemodul eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs,
1d eine zweite Ausführungsform eines Energiemoduls,
1e eine dritte Ausführungsform eines Energiemoduls,
2 eine Ausschnitts-Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs,
3 ein Konzeptbild für einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb,
4 einen möglichen Aufbau einer Kraft- und/oder temperatursensorischen Schicht für einen Spannkraftsensor eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs,
5a eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs mit dem Spannkraftsensor,
5b eine dreidimensionale Ansicht einer Flanschmutter einer Gewindespule für einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb,
6a eine Detail-Schnittzeichnung durch eine Gewindespindel,
6b ein Detail aus 6a,
7a eine Zeichnung eines Bolzens mit aufgebrachtem schichtförmigen Spannkraftsensor und
7b einen Bolzen mit einem schichtförmigen Dehnungsmessstreifen.
5a zeigt einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb 10 mit einer Gewindespindel 12 und an einer an der Gewindespindel 12 gelagerten Doppelmutter 14, die eine erste Mutternhälfte 16 und eine zweite Mutternhälfte 18 aufweist. Die erste Mutternhälfte 16 ist über den Kraftfluss der Kugeln und der Spindel 12 mit der Mutternhälfte 18 axial mit Schrauben gegeneinander gezogen, so dass sich eine Vorspannung bildet. Um ein Verdrehen der Mutternhälften gegeneinander zu verhindern, ist ein Arretierelement wie ein Stift vorhanden. Zwischen den Mutternhälften 16, 18 ist ein Spannkraftsensor 20 angeordnet, mittels dem die Vorspannkraft F_ax wie im Folgenden detaillierter beschrieben wird, gemessen werden kann.
1a zeigt die Gewindespindel 12 mit der ersten Mutternhälfte und der zweiten Mutternhälfte 18 sowie einem Elektronikring 22, in dem eine nicht eingezeichnete Datenverarbeitungsvorrichtung aufgenommen ist. Der Elektronikring 22 ist ringförmig aufgebaut und wird von der in 1a nicht eingezeichneten Gewindespindel durchsetzt.
Radial beabstandet von der Gewindespindel ist eine Energieerzeugungsvorrichtung 24 angeordnet, die einen Tauchspulenring 26 und einen Sekundärspulenring 28 umfasst. Im Tauchspulenring 26 ist, in 1a nicht sichtbar, ein Magnet federnd aufgehängt, der dann, wenn die Gewindespindel 12 axial beschleunigt wird, eine Auslenkung relativ zum Sekundärspulenring 28 erfährt. Dadurch wird im Sekundärenspulenring ein Strom induziert, der zur Energieversorgung dient. Eine derartige Energieerzeugungsvorrichtung 24 ist für alle beschriebenen Kugelgewindetriebe möglich, nicht nur für die vorliegende Ausführungsform. In der vorliegenden Ausführungsform wird der elektrische Strom vom Sekundärspulenring 28 an den Elektronikring 22 geleitet.
1b zeigt eine alternative Ausführungsform von Komponenten eines erfindungsgemäßen Kugelgewindebetrieb mit der Gewindespindel 12, wobei die Energieerzeugungsvorrichtung 24 sowie eine Tauchspule und eine Sekundärspule in einem einheitlichen Energieerzeugungsring zusammengefasst sind, der ein Modul bildet.
1c zeigt einen schematischen Querschnitt durch die Energieerzeugungsvorrichtung 24. Es ist zu erkennen, dass ein Magnet 38 zwischen Federn 40.1, 40.2 befestigt ist und zwischen einer Tauchspule 42.1 und einer zweiten Tauchspule 42.2 angeordnet ist. Schwingt der Magnet 38 in den Tauchspulen 42, so wird dort ein elektrischer Strom generiert, der zur Stromversorgung der Komponenten des Kugelgewindetriebs dient.
1d zeigt eine alternative Energieerzeugungsvorrichtung 24, die einen Generator 44 aufweist, der über ein Laufrad 46 mit der Gewindespindel 12 in Verbindung steht. Sobald sich die Gewindespindel 12 dreht, wird der Generator 44 in Bewegung versetzt und erzeugt somit elektrischen Strom.
1e zeigt eine weitere alternative Energieerzeugungsvorrichtung 24 mit einer Mehrzahl von Piezoelementen 48.1, 48.2, 48.3, ..., die als Folie ausgebildet sind und auf eine Trägerstruktur 50 aufgebracht worden sind. Eine Seite der Trägerstruktur 50 ist an der Gewindespindel 12 oder einer Maschinenkomponente einer Werkzeugmaschine befestigt, an der der Kugelgewindetrieb 10 vorgesehen ist. Vibriert die Gewindespindel 12 gegenüber den Komponenten der Werkzeugmaschine so versetzt das die Trägerstruktur 50 in Schwingungen, woraufhin die Piezoelemente 48.1, 48.2, 48.7 periodisch gelenkt und verkürzt werden und daher einen elektrischen Wechselstrom abgeben. Dieser elektrische Wechselstrom wird an elektrische Komponenten des Kugelgewindetriebs weitergeleitet.
2 zeigt einen Querschnitt durch die Gewindespindel 12 gemäß einer alternativen Ausführungsform, bei der der Spannkraftsensor 20 an einem Bolzen 30 ausgebildet ist. Der Bolzen 30 ist in einer Längsbohrung 32, also in einer axial verlaufenden Bohrung, der ersten Mutternhälfte 16 angeordnet, die als Flanschmutter ausgebildet ist. Der Bolzen 30 stößt mit seiner Stirnseite an die zweite Mutternhälfte 18. Über eine Stellschraube 34, die mit einem nicht eingezeichneten Innengewinde der Längsbohrung 32 kämmt, kann der Bolzen 30 mitsamt des Spannkraftsensors 20 auf die zweite Mutternhälfte 18 zugestellt werden, so dass sich die Kraft einstellen lässt. Über einen ersten Kontakt 36.1 und einen zweiten Kontakt 36.2 ist der Spannkraftsensor 30 elektrisch kontaktiert.
3 zeigt einen schematischen Aufbau einer Diagnosevorrichtung 52, die neben dem Spannkraftsensor 20 weitere Sensoren, beispielsweise für Beschleunigung und/oder Körperschall und/oder Temperatur umfassen kann. Diese stehen jeweils in Verbindung mit Signalvorbearbeitungseinheiten 50.1, 44.2, ..., die über ein Bussystem 56 die entsprechenden Messdaten an eine Datenverarbeitungsvorrichtung 58, beispielsweise in Form eines Mikrocontrollers senden. Über eine Sendeeinheit 60 werden die Messdaten an eine Empfangseinheit 62, beispielsweise in Form einer Werkzeugsteuerung oder eines externen Rechners weitergeleitet.
4 zeigt eine Kraftmessschicht 64, die Teil eines Spannkraftsensors ist. Die Kraftmessschicht 64 ist auf Basis von Dünnschichttechnik hergestellt. Zusammen mit der signalvorverarbeitenden Elektronik bilden die Kraftmessschicht bzw. die Kraftmessschichten ein Kraftsensormodul. Der Aufbau des Schichtsystems ist dabei beispielsweise der folgende: Eine erste Schicht 66.1 ist eine piezoresistive Sensorschicht und wird direkt auf eine Komponente der Gewindespindel aufgetragen, beispielsweise auf eine der Mutternhälften, den Bolzen oder Ähnliches. Beispielsweise ist die piezoresistive Sensorschicht durch eine amorphe Kohlenstoffschicht, eine Kohlenwasserstoffschicht oder eine mit Metallen dotierte Kohlenwasserstoffschicht gebildet. Die Schichtdicke liegt in der Regel unterhalb von 150 Mikrometern, beispielsweise zwischen 1 und 50 Mikrometern. Eine zweite Schicht 66.2 ist eine dünne Metallschicht, die auf der ersten Schicht 66.1 abgeschieden ist. Die Metallschicht kann beispielsweise aus Chrom oder Titan aufgebaut sein. Diese Schicht dient der Messung von Kräften. Die Schichtdicke liegt in der Regel unter 10 Mikrometern, insbesondere zwischen 0,1 und 1 Mikrometer.
Eine dritte Schicht 66.3 ist eine elektrische Isolations- und Verschleißschutzschicht, die beispielsweise eine dotierte Kohlenwasserstoffschicht sein kann. Möglich sind aber auch Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitridschichten. Die Schichtendicken können nicht im Bereich von 0,5 bis 10 Mikrometern liegen. Durch Belastungen mit einer normal auf die Fläche wirkenden Kraft erfährt die Kraftmessschicht 64 eine Änderung eines elektrischen Widerstands aufgrund ihrer piezoresistiven Eigenschaften. Der Schichtwiderstand der Kraftmessschicht 64 ist proportional zu der wirkenden Kraft. Der elektrische Widerstand wird über eine Signalverarbeitungseinheit erfasst und in ein den elektrischen Widerstand kodierendes Signal umgesetzt.
5a zeigt schematisch den Fall, dass die Kraftmessschicht 64 zwischen den beiden Mutternhälften 16, 18 angeordnet ist. Das Bezugszeichen 73 zeigt einen Passstift.
5b zeigt eine dreidimensionale Ansicht einer Mutternhälfte, die auf einer Stirnseite 68 die Kraftmessschicht 64 aufweist. In der Mutternhälfte 16 ist eine Nut 70 für eine Signalleitung zur Kraftmessschicht 64 eingelassen. Benachbart zur Stirnseite 68, auf der die Kraftmessschicht 64 angebracht ist, ist der Durchmesser der zweiten der Mutternhälfte 16 reduziert, so dass die Kraftmessschicht 64 leichter kontaktierbar ist.
6a zeigt eine Querschnittszeichnung durch einen erfindungsgemäßen Kugelgewindetrieb 10. Es zu erkennen, dass die erste Mutternhälfte 16 und die zweite Mutternhälfte 18 miteinander verbunden sind. Die erste Mutternhälfte 16 ist über den Kraftfluss der Kugeln und der Spindel 12 mit der Mutternhälfte 18 axial mit Schrauben gegeneinander gezogen, so dass sich eine Vorspannung bildet. Um ein Verdrehen der Mutternhälften gegeneinander zu verhindern, ist ein Arretierelement wie ein Stift erforderlich. Zwischen den Mutternhälften 16, 18 ist ein Spannkraftsensor 20 angeordnet, mittels dem die Vorspannkraft F_ax wie im Folgenden detaillierter beschrieben wird, gemessen werden kann.
6b zeigt Kugeln 74.1, 74.2, ..., die in der Gewindespindel 12 und entsprechenden Führungen in der Doppelmutter 14 laufen. Es sind drei Bolzen vorhanden, von denen der erste Bolzen 30.1 gezeigt ist. Dieser hat eine Nenn-Last von 3,5 kN.
7a zeigt eine Detailansicht des Bolzens 30, auf dessen Stirnseite 76 die Kraftmessschicht 64 aufgebracht ist. Die Kontaktierung ist in 7a nicht eingezeichnet.
7b zeigt eine alternative Ausführungsform des Bolzens 30, die eine Verjüngung aufweist, wobei in dem Bereich der Verjüngung eine Dehnungsmessstruktur 78 mit Schichttechnik aufgebracht ist.
Im Folgenden werden bevorzugte Eigenschaften der Erfindung beschrieben. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Gesamtsystem eines energieautarken, sensorischen Kugelgewindetriebs, der aus sog. Hauptmodulen besteht. Die Hauptmodule sind dabei die Sensormodule, bestehend aus Sensorik (Spannkraftsensor, Temperatursensor, Beschleunigungssensor) und signalvorverarbeitender Elektronik. Das Elektronikmodul besteht aus einer signalverarbeitender Elektronik und einer Sendeeinheit zur drahtlosen Informationsübertragung. Das Energiemodul zur Energieversorgung bestehend aus Energieerzeugungsvorrichtung und gegebenenfalls Energiezwischenspeichern und -bereitstellung.
Eine Hauptfunktion des Gesamtsystems ist es beispielsweise, über eine geeignete Signalverarbeitung im Elektronikmodul aufgenommene Messwerte an den Sensormodulen mittels drahtloser Übertragungstechnologie an ein übergeordnetes Leitsystem zu übermitteln. Dabei versorgt sich das System selbst mit Energie aus den Energiemodulen. Die Energiemodule erhalten die Energie durch Wandlung vorhandener Umgebungsenergie in elektrische Nutzenergie. Durch diesen energieautarken Betrieb ist es möglich den sensorischen Kugelgewindetrieb universell, auch in bestehende Maschinen, einzusetzen bzw. zu integrieren und durch die Messwerte auf den aktuellen Zustand des Kugelgewindetriebs, insb. der Detektion der Vorspannung, zurückzuschließen.
Die Hauptmodule des Gesamtsystems bestehen aus unterschiedlichen Lösungsansätzen, die in unterschiedlicher Anzahl miteinander kombiniert werden können. Kraft-, Temperatur-, Beschleunigung-, sowie Körperschallsensorik (Acoustic Emission) sind Lösungsansätze für die Sensormodule. Das Energiemodul besteht aus den Lösungsvarianten piezoelektrischer, induktiver, thermoelektrischer, generatorischer Energiewandlung bzw. berührungsloser Energieübertragung, sowie der jeweiligen Elektronik zur Energiezwischenspeicherung und -bereitstellung. Die drahtlose Informationsübertragung kann auf herkömmlichen Funkstandards oder proprietären Lösungen basieren. Durch den Anschluss bzw. die Integration beliebig weiterer Untermodule ist ein Aufbau des energieautarken, sensorischen Kugelgewindetriebs in unterschiedlichen Variationen möglich. Die jeweilige Variante des energieautarken, sensorischen Kugelgewindetriebs kann vorher für den jeweiligen Einsatzzweck definiert und spezifiziert werden.
Die Anbringung aller Hauptmodule insb. der Sensorik in den unterschiedlichen Varianten erfolgt an der Kugelgewindemutter (insb. am Doppelmutternsystem) des Kugelgewindetriebs. Die Elektronik zur Signal(vor-)verarbeitung und drahtlosen Informationsübertragung (z. B. Funkmodul) werden dabei konstruktiv zusammen auf einer oder mehreren Platinen in einem Elektronikmodul untergebracht. Die Sensoren befinden sich dabei im oder aber außerhalb des Elektronikmoduls. Die Anbringung der Sensoren an der Kugelgewindemutter erfolgt hierbei gemäß dem jeweiligen Einsatzzweck an den interessierenden Wirkstellen. Für den Fall der Anbringung außerhalb findet eine entsprechende Verkabelung mit dem Elektronikmodul über definierte Schnittstellen statt. Die Energieversorgungseinheiten sind ebenfalls in unterschiedlicher Art und Anzahl in einem oder mehreren Energiemodulen untergebracht. Eine Verkabelung zum Elektronikmodul stellt die notwendige Energie für die Elektronik und Sensorik zur Verfügung. Die konstruktiven Ausführungen der Elektronik- und Energiemodule sehen einen Durchlass für die Gewindespindel vor. Ebenso sind Durchlässe für die Anbringung der Elektronik- und Energiemodule an die sog. Flanschmutter vorgesehen. Diese Durchlässe dienen auch dazu, dass die Art und Anzahl der Module beliebig hintereinander angereiht werden können. Die Anbringung der Energieversorgungseinheiten kann aber auch innerhalb des Elektronikmoduls stattfinden. Für diese Ausführungsart ergibt sich eine integrierte Gesamtkomponente.
Die Messkette für den energieautarken, sensorischen Kugelgewindetrieb ist folgendermaßen aufgebaut. In den Kugelgewindetrieb insbesondere in die Kugelgewindemuttern werden Sensoren in unterschiedlicher Art und Anzahl integriert. Für die Signale der Sensoren findet eine Signalvorverarbeitung mit der jeweils funktionsbedingten Elektronik statt. Anschließend werden diese Signale digitalisiert (AD-Wandler) und z. B. in einem Mikrocontroller gesammelt. Bei Verwendung mikrosystemtechnischer Sensoren, die als Ausgangsgröße digitale Messwerte besitzen, muss keine Signalverarbeitung und Digitalisierung der Signale mehr stattfinden. Hierbei können die Messwerte von einem Mikrocontroller direkt über ein Bussystem eingelesen werden. Die Abtastzeit für alle Sensoren ist dabei variabel. Die gesammelten Messwerte werden im Mikrocontroller in einer bestimmten Art und Weise codiert und ggf. zwischengespeichert (z. B. SD-Karte). Das codierte Paket wird anschließend über ein Bussystem an die drahtlose Kommunikationseinheit (Funkmodul) gesendet. Von dort werden die Daten drahtlos an eine überlagerte Einheit weitergesendet. Eine solche Einheit kann z. B. ein PC, Laptop, eine Maschinensteuerung oder ein Überwachungssystem sein. Diese Einheit decodiert das Paket und kann die Messwerte weiterverarbeiten. Im Falle der Integration weiterer unabhängiger, energieautarker Sensoren wie z. B. eines Beschleunigungssensors („Crashsensor”) und Körperschallsensors werden diese Daten direkt an die überlagerte Einheit gesendet und dort weiterverarbeitet.
Die Kraftsensormodule werden dabei in ein Doppelmutternsystem eines Kugelgewindetriebs integriert, um im System wirkende Kräfte, insbesondere die Vorspannkraft der beiden vorgespannten Doppelmuttern, zu detektieren. Durch Überwachung dieser Vorspannkraft kann auf den Verschleißzustand des gesamten Kugelgewindetriebs geschlossen werden. Dafür müssen die Kraftschichten in den Kraftfluss der beiden Mutternhälften integriert werden. Dazu bieten sich die beiden folgenden Lösungsansätze an.
Beim ersten Lösungsansatz erfolgt die Aufbringung der Kraftschichten direkt auf den zueinander zugewandten Stirnflächen des Doppelmutternsystems, insbesondere auf der Stirnfläche der sog. Flanschmutter. Eine ggf. vorhandene Zentrierung für die Mutternhälften muss dafür konstruktiv auf die Gegenmutter verlegt werden. Ferner müssen die Elektroden über den Kantenbereich der Flanschmutter hinaus (auf den Umfang) strukturiert werden, um eine Verkabelung und damit ein Detektieren der Widerstandsänderungen überhaupt erst zu ermöglichen. Dafür muss der Umfang der Flanschmutter geringfügig verringert werden, um ein Abreißen der Kabel bei der Montage der Kugelgewindemutter bzw. des Kugelgewindetriebs in eine Maschine zu verhindern. In einer zusätzlich eingebrachten Nut werden die Signalkabel bis hin zu einer zusätzlichen Bohrung im Flansch verlegt. Durch diese Bohrung werden die Signalkabel zur signalvorverarbeitenden Elektronik und damit zum Elektronikmodul geführt.
Beim zweiten Lösungsansatz erfolgt die Aufbringung der Kraftschichten auf der Stirnseite von Bolzen mit definiertem, über die Länge gleich bleibendem Durchmesser. Die Strukturierung der Elektroden muss auch hier über den Kantenbereich der Bolzen hinaus erfolgen, um ein Abreißen der Kabel bei der Montage zu vermeiden. Die Kraftmessbolzen mit bereits angebrachten Signalleitungen werden nun in definierter Anzahl (z. B. 3 Kraftmessbolzen) in zusätzlich axial eingebrachte Bohrungen in der Flanschmutter eingesetzt. Die Signalleitungen der Kraftmessbolzen werden aus einer radialen Bohrung am Flansch herausgeführt. Beim Einsetzen der Bolzen muss die kraftsensorische Schicht in Richtung der Stirnflächen zeigen. Die Axialbohrungen in der Flanschmutter bestehen dabei aus zwei Abschnitten. Der eine Abschnitt besitzt den gleichen Durchmesser wie die Kraftmessbolzen, der zweite Abschnitt zeigt eine Verjüngung und einen Gewindegang auf. In den zweiten Abschnitt werden von außen Gewindestifte eingeschraubt. Diese Gewindestifte dienen dazu, die Kraftmessbolzen nach der Vormontage der beiden Mutternhälften gegen die Stirnfläche zu verspannen und damit die geforderte Vorspannung des Doppelmutternsystems endgültig einzustellen und zu messen.
Neben kraftsensorischen Schichten können für das Sensormodul auch Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Gemäß dem zweiten Lösungsansatz für die kraftsensorischen Schichten können hier auch Bolzen mit aufgebrachten Dehnungsmessstreifen in axiale Bohrungen eingesetzt werden. Diese Bolzen haben an den beiden Enden definierte Durchmesser entsprechend der axialen Bohrungen, in der Mitte jedoch eine Verjüngung des Durchmessers, in der die Dehnungsmessstreifen aufgebracht werden. Die Messstreifen messen die Dehnung in der Anbringungsstelle, welche proportional zur Vorspannkraft des Doppelmutternsystems ist. Gewindestifte dienen auch hier für die endgültige Einstellung der Vorspannung der Doppelmuttern. Die Signalkabel werden ebenfalls über radiale Bohrungen am Flansch hinausgeführt zur signalvorverarbeitenden Elektronik.
Für das Sensormodul Temperatur kommen neben herkömmlichen Temperatursensoren mit analogem oder digitalem Ausgang auch die bereits beschriebenen dünnfilmtechnischen Sensorschichten in Frage. Diese müssen aber dann unbelastet sein, d. h. diese dürfen nicht im Kraftfluss liegen. Zur Temperaturmessung werden dafür aber die thermoresistiven Eigenschaften der Schicht genutzt. Der prinzipielle Aufbau der Schichten ist wie bereits oben beschrieben der Gleiche. Eine ähnliche signalvorverarbeitende Elektronik wandelt auch hierbei die thermisch bedingten Widerstandsänderungen in elektrisch nutzbare Signale um, welche anschließend weiterverarbeitet werden können. Diese unbelasteten Temperaturschichten können gemäß den oben genannten Lösungsansätzen für die Kraftschichten in den Kugelgewindetrieb integriert werden. Dafür ist es aber notwendig, durch Vertiefungen oder Aussparungen an den Stirnflächen bzw. Bolzen, oder durch seitliche Anbringung o. ä. diese Schichten nicht in den Kraftfluss zu bringen. Somit können neben der direkten Temperaturmessung in der Kugelgewindemutter die Signale der Kraftschichten oder Dehnungsmessstreifen temperaturkompensiert werden. Eine Anbringung dieser Temperaturschichten oder der anderen Temperatursensoren an anderen Stellen der Kugelgewindemutter ist ebenfalls möglich.
In das Gesamtsystem des energieautarken, sensorischen Kugelgewindetriebs können Körperschallsensoren eingesetzt werden. Diese werden entweder als weitere Sensormodule oder als unabhängige energieautarke Sensoren in das Gesamtsystem integriert.
In beiden Fällen befindet sich ein Sensorelement (meist ein piezoelektrisches Material) in einem separaten Sensorgehäuse. Das Sensorelement ist dort mechanisch fixiert und elektrisch mit der signalvorverarbeitenden Elektronik verbunden, welche sich ebenfalls in dem Gehäuse befindet. Dieses Sensormodul kann direkt mit dem Elektronikmodul und der Energieversorgung verbunden sein. Im Falle der Integration eines energieautarken Körperschallsensors werden die signalverarbeitende Elektronik und die Einheit zur drahtlosen Informationsübertragung mit in das Sensorgehäuse integriert. Die Signale werden von dort direkt drahtlos an das übergeordnete Leitsystem gesendet. Das Leitsystem übernimmt die Kommunikation sowie die weitere Verarbeitung (z. B. Bündelung aller drahtlos übermittelten Signale). Die Energieversorgung des Sensors kann dabei durch unterschiedliche Prinzipien modular erfolgen (induktiv, piezoelektrisch, berührungslos, Batterie, ...). Die Energieversorgungseinheit kann dabei ebenfalls mit im Sensorgehäuse integriert sein, oder aber sich in einem separaten Gehäuse außerhalb befinden. In diesem Fall findet die Energieversorgung über ein Kabel statt. Die Anbringung des Körperschallsensors erfolgt am Doppelmutternsystem. Der energieautarke Körperschallsensor kann durch seine Flexibilität ebenso in vielen anderen Maschinen und -komponenten eingesetzt werden.
Für das Sensormodul Beschleunigung werden mikrosystemtechnische Beschleunigungssensoren mit analogem oder digitalem Ausgang als Sensormodule bzw. als energieautarke Beschleunigungsensoren in das Gesamtsystem integriert. Unter Verwendung mikrosystemtechnischer Beschleunigungssensoren mit der ggf. notwendigen signalvorverarbeitenden Elektronik wird das Sensormodul Beschleunigung gebildet. Die Signale werden dem Elektronikmodul zur weiteren Verarbeitung zugeführt. Die Sensoren werden am Doppelmutternsystem angebracht (z. B. Kleben). Im Falle der Integration energieautarker Beschleunigungssensoren im Gesamtsystem erfolgen die konstruktive Ausführung, der Aufbau der Elektronik, sowie die Messkette insb. der drahtlosen Informationsübertragung sowie die Integration der Komponenten in ein oder mehrere Gehäuse gemäß den bereits beschriebenen Ausführungen des energieautarken Körperschallsensors. Die Flexibilität erlaubt ebenso die Anbringung in weiteren Maschinenkomponenten.
Die Energieversorgung der Elektronik und Sensorik im Gesamtsystem des energieautarken sensorischen Kugelgewindetriebs erfolgt durch Energiemodule. Diese basieren dabei auf unterschiedlichen Prinzipien zur Energieversorgung. Im Wesentlichen besitzen alle Energiemodule die Funktionen Energiewandlung, Zwischenspeicherung (bzw. -pufferung) und Energiebereitstellung. Die Aufgabe der Energiewandlung ist es, Energie aus der Umgebung des Kugelgewindetriebs einzusammeln und in nutzbare, elektrische Energie umzuwandeln. Umgebungsenergie liegt im Betrieb des Kugelgewindetriebs insbesondere in Form von Bewegungsenergie (u. a. Vibrationen und Rotation) und durch Wälzkörperreibung hervorgerufene Wärme vor. Zur Wandlung dieser Umgebungsenergie werden unterschiedliche Wandlungsprinzipien verwendet. Die Zwischenspeicherung sammelt und speichert diese umgewandelte Energie in Energiespeichern zwischen (z. B. in Kondensatoren, Akkumulatoren, ...). Die Energiebereitstellung bedient sich dieser zwischengespeicherten Energie und stellt diese für die Sensoren und Elektronik an definierten Schnittstellen über Kabel bereit. Die Funktionen Speicherung und Bereitstellung der Energie werden dabei durch Elektronik realisiert (z. B. Spannungsregler, ...). Die Ausführung der beiden Funktionen richtet sich dabei nach dem genutzten Energiewandlungsprinzip. Die Elektronik wird auf Platinen zusammengefasst und konstruktiv zusammen mit der Energiewandlung in einer Einheit untergebracht. Diese Einheit ist das Energiemodul, welches, wie bereits weiter oben beschrieben, konstruktiv ausgeführt wird.
Das thermoelektrische Energiemodul kann die durch Wälzkörperreibung erzeugte Wärmenergie durch Wandlung über sog. Peltier-Elemente nutzen. Diese Elemente wandeln durch den Peltier-Effekt einen Wärmestrom (und damit Wärmeenergie) in elektrische Nutzenergie. Dazu wird über eine geeignete Anordnung von Kühlkörpern (radial oder axial) die Wärmeenergie an die Umgebung abgeführt. Dadurch wird ein hoher Temperaturgradient erzeugt, welcher für eine höhere Energiewandlung und damit einen höheren Wirkungsgrad steht. Diese Energie wird in einer entsprechenden Elektronik zwischengespeichert und der Sensorik bereitgestellt. Die konstruktive Anbringung der Kühlkörper erfolgt zusammen mit der Elektronik im thermoelektrischen Energiemodul. Die Anzahl der zu verwendenden Peltier-Elemente und Kühlkörper ist dabei variabel. Die Anbringung der Peltier-Elemente erfolgt nahe den Wirkstellen an der Kugelgewindemutter. Diese sind meist nahe dem Innenradius an den äußeren Stirnflächen der Kugelgewindemutter anzusehen, können aber je nach Bauform der Kugelgewindemutter auch nach außen hin verändert werden.
Das elektromagnetische Energiemodul kann ausgebildet sein, um elektromagnetische Energie in elektrisch nutzbare Energie zu wandeln. Die elektromagnetische Energie wird durch sog. Primärspulen übertragen. Dabei wird eine Schwingung in einem definierten elektrischen Schwingkreis durch eine entsprechend ausgelegte Elektronik mit angeschlossener Primärspule und Kondensator erzeugt. Ein entsprechend auf die Schwingfrequenz der Primärseite abgestimmter Sekundärschwingkreis mit Spule und Kondensator wird dadurch zum Schwingen angeregt. Die Energie wird berührungslos übertragen. Eine nachgelagerte Elektronik auf der Sekundärseite (u. a. Gleichrichtung, Spannungsregelung, ...) wandelt diese Energie in elektrische Nutzenergie und speichert diese zwischen.
Die berührungslose Energieübertragung findet dabei kontinuierlich oder stationär statt. In beiden Fällen wird das elektromagnetische Energiemodul durch die Sekundärspule und die Elektronik definiert. Die Sekundärspule befindet sich dabei aufgrund metallischer Abschirmung außerhalb, die Elektronik innerhalb des Gehäuses des Energiemoduls.
Die Anordnung der Primärspulen für eine kontinuierliche Energieübertragung richtet sich je nach Anwendungsfall an den möglichen Einbauraum des Kugelgewindetriebes in der jeweiligen Maschine. Dabei wird in allen Fällen die variable Anzahl von Primärschleifen parallel zur Achse des Kugelgewindetriebs verlegt, um über die gesamte Achslänge eine gleichmäßige Verteilung zu erzielen. Die Anbringungshöhe an das jeweilige Maschinengestell ist dabei für eine möglichst nahe Anbringung an den Kugelgewindetrieb, sowie die geometrischen Randbedingungen des Gestells auszurichten. Dabei befinden sich mindestens eine hinführende Primärleitung auf der einen und eine weitere, rückführende Leitung auf der anderen Seite der Achse. Vielversprechender ist jedoch die Anbringung von je einer Primärschleife auf beiden Seiten der Achse. Dadurch wird die elektromagnetische Energie gerichtet durch den Raum geführt, in dem sich genau die Achse des Kugelgewindetriebs befindet. Damit ist eine Energieübertragung sichergestellt. Die Sekundärspule ist konstruktiv als Ring- oder Spiralspule ausgeführt. Die Anordnung kann dabei radial oder axial sein bezogen auf die Kugelgewindespindel und richtet sich dabei an die Anordnung der Primärschleifen. Zur Verstärkung des Effektes werden zusätzlich Ferritkerne innerhalb der Spulen eingesetzt. Die Kabelenden der Sekundärspule sind mit der Elektronik verbunden.
Für eine stationäre Energieübertragung wird die Primärschleife an einer Lagerseite der Vorschubachse angeordnet. Dabei wird wegen des prinzipbedingten Einbaus meist das Festlager verwendet, da dann die Kugelgewindemutter festlagerseitig zugänglich ist. Ferner wird die Primärschleife ringförmig um Ferritkerne gewickelt. Der Durchmesser richtet sich dabei an die jeweilige Einbausituation. Die Sekundärspule wird dabei ebenfalls ringförmig ausgeführt. Dabei richtet sich der Durchmesser an die Primärseite. Entweder ist der Durchmesser der Gleiche wie die Primärspule oder die Sekundärseite ist stabförmig ausgeführt. In diesem Fall wird für die Energieübertragung die stabförmige Sekundärseite an der Kugelgewindemutter in die Bohrung der ringförmigen Primärspule am Lager hineingefahren. Im anderen Fall stehen sich die Stirnseiten der beiden Spulen gleichen Durchmessers gegenüber. Die stationäre Energieübertragung findet dann in einer Position während des Werkzeugwechsels o. ä. statt.
Die oben genannten Module können Teil des erfindungsgemäßen Kugelgewindetriebs sein, das ist aber nicht notwendig. Insbesondere ist es möglich, dass die Energieerzeugungsvorrichtung eine, zwei oder mehrere der Möglichkeiten zur Energieerzeugung nutzt.
Bezugszeichenliste

10: Kugelgewindetrieb
12: Gewindespindel
14: Doppelmutter
16: erste Mutternhälfte
18: zweite Mutternhälfte
20: Spannkraftsensor
22: Elektrovorrichtung
24: Energieerzeugungsvorrichtung
26: Tauchspulenring
28: Sekundärspulenring
30: Bolzen
32: Längsbohrung
34: Stellschraube
36: Kontakt
38: Magnet
40: Feder
42: Tauchspule
44: Generator
46: Laufrad
48: Piezoelemente
50: Trägerstruktur
52: Diagnosevorrichtung
54: Signalvorverarbeitungseinheit
56: Bussystem
58: Datenverarbeitungsvorrichtung
60: Sendeeinheit
62: Empfangseinheit
64: Kraftmessschicht
66: Dreischichtsystem
68: Stirnseite
70: Nut
71: Passfeder
73: Passstift
74: Kugel
76: Stirnseite ex, 2-fach
78: Dehnungsmessstruktur
F_ax: Vorspannkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3900121 A1 [0006]

Claims

Kugelgewindetrieb (10) mit (a) einer Gewindespindel (12), (b) einer an der Gewindespindel (12) gelagerten Doppelmutter (14), die eine erste Mutternhälfte (16) und eine zweite Mutternhälfte (18) umfasst, die gegeneinander mit einer Vorspannkraft (F_ax) beaufschlagbar sind, und (c) eine manuell einstellbare Zustellvorrichtung, mittels der die Vorspannkraft (F_ax) einstellbar ist, gekennzeichnet durch (d) mindestens einem elektrischen Spannkraftsensor (20) zum Erfassen der Vorspannkraft (F_ax).
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zustellvorrichtung arretierbar ist.
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannkraftsensoren (20) Kraftmessschichten (64) oder Dehnungsmessstreifen aufweisen.
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest drei Bolzen (30), die in der ersten Mutternhälfte (16) aufgenommen und auf die zweite Mutternhälfte (18) manuell zustellbar sind, so dass durch Zustellen der Bolzen (30) auf die zweite Mutternhälfte (18) die Vorspannkraft (F_ax) aufbringbar ist.
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (12) eine Energieerzeugungsvorrichtung (24) zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer Umgebung der Gewindespindel (12) umfasst.
Kugelgewindetrieb (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieerzeugungsvorrichtung (24) eingerichtet ist zum Erzeugen von elektrischer Energie aus einer Änderung eines Bewegungszustand der Gewindespindel (12) und/oder einer Temperaturdifferenz zur Umgebung und/oder aus berührungsloser/induktiver Energieübertragung.
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (12) eine Sendeeinheit (60) zum Senden eines Funksignals, das eine Information über die Vorspannkraft (F_ax) kodiert, umfasst.
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindespindel (12) eine Datenverarbeitungsvorrichtung (58), die mit dem zumindest einen Spannkraftsensor (20) zum Ermitteln der Spannkraft verbunden ist, umfasst.
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung (58) und/oder die Energieerzeugungsvorrichtung (24) und/oder die Sendeeinheit (60) axial von einer Kugelumlaufstruktur beabstandet angeordnet ist.
Kugelgewindetrieb (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur der Doppelmutter (14).