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Die Erfindung betrifft einen Kugelumlaufspindel-Antrieb mit Zustandsüberwachungseinheit. Kugelumlaufspindeln werden bei Werkzeugmaschinen vielfach eingesetzt, um Lasten schnell linear zu bewegen bzw. genau zu positionieren. Dabei wird die Drehbewegung einer motorgetrieben Spindel mittels einer Mutter in eine Linearbewegung z. B. eines Maschinentisches umgesetzt. In der Mutter, werden die Kugeln, die in einer Spiralnut geführt werden, über einen Rücklaufkanal umlaufend zurückgeführt.
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Gegenüber einfachen Gewindespindeln bieten Kugelumlaufspindeln einen höheren Wirkungsgrad. Sie erlauben auch ein genaueres und schnelleres Verfahren.
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Kugelumlaufspindeln müssen trotz hoher Vorschübe und erheblichen dynamischen Lasten eine hohe Präzision bzw. Positioniergenauigkeit gewährleisten.
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Aus der
DE 10 2006 014 051 ist eine Kugelumlaufspindel mit Rücklaufkanal bekannt. Insbesondere bei modernen Werkzeugmaschinen sind die Spindeln und die Muttern hohen Belastungen ausgesetzt, was einen entsprechenden Materialverschleiß zur Folge hat. Insbesondere Beschädigungen der Spiralnut (Kugellaufbahn) wirken sich nachteilig auf die Bearbeitungsgenauigkeit aus. Schwerwiegende Beschädigungen können auch zum Maschinenstillstand führen.
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Infolge der Beschädigung der Kugellaufbahn kann eine Schwergängigkeit entstehen, die den Antrieb überlastet und diesen schädigt. Außerdem wird dadurch oft die Sollposition nur zeitverzögert erreicht, was eine Bahnungenauigkeit in Verbindung mit anderen beteiligten Achsen zur Folge hat. Bei entsprechenden Resonanzbedingungen kann die geschädigte Achse in Schwingung geraten und dadurch den Bearbeitungsprozess stören und die Maschine, oder deren Komponenten schädigen.
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Um dem kostspieligen Ausfall von Werkzeugmaschinen mit Spindel-Antrieben vorzubeugen, ist aus der
US7555953 ein Verfahren zur Zustandserkennung eines Linearantriebes bekannt, bei dem der Körperschall in einer Spindelmutter erfasst und ausgewertet wird. Die Auswertung dieser Körperschallsignale ist sehr aufwendig und oft unzuverlässig, da es sich um eine indirekte Methode zur Fehlererkennung handelt.
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Werkzeugmaschinen erzeugen beim Bearbeitungsprozess von Bauteilen häufig selbst Schwingungen und sind harten Stößen ausgesetzt. Dabei werden Körperschallsignale erzeugt, die die eigentlich interessierenden Köperschallsignale, die Rückschlüsse auf den Zustand der Spindel erlauben, überlagern bzw. vollständig überdecken. Im Normalbetrieb ist deshalb häufig keine Zustandserkennung mittels Körperschall möglich. Zur Zustandserkennung muss der Normalbetrieb durch einen Testbetrieb unterbrochen werden, bei dem keine Werkstückbearbeitung stattfindet darf. Im Testbetrieb wird die Mutter mehrmals hin und hergefahren und die dabei entstehenden Körperschallsignale entsprechend ausgewertet.
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Unter der Bezeichnung Kreisformtest ist ein ebenfalls sehr aufwändiges Verfahren zur Zustandserkennung eines Spindelantriebs bekannt. Werden die Spindeln von starken Motoren angetrieben, wird der Kreisformtest eventuell bestanden obwohl bereits Beschädigungen an der Spindel vorliegen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zustandsüberwachungseinheit für einen Kugelumlaufspindel-Antrieb anzugeben, die insbesondere ohne großen Aufwand bei herkömmlichen Antrieben nachrüstbar ist, die Beschädigungen an der Spindel sicher auch im Normalbetrieb erfasst und die einfach sowie kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, mit einer Testkugel formähnlich zu den Mutterkugeln, Unebenheiten der Spindelnut zu erfassen. Die Testkugel wird dabei mittels einer Halterung in der Spiralnut der Spindel geführt und die Auslenkung (Hub) der Testkugel bzw. der Halterung mit einem Sensor erfasst. Das Messsignal des Sensors wird in der Auswerteeinheit ausgewertet.
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Damit Unebenheiten in der Spiralnut zu einem sicheren Hub der Testkugel führen, steht die Testkugel unter einem gewissen Anpressdruck. Der Anpressdruck wird über die federnd gelagerte Halterung generiert.
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In vorteilhafter Weise ist die Testkugel bei spielfrei verspannten Kugelmuttern etwas größer als die eigentlichen Spindelkugeln, damit diese beidseitig die tatsächliche Lauffläche prüfen können.
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In sehr einfacher und kostengünstiger Weise wird die Bewegung der Halterung von einem induktiven Näherungssensor überwacht, der sein Positionssignal an eine Auswerteeinheit ausgibt. Um auch Fehler in der Spiralnut im Anfangsstadium erkennen zu können, ist es besonders vorteilhaft, eine Fehlstelle insbesondere über statistische Methoden ermitteln zu können. Dabei wird das Messsignal einer Unebenheit (Fehlstelle) beim Hin- und Herfahren der Spindel mehrmals detektiert bzw. ausgewertet. Hierzu wird dem Bewegungssignal eine genaue Ortsinformation hinzugeführt. Die Auswerteeinheit ist deshalb mit der Spindelsteuerung verbunden, damit die Spindelsteuerung die absolute Position der Mutter an die Auswerteeinheit weitergeben kann. In der Auswerteeinheit liegt damit das Messsignal M(x), das dem Bewegungsprofil der Testkugel entspricht, als Funktion des Ortes x vor.
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Tritt beim Überfahren der gleichen Stelle x0 mehrmals eine Messsignaländerung auf, so kann mit hoher Wahrscheinlichkeit auf eine Beschädigung der Nut an dieser Stelle x0 geschlossen werden. Da das Messsignal des Sensors verrauscht sein kann, ist es denkbar über eine Mittelwertbildung ein über dem Rauschen liegendes Fehlersignal zu ermitteln.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandserkennung der Spindel eines Kugelumlaufspindel-Antriebs. Hierbei wird das Auslenkungsprofil (Messsignal) der Testkugel im ursprünglichen Zustand (Sollzustand) z. B. bei der erstmaligen Inbetriebnahme des Kugelumlaufspindel-Antriebs aufgenommen. Im Betrieb wird das Ist-Profil mit dem Soll-Profil verglichen und bei signifikanten Abweichungen ein Warnsignal generiert.
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Die Erfindung erlaubt es Beschädigungen der Spiralnut eines Kugelumlaufspindel-Antriebs sicher und ohne großen Aufwand zu erkennen. Die Erfindung kann bei bestehenden Kugelumlaufspindel-Antriebe ohne große Veränderungen eingesetzt werden, wobei die Überwachungseinheit einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand zweier in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
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Es zeigen;
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1 schematische Darstellung eines Kugelumlaufspindel-Antriebs gemäß Stand der Technik
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2 schematische Darstellung eines Kugelumlaufspindel-Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Überwachungseinheit gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel mit einer Testkugel
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3 Überwachungseinheit gemäß 2 in vergrößerter schematischer Darstellung
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4a, b schematische Darstellung in zwei Ansichten eines Kugelumlaufspindel-Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Überwachungseinheit gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel mit einem Testroller
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5 perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kugelumlaufspindel-Antriebs gemäß 2
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1 zeigt einen Kugelumlaufspindel-Antrieb 100 gemäß dem Stand der Technik. Ein Motor 3 treibt eine Spindel 5 an, in der eine Spiralnut 7 vorgesehen ist. Auf der Spindel 5 sitzt eine Mutter 6, die bei einer Drehung der Spindel 5 l linear verfahren wird. Die Mutter 6 kann als Werkstückträger ausgebildet sein. In der Mutter 6 ist ein Rückführungskanal 9 vorgesehen, in dem die Kugeln 30 eines Kugellagers umlaufend zurückgeführt werden.
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Ein derartiger Kugelumlaufspindel-Antrieb 1 wird typischerweise bei spanenden Werkzeugmaschinen eingesetzt. Die Motorleistung liegt typischerweise bei 250 W–2.5 kW, die Verfahrgeschwindigkeit liegen bei ca. 5 m/s.
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2 zeigt einen Kugelumlaufspindel-Antrieb 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zur 1 ist hier eine Zustandsüberwachungseinheit 10 mit einer Testkugel 12 vorgesehen. Die übrigen Teile sind identisch zu 1 und mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Testkugel 12 weist typischerweise einen Durchmesser von 4–10 mm auf.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Überwachungseinheit in vergrößerter Darstellung. Mittels einer Halterung 14 wird eine Testkugel 12 in der Spiralnut 7 geführt. Die Halterung weist zwei Walzen auf, zwischen denen die Testkugel „gefangen“ ist. Die Halterung 14 ist beweglich gelagert und drückt die Testkugel 12 leicht in die Spiralnut 7. Der Anpressdruck wird durch eine Feder 32 generiert. Im Gehäuse 34 der Zustandsüberwachungseinheit 1 ist ein Sensor 16 fixiert, der den Abstand zur Halterung 14 erfasst.
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Das Ausgangssignal des Sensors 16 wird an eine Auswerteeinheit 20 weitergeleitet, die einen Signalausgang 22 und einen Signaleingang 24 aufweist. Das Gehäuse 34 ist fest an der Mutter 6 fixiert.
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4a bzw. 4b zeigt eine Zustandsüberwachungseinheit mit einem Testroller. Der Testroller 50 ist am vorderen Ende eines beweglichen Arms 52 vorgesehen. Er weist zwei Räder 54 auf, die an den beiden Flanken der Spiralnut 7 anliegen. Ein Sensor 16 detektiert die Bewegung des Arms 52.
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5 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Kugelumlaufspindel-Antriebs gemäß 2. in Schrägansicht, teilweise transparent.
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Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert. Während der Drehung der Spindel 5 rollt die Testkugel 12 in der Spiralnut 7. Ist die Spiralnut 7 unbeschädigt, so folgt die Testkugel der Sollkontur der Spiralnut. An schadhaften Stellen z. B. einer abgeplatzte Hartschicht (Pitting) weicht die tatsächliche Kontur, im folgenden Schadenskontur genannt, von der Sollkontur der Spindel ab. Die Testkugel folgt dieser Schadenskontur, was sich in einer Hubbewegung der Testkugel 12 bemerkbar macht. Die Halterung 14 wird entsprechend der Stärke der Schadenskontur ausgelenkt. Dabei ändert sich der Abstand zwischen der Halterung 14 und dem Sensor 16. Diese Bewegung (z. B. Abstandsänderung/Beschleunigung) wird vom Sensor 16 in ein Messsignal umgewandelt und an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet.
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In der Auswerteeinheit 20 wird das Messsignal ausgewertet und wenn die Schadenskontur von der Sollkontur stärker abweicht ein Warnsignal generiert.
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Entsprechend der Meßgenauigkeit des Sensors 16 können Unebenheiten bis zu 1/100 mm erfasst werden.
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Da die Zustandsüberwachungseinheit 1 fest mit der Mutter 6 verbunden ist, machen sich nur relative Bewegungen zwischen Testkugel und Sensor 16 so gut wie nicht bemerkbar. Deshalb ist die Erfindung unempfindlich gegen Schwingung der Spindel oder des gesamten Antriebs an sich. Damit die Testkugel 12 sicher in der Spiralnut 7 geführt wird, ist eine Feder 32 vorgesehen, die die Halterung 14 in Richtung der Spiralnut 7 drückt.
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Wie aus 3 ersichtlich liegt die Testkugel 12 an den Flanken der Spiralnut 7 an. Deshalb ist der Kugelradius der Testkugel etwas größer als der Radius der umlaufenden Kugeln.
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In einfacher Weise ist der Sensor 16 als induktiver Näherungssensor ausgeführt, der entsprechende Abstandsänderungen detektiert und die als Messsignal an die Auswerteeinheit 20 weitergeleitet werden.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist die Auswerteeinheit mit der Spindelsteuerung verbunden, die das Verfahren der Mutter 6 steuert. Damit können aus den Daten der Steuerung über die aktuelle Position der Mutter 6, dem aktuellen Messsignal M ein Ortswert x auf der Spiralnut 7 zugeordnet werden. In der Auswerteeinheit 20 liegt somit das Messsignal M als Funktion des Ortes x vor d. h. M(x). Die Funktion M(x) gibt im Prinzip die Rauhigkeit der Spiralnut 7 wieder.
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Damit können verschieden Methoden zu Messsignalauswertung herangezogen werden.
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Über statistisch Verfahren kann die Signifikanz einer Unebenheit bestätigt werden.
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Auch ist es möglich der Auswerteeinheit 20 in einem Teach-Verfahren, das Auslenkungsprofil einer unbeschädigten Spiralnut 7 (Sollkontur) als Sollwertfunktion Msoll(x) einzulernen.
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Während des Betriebs des Kugelumlaufspindel-Antriebs 1 kann, das aktuell aufgenommene Auslenkungsprofil Mist(x) als Istwertfunktion kontinuierlich mit der Sollwertfunktion verglichen werden und bei signifikanten Abweichungen wird ein Warnsignal generiert, damit z. B. am Bedienpanel des Kugelumlaufspindel-Antriebe dem Betreiber das Problem signalisiert wird.
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Um längere ungeplante Maschinen-Stillstandszeiten zu vermeiden kann die schadhafte Spindel während einer geeigneten Maschinenstandzeit ausgetauscht werden.
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Sowohl die Bewegung der Testkugel 12, wie auch die Bewegung des Arms 52 des Testrollers 50 kann mit einem analogen Abstandssensor wie z. B. einem induktiven Näherungssensor (Wirbelstromsensor) erfolgen. Alternativ können auch Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Beschleunigungssensoren haben den Vorteil, dass sie frequenzselektiv arbeiten können.
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Weiterhin ist es denkbar, sowohl an der Mutter 6, wie auch an der Halterung bzw. dem Arm 52 ein Beschleunigungssensor vorzusehen. Damit wäre ein Vergleich mit einer Referenzmessung möglich. Schwingungen des gesamten Kugelumlaufspindel-Antriebs können so eliminiert werden. Auch kann durch eine Körperschallanalyse zwischen Spänen in der Spiralnut und tatsächlichen Beschädigungen unterschieden werden. Die Ausertung eines Schwingungssignals ist etwas aufwendiger
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In
6 ist ein Zeit-Beschleunigungs-Diagramm dargestellt. Es sind deutlich 3 Schadstellen bei der helleren Kurve erkennbar. Die dunklere Kurve zeigt als Vergleich die unbeschädigte Spindel. Da die Halterung bzw. der Arm
52 eine sehr geringe Masse aufweisen, können auch geringe Beschädigungen der Spindel detektiert werden. Derartige Beschädigungen könnten mit einem entsprechenden Körperschallsensor, der an der Mutter angebracht wäre, nicht detektiert werden, da die Mutter eine erheblich größere träge Masse aufweist. Bezugszeichenliste
| 1 | Kugelumlaufspindel-Antrieb |
| 3 | Motor |
| 5 | Spindel |
| | |
| 6 | Mutter |
| 6 | Mutter |
| 7 | Spiralnut |
| 9 | Rückführungskanal |
| 10 | Zustandsüberwachungseinheit |
| 12 | Testkugel |
| 14 | Halterung |
| 16 | Sensor |
| 22 | Signalausgang |
| 24 | Signaleingang |
| 34 | Gehäuse |
| 50 | Testroller |
| 54 | Räder |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006014051 [0004]
- US 7555953 [0006]
