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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überprüfung einer Werkzeugmaschine sowie eine entsprechende Werkzeugmaschine.
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Stand der Technik
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Mittels Werkzeugmaschinen können Werkstücke bearbeitet werden. Die Werkzeugmaschine weist zu diesem Zweck eines oder mehrere Werkzeuge auf. Ein derartiges Werkzeug ist beispielsweise ein Schraubwerkzeug, um einen Schraubprozess bzw. einen Schraubmontageprozess durchzuführen. Derartige Werkzeuge weisen Abtriebselemente wie beispielsweise Spindeln bzw. Schraubspindeln oder Winkelköpfe auf.
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Um zu überprüfen, ob ein Abtriebselement einer Werkzeugmaschine korrekt funktioniert, kann das Abtriebselement an einem Prüfstand vermessen und geprüft werden. Zumeist ist eine derartige Überprüfung an einem Prüfstand jedoch kostenintensiv und umständlich, da das Abtriebselement gegebenenfalls ausgebaut werden muss.
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Die Druckschrift
DE 43 16 817 A1 offenbart ein Verfahren zur Betriebsüberwachung des dynamischen Belastungs- und/oder Verschleißzustandes eines Getriebes und eine Einrichtung zu seiner Durchführung.
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Es ist daher wünschenswert, eine Möglichkeit bereitzustellen, um ein Abtriebselement einer Werkzeugmaschine auf einfache und unkomplizierte Weise zu überprüfen.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden ein Verfahren zur Überprüfung einer Werkzeugmaschine und eine entsprechende Werkzeugmaschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Mittels eines Werkzeugs der Werkzeugmaschine kann ein Werkstück bearbeitet werden. Im Zuge dieser Bearbeitung wird insbesondere ein Schraubprozess bzw. ein Schraubmontageprozess durchgeführt. Das Werkzeug weist einen Abtrieb mit einem Abtriebselement auf. Dieses Abtriebselement ist vorzugsweise als eine Welle, ein Getriebe, eine Spindel und/oder ein Winkelkopf ausgebildet.
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Dieses Abtriebselement führt insbesondere eine Drehbewegung aus. Mittels dieser Drehbewegung wird insbesondere eine Kraftübertragung ermöglicht. Die Werkzeugmaschine umfasst insbesondere einen zweckmäßigen Antrieb, beispielsweise einen Motor. Mittels des Abtriebselements wird insbesondere eine von dem Antrieb erzeugte Kraft auf das Werkstück übertragen.
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Die Werkzeugmaschine weist wenigstens zwei Sensoren auf. Jeder dieser unterschiedlichen Sensoren bestimmt jeweils sowohl Messwerte für einen Drehwinkel als auch Messwerte für ein Drehmoment des Abtriebselements. Somit wird eine Vielzahl von Messwerten für den Drehwinkel und eine Vielzahl von Messwerten für das Drehmoment bestimmt. Diese Sensoren sind jeweils bevorzugt als Messwertgeber ausgebildet.
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Die Messwerte dieser wenigstens zwei Sensoren werden jeweils an in Drehmomentübertragungsrichtung unterschiedlichen Höhen des Abtriebselements bestimmt. Als Drehmomentübertragungsrichtung ist dabei diejenige Richtung zu verstehen, entlang welcher ein von dem Antrieb bereitgestelltes Drehmoment über das Abtriebselement auf das Werkstück übertragen wird. Insbesondere verläuft diese Drehmomentübertragungsrichtung entlang einer Drehachse des Abtriebselements. Unterschiedliche Höhen kennzeichnen unterschiedliche axiale Abstände von einem antriebsseitigen Ende des Abtriebselements.
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Insbesondere ist (wenigstens) ein erster Sensor der Werkzeugmaschine antriebsseitig an dem Abtriebselement angeordnet und (wenigstens) ein zweiter Sensor werkstückseitig. Eine erste Höhe des Abtriebselements ist demgemäß eine antriebsseitige Position an dem Abtriebselement, eine zweite Höhe des Abtriebselements ist eine werkstückseitige Position an dem Abtriebselement.
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Mittels dieses ersten Sensors werden insbesondere erste Messwerte für ein Eingangs-Drehmoment und einen Eingangs-Drehwinkel des Abtriebselements bestimmt. Dieses Eingangs-Drehmoment und dieser Eingangs-Drehwinkel werden von dem Antrieb erzeugt und an das Abtriebselement übertragen. Mittels des zweiten Sensors werden insbesondere zweite Messwerte für ein Ausgangs-Drehmoment und einen Ausgangs-Drehwinkel bestimmt. Mittels dieser Drehbewegung erfolgt die Kraftübertragung auf das Werkstück.
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Diese Vielzahl von Messwerten wird für die Überprüfung der Werkzeugmaschine verwendet. Aus diesen Messwerten werden eine Welligkeit und/oder ein Wirkungsgrad des Abtriebselements bestimmt. Mittels der Welligkeit kann eine Abweichung einer tatsächlichen Oberflächenstruktur bzw. Oberflächenbeschaffenheit des Abtriebselements von einer theoretischen Oberflächenstruktur bzw. Oberflächenbeschaffenheit bestimmt werden. Der Wirkungsgrad beschreibt insbesondere, mit welcher Effizienz das Abtriebselement die von dem Antrieb erzeugte Kraft überträgt.
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Im Zuge einer Überprüfung der Werkzeugmaschine wird bevorzugt überprüft, ob die bestimmte Welligkeit und/oder ob der bestimmte Wirkungsgrad jeweils einen Schwellwert erreichen. Insbesondere wenn diese Schwellwerte nicht erreicht werden, funktionieren das Abtriebselement und die Werkzeugmaschine fehlerfrei. Wenn einer dieser Schwellwerte oder wenn beide Schwellwerte erreicht werden, deutet dies insbesondere auf einen Fehler bzw. Defekt des Abtriebselements und/oder auf eine Abnutzung des Abtriebselements hin.
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Vorteile der Erfindung
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Durch die Erfindung kann das Abtriebselement der Werkzeugmaschine auf einfache und unkomplizierte Weise insbesondere während des laufenden Betriebs der Werkzeugmaschine überprüft werden. Da die Messwerte durch wenigstens zwei Sensoren bzw. Messwertgeber an in Drehmomentübertragungsrichtung unterschiedlichen Höhen des Abtriebselements bestimmt werden, können der Wirkungsgrad und die Welligkeit des Abtriebselements besonders präzise bestimmt werden.
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Der Wirkungsgrad wird insbesondere als eine Differenz zwischen den ersten Messwerten des ersten (antriebsseitig angeordneten) Sensors und den zweiten Messwerten des zweiten (werkstückseitig angeordneten) Sensors bestimmt. Da die ersten Messwerte das von dem Antrieb bereitgestellte Drehmoment bzw. den von dem Antrieb bereitgestellten Drehwinkel charakterisieren und die zweiten Messwerte das Drehmoment und den Drehwinkel charakterisieren, mit welchen das Abtriebselement das Werkstück bearbeitet, kann der Wirkungsgrad des Abtriebselements besonders einfach und präzise bestimmt werden. Die Welligkeit lässt sich besonders einfach anhand des Verlaufs des Ausgangsdrehmoments über dem Ausgangsdrehwinkel beurteilen.
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Durch die erfindungsgemäße Überprüfung können Fehler, Defekte und/oder Abnutzungserscheinungen des Abtriebselements frühzeitig und präzise erkannt und kompensiert werden. Somit kann eine Genauigkeit und Präzision der Bearbeitung des Werkstücks erhöht werden. Weiterhin kann verhindert werden, dass das Werkstück fehlerhaft bearbeitet wird und dass es zu Fehlern in dem bearbeiteten Werkstück kommt.
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Die Erfindung eignet sich für Werkzeugmaschinen in sämtlichen Anwendungsgebieten. Beispielsweise kann die Werkzeugmaschine als Handarbeitsplatz ausgebildet sein. Die Werkzeugmaschine kann auch in eine Anlage implementiert sein. Die Erfindung bietet sich auch für die Verwendung in der Automobilindustrie an. Die Werkzeugmaschine kann dabei beispielsweise in eine (Band-) Anlage zur Herstellung eines Automobils oder zur Herstellung von Komponenten eines Automobils (z.B. Verbrennungsmotoren oder Steuergeräte) implementiert sein.
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Vorteilhafterweise wird die Überprüfung der Werkzeugmaschine im Zuge eines regulären Betriebs der Werkzeugmaschine durchgeführt. Die Überprüfung wird somit nicht an einem Prüfstand durchgeführt. Insbesondere ist es nicht notwendig, das Abtriebselement oder andere Elemente der Werkzeugmaschine auszubauen. Weiterhin muss die Werkzeugmaschine nicht außer Betrieb genommen werden, um die Überprüfung durchzuführen. Die Überprüfung wird insbesondere durchgeführt, während mit der Werkzeugmaschine im Zuge des regulären Betriebs Werkstücke bearbeitet werden. Messwerte für Drehwinkel und Drehmoment werden mittels der Sensoren zumeist ohnehin im Zuge des regulären Betriebs der Werkzeugmaschine bestimmt. Somit werden Welligkeit und/oder Wirkungsgrad aus diesen bestimmten Messwerten im Zuge des regulären Betriebs bestimmt und überprüft.
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Vorzugsweise wird aus den bestimmten Messwerten für Drehwinkel und Drehmoment eine Schraubkure bestimmt. Diese Schraubkurve ist eine Funktion des Drehmoments in Abhängigkeit von dem Drehwinkel, wie beispielsweise in der
EP 0 559 937 A1 gezeigt. Mittels dieser bestimmten Schraubkurve werden die Welligkeit und/oder der Wirkungsgrad des Abtriebselements bestimmt. Vorzugsweise wird diese Schraubkurve ohnehin im Zuge des regulären Betriebs der Werkzeugmaschine bestimmt. Aus der Schraubkurve kann der Wirkungsgrad als Differenz zwischen den Messwerten des ersten Sensors und den Messwerten des zweiten Sensors besonders einfach bestimmt werden. Aus der Schraubkurve kann die Welligkeit insbesondere in einem Bereich im Wesentlichen mittlerer konstanter Steigung der Schraubkurve ermittelt werden, insbesondere als Abweichung des tatsächlichen Drehmoments von dem sich aus der mittleren konstanten Steigung ergebenden Drehmoment.
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Bevorzugt wird eine Maschinenfähigkeitsuntersuchung (MFU) des Abtriebselements durchgeführt. Insbesondere wird dabei eine bestimmte Anzahl an Bearbeitungsprozessen eines oder mehrerer Werkstücke mittels der Werkzeugmaschine durchgeführt. Im Zuge dieser unterschiedlichen Bearbeitungsprozesse werden jeweils Welligkeit und/oder Wirkungsgrad des Abtriebselements bestimmt. Diese Anzahl von bestimmten Welligkeiten bzw. Wirkungsgraden wird mittels zweckmäßiger statistischer Methoden ausgewertet. Dabei werden insbesondere eine statistische Verteilung der bestimmten Welligkeiten bzw. Wirkungsgraden bestimmt. Weiter insbesondere werden eine Streuung sowie eine Standardabweichung der bestimmten Welligkeiten bzw. Wirkungsgraden bestimmt. Mittels dieser Streuung bzw. Standardabweichung kann eine Maschinenfähigkeit der des Abtriebselements bzw. der Werkzeugmaschine bestimmt werden. Diese Maschinenfähigkeit charakterisiert dabei, mit welcher Stabilität und Reproduzierbarkeit die Werkzeugmaschine Werkstücke bearbeitet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Überprüfung der Werkzeugmaschine in ein Bediensystem zur Steuerung der Werkzeugmaschine implementiert. Das Bediensystem ist insbesondere eine Steuerungssoftware, welche in der Werkzeugmaschine bzw. in einem oder in mehreren Steuergeräten der Werkzeugmaschine installiert ist. Das Bediensystem bzw. diese Steuerungssoftware wird im Zuge des regulären Betriebs der Werkzeugmaschine ausgeführt. Die Überprüfung der Werkzeugmaschine ist dabei insbesondere als eine Softwarekomponente in das Bediensystem implementiert. Die Überprüfung kann dabei insbesondere in festen Zeitabständen oder bei Eintreten bestimmter Kriterien automatisch gestartet und durchgeführt werden.
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Das Bediensystem stellt insbesondere eine Benutzerschnittstelle für eine Mensch-Maschinen-Interaktion bereit. Insbesondere kann die Überprüfung mittels des Bediensystems durch einen Benutzer gesteuert bzw. gestartet werden. Somit kann die Überprüfung nach Bedarf durchgeführt werden.
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Vorteilhafterweise ist das Werkzeug als ein handgeführtes Werkzeug ausgebildet, beispielsweise als ein (handgehaltenes) Schraubwerkzeug. Das Werkzeug ist insbesondere mobil und portabel. Alternativ oder zusätzlich ist das Werkzeug vorteilhafterweise als ein maschinell geführtes Werkzeug ausgebildet. Das Werkzeug ist dabei insbesondere stationär, weiter insbesondere als ein festes Element der Werkzeugmaschine ausgebildet. Das Werkzeug kann durch einen Benutzer oder automatisch oder vollautomatisch bedient werden.
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Bevorzugt werden die Welligkeit und/oder der Wirkungsgrad des Abtriebselements jeweils als ein Mittelwert aus einer bestimmten Anzahl an bestimmten Welligkeiten und/oder Wirkungsgraden bestimmt. Dabei wird insbesondere eine bestimmte Anzahl (insbesondere zehn) an Bearbeitungsprozessen des Werkstücks durchgeführt und jeweils Welligkeit und/oder Wirkungsgrad bestimmt. Somit ergibt sich auch eine entsprechende Anzahl (insbesondere zehn) von einzelnen bestimmten Welligkeiten und/oder Wirkungsgraden. Aus dieser Anzahl von einzelnen Welligkeiten und/oder Wirkungsgraden werden eine Gesamtwelligkeit und/oder ein Gesamtwirkungsgrad als Mittelwert bestimmt.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Werkzeugmaschine, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
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Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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- 1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine.
- 2 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockdiagramm.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Werkzeugmaschine schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. Die Werkzeugmaschine 100 ist in diesem Beispiel als ein Schraubsystem ausgebildet. Das Schraubsystem 100 weist einen handgeführten Schrauber 110 als Werkzeug auf. Der Schrauber 120 weist ein Abtriebselement 111 auf, welches in diesem Beispiel als eine Spindel ausgebildet ist.
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Mittels des Schraubers 110 wird ein Werkstück 130 bearbeitet. In einem regulären Betrieb des Schraubsystems 100 wird dabei im Zuge eines derartigen Bearbeitungsprozesses ein Schraubprozess bzw. ein Schraubmontageprozess durchgeführt. Dabei werden mittels des Schraubers 110 bzw. mittels der Spindel 111 Schraubverbindungen 131 auf dem Werkstück 130 vorgenommen.
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Der Schrauber 110 weist zwei Messwertgeber 112 und 113 als Sensoren auf, mittels welcher jeweils sowohl Messwerte für ein Drehmoment als auch Messwerte für einen Drehwinkel der Spindel 111 bestimmt werden können. Diese Messwerte der Messwertgeber 112 und 113 werden jeweils an in Drehmomentübertragungsrichtung unterschiedlichen Höhen der Spindel 111 bestimmt. Die Drehmomentübertragungsrichtung entspricht in diesem Beispiel der axialen Ausdehnungsrichtung der Spindel in Richtung des Werkstücks 130 und verläuft entlang der Drehachse.
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Ein erster Messwertgeber 112 ist antriebsseitig an der Spindel 111 angeordnet. Mittels des ersten Messwertgebers 112 werden entsprechende Messwerte an einer ersten Höhe der Spindel 111, welche in diesem Beispiel einem antriebsseitigen Ende der Spindel 111 entspricht, bestimmt. Mittels des ersten Messwertgebers 112 werden Messwerte für ein Eingangs-Drehmoment und einen Eingangs-Drehwinkel bestimmt, welche an die Spindel 111 angelegt werden.
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Ein zweiter Messwertgeber 113 ist werkstückseitig an der Spindel 111 angeordnet. Mittels des zweiten Messwertgebers 113 werden entsprechende Messwerte an einer zweiten Höhe der Spindel 111, welche in diesem Beispiel einem werkstückseiteigen Ende der Spindel 111 entspricht, bestimmt. Mittels des zweiten Messwertgebers 113 werden Messwerte für ein Ausgangs-Drehmoment und einen Ausgangs-Drehwinkel bestimmt, mittels welcher die Spindel 111 das Werkstück 130 bearbeitet.
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Der Schrauber 110 ist über eine Kabelverbindung mit einer Werkzeugsteuereinheit 120 verbunden. Die Werkzeugsteuereinheit 120 weist ein Steuergerät 121 (insbesondere eine Recheneinheit mit Computerprogramm) auf, welches das Schraubsystem 100 steuert. Auf dem Steuergerät 121 ist zu diesem Zweck ein Bediensystem implementiert.
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Das Steuergerät 121 und die Schraubsystem 110 sind dazu eingerichtet, eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen. Zu diesem Zweck ist eine entsprechende Softwarekomponente in das Bediensystem implementiert.
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Die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in 2 schematisch als ein Blockdiagramm dargestellt.
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In einem Schritt 201 werden dabei mittels der Messwertgeber 112 und 113 Messwerte sowohl für den Eingangs-Drehwinkel und das Eingangs-Drehmoment als auch für den Ausgangs-Drehwinkel und das Ausgangs-Drehmoment der Spindel 111 im Zuge des regulären Betriebs des Schraubsystems 100 bestimmt, während die Schraubverbindungen 131 auf dem Werkstück 130 vorgenommen werden.
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Mittels dieser Messwerte wird in Schritt 202 eine Schraubkurve als eine Funktion des Drehmoments in Abhängigkeit von dem Drehwinkel bestimmt. In Schritt 203 werden aus dieser Schraubkurve die Welligkeit und der Wirkungsgrad der Spindel 111 bestimmt. Dabei lassen sich eine Welligkeit besonders einfach anhand der Ausgangs-Schraubkurve und der Wirkungsgrad anhand einer Differenz zwischen Eingangs-Drehmoment und Ausgangs-Drehmoment bestimmen. Aus der Ausgangs-Schraubkurve kann ein Maß für die Welligkeit in einem Bereich im Wesentlichen mittlerer konstanter Steigung ermittelt werden, insbesondere als (z.B. maximale oder mittlere) Abweichung des tatsächlichen Ausgangs-Drehmoments von dem sich aus der mittleren konstanten Steigung ergebenden Drehmoment.
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In Schritt 204 wird überprüft, ob hier beispielsweise zehn derartige Welligkeiten und hier beispielsweise zehn Wirkungsgrade auf diese Weise bestimmt wurden. Wenn nicht, werden die Schritte 201 bis 203 wiederholt (angedeutet durch Bezugszeichen 204a).
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Wenn hier beispielsweise zehn derartige Welligkeiten und hier beispielsweise zehn Wirkungsgrade auf diese Weise bestimmt wurden, werden in Schritt 205 eine Gesamtwelligkeit und ein Gesamtwirkungsgrad als Mittelwert aus diesen zehn Welligkeiten bzw. aus diesen zehn Wirkungsgraden bestimmt.
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In Schritt 206 wird überprüft, ob die Gesamtwelligkeit und der Gesamtwirkungsgrad jeweils einen Schwellwert erreichen, insbesondere ob die Gesamtwelligkeit einen Maximalwert überschreitet und ob der Gesamtwirkungsgrad einen Minimalwert unterschreitet. Überschreitet die Gesamtwelligkeit diesen Maximalwert und/oder unterschreitet der Gesamtwirkungsgrad diesen Minimalwert, deutet dies auf einen Fehler der Spindel 111 hin, beispielsweise auf einen Defekt oder auf Abnutzungserscheinungen. Dies wird einem Benutzer insbesondere mittels einer akustischen und/oder visuellen Warnmeldung mitgeteilt. In diesem Fall wird in Schritt 207 eine zweckmäßige Gegenmaßnahme durchgeführt, beispielsweise wird die Spindel 111 durch eine baugleiche neue Spindel ersetzt.
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Wenn weder die Gesamtwelligkeit den Maximalwert überschreitet, noch der Gesamtwirkungsgrad den Minimalwert unterschreitet, wird die Überprüfung gemäß Schritt 206a von neuem bei Schritt 201 begonnen. Insbesondere wird die die Überprüfung dabei nach einem bestimmten Zeitintervall, beispielsweise nach einer Woche oder nach 100 Betriebsstunden des Schraubsystems 100, erneut durchgeführt. Somit wird eine zyklische Überprüfung der Spindel 111 durchgeführt.
