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Die Erfindung betrifft eine Positioniervorrichtung für Maschinenelemente oder Anlageteile.
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Derartige werden bei Werkzeugmaschinen vielfach eingesetzt, um z. B. Frästeile schnell linear zu bewegen bzw. genau zu positionieren. Dabei ist ein Linearantrieb vorgesehen, der einen Schlitten z. B. einen Maschinentisch auf einer Führungsschiene linear verfährt. Zur Lagerung des Schlittens dient ein Kugelumlauflager, wobei die Kugeln, über einen im Schlitten vorgesehenen Rücklaufkanal umlaufend zurückgeführt werden. An der Führungsschiene sind in der Regel zwei seitliche Kugelbahnen vorgesehen, die zur Führung der Kugeln des Kugelumlauflagers dienen.
Aufgrund hoher Belastungen bei einzelnen Bearbeitungsschritten z.B. bei CNC Fräsmaschinen können Beschädigungen an den Kugelbahnen nicht ausgeschlossen werden.
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Gegenüber einfachen Kugellager bieten Kugelumlauflager einen höheren Wirkungsgrad. Sie erlauben auch ein genaueres und schnelleres Verfahren.
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Bei Positioniervorrichtungen für Maschinenelemente oder Anlageteile
muss trotz schneller Vorschübe und erheblichen dynamischen Lasten eine hohe Präzision bzw. hohe Positioniergenauigkeit gewährleistet werden. Dabei sind die Kugellager und die Kugelbahnen hohen Belastungen ausgesetzt, was einen entsprechenden Materialverschleiß zur Folge haben kann. Insbesondere Beschädigungen der Kugelbahn wirken sich nachteilig auf die Bearbeitungsgenauigkeit aus. Schwerwiegende Beschädigungen können auch zum Maschinenstillstand führen.
Infolge einer Beschädigung der Kugelbahn kann die Genauigkeit der Werkstückbearbeitung beeinträchtigt werden und außerdem eine Schwergängigkeit entstehen, die den Antrieb überlastet und diesen schädigt. Zusätzlich wird dadurch oft die Sollposition nur zeitverzögert erreicht, was eine Bahnungenauigkeit in Verbindung mit anderen beteiligten Achsen zur Folge hat. Bei entsprechenden Resonanzbedingungen kann eine Beschädigung an einer Kugelbahn, zu Schwingungen des Schlittens führen und dadurch den Bearbeitungsprozess stören und den Linearantrieb oder deren Komponenten schädigen.
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Um dem kostspieligen Ausfall von Werkzeugmaschinen vorzubeugen, ist aus der
US7555953 ein Verfahren zur Zustandserkennung eines Linearantriebes bekannt, bei der der Körperschall am Schlitten erfasst und ausgewertet wird. Die Auswertung dieser Körperschallsignale ist sehr aufwendig und oft unzuverlässig, da es sich um eine indirekte Methode zur Fehlererkennung handelt.
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 Positioniervorrichtung 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 der Schlitten mehrmals hin und her verfahren und die dabei entstehenden Körperschallsignale entsprechend ausgewertet.
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Unter der Bezeichnung Kreisformtest ist ein ebenfalls sehr aufwändiges Verfahren zur Zustandserkennung eines Linearantriebs mit Spindel 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 Positioniervorrichtung für Maschinenelemente oder Anlageteile mit einer Zustandsüberwachungseinrichtung anzugeben, die insbesondere ohne großen Aufwand bei herkömmlichen Positioniervorrichten nachrüstbar ist, die Beschädigungen an der Kugelbahn sicher auch im Normalbetrieb erfasst, die hohe Momentbelastungen des Schlittens rechtzeitig erkennt 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, Unebenheiten in der Kugelbahn mit einer Zustandsüberwachungseinrichtung kontinuierlich während der Schlittenbewegung zu erfassen.
Die Zustandsüberwachungseinrichtung kann die Kugelbahn taktil oder berührungslos abtasten.
Bei einer taktilen Abtastung mit einer Tastspitze wird die Auslenkung eines beweglichen Messarms mit einem Wandler z.B. über Dehnungsmessstreifen oder Piezoelemente erfasst.
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Die Messsignale werden an einer Auswerteeinheit weitergeben und dort ausgewertet.
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Um auch Fehler in der Kugelbahn 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 des Schlittens mehrmals ausgewertet.
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Nachfolgen ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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1 zeigt eine auf eine herkömmliche Positioniervorrichtung für Maschinenelemente oder Anlagenteile in Schrägansicht. Die Positioniervorrichtung weit ein Führungselement (Führungsschiene) und einen auf der Führungsschiene linear verfahrbaren Schlitten (Führungswagen) auf.
Der Schlitten ist über ein Kugellager, das hier als Kugelumlauflager ausgebildet ist, gelagert. Die Kugeln des Kugelumlauflagers werden in einer an der Führungsschiene vorgesehenen Kugelbahn geführt.
Der zur Verschiebung des Schlittens erforderliche Linearantrieb ist in der Zeichnung nicht dargestellt. Es kann sich hier z. B. um einen Riemenantrieb handeln. Eine Steuereinheit steuert den Linearantrieb entsprechend dem zu bearbeitenden Werkstück an.
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2 zeigt eine Aufsicht auf eine erfindungsgemäße Positioniereinrichtung von der Unterseite des Führungselements. Erfindungsgemäß ist am Schlitten ein beweglicher Messarm, der Teil einer Zustandsüberwachungseinrichtung, vorgesehen. Am freien Ende des Messarms ist ein Abtastelement vorgesehen, mit dem die Oberfläche der Kugelbahn abgetastet werden kann.
Beschädigungen an der Kugelbahn können so detektiert werden. Das Abtastelement, das hier aus einer Tastspitze aus Keramik besteht, tastet die Oberfläche taktil ab. Alternativ ist auch ein berührungslos arbeitendes z.B. optisch arbeitendes Tastelement denkbar. Bei einer taktilen Abtastung ist ein Wandler erforderlich, der die Auslenkung des beweglichen Messarms in ein elektrisches Signal umwandelt. Der Wandler kann aus einem oder mehreren Dehnungsmessstreifen oder Piezoelementen bestehen.
Das Messsignal wird an eine nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet. In der Auswerteeinheit erfolgt die Auswertung des Messsignals. Dadurch können Beschädigungen der Kugelbahn während des Betriebs detektiert werden. Zusätzlich können noch Überlastzustände der Positioniervorrichtung detektiert werden.
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2.1 zeigt eine Ausschnittsvergrößerung gemäß 2 im Bereich des beweglichen Messarms MA. Zwei gegenüberliegende DMS-Streifen DMS erfassen die Auslenkung des Messarms MA. Der Messarm MA ist an einer Halterung HA fixiert. Über einen Bügel BÜ ist die Tastspitze TS zusätzlich mit der Halterung HA verbunden.
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2.2 zeigt eine Seitenansicht der Führungsschiene FS mit dem Schlitten S und dem Messarm MA.
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2.3 zeigte eine vergrößerte Aufsicht auf den Messarm MA von vorne mit der Tastspitze TS als Abtastelement, das an der Kugelbahn KB anliegt.
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3 zeigt verschiedene Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels der Positinioniervorrichtung mit einem speziell gestalteten Abtastelement.
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Die Tastspitze 1 tastet die zu überwachende Kugellauffläche der Kugelbahn des Linearführungsprofiles ab. Die Einstellung des richtigen Anpressdruckes wird über die Einstellschraube (6) erreicht, bei gleichzeitiger Messung des DMS Signals vom DMS (3). Der DMS Grundkörper besteht aus einer Parallelogramm Anordnung, damit nicht die Reibung aufgrund von der Verfahrbewegung fälschlicherweise mitgemessen wird, sondern nur die Oberflächenfehler die auf das Formstück, relativ zum Schlitten, übertragen werden. Außerdem besitzt er ein Langloch für die Einstellbarkeit durch die Einstellschraube (6). Die „Überlasteinrichtung“ (4) besteht aus einer Schraube mit Feder, die das DMS Parallelogramm fest genug für eine genaue Messung durch das DMS Parallelogramm andrückt, jedoch bei größerer Überlastung (Schlag u.a.) ausweichen kann, ohne die Anordnung dauerhaft zu beschädigen.
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Das Parallelogrammstück (2) wird über eine von beiden Seiten her sich verjüngende Bohrung von einem Bolzen (9) in der Mitte pendelnd drehbar gelagert. Damit werden nur Entfernungsänderungen die senkrecht zur Messachse liegen gemessen, während die quer dazu entstehenden „ausgependelt“ werden, bzw. der Formkörper kann leichter der zu vermessenden Kugelbahn folgen.
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Der Federbolzen (10) dient dazu, dass die Anordnung spielfrei gehalten wird und der Formkörper zurückgehalten wird und nicht im evtl. vorhandenen Stoß der Führungsschienen oder an den Achsenden „hängenbleibt“.
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3.1 zeigt den zeitlichen Verlauf eines Maschinenzustands mit den entsprechenden Begrifflichkeiten. Je früher ein Schaden erkannt werden kann, desto weniger kritisch sind seine Auswirkungen.
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4 zeigt die verschiedenen Momente, die bei einer Positioniervorrichtung auftreten können. Ganz schematisch sind das Führungselement und der Schlitten sowie eine Spindel als Linearantrieb dargestellt. Erfindungsgemäß können auch Überlastzustände durch zu hohe Momenteinwirkungen entstehen.
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5 zeigt die verschiedenen Ordnungen für Formabweichungen, die insbesondere auch bei einer Kugelbahn auftreten können.
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Nachfolgend ist die Funktion der Erfindung näher erläutert:
- Mit der Positioniervorrichtung werden Maschinenelemente (Fräser) oder Anlageteile (Werkstücke) mit einem Linearantrieb auf dem Schlitten schnell und präzise hin und her verfahren. Die Kugeln des Kugelumlauflagers laufen während der Bewegung des Schlittens auf der Kugelbahn des Führungselements. Die Steuereinheit steuert den Linearantrieb während des gesamten Arbeitsprozesses so an, dass die gewünschte präzise Position des Schlittens angefahren wird. An dem Schlitten ist die Zustandsüberwachungseinrichtung fest fixiert.
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Auf den beweglich gelagerten Messarm werden Unebenheiten der Kugelbahn über die Tastspitze übertragen. Die Tastspitze gleitet hierzu auf der Kugelbahn und wird, wenn es auf eine Beschädigung trifft, im Wesentlichen senkrecht zur Kugelbahn ausgelenkt. Mit dem am Messarm vorgesehenen elektromechanischer Wandler (DMS-Element(e) oder PiezoElement(e) wird die Auslenkung der Tastspitze detektiert und das entsprechende Messsignal an die Auswerteeinheit weiterleitet. Das Messsignal das das Höhenprofil und damit die Rauigkeit der Oberfläche der Kugelbahn wiederspiegelt, wird in der Auswerte ausgewertet. Bei Überschreiten von Schwellwerten wird ein Alarmsignal generiert, das signalisiert, dass eine Beschädigung vorliegt und die Kugelbahn bzw. das Führungselement ausgetauscht werden müssen. Die Sollkontur der Kugelbahn kann bei der Inbetriebnahme der Positioniereinrichtung als Referenz aufgenommen werden. An schadhaften Stellen z. B. einer abgeplatzte Hartschicht (Pitting) weicht die tatsächliche Kontur, im folgenden Schadenskontur genannt, von der Sollkontur der Kugelbahn ab. In einer Weiterentwicklung der Erfindung ist die Auswerteeinheit mit der Steuereinheit des Linearantriebs verbunden oder in dieser integriert, die das Verfahren des Schlittens steuert. Damit können aus den Daten der Steuereinheit über die aktuelle Position des Schlittens, dem aktuellen Messsignal M ein Ortswert x auf der Kugelbahn zugeordnet werden. In der Auswerteeinheit liegt somit das Messsignal M als Funktion des Ortes x vor d. h. M(x). Die Funktion M(x) gibt im Prinzip die Rauigkeit der Kugelbahn 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. Auch ist es möglich der Auswerteeinheit in einem Teach-Verfahren, das Auslenkungsprofil einer unbeschädigten Kugelbahn (Sollkontur) als Sollwertfunktion Msoll(x) einzulernen. Während des Betriebs der Positioniereinrichtung kann das aktuell aufgenommene Auslenkungsprofil Mist(x) als Istwertfunktion kontinuierlich mit der Sollwertfunktion verglichen werden und bei signifikanten Abweichungen kann ein Warnsignal generiert werden, damit z. B. am Bedienpanel der Positioniereinrichtung dem Betreiber das Problem signalisiert wird.
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Um längere ungeplante Maschinen-Stillstandszeiten zu vermeiden, kann die schadhafte Kugelbahn während einer geeigneten Maschinenstandzeit ausgetauscht werden.
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Die Bewegung des Messarms kann auch anderen als DMS- bzw. Piezo-Wandlern erfasst werden. Alternativ können z.B. Beschleunigungssensoren eingesetzt werden. Beschleunigungssensoren haben den Vorteil, dass sie frequenzselektiv arbeiten können. Auch kann durch eine Körperschallanalyse zwischen Spänen in der Spiralnut und tatsächlichen Beschädigungen unterschieden werden. Da der Messarm und die Tastspitze eine sehr geringe Masse aufweisen, können auch geringe Beschädigungen der Spindel detektiert werden. Derartige Beschädigungen könnten mit einem entsprechenden Körperschallsensor, der an dem Schlitten angebracht ist, nicht detektiert werden, da der Schlitten eine erheblich größere träge Masse aufweist.
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Die häufigste Ausfallursache einer Linearachse wird durch Überlastung, meist bei sehr dynamischen Achsbewegungen und großen, nicht symmetrischen Lasten verursacht. Auch Ausrichtungsfehler bei der Montage, sowie Verformungen durch Temperatur und dynamischer Belastung sind als Ursachen bekannt. Heutige bekannte Verfahren zur rechtzeitigen Ausfallerkennung funktionieren nur eingeschränkt. Temperaturmessverfahrens sind meist träge und können lokale oder kurzzeitige Überlastung nicht detektieren. Bis Temperaturmessverfahren einen Fehlerfall erkennen ist es in den meisten Fällen für eine geplante Wartung zu spät. Die bekannte Körperschall Sensorik hat zu große Herausforderungen mit den vielen „Schwingungsverursachern“ an den heutigen komplexen Anlagen. Diese voneinander zu isolieren, um die „interessierenden“ Objekte darzustellen, gelingt selten und führt oft zu Fehlalarmen.
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Das Schadensbild ist sehr oft eine, durch zu hohe Kontaktkräfte der Kugeln, ausgebrochene Führungslaufbahn. Diese Fehlstellen in der Oberfläche werden Pitting genannt. Ähnlich sind die Rattermarken eine Erscheinung durch zu hohe Belastung.
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Erfindungsgemäß können diese Schäden im Frühstadium rechtzeitig erkannt werden. Damit ist die verbleibende Laufzeit der Positioniervorrichtung in vielen Fällen ausreichend, um Ersatzteile bereitzustellen und um ein Instandhaltungsteam für eine Reparatur in einer nicht produktionsschädlichen Zeit einplanen zu können.
Effektiver ist es jedoch solche Überlastungen zu verhindern, indem eine Sensorik an der kritischen Achse der Steuerung bei Bedarf in Realtime den Belastungszustand zurückmeldet, um die Steuerungsparameter dahingehend zu beeinflussen, die verursachende Wirkung zu verringern bzw. zu stoppen.
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Mit einem Softwareprogramm kann das Lastkollektiv errechnet und aufgezeichnet werden, um Wissens- und Erfahrungs-basiert eine Instandhaltung einplanen zu können. Erfindungsgemäß gleitet bei einer taktilen Abtastung eine Tastspitze über die Oberfläche der Kugelbahn, um die relativ zum Schlitten vorhandenen Abstandsänderungen der Führungsbahn (Kugelbahn) zu messen.
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Es sind verschiedene Fehlerfälle denkbar.
Fall A: Hierbei entstehen im Betrieb Belastungskraftvektoren welche die beidseitigen Laufbahnen und die Kugeln verformen. Diese Verformungen können im Betrieb überwacht werden, um Überlastungen vorzubeugen bzw. können adaptiv zurückgeregelt werden z.B. durch einen Eingriff in die Steuerung (z.B. CNC Achssteuerung).
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Fall B: Fehlstellen (Pittings) und Rattermarken verursachen eine lokale Entfernungsänderung und stellen eine Beschädigung dar, diese führen oft zu einem baldigen Ausfall der Achse, weshalb hierbei meist ein Alarm für das A auswechseln des Bauteils durch eine elektronische Signalverarbeitung erzeugt wird.
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Die Signalauswertung ist auf den Stoß der Kugelbahn (Führungsleisten) abzustimmen. Entweder erfolgt dies über die besondere Signalform die durch den Übergang (Stoß) der Leistenstücke erzeugt wird, oder es erfolgt über eine z. B. Mittelwertbildung in der Auswertung in der ein einzelner Stoß nicht einen Alarm auslöst. Auch ein Ausblendesignal von der Steuerung an der zuvor eingelernten Stoßstelle ist möglich.
Das Abtastelement weist in vorteilhafter Weise einen Abtaststift aus Keramik auf und kann vom gesamten Messarm (Abgreifer) her - wie der Plattenspieler-Arm - in jeden Freiheitsgrad hin sich bewegen bzw. ausweichen.
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Wichtig hierbei ist, dass zwischen den Reibkräften und den Anpresskräften unterschieden werden kann, diese dürfen nicht „verschwimmen“. Über eine spezielle Ausgestaltung des Messarms (Parallelogrammanordnung) oder eine weiter entfernte Aufhängung des Gesamt-Messarms können diese beiden Kräfte auseinandergehalten werden.
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Über eine Umgreifung kann eine zusätzliche Stabilisierung des eigentlichen Messaufnehmers über eine dünnwandige Feder erreicht werden. Liegen zwei Schienen pro Führungsrille beieinander, kann auch mit einem Y-Abnehmer gearbeitet werden. Entscheiden ist, dass der Kraftvektor bzw. Hauptkraftrichtung bzw. Belastungseinführung innerhalb der Kugelbahn abgegriffen werden kann, um die Messung zu optimieren.
Bei größeren Schlitten muss am kritischen Punkt abgefragt werden.
Des Weiteren muss eine Überlasteinrichtung vorgesehen werden, (Schraube mit Feder) um eine Überlastung zu verhindern.
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Die in 3 dargestellte erste Zustandsüberwachungseinrichtung kann entweder direkt auf den Schlitten, oder dessen Anbau mit Schmier- und Schmutzabstreifvorrichtung aufgeschraubt. Diese ist sowohl für Fehlerfall A wie Fehlerfall B geeignet.
Hierbei wird der Messhub über ein Parallelogramm erfasst. Beim praktischen Einsatz bei Führungen mit großem Spiel kann der Messhub jedoch zu gering sein.
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Die in 2 dargestellte Zustandsüberwachungseinrichtung kann ebenfalls entweder direkt auf den Schlitten, oder dessen Anbau mit Schmier- und Schmutzabstreifvorrichtung aufgeschraubt werden.
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Zur Qualitätsprüfung von Oberflächen werden seit langem sogenannte Tastschnittmessgeräte eingesetzt. In einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung ist ein Tastschnittmessgerät direkt am Schlitten S angebracht.
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Neben Verschleiß treten in tribologischen Systemen noch Schädigungen als Folge von Ermüdung (z.B. Pitting, Risse und Brüche) durch mechanische Beanspruchung auf.
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Mit der erfindungsgemäßen Zustandsüberwachungseinrichtung können Unebenheiten bis zu +/- 1 µm erkannt werden.
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Es ist nicht zwingend erforderlich, dass die Auswerteeinheit mit der Steuereinheit für den Linearantrieb verbunden ist. In diesem Fall können die Auslenkungen nicht einem bestimmten Ort auf der Kugelbahn zugeordnet werden. Trotzdem ist eine Überwachung der Kugelbahn noch möglich.
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Bei einer Verbindung der Auswerteeinheit mit der Steuereinheit für den Linearantrieb können bekannte Unebenheiten z. B. an Stößen zwischen zwei Führungsschienen ausgeblendet werden.
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Auch können bekannte Unebenheiten (Kerben) als Rückmeldung für die aktuelle Position des Schlittens verwendet werden.
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Mit der Zustandsüberwachungseinrichtung können nicht nur Beschädigungen an der Kugelbahn detektiert werden, sondern auch Überlastungen bzw. Vibrationen sowie die verschiedenen Momente Rollmoment, Giermoment bzw. Nickmoment überwacht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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