DE102020125535A1 - Linear drive with a roller guide - Google Patents

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Abstract

Linearantrieb wie ein Kugelspindeltrieb (1) oder dergleichen mit einer Wälzführung, die umlaufende Wälzkörper (8, 12-17) aufweist, die zwischen zwei Maschinenelementen (2,4) in einer Wälzkörperbahn (3,5) geführt werden, wobei ein Maschinenelement (4) translatorisch gegenüber dem anderen Maschinenelement (2) beweglich ist und wobei an einem Maschinenelement(4) in einem lastragenden Bereich ein Sensor (S1, S2, S3, S4) nahe der Wälzkörperbahn (3,5) auf einer Membran (11) angeordnet ist, der die Verformung der Membran (11) durch in der Wälzkörperbahn durchlaufende, unter einer Vorspannung V stehende Wälzkörper (8, 12 bis 17) erfasst,dadurch gekennzeichnet, dasswenigstens zwei Sensoren(S1, S2, S3, S4) vorgesehen sind, die einer Windung (18) der Wälzkörperführung (3,5) zugeordnet sind und mit einem derartigen Abstand zueinander angeordnet sind,dass die in den Sensoren (S1, S2, S3, S4) durch einen durchlaufenden Wälzkörper (8, 12 bis 17) verursachten Sensorsignale phasenversetzt erfassbar sind.Linear drive such as a ball screw drive (1) or the like with a roller guide that has revolving roller bodies (8, 12-17) that are guided between two machine elements (2, 4) in a roller body track (3, 5), with one machine element (4th ) is movable translationally in relation to the other machine element (2) and wherein a sensor (S1, S2, S3, S4) is arranged on a membrane (11) on a machine element (4) in a load-bearing area near the rolling body track (3,5). , which detects the deformation of the membrane (11) by rolling elements (8, 12 to 17) running through the rolling element track and which are under a prestress V, characterized in that at least two sensors (S1, S2, S3, S4) are provided, one winding (18) of the rolling body guide (3,5) and are arranged at such a distance from one another that the sensor signals caused by a rolling body (8, 12 to 17) passing through are phase-shifted in the sensors (S1, S2, S3, S4). detectable i.e.

Description

Die Erfindung betrifft einen Linearantrieb mit einer Wälzkörperführung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a linear drive with a rolling body guide according to the preamble of claim 1.

Derartige Linearantriebe werden bei Werkzeugmaschinen vielfach eingesetzt, um Lasten schnell linear zu bewegen bzw. genau zu positionieren. Ein derartiger Linearantrieb ist mit Wälzkörpern wie Rollen oder Kugeln versehen, die in einer Wälzkörperführung umlaufen. Ein solcher Linearantrieb ist beispielsweise durch einen sogenannten Kugelgewindetrieb (KGT) gegeben, bei dem die Drehbewegung einer motorgetriebenen Spindel mittels einer Mutter in eine Linearbewegung, z. B. eines Maschinentisches umgesetzt wird. In der Mutter werden dabei die Kugeln in einer schraubenförmigen Laufbahn geführt.Such linear drives are often used in machine tools in order to move loads linearly quickly or to position them precisely. Such a linear drive is provided with rolling elements such as rollers or balls, which rotate in a rolling element guide. Such a linear drive is given, for example, by a so-called ball screw (KGT), in which the rotational movement of a motor-driven spindle by means of a nut in a linear movement, z. B. a machine table is implemented. The balls are guided in a helical raceway in the nut.

Es gibt Muttern, die zweigeteilt sind, um über ein zwischengeschaltetes Federpaket oder ein nachstellbares Gewinde eine Vorspannung zu erzielen. In anderen Ausführungen werden Einzelmuttern verwendet, bei denen durch ein entsprechendes Übermaß der Kugeln im Vergleich zur Laufbahn, z. B. in der Größenordnung von wenigen Mikrometern, eine Vorspannung erzeugt wird. In einer solchen Ausführung liegen die Kugeln an vier Punkten an der Laufbahn an (4-Punkt-Kontakt), wodurch diese im Betrieb zum Gleiten gezwungen werden, was zu einem gewissen Abrieb führt. Dadurch verringert sich die Vorspannung während der Lebensdauer. Die verringerte Vorspannung kann bei kritischen Bearbeitungsprozessen, z. B. beim Einsatz einer Werkzeugmaschine, zu unzulässigen Arbeitsergebnissen, beispielsweise an Bearbeitungsoberflächen, führen. Dies ist z. B. beim Schleifen von Zahnrädern von Nachteil, bei denen die Anforderungen an die Genauigkeit und Oberfläche sehr hoch sind.There are nuts that are divided into two in order to achieve preload via an interposed spring assembly or an adjustable thread. In other versions, single nuts are used in which a corresponding oversize of the balls compared to the raceway, z. B. in the order of a few microns, a bias is generated. In such an embodiment, the balls bear against the raceway at four points (4-point contact), forcing them to slide during operation, which leads to a certain amount of wear. This reduces the preload during the service life. The reduced preload can be used in critical machining processes, e.g. B. when using a machine tool, lead to impermissible work results, for example on processing surfaces. This is e.g. This is disadvantageous, for example, when grinding gears, where the accuracy and surface requirements are very high.

Störend sind bei hochgenauen Bearbeitungsprozessen auch Fehlstellen wie Grübchen (Pitting) bzw. Rattermarken im Spindelbetrieb, die durch Materialermüdung entstehen können, da diese einen diskontinuierlichen Vorschub an der Werkzeugmaschine verursachen.Defects such as pitting or chatter marks in spindle operation, which can arise from material fatigue, are also disruptive in high-precision machining processes, as they cause discontinuous feed on the machine tool.

Aus der DE 102017 205 005 B3 und der DE 10 2013 225 467 B4 ist jeweils ein Kugelgewindetrieb (KGT) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt, mit dem die o. a. Nachteile vermindert werden sollen. Zwar sind auch dort bereits mehrere Sensoren beschrieben, diese sind jedoch verschiedenen Windungen des Schraubengangs der Mutter zugeordnet. So kann jeweils nur ein Sensor, die durch eine Kugel verursachte Membranverformung erfassen. Dies führt dazu, dass in der Phase des Durchgangs der Kontaktstelle zwischen zwei Kugeln, eine sensorische Erfassung und damit auch die entsprechenden Rückschlüsse nicht möglich sind. Auch eine richtungsabhängige Messung ist bei diesen KGT nicht möglich.From the DE 102017 205 005 B3 and the DE 10 2013 225 467 B4 is a ball screw (KGT) according to the preamble of claim 1, with which the above disadvantages are to be reduced. Although several sensors are also described there, they are assigned to different windings of the screw thread of the nut. Only one sensor at a time can detect the membrane deformation caused by a ball. This means that in the phase of passage of the contact point between two balls, a sensory detection and thus the corresponding conclusions are not possible. A direction-dependent measurement is also not possible with these KGT.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, diese Nachteile zu beheben.It is therefore the object of the present invention to eliminate these disadvantages.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Linearantrieb nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.Starting from a linear drive according to the preamble of claim 1, this object is achieved by its characterizing features.

Demensprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Linearantrieb dadurch aus, dass wenigstens zwei Sensoren vorgesehen sind, die einer Windung der Wälzkörperführung zugeordnet sind und mit einem derartigen Abstand zueinander angeordnet sind, dass die mittels der Sensoren durch einen durchlaufenden Wälzkörper in den wenigstens zwei Sensoren verursachten Sensorsignale wenigstens teilweise gleichzeitig und zueinander phasenversetzt erfassbar sind.Accordingly, a linear drive according to the invention is characterized in that at least two sensors are provided, which are assigned to one turn of the rolling body guide and are arranged at such a distance from one another that the sensor signals caused by the sensors by a rolling body passing through in the at least two sensors are at least partially can be detected simultaneously and out of phase with one another.

Durch diese Maßnahme gibt es keine Phase des Durchlaufs eines Wälzkörpers, wie einer Kugel, mehr, bei der kein verwertbares Messsignal vorliegt. Somit können jederzeit Parameter wie die Belastung, die Vorspannung und/oder die Geschwindigkeit erfasst und weiterverarbeitet werden. Auch eine richtungsabhängige Messung, beispielsweise der Belastung und/oder der Geschwindigkeit, ist durch eine geeignete anspruchsgemäße Sensoranordnung möglich.As a result of this measure, there is no longer a phase in the passage of a rolling body, such as a ball, in which there is no usable measurement signal. Thus, parameters such as the load, the preload and/or the speed can be recorded and further processed at any time. A direction-dependent measurement, for example of the load and/or the speed, is also possible using a suitable sensor arrangement as claimed.

Durch die Erfassung der Vorspannung, kann beispielsweise bei KGT mit dem o. a. 4-Punkt-Kontakt, der Verschleiß der Kugeln erfasst und entsprechend reagiert werden. Die Erfassung der Belastung kann zudem zur Regelung eines Bearbeitungsprozesses verwendet werden, um diesen adaptiv zu verbessern und/oder Belastungsspitzen zu vermeiden.By detecting the preload, for example with KGT with the above 4-point contact, the wear of the balls can be detected and reacted accordingly. The detection of the load can also be used to control a machining process in order to improve it adaptively and/or to avoid load peaks.

Schließlich ist durch eine regelmäßig wiederholte oder durch eine kontinuierliche Erfassung der sensorisch erfassten Parameter auch eine kumulative Erfassung sogenannter Lastkollektive über eine längere Dauer, z. B. die Betriebsdauer, möglich.Finally, a cumulative recording of so-called load collectives over a longer period, e.g. B. the operating time, possible.

Die Membran wird vorteilhafterweise durch eine flexible Wand einer Materialaussparung in einem Wandbereich eines Maschinenteils im Bereich der Wälzkörperbahn gebildet. Somit ist eine einfache Herstellung möglich, wobei die Membran einstückig mit dem Wandbereich ausgebildet und demensprechend mechanisch stabil ist.The membrane is advantageously formed by a flexible wall of a material recess in a wall area of a machine part in the area of the rolling element track. A simple production is thus possible, with the membrane being formed in one piece with the wall area and accordingly being mechanically stable.

Als Sensor kann ein Dehnungsmessstreifen und/oder eine piezoresistives Sensorelement vorgesehen werden. Diese beiden Sensortypen haben sich für den beabsichtigten Zweck, d. h. zur Erfassung der Membranverformung bereits bewährt. Grundsätzlich können jedoch auch andere Sensortypen, z. B. kapazitive Sensoren oder dergleichen verwendet werden.A strain gauge and/or a piezoresistive sensor element can be provided as the sensor. These two types of sensors have already proven their worth for the intended purpose, ie for detecting membrane deformation. In principle, however, other types of sensors, e.g. B. capacitive sensors or the like can be used.

Wird der erfindungsgemäße Linearantrieb als ein sogenannter Kugelgewindetrieb (KGT) ausgebildet, wobei die Maschinenteile eine Spindel und eine Spindelmutter sind, werden vorteilhafterweise wenigstens zwei Sensoren in Umlaufrichtung der Spindel mit einem Abstand zwischen den jeweiligen axial ausgerichteten Sensormittellinien angeordnet, der kleiner als ein halber Kugeldurchmesser, insbesondere kleiner als ein Viertel Kugeldurchmesser ist. Diese Ausgestaltung erlaubt bei einem Kugelgewindetrieb in allen Kugelstellungen eine permanente oder nahezu permanente Parametererfassung, da mindestens eine Kugel auf mindestens einen Sensor einwirkt.If the linear drive according to the invention is designed as a so-called ball screw drive (KGT), with the machine parts being a spindle and a spindle nut, at least two sensors are advantageously arranged in the direction of rotation of the spindle with a distance between the respective axially aligned sensor center lines that is less than half a ball diameter. is in particular smaller than a quarter of the ball diameter. In the case of a ball screw drive, this configuration allows permanent or almost permanent parameter detection in all ball positions, since at least one ball acts on at least one sensor.

Werden wenigstens zwei Sensoren in Axialrichtung, d. h. in Richtung der Spindelachse mit einem axialen Versatz zwischen den jeweiligen entlang dem Umfang ausgerichteten Sensormittellinien angeordnet, der kleiner als ein Kugeldurchmesser, insbesondere kleiner als ein Kugelradius ist, so wird durch diese Maßnahme eine gute richtungsabhängige Parametererfassung ermöglicht. Die versetzten Sensoren können dabei zur verbesserten Richtungsabhängigkeit der Messung auf zwei gegenüberliegenden Seiten der Laufbahnmitte der Wälzkörperführung angeordnet werden.If at least two sensors in the axial direction, i. H. arranged in the direction of the spindle axis with an axial offset between the respective sensor center lines aligned along the circumference, which is smaller than a sphere diameter, in particular smaller than a sphere radius, this measure enables good direction-dependent parameter detection. The offset sensors can be arranged on two opposite sides of the middle of the raceway of the rolling element guide to improve the directional dependency of the measurement.

Vorzugsweise wird eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Belastung, insbesondere der richtungsabhängigen Belastung, und/oder der Vorspannung und/oder der Geschwindigkeit der Wälzkörper anhand der verschiedenen Sensorsignale vorgesehen. Da die Sensoren zunächst nur die Daten über die Verformung der Membran liefern, ist eine derartige Auswerteeinheit sinnvoll, um unmittelbar im Linearantrieb die gewünschten Parameter aus diesen Sensordaten zu bestimmen und der weiteren Verwertung zuzuführen.An evaluation unit is preferably provided for determining the load, in particular the direction-dependent load, and/or the preload and/or the speed of the rolling bodies using the various sensor signals. Since the sensors initially only supply the data on the deformation of the membrane, such an evaluation unit makes sense in order to determine the desired parameters from these sensor data directly in the linear drive and to supply them for further processing.

Die Auswerteeinheit kann die Bestimmung der Belastung, insbesondere der richtungsabhängigen Belastung, und/oder der Vorspannung beispielsweise durch Addition und/oder Mittelung der verschiedenen Sensorsignale durchführen. Dies wird zeitgemäß vorzugsweise rechnerisch und digital durchgeführt.The evaluation unit can determine the load, in particular the direction-dependent load, and/or the prestress, for example by adding and/or averaging the various sensor signals. In line with the times, this is preferably carried out mathematically and digitally.

Die Auswerteeinheit kann zur kumulierten Erfassung von Belastungen und/oder Geschwindigkeiten ausgebildet sein. Hierzu wird beispielsweise ein zugehöriger Datenspeicher vorgesehen, um über einen gewünschten Zeitraum die erfassten Sensordaten und/oder ausgewerteten Parameter abzuspeichern.The evaluation unit can be designed for the cumulative detection of loads and/or speeds. For this purpose, an associated data memory is provided, for example, in order to store the recorded sensor data and/or evaluated parameters over a desired period of time.

Die Auswerteeinheit kann insbesondere bei kumulierter Datenerfassung zur Bestimmung und gegebenenfalls auch zur Meldung eines Wartungs- und/oder Reparaturfalls ausgebildet werden.In the case of cumulative data acquisition, in particular, the evaluation unit can be designed to determine and possibly also to report a maintenance and/or repair case.

Weiterhin kann die Auswerteeinheit mit einer Regelungseinheit zur Regelung einer Belastung und/oder einer Geschwindigkeit abhängig von der Auswertung der Sensorsignale versehen werden. Hierdurch lassen sich Überlastungen vermeiden und unter Umständen auch die Genauigkeit der Positionierung verbessern. Die Auswerteeinheit und/oder die Regelungseinheit werden hierzu beispielsweise zur Zurückregelung von Belastungsspitzen anhand der Sensorsignale ausgebildet.Furthermore, the evaluation unit can be provided with a control unit for controlling a load and/or a speed depending on the evaluation of the sensor signals. In this way, overloading can be avoided and, under certain circumstances, the accuracy of the positioning can also be improved. For this purpose, the evaluation unit and/or the control unit are designed, for example, to regulate back load peaks on the basis of the sensor signals.

Darüber hinaus kann die Auswerteeinheit und/oder die Regelungseinheit zur adaptiven Regelung eines Bearbeitungsprozesses anhand der Sensorsignale ausgebildet werden. Durch intelligente Anpassung des Bearbeitungsprozesse, unter Berücksichtigung der sensorisch erfassten Daten und der ausgewerteten Parameter, können nicht nur Belastungsspitzen vermieden, sondern auch der gesamte Arbeitsablauf optimiert werden.In addition, the evaluation unit and/or the control unit can be designed for adaptive control of a machining process based on the sensor signals. By intelligently adapting the machining process, taking into account the data recorded by sensors and the evaluated parameters, not only can peak loads be avoided, but the entire workflow can also be optimized.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below with reference to the figures.

Im Einzelnen zeigen

  • 1 eine perspektivische Darstellung eines Kugelgewindetriebs nach dem Stand der Technik,
  • 2 eine perspektivische Darstellung einer Spindelmutter gemäß der Erfindung in der Seitenansicht,
  • 3 eine perspektivische Darstellung eines Ausschnittes eines Längsschnittes durch die Spindel und Spindelmutter nach 2,
  • 4 eine schematische Zeichnung eines Teils einer längs geschnittenen Spindelmutter mit Laufbahn und Kugel,
  • 5 eine schematische Zeichnung eines Teils einer quer geschnittenen Spindelmutter mit Laufbahn und aufeinanderfolgenden Kugeln,
  • 6 ein Lastdiagramm mit Kraft aus einer Richtung +X,
  • 7 ein Lastdiagramm mit Kraft aus der entgegengesetzten Richtung -X und
  • 8 ein Diagramm zur Vorspannungsermittlung.
show in detail
  • 1 a perspective view of a ball screw according to the prior art,
  • 2 a perspective view of a spindle nut according to the invention in side view,
  • 3 a perspective view of a section of a longitudinal section through the spindle and spindle nut 2 ,
  • 4 a schematic drawing of a part of a longitudinally sectioned spindle nut with raceway and ball,
  • 5 a schematic drawing of a part of a cross-sectioned spindle nut with raceway and successive balls,
  • 6 a load diagram with force from one direction +X,
  • 7 a load diagram with force from the opposite direction -X and
  • 8th a diagram for determining the preload.

In 1 ist ein herkömmlicher Kugelgewindetrieb (KGT) 1 ohne Motor gezeigt. Auf einer Spindel 2 sind eine spindelseitige, gewindeförmige Kugellaufbahn 3 als Wälzkörperführung und eine Spindelmutter 4 angebracht. Die Spindelmutter ist teilweise aufgeschnitten dargestellt, so dass der Verlauf der mutterseitigen Kugellaufbahn 5 erkennbar ist, der einen der spindelseitigen Laufbahn entsprechenden Gewindeabschnitt 6 und einen Rückführungsabschnitt 7 zur Rückführung umlaufender Kugeln 8 aufweist. Die Bezugszeichen der genannten Komponenten werden im Folgenden bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels beibehalten.In 1 a conventional ball screw (KGT) 1 is shown without a motor. On a spindle 2 are a spindle-side, thread-shaped Ball track 3 as a rolling element guide and a spindle nut 4 attached. The spindle nut is shown partially cut open so that the course of the ball raceway 5 on the nut side can be seen, which has a threaded section 6 corresponding to the raceway on the spindle side and a return section 7 for returning rotating balls 8 . The reference numbers of the components mentioned are retained below in the description of the exemplary embodiment according to the invention.

In 2 ist erkennbar, dass eine Aussparung 9 in der Wandung 10 der Spindelmutter 4 am Grund der Aussparung 9 eine verformbare Membran 11 ausbildet. An der Membran 11 sind vier Sensoren S1 bis S4 angebracht, z.B. in Form von Dehnungsmessstreifen. Die Sensoren sind paarweise mit einem axialen Versatz A bezogen auf die Sensormittellinie SMA in axialer Richtung versetzt. Die Sensoren sind weiterhin entlang dem Umfang der Kugellaufbahn (3,5) in einem Abstand U bezogen auf die zugehörige Sensormittellinie SMU angeordnet.In 2 it can be seen that a recess 9 in the wall 10 of the spindle nut 4 forms a deformable membrane 11 at the base of the recess 9 . Four sensors S1 to S4 are attached to the membrane 11, for example in the form of strain gauges. The sensors are offset in pairs with an axial offset A relative to the sensor center line SMA in the axial direction. The sensors are also arranged along the circumference of the ball track (3.5) at a distance U relative to the associated sensor center line SMU.

Ein Gewindegang der beiden Kugellaufbahnen 3,4, d. h. der spindelseitigen Kugellaufbahn 3 und der gegenüberliegenden mutterseitigen Kugellaufbahn 4 verläuft in etwa mittig unter den mit einem axialen Versatz A angeordneten Sensoren S1,S2 und S3, S4. Jede durchlaufende Kugel 8 hat einen Kugeldurchmesser K und bewirkt damit aufeinanderfolgende Verformungen der Membran 11 im Bereich jeden Sensors S1 bis S4. Die Sensoren messen dabei nur an einer Windung 18 (vgl. 3).A thread of the two ball tracks 3, 4, ie the spindle-side ball track 3 and the opposite nut-side ball track 4 runs approximately centrally under the arranged with an axial offset A sensors S1, S2 and S3, S4. Each passing ball 8 has a ball diameter K and thus causes successive deformations of the membrane 11 in the area of each sensor S1 to S4. The sensors only measure one winding 18 (cf. 3 ).

In 4 sind zwei verschiedene Lastrichtungen -X und +X dargestellt, d. h. Richtungen, in die eine auf die Spindelmutter bei Betätigung des KGT einwirkende Last auf die Kugelführung wirkt.In 4 two different load directions -X and +X are shown, ie directions in which a load acting on the spindle nut when the KGT is actuated acts on the ball guide.

Die Darstellung nach 5 ist der Einfachheit halber ohne die Krümmung der Spindel und der Kugellaufbahnen 3,5 dargestellt, um die Abfolge des Durchlaufes der Kugeln 12 bis 17 unter den Sensoren S1 bis S4 zu veranschaulichen.The representation after 5 1 is shown without the curvature of the spindle and ball raceways 3,5 for the sake of simplicity to illustrate the sequence of passage of the balls 12-17 under the sensors S1-S4.

Dieser Ablauf schlägt sich in oszillierenden Sensorsignalen der Sensoren S1 bis S4 in den 6 und 7 nieder. In 6 ist mit dem Pfeil P die Position der Kugel 13 aus 5 unter dem Sensor S1 veranschaulicht. Im dargestellten Diagramm liegt eine Last aus +X Richtung vor, wie es in 4 auch mit L+ eingezeichnet ist, die sich mit der Wirkung der Vorspannung überlagert. In der Position P befindet sich die Membran 11 also im Bereich des Sensors S1 unter maximaler Verformung und erzeugt daher ein Maximum M1 im Diagramm gemäß 6, während der Bereich unter Sensor S2 minimal verformt ist, was dem Minimum M2 entspricht.This process is reflected in oscillating sensor signals from sensors S1 to S4 6 and 7 low. In 6 is with the arrow P the position of the ball 13 from 5 illustrated below sensor S1. In the diagram shown there is a load from the +X direction, as shown in 4 is also marked with L+, which is superimposed with the effect of the prestress. In the position P, the membrane 11 is therefore in the area of the sensor S1 under maximum deformation and therefore generates a maximum M1 in the diagram according to FIG 6 , while the area under sensor S2 is minimally deformed, which corresponds to minimum M2.

Wie in 6 erkennbar ist, kann der Mittelwert (Signal out) der durch eine Last in Richtung +X ausgeübten F+ zugeordnet werden. Dieser Wert ist durch die angegebene Sensoranordnung und Membrangestaltung jederzeit richtungsabhängig erfassbar, und zwar sowohl in Bewegung als auch im Stillstand.As in 6 can be seen, the mean value (signal out) can be assigned to the F+ exerted by a load in the +X direction. This value can be detected at any time depending on the direction of the sensor arrangement and membrane design, both in motion and at a standstill.

In 7 sind die aus Richtung -X durch die in Position P unter dem Sensor S3 befindliche Kugel 14 auftretenden Verformungen in den Sensorsignalen S3 und S4 erkennbar, die trotz der in Gegenrichtung wirkenden Last aus der Vorspannung verbleiben. Dementsprechend sind jedoch die Signale der Sensoren S3 und S4 in diesem Fall deutlich kleiner. Auch hier kann jedoch dem Mittelwert (Signal out) die resultierende Kraft F- in Richtung x- zugeordnet werden. Auch dieser Wert ist durch die angegebene Sensoranordnung und Membrangestaltung jederzeit richtungsabhängig erfassbar, und zwar sowohl in Bewegung als auch im Stillstand.In 7 the deformations occurring from the -X direction due to the ball 14 located in position P under the sensor S3 can be seen in the sensor signals S3 and S4, which remain despite the load from the prestress acting in the opposite direction. Accordingly, however, the signals from sensors S3 and S4 are significantly smaller in this case. Here, too, the resultant force F- in direction x- can be assigned to the mean value (signal out). This value can also be recorded at any time depending on the direction thanks to the specified sensor arrangement and membrane design, both in motion and at a standstill.

In 8 ist die Auswertung der addierten Signale S1+2 und S3+4, d. h. der einerseits aus den Sensoren S1 und S2 und der andererseits aus den Sensoren S3 und S4 gebildeten Summensignale veranschaulicht. Da beide Summensignale zueinander symmetrisch sind, liegt hier keine richtungsabhängige Last vor, so dass aus dem Mittelwert unmittelbar die Vorspannung V abgeleitet werden kann.In 8th shows the evaluation of the added signals S1+2 and S3+4, ie the sum signals formed on the one hand from the sensors S1 and S2 and on the other hand from the sensors S3 and S4. Since both sum signals are symmetrical to each other, there is no directional load here, so that the bias voltage V can be derived directly from the mean value.

Anhand des dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiels sind die Funktion und die Vorteile der Erfindung klar erkennbar. Der Fachmann kann diese durch Abwandlungen im Rahmen der Ansprüche jedoch auch anderweitig verwirklichen.The function and the advantages of the invention are clearly recognizable on the basis of the illustrated and described exemplary embodiment. However, a person skilled in the art can also implement this in other ways by means of modifications within the scope of the claims.

BezugszeichenlisteReference List

11
Kugelgewindetrieb (KGT)Ball screw drive (KGT)
22
Spindelspindle
33
spindelseitige Kugellaufbahnball raceway on the spindle side
44
Spindelmutterspindle nut
55
mutterseitige Kugellaufbahnnut-side ball track
66
Gewindeabschnittthreaded section
77
Rückführungsabschnittreturn section
88th
Kugelnballs
99
Aussparungrecess
1010
Wandungwall
1111
Membranmembrane
1212
Kugelbullet
1313
Kugelbullet
1414
Kugelbullet
1515
Kugelbullet
1616
Kugelbullet
1717
Kugelbullet
1818
Windungcoil
S1S1
Sensorsensor
S2S2
Sensorsensor
S3S3
Sensorsensor
S4S4
Sensorsensor
AA
axialer Versatzaxial offset
SMASMA
Sensormittelliniesensor centerline
Uu
Abstand in UmfangsrichtungCircumferential distance
SMUSMU
Sensormittelliniesensor centerline
KK
Kugeldurchmesserball diameter
-X-X
Lastrichtungload direction
+X+X
Lastrichtungload direction
F+F+
Kraftpower
F-f
Kraftpower
M+M+
Maximummaximum
M-M-
Minimumminimum
PP
Positionposition
VV
Vorspannungpreload

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102017205005 B3 [0005]DE 102017205005 B3 [0005]
  • DE 102013225467 B4 [0005]DE 102013225467 B4 [0005]

Claims (12)

Linearantrieb wie ein Kugelspindeltrieb (1) oder dergleichen mit einer Wälzführung, die umlaufende Wälzkörper (8, 12-17) aufweist, die zwischen zwei Maschinenelementen (2,4) in einer Wälzkörperbahn (3,5) geführt werden, wobei ein Maschinenelement (4) translatorisch gegenüber dem anderen Maschinenelement (2) beweglich ist und wobei an einem Maschinenelement(4) in einem lastragenden Bereich ein Sensor (S1, S2, S3, S4) nahe der Wälzkörperbahn (3,5) auf einer Membran (11) angeordnet ist, der die Verformung der Membran (11) durch in der Wälzkörperbahn durchlaufende, unter einer Vorspannung V stehende Wälzkörper (8, 12 bis 17) erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Sensoren(S1, S2, S3, S4) vorgesehen sind, die einer Windung (18) der Wälzkörperführung (3,5) zugeordnet sind und mit einem derartigen Abstand zueinander angeordnet sind, dass die in den Sensoren (S1, S2, S3, S4) durch einen durchlaufenden Wälzkörper (8, 12 bis 17) verursachten Sensorsignale phasenversetzt erfassbar sind.Linear drive such as a ball screw drive (1) or the like with a roller guide that has revolving roller bodies (8, 12-17) that are guided between two machine elements (2, 4) in a roller body track (3, 5), with one machine element (4th ) is movable translationally in relation to the other machine element (2) and wherein a sensor (S1, S2, S3, S4) is arranged on a membrane (11) on a machine element (4) in a load-bearing area close to the rolling element track (3,5). , which detects the deformation of the membrane (11) by rolling elements (8, 12 to 17) running through the rolling element track and which are under a prestress V, characterized in that at least two sensors (S1, S2, S3, S4) are provided, which are assigned to one turn (18) of the rolling body guide (3,5) and are arranged at such a distance from one another that the sensor signals caused in the sensors (S1, S2, S3, S4) by a rolling body (8, 12 to 17) passing through phase-shifted detectable are. Linearantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran(11) durch eine flexible Wand einer Materialaussparung (9) in einer Wandung (10) eines Maschinenteils (4) im Bereich der Wälzkörperbahn (3,5) gebildet ist.linear drive after claim 1 , characterized in that the membrane (11) is formed by a flexible wall of a material recess (9) in a wall (10) of a machine part (4) in the region of the rolling element track (3.5). Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (S1, S2, S3, S4) ein Dehnungsmessstreifen und/oder ein piezoresistives Sensorelement vorgesehen ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that a strain gauge and/or a piezoresistive sensor element is provided as the sensor (S1, S2, S3, S4). Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb ein Kugelgewindetrieb (1) und die Maschinenteile eine Spindel (2) und eine Spindelmutter (4) sind, wobei zwei Sensoren (S1, S2, S3, S4) in Umlaufrichtung der Spindel (2) mit einem Abstand (U) zwischen den jeweiligen axial ausgerichteten Sensormittellinien SMU angeordnet sind, der kleiner als die Hälfte eines Kugeldurchmessers (K), insbesondere kleiner als ein Viertel eines Kugeldurchmessers (K) ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that the linear drive is a ball screw drive (1) and the machine parts are a spindle (2) and a spindle nut (4), with two sensors (S1, S2, S3, S4) in the direction of rotation of the spindle (2) are arranged with a distance (U) between the respective axially aligned sensor center lines SMU which is less than half a sphere diameter (K), in particular less than a quarter of a sphere diameter (K). Linearantrieb nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Sensoren (S1, S2, S3, S4) in Axialrichtung, d. h. in Richtung der Spindelachse mit einem axialen Versatz (A) zwischen den jeweiligen entlang dem Umfang ausgerichteten Sensormittellinien SMA angeordnet sind, der kleiner als ein Kugeldurchmesser (K), insbesondere kleiner als die Hälfte eines Kugeldurchmessers (K) ist.linear drive after claim 4 , characterized in that two sensors (S1, S2, S3, S4) are arranged in the axial direction, ie in the direction of the spindle axis, with an axial offset (A) between the respective sensor center lines SMA aligned along the circumference, which is smaller than a ball diameter (K ), In particular smaller than half a sphere diameter (K). Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit zur Bestimmung der Belastung, insbesondere der richtungsabhängigen Belastung (L+, L-), und/oder der Vorspannung (V) und/oder der Geschwindigkeit der Wälzkörper anhand der verschiedenen Sensorsignale vorgesehen ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that an evaluation unit is provided for determining the load, in particular the direction-dependent load (L+, L-), and/or the preload (V) and/or the speed of the rolling bodies using the various sensor signals . Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Bestimmung der Belastung, insbesondere der richtungsabhängigen Belastung (L+,L-) und/oder der Vorspannung (V) durch Addition und/oder Mittelung der verschiedenen Sensorsignale ausgebildet ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit is designed to determine the load, in particular the directional load (L+,L-) and/or the prestress (V) by adding and/or averaging the various sensor signals. Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur kummulierten Bestimmung von Belastungen und/oder Geschwindigkeiten ausgebildet ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit is designed for the cumulative determination of loads and/or speeds. Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit zur Meldung eines Wartungs- und/oder Reparaturfalls ausgebildet ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit is designed to report maintenance and/or repairs. Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit mit einer Regelungseinheit zur Regelung einer Belastung und/oder einer Geschwindigkeit abhängig von der Auswertung der Sensorsignale ausgebildet ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit is designed with a control unit for controlling a load and/or a speed depending on the evaluation of the sensor signals. Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit und/oder die Regelungseinheit zur Zurückregelung von Belastungsspitzen anhand der Sensorsignale ausgebildet ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit and/or the control unit is designed to control load peaks using the sensor signals. Linearantrieb nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit und/oder die Regelungseinheit zur adaptiven Regelung eines Bearbeitungsprozesses anhand der Sensorsignale ausgebildet ist.Linear drive according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation unit and/or the control unit is designed for adaptive control of a machining process using the sensor signals.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102013225467B4 (en) 2013-12-10 2018-03-15 ifm diagnostic gmbh Ball Screw
DE102017205005B3 (en) 2017-03-24 2018-05-24 Ifm Electronic Gmbh Method for producing a ball screw

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