DE102020125535A1 - Linear drive with a roller guide - Google Patents
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-
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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
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
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
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 nach2 , -
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.
-
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 andspindle 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
In
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.
In
Die Darstellung nach
Dieser Ablauf schlägt sich in oszillierenden Sensorsignalen der Sensoren S1 bis S4 in den
Wie in
In
In
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
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- DE 102017205005 B3 [0005]DE 102017205005 B3 [0005]
- DE 102013225467 B4 [0005]DE 102013225467 B4 [0005]
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Applications Claiming Priority (1)
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DE102017205005B3 (en) | 2017-03-24 | 2018-05-24 | Ifm Electronic Gmbh | Method for producing a ball screw |
-
2020
- 2020-09-30 DE DE102020125535.7A patent/DE102020125535A1/en active Pending
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Legal Events
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