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Die Erfindung betrifft ein Linearmodul, das auch als Linearaktor bezeichnet werden kann, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Bewegungsvorrichtung mit derartigen Linearmodulen.
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Bei Linearmodulen ist es bekannt, dass ein Schlitten entlang einem Gehäuse, das meistens aus Alu-Strangpressprofil besteht, geradlinig verfahren wird. Im Internet unter https://www.boschrexroth.com/en/xc/products/product-groups/linear-motiontechnology/index ist eine Übersicht über derartige Linearmodule gezeigt.
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Aus dem Stand der Technik ist es grundsätzlich bekannt zur Erfassung von mechanischen Belastungen und den daraus resultierenden Dehnungen der Gehäuse von derartigen Linearmodulen Dehnmessstreifen zu verwenden. Nachteilig an Linearmodulen, deren mechanische Belastung über Dehnmesstreifen gemessen wird, ist die Störanfälligkeit durch magnetische Felder.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Belastungsmessung für äußere mechanische Belastungen von Linearmodulen und von daraus zusammengesetzten Bewegungsvorrichtungen zu ermöglichen, die gegenüber magnetischen Feldern nicht störanfällig ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Linearmodul mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 durch eine Bewegungsvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Das beanspruchte Linearmodul kann auch als Linearaktuator bezeichnet werden und hat ein Gehäuse, das eine Dehnungsmessvorrichtung zur Messen von mechanischen Belastungen des Gehäuses aufweist. Erfindungsgemäß weist die Dehnungsmessvorrichtung einen als Glasfaser ausgebildeten Lichtwellenleiter auf, in den mindestens ein als Faser-Bragg-Gitter (fiber-bragg-grating) ausgebildeter optischer Interferenzfilter eingeschrieben ist. Weiterhin sind eine Lichtquelle und eine Auswerteeinheit vorgesehen. Das Faser-Bragg-Gitter reflektiert nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge. Wenn die Glasfaser gedehnt wird, verschiebt sich diese Wellenlänge. Somit kann durch eine Wellenlängenmessung durch die Auswerteeinheit auf die Dehnung des Gehäuses geschlossen werden. Damit ist eine Belastungsmessung für äußere mechanische Belastungen des Linearmoduls ermöglicht, die gegenüber magnetischen Feldern nicht störanfällig ist.
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Die Glasfaser kann in Teilstücke unterteilt sein, was im Folgenden noch genauer erläutert wird.
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Wenn das Gehäuse u-förmig, z.B. mit drei etwa rechtwinklig zueinander angeordneten Außenflächen ist, wird es besonders bevorzugt, wenn die Glasfaser an einer Innenseite einer mittleren Basis des Gehäuses angeordnet ist. Dort ergeben sich hinreichend hohe Dehnungen, wobei die Glasfaser gleichzeitig vor Umgebungseinflüssen geschützt ist. Dies gilt insbesondere wenn ein Schlitten entlang einer der Basis gegenüber liegenden Seite der Gehäuses verfahrbar angeordnet ist.
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Um die Dehnungsmessungen zu präzisieren wird die Glasfaser zumindest im Bereich des Faser-Bragg-Gitters fest mit dem Gehäuse verbunden.
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Fertigungstechnisch einfach ist es, wenn das Gehäuse ein Strangpressprofil, insbesondere ein Alu-Strangpressprofil ist.
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Wenn die Glasfaser in einer Nut des Gehäuses aufgenommen ist, ergibt sich eine Vereinfachung der Montage. Die Nut ist praktisch kostenlos herstellbar, wenn das Gehäuse das Strangpressprofil ist, da der Querschnitt eines Strangpressprofils sehr frei gestaltet werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Linearmoduls wird es bevorzugt, wenn an mindestens einem Ende des Gehäuses, insbesondere an mindestens einer Endtraverse oder Endkappe mindestens ein Anschlussstecker der Glasfaser angeordnet ist. Es können auch in beiden Enden oder in beiden Endkappen Anschlussstecker der Glasfaser angeordnet sein. Beide Weiterbildungen sind im Falle des Strangpressprofils besonders vorteilhaft.
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Vorzugsweise sind an mehreren über eine Länge der Glasfaser verteilten Messstellen jeweilige Faser-Bragg-Gitter angeordnet, die unterschiedliche Reflexionsfrequenzen aufweisen. Damit kann an mehreren Messstellen die Dehnung gemessen werden. Der Einsatz des Faser-Bragg-Gitters ermöglicht praktisch erst die Unterbringung im Gehäuse, da der Verkabelungsaufwand bei mehreren benötigten Messpunkten drastisch sinkt.
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Abhängig von der Stellung eines Schlittens und ggf. der Konfiguration einer übergeordneten Bewegungsvorrichtung, die wenigstens zwei Linearmodule umfasst, kann eine Messstelle gewählt werden, bei der sich die höchste Dehnung und damit das beste Signal für die Dehnungsmessung ergibt. Zudem können so Lastverläufe ermittelt werden, die zur Feststellung der exakten äußeren Belastung grundlegend sind.
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Die Dehnungsmessungen lassen sich optimieren, wenn zwei etwa parallele Teilstücke der Glasfaser in dem Gehäuse angeordnet sind. Dann wird an einem Ende des Gehäuses die Lichtquelle an eine der beiden Teilstücke und die Auswerteeinheit an das andere der beiden Teilstücke angeschlossen. Am anderen Ende des Gehäuses sind die beiden Teilstücke optisch miteinander verbunden. Diese Verbindung kann innerhalb des Gehäuses oder außerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Im letzteren Fall kann die Verbindung über zwei Anschlussstecker und eine gesondertes Glasfaser-Verbindungsstück (z.B. eine Glasfaserschlaufe) gebildet sein. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Lichtquelle und die Auswerteeinheit als einheitliches Modul gebildet und/oder in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
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Die beanspruchte Bewegungsvorrichtung hat wenigstens zwei vorbeschriebene Linearmodule und eine einzige Glasfaser mit mehreren Teilstücken. Jedem Linearmodul ist wenigstens ein Faser-Bragg-Gitter zugeordnet, wobei die Faser-Bragg-Gitter unterschiedliche Reflexionsfrequenzen aufweisen. Damit kann an wenigstens zwei Linearmodulen die Dehnung gemessen werden. Es kann auch an mehreren Messstellen in mehreren Linearmodulen die Dehnung gemessen werden. Der Einsatz des Faser-Bragg-Gitters ermöglicht praktisch erst die Unterbringung in den Gehäusen, da der Verkabelungsaufwand bei mehreren Gehäusen und ggf. jeweils mehreren Messpunkten drastisch sinkt.
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Durch die Varianz in den reflektierten Wellenlängen über die Länge der Glasfaser kann die Längenänderung an jeder Messstelle und/oder Position von bis zu vier Linearmodulen (2xX, Y, Z) beschrieben werden. Das heißt je feiner und enger die Varianz der Struktur der Faser-Bragg-Gitter ist, desto genauer kann die Verformung detektiert werden. Über die Verrechnung der Informationen der lokalen Längenänderung können dann die Belastungszustände (Biegung, Dehnung, Torsion usw.) bestimmt werden.
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Je nachdem wie schnell die Lichtquelle die Wellenlänge verändern und die Auswerteeinheit diese auswerten kann, kann beides über eine Einheit erfolgen oder muss über mehrere Einheiten erfolgen.
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Gemäß einer ersten Variante der Bewegungsvorrichtung kann also vorrichtungstechnisch einfach eine einzige Lichtquelle und eine einzige Auswerteeinheit vorgesehen sein.
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Gemäß einer zweiten Variante der Bewegungsvorrichtung können mehrere Lichtquellen und mehrere Auswerteeinheiten nötig sein.
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Wie bereits erwähnt kann gemäß der vorliegenden Schrift eine einzige Glasfaser mehrere in Reihe geschaltete Teilstücke aufweisen, zwischen denen z.B. Anschlussstecker und / oder gesonderte Glasfaserschlaufen vorgesehen sind. Vorzugsweise sind an beiden Enden der Gehäuse zumindest eines Teils der Linearmodule Anschlussstecker angeordnet.
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Eine Verbindung der Teilstücke in den einzelnen Linearmodulen kann über einen ohnehin vorhandenen mechanischen Verbindungsweg („Hauptkörper“) der Linearmodule hergestellt sein. Hierzu werden neben den Bohrungen Stecker bzw. Buchsen eingebracht. Dies beschleunigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Bewegungsvorrichtung und vermeidet zudem einen sonst evtl. notwendigen Kabelschlepp und/oder freiliegende ungeschützte Glasfasern.
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Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bewegungsvorrichtung und zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Linearmoduls sind in den Figuren dargestellt.
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Es zeigen
- 1 die erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in einem Zwischenstand der Montage in einer perspektivischen Ansicht,
- 2 ein Teilstück der Glasfaser der erfindungsgemäßen Dehnungsmessvorrichtung aus 1,
- 3 die erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung aus 1 fertig montiert in einer weiteren perspektivischen Ansicht,
- 4 eines der beiden in Längsrichtung verbauten erfindungsgemäßen Linearmodule in einem Querschnitt und
- 5 das in Querrichtung verbaute erfindungsgemäße Linearmodul in einem Querschnitt.
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1 zeigt die erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in einem Zwischenstand ihrer Montage, bei dem zunächst nur zwei in einer ersten Richtung verfahrbare Linearmodule 1 und ein in einer zur ersten Richtung quer verlaufenden zweiten Richtung verfahrbares weiteres Linearmodul 2 zusammengebaut sind. Genauer gesagt sind jeweilige Schlitten 4, 6 der Linearmodule 1, 2 entlang jeweiliger ruhender Gehäuse 8, 10 der Linearmodule 1, 2 entlang der genannten Richtungen präzise linear geführt.
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An den beiden in der ersten Richtung verfahrbaren Schlitten 4 ist das Gehäuse 10 des weiteren Linearmoduls 2 befestigt, entlang dem der Schlitten 6 in der zweiten Richtung verfahren wird. Damit sind in einer Ebene, die oberhalb der beiden Linearmodule 1 liegt, alle Stellen gezielt und präzise durch die erfindungsgemäße Bewegungsvorrichtung ansteuerbar.
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Die Gehäuse 8, 10 sind aus Alu-Strangpressprofil gefertigt und an ihren Enden durch jeweilige Endtraversen oder Endkappen 12, 14 abgeschlossen. An zwei (in 1 den beiden hinteren) Endkappen 12 der beiden erstgenannten Linearmodule 1 sind jeweilige Wellenzapfen dargestellt, die synchron angetrieben werden, damit das weitere Linearmodul 2 in der ersten Richtung korrekt verfahren werden kann. An der (in 1 rechten) Endkappe 14 des weiteren Linearmoduls 2 ist ebenfalls ein Wellenzapfen dargestellt, der über einen (in 5 gezeigten) Spindeltrieb den Schlitten 6 in der zweiten Richtung verfährt.
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An allen sechs Endkappen 12, 14 der drei Linearmodule 1, 2 sind jeweils zwei Anschlussstecker 16 angeordnet, wobei die beiden Anschlussstecker einer (in 1 rechten) Endkappe 14 des weiteren Linearmoduls 2 nicht dargestellt sind.
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Beim gezeigten Ausführungsbeispiel ist zwischen zwei einander gegenüberliegenden Anschlusssteckern 16 ist jeweils ein in 2 schematisch gezeigtes Teilstück 18 einer Glasfaser angeordnet. Damit ergeben sich pro Gehäuses 8, 10 zwei Teilstücke 18 der Glasfaser, die zueinander parallel entlang dem jeweiligen Gehäuse 8, 10 verlaufen.
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In jeweiligen Kernen 19 jedes Teilstücks 18 ist ein Faser-Bragg-Gitter 20 ausgebildet bzw. eingeschrieben. Die beiden Faser-Bragg-Gitter 20 jedes Gehäuses 8, 10 sind dabei an verschiedenen Messstellen entlang der Längserstreckung des jeweiligen Gehäuses 8, 10 angeordnet. Weiterhin weisen alle insgesamt sechs Faser-Bragg-Gitter 20 der Bewegungsvorrichtung unterschiedliche Reflexionsfrequenzen auf. Weiterhin werden noch eine Lichtquelle und eine Auswertevorrichtung vorgesehen. Beide werden mit Bezug zu 3 erläutert.
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In 2 (oberhalb des Teilstücks 18) ist in einem Diagramm der Brechungsindex ncore über der Länge des Kerns 19 bzw. seines Faser-Bragg-Gitters 20 aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass der Brechungsindex ncore über der Länge des Kerns 19 bzw. seines Faser-Bragg-Gitters 20 regelmäßig und sprunghaft wechselt.
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Jedes Faser-Bragg-Gitter 20 reflektiert damit nur Licht einer ganz bestimmten Wellenlänge λB. Wenn das Teilstück 18 mit seinen Kern 19 zusammen mit dem Gehäuse 8, 10 gedehnt wird, verschiebt sich diese Wellenlänge λB. Somit kann durch eine Wellenlängenmessung auf die Dehnung des benachbarten Aluminiums des Gehäuses 8, 10 geschlossen werden.
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In 2 (unter dem Teilstück 18) sind drei Diagramme gezeigt, denen jeweils die Intensität des Lichts über der Wellenlänge λ aufgetragen ist. Das in den Kern 19 der Glasfaser hineingesendete Licht hat (zunächst noch) einen natürlichen monotonen Verlauf der Intensität. Im zweiten Diagramm ist gezeigt, dass das reflektierte Licht im Wesentlichen eine spezielle Wellenlänge λB hat. Im dritten Diagramm ist gezeigt, dass das übrige Licht durch den Kern 19 des Teilstücks 18 der Glasfaser hindurch geht. Durch Analyse der speziellen Wellenlänge λB ist eine Belastungsmessung für äußere mechanische Belastungen des Linearmoduls 1, 2 möglich, die gegenüber magnetischen Feldern störunanfällig ist.
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3 zeigt die Bewegungsvorrichtung mit den beiden Linearmodulen 1, 2 aus 2 in einem fertig montierten Zustand. Ergänzend zum Zustand aus 1 sind nun noch (beim gezeigten Ausführungsbeispiel sieben) Glasfaser-Verbindungsstücke 22 vorgesehen. Weiterhin ist noch die Auswerteeinheit 24 mit der Lichtquelle 26 angebracht.
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Die Glasfaser-Verbindungsstücke 22 sind mittels der Anschlussstecker 16 derart mit den (in 3 nicht gezeigten) Teilstücken 18 verbunden, dass sich für das Licht eine Reihenschaltung von der Lichtquelle 26, einem Verbindungsstück 22, einem der beiden Teilstücke 18 des in 3 rechten Linearmoduls 1, einem Verbindungsstück 22, einem der beiden Teilstücke des weiteren Linearmoduls 2, einem Verbindungsstück 22, einem der beiden Teilstücke 18 des in 3 linken Linearmoduls 1, einem als Glasfaserschlaufe ausgebildeten Verbindungsstück 22, dem anderen Teilstück 18 des in 3 linken Linearmoduls 1, einem Verbindungstück 22, dem anderen Teilstück des weiteren Linearmoduls 2, einem Verbindungstück 22, dem anderen Teilstück 18 des in 3 rechten Linearmoduls 2 und über ein letztes Verbindungsstück 22 zur Auswerteeinheit 24 ergibt.
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Da, wie bereits erwähnt, alle (beim gezeigten Ausführungsbeispiel sechs) Faser-Bragg-Gitter 20 an verschiedenen Messstellen der Längserstreckung der drei Gehäuse 8, 10 angeordnet sind, und da alle Faser-Bragg-Gitter 20 unterschiedliche Reflexionsfrequenzen aufweisen, sind an allen drei Gehäusen 8, 10 an jeweils zwei Messstellen die mechanischen Belastungen detektierbar.
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4 zeigt das Gehäuse 8 eines der beiden Linearmodule 1 und den zugeordneten Schlitten 4 in einem Querschnitt. Es ist zu erkennen, dass das Gehäuse 8 einen u-förmigen Querschnitt hat mit zwei seitlichen Wangen 8b und einer mittleren (in Einbaulage unteren) Basis 8a. Die beiden parallelen Teilstücke 18 der Glasfaser sind an der Basis 8a in der Nähe der beiden Übergangsbereiche zwischen der mittleren Basis 8a und den beiden seitlichen Wangen 8a an einer Innenseite des Gehäuses 8, 10 geschützt in jeweiligen Nuten 24 aufgenommen und befestigt. Da der Schlitten entlang einer der mittleren Basis 8a, 10a gegenüber liegenden oberen Seite der Gehäuses 8 verfahrbar angeordnet ist, und da somit seine Last in Richtung nach unten zur Basis 8a gerichtet ist, ist die Dehnungsmessung mit der erfindungsgemäßen Dehnungsmessvorrichtung besonders effektiv.
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5 zeigt das Gehäuse 10 des weiteren Linearmoduls 2 und den zugeordneten Schlitten 6 in einem Querschnitt. Es ist zu erkennen, dass auch das Gehäuse 10 einen u-förmigen Querschnitt hat mit zwei seitlichen Wangen 10b und einer mittleren (in Einbaulage linken) Basis 10a.
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Auch bei diesem Linearmodul 2 sind die beiden parallelen Teilstücke 18 der Glasfaser an der Basis 10a in der Nähe der beiden Übergangsbereiche zwischen der Basis 10a und den beiden seitlichen Wangen 10b an einer Innenseite des Gehäuses 10 geschützt in jeweiligen Nuten 24 aufgenommen und befestigt.
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Offenbart sind eine Bewegungsvorrichtung mit mehreren Linearmodulen und ein entsprechendes Linearmodul, bei denen eine Belastungsprüfung und -messung durch eine Dehnungsmessvorrichtung erfolgt. Diese weist eine Glasfaser auf, in die mindestens ein Faser-Bragg-Gitter eingeschrieben ist, wobei weiterhin eine Lichtquelle und eine Auswerteeinheit vorgesehen sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Linearmodul
- 2
- weiteres Linearmodul
- 4
- in einer ersten Richtung verfahrbarer Schlitten
- 6
- in einer zweiten Richtung verfahrbarer Schlitten
- 8
- Gehäuse
- 8a
- Basis
- 8b
- Wange
- 10
- Gehäuse
- 10a
- Basis
- 10b
- Wange
- 12
- Endkappe
- 14
- Endkappe
- 16
- Anschlussstecker
- 18
- Teilstück
- 20
- Faser-Bragg-Gitter
- 22
- Glasfaser-Verbindungsstück
- 24
- Auswerteeinheit
- 26
- Lichtquelle
- ncore
- Brechungsindex
- λ
- Wellenlänge
- λB
- reflektierte Wellenlänge
