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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Überwachen eines vorgespannten Rundtischlagers während des Betriebs desselben mit einem inneren Lagerring, mit einem äußeren Lagerring, mit wenigstens einer Reihe Wälzkörper, die auf von den Lagerringen bereitgestellten Laufbahnen abrollen, mit einer Antriebsanordnung, welche einen der Lagerringe in Drehung versetzt und mit einer Steuer- und Regeleinheit zur Erfassung und Regelung der Drehzahl des von der Antriebsanordnung angetriebenen Lagerrings versehen ist.
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Hintergrund der Erfindung
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Werkzeugmaschinen, die spanendem Materialabtrag dienen, sind in der Regel mit einem um die Vertikalachse drehbar gelagerten Rundtisch ausgestattet, auf dem ein oder das zu bearbeitende Werkstück aufgespannt wird. Der Rundtisch ist über ein Rundtischlager relativ zur Bearbeitungsmaschine drehgelagert und mit einem Antrieb gekoppelt. Bekannte Rundtischlager oder Rundtischanordnungen, die zur Lagerung solcher beispielsweise um die Vertikalachse drehbaren Rundtische dienen, sind in der Regel mit einem mehrreihigen Axial-Radiallager versehen. Eine solche Anordnung ist aus
WO 2013/034341 A1 bekannt, bei welcher eine Reihe Zylinderrollen die Radialreihe und zwei Reihen Zylinderrollen die Axialreihen des Rundtischlagers bilden. Die drei Zylinderrollen dieses Rundtischlagers rollen auf Laufbahnen ab, die von den beiden Lagerringen bereitgestellt werden.
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Derartige Rundtischlager sind grundsätzlich vorgespannt ausgeführt, um durch die Herausnahme von Lagerspiel Steifigkeitsanforderungen für den Einsatz in Werkzeugmaschinen zu erfüllen. Diese Herausnahme von Lagerspiel, welche die Präzision von auf solchen Anordnungen hergestellten Werkstücken erhöht, hat aber den Nachteil, dass sich durch die Lagerreibung bei einem Rundtischlager bauartbedingt der äußere Lagerring mehr erwärmt als der innere Lagerring. Dies führt dazu, dass bei Rundtischlagern dessen Lagerringe aus dem gleichen Werkstoff gefertigt sind, der äußere Lagerring sich gegenüber dem inneren Lagerring stärker ausdehnt und zum Verlust der bei der Montagetemperatur von 20° C oder Raumtemperatur eingebrachten radialen Vorspannung führt. Dieser Verlust der radialen Vorspannung führt dazu, dass die Ausrichtung eines Rundtisches bzw. eines darauf aufgespannten Werkstücks zu einem Bearbeitungswerkzeug ungenau wird und die Fertigungsqualität von damit hergestellten Werkstücken schlechter wird. Dies gilt nicht nur bei konventioneller Verwendung, also dann, wenn das Rundtischlager bei bloßen Fräsbearbeitungen oder Drehbearbeitungen eingesetzt wird, sondern insbesondere dann, wenn bei Rundtischlagern Multiprozessmaschinen verwendet werden, welche das Aufgabenspektrum von dort eingesetzten vorgespannten Rundtischlagern erweitern, indem der Temperaturgradient sich während der unterschiedlichen Prozesse ändert.
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Um diesem Problem entgegenzuwirken, wurde vorgeschlagen, den äußeren Lagerring aus einem Werkstoff zu bilden, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient geringer als der Wärmeausdehnungskoeffizient des inneren Lagerrings ist. Abgesehen davon, dass Rundtischlager aus überschiedlichen Werkstoffen sehr aufwändig sind, können derartige Lager das auftretende Problem nur in einem sehr engen Temperaturbereich lösen.
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Auch wurde versucht, Temperaturen in zumindest einem der Lagerringe zu erfassen und aus den ermittelten Temperaturen Rückschlüsse auf die noch im Rundtischlager vorhandene Vorspannung zu ziehen. Derartige Ansätze sind aber sehr ungenau, weil zum einen Temperaturänderungen in Lagerringen nur sehr träge ablaufen und zum weiteren bloße Temperaturmessungen sehr leicht von externen, das Messergebnis verfälschenden Einflüssen, wie beispielsweise eine sehr hohe Umgebungstemperatur, beeinflusst sein können.
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Aufgabe der Erfindung
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Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Überwachen eines vorgespannten Rundtischlagers anzugeben, wobei die jeweilige Vorspannung einfach und exakt bestimmt werden kann.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch eine in Anspruch 1 angegebene Vorrichtung und durch ein in Anspruch 7 angegebenes Verfahren gelöst. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweils abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Erfindung geht von einem vorgespannten Rundtischlager aus, welches mit einem inneren Lagerring, mit einem äußeren Lagerring, mit wenigstens einer Reihe Wälzkörper, die auf von den Lagerringen bereitgestellten Laufbahnen abrollen, mit einer Antriebsanordnung, welche einen der Lagerringe in Drehung versetzt, und mit einer Steuer- und Regeleinheit zur Erfassung und Regelung der Drehzahl des von der Antriebsanordnung angetriebenen Lagerrings versehen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass wenigstens ein Lagerring mit wenigstens einem Sensor verbunden ist, der ausgestattet ist, elastische Verformungen dieses Lagerrings längs oder quer der Drehachse DA des Rundtischlagers zu erfassen. Dabei kommt der Erfassung der Verformung bzw. der Umfang der Verformung entscheidende Bedeutung für das System vorgespanntes Rundtischlager zu, weil unbeeinflusst von anderen Größen der Grad der Vorformung eines Lagerrings eindeutige Aussagen darüber zulässt, welche tatsächlichen Vorspannungsveränderungen der Betrieb des Rundtischlagers tatsächlich in diesem hervorruft. Daher wird von dem Sensor oder den Sensoren erfasste Verformung im jeweiligen Lagerring an die Steuer- und Regeleinheit übertragen, welche die anliegende Drehzahl des angetriebenen Lagerrings verändert, wenn in einer Auswerteanordnung, welche Teil der Steuer- und Regelanordnung ist oder sein kann, die festgestellte Verformung von einem Sollwert abweicht. Maßgebliche Bedeutung hat dabei die Auswerteanordnung, welche für das jeweilige Rundtischlager einen Sollwertebereich bereithält. Liegt die mittels der Sensoren ermittelte Verformung nahe den Grenzen der Sollwertebereichs, ist dies ein sicheres Indiz für eine kaum noch vorhandene Vorspannung des Rundtischlagers und eine Drehzahlveränderung einschließende Handlungsempfehlung erforderlich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Sensor, welcher Verformungen im jeweiligen Lagerring aufnimmt, ein Widerstandssensor ist.
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Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass Widerstandssensoren in der Form von Dehnungsmessstreifen eine kostengünstige und etablierte Technik bereitstellen, dehnende Verformungen sicher und genau zu erfassen.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Sensoren eines Lagerrings, welcher mit mehr als einem Sensor versehen ist, symmetrisch bezogen auf die Drehachse DA des Rundtischlagers an diesem Lagerring angebracht sind. Dies ist deshalb sehr vorteilhaft, weil durch die verschiedenen Sensoren nicht nur eine gute Auflösung erzielt wird, sondern durch Vergleich von Verformungswerten von verschiedenen Sensoren etwa Rückschlüsse auf Schiefstellungen des Rundtischlagers gezogen und anhand dieser Wertunterschiede beseitigt werden können.
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Nach einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein Temperatursensor vorgesehen ist, welcher mit der Steuer- und Regelvorrichtung verbunden ist. Zusätzliche Temperatursensoren haben den Vorteil, dass mit ihnen die Plausibilität einer erfassten Verformung sehr einfach verifizierbar ist und ausgeschlossen werden kann, dass die ermittelte Verformung rein mechanisch wirkende Ursachen hat.
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Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter und kostengünstiger Weise dahingehend ausgeführt sein, dass zumindest die Sensoren, welche die Verformung des jeweiligen Lagerrings erfassen, einfach an den Mantel- und/oder Stirnflächen des jeweiligen Lagerrings aufgeklebt sind.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass in den Lagerringen Taschen vorgesehen sind und dass zumindest die Sensoren, welche Verformungen in einem Lagerring erfassen, in Taschen angeordnet sind. Abgesehen davon, dass durch die Lage von Sensoren in Taschen die Sensoren vor äußeren Einflüssen besonders geschützt angeordnet sind, kann durch die Tiefe der Taschen die Distanz zu den Wälzkörpern verkürzt werden, was durch den dann geringen Abstand zu den Wälzkörpern hilft, Verformungen in den Lagerringen nahe den Wälzkörpern zu erfassen.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Zeichnungen sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Rundtischlagers;
- 2 ein zweite Ausführungsform eines Rundtischlagers;
- 3 eine dritte Ausführungsform eines Rundtischlagers,
- 4 eine vierte Ausführungsform eines Rundtischlagers;
- 5 eine Draufsicht auf ein Rundtischlager.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Die 1 zeigt ein Rundtischlager 1 mit einem inneren Lagerring 2, mit einem äußeren Lagerring 3, mit in drei Reihen angeordneten Wälzkörpern 4.1, 4.2, 4.3, die auf von den Lagerringen 2, 3 bereitgestellten Laufbahnen 5.1, 5.2 - 5.6 abrollen. Dabei bilden bezogen auf die Drehachse DA des Rundtischlagers 1 die Reihen Wälzkörper 4.1 und 4.3 jeweils eine Axialabstützung, während die Reihe von Wälzkörper 4.2 die Radialabstützung übernimmt. Wie bei einem vorgespannten Rundtischlager 1 üblich, sind der äußere Lagerring 3 und der innere Lagerring 2 vorgespannt zueinander angeordnet, das heißt, dass der äußere Lagerring 3 unter Vorspannung am inneren Lagerring 2 angeordnet ist. Diese Vorspannung spannt damit zwangsläufig auch die entsprechenden Axial- und Radiallager vor, so dass durch die damit bewirkte Beseitigung von Lagerspiel auf mit vorgespannten Rundtischlagern versehenen Rundtischen hochpräzise Werkstücke beispielsweise durch Anwendung von mechanischen Abtragverfahren gefertigt werden können.
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Ferner kann 1 schematisch entnommen werden, dass der innere Lagerring 2 von einer Antriebsanordnung 6 in Drehung versetzt werden kann. Folglich bildet der äußere Lagerring 3 den stehenden Lagerring, welcher beispielsweise mit einem nicht gezeigten Gestell einer Bearbeitungsmaschine verbunden ist. Die jeweilige, von der in 1 nur schematisch gezeigten Antriebsanordnung 6 gewünschte Drehzahl des inneren Lagerrings 2 wird von einer Steuer- und einer Regeleinrichtung 7 eingeregelt und überwacht.
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Wie bereits ausgeführt, kommt es aufgrund der Lagerreibung zu einer stärkeren Erwärmung des äußeren Lagerrings 3, verglichen mit dem inneren Lagerring 2. Dafür ist maßgeblich, dass verglichen mit dem äußeren Lagerring 3 der innere Lagerring 2 ein größeres Volumen aufweist und daher die von der Lagerreibung ausgehende Wärme deutlich besser abführen kann. Diese unterschiedlich gute Wärmeableitung hat zur Folge, dass sich der äußere Lagerring 3 gegenüber dem inneren Lagerring 2 mehr ausdehnt, was zur Folge hat, dass die beispielsweise bei Raumtemperatur gegebene Vorspannung mit zunehmendem Betrieb des Rundtischlagers 1 beseitigt wird.
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Um diese Veränderungen in der Vorspannung des Rundtischlagers 1 aufzunehmen, ist im Ausführungsbeispiel gemäß
1 ist der äußere Lagerring 3 mit einer umlaufenden Tasche 13 versehen, die in eine der Stirnflächen 12 des äußeren Lagerrings 3 eingebracht ist. In dieser Tasche 13 sind, wie
3 zeigt, drei Sensoren 8.1 angeordnet, wobei jeder dieser Sensoren 8.1 einen Winkelbereich von etwas weniger als 120° der umlaufenden Tasche 13 ausfüllt. Jeder dieser Sensoren 8.1 ist als Widerstandssensor in der Form eines Dehnungsmessstreifens ausgebildet. Erwärmt sich im Laufe des Betriebs der äußere Lagerring 3 gegenüber dem inneren Lagerring 2 stärker aus, vergrößert der äußere Lagerring 3 und mit ihm auch die umlaufende Tasche 13 ihren Umfang. Diese Umfangsvergrößerung führt zwangsläufig auch zu einer Längung des Sensors 8.1. bzw. Dehnungsmessstreifens, da der Sensor 8.1 beispielsweise durch Kleben in die Tasche mit der Tasche 13 fest verbunden ist. Mit der Längung des Sensors 8.1 bzw. des Dehnungsmessstreifens erhöht sich gegenüber dem nichtgelängten Sensor 8.1 bzw. Dehnungsmesssteifen der elektrische Widerstand von im Sensor 8.1 verlaufenden Drähten. Folglich kann der Grad der Erhöhung des elektrischen Widerstands auf einen auf den Sensor 8.1 bzw. den Dehnungsmessstreifen applizierten elektrischen Strom als Maßverkörperung für eine Umfangsvergrößerung herangezogen werden und als Maß für die Abnahme der quer zum Verlauf der Drehachse DA des Rundtischlagers verlaufenden Vorspannung benutzt werden. Ob man für die Beurteilung der Vorspannung die Umfangsvergrö-ßerung oder den Durchmesseranstieg im äußeren Lagerring 3 heranzieht. ist gleichgültig, weil der Durchmesser D als eine Ausdrehung in Richtung quer zur Drehachse DA und der Umfang U des Rundtischlager 1 bzw. seiner beiden Lagerringe 2, 3 über die bekannte Beziehung
in direkter Beziehung stehen.
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Um den Umfang des Verlustes an Vorspannung im Rundtischlager bestimmen zu können, sind die drei Sensoren 8.1 mit einer Auswerteanordnung 9 verbunden. Diese Auswerteanordnung 9 die im vorliegenden Ausführungsbeispiel Teil der Steuer- und Regelanordnung 7 ist, vergleicht den sich einstellenden Umfangs- oder Durchmesseranstieg im äußeren Lagerring 3 mit einem hinterlegten Sollwertbereich, der für das verwendete vorgespannte Rundtischlager einen Wertebereich aufspannt, innerhalb dessen für das Rundtischlager noch mit einer Vorspannung gerechnet werden kann. Ergibt sich, dass unter Berücksichtigung des sich einstellenden Umfangs- oder Durchmesseranstiegs und des verwendeten vorgespannten Rundtischlagers 1 dies zumindest einen Teil seiner Vorspannung verloren hat, kann dies dazu führen, dass für nachfolgende Prozessschritte, die auf dem Rundtisch aufgeführt werden sollen, die Drehzahl des inneren Lagerrings 2 der antreibenden Antriebsanordnung 6 mittels der Steuer- und Regeleinheit 7 entweder reduziert oder gar ganz auf null gesetzt wird, denn eine Drehzahlreduktion hat zur Folge, dass dadurch die Reibung gemindert und der Wärmeeintrag ins Rundtischlager 1 reduziert und gleichzeitig eine zwischenzeitlich verlorene oder geminderte Vorspannung wieder hergestellt wird.
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Natürlich lässt sich dieses Wirkprinzip auch umkehren. Ergibt sich nämlich, dass ein sich einstellender Umfangs- oder Durchmesseranstieg relativ gering ist bzw. einen bevorzugten Sollwertbereich nicht erreicht, kann eine solche Gegebenheit genutzt werden, um durch eine Erhöhung der Drehzahl des inneren Lagerrings 2 den Wärmeeintrag ins Rundtischlager 1 zu erhöhen bzw. in den Sollwertbereich zu verschieben.
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Wie die Ausführungsform gemäß 1 zeigt, ist neben den drei Sensoren 8.1 (5) auch noch ein Temperatursensor 10 in der Tasche 13 des äußeren Lagerrings 3 angeordnet und ebenso wie die Sensoren 8.1 elektrisch mit der Auswerteanordnung 9 verbunden. Dieser Temperatursensor 10, welcher in allen Ausführungsbeispielen lediglich ein optionaler Sensor ist, dient nicht dazu, über die gemessenen Temperaturen Aussagen über den Grad des äußeren Lagerrings 3 zu treffen, sondern die Plausibilität der von den Sensoren 8.1 aufgenommenen Werte zu verifizieren.
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Die Ausführungsform gemäß 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 1 dadurch, dass bei dem Rundtischlager 1 gemäß 2 nicht der innere sondern der äußere Lagerring 3 von einer Antriebsanordnung 6, welche auch hier nur schematisch gezeigt ist, in Rotation verbracht wird. Um die jeweiligen Grade des Verlustes an Vorspannung im Rundtischlager 1 in einfacher Weise zu erfassen, ist im inneren Lagerring 2 eine Tasche 13 eingebracht, welche den oder die Sensoren 8.2 aufnimmt. Diese Sensoren 8.2 sind auch in diesem Ausführungsbeispiel Dehnungsmessstreifen. Im Unterschied zu den Sensoren 8.1 bzw. Dehnungsmessstreifen verlaufen die Widerstandsdrähte in den Sensoren 8.2 bzw. Dehnungsmessstreifen gerade in Richtung der Drehachse DA des Rundtischlagers 1. Dadurch kann der sich einstellende Widerstandswert direkt, also ohne große Umrechnung, zur Bestimmung der Vorspannung des Rundtischlagers 1 herangezogen werden.
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Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, dass bei einem drehenden äußeren Lagerring 3 die Anbringung der Sensorik am inneren Lagerring 2 nicht zwingend ist. So kann bei einem drehenden äußeren Lagerring 3 in diesem auch eine Sensorik entsprechend 1 vorgesehen werden, wenn etwa über schleifende Kontakte und dem damit verbundenen Mehraufwand die Kontaktierung der Sensoren 8.1, 10 sichergestellt wird.
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Die Ausführungsform gemäß 3 lehnt sich an die Ausführungsform gemäß 1 an und hat daher wie diese einen angetriebenen inneren Lagerring 2. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 sind gemäß 3 die Sensoren 8.1, 10 nicht in aufwändig hergestellten, abgesenkten Taschen 13 des äußeren Lagerrings 3 angebracht, sondern direkt auf einer der beiden Stirnflächen 11 des äußeren Lagerrings 2 durch Aufkleben befestigt. Mit dem Bezugszeichen 8.1', welches einen Sensor 8.1 entsprechend 1 oder 3 zum Gegenstand hat, wird in 3 angedeutet, dass bei nicht störenden An- und Umbauteilen auch die radial äußere Mantelfläche 12 des äußeren Lagerrings 2 mit Sensoren 8.1, 13 versehen sein kann.
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Bei der Ausführungsform gemäß 4 ist entsprechend der Ausführung gemäß 2 der äußere Lagerring 3 von einer Antriebsanordnung 6 angetrieben. Um den Aufwand für die Kontaktierung der Sensoren 8.2, 10 zu minimieren, sind hier die Sensoren 8.2., 10 direkt, also ohne Bereitstellung von die Sensoren 8.2, 10 aufnehmenden Taschen 13, am stehenden inneren Lagerring 3 angebracht.
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Wie schon im Zusammenhang mit 1 ausgeführt und im Zusammenhang mit 5 gezeigt, sind drei Sensoren 8.1 am äußeren Lagerring 3 zur Aufnahme des Verlustes oder der Veränderung von Vorspannung im Rundtischlager 1 vorgesehen. Verzichtet ein Rundtischlager 1 entsprechend den Ausführungen gemäß 2 und 4 auf jedwede Sensorik 8.1, 10 im äußeren Lagerring 3, ist es vorteilhaft, eine Mehrzahl an Sensoren 8.2 am inneren Lagerring 2 vorzusehen und symmetrisch am inneren Lagerring 2 zu positionieren. Eine derartige Positionierung von Sensoren 8.2 am inneren Lagerring 3 ist in 5 durch die gestrichelt dargestellten Sensoren 8.2 veranschaulicht.
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Durch den äquidistanten Abstand der Sensoren 8.1, 8.2 in Umfangsrichtung des Rundtischlagers 1 lassen sich durch den Vergleich der verschiedenen Messwerte auch Aussagen über einen denkbaren Schiefstand des Rundtischlagers 1 machen, indem die Messwerte der verschiedenen Sensoren 8.1 oder 8.2 verglichen werden und Abweichungen beispielsweise als Indiz für einen Schiefstand des entsprechenden Lagerrings herangezogen werden.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmale definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rundtischlager
- 2
- innerer Lagerring
- 3
- äußerer Lagerring
- 4.n
- Wälzkörper
- 5.n
- Laufbahnen
- 6
- Antriebsanordnung
- 7
- Steuer- und Regeleinheit
- 8.n
- Sensoren Auswerteanordnung
- 9
- Auswerteanordnung
- 10
- Temperatursensor
- 11
- Mantelfläche
- 12
- Stirnfläche
- 13
- Tasche
- DA
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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