DE102021200866A1

DE102021200866A1 - Sensoranordnung, Linearvorrichtung und Verfahren

Info

Publication number: DE102021200866A1
Application number: DE102021200866.6A
Authority: DE
Inventors: Carsten Mueller; Johannes Muehlfeld; Christoph Janssen; Sebastian Unsleber; Yannick Rumpel; Ricardo Ehrenpfordt; Ahmad Mansour; Max Schellenberg; Philipp Jung
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2022-08-04
Also published as: CN114838800A

Abstract

Offenbart ist eine Sensoranordnung für eine Linearvorrichtung. Diese hat zumindest einen Sensor zum Messen von einem Vibrationssignal der Linearvorrichtung. Eine Steuereinheit in Form eines Mikrocontrollers ist mit dem Sensor verbunden. Diese ist derart eingerichtet, dass anhand des Rohsignals des Sensors die Beschleunigung der Linearvorrichtung ermittelt wird. Des Weiteren ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass diese prüft, ob ein Integral zumindest eines Abschnitts der Beschleunigung eine Beschleunigungshürde überschreitet, wobei die Beschleunigungshürde adaptiv anpassbar ist. Bei Überschreiten der Beschleunigungshürde bewertet die Steuereinheit die erfasste Beschleunigung der gerade gemessenen Fahrt der Linearvorrichtung.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für eine Linearvorrichtung, um einen Zustand der Linearvorrichtung zu überwachen. Außerdem betrifft die Erfindung eine Linearvorrichtung mit einer derartigen Sensoranordnung und ein Verfahren, das mit der Sensoranordnung durchgeführt wird.
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik sind MEMS (mikro-elektro-mechanische Systeme) bekannt. Diese können zur Detektion von Beschleunigungen, Drehraten, Magnetfeldern und Umgebungsbedingungen wie Luftdruck, Temperatur und Feuchte eingesetzt werden. Adressiert werden dabei beispielsweise Anwendungen aus dem Automobilbereich, wie das elektronische Stabilitätsprogramm oder eine Auslösung von Airbags. Außerdem erfolgt ein Einsatz bei Consumer-Anwendungen, beispielsweise im Bereich Smartphone und Tablet. Industrie 4.0, die einen Teilbereich des Internets der Dinge darstellt, adressiert unter anderem die Digitalisierung und Vernetzung von Vorrichtungen, Komponenten und Anlagen. Als Basis dienen Sensoren, welche beispielsweise einen Verschleiß eines Motors detektieren können. Auf Basis einer Datenanalyse der Sensordaten kann eine zielgerichtete, vorausschauende Wartung ermöglicht werden und es können ungeplante Stillstände reduziert werden.
Für Sensoren im Industrieumfeld sind insbesondere drei Messverfahren bekannt: kontinuierliches Messen, Messen in zeitlichen Intervallen oder Messen nach einem Trigger, welcher von einem Steuerungssystem stammt. Das kontinuierliche Messen führt zu erheblichen Datenmengen und enthält für eine Auswertung eine Vielzahl irrelevanter Daten. Außerdem ist bei einem kontinuierlichen Messen nachteilig, dass dies einen kontinuierlichen Energieverbrauch verursacht. Somit ist dieses für kabellose Systeme nicht geeignet. Beim Messen in zeitlichen Intervallen misst der Sensor für die vorgegebene Dauer in vorgegebenen Intervallen. Vorteilhaft hierbei ist die Vermeidung großer Datenmengen. Allerdings ist dies nur für Anwendungen in stationären Prozessen geeignet, beispielsweise bei Motoren mit einer konstanten Drehzahl. Für Anwendungen mit variablen Prozessen, wie beispielsweise in Werkzeugmaschinen, ist diese Art von Messung nicht geeignet. Die dritte Methode funktioniert besonders zuverlässig mit einem direkten Signal von der Steuerung (Maschinentrigger), welches eine Messung im Sensor auslöst. Mit dieser Methode liefert der Sensor nur die relevanten Daten. Die Bereitstellung des Triggersignals durch das Steuerungssystem führt zu einem hohen vorrichtungstechnischen Aufwand bei der Applikation der Sensorik, da Steuerungsbefehle hardwareseitig implementiert werden müssen, und es ist eine zusätzliche Elektronik im Sensor erforderlich. Für kabellose Sensoren ist diese Methode nicht geeignet und für kabelgebundene Sensoren vergleichsweise aufwändig.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung für eine Linearvorrichtung zu schaffen, mit der auf vorrichtungstechnisch einfache Weise und kostengünstig eine Zustandsüberwachung der Linearvorrichtung ermöglicht ist. Des Weiteren soll eine Linearvorrichtung der Sensoranordnung geschaffen werden. Außerdem soll ein Verfahren geschaffen werden, das mit der Sensoranordnung durchgeführt wird, und mit dem eine vorrichtungstechnisch einfache und kostengünstige Überwachung der Linearvorrichtung ermöglicht ist.
Diese Aufgabe hinsichtlich der Sensoranordnung wird gelöst gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, hinsichtlich der Linearvorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13 und hinsichtlich des Verfahrens gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Sensoranordnung für eine Linearvorrichtung, insbesondere für einen Kugelgewindetrieb oder für eine Profilschienenführung, vorgesehen. Die Sensoranordnung hat zumindest einen Sensor, beispielsweise einen Vibrations- und/oder Beschleunigungssensor. Der Sensor dient zum Messen von Beschleunigungen und Vibrationen der Linearvorrichtung. Außerdem weist die Sensoranordnung zumindest eine Steuereinheit, insbesondere einen Mikrocontroller, auf. Diese ist zur Kommunikation mit dem Sensor verbunden. Die Steuereinheit ist vorzugsweise derart eingerichtet ist, dass diese auf Basis der Vibration und/oder der Beschleunigung bewertet, ob eine gültige Fahrt einer bewegbaren Komponente der Linearvorrichtung vorliegt. Des Weiteren kann eine adaptiv anpassbare Hürde für eine aus dem Messsignal abgeleiteten physikalischen Größe, beispielsweise eine Beschleunigung, insbesondere der als gültig erkannten Fahrt, vorgesehen sein. Die Steuereinheit kann weiter derart eingerichtet sein, dass diese bei Erreichen und/oder bei Überschreiten der Hürde durch die physikalische Größe das Messsignal der als gültig angesehenen Fahrt auswertet. Durch die Prüfung, ob eine gültige Fahrt vorliegt, und zusätzlich durch die Prüfung der Hürde erfolgt eine erhebliche Reduzierung der Datenmenge sowie des Kommunikationsverkehrs und des Rechenaufwands.
Die Sensoranordnung kann somit anhand der Vibration und/oder Beschleunigung ermitteln, ob eine gültige oder gewünschte Fahrt der Linearvorrichtung vorliegt, also beispielsweise eine Fahrt einer Führungskomponente, beispielsweise in Form eines Führungswagens auf einer Führungsschiene. Somit kann dann beispielsweise erst im Anschluss nach dem Erkennen einer Fahrt, eine vergleichsweise aufwendige Bewertung des Messsignals vorgenommen werden, aus der Rückschlüsse über den Zustand der Linearvorrichtung gezogen werden können. Mit anderen Worten wird mit geringem Ressourcenaufwand zunächst anhand der Vibration und/oder Beschleunigung festgestellt, ob eine aufwändigere Auswertung des Sensorsignals zum Bewerten einer Fahrt notwendig ist. Durch die Hürde wird weiter vorteilhafterweise nur ein Teil der erfassten Messsignale von unterschiedlichen Fahrten der Linearvorrichtung für die weitere Auswertung herangezogen, was den Datenaufwand weiter deutlich reduziert. Durch die adaptiv anpassbare Hürde kann diese bspw. bei zu wenig ausgewerteten Fahrten gesenkt werden oder umgekehrt bei vergleichsweise viel ausgewerteten Fahrten erhöht werden. Dies erfolgt vorzugsweise automatisch durch die Steuereinheit, insbesondere anhand einer oder mehrerer Kriterien. Mit Hilfe einer adaptiven Hürde, wird somit vorteilhafterweise nur eine begrenzte Anzahl von gültigen Fahrten für die Auswertung verwendet, um eine Datenmenge, eine Kommunikation und einen Rechenaufwand zu reduzieren.
Vorzugsweise ist als Hürde eine adaptiv anpassbare Beschleunigungshürde vorgesehen ist. Die Steuereinheit ist derart eingerichtet, dass beim Erreichen und/oder Überschreiten der Beschleunigungshürde von zumindest einem Teil der vom Sensor erfassten physikalischen Größe in Form einer Beschleunigung, insbesondere einer gültigen Fahrt, oder eines Integrals zumindest eines Teils der Beschleunigung, über die Zeit insbesondere einer gültigen Fahrt, die Beschleunigung von der Steuereinheit für eine Bewertung oder für eine weitere Auswertung verwendet ist.
Mit Vorteil ist die Steuereinheit derart eingerichtet ist, dass diese die adaptive Hürde, insbesondere die Beschleunigungshürde, insbesondere um eine bestimmten Wert, erhöht, wenn diese, wie vorstehend erläutert, bei einer, insbesondere gültigen Fahrt, erreicht und/oder überschritten ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit derart eingerichtet ist, dass diese die adaptive Hürde, insbesondere die Beschleunigungshürde absenkt, insbesondere um einen bestimmten Wert, wenn diese bei einer vorbestimmten Zahl an, insbesondere gültigen, Fahrten nicht erreicht und/oder überschritten ist. Somit kann auf einfache Weise eine adaptive Hürde oder Beschleunigungshürde geschaffen werden.
Wie vorstehend bereits erläutert kann die Steuereinheit kann derart eingerichtet sein und der Sensor derart angeordnet sein, dass die Steuereinheit anhand des Messsignals des Sensors eine Vibration der Linearvorrichtung ermittelt. Denkbar wäre, dass das Messsignal als Vibrationssignal ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass die Ermittlung der Vibration aus dem Messsignal vorrichtungstechnisch äußerst einfach ist und geringen Aufwand, beispielsweise Rechenaufwand, erfordert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann zusätzlich eine Beschleunigungsschwelle vorgesehen sein. Die Steuereinheit ist dann vorzugsweise derart eingerichtet, dass bei Erreichen und/oder Überschreiten dieser Schwelle die Steuereinheit die Vibration ermittelt und/oder bewertet. Anhand der Vibration kann, wie vorstehend erläutert, festgestellt werden, ob eine Fahrt vorliegt. Die Beschleunigung wird aus dem vom Sensor ausgegebenen Messsignal ermittelt, um festzustellen, ob die Beschleunigung, beispielsweise der Führungskomponente, die Beschleunigungsschwelle erreicht und/oder überschreitet. Somit liegt eine zweistufige Kontrolle mit zwei unterschiedlichen Größen, nämlich der Beschleunigung und der Vibration vor. Erst nach der zweistufigen Kontrolle führt die Steuereinheit die vergleichsweise aufwändige Bewertung oder Untersuchung der Fahrt, beispielsweise des Führungswagens, insbesondere zunächst hinsichtlich der Hürde oder Beschleunigungshürde, durch. Somit ist die Wahrscheinlichkeit gering, das von der Steuereinheit Daten des Messsignals ausgewertet werden, die eine Störung betreffen. Es ist somit zwar aufgrund der zweistufigen Kontrolle eine etwas höherer Auswertaufwand, da aber eine höhere Zahl an Fehlfahrten oder Störungen erkannt wird, können Daten und Energie eingespart werden. Denkbar wäre auch erst die Vibration zu bewerten und im Anschluss die Bewertung anhand der Beschleunigungsschwelle durchzuführen. Als erstes die Beschleunigungsschwelle zu berücksichtigen hat den Vorteil, dass beispielsweise vom Sensor nach Überschreiten der Beschleunigungsschwelle ein Unterbrechungssignal ausgegeben werden kann, was untenstehend näher erläutert ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Sensoranordnung als Modul ausgebildet. Das Modul ist dabei vorzugsweise derart ausgestaltet, dass es an der Linearvorrichtung, insbesondere an der verfahrbaren Führungskomponente der Linearvorrichtung, befestigbar ist. Die Kombination der modulartigen Ausgestaltung zusammen mit der Bewertung der Vibration und bei Bedarf auch zusammen mit der Bewertung der Beschleunigungsschwelle führt dazu, dass die Sensoranordnung vergleichsweise geringe Ressourcenanforderungen hat, nämlich einen geringen Energieaufwand und einen geringen Rechenaufwand. Hardwarekomponenten der Sensoranordnung, wie beispielsweise die Steuereinheit und eine Energiewelle, können somit vergleichsweise kompakt und bauraumsparend ausgestaltet werden und eignen sich für eine modulartige Anordnung.
Da die Steuereinheit eine vergleichsweise geringe Rechenleistung aufweisen muss, da im Wesentlichen nur gültige Fahrten bewertet werden, kann diese vorzugsweise vorrichtungstechnisch einfach als Mikrocontroller ausgebildet sein.
Vorzugsweise wird zur Bewertung einer Vibration ein oder mehrere Vibrationsmerkmal/e anhand des Messsignals oder Rohsignals des Sensors berechnet. Beispielsweise kann aus dem Messsignal des Sensors ein Mittelwert gebildet werden. Denkbar wäre auch, aus diskreten Werten oder Bereichen des Messsignals, insbesondere des Rohsignals oder des Spektrums, jeweils einen Mittelwert zu bilden, wobei ein jeweiliger Mittelwert ein Vibrationsmerkmal darstellen kann. Alternativ oder zusätzlich wäre denkbar als Vibrationsmerkmal ein quadratisches Mittel oder Root-Mean-Square (RMS) aus dem Messsignal oder aus einem diskreten Abschnitt des Messsignals des Sensors zu erfassen. Ein derartiges Vibrationsmerkmal kann mit vergleichsweise geringem Rechenaufwand ermittelt werden. Somit können einfach ein oder mehrere Vibrationsmerkmale genutzt werden, um gültige Fahrten von Fehlererkennungen, beispielsweise durch Beschleunigungs-Störprofile, die einem Fahrtbeginn ähnlich sind, zu unterscheiden.
Die Steuereinheit ist vorzugsweise derart eingerichtet, dass anhand der Vibrationsmerkmale eine ansteigende Vibration erkennbar ist, um daraus auf eine Fahrt oder gültige Fahrt zu schließen. Somit kann beispielsweise nach einer erkannten Startphase ein Anstieg der Vibrationsmerkmale bewertet werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit derart eingerichtet ist, dass bei Erreichen und/oder bei Überschreiten einer Vibrationsschwelle die Fahrt als gültig erkannt wird. Hierdurch ist mit einem äußerst einfachen Kriterium ermöglicht, eine Bewertung durchzuführen. Beispielsweise wird von der Steuereinheit bewertet, ob die Vibration oder zumindest ein Vibrationsmerkmal die Vibrationsschwelle erreicht oder überschreitet. In weiterer Ausführung der Erfindung kann die Vibrationsschwelle von der Steuereinheit in Abhängigkeit von zumindest einem Anpassungsmerkmal anpassbar sein. Werden beispielsweise zu viele Fehlfahrten als gültige Fahrten erkannt, so ist denkbar, die Vibrationsschwelle zu verkleinern. Denkbar wäre auch die Vibrationsschwelle initial bei einem Stillstand der Linearvorrichtung zu ermitteln. Die Vibrationsschwelle könnte dann beispielsweise verkleinert werden, wenn eine kleinere Vibration oder ein kleineres Vibrationsmerkmal gemessen wird, beispielsweise während einer Fahrt oder bei einem anderen Stillstand.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Steuereinheit vorzugsweise derart eingerichtet, dass diese eine Beschleunigung der bewegbaren Komponente der Linearvorrichtung aus dem Messsignal anhand eines Filters extrahiert. Somit kann beispielsweise nach dem Prüfen der Vibration die Beschleunigung ermittelt werden, insbesondere wenn eine gültige Fahrt erkannt wird. Als Filter eignet sich beispielsweise ein Tiefpassfilter. Denkbar ist, dass die Beschleunigung diskretisiert ist. Außerdem können aus der gefilterten Beschleunigung, insbesondere diskretisierte, Beschleunigungsmerkmale gebildet werden. Diese werden beispielsweise entsprechend der Vibrationsmerkmale, insbesondere durch Mittelung, gebildet. Die Steuereinheit prüft vorzugsweise anhand dieser Beschleunigung oder dieser Beschleunigungsmerkmale, ob die Hürde oder Beschleunigungshürde erreicht und/oder überschritten ist. Hierfür wird, wie bereits angeführt, vorzugsweise in Integral eines Abschnitts der Beschleunigung, beispielsweise einer Startphase, verwendet. Vorzugsweise ist das zumindest eine Vibrationsmerkmal oder sind die Vibrationsmerkmale und/oder ist das zumindest ein Beschleunigungsmerkmal oder sind die Beschleunigungsmerkmale mit einem gleitenden Mittelwert gemittelt, wodurch Schwankungen der Merkmale reduziert sind. Hierdurch kann eine einfachere Auswertung erfolgen.
Der Sensor kann derart ausgestaltet sein, dass dieser eine Vibration entlang zumindest einer Messachse messen kann. Vorzugsweise erstreckt sich die Messachse entlang der Fahrtrichtung der bewegbaren Führungskomponente der Linearvorrichtung. Es hat sich gezeigt, dass hierdurch ein zuverlässiges Messsignal erfassbar ist.
Die Sensoranordnung ist vorzugsweise als Mikro-Electro-Mechanical System (MEMS) ausgebildet.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sensor eingerichtet sein, ein Unterbrechungssignal oder Interrupt-Signal oder Slope-Interrupt, insbesondere über einen Interrupt-Generator, auszugeben. Dies erfolgt vorzugsweise, wenn die Beschleunigungs- und/oder Vibrationsschwelle erreicht und/oder überschritten wird. Mit anderen Worten kann nach Überschreiten einer bestimmten gemessenen Beschleunigung ein Unterbrechungssignal ausgegeben werden. Vorzugsweise ist die Steuereinheit derart ausgestaltet, dass diese durch das Unterbrechungssignal aktiviert oder eingeschaltet wird. Somit kann weiter Energie eingespart werden. Eine derartige vom Sensor ausgelöste Triggerung ist vorrichtungstechnisch einfach umsetzbar im Vergleich zu einer von einer Steuerung ausgegebenen Trigger (Maschinentrigger).
Besonders bevorzugt ist/sind die Beschleunigungs- und/oder die Vibrationsschwelle von der Steuereinheit adaptiv anpassbar. Beispielsweise, falls - trotz Beschleunigungsschwelle und/oder Vibrationsschwelle - Bewegungen der Führungskomponente als nicht relevante Fahrten erkannt werden, kann die Schwelle bzw. können die Schwellen verringert werden. Umgekehrt wäre denkbar, falls praktisch keine Fehlerkennungen vorliegen, die Schwelle oder Schwellen zu erhöhen. Vorzugsweise ist die Größe der Beschleunigungsschwelle und/oder der Vibrationsschwelle abhängig von der Anzahl der Fahrten, insbesondere während einer bestimmten Zeitspanne, die von der Steuereinheit als durchgeführte Fahrten erkannt sind. Zur Bewertung des Komponentenzustands sind nicht alle gültigen erkannten Fahren gleich gut geeignet; gleichzeitig ist es aufgrund der üblichen Lebensdauer der Komponente auch nicht nötig jede Fahrt auszuwerten. Um die Datenmenge zu reduzieren und die Zustandsbewertung zu optimieren wird deswegen eine weitere Bewertung der Fahrt durchgeführt. Dies geschieht mit Hilfe der Bewertung des Beschleunigungsprofils. Die Kriterien zu Bewertung werden je nach Anzahl und Qualität der aufgenommenen Fahrten kontinuierlich automatisch angepasst.
Bei einer bevorzugten Lösung ist zumindest ein Abschaltkriterium für die Steuereinheit vorgesehen. Die Steuereinheit wird bei Erreichen des Abschaltkriteriums abgeschaltet oder deaktiviert und kann dann beispielsweise durch das Unterbrechungssignal des Sensors wieder aktiviert werden. Als Abschaltkriterium kann beispielsweise eine bestimmte Zeitspanne vorgesehen sein, in der eine Beschleunigung und/oder Vibration unterhalb der der Schwelle oder jeweiligen Schwelle liegt. Das Unterbrechungssignal kann somit die Steuereinheit aus einem Ruhezustand aktivieren. Mit anderen Worten setzt sich die Steuereinheit in Abhängigkeit von zumindest einer vorgegebenen Bedingung in einen Ruhe- oder Schlafzustand.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Sensoranordnung eine eigene Energiequelle aufweist. In diesem Zusammenhang ist ein Unterbrechungssignal des Sensors äußerst vorteilhaft, da die Sensoranordnung äußerst energiesparend betrieben werden kann. Durch die Schwelle oder die Schwellen wird der aufzuwendende Rechenaufwand im Vergleich zum Stand der Technik weiter reduziert, was zusätzlich zu Energieeinsparungen führt. Somit kann eine vergleichsweise kleine und bauraumsparende Energiequelle eingesetzt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Messsignal des Sensors kontinuierlich von der Steuereinheit erfasst ist. Bei Überschreiten der Beschleunigungs- und/oder der Vibrationsschwelle kann dann die Steuereinheit auf Basis der Vibration, insbesondere des zumindest eines Vibrationsmerkmals, bewerten, ob eine Fahrt, insbesondere eine gültige oder gewünschte Fahrt, der Linearvorrichtung vorliegt. Ein derartiges System ist äußerst vorteilhaft, wenn eine externe Energieversorgung vorliegt.
Erfindungsgemäß ist eine Linearvorrichtung vorgesehen, welche eine Sensoranordnung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Aspekte aufweist. Diese kann die Führungskomponente in Form eines Führungswagens haben. Die Führungskomponente kann auf einem Führungsbauteil geführt sein, wobei es sich hierbei um eine Führungsschiene handeln kann. Der Führungswagen hat vorzugsweise ein Gehäuse, das die Sensoranordnung aufweist. Beispielsweise ist die Sensoranordnung, insbesondere als Modul, auf einer in Längsrichtung weisenden Seite des Führungswagens angeordnet. Denkbar wäre auch, dass die modulartige Sensoranordnung die Führungsschiene übergreift oder teilweise umfasst oder vollständig umfasst, wobei die Sensoranordnung vorzugsweise keinen direkten Kontakt mit der Führungsschiene hat. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Führungskomponente als Gewindemutter und das Führungsbauteil eine Führungsspindel ist. Die modulartige Sensoranordnung kann dann an der Gewindemutter angeordnet sein. Die Sensoranordnung ist dabei beispielsweise axial an der Gewindemutter angeordnet, also beispielsweise an einer in Axialrichtung entlang der Führungsspindel weisenden Stirnseite der Gewindemutter. Die Sensoranordnung kann die Führungsspindel übergreifen und teilweise umfassen oder vollständig umfassen, wobei die Sensoranordnung vorzugsweise keinen direkten Kontakt mit der Führungsspindel hat.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren vorgesehen, das mit der Sensoranordnung gemäß einem oder mehreren der vorgenannten Aspekte ausgeführt wird.
Offenbart ist eine Sensoranordnung für eine Linearvorrichtung. Diese hat zumindest einen Sensor zum Messen von einem Vibrationssignal der Linearvorrichtung. Eine Steuereinheit in Form eines Mikrocontrollers ist mit dem Sensor verbunden. Diese ist derart eingerichtet, dass anhand des Rohsignals des Sensors die Beschleunigung der Linearvorrichtung ermittelt wird. Des Weiteren ist die Steuereinheit derart eingerichtet, dass diese prüft, ob ein Integral zumindest eines Abschnitts der Beschleunigung eine Beschleunigungshürde überschreitet, wobei die Beschleunigungshürde adaptiv anpassbar ist. Bei Überschreiten der Beschleunigungshürde bewertet die Steuereinheit die erfasste Beschleunigung der gerade gemessenen Fahrt der Linearvorrichtung.
Figurenliste
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a und 1b jeweils in einer perspektivischen Darstellung eine Linearvorrichtung mit einer Sensoranordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel,
2 in einem Zeit-Amplituden-Diagramm ein Rohsignal eines Sensors der Linearvorrichtung aus 1a und 1b und ein daraus ermitteltes Beschleunigungsprofil der Linearvorrichtung,
3 in einem Zeit-Amplituden-Diagramm Ausschnitte aus dem Beschleunigungsprofil der 2 bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten in einer Führungskomponente der Linearvorrichtung,
4 in einem Zeit-Amplituden-Diagramm Beispiele für unterschiedliche Beschleunigungsprofile in der Beschleunigungsphase,
5 in einem Messanzahl-Amplituden-Diagramm beispielhaft ein Beschleunigungsprofil der Linearvorrichtung aus 1a und 1b,
6 in einem Flussidagramm vereinfacht ein Verfahren zur Erkennung einer gültigen Fahrt der Linearvorrichtung aus 1a und 1b,
7 in einem Zeit-Beschleunigungs-Diagramm ein Rohsignal des Sensors und ein daraus ermitteltes Beschleunigungsprofil,
8 in einem Messanzahl-Beschleunigungs-Diagramm eine diskretisierte Darstellung der Beschleunigung und der gefilterten Beschleunigung der Führungskomponente der Linearvorrichtung aus 1a und 1b,
9 in einem Messanzahl-Vibrations-Diagramm eine diskretisierte Darstellung der Vibration und der gefilterten Vibration der Führungskomponente der Linearvorrichtung aus 1a und 1a,
10 in einem vereinfachten Flussdiagramm ein Messverfahren einer Steuereinheit der Linearvorrichtung aus 1a und 1b,
11 in einem Zeit-Amplituden-Diagramm das Rohsignal des Sensors und das daraus ermittelte Beschleunigungsprofil,
12 ein Verfahren zur adaptiven Anpassung einer Schwelle,
13 in einer Tabelle eine Auswertung mehrerer Fahrten der Linearvorrichtung aus den 1a und 1b, und
14 in einer schematischen Darstellung die Gegenüberstellung von erkannten Fahrten und ausgewerteten Fahrten der Führungskomponente der Linearvorrichtung aus 1a und 1b.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1a zeigt eine Linearvorrichtung mit einer Führungsschiene 2, auf der axial verfahrbar ein Führungswagen 4 angeordnet ist. An einer in Axialrichtung weisenden Stirnseite des Führungswagens 4 ist eine Sensoranordnung 6 befestigt. Diese kragt von dem Führungswagen 4 weg und überragt hierbei die Führungsschiene 2. Die Sensoranordnung 6 ist als Modul ausgebildet und hat ein geschlossenes Modulgehäuse. Dieses ist über Befestigungsmittel an der Stirnseite des Führungswagens 4 befestigt. Der Führungswagen 4 hat eine von der Führungsschiene 2, insbesondere radial, wegweisende Befestigungsfläche 8. Diese liegt in einer Ebene. Die Sensoranordnung 6 ist dabei zwischen der Ebene und der Führungsschiene 2 angeordnet. Somit liegt die Sensoranordnung 6 außerhalb eines Befestigungsraums, der unter anderem durch die Befestigungsfläche 8 aufgespannt wird. In dem Modulgehäuse der Sensoranordnung 6 ist eine Steuereinheit 10, die als Mikrocontroller ausgebildet ist, angeordnet, was in 1a schematisch durch einen Block dargestellt ist. Des Weiteren ist in dem Modulgehäuse optional ein Datenspeicher 12 und/oder eine Kommunikationseinrichtung 14 und/oder eine Energiequelle 16, wie beispielsweise eine Batterie oder ein Akkumulator, vorgesehen. Alternativ oder zusätzlich zur Energiequelle 16 ist denkbar, einen Kabelanschluss zur Energie- und/oder Datenübertragung vorzusehen. Mit der Kommunikationseinrichtung 14 ist vorzugsweise möglich, Daten kabellos an eine externe Steuereinheit und/oder in die „Cloud“ zu übertragen. Außerdem hat die Sensoranordnung 6 einen Sensor 18, der ebenfalls schematisch als Block dargestellt ist. Hierbei handelt es sich um einen Vibrationssensor. Dieser kann Vibrationen in mehreren Achsen messen. Für die Fahrterkennung misst der Sensor 18 zumindest die Vibrationen in Fahrtrichtung, also in Richtung der Führungsschiene 2.
Gemäß 1b ist eine weitere Ausführungsform einer Linearvorrichtung dargestellt. Diese hat eine Führungsspindel 20, auf der eine Gewindemutter 22 angeordnet ist. Die Gewindemutter 22 steht in Eingriff mit einem Gewinde der Führungsspindel 20. An einer in Axialrichtung weisenden Seite der Gewindemutter 22 ist die Sensoranordnung 6 angeordnet. Diese ist hinsichtlich der Komponenten entsprechend der 1a ausgestaltet. Das Modulgehäuse der Sensoranordnung 6 übergreift die Führungsspindel 20.
Bei den Linearvorrichtungen der 1a und 1b handelt es sich bei einer Ausführungsform um ein sogenanntes „Always-On“ System, das eine externe Energieversorgung aufweist. Dieses ist derart eingerichtet, dass es einen Fahrtbeginn der Führungskomponente in Form des Führungswagens 4 oder der Gewindemutter 22 erkennt. Hierfür wird die Vibration der Linearvorrichtung kontinuierlich hoch abgetastet über den Sensor 18 gemessen und ausgewertet. Hat die Vibration eine bestimmte festgelegte Vibrationsschwelle und/oder es wurde eine bestimmte festgelegte Beschleunigungsschwelle, insbesondere von der Beschleunigung und/oder der Vibration, überschritten, wird eine Bewertung der Bewegung der Führungskomponente 4, 22 initiiert. Dabei wird zunächst bewertet, ob es sich um einen Fahrtbeginn der Führungskomponente 4, 22 oder um eine Störvibration handelt. Bei einem Fahrtbeginn befindet sich die Führungskomponente 4, 22 noch im Beschleunigungsprozess. Eine Fahrt kann durch ein ansteigendes fahrtspezifisches Vibrationslevel auf eine Eignung für eine anschließende Monitoring-Messung bewertet werden. Somit können ungültige Fahrten und sonstige Störungen für die Messung ausgeschlossen werden und es werden nur gültige Fahrten für die weitere Bewertung verwendet. Die Bewertung des Vibrationslevels erfolgt beispielsweise dadurch, dass geprüft wird, ob eine Vibrationsschwelle erreicht und/oder überschritten ist, wobei die Vibrationsschwelle adaptiv anpassbar sein kann. Nach Erkennung des Fahrtbeginns kann eine Bewertung der Fahrten erfolgen, falls eine gültige Fahrt erkannt wird.
Für die Bewertung des Komponentenzustands oder der Linearvorrichtung sind in der Regel nicht alle gültigen erkannten Fahrten gleich gut geeignet. Üblicherweise ist es aufgrund der Lebensdauer der Linearvorrichtung auch nicht nötig, jede Fahrt auszuwerten. Um die Datenmenge zu reduzieren und die Zustandsbewertung zu optimieren, wird beispielsweise eine weitere Bewertung der Fahrt durchgeführt, bevor diese vollständig ausgewertet wird. Dies erfolgt vorzugsweise mit Hilfe der Bewertung eines Beschleunigungsprofils, was untenstehend näher erläutert wird. Die Kriterien zur Bewertung können in Abhängigkeit der Anzahl und Qualität der aufgenommenen Fahrten kontinuierlich automatisch angepasst werden.
Alternativ zu dem „Always-On“ System ist denkbar, ein sogenanntes „Low-Power“ System vorzusehen. Dieses ist beispielsweise batteriebetrieben und hat einen Akkumulator. Das System kann vorzugsweise einen Schlafmodus aufweisen. Das „Low-Power“ System weist eine „Wake-up“ Funktion für die Steuereinheit, insbesondere in Form des Mikrocontrollers, auf. Der Sensor 18, s. 1a, ist dabei derart ausgestaltet, dass er energiesparend eine vergleichsweise niedrige Abtastrate in einem sogenannten Low-Power-Modus hat. Der Sensor 18 gibt dabei ein Unterbrechungssignal aus, wenn eine bestimmte Beschleunigung erfolgt oder eine Beschleunigungsschwelle überschritten oder erreicht wird aufgrund beispielsweise eines bestimmten Rucks oder wenn eine bestimmte Vibration erfolgt oder Vibrationsschwelle überschritten oder erreicht wird. Das Unterbrechungssignal aktiviert oder weckt die Steuereinheit 10. Diese kann daraufhin eine hochabgetastete Messung des Sensors 18 initiieren. Die Abtastrate ist hierbei größer als vor der Ausgabe des Unterbrechungssignals. Diese Lösung führt dazu, dass verbrauchsintensive, hochabgetastete Beschleunigungsmessungen nur bei Fahrten mit einer signifikanten Beschleunigung initiiert werden. Nach der Aktivierung der Steuereinheit 10 erfolgt die Bewertung der Fahrt. Ist das Unterbrechungssignal ausgegeben, befindet sich die Führungskomponente 4, 22 noch im Beschleunigungsprozess. Hierbei kann geprüft werden, ob die Vibration, die vom Sensor 18 erfasst wird, die Vibrationsschwelle erreicht oder überschreitet. Die Fahrt kann somit durch das ansteigende fahrspezifische Vibrationslevel auf Eignung für eine anschließende Monitoring-Messung bewertet werden. Somit können ungültige Fahrten und sonstige Störungen für die Messung ausgeschlossen werden und es werden weitestgehend nur gültige Fahrten für weitere Bewertungen verwendet. Die gültigen Fahrten werden dann anschließend anhand des Beschleunigungsprofils auf ihre Relevanz bewertet und zur weiteren Verarbeitung freigegeben. Ist eine Anzahl der gültigen erfassten Fahrten zu hoch oder zu niedrig, wird eine Erkennungsschwelle, beispielsweise die Beschleunigungs- oder Vibrationsschwelle, für das Unterbrechungssignal angepasst. Somit handelt es sich hierbei um eine intelligente adaptive Erkennungsschwelle. Die Beschleunigungs- und/oder Vibrationsschwelle zur Vorselektion der Fahrten kann sich hierbei von der Beschleunigungs- und/oder Vibrationsschwelle für das Unterbrechungssignal unterscheiden.
Durch die adaptiven Schwellen kann die zu verarbeitende Datenmenge signifikant reduziert werden.
Denkbar wäre auch, dass das Unterbrechungssignal über ein weiteres Sensorsignal, wie beispielsweise von einer Lichtschranke, die mit dem Sensor 18 verbunden ist, erzeugt wird. Allerdings ist eine Applikation eines zusätzlichen Sensors üblicherweise einsatzfeldspezifisch und für Linearvorrichtungen eher nicht geeignet, da diese in unterschiedlichen Arten von Maschinen und für unterschiedliche Prozesse eingesetzt werden. Somit ist die Ausgabe des Unterbrechungssignals direkt vom Sensor 18 äußerst vorteilhaft. Mit anderen Worten ist die Ausbildung des Sensors derart, dass dieser in einem Low-Power-Modus mit niedriger Abtastrate ein Unterbrechungssignal basierend auf einer Überschreitung einer bestimmten Vibrationsschwelle oder Beschleunigungsschwelle ausgibt, äußerst vorteilhaft.
2 zeigt ein Rohsignal 24 des Sensors 18 aus 1a. Die Amplitude A des Rohsignals 24 ist hierbei über die Zeit t aufgetragen. Aus dem Rohsignal 24 wird über die Steuereinheit 10 ein Beschleunigungsprofil 26 extrahiert. Hierbei handelt es sich somit um das Beschleunigungsprofil 26 einer erfassten Fahrt der Führungskomponente 4, 22, s. 1a und 1b. Die Extrahierung erfolgt unter Verwendung eines Tiefpassfilters. Des Weiteren kann das Beschleunigungsprofil in fünf Phasen eingeteilt werden. Gemäß 2 ist als Phase 1 ein Stillstand vorgesehen. Phase 2 betrifft eine Beschleunigungs- oder Startphase. Phase 3 sieht eine Fahrtphase, insbesondere mit einer konstanten Geschwindigkeit, vor. Mit Phase 4 ist eine Bremsphase gekennzeichnet und mit Phase 5 eine Stoppphase bis zu einem Stillstandsniveau. In der Phase 2 der Beschleunigung beginnt die Führungskomponente 4, 22 mit der Fahrt und beschleunigt, bis die Zielgeschwindigkeit erreicht ist. Je länger die Beschleunigungsdauer und die Beschleunigung, desto höher ist die erreichte Geschwindigkeit oder Drehzahl. Gemäß 3 sind mehrere Drehzahlen beispielhaft dargestellt, die durch unterschiedlich lange Beschleunigungsphasen erreicht werden. Gemäß 3 sind die Amplituden A dreier unterschiedlicher Beschleunigungsphasen über die Zeit t aufgezeigt. In einer ersten Beschleunigungsphase 28 erfolgt gemäß 3 die kürzeste Beschleunigung, was zu einer Drehzahl von etwa 50 U/min, insbesondere der Führungsspindel 20 aus 1b, führt. Die zweite Beschleunigungsphase 30, die länger als die erste Beschleunigungsphase 28 dauert, führt zu einer Drehzahl von etwa 300 U/min. Eine dritte Beschleunigungsphase 32 dauert am längsten und führt somit zu einer Drehzahl von etwa 1000 U/min.
Gemäß 4 sind beispielhaft unterschiedliche Arten von Beschleunigungsprofilen in der Beschleunigungsphase dargestellt. Die Amplitude A der Beschleunigung ist hierbei über die Zeit t aufgetragen. Gemäß 4 sind vier unterschiedliche Beschleunigungsprofile 34 bis 40 gezeigt.
Die Führungskomponente 4, 22 erreicht in Phase 3 gemäß 2 ihre Zielgeschwindigkeit. Sie bewegt sich dann mit dieser Geschwindigkeit weiter. Eine derartige Phase ist nicht bei allen Fahrten in der Praxis vorhanden. Die Phase 4 gemäß 2 ist die Bremsphase. Hier wird die Geschwindigkeit reduziert und die Führungskomponente 4, 22, siehe 1a und 1b, erreicht ihre Zielposition. In dieser Phase 4 hat das Beschleunigungsprofil 26 ein umgekehrtes Verhalten im Vergleich zur Startphase 2. Allerdings muss die Profilform nicht identisch sein.
5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Beschleunigungsprofils 42. Deren Amplitude A ist über die Messpunkte n aufgetragen. Das Beschleunigungsprofil 42 hat eine Beschleunigungsphase 44. Dieses führt bei einem „Low Power“ System dazu, dass der Sensor 18 das Unterbrechungssignal ausgibt. Außerdem ist gemäß 5 eine Bremsphase 46 erkennbar, die mit dem Ende der Fahrt endet. Ausgehend vom Anfang der Beschleunigungsphase 44 bis zum Ende der Bremsphase 46 handelt es sich um eine gültige Fahrt 48 der Führungskomponente 4, 22. Nach einer bestimmten Zeit oder Messpunkten n nach der Bremsphase 46 werden zwei weitere Beschleunigungsphasen 50 und 52 vom Sensor 18 aus 1a erkannt, die beim „Low Power“ System dazu führen, dass dieser ein Unterbrechungssignal ausgibt. Bei diesen Beschleunigungen handelt es sich allerdings um Störungen und nicht um Beschleunigungen einer gültigen Fahrt. Die Beschleunigungsphasen 50 und 52 sind somit Teil einer ungültigen Fahrt 54. Somit werden die Unterbrechungssignale, die basierend auf den Beschleunigungsphasen 50 und 52 ausgegeben werden, nicht durch einen Fahrtbeginn ausgelöst, sondern durch ein Fahrtende oder einen Ruck. Die Steuereinheit 10 aus 1a muss somit in der Lage sein, zwischen einem gültigen und einem ungültigen Fahrtbeginn der Führungskomponente 4, 22 unterscheiden zu können. Die Erkennung einer gültigen Fahrt setzt eine Erkennung von mehreren Phasen voraus, nämlich insbesondere der Phasen 2 bis 5 aus 2. Diese Phasen 2, 5 können mit Hilfe des Beschleunigungsprofils erkannt werden, was in 6 erläutert ist.
In dem Flussdiagramm gemäß 6 ist im Eingangsblock 56 vorgesehen, das Beschleunigungsprofil 26 aus 2, also das über einen Tiefpassfilter gefilterte Rohsignal 24, als Eingangsgröße vorzusehen. Im nächsten Schritt 58 wird geprüft, ob eine minimale Beschleunigung vorliegt oder ob eine Beschleunigungsschwelle in der Beschleunigungsphase zwei aus 2 überschritten wird. Wird die Beschleunigungsschwelle nicht überschritten, so wird im Schritt 60 die Auswertung abgebrochen und das Beschleunigungsprofil verworfen. Falls die Beschleunigungsschwelle überschritten wird, wird im Schritt 62 ein Start detektiert. Danach wird im Schritt 64 geprüft, ob eine Beschleunigung in der Gegenrichtung vorliegt, s. 2. Falls dies nicht der Fall ist, wird im Schritt 66 die Auswertung gestoppt und das Beschleunigungsprofil verworfen. Falls eine entgegen gesetzte Beschleunigung vorliegt, wird im Schritt 68 das Beschleunigungsprofil bzw. die Fahrt als gültig erkannt.
Manche Bewegungen der Führungskomponente 4, 22, s. 1a und 1b, können zu Beschleunigungen führen, die einem Fahrprofil ähneln, aber keine gültige oder echte Fahrt darstellen. Um die Fahrterkennung hinsichtlich ihrer Robustheit zu verbessern und Störprofile, wie sie beispielsweise in 5 mit dem Bezugszeichen 54 gezeigt sind, zu vermeiden, werden neben den Informationen des Beschleunigungsprofils auch Vibrationsmerkmale oder eine Vibration im Rohsignal 24, s. 2, ausgewertet. Dies erfolgt vorzugsweise dadurch, dass einzelne Phasen, wie sie beispielsweise in 2 dargestellt sind, ausgewertet werden, um eine falsche Fahrterkennung zu vermeiden.
Ein Algorithmus der Steuereinheit 10 aus 1a ist hierbei unabhängig von der Form des Beschleunigungsprofils 26, s. 2, und benötigt auch keine Phase mit konstanter Geschwindigkeit, s. Phase 3 in 2.
Gemäß 7 ist - wie in der Darstellung in 2 - ein Rohsignal 60 gezeigt. Aus diesem wird ein Beschleunigungsprofil 62 ermittelt. Das Beschleunigungsprofil 62 betrifft hierbei zwei Fahrten. Eine Hinfahrt bewegt sich hierbei zwischen null und vier Sekunden und eine Rückfahrt zwischen sechs und zehn Sekunden. Das Rohsignal 60 wird von der Steuereinheit 10 gemäß 8 diskretisiert und in Form von Fenstern oder Frames F betrachtet, die auf der Abszisse aufgetragen sind. Auf der Ordinate sind hierbei Beschleunigungsmerkmalen dargestellt. In 9 ist das Rohsignal 60 aus 7 ebenfalls diskret in Form von Fenstern F gezeigt, wobei hierbei die Vibrationen abgebildet sind. Auf der Ordinate sind die Vibrationsmerkmale dargestellt. Gemäß 8 und 9 wird das Rohsignal 60 von der Steuereinheit 10 somit fensterweise analysiert. Die für jedes Fenster F berechneten Beschleunigungsmerkmale 64 sind somit in 8 und die Vibrationsmerkmale 66 in 9 dargestellt. Das Rohsignal 60 wird beispielsweise in - insbesondere gleich große - Fenster eingeteilt oder geschnitten. Ein jeweiliges Fenster F weist somit üblicherweise mehrere Messwerte aus dem Rohsignal 60 auf, beispielsweise jeweils 256. Ein jeweiliges Beschleunigungsmerkmal 64 und ein jeweiliges Vibrationsmerkmal 66 eines jeweiligen Fensters ist F somit vorzugsweise die Fläche der Messwerte im jeweiligen Fenster, also eine Art Integral. oder die Summe der Messwerte. Mit anderen Worten ist ein Beispiel für ein Beschleunigungsmerkmal, das anhand des Beschleunigungsprofils 62 berechnet ist, die Fläche unter dem diskretisierten Signal 64 innerhalb eines jeweiligen Fensters F. Vorzugsweise werden die Vibrationsmerkmale 66 durch bilden eines Mittelwerts, insbesondere durch bilden eines RMS-Werts oder eines Mittelwerts des Spektrums, des Rohsignals 60 ausgebildet. Diese Vibrationsmerkmale werden nun genutzt, um gültige Fahrten von Fehlerkennungen zu unterscheiden. Dies erfolgt dadurch, dass der Anstieg der Vibrationsmerkmale nach der erkannten vermeintlichen Startphase bewertet wird.
Um die Schwankungen der Merkmale 64, 66 in den 8 und 9 zu reduzieren, werden diese mit einem gleitenden Mittelwert gebildet. Daraus ergeben sich gemäß 8 Beschleunigungsmerkmale 68 und gemäß 9 Vibrationsmerkmale 70. Zum Mitteln wird die „Exponentially Weightet Moving Average (EWMA)“ eingesetzt. In jedem neuen Schritt oder in jedem neuen Fenster wird hierzu der aktuelle Mittelwert µ_i mit Hilfe des letzten Mittelwertes µ_i-1 aktualisiert: $μ_{i} = α x_{i} + (1 - α) μ_{i-1}$
Dabei ist x_i das Merkmal für das aktuelle Fenster und α ∈ [0,1] ein Gewichtungsparameter. Ein höherer Wert für α gibt den Merkmalen der zuletzt berechneten Fenster (etwa die letzten $\frac{1}{α}$
Merkmale) mehr Gewicht im Vergleich zu deutlich früher berechneten Fenstern. Dies reduziert Schwankungen der Merkmale 64, 66 deutlich.
10 zeigt vereinfacht einen Algorithmus der Steuereinheit 10 aus 1a. Im Schritt 72 wird der Sensor 18 aus 1a eingeschaltet. Es erfolgt die Aufzeichnung des Rohsignals 24, s. 2, im Schritt 74. Im Anschluss im Schritt 76 wird geprüft, ob der Sensor 18 das erste Mal eingeschaltet ist. Falls ja, so werden im Schritt 78 Fenster mit der Anzahl M erfasst. Daraus wird eine minimale Vibrationsschwelle 80 berechnet und zum Schritt 76 zurückgekehrt. Wie vorstehend bereits erläutert, verwendet der Algorithmus der Steuereinheit 10, um Falscherkennungen der Fahrten zu vermeiden, insbesondere wegen unerwünschter fahrtähnlicher Bewegungen, Beschleunigungssowie Vibrationsmerkmale. Die Fahrt wird als gültig erkannt, wenn die Vibrationsmerkmale nach der vermeintlich erkannten Startphase steigen:
$Avg_vib> β \times min_vib,$
wobei β > 1.
Avg_vib bezeichnet dabei das jeweilige Vibrationsmerkmal 70 und min_vib die Vibrationsschwelle. Steigen die Vibrationsmerkmale nach der vermeintlichen Startphase nicht, wird die Fahrt als nicht gültig angesehen. Dies kann mit Hilfe der minimalen Vibrationsschwelle (min_vib) festgelegt werden. Diese minimale Vibrationsschwelle wird nicht fest programmiert. So wird nach dem erstmaligen Einschalten des Sensors bei der Inbetriebaufnahme, also der Aufnahme von M Fenstern in Schritt 78 mit einer Stillstandmessung oder während der ersten Fahrt berechnet. Diese minimale Vibrationsschwelle wird aktualisiert, wenn eine noch kleinere Vibrationsschwelle als bei der ersten Inbetriebnahme-Fahrt gefunden wird. Aus Einfachheitsgründen ist diese Aktualisierung im dargestellten Flussidagramm in 10 nicht gezeigt. Da der Sensor 18 nun nicht zum ersten Mal an ist, wird mit dem Schritt 88 weiterverfahren. Hierbei werden N Fenster erfasst. Um den Fahrtbeginn, insbesondere die Startphase, zu erkennen, wartet der Algorithmus auf eine ausreichend hohe Beschleunigung. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten. Bei der ersten Möglichkeit wird ermittelt, ob die Beschleunigungsfläche von N Fenstern eine festgelegte Beschleunigungsschwelle überschreitet (Beschleunigungsfläche 86 in 5), wobei dies insbesondere für das „Always On“ System vorgesehen ist. Als zweite Möglichkeit wird das Unterbrechungssignal vom Sensor 18 ausgegeben, wobei dies insbesondere für das „Low Power“ System vorgesehen ist. Anhand der 10 wird nun weiter beispielhaft die „Always On“ Methode beschrieben. Um den Start zu erkennen, werden nun in diesem Schritt 88 die Fenster N erfasst, um die Beschleunigungsfläche 86 zu berechnen, die beispielhaft in 5 gezeigt ist. Ein gültiger Fahrstart ist erkannt, wenn die Beschleunigungsfläche 86 größer als eine vorgegebene Beschleunigungsschwelle ist, was im Schritt 90 ermittelt wird. Hierbei wird die Formel:
abs(Avg_Acc) > min_acc
verwendet, wobei abs(Avg_Acc) ein absoluter Wert des Beschleunigungsmerkmals 68 ist.Avg_Acc muss größer als die Beschleungigunsschwelle min_acc sein. Ein Vorzeichen der Beschleunigungsfläche 86 wird ermittelt, um die Fahrtrichtung zu erkennen. Dies wird im weiteren Verfahren für die Erkennung der Bremsphase benötigt. Nach Überschreiten der vorgegebenen Beschleunigungsschwelle wird im nächsten Schritt 92 ein gültiger Fahrtstart erkannt und das Vorzeichen erfasst. Falls im Schritt 90 kein gültiger Fahrtstart erkannt wird, so wird das Verfahren ausgehend vom Schritt 88 wiederholt.
Gemäß 10 wird nach dem Schritt 92 im Schritt 94 eine Auswertung der Fenster F vorgenommen. Es wird im Schritt 96 das Fahrtende geprüft. Hierzu wird die Bremsphase und Stoppphase, s. beispielsweise 2, mit den Phasen 4 und 5, geprüft. Die Erkennung der Bremsphase ist mit Hilfe der Beschleunigungsmerkmale 68 in 7 implementiert. Gemäß 7 zeigt ein Fahrtende dabei ein umgekehrtes Verhalten im Vergleich zum Fahrtbeginn. Der Algorithmus der Steuereinheit 10 erkennt die Bremsphase, wenn das Beschleunigungsmerkmal 68 eine vorgegebene Beschleunigungsschwelle überschreitet, wobei dies im Schritt 98 geprüft wird:
Avg_acc < -dir × min_acc. dir ist hierbei das Vorzeichen der Beschleunigungsfläche 86, siehe beispielsweise 5. Ist die Gleichung erfüllt, wird mit dem Bremsen, siehe Phase 4 in 2, gemäß Schritt 100 weiter verfahren. Ist die Gleichung nicht erfüllt, wird im Schritt 102 geprüft, ob die Vibrationsmerkmale 70 aus 9 unterhalb der Vibrationsschwelle liegen. Falls dies nicht der Fall ist, wird mit Schritt 94 weiterverfahren und das nächste Fenster untersucht. Falls dies doch der Fall ist, wird im Schritt 104 die Fahrt verworfen und als ungültig angesehen. Falls im Schritt 100 das Bremsen festgestellt wurde, wird nach dem Schritt 94 und 96 die Stoppphase im Schritt 101 geprüft. Dies erfolgt somit nur nach Erkennung der Bremsphase. In dieser Stoppphase bleibt die Führungskomponente 4, 22, s. 1a und 1b, stehen und die Beschleunigungs- sowie Vibrationsmerkmale 68, 70, s. 8 und 9, sinken:
Avg_Acc → 0 und/oder Avg_Vib < min_vib.
Liegt im Schritt 101 eine Stopphase vor, so wird das Fahrtende im Schritt 103 erkannt und zu Schritt 88 zurückgekehrt. Falls die Stoppphase im Schritt 100 nicht erkannt wird, so wird zu Schritt 94 zurückgekehrt und das nächste Fenster untersucht.
Der Algorithmus in 10 funktioniert unabhängig von der Orientierung des Sensors 18 aus 1a zum Gravitationsvektor (vertikal, horizontal oder schief). Ein Offsetwert oder DC-Offset der Erdbeschleunigung wird vom Signal in jedem Fenster abgezogen. Die Ermittlung des DC-Offsets wird bei der Inbetriebnahme des Sensors 18 in Ruheposition nach der Montage an der Führungskomponente 4, 22 durchgeführt. Die DC-Offsetkorrektur ist der Einfachheit halber nicht in 10 dargestellt.
11 zeigt die Abbildung aus 2, wobei zusätzlich eine Beschleunigungsfläche 104 in der Startphase eingezeichnet ist. In vielen Condition Monitoring oder Predictive Maintenance Anwendungen ist es nicht erforderlich, dass Messungen häufig erfolgen, da Defekte in derartigen Anwendungen graduell auftreten, wie beispielsweise Materialermüdung oder Verschleiß bei Komponenten der Linearvorrichtung. Beispielsweise der Algorithmus mit dem Unterbrechungssignal erkennt die meisten Fahrten der Linearvorrichtung. Allerdings kann die Anzahl der Fahrten, beispielsweise pro Tag, in vielen Anwendungen oder Maschinen äußerst hoch sein. Dies führt zu einem unnötigen Kommunikationsverkehr, großen Datenmengen und einem großen Rechen- sowie Speicheraufwand bei der Steuereinheit 10. Mit Hilfe einer alternativen Schwelle, insbesondere einer adaptiven Hürde in Form einer Beschleunigungshürde, wird von der Steuereinheit nur eine begrenzte Anzahl von gültigen Fahrten für die Auswertung verwendet. Der Algorithmus erkennt zwar alle gültigen Fahrten, es werden aber nur die schnellsten und folglich die mit dem größten Signal/Rausch-Verhältnis für die Auswertung verwendet. Wie in der 11 gezeigt, wird die Beschleunigungsfläche 104 in der Startphase (Start und Beschleunigung) herangezogen, um die Fahrten zu bewerten und die besten auszuwählen. Für die Bewertung und Auswahl der Fahrten anhand der Beschleunigungsfläche 104 wird keine fest programmierte Beschleunigungshürde verwendet. Die Beschleunigungshürde ist adaptiv und wird iterativ im Laufe des Sensorlebens angepasst. Ein initialer Wert dieser Beschleunigungshürde kann beispielsweise aus der ersten erkannten Fahrt ermittelt werden, also die Beschleunigungsfläche bei der ersten Fahrt. Eine Initialisierung mit einem festen oder zufälligen Wert wäre auch denkbar. Diese Beschleunigungshürde wird dann mit den gefahrenen Beschleunigungsprofilen angepasst, insbesondere ständig angepasst. Dies ist in 12 näher erläutert.
Gemäß 12 ist die Funktionalität der adaptiven Beschleunigungshürde dargestellt. Wenn eine gültige Fahrt im Schritt 106 erfasst wurde, wird die Beschleunigungsfläche 104 mit der adaptiven Beschleunigungshürde im Schritt 108 verglichen. Falls die Beschleunigungsfläche 104 gleich oder größer als die adaptive Beschleunigungshürde ist, wird diese Fahrt für die weitere Auswertung gemäß Schritt 110 herangezogen. Die adaptive Beschleunigungshürde wird dann im Schritt 112 angehoben. Ansonsten wird diese Fahrt im Schritt 114 verworfen und ein Zählerwert wird inkrementiert. Im darauffolgenden Schritt 116 wird geprüft, ob der Zählerwert einen vorgegebenen Wert erreicht. Falls dies nicht der Fall ist, wird der Zählerwert im Schritt 118, wie bereits angeführt, erhöht. Wird der Zählerwert erreicht, so wird die Beschleunigungshürde abgesenkt. Im Schritt 120 wird der Zählerwert zurückgesetzt, wenn der maximale Zählerwert erreicht oder wenn die erkannte Fahrt schneller als die adaptive Beschleunigungshürde ist gemäß Schritt 108. Der Einfachheit halber ist das Zurücksetzen des Zählerwerts in der 12 nicht dargestellt.
Gemäß 13 wird die Funktionalität der adaptiven Beschleunigungshürde anhand eines Zahlenbeispiels erläutert. Ein initialer Wert der Beschleunigungshürde (adapt_th) ist hierbei 160. Der maximale Zählwert (Counter) ist 5. Die Beschleunigungshürde ist mit einem Schritt von 10 (Δth) angepasst. Die erste Fahrt hat eine Beschleunigungsfläche (acc_area) von 150, welche kleiner als die adaptive Beschleunigungshürde (adapt_th) ist. Deswegen wird diese Fahrt verworfen (taken = 0) und der Zählwert (Counter) wird inkrementiert. Das Gleiche gilt auch für die zweite Fahrt, womit der Zählwert auf 2 erhöht wird. Die dritte Fahrt hat die gleiche Beschleunigungsfläche wie die adaptive Beschleunigungshürde. Deswegen wird diese Fahrt verwendet (taken = 1). Der Zählwert wird daraufhin zurückgesetzt und die adaptive Beschleunigungshürde wird inkrementiert (adapt_th = 160 + Δth = 170). In der achten Fahrt erreicht der Zählwert den maximalen Wert (hier 5) und die Beschleunigungshürde wird wieder angepasst (adapt_th = 170 - Δth = 160) usw. Aus der 13 kann erkannt werden, dass die für die Auswertung akzeptierten Fahrten (taken = 1) unabhängig von absoluten Werten der Beschleunigung sind. Die Auswertung basiert auf dem aktuellen Verhalten der Fahrten.
Gemäß 14 ist ein praktisches Beispiel dargestellt. Auf der Abszisse sind Tage 1 - 5 aufgetragen. Auf der Ordinate sind die gezählten Fahrten von 0 - 800 abgebildet. Die akzeptierten Fahrten sind mit dem Bezugszeichen 120 gezeigt. Und die erkannten Fahrten sind mit dem Bezugszeichen 122 dargestellt. Es ist ersichtlich, dass die Anzahl der akzeptierten Fahrten 120 kleiner ist als die der gesamten erkannten Fahrten 122, wobei die Differenz zwischen den beiden mit der Zeit steigt.
Bezugszeichenliste

2: Führungsschiene
4: Führungswagen
6: Sensoranordnung
8: Befestigungsfläche
10: Steuereinheit
12: Datenspeicher
14: Kommunikationseinrichtung
16: Energiequelle
18: Sensor
20: Führungsspindel
22: Gewindemutter
24, 60: Rohsignal
26, 34, 36, 38, 40, 42, 62: Beschleunigungsprofil
28, 30, 32, 44, 50, 52: Beschleunigungsphase
46: Bremsphase
48: gültige Fahrt
54: ungültige Fahrt
56: Eingangsblock
58, 72, 74, 76, 78, 80, 82, 84, 88, 90, 92, 94, 96, 100, 101, 102, 103, 106, 108, 110, 112, 114, 116, 118, 120: Schritt
64, 66: Merkmale
68,: 70gemittelte Merkmale
86, 104: Beschleunigungsfläche
120: akzeptierte Fahrten
122: erkannte Fahrten

Claims

Sensoranordnung für eine Linearvorrichtung (4, 6; 20, 22) mit zumindest einem Sensor (18) zum Messen von Beschleunigungen und/oder Vibrationen der Linearvorrichtung (4, 6; 20, 22), und mit zumindest einer Steuereinheit (10), die mit dem Sensor (18) verbunden ist, wobei die Steuereinheit (10) derart eingerichtet ist, dass diese anhand des Messsignals des Sensors (18) die Vibration und/oder Beschleunigung der Linearvorrichtung (2, 4; 20, 22) ermittelt, und wobei die Steuereinheit (10) derart eingerichtet ist, dass diese auf Basis der Vibration und/oder der Beschleunigung bewertet, ob eine gültige Fahrt einer bewegbaren Komponente (4, 22) der Linearvorrichtung (4, 6; 20, 22) vorliegt, wobei eine adaptiv anpassbare Hürde für eine aus dem Messsignal abgeleiteten physikalischen Größe der als gültig erkannten Fahrt vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (10) derart eingerichtet ist, dass diese bei Erreichen und/oder bei Überschreiten der Hürde durch die physikalische Größe das Messsignal der als gültig angesehenen Fahrt auswertet.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Hürde um eine Beschleunigungshürde handelt, und wobei es sich bei der physikalischen Größe um eine aus dem Messsignal des Sensors (8) ermittelte Beschleunigung handelt.
Sensoranordnung nach Anspruch 2, wobei bei Erreichen und/oder Überschreiten der Beschleunigungshürde von zumindest einem Teil der Beschleunigung (26) oder eines Integrals (104) zumindest eines Teils der Beschleunigung (26) das Messsignal der als gültig angesehenen Fahrt von der Steuereinheit (10) für die Auswertung verwendet ist.
Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei eine Beschleunigungsschwelle zur Fahrterkennung vorgesehen ist, und wobei die Steuereinheit (10) derart eingerichtet ist, dass bei erreichen und/oder überschreiten dieser Beschleunigungsschwelle die Steuereinheit (10) die Vibration auswertet.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei diese als Modul ausgebildet ist, und wobei das Modul derart ausgestaltet ist, dass es an der Linearvorrichtung (2, 4; 20, 22) befestigbar ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (10) als Mikrocontroller ausgebildet ist.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vibration durch zumindest ein Vibrationsmerkmal (66, 70) bewertet wird, wobei es sich bei dem zumindest einen Vibrationsmerkmal (66, 70) um einen Mittelwert des Messsignals (24, 60) des Sensors (18) handelt.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (10) derart eingerichtet ist, dass die Bewertung auf Basis des Vibrationsmerkmals (66, 70) oder der Vibration derart erfolgt, dass bei Erreichen und/oder Überschreiten einer Vibrationsschwelle durch das Vibrationsmerkmal (66, 70) oder durch die Vibration die Fahrt als gültig erkannt wird.
Sensoranordnung nach Anspruch 8, wobei die Vibrationsschwelle von der Steuereinheit (10) adaptiv anpassbar ist.
Sensoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Sensor (18) eingerichtet ist, ein Unterbrechungssignal auszugeben, wenn eine oder die Beschleunigungsschwelle erreicht und/oder überschritten ist, wobei das Unterbrechungssignal die Steuereinheit (10) aktiviert.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Messsignal (24, 60) des Sensors (18) kontinuierlich oder in einer kontinuierlichen Taktung von der Steuereinheit (10) erfasst ist, und wobei bei Überschreiten einer oder der Beschleunigungsschwelle und/oder einer oder der Vibrationsschwelle die Steuereinheit (10) auf Basis des Vibrationsmerkmals (68) oder der Vibration bewertet, ob die Fahrt der Linearvorrichtung vorliegt.
Steueranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (10) derart eingerichtet ist, dass diese die adaptive Hürde erhöht, wenn diese erreicht und/oder überschritten ist, und/ oder dass diese die adaptive Hürde absenkt, wenn bei einer vorbestimmten Zahl an Fahrten die Hürde nicht erreicht und/oder überschritten ist.
Linearvorrichtung, die eine Sensoranordnung (6) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
Verfahren, das mit der Sensoranordnung (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 durchgeführt wird.