DE112017000472T5

DE112017000472T5 - Lastmesssystem und lastmessverfahren für eine bewegungsführungsvorrichtung und verfahren zum berechnen der lebensdauer einer bewegungsführungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017000472T5
Application number: DE112017000472.1T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Asano; Tetsuhiro Nishide; Takuya Horie; Shinji Aoki; Hiroyuki Takizawa
Original assignee: THK Co Ltd
Current assignee: THK Co Ltd
Priority date: 2016-01-22
Filing date: 2017-01-17
Publication date: 2018-10-04
Also published as: CN108474702A; US20200284297A1; JP2017129519A; JP6619656B2; TW201732233A; TWI710750B; US10920825B2; CN108474702B; WO2017126489A1

Abstract

Es wird ein Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung vorgesehen, das auf eine Bewegungsführungsvorrichtung wirkende Lasten während der Verwendung genau messen kann. Das Lastmesssystem umfasst eine Positionserfassungseinheit (4) zum Erfassen der Position eines Gleitglieds (12) relativ zu einem Schienenglied (11) in einer Relativbewegungsrichtung, und wenigstens einen Sensor (2a-2d, 3a-3d) zum Erfassen der relativen Verschiebung des Gleitglieds (12) relativ zu dem Schienenglied (11) in einer Radialrichtung und/oder Horizontalrichtung. Eine Recheneinheit (6) berechnet auf die Bewegungsführungsvorrichtung (1) wirkende Lasten in Assoziation mit der Position des Gleitglieds (12) basierend auf durch die Positionserfassungseinheit (4) erfassten Positionsinformationen und auf durch einen oder mehrere der Sensoren (2a-2d, 3a-3d) erfassten Verschiebungsinformationen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft ein Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung zum Messen einer auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last sowie ein Lastmessverfahren. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Berechnen der Lebensdauer der Bewegungsführungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Eine Bewegungsführungsvorrichtung umfasst ein Schienenglied und ein Gleitglied, das über Rollkörper auf dem Schienenglied montiert ist, sodass sich das Gleitglied relativ zu dem Schienenglied bewegen kann. Wenn sich das Gleitglied relativ zu dem Schienenglied bewegt, vollziehen die zwischen dem Gleitglied und dem Schienenglied angeordneten Rollkörper eine Rollbewegung. Aufgrund der Rollbewegung der Rollkörper kann sich das Gleitglied glatt relativ zu dem Schienenglied bewegen.
Die Bewegungsführungsvorrichtung ist in einer echten Maschine wie etwa einem Roboter, einer Werkzeugmaschine, einer Halbleiter-Herstellungsmaschine oder einer Flüssigkristall-Herstellungsmaschine montiert und führt eine Linearbewegung eines beweglichen Teils. Während der Benutzung der Bewegungsführungsvorrichtung wirkt eine Last (auch als tatsächliche Last bezeichnet) auf die Bewegungsführungsvorrichtung. Diese Last variiert beträchtlich in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der Bewegungsführungsvorrichtung wie etwa der Masse des beweglichen Teils, der Größe und der Richtung einer auf den beweglichen Teil wirkenden externen Kraft und der Größe der Beschleunigung/Verlangsamung des beweglichen Teils. Zusätzlich zu den oben genannten Betriebsbedingungen kann die Last auch in Abhängigkeit von anderen Betriebsbedingungen wie etwa einer thermischen Belastung der echten Maschine und einer unausgeglichen auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last variieren. Insbesondere ist es schwierig, diese letzteren Betriebsbedingungen vorauszusagen, und ist es schwierig, die Last auf die Bewegungsführungsvorrichtung präzise vorauszusagen. Deshalb wird die Bewegungsführungsvorrichtung herkömmlicherweise wie folgt ausgewählt: die aus den früheren Betriebsbedingungen berechnete Last wird mit einem Sicherheitsfaktor multipliziert, und es wird dann eine Bewegungsführungsvorrichtung ausgewählt, die eine Nennlast (Nennkapazität) mit einem Spielraum zu der mit dem Sicherheitsfaktor multiplizierten Last aufweist.
Anstatt die Last für die Bewegungsführungsvorrichtung aus den Betriebsbedingungen vorauszusagen, wurde vorgeschlagen, die Last für die verwendete Bewegungsführungsvorrichtung zu messen. Zu diesen Vorschlägen gehören ein Verfahren zum Messen der auf das Gleitglied wirkenden Last mit einem Dehnungsmesstreifen, der zum Beispiel zwischen dem Gleitglied und einem Tisch des beweglichen Teils angeordnet ist, und ein Verfahren zum Berechnen der auf das Gleitglied wirkenden Last mit Dehnungsmessstreifen, die jeweils an einem Paar von Hülsen des Gleitglieds angebracht sind, und einer Kurve, die die Beziehung zwischen einer Dehnungsgröße und einer Last wiedergibt (siehe das Patentliteraturdokument 1).
LISTE DER BEZUGSZEICHEN
PATENTLITERATURDOKUMENTE
Patentliteraturdokument 1: Offengelegte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2007-263286
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
PROBLEMSTELLUNG DER ERFINDUNG
In dem ersten Lastmessverfahren verschiebt sich jedoch der Schwerpunkt des beweglichen Teils zu einer höheren Position, weil der Dehnungsmessstreifen zwischen dem Gleitglied und dem Tisch des beweglichen Teils oder ähnlichem angeordnet ist. Deshalb wird ein auf das Gleitglied während einer Beschleunigung und Verlangsamung wirkendes Moment größer als wenn die Bewegungsführungsvorrichtung ohne den Dehnungsmessstreifen verwendet wird. Folglich besteht das Problem, dass die auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkende Last nicht genau gemessen werden kann.
In dem zweiten Lastmessverfahren verformt sich ein Paar Hülsen des Gleitglieds immer und öffnet sich, wenn eine Last in der Radialrichtung, eine Last in der Horizontalrichtung oder ein Moment auf das Gleitglied wirken. Es ist deshalb schwierig, aus der Ausgabe des Dehnungsmessstreifens zu bestimmen, in welcher Richtung die Last wirkt. Außerdem ist das Problem gegeben, dass jedesmal eine Kurve, die die Beziehung zwischen einer Dehnungsgröße und einer Last wiedergibt, vorbereitet werden muss, wenn sich die Größe der Bewegungsführungsvorrichtung ändert.
Angesichts der vorstehend geschilderten Umstände ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung, das die auf die Bewegungsführungsvorrichtung während der Verwendung wirkende Last genau messen kann, ein Lastmessverfahren und ein Verfahren zum Berechnen der Lebensdauer der Bewegungsführungsvorrichtung vorzusehen.
PROBLEMLÖSUNG
Um die oben genannten Probleme zu lösen, wird gemäß einem Aspekt der Erfindung ein Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung angegeben, wobei die Bewegungsführungsvorrichtung ein Gleitglied aufweist, das über Rollkörper an einem Schienenglied montiert ist, sodass sich das Gleitglied relativ zu dem Schienenglied bewegen kann, wobei das Lastmesssystem umfasst: eine Positionserfassungseinheit, die konfiguriert ist zum Erfassen der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Relativbewegungsrichtung; wenigstens einen Sensor, der konfiguriert ist zum Erfassen Verschiebung des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Radialrichtung und/oder einer Horizontalrichtung; und eine Berechnungseinheit, die konfiguriert ist zum Berechnen einer auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last, die mit der Position assoziiert ist, basierend auf Positionsinformationen, die durch die Positionserfassungseinheit erfasst werden, und auf Verschiebungsinformationen, die durch den oben genannten wenigstens einen Sensor erfasst werden.
Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen einer Last auf eine Bewegungsführungsvorrichtung angegeben, die ein Gleitglied aufweist, das über Rollkörper an einem Schienenglied montiert ist, sodass sich das Gleitglied relativ zu dem Schienenglied bewegen kann, wobei das Verfahren umfasst: einen Schritt zum Erfassen der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Relativbewegungsrichtung; einen Schritt zum Erfassen einer Verschiebung des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Radialrichtung und/oder einer Horizontalrichtung; und einen Schritt zum Berechnen der auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last, die mit der Position assoziiert ist, basierend auf erfassten Positionsinformationen und erfassten Verschiebungsinformationen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Berechnen der Lebensdauer einer Bewegungsführungsvorrichtung angegeben, wobei das Verfahren umfasst: Berechnen einer auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden durchschnittlichen Last in einem Betätigungsmuster einer echten Maschine basierend auf der auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last, die unter Verwendung des oben beschriebenen Verfahrens zum Messen einer Last berechnet wird; und Berechnen der Lebensdauer der Bewegungsführungsvorrichtung basierend auf der durchschnittlichen Last.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird die auf das Gleitglied wirkende Last nicht direkt erfasst. Statt dessen wird die Verschiebung des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in der Radialrichtung und/oder Horizontalrichtung erfasst und wird die Last auf die Bewegungsführungsvorrichtung basierend auf der erfassten Verschiebung berechnet. Gemäß der Erfindung ist es nicht erforderlich, einen Dehnungsmessstreifen zwischen dem Gleitglied und einem Tisch eines beweglichen Teils oder eines anderen Teils zu klemmen und kann die auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkende Last während der Verwendung der echten Maschine genau gemessen werden. Weiterhin ist gemäß der Erfindung die auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkende Last mit der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in der Relativbewegungsrichtung assoziiert. Auf diese Weise kann die auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkende Last, die sich während der Bewegung ändert, genau gemessen werden.
Figurenliste

1 ist eine Gesamtansicht eines Lastmesssystems für eine Bewegungsführungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Aussehens der Bewegungsführungsvorrichtung der Ausführungsform.
3 ist eine horizontale Querschnittansicht der Bewegungsführungsvorrichtung der Ausführungsform.
4A ist eine Vorderansicht der Bewegungsführungsvorrichtung aus der Längsrichtung einer Schiene gesehen, und 4B ist eine vergrößerte Ansicht des Teils B.
5 umfasst einen Satz von Ansichten, die Änderungen in der Sensorausgabe zeigen, wenn eine externe Kraft auf einen Schlitten wirkt.
6 ist eine Querschnittansicht eines Teils des Schlittens in der x-Achsenrichtung, in der Kugeln miteinander in Kontakt sind.
7 ist eine Querschnittansicht des Schlittens, die eine innere Last vor dem Erzeugen von fünf Komponenten der Verschiebung zeigt.
8 ist eine Querschnittansicht des Schlittens, die die innere Last nach dem Erzeugen von fünf Komponenten der Verschiebung zeigt.
9 ist ein Kurvendiagramm, das die Beziehung zwischen einer Position des Schlittens und einer auf den Schlitten wirkenden Last zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird ein Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es ist jedoch zu beachten, dass das Lastmesssystem für die Bewegungsführungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung auf verschiedene Weise verkörpert werden kann und nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Die Ausführungsform wird hier derart beschrieben, dass die Erfindung ausreichend für den Fachmann offenbart wird.
1 ist eine Gesamtansicht des Lastmesssystems für die Bewegungsführungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform. Das Bezugszeichen 1 gibt die Bewegungsführungsvorrichtung an, die Bezugszeichen 2a-2d und 3a-3d geben Sensoren an, das Bezugszeichen 4 gibt einen Linearcodierer an, der als eine Positionserfassungseinheit dient, das Bezugszeichen 5 gibt einen Datenprotokollierer an, der als eine Aufzeichnungseinrichtung dient, und das Bezugszeichen 6 gibt einen Computer an, der als eine Berechnungseinheit dient.
<Konfiguration der Bewegungsführungsvorrichtung>
Im Folgenden wird zuerst die Konfiguration der Bewegungsführungsvorrichtung 1 beschrieben. Die Bewegungsführungsvorrichtung 1 enthält eine Schiene 11, die als ein Schienenglied dient, und einen Schlitten 12, der als ein Gleitglied dient und derart an der Schiene 11 montiert ist, dass sich der Schlitten in der Längsrichtung der Schiene 11 bewegen kann. In dieser Ausführungsform ist die Schiene 11 an einer Basis 7 einer echten Maschine montiert und ist der Tisch 8 (siehe 8) der echten Maschine an dem Schlitten 12 montiert. Die echte Maschine ist zum Beispiel ein Roboter, eine Werkzeugmaschine, eine Halbleiter-Herstellungsmaschine oder eine Flüssigkristall-Herstellungsmaschine. Die Linearbewegung eines beweglichen Körpers einschließlich des Tisches 8 wird durch die Bewegungsführungsvorrichtung 1 geführt. Es ist zu beachten, dass die Bewegungsführungsvorrichtung 1 auch umgekehrt aufgebaut sein kann, sodass der Schlitten 12 auf der Basis 7 montiert ist und die Schiene 11 auf dem Tisch 8 montiert ist. Weiterhin ist der bewegliche Körper auf dem Schlitten 12 platziert und an dem Schlitten 12 befestigt, sodass sich der bewegliche Körper zusammen mit dem Schlitten 12 bewegt. Der Typ des beweglichen Körpers ist nicht auf einen bestimmten Typ beschränkt. Der Tisch 8 muss nicht in dem beweglichen Körper enthalten sein.
2 ist eine perspektivische Ansicht des Aussehens der Bewegungsführungsvorrichtung 1. Die Schiene 11 ist hier auf der horizontalen Ebene angeordnet, wobei die von der Längsrichtung der Schiene 11 aus gesehene Richtung, d.h. die in 2 gezeigte x-Achse, als die Vorne-Hinten-Richtung bezeichnet wird, die y-Achse als die Oben-Unten-Richtung bezeichnet wird und die z-Achse als die Rechts-Links-Richtung bezeichnet wird, wenn die Konfiguration der Bewegungsführungsvorrichtung 1 beschrieben wird. Es ist zu beachten, dass die Anordnung der Bewegungsführungsvorrichtung 1 nicht auf die oben beschriebene Anordnung beschränkt ist.
Auf den linken und rechten Seiten der Schiene 11 sind zwei Laufwegflächen 11a, nämlich eine obere und eine untere Laufwegfläche, als Rollkörper-Rollteile vorgesehen. Der Querschnitt der Laufwegfläche 11a weist eine Kreisbogenform auf. Durchgangslöcher 11b sind in der oberen Fläche der Schiene 11 mit konstanten Intervallen in der Längsrichtung derart vorgesehen, dass sich die Befestigungsglieder für das Befestigen der Schiene 11 an der Basis 7 durch die Durchgangslöcher 11b erstrecken.
Der Schlitten 12 enthält einen horizontalen Teil 12-1, der der oberen Fläche der Schiene 11 zugewandt ist, und ein Paar von Hülsen 12-2, die den Seitenflächen der Schiene 11 zugewandt sind. Der Querschnitt des Schlittens 12 weist die Form eines „umgekehrten U“ auf. Der Schlitten 12 umfasst einen Schlittenhauptkörper 13, der in der Mitte in der Bewegungsrichtung angeordnet ist, ein Paar von Deckelgliedern 14a und 14b, die an gegenüberliegenden Enden des Schlittenhauptkörpers 13 in der Bewegungsrichtung angeordnet sind, und ein Paar von Sensormontageteilen 15a und 15b (siehe 1), die an den äußersten Enden der Deckelglieder 14a und 14b in der Bewegungsrichtung angeordnet sind. Jedes der Deckelglieder 14a und 14b umfasst einen horizontalen Teil 14-1, der der oberen Fläche der Schiene 11 zugewandt ist, und ein Paar von Hülsen 14-2, die den Seitenflächen der Schiene 11 zugewandt sind. Der Querschnitt jedes der Deckelglieder 14a und 14b weist die Form eines „umgekehrten U“ auf. Entsprechend umfasst jeder der Sensormontageteile 15a und 15b einen horizontalen Teil 15-1, der der oberen Fläche der Schiene 11 zugewandt ist, und ein Paar von Hülsen 15-2, die den Seitenflächen der Schiene 11 zugewandt sind. Der Querschnitt jedes der Sensormontageteile 15a und 15b weist die Form eines „umgekehrten U“ auf (siehe 4A). Die Deckelglieder 14a und 14b sind an dem Schlittenhauptkörper 13 durch Befestigungsglieder wie etwa Schrauben befestigt. Die Sensormontageteile 15a und 15b sind an dem Schlittenhauptkörper 13 und/oder den Deckelgliedern 14a und 14b durch Befestigungsglieder wie etwa Schrauben befestigt. Es ist zu beachten, dass die Sensormontageteile 15a und 15b in 2 und 3 nicht gezeigt sind.
Wie in der horizontalen Querschnittansicht der Bewegungsführungsvorrichtung 1 von 3 gezeigt, weist der Schlittenhauptkörper 13 vier Laufwegflächen 13a auf, die den vier Laufwegflächen 11a der Schiene 11 zugewandt sind. Der Schlittenhauptkörper 13 weist Rückkehrpfade 13b auf, die sich parallel zu den entsprechenden Laufwegflächen 13a als Rollkörper-Rückkehrpfade erstrecken. Jedes der Deckelglieder 14a und 14b weist einen U-förmigen Richtungsänderungspfad 14c auf, der die entsprechende Laufwegfläche 13a mit dem entsprechenden Rückkehrpfad 13b verbindet. Der Innenumfang des Richtungsänderungspfads 14c wird durch einen Innenumfang 13c definiert, der einen halbkreisförmigen Querschnitt aufweist und einstückig mit dem Schlittenhauptkörper 13 ausgebildet ist. Ein schienenartiger Zirkulationspfad wird durch einen Lastrollpfad zwischen der Laufwegfläche 11a der Schiene 11 und der Laufwegfläche 13a des Schlittenhauptkörpers 13, ein Paar von Richtungsänderungspfaden 14c und den Rückkehrpfad 13b gebildet. Kugeln 16, die die Rollkörper sind, sind in dem Zirkulationspfad aufgenommen. Wenn sich der Schlitten 12 relativ zu der Schiene 11 bewegt, rollen die Kugeln 16 zwischen dem Schlitten 12 und der Schiene 11 entlang des Lastrollpfads. Eine Kugel 16, die zu einem Ende des Lastrollpfads rollt, tritt in einen der Richtungsänderungspfade 14c ein, bewegt sich durch den Rückkehrpfad 13b und den anderen Richtungsänderungspfad 14c und kehrt zu dem anderen Ende des Lastrollpfads zurück.
<Konfiguration des Sensors>
Wie in 1 gezeigt, sind die Sensoren 2a-2d und 3a-3d zum Beispiel Verschiebemessgeräte des elektrostatischen Kapazitätstyps und erfassen eine Verschiebung des Schlittens 12 relativ zu der Schiene 11 kontaktlos (siehe die vergrößerte Ansicht von 4B). Wie weiter oben beschrieben, sind ein Paar von Sensormontageteilen 15a und 15b an den entgegengesetzten Enden des Schlittens 12 in der Bewegungsrichtung angebracht. Die vier Sensoren 2a-2d sind an einem der Sensormontageteile wie etwa dem Sensormontageteil 15a montiert. Die vier Sensoren 2a-2d sind an der gleichen Position in der Längsrichtung der Schiene 11 angeordnet. Entsprechend sind die vier Sensoren 3a-3d an der anderen Sensormontage 15b montiert. Die vier Sensoren 3a-3d sind an der gleichen Position in der Längsrichtung der Schiene 11 angeordnet. Der Abstand zwischen den Sensoren 2a-2d und den Sensoren 3a-3d in der Längsrichtung der Schiene 11 wird durch L₁ angegeben. Es ist zu beachten, dass die vier Sensoren 2a-2d auch an anderen Positionen in der Längsrichtung der Schiene 11 angeordnet sein können und die vier Sensoren 3a-3d auch an anderen Positionen in der Längsrichtung der Schiene 11 angeordnet sein können.
4 zeigt den Sensormontageteil 15a aus der Längsrichtung der Schiene 11 gesehen. Wie oben beschrieben, umfasst der Sensormontageteil 15a den horizontalen Teil 15-1, der der oberen Fläche 11c der Schiene 11 zugewandt ist, und das Paar von Hülsen 15-2, die den rechten und linken Seitenflächen der Schiene 11 zugewandt sind. Die zwei radialen Sensoren 2a und 2b sind an dem horizontalen Teil 15-1 angeordnet, um die Verschiebung in der Radialrichtung zu erfassen. Die radialen Sensoren 2a und 2b sind der oberen Fläche 11c der Schiene 11 mit einem Zwischenraum zugewandt, um den Zwischenraum zwischen den Sensoren und der oberen Fläche 11c der Schiene 11 zu erfassen. Der Abstand zwischen den zwei radialen Sensoren 2a und 2b in der Rechts-Links-Richtung wird durch L₂ angegeben.
Die zwei horizontalen Sensoren 2c und 2d sind an dem Paar von Hülsen 15-2 angeordnet, um die Verschiebung in der horizontalen Richtung zu erfassen. Die horizontalen Sensoren 2c und 2d sind den Seitenflächen 11d der Schiene 11 mit einem Zwischenraum zugewandt, um den Zwischenraum zwischen den Sensoren und den Seitenflächen 11d zu erfassen.
Es soll hier angenommen werden, dass die Schiene 11 auf der horizontalen Ebene angeordnet ist, wobei die radialen Sensoren 2a und 2b und die horizontalen Sensoren 2c und 2d unter der oberen Fläche (Montagefläche) des Schlittens 12 angeordnet sind. Der Grund hierfür ist, dass der Tisch 8 auf der oberen Fläche (Montagefläche) des Schlittens 12 angeordnet ist. Kabel 2a₁-2d₁ der Sensoren 2a-2d erstrecken sich nach rechts und links außen von den Hülsen 15-2 des Sensormontageteils 15a. Es ist zu beachten, dass sich die Kabel 2a₁-2d₁ nach vorne von der Vorderfläche des Sensormontageteils 15a erstrecken können (in einer Richtung senkrecht zu der Zeichnungsebene). Es ist weiterhin zu beachten, dass die Höhe der oberen Fläche des Sensormontageteils 15a niedriger sein kann als die obere Fläche (Montagefläche) des Schlittens 12 und der Zwischenraum zwischen der oberen Fläche des Sensormontageteils 15a und dem Tisch 8 als ein Zwischenraum verwendet werden kann, durch den sich die Kabel 2a₁ und 2b₁ nach außen erstrecken können.
Ähnlich wie der Sensormontageteil 15a umfasst der Sensormontageteil 15b von 1 den horizontalen Teil 15-1 und das Paar von Hülsen 15-2. Die zwei radialen Sensoren 3a und 3b sind auf dem horizontalen Teil 15-1 angeordnet. Die zwei horizontalen Sensoren 3c und 3d sind auf dem Paar von Hülsen 15-2 angeordnet.
<Konfiguration des Linearcodierers>
Der Linearcodierer 4 erfasst die Position des Schlittens 12 in der x-Achsenrichtung. Zum Beispiel umfasst der Linearcodierer 4 eine Skala die an der Basis 7 der realen Maschine oder der Schiene 11 befestigt ist, und einen Kopf, der an dem Tisch 8 der realen Maschine oder des Schlittens 12 angebracht ist, um die Skala zu lesen. Wenn die Schiene 11 für eine Bewegung konfiguriert ist, erfasst der Linearcodierer 4 die Position der Schiene 11 in der x-Achsenrichtung. In dieser Beschreibung umfasst das „Erfassen der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in der Relativbewegungsrichtung“ das Erfassen der Position der Schiene 11 in der x-Achsenrichtung wie oben beschrieben. Weiterhin ist die Positionserfassungseinheit nicht auf den Linearcodierer beschränkt. Wenn zum Beispiel der Tisch der echten Maschine durch einen Kugelgewindetriebmechanismus angetrieben wird, kann die Positionserfassungseinheit ein Drehcodierer sein, der den Winkel eines für das Antreiben des Kugelgewindemechanismus konfigurierten Motors erfasst.
<Konfiguration des Datenprotokollierers und des Computers>
Die durch die Sensoren 2a-2d und 3a-3d erfassten Verschiebungsinformationen des Schlittens 12 werden in dem Datenprotokollierer 5, der die Aufzeichnungseinrichtung ist, mit vorbestimmten Abtastungsperioden aufgezeichnet. Auch die durch den Linearcodierer 4 erfassten Positionsinformationen des Schlittens 12 werden in dem Datenprotokollierer 5 mit vorbestimmten Abtastungsperioden aufgezeichnet. Der Datenprotokollierer 5 sendet die aufgezeichneten Verschiebungsinformationen und die aufgezeichneten Positionsinformationen an den Computer 6 über eine drahtgebundene Kommunikationseinheit oder eine drahtlose Kommunikationseinheit. Der Datenprotokollierer 5 ist in Nachbarschaft zu der echten Maschine angeordnet. Der Computer 6 ist in Nachbarschaft zu der echten Maschine oder an einem fernen Ort angeordnet.
Die Sensoren 2a-2d und 3a-3d erfassen die Position des Schlittens 12 relativ zu der Schiene 11 in einer nicht-Lastbedingung, in welcher der bewegliche Teil der echten Maschine von dem Schlitten 12 entfernt ist, als eine Referenz für die Verschiebung während der Bewegung des Schlittens 12. Weiterhin erfassen die Sensoren 2a-2d und 3a-3d die Position des Schlittens 12 relativ zu der Schiene 11 in einer Lastbedingung, in welcher der bewegliche Teil der echten Maschine an dem Schlitten 12 angebracht ist, während sich der Schlitten 12 bewegt. Die Differenz zwischen der Position des Schlittens 12 in der Lastbedingung und der Position des Schlittens 12 in der nicht-Lastbedingung entspricht der Verschiebung. Die Sensoren 2a-2d und 3a-3d erfassen die Positionen des Schlittens 12 in der nicht-Lastbedingung und der Lastbedingung als die Verschiebungsinformationen und senden die Verschiebungsinformationen an den Datenprotokollierer 5.
Der Computer 6 berechnet die Differenz (Verschiebung) in der Position des Schlittens 12 zwischen der nicht-Lastbedingung und der Lastbedingung, die durch die Sensoren 2a-2d und 3a-3d erfasst werden. Dann berechnet der Computer 6 die auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 (Schlitten 12) wirkende Last basierend auf der Verschiebung des Schlittens 12. Für das Berechnen der Last berechnet der Computer 6 zuerst fünf Komponenten der Verschiebung des Schlittens 12 basierend auf der Verschiebung. Dann berechnet der Computer 6 die auf jede der Kugeln 16 wirkende Last und deren Kontaktwinkel basierend auf den fünf Komponenten der Verschiebung. Dann berechnet der Computer 6 die auf den Schlitten 12 wirkenden Lasten (fünf Komponenten einer externen Kraft) basierend auf den Lasten und Kontaktwinkeln der entsprechenden Kugeln 16. Die oben genannten drei durch den Computer ausgeführten Prozesse werden im Folgenden im Detail beschrieben.
<Berechnen von fünf Komponenten der Verschiebung des Schlittens>
Wie in 2 gezeigt, sind die x-y-z-Koordinaten auf der Bewegungsführungsvorrichtung 1 gesetzt. Dabei sind die auf den Ursprung der x-y-z-Koordinatenachsen wirkenden Lasten eine Summe F_y aus einer Radiallast und einer umgekehrten Radiallast und eine Summe F_z von Horizontallasten. Die in der positiven Richtung in der y-Achse von 2, d.h. in der Richtung, die den Schlitten 12 auf die Schiene 11 drückt, wirkende Last ist die Radiallast. Die in der entgegengesetzten Richtung, d.h. in der den Wagen 12 von der Schiene 11 entfernenden Richtung, wirkende Last ist die umgekehrte Radiallast. Die in den negativen und positiven Richtungen der z-Achse in 2, d.h. in der Richtung einer lateralen (transversalen) Verschiebung des Schlittens 12 von der Schiene 11, wirkenden Lasten, sind die Horizontallasten.
Die Momente um die x-y-z-Koordinatenachsen herum sind eine Summe M_a der Nickmomente, eine Summe M_b der Giermomente und eine Summe M_c der Rollmomente. Die Radiallast F_y, das Nickmoment M_a, das Rollmoment M_c, die Horizontallast F_z und das Giermoment M_b wirken als externe Kräfte auf den Schlitten 12. Wenn diese fünf Komponenten der externen Kraft auf den Schlitten 12 wirken, erzeugen sie entsprechende fünf Komponenten der Verschiebung für den Schlitten 12, d.h. eine radiale Verschiebung α₁ (mm), einen Nickwinkel α₂ (rad), einen Rollwinkel α₃ (rad), eine horizontale Verschiebung α₄ (mm) und einen Gierwinkel α₅ (rad).
5 zeigt die Änderungen in den Ausgaben aus den Sensoren 2a-2d, wenn die externen Kräfte auf den Schlitten 12 wirken. In 5 geben die schraffierten Pfeile diejenigen Sensoren an, deren Ausgaben sich ändern, und geben die weißen Pfeile diejenigen Sensoren an, deren Ausgaben sich nicht ändern. Wenn die Radiallast F_y auf den Schlitten 12 wirkt, wird der Zwischenraum zwischen dem Schlitten 12 und der Schiene 11 in der Oben-Unten-Richtung kleiner. Wenn dagegen die umgekehrte Radiallast -F_y auf den Schlitten 12 wirkt, wird der Zwischenraum zwischen dem Schlitten 12 und der Schiene 11 in der Oben-Unten-Richtung größer. Die radialen Sensoren 2a und 2b erfassen die Änderungen im Zwischenraum (Verschiebungen) in der Oben-Unten-Richtung. Es ist zu beachten, dass die radialen Sensoren 3a und 3b, die an dem Sensormontageteil 15b angebracht sind (siehe 1), auch die Verschiebung in der Oben-Unten-Richtung erfassen.
Wenn die Radiallast F_y oder die umgekehrte Radiallast-F_y auf den Schlitten 12 wirkt, wird die radiale Verschiebung α₁ des Schlittens 12 zum Beispiel durch die folgende Gleichung erhalten, in der die durch die radialen Sensoren 2a und 2b erfassten Verschiebungen A₁ und A₂ sind und die durch die radialen Sensoren 3a und 3b erfassten Verschiebungen A₃ und A₄ sind. $α_{1} = (A_{1} + A_{2} + A_{3} + A_{4}) / 4$
Wenn die Horizontallast F_z auf den Schlitten 12 wirkt, verschiebt sich der Schlitten 12 lateral von der Schiene 11 und wird der Abstand zwischen einer der Hülsen 12-2 des Schlittens 12 und der Schiene 11 in der horizontalen Richtung kleiner, während der Abstand zwischen der anderen Hülse 12-2 des Schlittens 12 und der Schiene 11 in der horizontalen Richtung größer wird. Die horizontalen Sensoren 2c und 2d erfassen derartige Änderungen in dem Abstand (Verschiebung) in der horizontalen Richtung. Es ist zu beachten, dass die horizontalen Sensoren 3c und 3d, die an dem Sensormontageteil 15b angebracht sind (siehe 1) auch die Verschiebungen in der horizontalen Richtung erfassen. Die horizontale Verschiebung α₄ des Schlittens 12 wird zum Beispiel durch die folgende Gleichung erhalten, wobei B₁ und B₂ die durch die horizontalen Sensoren 2c und 2d erfassten Verschiebungen sind und B₃ und B₄ die durch die horizontalen Sensoren 3c und 3d erfassten Verschiebungen sind. $α_{4} = (B_{1} - B_{2} + B_{3} - B_{4}) / 4$
Wenn das Nickmoment M_a auf den Schlitten 12 wirkt, wird der Zwischenraum zwischen den radialen Sensoren 2a und 2b und der Schiene 11 größer, während der Zwischenraum zwischen den radialen Sensoren 3a und 3b und der Schiene 11 kleiner wird. Wenn der Nickwinkel α₂ ausreichend klein ist, wird der Nickwinkel α₂ (rad) zum Beispiel durch die folgende Gleichung erhalten. $α_{2} = ((A_{3} + A_{4}) / 2 - (A_{1} + A_{2}) / 2) {/L}_{1}$
Wenn das Rollmoment M_c auf den Schlitten 12 wirkt, wird der Zwischenraum zwischen den radialen Sensoren 2a und 3a und der Schiene 11 kleiner, während der Zwischenraum zwischen den radialen Sensoren 2b und 3b und der Schiene 11 größer wird. Wenn der Rollwinkel α₃ ausreichend klein ist, wird der Rollwinkel α₃ (rad) zum Beispiel durch die folgende Gleichung erhalten. $α_{3} = ((A_{1} + A_{3}) / 2 - (A_{2} + A_{4}) / 2) {/L}_{2}$
Wenn das Giermoment M_b auf den Schlitten 12 wirkt, wird der Zwischenraum zwischen den horizontalen Sensoren 2c und 3d und der Schiene 11 kleiner, während der Zwischenraum zwischen den horizontalen Sensoren 2d und 3c und der Schiene 11 größer wird. Wenn der Gierwinkel α₅ ausreichend klein ist, wird der Gierwinkel α₅ (rad) zum Beispiel durch die folgende Gleichung erhalten. $α_{5} = ((A_{1} + A_{4}) / 2 - (A_{2} + A_{3}) / 2) {/L}_{2}$
In der oben beschriebenen Weise können die fünf Komponenten der Verschiebung des Schlittens 12 basierend auf den durch die Sensoren 2a-2d und 3a-3d erfassten Verschiebungen berechnet werden.
<Berechnen der auf jede Kugel wirkenden Last und des Kontaktwinkels>
6 ist eine Querschnittansicht in der x-Achsenrichtung und zeigt einen Teil des Schlittens 12, in dem die Kugeln 16 innerhalb des Schlittens 12 in Kontakt sind. Wie in 6 gezeigt, wird der Abstand zwischen jeweils zwei benachbarten Kugeln durch κDa angegeben, wobei κ einen Wert von etwas größer als eins aufweist, und ist die x-Koordinate jeder der Kugeln als x_i definiert. Die Länge des Teils des Schlittens 12, in dem die Kugeln 16 rollen, wird durch 2U_x angegeben. Die Anzahl der Kugeln in der Länge 2U_x wird als eine effektive Anzahl von Kugeln bezeichnet und durch I angegeben. An beiden Enden des Schlittens 12 sind R-förmige große Krümmungsflächen, deren Radius R ist und deren Tiefe λ_ε ist, durch eine als Krönung bezeichnete Verarbeitung ausgebildet.
Wenn die fünf Komponenten der externen Kraft auf den Schlitten 12 wirken, d.h. wenn die Radiallast F_y, das Nickmoment M_a, das Rollmoment M_c, die Horizontallast F_z und das Giermoment M_b auf den Schlitten 12 wirken, wird hier angenommen, dass die fünf Komponenten der Verschiebung in dem Schlitten 12 erzeugt werden und also die Radialverschiebung α₁, der Nickwinkel α₂, der Rollwinkel α₃, die Horizontalverschiebung α₄ und der Gierwinkel α₅ in dem Schlitten 12 erzeugt werden und eine theoretische Formel bilden.
6 ist eine Querschnittansicht, die das Innere des Schlittens 12 an der Kugel mit der Nummer i und die inneren Lasten vor dem Erzeugen der fünf Komponenten der Verschiebung zeigt. Und 8 zeigt das gleiche Innere und die inneren Lasten nach dem Erzeugen der fünf Komponenten der Verschiebung. Dabei wird die Kugelreihennummer in dem Schlitten 12 durch j angegeben und wird die Kugelnummer in der Kugelreihe durch i angegeben. Der Kugeldurchmesser wird durch D_a angegeben, und die Passungsgüte zwischen der Kugel 16 und der Laufwegfläche der Schiene 11 sowie diejenige zwischen der Kugel 16 und der Laufwegfläche des Schlittens 12 werden beide durch f angegeben. Deshalb wird der Krümmungsradius der Laufwegfläche durch fD_a angegeben. Die Mittenposition der Krümmung der Laufwegfläche der Schiene wird durch A_r angegeben, und die Mittenposition der Krümmung der Laufwegfläche des Schlittens wird durch A_c angegeben. Der durch eine diese zwei Mittenpositionen verbindende Linie und die z-Achse definierte Winkel ist der Kontaktwinkel, wobei der anfängliche Wert des Kontaktwinkels durch γ angegeben wird. Die Distanzen zwischen den Mitten von jeweils zwei benachbarten Kugeln werden durch 2U_z12, 2U_z34 und 2U_y angegeben.
Eine Vorlast wirkt auf die Kugeln 16. Zuerst werden die Prinzipien der Vorlast beschrieben. Die Dimensionen des Teils, der zwischen der Laufwegfläche der Schiene 11 und der entsprechenden (gegenüberliegenden) Laufwegfläche des Schlittens 12 definiert ist, werden durch die Dimensionen der Schiene 11 und des Schlittens 12 während des Entwurfs und die Geometrie der Laufwegflächen definiert. Der Durchmesser der darin aufzunehmenden Kugel ist der Kugeldurchmesser während des Entwurfs. Wenn eine Kugel 16 mit einer Dimension D_a + λ, d.h. mit einer etwas größeren Dimension als der Kugeldurchmesser während des Entwurfs, darin aufgenommen wird, dann wird der Kontaktteil zwischen der Kugel 16 und der Laufwegfläche einer elastischen Deformation aufgrund der Hertz-Kontakttheorie unterworfen, wodurch die Kontaktfläche gebildet wird und die Kontaktspannung erzeugt wird. Die auf diese Weise erzeugte Last ist die innere Last, d.h. die Vorlast.
In 7 wird diese Last durch P₀ angegeben, und wird die Annäherungsgröße zwischen der Schiene 11 und dem Schlitten 12 aufgrund der elastischen Verformung des Kontaktteils durch δ₀ angegeben. In der Praxis ist jede der Kugeln an der Mittenposition zwischen der Laufwegfläche der Schiene 11 und der Laufwegfläche des Schlittens 12 angeordnet, wie durch die einfach gepunktete Strichlinie in 7 angegeben, wobei jedoch verschiedene charakteristische Werte, die aus der Hertz-Kontakttheorie abgeleitet werden und an den zwei Kontaktteilen der Kugel 16 erzeugt werden, gleich sind, weil die Passungsgüte f zwischen der Laufwegfläche der Schiene 11 und der Kugel 16 gleich derjenigen des Schlittens 12 ist. Deshalb ist jede der Kugeln 16 an einer auf die Laufwegfläche 11 der Schiene 11 verschobenen Position gezeigt, sodass die Annäherungsgröße δ₀ zwischen der Laufwegfläche der Schiene 11 und der Laufwegfläche des Schlittens 12 einfach verstanden werden kann.
Normalerweise ist die Vorlast als eine Summe von Radiallasten definiert, die auf die oberen zwei Reihen der Schiene (oder die unteren zwei Reihen der Schiene) für jeweils einen Schlitten wirken, sodass die Vorlast P_pre durch die folgende Gleichung wiedergegeben wird: $P_{p r e} = 2 \sum_{i = 1}^{l} \sum_{j = l}^{2} P_{0 i} sin γ_{j}$
Im Folgenden wird eine Situation beschrieben, in der die fünf Komponenten der externen Kraft auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 aus diesem Zustand heraus wirken und die fünf Komponenten der Verschiebung erzeugt werden. Wie in 8 gezeigt, verschiebt sich die Mitte der Bewegungsführungsvorrichtung 1 am Ursprung der Koordinaten aufgrund der fünf Komponenten der Verschiebung, d.h. der radialen Verschiebung α₁, des Nickwinkels α₂, des Rollwinkels α₃, der horizontalen Verschiebung α₄ und des Gierwinkels α₅ und findet deshalb die relative Verschiebung zwischen der Schiene 11 und dem Schlitten 12 an der Position der Kugel i statt.
In dieser Situation bewegt sich die Mitte der Krümmung der Laufwegfläche der Schiene nicht (Verschiebung), aber bewegt sich der Schlitten 12. Deshalb bewegt sich die Krümmungsmitte der Laufwegfläche des Schlittens geometrisch an jeder Kugelposition. Diese Bewegung wird durch eine Darstellung wiedergegeben, in der sich die Mitte A_c der Krümmung der Laufwegfläche des Schlittens zu A_c' bewegt. Die Bewegungsgröße von A_c zu A_c' ist in die y-Richtung und die z-Richtung geteilt. Die Bewegungsgröße in der y-Richtung wird durch δ_y angegeben und die Bewegungsgröße in der z-Richtung wird durch δ_z angegeben. In der folgenden Beschreibung gibt das tiefgestellte i die Kugel an und gib das tiefgestellte j die Kugelreihe an. Dann werden δ_y und δ_z wie folgt wiedergegeben. $\begin{matrix} δ_{yij} = α_{1} + α_{2} x_{i} + α_{3} z_{cij} \\ δ_{zij} = α_{4} + α_{5} x_{i} - α_{3} y_{cij} \end{matrix}$
wobei z_c und y_c die Koordinaten des Punkts A_c sind.
Weil die Linie, die die Mitte der Krümmung der Laufwegfläche der Schiene 11 mit derjenigen des Schlittens 12 verbindet, den Kontaktwinkel definiert, der die Richtung der normalen Linie der Kugellast angibt, ändert sich der anfängliche Kontaktwinkel γ_j zu β_ij und ändert sich die Distanz zwischen der Mitte der Krümmung der Laufwegfläche der Schiene 11 und derjenigen des Schlittens 12 von der anfänglichen Distanz zwischen A_r und A_c zu der Distanz zwischen A_r und A_c'. Diese Änderung in der Distanz zwischen der Mitte der Krümmung der Laufwegfläche der Schiene 11 und derjenigen des Schlittens 12 definiert die elastische Verformung der Kugel 16 an den zwei Kontaktteilen. Wie in Verbindung mit 7 beschrieben, ist die Kugel 16 an einer zu der Laufwegfläche der Schiene verschobenen Position gezeigt, um die Größe δ_ij der elastischen Verformung der Kugel 16 zu erhalten.
Die Distanz zwischen A_r und A_c' ist auch in die y-Richtung und die z-Richtung geteilt. Die Distanz in der y-Richtung wird durch V_y angegeben, und die Distanz in der z-Richtung wird durch V_z angegeben. Die folgenden Gleichungen werden erhalten, wenn δ_yij und δ_zij verwendet werden. $\begin{array}{l} V_{yij} = (2 f - 1) D_{a} {sin}_{γ i} + δ_{yij} \\ V_{zij} = (2 f - 1) D_{a} {cos}_{γ i} + δ_{zij} \end{array}$
Die Distanz zwischen A_r und A_c' wird also durch die folgende Gleichung erhalten. $\bar{A r A c'} = {(V_{y i j}^{2} + V_{z i j}^{2})}^{\frac{1}{2}}$
Der Kontaktwinkel β_ij wird durch die folgende Gleichung erhalten. $tan β_{i j} = \frac{V_{y i j}}{V_{z i j}}$
Deshalb wird die Größe δ_ij der elastischen Verformung der Kugel 16 durch die folgende Gleichung erhalten. $δ_{i j} = {(V_{y i j}^{2} + V_{z i j}^{2})}^{\frac{1}{2}} - (2 f - 1) D_{a} + λ - λ_{x i}$
In der Querschnittansicht entlang der x-Achsenrichtung von 6, in welcher der Teil des Schlittens 12 die Kugeln 16 in dem Schlitten 12 kontaktiert, wird die Größe δ_ij der elastischen Verformung jeder der Kugeln 16 in den durch eine Krönung verarbeiteten Bereichen kleiner. Der Grund hierfür ist, dass die Mitte A_c' der Krümmung der Laufwegfläche des Schlittens 12 von der Mitte A_c der Krümmung der Laufwegfläche der Schiene beabstandet ist. Es kann also davon ausgegangen werden, dass der Kugeldurchmesser entsprechend reduziert ist. Deshalb wird diese Größe durch λ_xi angegeben und in der oben angegebenen Gleichung subtrahiert.
Wenn eine Kugel als den Rollkörper verwendet wird und eine Gleichung, die die Größe der durch die Hertz-Kontakttheorie abgeleiteten elastischen Annäherung wiedergibt, benutzt wird, wird die Last P_ij des rollenden Körpers aus der Größe δ_ij der elastischen Verformung unter Verwendung der folgenden Gleichung erhalten. $P_{i j} = C_{b} δ_{i j}^{\frac{3}{2}}$
C_b gibt eine nicht-lineare Federkonstante (N/mm^3/2) wieder und wird durch die folgende Gleichung erhalten. $C b = 2^{- \frac{3}{2}} {(\frac{2 K}{π μ})}^{- \frac{3}{2}} {[\frac{1}{8} {\frac{3}{E} (1 - \frac{1}{m^{2}})}^{2}]}^{- \frac{1}{2}}$
wobei E der Modulus der Längselastizität ist, 1/m das Poisson-Verhältnis ist und 2K/πµ der Hertz-Koeffizient ist.
Wie zuvor beschrieben, können der Kontaktwinkel, die Größe der elastischen Verformung und die Rollkörperlast durch die Gleichungen für alle Kugeln 16 in dem Schlitten 12 unter Verwendung der fünf Komponenten α₁ - α₅ der Verschiebung des Schlittens 12 wiedergegeben werden.
Es ist zu beachten, dass der einfacheren Verständlichkeit halber bei dem Schlitten 12 von einem starren Körper ausgegangen wird und in der folgenden Beschreibung eine Lastverteilungstheorie mit einem starren Körpermodell verwendet wird. Die Lastverteilungstheorie mit einem starren Körpermodell kann erweitert werden, wobei die Strahltheorie angewendet werden kann, um die Verformungen der Hülsen 12-2 des Schlittens 12 zu berücksichtigen und eine Lastverteilungstheorie mit einem Schlittenstrahlmodell zu verwenden. Der Schlitten 12 und die Schiene 11 können auch in einem FEM-Modell eingesetzt werden, um eine Lastverteilungstheorie mit einem Schlitten-Schiene-FEM-Modell zu verwenden.
<Berechnen der Lasten (Fünf Komponenten der externen Kraft)>
Und schließlich werden die oben genannten Gleichungen verwendet und Gleichungen für einen ausgeglichenen Zustand in Bezug auf die fünf Komponenten der externen Kraft erstellt, d.h. die Radiallast F_y, das Nickmoment M_a, das Rollelement M_c, die Horizontallast F_z und das Giermoment M_b.
Gleichung 14:
Für die Radiallast F_y: $F_{y} = \sum_{j = 1}^{4} \sum_{i - 1}^{l} P_{i j} sin β_{i j}$
Gleichung 15:
Für das Nickmoment: $M_{a} = \sum_{j = 1}^{4} \sum_{i - 1}^{l} P_{i j} sin β_{i j} x_{i j}$
Gleichung 16:
Für das Rollmoment M_c: $M_{c} = \sum_{j = 1}^{4} \sum_{i - 1}^{l} P_{i j} ω_{i j}$
wobei ω_ij die Armlänge des Moments wiedergibt und durch die folgende Gleichung erhalten wird. Es ist zu beachten, dass z_r und y_r die Koordinaten des Punkts Ar sind. $ω_{i j} = z_{r i j} sin β_{i j} - y_{r i j} cos β_{i j}$
Gleichung 17:
Für die Horizontallast F_z: $F_{z} = \sum_{j = 1}^{4} \sum_{i - 1}^{l} P_{i j} cos β_{i j}$
Gleichung 18:
Für das Giermoment M_b: $M_{b} = \sum_{j = 1}^{4} \sum_{i - 1}^{l} P_{i j} c o β_{i j} x_{i}$
Mit den oben genannten Gleichungen können die auf den Schlitten 12 wirkenden Lasten (fünf Komponenten der externen Kraft) berechnet werden.
<Berechnen der Lebensdauer>
Anschließend berechnet der Computer 6 die Lebensdauer der Bewegungsführungsvorrichtung 1 basierend auf den berechneten Lasten für den Schlitten 12. In der folgenden Beschreibung wird ein Verfahren zum Berechnen der Lebensdauer der Bewegungsführungsvorrichtung 1 beschrieben. Die Lasten für den Schlitten 12, die durch den Computer 6 berechnet werden, sind mit der Position des Schlittens 12 assoziiert. Die Lasten für den Schlitten 12 werden als Kurven aufgetragen, wobei zum Beispiel wie in 9 gezeigt die horizontale Achse die Position des Schlittens 12 wiedergibt und die vertikale Achse die Last des Schlittens 12 wiedergibt. 9 zeigt ein Beispiel, in dem sich die Radiallast auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 zu P₁, P₂ und P_n in einem Zyklus des Betätigungsmusters der echten Maschine ändert. Der Computer 6 berechnet die durchschnittliche Last auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 während der Bewegung der Bewegungsführungseinrichtung basierend auf den sich ändernden Lasten P₁, P₂ und P_n. Die durchschnittliche Last wird zum Beispiel durch die folgende Gleichung berechnet. $P_{m} = \sqrt[3]{\frac{1}{L} • \sum_{n - 1}^{n} (P_{n}^{3} • L_{n})}$
wobei P_m die durchschnittliche Last (N) ist, P_n die sich ändernde Last (N) ist, L ein Hub (mm) ist und L_n eine mit der Last P_n zurückgelegte Distanz ist. Entsprechend berechnet der Computer 6 die durchschnittliche Last auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 während der Bewegung für die fünf Komponenten der auf den Schlitten 12 wirkenden externen Kraft.
Dann berechnet der Computer 6 eine äquivalente Last, die bei der Berechnung der Lebensdauer verwendet wird, basierend auf der berechneten durchschnittlichen Last. Die Gleichung für das Berechnen der äquivalenten Last variiert mit der Modellnummer (Typ) der Bewegungsführungsvorrichtung 1 und wird durch den Hersteller der Bewegungsführungsvorrichtung 1 bestimmt. Wenn zum Beispiel die Bewegungsführungsvorrichtung 1 vom HSR-Typ (Modellnummer der THK Co., Ltd.) ist, wird die äquivalente Last P_c durch die folgende Gleichung unter Verwendung der durchschnittlichen Last P_R der Radiallast und der durchschnittlichen Last P_T der Horizontallast berechnet. $P_{c} = P_{R} + P_{T}$
Anschließend verwendet der Computer 6 zum Beispiel die folgende Gleichung, um eine Nennlebensdauer L (km) zu berechnen. Die Nennlebensdauer ist eine Gesamtbewegungsdistanz, die durch 90% der individuellen Bewegungsführungsvorrichtungen in einer Gruppe von gleichen Bewegungsführungsvorrichtungen 1 unter der gleichen Bedingung ohne eine Abblätterung (schuppenartige Abblätterung der Metallfläche) zurückgelegt wird. $L = {(\frac{f_{H} • f_{T} • F_{C}}{f_{W}} • \frac{C}{P_{C}})}^{3} \times 50$
wobei L die Nennlebensdauer (km) ist, C die grundlegende dynamische Nennlast (N) ist und P_c die äquivalente Last (N) ist. Es ist zu beachten, dass f_H ein Härtefaktor ist, f_T ein Temperaturfaktor ist, f_c ein Kontaktfaktor ist und f_w ein Lastfaktor ist. Es ist zu beachten, dass f_H, f_T, f_c und f_w durch den Hersteller der Bewegungsführungsvorrichtung 1 bestimmt werden. Zum Beispiel: f_H = f_T = f_c = f_w = 1
Vorstehend wurde die Konfiguration des Lastmesssystems für die Bewegungsführungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform beschrieben. Das Lastmesssystem für die Bewegungsführungsvorrichtung 1 dieser Ausführungsform bietet die folgenden Vorteile.
In dieser Ausführungsform muss kein Dehnungsmessstreifen zwischen dem Schlitten 12 und dem Tisch 8 der echten Maschine geklemmt werden und kann die Last (die auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 wirkende Last, wobei die Bewegungsführungsvorrichtung 1 in der echten Maschine montiert ist, einschließlich des Gewichts eines auf dem Schlitten 12 angeordneten Objekts) für die Bewegungsführungsvorrichtung 1 in Echtzeit während der Verwendung der echten Maschine genau gemessen werden. Außerdem ist die Last der Bewegungsführungsvorrichtung 1 mit der Position des Schlittens 12 relativ zu der Schiene 11 in der Relativbewegungsrichtung assoziiert. Auf diese Weise kann die auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 wirkende Last, die sich während der Bewegung ändert, genau gemessen werden. Wenn die auf die Bewegungsführungsvorrichtung 1 wirkende Last genau gemessen wird, muss keine Bewegungsführungsvorrichtung 1 mit einer übermäßigen Nennlast ausgewählt werden und kann die Lebensdauer der Bewegungsführungsvorrichtung 1 präziser vorausgesagt werden.
In dem Lastberechnungsprozess werden die Lasten und die Kontaktwinkel der Kugeln 16, die zwischen der Schiene 11 und dem Schlitten 12 angeordnet sind, berechnet. Auf diese Weise können die Lasten genau berechnet werden.
Weil die radialen Sensoren 2a, 2b, 3a und 3b und die horizontalen Sensoren 2c, 2d, 3c und 3d an den an gegenüberliegenden Enden des Schlittens 12 in der Bewegungsrichtung angebrachten Sensormontageteilen 15a und 15b angeordnet sind, muss der Schlitten 12 nicht neu entworfen oder modifiziert werden, wenn die radialen Sensoren 2a, 2b, 3a und 3b und die horizontalen Sensoren 2c, 2d, 3c und 3d an dem Schlitten 12 montiert werden. Und weil der Abstand zwischen den radialen Sensoren 2a, 2b und den radialen Sensoren 3a, 3b und der Abstand zwischen den horizontalen Sensoren 2c, 2d und den horizontalen Sensoren 3c, 3d vergrößert werden kann, um die Verschiebungen der gesamten Kugelreihen zu sehen, kann die Momentverschiebung des Schlittens 12 genau berechnet werden.
Weil jeder der Sensormontageteile 15a und 15b den der oberen Fläche 11c der Schiene 11 zugewandten horizontalen Teil 15-1 und die den Seitenflächen der Schiene 11 zugewandten Hülsen 15-2 umfasst, können die radialen Sensoren 2a, 2b, 3a und 3b und die horizontalen Sensoren 2c, 2d, 3c und 3d einfach an den Sensormontageteilen 15a und 15b angeordnet werden.
Weil die Positionen des Schlittens 12 relativ zu der Schiene 11 in der Radialrichtung und in der Horizontalrichtung, während sich der Schlitten 12 in einer nicht-Lastbedingung befindet, in welcher der Tisch 8 der echten Maschine von dem Schlitten 12 entfernt ist, als die Referenzen der Verschiebungen des Schlittens 12 erfasst werden und dann die Positionen des Schlittens 12 relativ zu der Schiene 11 in der Radialrichtung und der Horizontalrichtung in der Lastbedingung, in welcher der Tisch 8 der echten Maschine an dem Schlitten 12 angebracht ist, erfasst werden, kann die Verschiebung des Schlittens 12 während der Verwendung auch dann, wenn sich die Schiene 11 biegt, genau erfasst werden.
Es ist zu beachten, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebene Ausführungsform beschränkt ist. Die Erfindung kann durch verschiedene Ausführungsformen realisiert werden, ohne dass deshalb der Erfindungsumfang verlassen wird.
In der oben beschriebenen Ausführungsformen werden fünf Komponenten der Verschiebung des Schlittens berechnet, wobei jedoch auch nur eine, zwei, drei oder vier Komponenten der Verschiebung des Schlittens berechnet werden können, um die Berechnung zu vereinfachen, wenn die auf den Schlitten wirkende Kraft oder das Moment identifiziert oder bekannt ist. Dadurch kann die Anzahl von Sensoren vermindert werden und können dementsprechend die Kosten reduziert werden.
Die Schiene ist in der oben beschriebenen Ausführungsform auf der horizontalen Ebene angeordnet, wobei die Schiene aber auch auf einer vertikalen Ebene oder einer geneigten Ebene angeordnet sein kann.
In der oben beschriebenen Ausführungsform werden Kugeln als die Rollkörper verwendet, wobei aber auch Rollen als die Rollkörper verwendet werden können.
Es können optionale Teile wie etwa Dichtungen und eine Schmiermittel-Zuführeinheit an gegenüberliegenden Endflächen der Sensormontageteile in der Schlittenbewegungsrichtung vorgesehen sein.
Die vorliegende Anmeldung beruht auf der japanischen Patentanmeldung Nr. 2016-010548 vom 22. Januar 2016, deren gesamter Inhalt hier unter Bezugnahme eingeschlossen ist.
Bezugszeichenliste
1: Bewegungsführungsvorrichtung; 2a, 2b, 3a, 3b: radiale Sensoren (Sensoren); 2c, 2d, 3c, 3d: horizontale Sensoren (Sensoren); 4: Linearcodierer (Positionserfassungseinheit); 5: Datenprotokollierer (Aufzeichnungseinrichtung); 6: Computer (Berechnungseinheit; 11: Schiene (Schienenglied); 12: Schlitten (Gleitglied); 15a, 15b: Sensormontageteile; 15-1: horizontaler Teil; 15-2: Hülse; 16: Kugel (Rollkörper).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2007263286 [0005]
JP 2016 [0077]

Claims

Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung, wobei die Bewegungsführungsvorrichtung ein Gleitglied aufweist, das über Rollkörper an einem Schienenglied montiert ist, sodass sich das Gleitglied relativ zu dem Schienenglied bewegen kann, wobei das Lastmesssystem umfasst: eine Positionserfassungseinheit, die konfiguriert ist zum Erfassen der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Relativbewegungsrichtung, wenigstens einen Sensor, der konfiguriert ist zum Erfassen einer Verschiebung des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Radialrichtung und/oder einer Horizontalrichtung, und eine Berechnungseinheit, die konfiguriert ist zum Berechnen einer auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last, die mit der Position assoziiert ist, basierend auf Positionsinformationen, die durch die Positionserfassungseinheit erfasst werden, und auf Verschiebungsinformationen, die durch den oben genannten wenigstens einen Sensor erfasst werden.
Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Berechnungseinheit Lasten und Kontaktwinkel der Rollkörper, die zwischen dem Schienenglied und dem Gleitglied angeordnet sind, bei der Berechnung der Last berechnet.
Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der wenigstens eine Sensor einen radialen Sensor, der konfiguriert ist zum Erfassen eines Zwischenraums zwischen einer oberen Fläche des Schienenglieds und dem radialen Sensor in einer radialen Richtung, und/oder einen horizontalen Sensor, der konfiguriert ist zum Erfassen eines Zwischenraum zwischen einer Seitenfläche des Schienenglieds und dem horizontalen Sensor in einer horizontalen Richtung, umfasst, und der radiale Sensor und/oder der horizontale Sensor jeweils an den an beiden Enden des Gleitglieds in der Relativbewegungsrichtung angebrachten Sensormontageteilen angeordnet sind.
Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei jeder der Sensormontageteile einen horizontalen Teil, der der oberen Fläche des Schienenglieds zugewandt ist, und eine Hülse, die der Seitenfläche des Schienenglieds zugewandt ist, aufweist, wobei der radiale Sensor an dem horizontalen Teil des Sensormontageteils angeordnet ist, und der horizontale Sensor an der Hülse des Sensormontageteils angeordnet ist.
Lastmesssystem für eine Bewegungsführungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der wenigstens eine Sensor konfiguriert ist zum Erfassen, als einer Referenz der Verschiebung, der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in der Radialrichtung und/oder der Horizontalrichtung in einer nicht-Lastbedingung, in welcher ein beweglicher Teil einer echten Maschine von dem Gleitglied entfernt ist, und dann zum Erfassen der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in der Radialrichtung und/oder der Horizontalrichtung in einer Lastbedingung, in welcher der bewegliche Teil der realen Maschine an dem Gleitglied angebracht ist.
Verfahren zum Messen einer Last an einer Bewegungsführungsvorrichtung, die ein Gleitglied aufweist, das über Rollkörper an einem Schienenglied montiert ist, sodass sich das Gleitglied relativ zu dem Schienenglied bewegen kann, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Erfassen der Position des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Relativbewegungsrichtung, Erfassen einer Verschiebung des Gleitglieds relativ zu dem Schienenglied in einer Radialrichtung und/oder einer Horizontalrichtung, und Berechnen der auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last, die mit der Position assoziiert ist, basierend auf erfassten Positionsinformationen und erfassten Verschiebungsinformationen.
Verfahren zum Berechnen der Lebensdauer einer Bewegungsführungsvorrichtung, umfassend: Berechnen einer auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden durchschnittlichen Last in einem Betätigungsmuster einer echten Maschine basierend auf der auf die Bewegungsführungsvorrichtung wirkenden Last, die unter Verwendung des Verfahrens zum Messen einer Last gemäß dem Anspruch 6 berechnet wird, und Berechnen der Lebensdauer der Bewegungsführungsvorrichtung basierend auf der durchschnittlichen Last.