EP3283864A1 - Linearführungseinrichtung für eine vorschubachse - Google Patents

Linearführungseinrichtung für eine vorschubachse

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Publication number
EP3283864A1
EP3283864A1 EP16703263.0A EP16703263A EP3283864A1 EP 3283864 A1 EP3283864 A1 EP 3283864A1 EP 16703263 A EP16703263 A EP 16703263A EP 3283864 A1 EP3283864 A1 EP 3283864A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microsensor
linear guide
guide device
sensor
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16703263.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gerrit DUMSTORFF
Walter Lang
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Individual
Original Assignee
Individual
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Filing date
Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3283864A1 publication Critical patent/EP3283864A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23Q—DETAILS, COMPONENTS, OR ACCESSORIES FOR MACHINE TOOLS, e.g. ARRANGEMENTS FOR COPYING OR CONTROLLING; MACHINE TOOLS IN GENERAL CHARACTERISED BY THE CONSTRUCTION OF PARTICULAR DETAILS OR COMPONENTS; COMBINATIONS OR ASSOCIATIONS OF METAL-WORKING MACHINES, NOT DIRECTED TO A PARTICULAR RESULT
    • B23Q17/00—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools
    • B23Q17/09—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool
    • B23Q17/0952—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining
    • B23Q17/0966—Arrangements for observing, indicating or measuring on machine tools for indicating or measuring cutting pressure or for determining cutting-tool condition, e.g. cutting ability, load on tool during machining by measuring a force on parts of the machine other than a motor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C29/00—Bearings for parts moving only linearly
    • F16C29/005—Guide rails or tracks for a linear bearing, i.e. adapted for movement of a carriage or bearing body there along
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/0009—Force sensors associated with a bearing
    • G01L5/0019—Force sensors associated with a bearing by using strain gages, piezoelectric, piezo-resistive or other ohmic-resistance based sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M13/00—Testing of machine parts
    • G01M13/04—Bearings
    • G01M13/045—Acoustic or vibration analysis
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2233/00—Monitoring condition, e.g. temperature, load, vibration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2322/00—Apparatus used in shaping articles
    • F16C2322/39—General build up of machine tools, e.g. spindles, slides, actuators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C29/00—Bearings for parts moving only linearly
    • F16C29/04—Ball or roller bearings
    • F16C29/06—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load
    • F16C29/0633—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load with a bearing body defining a U-shaped carriage, i.e. surrounding a guide rail or track on three sides
    • F16C29/0635—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load with a bearing body defining a U-shaped carriage, i.e. surrounding a guide rail or track on three sides whereby the return paths are provided as bores in a main body of the U-shaped carriage, e.g. the main body of the U-shaped carriage is a single part with end caps provided at each end
    • F16C29/0638—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load with a bearing body defining a U-shaped carriage, i.e. surrounding a guide rail or track on three sides whereby the return paths are provided as bores in a main body of the U-shaped carriage, e.g. the main body of the U-shaped carriage is a single part with end caps provided at each end with balls
    • F16C29/0642—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load with a bearing body defining a U-shaped carriage, i.e. surrounding a guide rail or track on three sides whereby the return paths are provided as bores in a main body of the U-shaped carriage, e.g. the main body of the U-shaped carriage is a single part with end caps provided at each end with balls with four rows of balls
    • F16C29/0645—Ball or roller bearings in which the rolling bodies circulate partly without carrying load with a bearing body defining a U-shaped carriage, i.e. surrounding a guide rail or track on three sides whereby the return paths are provided as bores in a main body of the U-shaped carriage, e.g. the main body of the U-shaped carriage is a single part with end caps provided at each end with balls with four rows of balls with load directions in O-arrangement

Definitions

  • the present invention relates to a linear guide device for a feed axis, preferably for a machine tool, a method for
  • Thin-film application of a microsensor on a linear guide device a method for introducing a microsensor in a linear guide device and with a computer-executable method for detecting loads in a linear guide device with at least one microsensor.
  • the invention is particularly in the field of pressing plants, in plant construction and for
  • Condition Monitoring of Rolled Profile Rail Systems and Screw Drives ", RWTH Aachen University, 2011 is a comprehensive overview of the state of the art in condition monitoring research, which will be cited in the following to explain the underlying problem statement: Condition Monitoring is designed to determine the reliability by determining a downtime of Increase wear parts that
  • Feed axes are responsible for machine tools with almost 40% [percent] of machine tools. If you break the now Causes for the failure of the feed axes further down, it turns out that the ball screws (KGT) and the profile rail guides for almost 45% of
  • Feed axis failures are responsible.
  • condition monitoring or the
  • condition monitoring is already being applied in some ways today. However, condition monitoring is currently mainly at the control level
  • the systems for bearings are sensor-based methods.
  • the work is mainly in the field of structure-borne noise measurement or measurement by means of surface acoustic waves. Naturally, the movements are periodic processes. In the case of linear guideways and ball screws, however, due to the design, they are linear and therefore not immediately periodic
  • Vibration sensors such as those used in rotating bearings, are only of limited suitability for the monitoring of linear technology elements.
  • Structure-borne sound measurement also has the great disadvantage that only damage must be present so that there is a change in the signal.
  • Vibration measurement for example, structure-borne noise
  • Vibration measurement is performed and the data obtained in this way are interpreted or the temperature is measured.
  • Vibration measurement due to structural differences between test benches and various production facilities, there is a discrepancy between the respective measured values and measurement results, so that an individual adaptation of the measuring system must take place for each component and each machine. If the operating parameters change, such as re-lubrication after a smear film break, a recalibration of the
  • two types of plant monitoring can be distinguished: First, the monitoring using the data provided by the machine control and second, the monitoring using external sensors.
  • the monitoring based on the data provided by the machine control is done by means of an appropriate software (for example, ePS Network Services of Siemens AG).
  • the main focus is on monitoring the feed axes.
  • the sampling frequency in these systems is limited by the position control clock of 250 Hz [Hertz] to 1 kHz [kilohertz]. Because signals can only be analyzed up to half the frequency bandwidth due to the Shannon theorem, higher-frequency influences can only be achieved with external sensors
  • Data preprocessing are recorded. These sensors are often structure-borne noise sensors or temperature sensors, which are attached to selected points on the machine.
  • the microchip which converts the mechanical oscillation into an electrical signal, is encapsulated in a housing for protection against environmental influences and for better handling, and then fixed on the machine or a machine component.
  • this type of surveillance is a big one
  • the software module ePS Network Services of Siemens AG supports
  • Service specialists and the responsible maintenance personnel can access the operating information and fault information of the connected machines around the clock. These services are based on an internet-based platform. It supports the cross-company service processes and support processes and enables secure communication.
  • the software tool is used by many machine tool manufacturers because it can be used as an optional feature without additional sensory effort. It is designed to optimize maintenance by indicating early on necessary maintenance activities such as cleaning, inspection and repair. The machine operator can use automated test procedures to check the condition of the machine
  • Feed axes scan cyclically and thus receives information about the current state of the machine.
  • the machine diagnostics are based exclusively on the evaluation of control-internal signals. These include the motor current and the position values, but also all in the PLC
  • the universal axis test is used to detect the state of friction.
  • the purpose of the circularity test is to detect whether misalignments of the axes are parameterized loosely or not optimally
  • the big advantage of the software-based system is that it does not need external sensors.
  • various users such as internal and external services, can access the services over the Internet.
  • Feed axes is, as shown in DE 102007038890 A1. Another disadvantage is that the measurements take place in separate measuring runs and not during operation. Especially in highly productive machines, this means lower production capacity and thus increased costs.
  • MCI Machine Condition Indicator
  • the system uses a combination of control data and sensor data to provide information about the state of the machine and the machine Generate manufacturing process.
  • an additional external acceleration sensor is used on the spindle.
  • the evaluation unit continuously records the occurring vibrations within the machine.
  • the assessment of the machine condition is carried out by forming characteristic values during the test programs.
  • the failure of a component is detected by exceeding a previously manually set limit value in the characteristic values.
  • the invention relates in a first aspect to a linear guide device for a feed axis, preferably a machine tool, having at least the following components:
  • Linear guide means is arranged for linearly guiding a carriage or a spindle nut
  • At least one microsensor preferably at least one strain gauge and / or at least one resistance temperature sensor, for detecting an expansion and / or compression and / or temperature of the at least one sensor surface.
  • the linear guide device is characterized in particular by the fact that the at least one microsensor is permanently connected to the at least one sensor surface.
  • the invention relates to a method for thin-film application of a microsensor on a linear guide device, comprising at least the following steps:
  • step b Applying an electrically insulating and mechanically robust third layer, by means of which the second layer is electrically insulated from the outside and mechanically protected, wherein the third layer is preferably formed from aluminum oxide; and e. before, during or after step b. Applying lead terminals for connecting the second layer to a measuring device.
  • the invention relates to a method for introducing a microsensor in a linear guide device, wherein the microsensor is preferably a foil sensor, comprising at least the following steps:
  • step i Positioning lead terminals on a microsensor for a measuring device.
  • the invention relates to a computer-executable method for detecting loads in a linear guide device with at least one microsensor and a computer-readable device, by means of which the method is executable, the method is characterized in particular by the fact that a plurality of strain gauges are provided and a deformation of the sensor surface causes a change in resistance of at least one of the strain gauges in the measurement alignment, wherein the shape and modulus of the linear guidance device the alignment and position of the strain gauges are stored,
  • the applied linear force and / or the applied torque is calculated on the basis of the respective changes in resistance of the strain gauges together with the stored values of shape, modulus and position, wherein preferably the lifetime is extrapolated from this and / or measures for increasing the service life are determined ,
  • the invention relates to a linear guide device for a feed axis, preferably a machine tool, comprising at least the following components:
  • Linear guide means is arranged for linearly guiding a carriage or a spindle nut
  • At least one microsensor preferably at least one strain gauge and / or at least one resistance temperature sensor, for detecting an expansion and / or compression and / or temperature of the at least one sensor surface.
  • the linear guide device is characterized in particular by the fact that the at least one microsensor is permanently connected to the at least one sensor surface.
  • a linear guide device is set up for a feed axis, as a rule at least one of the translational axes x-axis, y-axis and z-axis.
  • Such a linear guide device is for the advance of a tool, for example a milling head, and for advancing a workbench, on which a workpiece to be machined is receivable and fixable, but also for example one
  • the linear guide device is a profiled rail for guiding and moving a carriage or a spindle for a translationally movable spindle nut.
  • a sensor surface of a linear guide device is a surface, which is usually not directly involved in the storage, for example of a carriage. So usually not a contact surface for a rolling element and not an (antagonistic) surface of a hydrostatic bag. Rather, the sensor surface, for example, a rear side of a contact surface or borders, preferably at a corner, to a Contact surface on. Preferably, the sensor surface is selected so that particularly large deformations occur, preferably at one (inner or outer) end of a projecting structure. In the case of a profiled rail, the preferred sensor surface is, for example, the surface opposite the joining surface, into which the most often the
  • Another possible sensor surface is a surface laterally to the joining surface, preferably between spanning bearing surfaces. Such surfaces are close to the loads and are located on an abutment forming region of the
  • a preferred sensor surface is the outermost peripheral surface on the screw drive, that is the outer surfaces of the flanges of the spiral. These are on the one hand well accessible from the outside and on the other hand no direct requirements for bearing elements. Nevertheless, they are subject to the direct influence of stress during operation. Particularly preferably, the sensor surface is only the thread-free surface between the screw drive and a drive of the spindle. Due to the ever-present information about the location of a driven spindle nut, the location and the cause of the load are nevertheless easily ascertainable.
  • Sensor surfaces are in a specific embodiment but also bearing surfaces, which, for example, by rolling elements, are directly loaded.
  • bearing surfaces which, for example, by rolling elements, are directly loaded.
  • mechanically particularly robust microsensors are to be used.
  • Strain gauges with a meander structure in classical construction are particularly preferred.
  • C-H amorphous carbon, also called diamond-like carbon, DLC
  • the (used) measuring range of these directly loaded microsensors is in one embodiment only outside the direct load. Such a microsensor is therefore only sufficient
  • the direct load of, for example, a rolling element can be detected. In the latter case, beyond the pure mechanical stability, the
  • a microsensor is a sensor that has microstructures in the range of usually less than 1 mm [millimeter] and its physical
  • a microsensor comprises at least one strain gauge, in which the electrical resistance due to geometric deformation of the microstructure, so the geometric effect in particular at
  • a meander-shaped structure is usually selected, which meanders transversely to a single measurement orientation, that is, the tracks of the strain gauge extending along the measurement orientation and have alternately top and bottom side connectors.
  • a capacitive strain gauge can be used, which are usually not flat, so as a layer sensor, constructed and this must be considered in the placement of strain gauges.
  • strain gauge but also temperature changes measurable, because the material has a temperature-dependent resistivity.
  • Such strain gauges can be applied directly by thin-layer application, for example by sputtering, vapor deposition, lamination, printing, electrodeposition and / or spraying or
  • Strain gauges are also known as film sensors as finished microsensors or subcomponents of microsensors, for example by means of gluing, with the
  • Linear guide device connectable.
  • Foil strain gauges are preferably glued and wired manually.
  • Advantageous measuring materials are alloys such as constantan (54% copper, 45%
  • a microsensor preferably comprises a plurality of individual, preferably interconnected on the micro level, sensor elements, such as a plurality of strain gauges with a single measurement orientation and / or at least one
  • the sensor elements are preferably interconnected to produce adjusted measurement signals and / or each serve to detect a single, clearly defined measured value, for example a strain gauge for detecting an expansion or compression in a spatial direction.
  • simple resistance temperature sensors which change their resistance to changes in temperature, preferably in a proportional manner, can be used additionally or alternatively. In particular, it is therefore possible to infer increased friction in the region of a temperature increase.
  • resistance temperature sensors are used in combination with strain gauges, particularly preferably at least one additional strain gage is used as the resistance temperature sensor, in order to eliminate or eliminate temperature-related cross-influences.
  • a Wheatstone is preferred Bridge circuit used to adjust for small changes in resistance
  • the at least one microsensor is arranged close to a sensor surface, so that the deformation or temperature change of the sensor surface is transmitted in the largest possible amount to the at least one microsensor.
  • the at least one microsensor is arranged directly on the sensor surface, for example adhesively applied as a film sensor or as a surface sensor directly by thin-film technology or printed. The at least one microsensor remains over the life of the machine tool
  • Linear guide device arranged, preferably for sensor surfaces of rails and sensor surfaces on the circumference of ball screws. In this way, both a deformation and a temperature is spatially resolved and time-resolved measurable. By continuously measuring these values, the load history of a component can be completely captured.
  • the big advantage of monitoring with sensory surfaces lies on the one hand in the possible, high spatial resolution and the fact that not the damage, but directly the forces occurring at the component level can be measured.
  • the at least one microsensor has at least one strain gauge with a single Measurement alignment in at least one of the following arrangements:
  • At least two strain gauges each with the measurement orientation transverse to and equidistant to a center line between two sides of the bearing;
  • the invention comprises at least one strain gauge, preferably numerous
  • Strain gauge which is applied or manufactured on (or in) the linear guide device in order to measure the loads acting thereon during operation and to determine the remaining service life of the monitored component from these measured values.
  • a guide rail of a linear guide device is screwed either from above or from below, for example with a machine tool.
  • the carriage or slide runs on balls (ball guide), cylindrical rolling elements (roller guide) or is hydrostatically supported via the guide rail and thus performs a linear movement.
  • the deformation is proportional to the occurring force and / or the moment occurring and can be detected via the at least one strain gauge.
  • the carriage rolls around the feed axis, so tilts laterally to the feed direction.
  • the carriage yaws around the vertical axis with respect to the aforementioned axes.
  • purely translational movements in the two stored directions are possible, ie transversely to the feed direction. Accordingly, tensile loads and pressure loads occur on the guide rail.
  • a first arrangement are two strain gauges to the right and left of a central axis of the guide rail with their measurement orientation transverse to the central axis.
  • the positioning differs depending on the model of leadership and can be found out through simulations or practical tests.
  • both strain gauges are compressed, under pressure on the guide rail (load in the tightening direction of the fastening screws of the Guide rail), both strain gauges are stretched.
  • a force is introduced from the side of the guide rail (load across a fastening screw)
  • a sensor element is compressed, the other stretched; the strain gauges behave as well when a moment acts around the longitudinal axis of the guide.
  • a temperature drift can be calculated on the software side in the signal processing and is often supplied by the manufacturer of the microsensor.
  • a temperature drift has, at least initially, a relatively slow increase, while an expansion or compression due to a load with a force occurs relatively suddenly.
  • the two strain gauges are arranged as in the first arrangement left and right of a central axis, but not in a line transverse to the feed axis, but are offset in the feed direction to each other. If the guide carriage is located above the measuring point formed by the strain gauges, you can still record all measured values as in the first arrangement. In addition, in dynamic use, that is, when the carriage moves, the speed and the direction of movement of the carriage can be detected via this arrangement. Furthermore, two further strain gauges are drawn in the third arrangement, the measurement orientation is rotated by 90 ° to the other two strain gauges.
  • the individual sensor elements are then read out via a corresponding electronics. Conveniently, they are interconnected in a Wheatstone bridge.
  • the measurement is preferably readable via a two-wire measurement, three-wire measurement, four-wire measurement or six-conductor measurement.
  • the sensor elements are individually readable, with or without temperature compensation, readable (quarter bridge) or in the case of two strain gauges (first and third arrangement) in a crossed half-bridge, also with or without temperature compensation, readable.
  • readable quarter bridge
  • first and third arrangement in the case of two strain gauges (first and third arrangement) in a crossed half-bridge, also with or without temperature compensation, readable.
  • crossed half-bridge information about laterally acting forces and moments about the longitudinal axis of the guide rail is then lost.
  • the sensitivity of this interconnection is doubled compared to the second arrangement.
  • the deformations determined by means of the applied microsensors can be used to calculate the information about the carriage described above.
  • Temperatures can also be measured with the meander-shaped structure. Alternatively or additionally, thermocouples can be used for the temperature measurement. The measurement of the force can also be carried out with a piezoelectric element. At a
  • Piezoelement is usually a ceramic material used, which performs a deformation due to its special crystal structure under load, which leads to a charge shift in the crystal. This charge shift causes a proportional voltage change. This can be used as a measurement signal.
  • the at least one microsensor is fastened by means of at least one of the following manufacturing methods:
  • Linear guide device wherein the recess with the introduced microsensor is materially closed, preferably by means of partial embedding or pouring and / or by means of soldering, wherein preferably the at least one microsensor
  • Foil sensor is inserted and rolled in the recess
  • microsensors have been developed that can be used in various materials such as elastomers, epoxy resin, Carbon fiber composites, steel and aluminum can be embedded.
  • the materials required for the function of the sensor are essentially adapted to the mechanical and thermal properties of the material into which it is to be integrated.
  • the microsystem technology offers the technological advantage of using as little material as possible to manufacture a microsensor and thus introducing as little foreign material as possible into the linear guide.
  • the temperature load of the linear unit during embedding of the sensor depends on the embedding process: When using an adhesive, temperatures from room temperature up to 180 ° C can occur. When soldering, it depends on the choice of the solder. There are low-melting solders, so-called
  • the senor can be welded in or can be applied by means of injection (for example flame spraying).
  • the microsensor is mounted on a carrier substrate of a metal, preferably a metal at least similar to the solder or a steel which is at least similar to the steel of the guide rail.
  • the deformations determined by means of the material-integrated microsensors can be used to calculate the information about the carriage described above.
  • the embedding of the microsensor can be done during steel casting, but also after production by soldering, gluing or partial pouring.
  • the essential parameters are temperature and force.
  • a force acts on the area of the guide rail, in which the carriage, or carriage, is located.
  • Guide rollers and / or hydrostatic bearing pockets transfer the force from the carriage to the guide rail.
  • the meander-shaped structure of metal preferably has a layer thickness of less than 1 ⁇ [microns] and is very easy to produce by known microtechnical processes. Insulations can also be applied using microengineering techniques. This structure can be in one
  • Sensor structure which is measurable on the basis of the geometric (metal), or the piezo-resistive (semiconductor), effect in the change of the resistance.
  • a suitable position is preferred by means of a FEM [finite element method]
  • the microsensor is introduced into a depression which, for example, from the joint surface, the
  • Guide rail is open or to this side line connections are arranged to the microsensor.
  • the depression is preferably complete
  • the at least one microsensor is introduced directly during production, for example casting or continuous casting of a steel rail. Then, the microsensor is arranged in a notional recess, which coincides with the
  • Temperatures can also be measured with the meander-shaped structure. Alternatively or additionally, thermocouples can be used for the temperature measurement. The measurement of the force can also be carried out with a piezoelectric element. At a
  • Piezoelement is usually a ceramic material used, which performs a strain due to its special crystal structure under load, which leads to a Charge shift in the crystal leads. This charge shift causes a proportional voltage change. This can be used as a measurement signal.
  • At least one microsensor is applied to a surface, for example a guide rail or a threaded rod of a spindle drive of a linear guide device, namely a sensor surface.
  • a surface for example a guide rail or a threaded rod of a spindle drive of a linear guide device, namely a sensor surface.
  • Guide rail is bolted to the machine either from above or from below.
  • a carriage runs over the guide rail and thus leads to a linear
  • the deformation is proportional to the force and can be detected by strain gauges.
  • the strain gauges are glued either as finished sensor elements (film strain gauges) and manually wired or manufactured in thin-film technology directly on the guide rail or in the
  • a multiplicity of microsensors are over a length of the at least one sensor surface
  • Processing section preferably from a machine tool, is higher than in a pure transport section, preferably from a machine tool.
  • the number of measuring points in the longitudinal direction of the guide rail is variable.
  • Measuring points can be arranged equidistant to each other or in the region of greater loads in a higher density Presence, that can be arranged with a smaller compared to other lengths of the guide rail with a smaller distance from each other.
  • a machine tool it is for example possible to provide a higher density in a processing section and on a
  • Transport section between processing section and tool change to provide a lower density. Also preferred are the arrangements in the sections
  • Processing section is a section of a linear guide device, in which
  • Machining forces can occur, for example when milling, both on the
  • a feed axis is proposed with two parallel linear guide means as guide rails according to the above description, which are adapted for guiding a carriage.
  • the carriage is mounted by means of balls, rollers or other rolling elements, or stored hydrostatically.
  • This feed axis is the load of a
  • Feed movement of the carriage on the linear guide devices detectable.
  • the microsensors preferably externally interconnected, and it is used on a stored movement model of the feed axis or the carriage. This overloads are detected and it can be targeted
  • Remedial action such as reorienting a warehouse.
  • the feed axis is for feed movements of a carriage for a workpiece or for a machining tool, or for moving a
  • Tool changer each set along a translational spatial axis. In this case, incorrect loads as well as a malfunction of the machine tool can be detected.
  • the sensor data are read out in a, preferably external, measuring electronics and with the help of stored movement models of the
  • Machine tool automated and, preferably just-in-time interpreted.
  • the strain gauge is preferably mounted on the surface of the screw between the drive, ie motor or gear, and thread of the screw drive.
  • the drive ie motor or gear
  • step b Applying lead terminals for connecting the second layer to a measuring device.
  • the linear guide device forms the base substrate and the microsensor is not first manufactured separately and then has to be joined.
  • a first layer namely an electrical insulation layer
  • the second layer namely the sensor layer
  • the sensor layer is deposited thereon.
  • Advantageous are typical strain gauge alloys as stated above, namely constantan, NiCr or FW, but also layers of a semiconductor material.
  • the sensor layer is patterned. This can be done by means of etching, laser or electrochemical removal.
  • the supply lines or the line connections are preferably also produced in this step. They can either consist of the same material as the sensor layer or of another, electrically conductive material.
  • a third layer which is electrically insulating, is applied to protect the sensor layer. It is advantageous to resort to a wear protection layer such as alumina.
  • Thin layer application of a microsensor is performed before step a. in a step a1. a recess of at least the depth and at least the surface of the microsensor is introduced into the sensor surface to be detected.
  • the at least one micro-sensor is very well protected against mechanical abrasion by the side of the material of
  • Linear guide device is protected.
  • a linear guide device is to be handled normally during transport and assembly.
  • At least one recessed structure is introduced into the linear guide device in a sensor surface for arranging at least one microsensor.
  • the first layer is applied to this structure, then the second layer.
  • the portions of the second layer forming the trace, and possibly the leads for the lead terminals, are below the desired surface of the respective sensor face in the recessed structure.
  • a milling process or grinding process the parts of the second layer protruding from the recessed structures are removed.
  • the milling process and / or the grinding process are not additional steps, but are used to manufacture the linear guide device.
  • Integrate linear guide device Integrate linear guide device. Finally, the third layer is applied. According to a further aspect of the invention, a method for introducing a microsensor in a linear guide device is proposed, wherein the
  • Microsensor is preferably a film sensor, which has at least the following steps:
  • step i Positioning lead terminals on the microsensor for a measuring device.
  • microsensors have been developed that can be embedded in various materials such as elastomers, epoxy, carbon fiber composites, steel and aluminum. For this purpose, reference is made to the above description. The technological prerequisites for the production of such structures require cleanroom technology. With the help of such integrated microsensors, it is possible to get data out of a component to determine the state of the component. For example, microsensors are integrated into a guide rail to measure the thermal and mechanical stresses in the guide rail. This also conclusions can be drawn on the slide. Conclusions are for example the position,
  • Linear guide rail for example, the spring characteristics
  • the embedding of the microsensor can be done both during the steel casting, but also in the
  • a suitable position is preferably as described above by means of a FEM
  • Strain gauges are usually glued flat on the component to be examined.
  • a strain gauge is mounted in a recess, for example a bore.
  • the microsensor is introduced and fixed by means of casting of metal, plastic, preferably an epoxy, and mechanically connected to the linear guide device.
  • the film sensor preferably to the Insert shaft into the recess, rolled up. If the micro-sensor is rolled, this lies over a large area on the wall of the, preferably bore-shaped, depression.
  • the distance to the solid material of the linear guide device is low and increases the sensitivity to an integration of a disk-shaped element with a matrix material.
  • the senor is mounted on a steel substrate and is inserted into a recess.
  • a subsequent cohesive, preferably welded or cast connection a very good transfer of the deformation is achieved on the strain gauge and at the same time the weakening of the depression again (almost) completely canceled.
  • This step is preferably performed before a heat treatment of a guide rail.
  • such a strain gauge is also in one
  • Ball screw can be accommodated.
  • the microsensor is introduced into a recess which is open from the joining surface of the guide rail or to this side are arranged line connections to the microsensor.
  • the depression is preferably completely closed.
  • the at least one microsensor is introduced directly during production, for example casting or continuous casting of a steel rail. Then, the micro-sensor (in the final product) is arranged in a notional recess which coincides with the molding dimensions of the micro-sensor along with portions of the lead terminals extending out of the guide rail.
  • Temperatures can also be measured with the meander-shaped structure. Alternatively or additionally, thermocouples can be used for the temperature measurement. The measurement of the force can also be carried out with a piezoelectric element. At a
  • Piezoelement is usually a ceramic material used, which performs a deformation due to its special crystal structure under load, which leads to a charge shift in the crystal. This charge shift causes a proportional voltage change. This can be used as a measurement signal.
  • the linear guide device is before step i. already to at least one recess for at least one microsensor, preferably completely, completed, and the microsensor is in step i. positionable by means of the depression, and in step ii. the recess is closed by partial casting and / or soldering and fixed the microsensor.
  • This method allows the completion of at least one microsensor after the production of a linear guide device, without any disadvantages for the
  • a mechanical connection quality is achieved, which corresponds to a one-piece production, or at least comes very close, because the alloy for the partial casting with the material of the linear guide device is identical or at least mechanically similar, or significantly better mechanical power lines are achieved in a soldering, than this is the case with a gluing.
  • the mechanical material properties of a solder in particular during brazing, welding or injection, are often very similar to the mechanical and thermal material properties of the material of the linear guide device in the region of an operating temperature of a machine tool.
  • the linear guiding device is supplied to at least one of the following treatment steps only after step ii., Preferably after step Mi.
  • a heat treated guide rail must often not be heated above 120 ° C [Celsius], because otherwise the (martensitic) crystal structure of the guide rail will be changed and thus the mechanical properties will be worsened. In particular, the hardening properties (freezing of the martensitic crystal structure) are lost and the guide rail becomes soft and the surface holds
  • Manufacturing process of a conventional linear guide device is first produced by a forming process, the basic shape (blank), for example by forging and / or rolling. Subsequently, the functional surfaces are milled and / or ground. Preferably, the at least one microsensor is applied after the forming, preferably after milling and / or grinding. Finally, the linear guide device is fed to a corresponding heat treatment.
  • a computer-executable method for detecting stresses in a linear guide device having at least one microsensor as described above and a computer-readable device comprising this computer-executable method.
  • This computer-executable method is characterized in particular by the fact that a plurality of strain gauges are provided and a deformation of the
  • Sensor surface in the measurement alignment causes a change in resistance of at least one of the strain gauges, the shape and modulus of the linear guide device, the orientation and location of the strain gauges are stored,
  • the applied linear force and / or the applied torque is calculated on the basis of the respective changes in resistance of the strain gauges together with the stored values of shape, modulus and position, wherein preferably the lifetime extrapolated and / or determined measures to increase the life become.
  • the data of the linear guide device are preferably supplied by a manufacturer of the linear guide device and can be stored variable by hand or fixed and inaccessible. For example, based on a FEM simulation, the recorded values are calculated by the strain gauges.
  • the movement of the carriage on the linear guide device is detected, preferably together with similarly determined data of a further linear guide device of the same feed axis.
  • a mechanical movement model of the carriage is stored.
  • Damage models are generated automatically and the machines at user A automatically learn from the machines at user B.
  • the application can also be used via a company-internal intranet so that in-house know-how is not passed on to third parties.
  • Fig.2 a guide rail in cross section
  • Fig.3 a spindle drive with spindle nut
  • 4 a machine tool
  • Fig. 5 a microsensor on a sensor surface in section.
  • a linear guide device 1 is shown, here a rail for a ball bearing carriage (not shown).
  • the upper side of the profile rail between the (directly loadable) first bearing side 17 and the (here concealed, directly loadable) second bearing side 18 are here
  • micro-sensors 7 (7a, 7b, 7c) are shown with some of a plurality of strain gauges, which with partially different
  • Measuring alignments 15 are arranged.
  • the linear guide device 1 is here several times from the top along the center line 16 screwed.
  • the centerline 16 defines the x-axis 43 to which the z-axis 45 is conventionally defined as being installed upward as shown in the figure. From the usual standard, the orientation of the y-axis 44 results as shown. Because of the better representability, an x force 33 (which will have no influence because it is the only free direction) and an x torque 36 with a common double arrow are shown next to the linear guide device 1. Similarly, a y-force 34 and a y-torque 37, and a z-force 35 and a z-torque 38 is shown.
  • two strain gauges 9 and 10 are arranged to the right and left of the center line 16 with their measurement orientation 15 transverse to the center line 16.
  • tensile load z-force 35 in the arrow direction
  • pressure load z Force 35 against the arrow direction
  • both strain gauges 9 and 10 are stretched.
  • a force is introduced from the side (y-force 34)
  • a strain gauge at y-force 34 in the direction of arrow strain gauge 9
  • the other stretched is stretched.
  • the same measurement occurs at a z-torque 38 and an x-torque 36.
  • strain gage 8 oriented transversely to the center line with its measuring orientation 15 is used. This can only be between tensile load and compressive load (compression or elongation)
  • the two measuring strain gauges 9 and 10 are not in a line but are arranged offset from one another along the center line 16. In the case of the third microsensor 7c, nevertheless, all measured values can be recorded as in the case of the first microsensor 7a. In addition, in dynamic use, that is, when the carriage moves, in addition to this arrangement, the speed and the direction of movement of the Guide carriage detectable. Furthermore, in the case of the third microsensor 7c, two further strain gauges 11 and 12 are drawn, whose measuring orientation 15 is rotated by 90 ° to the measuring orientation 15 of the strain gauges 9 and 10.
  • strain gauges 11 and 12 do not measure the deformation of the linear guide device 1, because in this direction, the linear guide device 1 is very stiff. But hereby, a temperature compensation is possible because they are subject to the same thermal influences as the strain gauges 9 and 10 and serve as resistance temperature sensors 13 and 14.
  • the microsensors 7 can be read out via corresponding electronics.
  • the measurement can be carried out via a two-wire measurement, three-wire measurement, four-wire measurement or six-wire measurement.
  • microsensors 7 can be read out either individually, with or without temperature compensation (quarter bridge) or in the case of two strain gauges
  • a linear guide device 1 here a profile rail with a
  • the microsensors 7 are not disposed on the surface. Rather, here the strain gauges 9 and 10 are each arranged in a recess 19 and 20, which are here, for example, first drilled and then filled after the positioning of the strain gauges 9 and 10 by partial casting. Thus, the microsensors 7 in the
  • Linear guide device 1 embedded.
  • the measured values obtained relate approximately to the lateral sensor surfaces 4 on the bearing sides 17
  • the measurement orientation 15 is in this case in particular for the z-force 35 along the z-axis 45 (same tensile load or compressive load on both
  • Strain gauges 9 and 10 and for an x-torque 36 about the x-axis 43 (respectively opposite tensile load and compressive load on the strain gauges 9 and 10), as well as for a lateral force (y-force 34) along the y-axis 44 (respectively opposite tensile load and compressive load on the strain gauges 9 and 10).
  • the measuring signals are shown purely schematically here by means of the first and second Line terminals 27 and 28 forwarded to a measuring device 29, and there connected, for example by means of a Wheatstone bridge to a measured value.
  • a linear guide device 1 is shown as a ball screw 51, on which an axially movable spindle nut 6 is arranged.
  • the spindle nut 6 is movable in the region of the threaded portion 46.
  • the ball screw 51 is rotatable by means of a drive 48.
  • the ball screw 51 also has a
  • a micro-sensor 7 is arranged, which is preferably designed as shown here with two measuring directions 15 which are mutually orthogonal and arranged inclined by 45 ° to a vertical cross-sectional plane. This can be detected in the ball screw 51 occurring torque loads.
  • FIG. 4 shows by way of example a simplified machine tool 3, which has a first feed axis 2 for a workpiece 58 and a second feed axis 53 for a tool 57.
  • a first ball screw 51 By means of a first ball screw 51, a first carriage 5 on a first (paired) profile rails 49 along the first feed axis 2 can be moved.
  • a first spindle nut 6 with the guided first carriage 5 is firmly connected.
  • the first drive 48 the first ball screw 51 is rotated in a controlled manner for this purpose.
  • Removability or clamping of the workpiece 58 is provided.
  • a section of a linear guide device 1 is shown as a profile rail 49 in section.
  • a microsensor 7 is arranged in a sensor surface 4, in this case the bearing side 18.
  • the depth 30 and the (total) surface 31 are adapted to the (desired) size of the microsensor 7.
  • Negative structure 59 when forming the blank of the linear guide device 1 or subsequently introduced. Then the first layer 24 is applied, so that the entire structure is superimposed, but at the same time the negative structure 59 is retained. Subsequently, the second layer 25 is applied, so that the negative structure 59, usually complete, is filled. In this case, regions of the first layer 24 and the regions of the second layer 25 not belonging to the conductor track 32 now extend over the first layer 24 Level of the sensor surface 4 addition. Subsequently, for example, in a grinding process, the excess parts of the first layer 24 and the second layer 25 are removed with, so that the conductor 32, for example meandering formed. Thus, the structuring is performed simultaneously with a processing step of the linear guide device 1. Finally, the third layer 26 is applied and the
  • Lead terminal 27 preferably by means of soldering or wire bonding, connected to the second layer 25, preferably by means of etching, ultrasonic processing or
  • the first layer 24 is configured as an electrical insulator and the third layer 26 as a mechanical protection and as an electrical insulator.
  • the second layer 25 is electrically conductive and has the desired
  • Linear guide device during operation of a machine tool directly measurable.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Linearführungseinrichtung (1) für eine Vorschubachse (2), bevorzugt einer Werkzeugmaschine (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten: - zumindest eine Sensorfläche (4) der Linearführungseinrichtung (1) zum linearen Führen eines Schlittens (5) oder einer Spindelmutter (6); - zumindest einen Mikrosensor (7), bevorzugt zumindest einen Dehnmessstreifen (8, 9, 10, 11, 12) und/oder zumindest einen Widerstandstemperatursensor (13, 14), zum Erfassen von einer Dehnung und/oder Stauchung und/oder Temperatur der zumindest einen Sensorfläche (4), wobei der zumindest eine Mikrosensor (7) dauerhaft mit der zumindest einen Sensorfläche (4) verbunden ist. Mit der hier dargestellten Erfindung ist erstmals eine Belastung einer Linearführungseinrichtung im Betrieb einer Werkzeugmaschine direkt messbar.

Description

LI NEARFÜHRUNGSEI NRI CHTUNG FÜR El NE VORSCHUBACHSE
Gegenstand der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Linearführungseinrichtung für eine Vorschubachse, bevorzugt für eine Werkzeugmaschine, einem Verfahren zum
Dünnschichtauftragen eines Mikrosensors auf einer Linearführungseinrichtung, einem Verfahren zum Einbringen von einem Mikrosensor in einer Linearführungseinrichtung und mit einem computerausführbaren Verfahren zum Erfassen von Belastungen in einer Linearführungseinrichtung mit zumindest einem Mikrosensor. Die Erfindung ist insbesondere auch im Bereich von Presswerken, im Anlagenbau und für
Sondermaschinen einsetzbar. Der Schwerpunkt der Erfindung liegt auf
Wälzkörpersystemen, weil diese den deutlich größeren Marktanteil aufweisen. Im
Folgenden werden daher meist Beispiele mit Wälzkörpersystemen aufgezeigt. Jedoch lässt sich die Erfindung auch zum Beispiel auf hydrostatische Systeme in einfacher Weise übertragen.
Stand der Technik:
Um die Verfügbarkeit und Nutzungsdauer von Maschinen und Anlagen, beziehungsweise einzelner Komponenten, zu optimieren und damit Kosten zu reduzieren, erwarten deren Nutzer einen immer höheren Grad der Anlagenüberwachung. Daher wird in der Industrie eine intelligente Maschinenüberwachung, das sogenannte Condition Monitoring, angestrebt, für welche eine ortsauflösende Sensorik benötigt wird, welche dauerhaft in einer Maschine angeordnet ist. Hierdurch sollen deutliche Kosteneinsparungen erreicht werden, indem nicht mehr präventiv, also zu früh, oder reaktiv, also zu spät, sondern zustandsorientiert Instand gehalten wird.
Beispielsweise aus der Dissertationsschrift von Dr.-Ing. Wieland H. Klein,
„Zustandsüberwachung von Rollen-Profilschienenführungen und Gewindetrieben", RWTH Aachen, 2011 ist eine umfassende Übersicht zum Stand der Forschung zum Condition Monitoring dargestellt, welche im Folgenden zur Darlegung der zugrundeliegenden Aufgabenstellung auszugsweise zitiert wird. Condition Monitoring soll die Ausfallsicherheit durch das Bestimmen eines Ausfallzeitpunktes von Verschleißteilen erhöhen, die
Restlaufzeit einer Anlage bestimmbar machen und die Betriebssicherheit steigern. Damit werden deutliche Kosteneinsparungen durch die Möglichkeit einer bedarfsgerechteren Wartung, der Optimierung der Servicelogistik und des Personalbedarfs sowie geringeren Instandhaltungsmaßnahmen angestrebt. Insbesondere im Bereich der Produktion mit Werkzeugmaschinen entstehen durch einen Maschinenstillstand sehr schnell große
Wertschöpfungsverluste. Vorschubachsen sind bei Werkzeugmaschinen mit knapp 40 % [Prozent] für einen Großteil der Maschinenausfälle verantwortlich. Bricht man nun die Ursachen für den Ausfall der Vorschubachsen weiter herunter, so zeigt sich, dass die Kugelgewindetriebe (KGT) und die Profilschienenführungen für nahezu 45 % der
Vorschubachsen-Ausfälle verantwortlich sind.
Überlast (42 %), Verschmutzung (26 %) und Mangelschmierung (20 %) machen bei Kugelgewindetrieben den größten Anteil der Ausfallursachen aus. Montagefehler, wie beispielsweise eine Fehlausrichtung, tragen mit 12 % zu den Ausfallursachen bei, wobei es hier lokal zu einer Überlastung der Bauteile kommen kann.
Das sogenannte Condition Monitoring, beziehungsweise die
Maschinenzustandsüberwachung, wird heute bereits in Ansätzen angewendet. Jedoch findet das Condition Monitoring derzeit hauptsächlich auf der Steuerungsebene der
Maschine statt. Derzeit sind die für die komponentenbasierte Überwachung notwendigen Sensoren, welche Signale direkt in den Belastungszonen aufnehmen können, am Markt nicht verfügbar.
Während es für rotierende Lager bereits erste Überwachungssysteme am Markt gibt oder diese in naher Zukunft auf den Markt kommen werden, ist bisher kein
Überwachungssystem für Profilschienenführungen oder Kugelgewindetriebe vorhanden. Bei den Systemen für Lager handelt es sich um sensorbasierte Verfahren. Die Arbeiten liegen maßgeblich auf dem Gebiet der Körperschallmessung oder der Messung mittels akustischer Oberflächenwellen. Bei den Bewegungen handelt es sich naturgemäß um periodische Vorgänge. Bei Profilschienenführungen und Kugelgewindetrieben handelt es sich bauartbedingt jedoch um lineare und somit nicht unmittelbar periodische
Verfahrbewegungen. Dies bedeutet für das Condition Monitoring-System, dass mit anderen Auswertealgorithmen umgegangen werden muss und dass sich
Schwingungsaufnehmer, wie sie bei rotierenden Lagern zum Einsatz kommen, nur bedingt für die Überwachung von Lineartechnik-Elementen eignen. Die
Körperschallmessung hat zudem den großen Nachteil, dass erst ein Schaden vorliegen muss, damit sich eine Änderung des Signals ergibt.
Es gibt wissenschaftliche Untersuchungen zu der Überwachbarkeit von Profilschienen und Kugelgewindetrieben. Alle bekannten Vorarbeiten basieren darauf, dass eine
Schwingungsmessung (beispielsweise Körperschall) durchgeführt wird und die so gewonnenen Daten interpretiert werden oder aber die Temperatur gemessen wird. Es besteht durch die baulichen Unterschiede zwischen Prüfständen und verschiedenen Produktionsanlagen jedoch eine Diskrepanz zwischen den jeweiligen Messwerten und Messergebnissen, sodass für jedes Bauteil und jede Maschine eine individuelle Anpassung des Messsystems erfolgen muss. Ändern sich die Betriebsparameter, wie beispielsweise eine Neuschmierung nach einem Schm ierfilmabriss, ist eine Neukalibrierung des
Messsystems notwendig. Die Belastung der Komponenten während des Produktionsbetriebs wirken sich auf das Messergebnis aus, sodass die Messungen in gesonderten Messfahrten erfolgen müssen.
Grundsätzlich lassen sich zwei Arten der Anlagenüberwachung unterscheiden: Erstens die Überwachung mit Hilfe der von der Maschinensteuerung bereitgestellten Daten und zweitens die Überwachung mit Hilfe externer Sensoren.
Die Überwachung auf Basis der von der Maschinensteuerung bereitgestellten Daten geschieht mittels einer entsprechenden Software (beispielsweise ePS Network Services der Siemens AG). Das Hauptaugenmerk liegt auf der Überwachung der Vorschubachsen. Allerdings wird die Abtastfrequenz bei diesen Systemen durch den Lage- Regeltakt von 250 Hz [Hertz] bis 1 kHz [Kilohertz] beschränkt. Weil Signale aufgrund des Shannon- Theorems nur bis maximal zur halben Frequenzbandbreite analysiert werden können, können höherfrequente Einflüsse nur über externe Sensoren mit einer
Datenvorverarbeitung erfasst werden. Bei diesen Sensoren handelt es sich häufig um Körperschallsensoren oder Temperatursensoren, die an ausgewählten Punkten an der Maschine angebracht werden.
Bei der Anlagenüberwachung wird der Mikrochip, welcher die mechanische Schwingung in ein elektrisches Signal wandelt, zum Schutz vor Umwelteinflüssen und zum besseren Handling in einem Gehäuse gekapselt und anschließend auf der Maschine oder einem Maschinenbauteil befestigt. Bei dieser Überwachungsart ist allerdings ein großer
Interpretationsbedarf der Daten vorhanden, weil der Mess-Ort nicht zwangsläufig mit dem Ort der Signalursache übereinstimmt. So lässt sich ohne eine künstliche Intelligenz nicht ohne weiteres sagen, welches der Zahnräder oder Lager einer Maschine aufgrund einer Schädigung für einen Anstieg der Schwingungsamplitude in einem bestimmten Frequenzbereich verantwortlich ist.
Alternativ wird indirekt gemessen. Die indirekte Messung geschieht auf zwei Arten:
Erstens durch die Auswertung steuerungsinterner Daten und/oder durch die Nutzung externer Sensoren. Bei der Nutzung externer Sensoren kommen Mikrosensoren, beziehungsweise Dünnschichtsensoren, zum Einsatz.
Das Softwaremodul ePS Network Services der Siemens AG unterstützt bei
Werkzeugmaschinen und Produktionsmaschinen mit einer CNC-Steuerung die
Realisierung der zustandsorientierten Instandhaltung. Die webbasierten,
unternehmensübergreifenden Services stellen sicher, dass sowohl eigene
Service-Spezialisten als auch die zuständigen Instandhalter beim Anwender rund um die Uhr auf die Betriebsinformationen und Störinformationen der angeschlossenen Maschinen zugreifen können. Basis dieser Dienste ist eine internetbasierte Plattform. Sie unterstützt die firmenübergreifenden Serviceprozesse und Supportprozesse und ermöglicht eine gesicherte Kommunikation. Das Softwarewerkzeug kommt bei vielen Werkzeugmaschinenherstellern zum Einsatz, weil es ohne sensorischen Mehraufwand als optionales Ausstattungsmerkmal verwendet werden kann. Es soll die Wartung optimieren, indem es frühzeitig auf notwendige Wartungstätigkeiten wie Reinigung, Inspektion und Instandsetzung hinweist. Der Maschinenbediener kann durch automatisierte Testverfahren den Zustand der
Vorschubachsen zyklisch erfassen und erhält somit Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine. Die Maschinendiagnose basiert in der Standardkonfiguration ausschließlich auf der Auswertung von steuerungsinternen Signalen. Hierzu zählen maßgeblich der Motorstrom und die Positionswerte, aber auch alle in der SPS
hinterlegten Daten, Signale und Zustände externer Sensoren. Hierdurch ergibt sich die Möglichkeit, periphere Module mit Hilfe maschinen-interner Sensoren zu überwachen. Das Hauptaugenmerk des Systems liegt auf der Überwachung von Vorschubachsen. Hierzu werden zu definierten Zeitpunkten Testläufe in einer Maschine durchgeführt. Dies sind im Wesentlichen: der Gleichlaufachstest, der Universalachstest und der
Kreisformtest.
Mittels Gleichlauftests sollen Schäden sowie mechanische und tribologische
Veränderungen an den Vorschubachsen erfasst werden. Der Universalachstest dient der Erfassung des Reibungszustands. Mit Hilfe des Kreisformtests soll erkannt werden, ob Fehlausrichtungen der Achsen, eine lose oder nicht optimal parametrierte
Antriebsregelung vorliegt.
Der große Vorteil des software-basierten Systems liegt darin, dass es ohne externe Sensorik auskommt. Zudem können verschiedene Nutzer, wie beispielsweise interne und externe Services über das Internet auf die Dienste zugreifen.
Nachteilig ist, dass ein solches System in seiner Geschwindigkeit auf den Lage- Reglertakt von 250 Hz bis 1 kHz beschränkt ist, womit sich aufgrund des Shannon-Theorems keine höherfrequenten Einflüsse erfassen lassen. Zudem werden nur die Schäden, nicht aber die zugrundeliegenden Belastungen gemessen. Im Rahmen der hier zitierten
Dissertationsschrift„Zustandsüberwachung von Rollen-Profilschienenführungen und Gewindetrieben" wurde zudem herausgefunden, dass beispielsweise die Kenngröße Motorstrom als Signaleingangswert kein sicherer Indikator für Probleme der
Vorschubachsen sei, wie dies in der DE 102007038890 A1 aufgezeigt wird. Als weiterer Nachteil ist zu nennen, dass die Messungen in separaten Messfahrten und nicht im laufenden Betrieb stattfinden. Gerade in hochproduktiven Maschinen bedeutet dies eine geringere Produktionskapazität und damit erhöhte Kosten.
Es gibt zahlreiche Anbieter für Überwachungssysteme, die auf der Interpretation von Sensordaten basieren. Exemplarisch sei hier der Machine Condition Indicator (MCI) der Firma Prometec genannt. Das System verwendet eine Kombination von Steuerungsdaten und Sensordaten, um eine Aussage über den Zustand der Maschine und des Fertigungsprozesses zu generieren. Neben dem Auslesen von steuerungsinternen Daten der CNC-Steuerung wird ein zusätzlicher externer Beschleunigungssensor an der Spindel genutzt. Die Auswerteeinheit erfasst kontinuierlich die auftretenden Schwingungen innerhalb der Maschine. Dadurch kann zum einen die Güte des Prozesses beurteilt werden und zum anderen die Maschine hinsichtlich gefährlicher Zustände wie zum
Beispiel Kollisionen oder falsch gespannter Werkzeuge (Unwucht) überwacht werden. Bei Auftreten eines kritischen ZuStands kann ein Nothalt der Maschine eingeleitet werden. Für die Beurteilung des Maschinenzustands werden zusätzliche in regelmäßigen
Abständen separat durchgeführte Spindeltestprogramme und
Vorschubachsentestprogramme ausgeführt. Die Beurteilung des Maschinenzustands erfolgt dabei durch Bildung von Kennwerten während der Testprogramme. Der Ausfall einer Komponente wird durch die Überschreitung eines zuvor manuell festgelegten Grenzwerts in den Kennwerten detektiert.
Der Vorteil dieser sensorbasierten Überwachungssysteme liegt in ihrer weiten
Verbreitung und den vergleichsweise günstigen Sensoren, die sich einfach montieren, zum Beispiel schrauben oder kleben, lassen.
Wie auch bei der Überwachung auf Basis der Maschinendaten müssen hier gesonderte Messfahrten durchgeführt werden, weil die Belastungen während des
Fertigungsprozesses die Messung signifikant beeinflussen. Eine Ausnahme ist hier das Messsystem BeMoS der Firma BestSens AG, welches den Zustand von rotierenden Lagern mit Hilfe von akustischen Oberflächenwellen überwacht. Die manuell festgelegten Kennwerte müssen nach baulichen Veränderungen neu gesetzt werden, zum Beispiel nach einem Austausch von Komponenten und nach einer Neuschmierung aufgrund einer aufgetretenen Mangelschmierung. Ein großer Nachteil ist weiterhin, dass ein hoher Interpretationsaufwand betrieben werden muss, um von dem gemessenen Signal auf die Schadensursache und deren Ort zu schließen. Diese Interpretation lässt sich bisher nur unzureichend automatisieren.
Die hier geschilderten Nachteile aus dem vorbekannten Stand der Technik werden mit der im Folgenden beschriebenen Erfindung zumindest teilweise gelöst. Die
erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden
Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen. Zusammenfassung der Erfindung:
Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt eine Linearführungseinrichtung für eine Vorschubachse, bevorzugt einer Werkzeugmaschine, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- zumindest eine Sensorfläche der Linearführungseinrichtung, wobei die
Linearführungseinrichtung zum linearen Führen eines Schlittens oder einer Spindelmutter eingerichtet ist;
- zumindest einen Mikrosensor, bevorzugt zumindest einen Dehnmessstreifen und/oder zumindest einen Widerstandstemperatursensor, zum Erfassen von einer Dehnung und/oder Stauchung und/oder Temperatur der zumindest einen Sensorfläche. Die Linearführungseinrichtung kennzeichnet sich dabei vor allem dadurch, dass der zumindest eine Mikrosensor dauerhaft mit der zumindest einen Sensorfläche verbunden ist.
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Dünnschichtauftragen eines Mikrosensors auf einer Linearführungseinrichtung, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
a. Auftragen einer elektrisch isolierenden ersten Schicht auf einer zu erfassenden Sensorfläche einer Linearführungseinrichtung;
b. Auftragen einer elektrisch leitenden zweiten Schicht auf der ersten Schicht;
c. Strukturieren der zweiten Schicht;
d. Auftragen einer elektrisch isolierenden und mechanisch robusten dritten Schicht, mittels welcher die zweite Schicht nach außen elektrisch isoliert und mechanisch geschützt ist, wobei die dritte Schicht bevorzugt aus Aluminiumoxid gebildet ist; und e. vor, während oder nach Schritt b. Auftragen von Leitungsanschlüssen zum Verbinden der zweiten Schicht mit einer Messvorrichtung.
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einbringen von einem Mikrosensor in einer Linearführungseinrichtung, wobei der Mikrosensor bevorzugt ein Foliensensor ist, aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
i. Anordnen von dem Mikrosensor an einer vorbestimmten Position;
ii. Gießen und/oder Löten zumindest eines Teils der Linearführungseinrichtung um den positionierten Mikrosensor;
iii. vor, während oder nach Schritt i. Positionieren von Leitungsanschlüssen an einem Mikrosensor für eine Messvorrichtung.
In einem vierten Aspekt betrifft die Erfindung ein computerausführbares Verfahren zum Erfassen von Belastungen in einer Linearführungseinrichtung mit zumindest einem Mikrosensor sowie ein computerlesbare Vorrichtung, mittels welcher das Verfahren ausführbar ist, wobei das Verfahren sich vor allem dadurch kennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Dehnmessstreifen vorgesehen sind und eine Verformung der Sensorfläche in der Messausrichtung eine Widerstandsänderung zumindest eines der Dehnmessstreifen verursacht, wobei die Form und E-Modul der Linearführungseinrichtung die Ausrichtung sowie Lage der Dehnmessstreifen gespeichert sind,
und wobei auf Basis der jeweiligen Widerstandsänderungen von den Dehnmessstreifen zusammen mit den gespeicherten Werten Form, E Modul und Lage die anliegende lineare Kraft und/oder das anliegende Drehmoment berechnet wird, wobei bevorzugt daraus die Lebensdauer extrapoliert und/oder Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer ermittelt werden.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung:
Die Erfindung betrifft eine Linearführungseinrichtung für eine Vorschubachse, bevorzugt einer Werkzeugmaschine, aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- zumindest eine Sensorfläche der Linearführungseinrichtung, wobei die
Linearführungseinrichtung zum linearen Führen eines Schlittens oder einer Spindelmutter eingerichtet ist;
- zumindest einen Mikrosensor, bevorzugt zumindest einen Dehnmessstreifen und/oder zumindest einen Widerstandstemperatursensor, zum Erfassen von einer Dehnung und/oder Stauchung und/oder Temperatur der zumindest einen Sensorfläche. Die Linearführungseinrichtung kennzeichnet sich dabei vor allem dadurch, dass der zumindest eine Mikrosensor dauerhaft mit der zumindest einen Sensorfläche verbunden ist.
Eine Linearführungseinrichtung ist für eine Vorschubachse, in der Regel zumindest eine der translatorischen Achsen x-Achse, y-Achse und z-Achse, eingerichtet. Eine solche Linearführungseinrichtung ist für den Vorschub eines Werkzeugs, zum Beispiel eines Fräskopfs, und zum Vorschub eines Werktischs, auf welchem ein zu bearbeitendes Werkstück aufnehmbar und fixierbar ist, aber auch zum Beispiel eines
(maschineninternen) Werkzeugtauschlagers und eines beweglichen Kühlsystems und eines beweglichen Absaugsystems einer Werkzeugmaschine einsetzbar. Andere
Anwendungen sind zum Beispiel im Bereich von Presswerken, Anlagenbau und dem Sondermaschinenbau möglich. Die Größen, Materialien und allgemeinen mechanischen Eigenschaften sowie die Führungspräzision sind dabei an die jeweilige Anwendung angepasst. Beispielsweise ist die Linearführungseinrichtung eine Profilschiene zum Führen und Verfahren eines Schlittens oder eine Spindel für eine translatorisch verfahrbare Spindelmutter.
Eine Sensorfläche einer Linearführungseinrichtung ist eine Oberfläche, welche in der Regel nicht direkt an der Lagerung, zum Beispiel eines Schlittens, beteiligt ist. Also in der Regel nicht eine Kontaktfläche für einen Wälzkörper und nicht eine (antagonistische) Fläche einer hydrostatischen Tasche. Vielmehr ist die Sensorfläche zum Beispiel eine rückwärtige Seite einer Kontaktfläche oder grenzt, bevorzugt über Eck, an eine Kontaktfläche an. Bevorzugt ist die Sensorfläche so gewählt, dass hier besonders große Verformungen auftreten, bevorzugt bei einem (inneren oder äußeren) Ende einer auskragenden Struktur. Bei einer Profilschiene ist die bevorzugte Sensorfläche zum Beispiel die der Fügefläche gegenüberliegende Oberfläche, in welche meist die
Senkbohrungen für Schraubenköpfe zur Verschraubung der Profilschiene eingebracht sind. Eine weitere mögliche Sensorfläche ist eine Oberfläche seitlich zur Fügefläche, bevorzugt zwischen verspannenden Lagerflächen. Solche Oberflächen liegen nahe bei den Belastungen und befinden sich an einem ein Widerlager bildenden Bereich der
Profilschiene, welcher also bei Belastung einer Verformung unterliegt. Bei einer Spindel ist eine bevorzugte Sensorfläche die äußerste Umfangsfläche auf dem Gewindetrieb, also den Außenflächen der Flansche der Spirale. Diese sind einerseits gut von außen zugänglich und zum anderen keine direkten Auflagen für Lagerelemente. Dennoch unterliegen sie dem direkten Einfluss von Belastungen im Betrieb. Besonders bevorzugt ist die Sensorfläche nur die gewindefreie Oberfläche zwischen dem Gewindetrieb und einem Antrieb der Spindel. Aufgrund der stets vorhandenen Information der Lage einer angetriebenen Spindelmutter sind der Ort und die Ursache der Belastung dennoch leicht ermittelbar.
Sensorflächen sind in einer speziellen Ausführungsform aber auch Lagerflächen, welche, zum Beispiel von Wälzkörpern, direkt belastet werden. Hierzu sind mechanisch besonders robuste Mikrosensoren einzusetzen. Dies sind in einer Ausführungsform
Dehnmessstreifen mit einer Mäanderstruktur in klassischer Bauweise. Besonders bevorzugt sind dies Mikrosensoren aus sogenanntem a:C-H (amorpher Kohlenstoff, auch diamond-like-carbon, DLC, genannt) zwischen Elektroden aus einem harten Metall, bevorzugt Chrom, welche in Belastungsrichtung messen. Der (genutzte) Messbereich dieser direkt belasteten Mikrosensoren liegt in einer Ausführungsform nur außerhalb der direkten Belastung. Ein solcher Mikrosensor ist also lediglich hinreichend
belastungsstabil, um zwischen Messzeiten von zum Beispiel eines Wälzkörpers belastet zu werden. Alternativ ist auch die direkte Belastung von zum Beispiel einem Wälzkörper erfassbar. In letzterem Fall wird über die reine mechanische Stabilität hinaus die
Messung durch eine lokale Verformung des Mikrosensors unbrauchbar.
Ein Mikrosensor ist ein Sensor, welcher Mikrostrukturen im Bereich von in der Regel unterhalb von 1 mm [Millimeter] aufweist und dessen physikalischen
Materialeigenschaften bei einer Beeinflussung der gebildeten Mikrostruktur ein
elektrisches Signal erzeugt. Ein elektrisches Signal ist dabei eine erfassbare Abweichung von einem Normzustand. Beispielsweise umfasst ein Mikrosensor zumindest einen Dehnmessstreifen, bei denen der elektrische Widerstand infolge von geometrischer Verformung der Mikrostruktur, also der geometrische Effekt insbesondere bei
metallischen Werkstoffen, und/oder Dehnung auf molekularer Ebene, also piezo-resistiv insbesondere bei Halbleiterwerkstoffen, veränderbar ist. Damit die Richtung der
Verformung bestimmbar ist, wird in der Regel eine mäander-förmige Struktur gewählt, welche quer zu einer einzigen Messausrichtung mäandert, das heißt die Leiterbahnen des Dehnmessstreifen erstrecken sich entlang der Messausrichtung und weisen abwechselnd oben und unten seitliche Verbindungsstücke auf. Somit sind Quereinflüsse für viele Anwendungen vernachlässigbar oder durch (Teil-) Symmetrie getilgt. Es ist auch ein kapazitiver Dehnmessstreifen einsetzbar, wobei diese in der Regel nicht flach, also als Schichtsensor, aufgebaut sind und dies bei der Platzierung des Dehnmessstreifen berücksichtigt werden muss. Mit einem Dehnmessstreifen ist so infolge von engem Kontakt mit einer Oberfläche eine Dehnung oder Stauchung der Oberfläche im μιτι- Bereich [Mikrometer-Bereich] erfassbar. Darüber hinaus sind mit einem
Dehnmessstreifen aber auch Temperaturänderungen messbar, weil das Material einen temperaturabhängigen spezifischen Widerstand aufweist. Solche Dehnmessstreifen sind direkt per Dünnschichtauftragen auftragbar, zum Beispiel durch Sputtern, Aufdampfen, Laminieren, Drucken, galvanische Abscheidung und/oder Sprühen beziehungsweise
Flammspritzen. Dehnmessstreifen sind auch als Foliensensoren als fertige Mikrosensoren oder Teilkomponenten von Mikrosensoren, zum Beispiel mittels Kleben, mit der
Linearführungseinrichtung verbindbar. Folien-Dehnmessstreifen werden bevorzugt aufgeklebt und manuell verdrahtet.
Vorteilhafte Messmaterialien sind Legierungen wie Konstantan (54 % Kupfer, 45 %
Nickel, 1 % Mangan), NiCr [Nickel-Chrom] oder FW [Platin-Wolfram], es sind aber auch Schichten aus einem Halbleitermaterial, zum Beispiel Si [Silizium] einsetzbar.
Ein Mikrosensor umfasst bevorzugt eine Mehrzahl von einzelnen, bevorzugt miteinander auf der Mikroebene verschalteten, Sensorelemente, wie zum Beispiel eine Mehrzahl von Dehnmessstreifen mit einer einzigen Messausrichtung und/oder zumindest einem
Widerstandstemperatursensor. Die Sensorelemente sind dabei bevorzugt zur Erzeugung bereinigter Messsignale verschaltet und/oder dienen jeweils dem Detektieren eines einzigen klar definierten Messwerts, zum Beispiel ein Dehnmessstreifen zum Erfassen einer Dehnung oder Stauchung in einer Raumrichtung.
Weiterhin können einfache Widerstandstemperatursensoren, welche Ihren Widerstand bei Temperaturänderungen, bevorzugt proportional, ändern ergänzend oder alternativ eingesetzt werden. Insbesondere lässt sich somit auf erhöhte Reibung im Bereich einer Temperaturerhöhung zurückschließen.
Bevorzugt werden Widerstandstemperatursensoren in Kombination mit Dehnmessstreifen eingesetzt, besonders bevorzugt wird zumindest ein zusätzlicher Dehnmessstreifen als Widerstandstemperatursensor eingesetzt, um somit temperaturbedingte Quereinflüsse zu tilgen beziehungsweise herauszurechnen. Bevorzugt wird eine Wheatstone'sche Brückenschaltung eingesetzt, um kleine Widerstandsänderungen bereinigt von
Quereinflüssen aufnehmen zu können.
Der zumindest eine Mikrosensor ist dabei nahe bei einer Sensorfläche angeordnet, sodass die Verformung beziehungsweise Temperaturänderung der Sensorfläche in einem möglichst großen Betrag auf den zumindest einen Mikrosensor übertragen wird. In einer weiteren Variante wird der zumindest eine Mikrosensor direkt auf der Sensorfläche angeordnet, und zwar zum Beispiel geklebt als Foliensensor oder als Oberflächensensor direkt per Dünnschichttechnik aufgetragen beziehungsweise gedruckt. Der zumindest eine Mikrosensor verbleibt über die Lebensdauer der Werkzeugmaschine
beziehungsweise der jeweiligen Linearführungseinrichtung vor Ort und ist so über eine geeignete Messelektronik dauerhaft zum Erfassen von Belastungen eingerichtet.
Nachteilig bei den vorbekannten Condition Monitoring Verfahren ist, dass die Kraft, die auf die Bauelemente wirkt und ursächlich für alle weiteren Schäden ist, bisher nicht gemessen wird. Wie eingangs aufgezeigt wurde, sind Überlast und Montagefehler (die wiederum eine nichtoptimale Lastverteilung erzeugen) für über 50 % aller Ausfälle verantwortlich. Nachteilig ist, dass mit diesen Verfahren bisher lediglich fortschreitende Schäden, nicht aber die zugrundeliegenden Belastungen gemessen werden.
Der große Vorteil der Kraftmessung gegenüber Schwingungsmessungen liegt darin, dass während des Betriebs der Maschine gemessen werden kann und keine gesonderten Testfahrten durchgeführt werden müssen. Die Betriebsparameter werden direkt gemessen, verfälschen nicht das Messergebnis und stehen in Echtzeit zur Verfügung.
Im Unterschied dazu werden hier die Mikrosensoren in beziehungsweise an einer
Linearführungseinrichtung angeordnet, bevorzugt für Sensorflächen von Profilschienen und für Sensorflächen auf dem Umfang von Kugelgewindestangen. Auf diese Weise ist sowohl eine Verformung als auch eine Temperatur ortsaufgelöst und zeitaufgelöst messbar. Über kontinuierliche Messung dieser Werte kann die Belastungshistorie eines Bauteils vollständig erfasst werden.
Der große Vorteil der Überwachung mit sensorischen Oberflächen liegt einerseits in der möglichen, hohen Ortsauflösung sowie der Tatsache, dass nicht die Schädigungen, sondern direkt die auftretenden Kräfte auf Bauteilebene gemessen werden können.
Dadurch kann sowohl das eigentliche Bauteil überwacht werden, als auch die
Krafteinleitung in Strukturbauteile, wie beispielsweise das Maschinenbett. Reißt dieses aufgrund einer Überbelastung, hat dies meist den wirtschaftlichen Totalschaden der Maschine zur Folge. Zudem misst ein solcher Mikrosensor im laufenden Betrieb, so dass keine produktive Maschinenzeit für Messfahrten verloren geht.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Linearführungseinrichtung weist der zumindest eine Mikrosensor zumindest einen Dehnmessstreifen mit einer einzigen Messausrichtung in zumindest einer der folgenden Anordnungen auf:
- quer auf einer Mittellinie zwischen zwei Lagerseiten;
- zumindest zwei Dehnmessstreifen jeweils mit der Messausrichtung quer zu und äquidistant zu einer Mittellinie zwischen zwei Lagerseiten;
- mit der Messausrichtung längs zu einer Mittellinie zwischen zwei Lagerseiten.
Die Erfindung umfasst zumindest einen Dehnmessstreifen, bevorzugt zahlreiche
Dehnmessstreifen, welcher auf (oder in) der Linearführungseinrichtung aufgebracht oder hergestellt ist, um die darauf wirkenden Belastungen während des Betriebs zu messen und aus diesen Messwerten die verbleibende Restlebensdauer des überwachten Bauteils zu bestimmen.
Eine Führungsschiene einer Linearführungseinrichtung ist entweder von oben oder von unten, zum Beispiel mit einer Werkzeugmaschine, verschraubt. Der Führungswagen beziehungsweise Schlitten läuft auf Kugeln (Kugelführung), zylindrischen Wälzkörpern (Rollenführung) oder ist hydrostatisch gelagert über die Führungsschiene und führt damit eine lineare Bewegung aus.
Durch die im Betrieb auftretenden Kräfte und Drehmomente verformt sich die
Führungsschiene. Die Verformung ist proportional zur auftretenden Kraft und/oder zum auftretenden Moment und ist über den zumindest einen Dehnmessstreifen erfassbar. Um den zumindest einen Dehnmessstreifen vor Verschleiß und Beschädigung zu schützen, ist es vorteilhaft den Dehnmessstreifen entweder in das Material der Führungsschiene einzubetten, oder direkt auf der Sensorfläche der Führungsschiene anzubringen.
Drei verschiedene Anordnungen sind besonders bevorzugt, welche im Folgenden detailliert beschrieben werden, welche auch miteinander kombinierbar sind.
Es treten grundsätzlich folgende Lastfälle auf:
Der Schlitten rollt um die Vorschubachse, kippt also seitlich zur Vorschubrichtung. Der
Schlitten nickt um die Achse quer zur Vorschubachse, kippt also in Vorschubrichtung. Der Schlitten giert um die Hochachse bezogen auf die vorgenannten Achsen. Zudem sind auch rein translatorische Bewegungen in die zwei gelagerten Richtungen möglich, also quer zur Vorschubrichtung. Entsprechend treten Zugbelastungen und Druckbelastungen an der Führungsschiene auf.
In einer ersten Anordnung liegen zwei Dehnmessstreifen rechts und links von einer Mittelachse der Führungsschiene mit ihrer Messausrichtung quer zur Mittelachse. Die jeweilige Positionierung unterscheidet sich je nach Modell der Führung und kann über Simulationen oder praktische Tests herausgefunden werden. Bei Zugbelastung auf die Führungsschiene (Belastung in Lösungsrichtung der Befestigungsschrauben der
Führungsschiene) werden beide Dehnmessstreifen gestaucht, unter Druckbelastung auf die Führungsschiene (Belastung in Anziehrichtung der Befestigungsschrauben der Führungsschiene) werden beide Dehnmessstreifen gedehnt. Bei einer Krafteinleitung von der Seite der Führungsschiene (Belastung quer zu einer Befestigungsschraube) wird ein Sensorelement gestaucht, das andere gedehnt; die Dehnmessstreifen verhalten sich ebenso, wenn ein Moment um die Längsachse der Führung wirkt. Mit dieser Anordnung lassen sich also neben der absoluten Höhe auch die Richtung der Krafteinleitung bestimmen.
In einer zweiten Anordnung wird lediglich ein Dehnmessstreifen mit gleicher
Messausrichtung wie in der ersten Anordnung, bevorzugt auf der Mittellinie der
Führungsschiene, verwendet. Dieser kann nur zwischen Zugbelastung und
Druckbelastung, also Stauchung beziehungsweise Dehnung, unterscheiden. Seitliche Kräfte und Momente werden nur bedingt erfasst. Allerdings stellt diese Variante eine kostengünstige Alternative dar. Ein Temperaturdrift lässt sich auf der Software-Seite bei der Signalverarbeitung herausrechnen und wird oftmals vom Hersteller des Mikrosensors mitgeliefert. Ein Temperaturdrift weist, zumindest anfänglich, einen relativ langsamen Anstieg auf, während eine Dehnung oder Stauchung infolge einer Belastung mit einer Kraft vergleichsweise plötzlich auftritt.
In einer dritten Anordnung liegen die zwei Dehnmessstreifen wie in der ersten Anordnung links und rechts einer Mittelachse, aber nicht in einer Linie quer zur Vorschubachse angeordnet, sondern sind in Vorschubrichtung versetzt zueinander angeordnet. Befindet sich der Führungswagen über der von den Dehnmessstreifen gebildeten Messstelle, können sie dennoch alle Messwerte wie in der ersten Anordnung aufnehmen. Zusätzlich sind im dynamischen Einsatz, das heißt, wenn sich der Führungswagen bewegt, über diese Anordnung die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung des Wagens erfassbar. Weiterhin sind in der dritten Anordnung zwei weitere Dehnmessstreifen eingezeichnet, deren Messausrichtung um 90° zu den anderen beiden Dehnmessstreifen gedreht ist.
Damit messen sie zwar nicht die Verformung der Führungsschiene, unterliegen aber den gleichen thermischen Einflüssen wie die beiden messenden Dehnmessstreifen und können damit zur Temperaturkompensation genutzt werden.
Die einzelnen Sensorelemente werden anschließend über eine entsprechende Elektronik ausgelesen. Zweckmäßigerweise werden sie in einer Wheatstone'schen Messbrücke verschaltet. Die Messung ist bevorzugt über eine Zweileitermessung, Dreileitermessung, Vierleitermessung oder Sechsleitermessung auslesbar.
Die Sensorelemente sind einzeln, mit oder ohne Temperaturkompensation, auslesbar (Viertelbrücke) oder im Falle von zwei Dehnmessstreifen (erste und dritte Anordnung) in einer gekreuzten Halbbrücke, ebenfalls mit oder ohne Temperaturkompensation, auslesbar. Im Falle der gekreuzten Halbbrückte geht dann aber die Information über seitlich wirkende Kräfte und Momente um die Längsachse der Führungsschiene verloren. Allerdings ist die Empfindlichkeit dieser Verschaltung im Vergleich mit der zweiten Anordnung verdoppelt.
Mit der hier vorgeschlagenen Anordnung des zumindest einen Mikrosensors können auch Rückschlüsse auf den Schlitten gezogen werden, wie zum Beispiel die Lasten und
Verformungen, die Temperatur sowie Fertigungsfehler und Beschädigungen.
I nsbesondere zusam men mit einem vom Hersteller mitgelieferten Datenblatt,
beziehungsweise FEM-Modell, können die mittels der aufgebrachten Mikrosensoren ermittelten Verformungen zur Berechnung von den voran beschriebenen Informationen über den Schlitten genutzt werden.
Mit der mäanderförm igen Struktur lassen sich auch Temperaturen messen. Alternativ oder ergänzend können für die Temperaturmessung Thermoelemente eingesetzt werden. Die Messung der Kraft ist auch mit einem Piezoelement ausführbar. Bei einem
Piezoelement wird in der Regel ein Keramikmaterial verwendet, welches aufgrund seiner besonderen Kristallstruktur bei Belastung eine Verformung ausführt, welche zu einer Ladungsverschiebung im Kristall führt. Diese Ladungsverschiebung verursacht eine proportionale Spannungsänderung. Diese ist als Messsignal nutzbar.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Linearführungseinrichtung ist der zumindest eine Mikrosensor mittels zumindest einer der folgenden Fertigungsverfahren befestigt:
- Einbringen des zumindest einen Mikrosensors in einer Vertiefung in der
Linearführungseinrichtung, wobei die Vertiefung mit dem eingebrachten Mikrosensor stoffschlüssig, bevorzugt mittels partiellen Einbettens oder Eingießens und/oder mittels Löten abgeschlossen ist, wobei bevorzugt der zumindest eine Mikrosensor ein
Foliensensor ist und gerollt in die Vertiefung eingebracht ist;
- Einbetten oder Eingießen des zumindest einen Mikrosensors während des Gießens, bevorzugt des Stranggießens, der Linearführungseinrichtung;
- flächiges Aufkleben des zumindest einen Mikrosensors auf der zumindest einen Sensorfläche; und
- flächiges Dünnschichtauftragen des Mikrosensors auf der zumindest einen
Sensorfläche.
Um die Mikrosensoren vor Verschleiß und Beschädigung zu schützen, ist es vorteilhaft sie entweder in das Material der Führungsschiene einzubetten, oder sie auf der Oberfläche der Schiene anzubringen.
Bisher war es nicht vorstellbar, Sensoren in Materialien zu integrieren. Es hat sich aber überraschender Weise gezeigt, dass die Integration von Mikrosensoren in verschiedene Werkstoffe mithilfe der Mikrosystemtechnik möglich ist. Es konnten neue Mikrosensoren entwickelt werden, die in verschiedene Werkstoffe wie Elastomere, Epoxidharz, Kohlefaserverbundwerkstoffe, Stahl und Aluminium eingebettet werden können. Dazu werden im Wesentlichen die Materialien die zur Funktion des Sensors benötigt werden, an die mechanischen und thermischen Eigenschaften des Materials, in welches integriert werden soll, angepasst. Die Mikrosystemtechnik bietet den technologischen Vorteil, möglichst wenig Material zur Herstellung eines Mikrosensors zu verwenden und somit möglichst wenig Fremdmaterial in die Linearführung einzubringen. Somit ist nach
Abschluss des Einbringens nur eine minimale Schwächung des Materials zu erwarten. Die technologischen Voraussetzungen zur Herstellung solcher Strukturen erfordern
Reinraumtechnologie. Die Temperaturbelastung der Lineareinheit während des Einbettens des Sensors hängt vom Einbettprozess ab: Bei der Verwendung von einem Klebstoff können Temperaturen von Raumtemperatur bis zu 180°C auftreten. Beim Löten ist es abhängig von der Wahl des Lotes. Es gibt niedrigschmelzende Lote, sogenannte
Weichlote, die in einem Temperaturbereich von etwa 60°C bis etwa 450°C [Celsius] verarbeitet werden, und sogenannte Hartlote, die in einem Temperaturbereich von etwa 450°C bis etwa 800°C verarbeitet werden. Alternativ ist der Sensor einschweißbar oder mittels Einspritzen (zum Beispiel Flammspritzen) auftragbar. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrosensor auf einem Trägersubstrat aus einem Metall, bevorzugt einem dem Lot zumindest ähnlichen Metall oder einem Stahl, welcher dem Stahl der Führungsschiene zumindest ähnlich ist, aufgebracht. Mit dem
anschließenden Prozess des Einbettens wird dieses Trägersubstrat stoffschlüssig, also auf molekularer Ebene, aufgenommen und es bleiben nur die Schutzschicht(en) und
Funktionsschicht(en) des Mikrosensors als Fremdeinschlüsse in der Vertiefung zurück. Damit ergibt sich eine sehr gute mechanische Übertragung der Verformungen der Führungsschiene auf den eingebetteten Mikrosensor.
Mithilfe solcher materialintegrierter Mikrosensoren ist es möglich, Daten aus einem
Bauteil herauszubekommen, um den Zustand des Bauteils zu bestimmen. Beispielsweise werden Mikrosensoren in eine Führungsschiene integriert, um die thermischen und mechanischen Belastungen in der Führungsschiene zu messen. Dadurch können auch Rückschlüsse auf den Schlitten gezogen werden, wie zum Beispiel die Lasten und
Verformungen, die Temperatur sowie Fertigungsfehler und Beschädigungen.
I nsbesondere zusam men mit einem vom Hersteller mitgelieferten Datenblatt,
beziehungsweise FEM-Modell, können die mittels der materialintegrierten Mikrosensoren ermittelten Verformungen zur Berechnung von den voran beschriebenen Informationen über den Schlitten genutzt werden. Die Einbettung des Mikrosensors kann sowohl während des Stahlgusses erfolgen, aber auch im Anschluss an die Produktion durch Einlöten, Einkleben oder partielles Eingießen.
Für die Zustandsüberwachung sind die wesentlichen Parameter Temperatur und Kraft. Eine Kraft wirkt auf den Bereich der Führungsschiene, in dem sich der Führungswagen, beziehungsweise Schlitten, befindet. Durch Führungsrollen und/oder hydrostatische Lagertaschen wird die Kraft vom Führungswagen auf die Führungsschiene übertragen. Diese Kräfte können mit einem solchen Mikrosensor gemessen werden. Eine sehr einfache Umsetzung eines solchen Mikrosensors ist eine einfache mäanderförmige Struktur aus einem Metall, zum Beispiel Gold, Chrom, Platin oder andere sowie
Metalllegierungen, auf einem Substrat aus zum Beispiel Keramik und/oder Metall sowie einem Blend. Allerdings muss die Sensorstruktur vollständig isoliert sein, weil es sonst zu elektrischen Kurzschlüssen durch die Einbettung im elektrisch leitfähigen Werkstoff, meist Stahl, der Führungsschiene entsteht. Die mäanderförmige Struktur aus Metall weist bevorzugt eine Schichtdicke von unter 1 μιτι [Mikrometer] auf und ist mit bekannten mikrotechnischen Verfahren sehr einfach herstellbar. Isolierungen können ebenfalls mit Verfahren der Mikrotechnik aufgebracht werden. Diese Struktur kann in eine
Führungsschiene eingebaut werden.
Wird die Führungsschiene infolge der Kraft verformt, so verformt sich auch die
Sensorstruktur, was auf Basis des geometrischen (Metall), beziehungsweise des piezo- resistiven (Halbleiter), Effekts in der Änderung des Widerstandes messbar ist. Eine geeignete Position wird bevorzugt mittels einer FEM [Finite Elemente Methode]
Simulation bestimmt. Sie liegt bevorzugt nicht im größten Belastungsbereich, aber es finden ausreichende Verformungen statt, um Kräfte messen zu können. Bei der Wahl der Position soll bevorzugt die Integrität und insbesondere die Stabilität beziehungsweise Steifigkeit der Führungsschiene berücksichtigt werden. Neben der Integration von nur einem einzelnen Dehnmessstreifen können auch mehrere Dehnmessstreifen integriert werden, um bevorzugt nach oben angegebener Art auch Drehmomente beziehungsweise Biegekräfte messen zu können. In einer bevorzugten Variante ist der Mikrosensor in eine Vertiefung eingebracht, welche, zum Beispiel von der Fügefläche aus, der
Führungsschiene offen ist beziehungsweise zu dieser Seite sind Leitungsanschlüsse zu dem Mikrosensor angeordnet. Die Vertiefung ist dabei bevorzugt vollständig
verschlossen.
Alternativ wird der zumindest eine Mikrosensor direkt bei der Fertigung, zum Beispiel dem Gießen beziehungsweise Stranggießen einer Stahlschiene, eingebracht. Dann ist der Mikrosensor in einer fiktiven Vertiefung angeordnet, welche sich mit den
Einformungsabmaßen des Mikrosensors zusammen mit Teilabschnitten der sich aus der Führungsschiene herauserstreckenden Leitungsanschlüssen deckt.
Mit der mäanderförm igen Struktur lassen sich auch Temperaturen messen. Alternativ oder ergänzend können für die Temperaturmessung Thermoelemente eingesetzt werden. Die Messung der Kraft ist auch mit einem Piezoelement ausführbar. Bei einem
Piezoelement wird in der Regel ein Keramikmaterial verwendet, welches aufgrund seiner besonderen Kristallstruktur bei Belastung eine Verformung ausführt, welche zu einer Ladungsverschiebung im Kristall führt. Diese Ladungsverschiebung verursacht eine proportionale Spannungsänderung. Diese ist als Messsignal nutzbar.
In einer alternativen Ausführungsform, welche aber auch in Kombination mit der oben erläuterten Ausführungsform einsetzbar ist, wird zumindest ein Mikrosensor auf einer Oberfläche zum Beispiel Führungsschiene oder einer Gewindestange eines Spindeltriebs einer Linearführungseinrichtung, nämlich einer Sensorfläche, aufgebracht. Somit lassen sich die auf das Bauteil wirkenden Belastungen während des Betriebs messen und aus diesen Messwerten die verbleibende Restlebensdauer des überwachten Bauteils bestimmen. Ein solches Sensorsystem ist für alle Arten von Linearführungseinrichtungen geeignet. Am Beispiel einer Führungsschiene wird eine Anwendung erläutert. Die
Führungsschiene wird entweder von oben oder von unten mit der Maschine verschraubt. Ein Führungswagen läuft über die Führungsschiene und führt damit eine lineare
Bewegung aus.
Durch die im Betrieb auftretenden Kräfte und Momente verformt sich die
Führungsschiene. Die Verformung ist proportional zur auftretenden Kraft und kann über Dehnungsmessstreifen erfasst werden. Die Dehnmessstreifen werden entweder als fertige Sensorelemente (Folien-Dehnmessstreifen) aufgeklebt und manuell verdrahtet oder in Dünnschichttechnik direkt auf der Führungsschiene hergestellt oder in die
Führungsschiene integriert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Linearführungseinrichtung sind eine Vielzahl von Mikrosensoren über eine Länge der zumindest einen Sensorfläche
angeordnet, wobei bevorzugt die Dichte der Mikrosensoren in einem
Bearbeitungsabschnitt, bevorzugt von einer Werkzeugmaschine, höher ist als in einem reinen Transportabschnitt, bevorzugt von einer Werkzeugmaschine.
Die Anzahl der Messstellen in Längsrichtung der Führungsschiene ist variabel. Die
Messstellen können äquidistant zueinander angeordnet sein oder im Bereich größerer Belastungen auch in einer höheren Dichte Vorliegen, das heißt mit einem im Vergleich zu anderen Längenabschnitten der Führungsschiene mit einem geringeren Abstand zueinander angeordnet sein. In einer Werkzeugmaschine ist es beispielsweise möglich, in einem Bearbeitungsabschnitt eine höhere Dichte vorzusehen und auf einem
Transportabschnitt zwischen Bearbeitungsabschnitt und Werkzeugwechsel eine geringere Dichte vorzusehen. Auch sind bevorzugt die Anordnungen in den Abschnitten
unterschiedlich, weil zum Beispiel in einem Transportabschnitt häufig keine oder nur geringe Lasten auf die Führungsschiene eingeleitet werden, welche sich von den reinen Trägheitskräften und Gewichtskräften des Schlittens unterscheiden. Ein
Bearbeitungsabschnitt ist ein Abschnitt einer Linearführungseinrichtung, in dem
Bearbeitungskräfte auftreten können, zum Beispiel beim Fräsen, sowohl auf der
Werkzeugseite als auch auf der Werkstückseite. Diese Abschnitte lassen sich in der Regel klar umgrenzen. Als Bearbeitungsabschnitte können auch Werkzeugwechselstellen betrachtet werden, sofern hier beachtliche Kräfte eingeleitet werden. Alle anderen Abschnitte sind in der Regel reine Transportabschnitte, in welche ein Schlitten von einer Position (zum Beispiel zum Werkzeugwechsel) in eine andere Position (zum Beispiel in einen Abschnitt der Bearbeitung) verfährt. Somit sind die Kosten für individuelle
Werkzeugmaschinen, oder auch andere Anwendungen, deutlich reduzierbar.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Vorschubachse mit zwei parallelen Linearführungseinrichtung als Führungsschienen nach der obigen Beschreibung vorgeschlagen, welche zum Führen eines Schlittens eingerichtet sind.
Der Schlitten ist dabei mittels Kugeln, Rollen oder anderen Wälzkörpern gelagert, oder aber hydrostatisch gelagert. Mittels dieser Vorschubachse ist die Belastung einer
Vorschubbewegung des Schlittens auf die Linearführungseinrichtungen feststellbar. Dazu sind die Mikrosensoren, bevorzugt extern, miteinander verschaltet und es wird auf ein gespeichertes Bewegungsmodell der Vorschubachse beziehungsweise des Schlittens zurückgegriffen. Dabei werden Überlastungen detektiert und es können gezielte
Abhilfemaßnahmen getroffen werden, wie zum Beispiel ein neues Ausrichten eines Lagers.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Werkzeugmaschine mit zumindest einer Vorschubachse nach der obigen Beschreibung vorgeschlagen.
Die Vorschubachse ist dabei für Vorschubbewegungen von einem Schlitten für ein Werkstück oder für ein Bearbeitungswerkzeug, oder zum Bewegen eines
Werkzeugwechslers jeweils entlang einer translatorischen Raumachse eingerichtet. Dabei lassen sich Fehlbelastungen sowie auch ein Fehlbetrieb der Werkzeugmaschine detektieren. Besonders bevorzugt werden die Sensordaten in einer, bevorzugt externen, Messelektronik ausgelesen und mithilfe von gespeicherten Bewegungsmodellen der
Werkzeugmaschine automatisiert und, besonders bevorzugt Just-in-Time, interpretiert.
Bei einem Kugelgewindetrieb wird der Dehnmessstreifen bevorzugt auf der Oberfläche des Gewindetriebs zwischen Antrieb, also Motor beziehungsweise Getriebe, und Gewinde des Gewindetriebs angebracht. Somit auf der zylindrischen Mantelfläche des Triebs.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum
Dünnschichtauftragen eines Mikrosensors auf einer Linearführungseinrichtung
vorgeschlagen, welches zumindest die folgenden Schritte aufweist:
a. Auftragen einer elektrisch isolierenden ersten Schicht auf einer zu erfassenden Sensorfläche einer Linearführungseinrichtung;
b. Auftragen einer elektrisch leitenden zweiten Schicht auf der ersten Schicht;
c. Strukturieren der zweiten Schicht; d. Auftragen einer elektrisch isolierenden und mechanisch robusten dritten Schicht, mittels welcher die zweite Schicht nach außen elektrisch isoliert und mechanisch geschützt ist, wobei die dritte Schicht bevorzugt aus Aluminiumoxid gebildet ist; und e. vor, während oder nach Schritt b. Auftragen von Leitungsanschlüssen zum Verbinden der zweiten Schicht mit einer Messvorrichtung.
Gemäß diesem Verfahren wird vorgeschlagen, zumindest einen Mikrosensor in
Dünnschichttechnik direkt auf der Linearführungseinrichtung herzustellen. Das Besondere ist also, dass hier die Linearführungseinrichtung das Grundsubstrat bildet und der Mikrosensor nicht zunächst separat gefertigt wird und anschließend gefügt werden muss. Dazu wird zuerst eine erste Schicht, nämlich eine elektrische Isolationsschicht, auf der Führungsschiene abgeschieden. Auf dieser wiederum wird die zweite Schicht, nämlich die Sensorschicht, abgeschieden. Vorteilhaft sind typische Dehnmessstreifen-Legierungen wie sie oben angegeben sind, nämlich Konstantan, NiCr oder FW, aber auch Schichten aus einem Halbleitermaterial. Anschließend wird die Sensorschicht strukturiert. Dies kann mittels Ätzung, Laser oder elektrochemischem Abtrag erfolgen. Bevorzugt werden die Zuleitungen beziehungsweise die Leitungsanschlüsse in diesem Schritt ebenfalls hergestellt. Sie können entweder aus dem gleichen Material wie die Sensorschicht oder aus einem anderen, elektrisch leitfähigen Material bestehen. Abschließend wird eine dritte Schicht, welche elektrisch isolierend ist, aufgebracht, um die Sensorschicht zu schützen. Es ist vorteilhaft, dafür auf eine Verschleißschutzschicht wie beispielsweise Aluminiumoxid zurückzugreifen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zum
Dünnschichtauftragen eines Mikrosensors wird vor Schritt a. in einem Schritt a1. eine Vertiefung von mindestens der Tiefe und von mindestens der Fläche des Mikrosensors in die zu erfassende Sensorfläche eingebracht.
Bei dieser bevorzugten Ausführungsform wird der zumindest eine Mikrosensor vor mechanischem Abrieb sehr gut geschützt, indem er seitlich vom Material der
Linearführungseinrichtung geschützt ist. Somit ist eine solche Linearführungseinrichtung während des Transports und der Montage normal zu handhaben.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in die Linearführungseinrichtung während oder nach der Erzeugung des Rohlings, zum Beispiel mittels Schmieden und/oder Walzen, zumindest eine vertiefte Struktur in eine Sensorfläche zum Anordnen zumindest eines Mikrosensors eingebracht. Auf diese Struktur wird die erste Schicht aufgebracht, anschließend die zweite Schicht. Nun liegen die Teile der zweiten Schicht, welche die Leiterbahn, und gegebenenfalls die Anschlüsse für die Leitungsanschlüsse bilden, unterhalb der erwünschten Oberfläche der betreffenden Sensorfläche in der vertieften Struktur. Anschließend werden nun in einem Fräsprozess oder Schleifprozess die aus den vertieften Strukturen herausragenden Teile der zweiten Schicht abgetragen. Der Fräsprozess und/oder der Schleifprozess sind dabei keine zusätzlichen Schritte, sondern werden zur Fertigung der Linearführungseinrichtung eingesetzt. Somit lässt sich die Strukturierung der zweiten Schicht in den Fertigungsprozess der
Linearführungseinrichtung integrieren. Abschließend wird die dritte Schicht aufgetragen. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Einbringen von einem Mikrosensor in einer Linearführungseinrichtung vorgeschlagen, wobei der
Mikrosensor bevorzugt ein Foliensensor ist, welches zumindest die folgenden Schritte aufweist:
i. Anordnen von dem Mikrosensor an einer vorbestimmten Position;
ii. Gießen und/oder Löten zumindest eines Teils der Linearführungseinrichtung um den positionierten Mikrosensor;
iii. vor, während oder nach Schritt i. Positionieren von Leitungsanschlüssen an dem Mikrosensor für eine Messvorrichtung.
Es konnten neue Mikrosensoren entwickelt werden, die in verschiedene Werkstoffe wie Elastomere, Epoxidharz, Kohlefaserverbundwerkstoffe, Stahl und Aluminium eingebettet werden können. Hierzu wird auf die obige Beschreibung verwiesen. Die technologischen Voraussetzungen zur Herstellung solcher Strukturen erfordern Reinraumtechnologie. Mithilfe solcher integrierter Mikrosensoren ist es möglich, Daten aus einem Bauteil herauszubekommen, um den Zustand des Bauteils zu bestimmen. Beispielsweise werden Mikrosensoren in eine Führungsschiene integriert, um die thermischen und mechanischen Belastungen in der Führungsschiene zu messen. Dadurch können auch Rückschlüsse auf den Schlitten gezogen werden. Rückschlüsse sind beispielsweise die Position,
Geschwindigkeit, Vorspannung des Schlittens sowie die Temperatur von Wälzkörpern und ein Bruch beziehungsweise eine Beschädigung eines Wälzkörpers. Hierzu können bekannte Eigenschaften aus dem Datenblatt von dem Schlitten und/oder der
Linearführungsschiene, zum Beispiel die Federkennlinien, genutzt werden. Die Einbettung des Mikrosensors kann sowohl während des Stahlgusses erfolgen, aber auch im
Anschluss an die Produktion durch Einlöten oder partielles Eingießen.
Eine geeignete Position wird wie oben beschrieben bevorzugt mittels einer FEM
Simulation bestimmt.
Dehnmessstreifen werden in der Regel flach auf das zu untersuchende Bauteil geklebt. In einer bevorzugten Ausführung wird ein Dehnmessstreifen jedoch in einer Vertiefung, zum Beispiel einer Bohrung, angebracht. In diese Vertiefung wird der Mikrosensor eingebracht und mittels Einguss von Metall, Kunststoff, bevorzugt einem Epoxid, fixiert und mechanisch mit der Linearführungseinrichtung verbunden. Um den Durchmesser der Vertiefung möglichst gering zu halten und dennoch einen Dehnmessstreifen mit möglichst vielen Mäandern, und damit mit einer hohen Messempfindlichkeit, aber eben auch breiter, unterbringen zu können, ist der Foliensensor, bevorzugt um die Einführachse in die Vertiefung, aufgerollt eingebracht. Ist der Mikrosensor gerollt, liegt dieser großflächig an der Wandung der, bevorzugt bohrungsförm igen, Vertiefung an. Damit ist der Abstand zum Vollmaterial der Linearführungseinrichtung gering und die Messempfindlichkeit gegenüber einer Einbindung eines scheibenförmigen Elements mit einem Matrixmaterial gesteigert.
Alternativ ist der Sensor auf einem Stahlsubstrat aufgebracht und wird in eine Vertiefung eingeführt. Durch einen anschließenden stoffschlüssigen, bevorzugt eingeschweißte beziehungsweise eingegossene, Verbindung wird eine sehr gute Übertragung der Verformung auf den Dehnmessstreifen erreicht und zugleich die Schwächung durch die Vertiefung wieder (nahezu) vollständig aufgehoben. Dieser Schritt wird bevorzugt vor einer Wärmebehandlung einer Führungsschiene vorgenommen.
Bei einer geringen Schwächung ist ein solcher Dehnmessstreifen auch in einem
Kugelgewindetrieb unterbringbar.
Neben der Integration von nur einem einzelnen Dehnmessstreifen können auch mehrere Dehnmessstreifen integriert werden, um bevorzugt nach oben angegebener Art auch Drehmomente beziehungsweise Biegekräfte messen zu können. In einer bevorzugten Variante ist der Mikrosensor in eine Vertiefung eingebracht, welche von der Fügefläche der Führungsschiene offen ist beziehungsweise zu dieser Seite sind Leitungsanschlüsse zu dem Mikrosensor angeordnet. Die Vertiefung ist dabei bevorzugt vollständig verschlossen.
Alternativ wird der zumindest eine Mikrosensor direkt bei der Fertigung, zum Beispiel dem Gießen beziehungsweise Stranggießen einer Stahlschiene, eingebracht. Dann ist der Mikrosensor (beim Enderzeugnis) in einer fiktiven Vertiefung angeordnet, welche sich mit den Einformungsabmaßen des Mikrosensors zusammen mit Teilabschnitten der sich aus der Führungsschiene herauserstreckenden Leitungsanschlüssen deckt.
Mit der mäanderförm igen Struktur lassen sich auch Temperaturen messen. Alternativ oder ergänzend können für die Temperaturmessung Thermoelemente eingesetzt werden. Die Messung der Kraft ist auch mit einem Piezoelement ausführbar. Bei einem
Piezoelement wird in der Regel ein Keramikmaterial verwendet, welches aufgrund seiner besonderen Kristallstruktur bei Belastung eine Verformung ausführt, welche zu einer Ladungsverschiebung im Kristall führt. Diese Ladungsverschiebung verursacht eine proportionale Spannungsänderung. Diese ist als Messsignal nutzbar.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahren zum Einbringen von einem Mikrosensor ist die Linearführungseinrichtung vor Schritt i. bereits bis auf zumindest eine Vertiefung für zumindest einen Mikrosensor, bevorzugt vollständig, fertiggestellt, und der Mikrosensor ist in Schritt i. mittels der Vertiefung positionierbar, und in Schritt ii. wird die Vertiefung durch partielles Gießen und/oder Löten verschlossen und der Mikrosensor fixiert.
Dieses Verfahren erlaubt das Ergänzen von zumindest einem Mikrosensor nach der Fertigung einer Linearführungseinrichtung, ohne dass hieraus Nachteile für die
Messungen entstehen. Insbesondere wird eine mechanische Verbindungsgüte erreicht, welche einer einstückigen Fertigung entspricht, oder zumindest sehr nahe kommt, weil die Legierung für das partielle Gießen mit dem Werkstoff der Linearführungseinrichtung identisch oder zumindest mechanisch ähnlich ist, beziehungsweise bei einem Löten deutlich bessere mechanische Kraftleitungen erreicht werden, als dies bei einem Kleben der Fall ist. Darüber hinaus sind die mechanischen Werkstoffkennwerte eines Lotmittels, insbesondere beim Hartlöten, Einschweißen oder Einspritzen, oft den mechanischen und thermischen Werkstoffkennwerten des Materials der Linearführungseinrichtung im Bereich einer Betriebstemperatur einer Werkzeugmaschine sehr ähnlich.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens zum Einbringen von einem Mikrosensor gemäß einer Ausführungsform nach der obigen Beschreibung, wird die Linearführungseinrichtung zumindest einem der folgenden Behandlungsschritte erst nach Schritt ii., bevorzugt nach Schritt Mi., zugeführt:
- Oberflächenhärten der Linearführungseinrichtung; und
- Anlassen der Linearführungseinrichtung.
Eine wärmebehandelte Führungsschiene darf häufig nicht über 120°C [Celsius] erhitzt werden, weil sonst die (martensitische) Kristallstruktur des Führungsschiene verändert wird und damit die mechanischen Eigenschaften verschlechtert werden. Insbesondere die beim Härten erreichten Eigenschaften (einfrieren der martensitischen Kristallstruktur) gehen verloren und die Führungsschiene wird weich und die Oberfläche hält den
Flächenpressungen nicht Stand. Viele Mikrosensoren sind aber durchaus für den
Hochtemperatureinsatz geeignet und können daher in einem frühen Stadium der
Fertigung der Führungsschiene eingebracht werden. Die anschließenden
Wärmebehandlungen schädigen die Mikrosensoren nicht. In einem üblichen
Fertigungsverfahren einer konventionellen Linearführungseinrichtung wird zunächst durch einen Umformprozess die Grundform (Rohling) erzeugt, zum Beispiel durch Schmieden und/oder Walzen. Anschließend werden die Funktionsoberflächen gefräst und/oder geschliffen. Bevorzugt wird der zumindest eine Mikrosensor nach dem Umformen, bevorzugt nach dem Fräsen und/oder Schleifen, aufgebracht. Abschließend wird die Linearführungseinrichtung einer entsprechenden Wärmebehandlung zugeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein computerausführbares Verfahren zum Erfassen von Belastungen in einer Linearführungseinrichtung mit zumindest einem Mikrosensor nach der obigen Beschreibung, sowie ein computerlesbare Vorrichtung, welche dieses computerausführbare Verfahren umfasst, vorgeschlagen. Dieses computerausführbare Verfahren kennzeichnet sich vor allem dadurch, dass eine Mehrzahl von Dehnmessstreifen vorgesehen sind und eine Verformung der
Sensorfläche in der Messausrichtung eine Widerstandsänderung zumindest eines der Dehnmessstreifen verursacht, wobei die Form und E-Modul der Linearführungseinrichtung die Ausrichtung sowie Lage der Dehnmessstreifen gespeichert sind,
und wobei auf Basis der jeweiligen Widerstandsänderungen von den Dehnmessstreifen zusammen mit den gespeicherten Werten Form, E-Modul und Lage die anliegende lineare Kraft und/oder das anliegende Drehmoment berechnet wird, wobei bevorzugt daraus die Lebensdauer extrapoliert und/oder Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer ermittelt werden.
Die Daten der Linearführungseinrichtung werden bevorzugt von einem Hersteller der Linearführungseinrichtung geliefert und können veränderlich von Hand oder fest und unzugänglich gespeichert vorliegen. Zum Beispiel auf Basis einer FEM Simulation werden die aufgenommenen Werte von den Dehnmessstreifen die Belastungen berechnet.
Darüber hinaus wird in einer bevorzugten Ausführungsform die Bewegung des Schlittens auf der Linearführungseinrichtung erfasst, bevorzugt zusammen mit in gleicher Weise ermittelten Daten einer weiteren Linearführungseinrichtung derselben Vorschubachse. Hierfür liegt ein mechanisches Bewegungsmodell des Schlittens gespeichert vor.
In einer bevorzugten Ausführungsform werden nicht nur eine zweite Linearführung derselben Vorschubachse verglichen, sondern über eine Verknüpfung und Auswertung der Daten über das Internet lassen sich alle Messungen auf dem gleichen Führungstyp in unterschiedlichen Maschinen unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen
vergleichen. Schadensmodelle werden automatisch generiert und die Maschinen bei Anwender A lernen automatisch von den Maschinen bei Anwender B. Die Anwendung ist natürlich auch über ein firmeninternes Intranet verwendbar, damit firmeneigenes Know- How nicht an Dritte gelangt.
Figurenbeschreibung:
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, die bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein
schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
Fig. 1: eine Linearführungseinrichtung mit verschiedenen Messanordnungen;
Fig.2: eine Führungsschiene im Querschnitt;
Fig.3: ein Spindeltrieb mit Spindelmutter; Fig.4: eine Werkzeugmaschine; und
Fig. 5: ein Mikrosensor auf einer Sensorfläche im Schnitt.
In Fig. 1 ist eine Linearführungseinrichtung 1 gezeigt, hier eine Profilschiene für einen Kugellagerschlitten (nicht dargestellt). Auf einer der möglichen der Sensorflächen 4, hier die Oberseite der Profilschiene, zwischen der (direkt belastbaren) ersten Lagerseite 17 und der (hier verdeckten, direkt belastbaren) zweiten Lagerseite 18 sind hier
verschiedene Konfigurationen von Mikrosensoren 7 (7a, 7b, 7c) mit teils einer Mehrzahl von Dehnmesstreifen dargestellt, welche mit teilweise unterschiedlichen
Messausrichtungen 15 (Doppelpfeil) angeordnet sind. Die Linearführungseinrichtung 1 ist hier von der Oberseite entlang der Mittellinie 16 mehrfach verschraubbar. Die Mittellinie 16 definiert die x-Achse 43, zu der die z-Achse 45 in gängiger Weise im Einbau nach oben, wie in der Abbildung dargestellt, definiert wird. Aus der üblichen Norm ergibt sich die Ausrichtung der y-Achse 44 wie dargestellt. Wegen der besseren Darstellbarkeit sind neben der Linearführungseinrichtung 1 eine x-Kraft 33 (welche keinen Einfluss nehmen wird, weil sie die einzige freie Richtung ist) und ein x-Drehmoment 36 mit einem gemeinsamen Doppelpfeil dargestellt. Ebenso ist eine y-Kraft 34 und ein y-Drehmoment 37, sowie eine z-Kraft 35 und ein z-Drehmoment 38 dargestellt.
Bei dem ersten Mikrosensor 7a sind zwei Dehnmessstreifen 9 und 10 rechts und links von der Mittellinie 16 angeordnet mit ihrer Messausrichtung 15 quer zur Mittellinie 16. Bei Zugbelastung (z-Kraft 35 in Pfeilrichtung) werden beide Dehnmessstreifen 9 und 10 gestaucht, unter Druckbelastung (z-Kraft 35 entgegen der Pfeilrichtung) werden beide Dehnmessstreifen 9 und 10 gedehnt. Bei einer Krafteinleitung von der Seite (y-Kraft 34) wird ein Dehnmessstreifen (bei y-Kraft 34 in Pfeilrichtung Dehnmessstreifen 9) gestaucht, der andere gedehnt (dann Dehnmessstreifen 10). Die gleiche Messung tritt bei einem z-Drehmoment 38 und einem x-Drehmoment 36 auf. Mit dieser Anordnung lassen sich also neben der absoluten Höhe auch die Richtung der Krafteinleitung bestimmen.
Bei dem zweiten Mikrosensor 7b wird lediglich ein mit seiner Messausrichtung 15 quer zur Mittellinie ausgerichteter Dehnmessstreifen 8 verwendet. Dieser kann nur zwischen Zugbelastung und Druckbelastung (Stauchung beziehungsweise Dehnung)
unterscheiden, jedoch nur bedingt seitliche Kräfte und Momente erfassen. Allerdings stellt diese Variante eine kostengünstige Alternative dar.
Bei dem dritten Mikrosensor 7c liegen die beiden Mess-Dehnmessstreifen 9 und 10, anders als beim ersten Mikrosensor 7a, nicht in einer Linie, sondern sind entlang der Mittellinie 16 zueinander versetzt angeordnet. Bei dem dritten Mikrosensor 7c können so dennoch alle Messwerte wie beim ersten Mikrosensor 7a aufgenommen werden. Darüber hinaus ist im dynamischen Einsatz, das heißt, wenn sich der Führungswagen bewegt, über diese Anordnung zusätzlich die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung des Führungswagens erfassbar. Weiterhin sind beim dritten Mikrosensor 7c zwei weitere Dehnmessstreifen 11 und 12 eingezeichnet, deren Messausrichtung 15 um 90° zu der Messausrichtung 15 der Dehnmessstreifen 9 und 10 gedreht ist. Damit messen diese Dehnmessstreifen 11 und 12 zwar nicht die Verformung der Linearführungseinrichtung 1, denn in dieser Richtung ist die Linearführungseinrichtung 1 sehr steif. Aber hiermit ist eine Temperaturkompensation möglich, weil sie den gleichen thermischen Einflüssen wie die Dehnmessstreifen 9 und 10 unterliegen und als Widerstandstemperatursensoren 13 und 14 dienen.
Die Mikrosensoren 7 sind über eine entsprechende Elektronik auslesbar.
Zweckmäßigerweise werden sie in einer Wheatstone'schen Messbrücke verschaltet. Die Messung kann über eine Zweileitermessung, Dreileitermessung, Vierleitermessung oder Sechsleitermessung erfolgen.
Die Mikrosensoren 7 können entweder einzeln, mit oder ohne Temperaturkompensation, ausgelesen werden (Viertelbrücke) oder im Falle von zwei Dehnmessstreifen
(Mikrosensoren 7a und 7c) in einer gekreuzten Halbbrücke, ebenfalls mit oder ohne
Temperaturkompensation, angeordnet werden. Im Falle der gekreuzten Halbbrücke geht dann aber die Information über seitlich wirkende Kräfte und Drehmomente um die Längsachse der Führungsschiene verloren. Allerdings ist die Verschaltung im Vergleich mit dem zweiten Mikrosensor 7b doppelt so empfindlich.
In Fig.2 ist eine Linearführungseinrichtung 1, hier eine Profilschiene mit einem
Grundaufbau wie in Fig. 1, im Querschnitt gezeigt. Hierbei sind die Kugellagerflächen 39, 40, 41 und 42 an den beiden Lagerseiten 17 und 18 gut zu erkennen. Hier sind drei mögliche Sensorflächen 4 bezeichnet, wobei hier auch die beiden Lagerseiten 17 und 18 geeignete Oberflächen darstellen. In diesem Beispiel sind die Mikrosensoren 7 nicht auf der Oberfläche angeordnet. Vielmehr sind hier die Dehnmessstreifen 9 und 10 jeweils in einer Vertiefung 19 beziehungsweise 20 angeordnet, welche hier zum Beispiel zunächst eingebohrt und anschließend nach dem Positionieren der Dehnmessstreifen 9 und 10 durch partielles Gießen aufgefüllt sind. Damit sind die Mikrosensoren 7 in der
Linearführungseinrichtung 1 eingebettet. Die ermittelten Messwerte beziehen sich dabei näherungsweise auf die seitlichen Sensorflächen 4 an den Lagerseiten 17
beziehungsweise 18. Die Messausrichtung 15 ist hierbei insbesondere für die z-Kraft 35 entlang der z-Achse 45 (gleiche Zugbelastung oder Druckbelastung auf beiden
Dehnmessstreifen 9 und 10) und für ein x-Drehmoment 36 um die x-Achse 43 (jeweils entgegengesetzt Zugbelastung und Druckbelastung an den Dehnmessstreifen 9 und 10), sowie für eine Querkraft (y-Kraft 34) entlang der y-Achse 44 (jeweils entgegengesetzt Zugbelastung und Druckbelastung an den Dehnmessstreifen 9 und 10) eingerichtet. Die Messsignale werden, hier rein schematisch dargestellt, mittels der ersten und zweiten Leitungsanschlüsse 27 und 28 an eine Messvorrichtung 29 weitergeleitet, und dort zum Beispiel mittels einer Wheatstone'schen Brücke zu einem Messwert verschaltet.
In Fig.3 ist eine Linearführungseinrichtung 1 als Kugelgewindetrieb 51 dargestellt, auf welcher eine axial bewegbare Spindelmutter 6 angeordnet ist. Die Spindelmutter 6 ist im Bereich des Gewindeabschnitts 46 verfahrbar. Hierzu ist der Kugelgewindetrieb 51 mittels eines Antriebs 48 rotierbar. Der Kugelgewindetrieb 51 weist zudem einen
Wellenabschnitt 47 auf, auf welchem kein Gewinde angeordnet ist. In diesem
Wellenabschnitt 47 ist ein Mikrosensor 7 angeordnet, welcher bevorzugt wie hier dargestellt mit zwei Messrichtungen 15 ausgeführt ist, welche zueinander orthogonal angeordnet sind und um 45° zu einer senkrechten Querschnittsebene geneigt angeordnet sind. Hiermit lassen sich im Kugelgewindetrieb 51 auftretende Drehmomentbelastungen erfassen.
In Fig.4 ist beispielhaft eine vereinfachte Werkzeugmaschine 3 gezeigt, welche eine erste Vorschubachse 2 für ein Werkstück 58 und eine zweite Vorschubachse 53 für ein Werkzeug 57 aufweist. Mittels eines ersten Kugelgewindetriebs 51 ist ein erster Schlitten 5 auf einer ersten (paarigen) Profilschien 49 entlang der ersten Vorschubachse 2 verfahrbar. Dazu ist eine erste Spindelmutter 6 mit dem geführten ersten Schlitten 5 fest verbunden. Mittels des ersten Antriebs 48 wird hierzu der erste Kugelgewindetrieb 51 gesteuert verdreht. In ähnlicher Weise ist die zweite Vorschubachse 53 mit einem zweiten Antrieb 56, einem zweiten Kugelgewindetrieb 52 und einer zweiten
Spindelmutter 55 ausgestattet und über eine zweite (paarige) Profilschiene 50 wird der zweite Schlitten 54 geführt. Hierbei wird nun vorgeschlagen, Mikrosensoren (hier nicht dargestellt) abhängig von den Belastungen auf der Länge 21 der ersten Profilschien 49 anzuordnen. Hierbei sind zwei reine Transportabschnitte 23 gebildet, in welchen keine Bearbeitung stattfinden kann und ein dazwischen angeordneter Bearbeitungsabschnitt 22, in welchem das Werkzeug 57 Kräfte auf das Werkstück 58 und somit auf die erste Profilschiene 49 einleitet. Ein Transportabschnitt 23 ist zum Beispiel zur besseren
Entnehmbarkeit beziehungsweise Spannbarkeit des Werkstücks 58 vorgesehen.
In Fig.5 ist ein Ausschnitt einer Linearführungseinrichtung 1 als Profilschiene 49 im Schnitt gezeigt. Hierbei ist ein Mikrosensor 7 in eine Sensorfläche 4, hier der Lagerseite 18 angeordnet. Hierbei ist die Tiefe 30 und die (Gesamt-) Fläche 31 an die (gewünschte) Größe des Mikrosensors 7 angepasst. Weiterhin ist in der Sensorfläche 4 eine
Negativstruktur 59 beim Formen des Rohlings der Linearführungseinrichtung 1 oder nachträglich eingebracht. Darauf wird die erste Schicht 24 aufgetragen, sodass die gesamte Struktur überlagert ist, zugleich aber die Negativstruktur 59 erhalten bleibt. Anschließend wird die zweite Schicht 25 aufgebracht, sodass die Negativstruktur 59, in der Regel vollständig, ausgefüllt wird. Dabei reichen nun Bereiche der ersten Schicht 24 und die nicht zur Leiterbahn 32 zugehörigen Bereiche der zweiten Schicht 25 über die Ebene der Sensorfläche 4 hinaus. Anschließend, zum Beispiel in einem Schleifprozess, werden die überschüssigen Teile der ersten Schicht 24 und der zweiten Schicht 25 mit abgetragen, sodass die Leiterbahn 32, zum Beispiel mäanderförmig, entsteht. Somit wird das Strukturieren zeitgleich mit einem Bearbeitungsschritt der Linearführungseinrichtung 1 durchgeführt. Abschließend wird die dritte Schicht 26 aufgetragen und der
Leitungsanschluss 27, bevorzugt mittels Löten oder Drahtbonden, mit der zweiten Schicht 25 verbunden, bevorzugt mittels Ätzen, Ultraschall-Bearbeiten oder
spanabhebendes Durchstoßen der dritten Schicht 26. Damit ist der Mikrosensor 7 gut vor mechanischen Einflüssen geschützt. Die erste Schicht 24 ist als elektrischer Isolator eingerichtet und die dritte Schicht 26 als mechanischer Schutz und als elektrischer Isolator. Die zweite Schicht 25 ist elektrisch leitend und weist die erwünschten
Sensoreigenschaften auf. Diese ist mit einem Leitungsanschluss 27 verbunden, welcher das Messsignal an eine nicht dargestellte Messvorrichtung 29 (vergleiche Fig.2) leitet.
Mit der hier dargestellten Erfindung ist erstmals eine Belastung einer
Linearführungseinrichtung im Betrieb einer Werkzeugmaschine direkt messbar.
Bezugszeichen liste:
1 Linearführungseinrichtung
2 erste Vorschubachse
3 Werkzeugmaschine
4 Sensorfläche
5 erster Schlitten
6 erste Spindelmutter
7 Mikrosensor
8 erster Dehnmessstreifen
9 zweiter Dehnmessstreifen
10 dritter Dehnmessstreifen
11 vierter Dehnmessstreifen
12 fünfter Dehnmessstreifen
13 erster Widerstandstemperatursensor
14 zweiter Widerstandstemperatursensor
15 Messausrichtung
16 Mittellinie
17 erste Lagerseite
18 zweite Lagerseite
19 erste Vertiefung
20 zweite Vertiefung
21 Länge
22 Bearbeitungsabschnitt
23 Transportabschnitt
24 erste Schicht
25 zweite Schicht
26 dritte Schicht
27 erster Leitungsanschluss
28 zweiter Leitungsanschluss
29 Messvorrichtung
30 Tiefe
31 Fläche
32 Leiterbahn
33 x-Kraft
34 y-Kraft
35 z- Kraft x-Drehmoment y-Drehmoment z-Drehmoment erste Kugellagerfläche zweite Kugellagerfläche dritte Kugellagerfläche vierte Kugellagerfläche x-Achse
y-Achse
z- Achse
Gewindeabschnitt
Wellenabschnitt erster Antrieb
erste Profilschiene zweite Profilschiene erster Kugelgewindetrieb zweiter Kugelgewindetrieb zweite Vorschubachse zweiter Schlitten zweite Spindelmutter zweiter Antrieb
Werkzeug
Werkstück
Negativstruktur

Claims

Ansprüche:
1. Eine Linearführungseinrichtung (1) für eine Vorschubachse (2), bevorzugt für eine Werkzeugmaschine (3), aufweisend zumindest die folgenden Komponenten:
- zumindest eine Sensorfläche (4) der Linearführungseinrichtung (1), wobei die Linearführungseinrichtung (1) zum linearen Führen eines Schlittens (5) oder einer Spindelmutter (6) eingerichtet ist;
- zumindest einen Mikrosensor (7), bevorzugt zumindest einen
Dehnmessstreifen (8,9,10,11,12) und/oder zumindest einen
Widerstandstemperatursensor (13,14), zum Erfassen von einer Dehnung und/oder Stauchung und/oder Temperatur der zumindest einen Sensorfläche (4);
dadurch gekennzeichnet, dass
der zumindest eine Mikrosensor (7) dauerhaft mit der zumindest einen
Sensorfläche (4) verbunden ist.
2. Die Linearführungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine Mikrosensor (7) zumindest einen Dehnmessstreifen (8,9,10,11,12) mit einer einzigen Messausrichtung (15) in zumindest einer der folgenden Anordnungen aufweist:
- quer auf einer Mittellinie (16) zwischen zwei Lagerseiten (17,18);
- zumindest zwei Dehnmessstreifen (8,9,10,11,12) jeweils mit der
Messausrichtung (15) quer zu und äquidistant zu einer Mittellinie (16) zwischen zwei Lagerseiten (17,18);
- mit der Messausrichtung (15) längs zu einer Mittellinie (16) zwischen zwei Lagerseiten (17,18).
3. Die Linearführungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zumindest eine Mikrosensor (7) mittels zumindest einer der folgenden Fertigungsverfahren befestigt ist:
- Einbringen des zumindest einen Mikrosensors (7) in einer Vertiefung (19,20) in der Linearführungseinrichtung (1), wobei die Vertiefung (19,20) mit dem eingebrachten Mikrosensor (7) stoffschlüssig, bevorzugt mittels partiellen
Einbettens und/oder mittels Löten abgeschlossen ist, wobei bevorzugt der zumindest eine Mikrosensor (7) ein Foliensensor ist und gerollt in die
Vertiefung (19,20) eingebracht ist; - Einbetten des zumindest einen IVlikrosensors (7) während des Gießens, bevorzugt des Stranggießens, der Linearführungseinrichtung (1);
- flächiges Aufkleben des zumindest einen IVlikrosensors (7) auf der zumindest einen Sensorfläche (4); und
- flächiges Dünnschichtauftragen des IVlikrosensors (7) auf der zumindest einen Sensorfläche (4).
Die Linearführungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Vielzahl von Mikrosensoren (7) über eine Länge (21) der zumindest einen Sensorfläche (4) angeordnet sind, wobei bevorzugt die Dichte der
Mikrosensoren (7) in einem Bearbeitungsabschnitt (22), bevorzugt von einer Werkzeugmaschine (3), höher ist als in einem reinen Transportabschnitt (23), bevorzugt von einer Werkzeugmaschine (3).
Ein Verfahren zum Dünnschichtauftragen eines IVlikrosensors (7) auf einer
Linearführungseinrichtung (1), aufweisend zumindest die folgenden Schritte:
a. Auftragen einer elektrisch isolierenden ersten Schicht (24) auf einer zu erfassenden Sensorfläche (4) einer Linearführungseinrichtung (1);
b. Auftragen einer elektrisch leitenden zweiten Schicht (25) auf der ersten
Schicht (24);
c. Strukturieren der zweiten Schicht (25);
d. Auftragen einer elektrisch isolierenden und mechanisch robusten dritten
Schicht (26), mittels welcher die zweite Schicht (25) nach außen elektrisch isoliert und mechanisch geschützt ist, wobei die dritte Schicht (26) bevorzugt aus
Aluminiumoxid gebildet ist; und
e. vor, während oder nach Schritt b. Auftragen von Leitungsanschlüssen (27,28) zum Verbinden der zweiten Schicht (25) mit einer Messvorrichtung (29).
Das Verfahren zum Dünnschichtauftragen eines Mikrosensors (7) nach Anspruch 5, wobei vor Schritt a. in einem Schritt a1. eine Vertiefung (19,20) von mindestens der Tiefe (30) und von mindestens der Fläche (31) des Mikrosensors (7) in die zu erfassende Sensorfläche (4) eingebracht wird.
Ein Verfahren zum Einbringen von einem Mikrosensor (7) in einer
Linearführungseinrichtung (1), wobei der Mikrosensor (7) bevorzugt ein
Foliensensor ist, aufweisend zumindest die folgenden Schritte: i. Anordnen von dem Mikrosensor (7) an einer vorbestimmten Position; ii. Gießen und/oder Löten zumindest eines Teils der Linearführungseinrichtung (1) um den positionierten Mikrosensor (7);
iii. vor, während oder nach Schritt i. Positionieren von Leitungsanschlüssen (27,28) an dem Mikrosensor (7) für eine Messvorrichtung (29).
8. Das Verfahren zum Einbringen von einem Mikrosensor (7) nach Anspruch 7, wobei die Linearführungseinrichtung (1) vor Schritt i. bereits bis auf zumindest eine Vertiefung (19,20) für zumindest einen Mikrosensor (7), bevorzugt vollständig, fertiggestellt ist, und wobei der Mikrosensor (7) in Schritt i. mittels der
Vertiefung (19,20) positionierbar ist, und wobei in Schritt ii. die Vertiefung (19,20) durch partielles Gießen und/oder Löten verschlossen wird und der Mikrosensor (7) fixiert wird.
9. Das Verfahren zum Einbringen von einem Mikrosensor (7) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Linearführungseinrichtung (1) zumindest einem der folgenden
Behandlungsschritten erst nach Schritt ii., bevorzugt nach Schritt iii., zugeführt wird:
- Oberflächenhärten der Linearführungseinrichtung (1); und
- Anlassen der Linearführungseinrichtung (1)
10. Computerausführbares Verfahren zum Erfassen von Belastungen in einer
Linearführungseinrichtung (1) mit zumindest einem Mikrosensor (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Mehrzahl von Dehnmessstreifen (8,9,10,11,12) vorgesehen sind und eine Verformung der Sensorfläche (4) in der Messausrichtung (15) eine
Widerstandsänderung zumindest eines der Dehn messstreifen (8, 9, 10, 11,12) verursacht, wobei die Form und E-Modul der Linearführungseinrichtung (1) die Ausrichtung sowie Lage der Dehn messstreifen (8,9,10,11,12) gespeichert sind, und wobei auf Basis der jeweiligen Widerstandsänderungen von den
Dehnmessstreifen (8,9,10,11,12) zusammen mit den gespeicherten Werten Form, E-Modul und Lage die anliegende lineare Kraft (33,34,35) und/oder das anliegende Drehmoment (36,37,38) berechnet wird, wobei bevorzugt daraus die Lebensdauer extrapoliert und/oder Maßnahmen zur Erhöhung der Lebensdauer ermittelt werden.
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