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DE102024209574B3 - Method for operating a linear bearing with a position sensor and an acceleration sensor - Google Patents

Method for operating a linear bearing with a position sensor and an acceleration sensor

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Publication number
DE102024209574B3
DE102024209574B3 DE102024209574.5A DE102024209574A DE102024209574B3 DE 102024209574 B3 DE102024209574 B3 DE 102024209574B3 DE 102024209574 A DE102024209574 A DE 102024209574A DE 102024209574 B3 DE102024209574 B3 DE 102024209574B3
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
acceleration
sensor
longitudinal axis
linear bearing
acceleration measurement
Prior art date
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Active
Application number
DE102024209574.5A
Other languages
German (de)
Inventor
Tobias Wolf
Daniel Brem
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
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Application granted granted Critical
Publication of DE102024209574B3 publication Critical patent/DE102024209574B3/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Linearlagers, wobei ein Linearlager bereitgestellt wird, wobei das Linearlager eine sich entlang einer Längsachse erstreckende Führungsschiene umfasst, auf welcher ein Führungswagen in Richtung der Längsachse beweglich gelagert ist, wobei die Führungsschiene mit einer Maßverkörperung versehen ist, welche eine Vielzahl von Markierungen umfasst, die entlang der Längsachse verteilt an der Führungsschiene ortsfest angeordnet sind, wobei an dem Führungswagen ein Stellungssensor (31) und ein davon gesondert ausgebildeter Beschleunigungssensor (32) befestigt sind, wobei an dem Führungswagen eine digitale Datenausgabeschnittstelle (34) angeordnet ist, deren Datenübertragung synchron zu einem vorgegebenen Ausgabezeittakt (50) erfolgt, wobei der Beschleunigungssensor (32) die Ausgabe eines neuen digitalen Beschleunigungsmesswertes (51) mittels eines Interrupt-Signals (54) anzeigt, wobei der digitale Beschleunigungsmesswert (51) zwischengespeichert (55) wird, wobei der gespeicherte Beschleunigungsmesswert (57) so lange entsprechend dem Ausgabezeittatakt (50) auf der digitalen Datenausgabeschnittstelle (34) ausgegeben wird, bis der Beschleunigungssensor (32) mittels des Interrupt-Signals (54) das Vorliegenden eines neuen Beschleunigungsmesswertes (51) anzeigt. The invention relates to a method for operating a linear bearing, wherein a linear bearing is provided, the linear bearing comprising a guide rail extending along a longitudinal axis, on which a guide carriage is movably mounted in the direction of the longitudinal axis, the guide rail being provided with a scale comprising a plurality of markings distributed along the longitudinal axis and fixedly arranged on the guide rail, a position sensor (31) and a separately designed acceleration sensor (32) being attached to the guide carriage, a digital data output interface (34) being arranged on the guide carriage, the data transmission of which is synchronous with a predetermined output time clock (50), the acceleration sensor (32) indicating the output of a new digital acceleration measurement value (51) by means of an interrupt signal (54), the digital acceleration measurement value (51) being temporarily stored (55), the stored acceleration measurement value (57) being displayed on the digital data output interface for as long as the output time clock (50) indicates. (34) is output until the acceleration sensor (32) indicates the presence of a new acceleration measurement value (51) by means of the interrupt signal (54).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Linearlagers mit einem Stellungssensor und einem Beschleunigungssensor.The invention relates to a method for operating a linear bearing with a position sensor and an acceleration sensor.

Aus der DE 10 2009 033 137 B4 ist ein Linearlager mit einem Führungswagen, der entlang einer Längsachse beweglich an einer Führungsschiene geführt ist, bekannt. Der Führungswagen umfasst einen Beschleunigungssensor, mit welchem die Beschleunigung entlang der Längsachse messbar ist.From the DE 10 2009 033 137 B4 A linear bearing with a guide carriage, which is movably guided along a guide rail along a longitudinal axis, is known. The guide carriage includes an acceleration sensor with which the acceleration along the longitudinal axis can be measured.

Aus der DE 10 2017 204 871 A1 ist ein Linearlager bekannt, dessen Führungswagen mit einem Stellungssensor versehen ist. Der Stellungssensor tastet eine Maßverkörperung an der Führungsschiene ab, um die Stellung des Führungswagen relativ zur Führungsschiene zu messen. Dieser Stellungsensor arbeitet absolut, so dass nach dem Einschalten des Systems ein Stellungsmesswert ermittelt werden kann, ohne dass der Führungswagen bewegt werden muss. Die vorliegende Erfindung ist aber auch für einen inkrementell arbeitenden Stellungssensor verwendbar, bei welchem der Führungswagen nach dem Einschalten erst in eine Referenzstellung bewegt werden muss, um einen absoluten Stellungsmesswert zu erhalten.From the DE 10 2017 204 871 A1 A linear bearing is known whose guide carriage is equipped with a position sensor. The position sensor scans a scale on the guide rail to measure the position of the guide carriage relative to the guide rail. This position sensor operates absolutely, so that a position measurement can be obtained after the system is switched on without having to move the guide carriage. However, the present invention can also be used for an incrementally operating position sensor, in which the guide carriage must first be moved to a reference position after switching on in order to obtain an absolute position measurement.

Der Stellungsmesswert kann digital an eine Steuervorrichtung übermittelt werden, wobei hierfür beispielsweise der Bus DRIVE-CLiQ oder vergleichbare Bussysteme zum Einsatz kommen können. Die entsprechende digitale Datenübertragung erfolgt synchron zu einem vorgegeben Zeitraster. Diesem Zeitraster liegt eine konstante, sehr kurze Taktzeitdauer zugrunde, damit mit den Stellungsmesswerten eine hochdynamische Servoregelung durchgeführt werden kann.The position measurement can be transmitted digitally to a control device, for which, for example, the DRIVE-CLiQ bus or comparable bus systems can be used. The corresponding digital data transmission occurs synchronously according to a predefined time grid. This time grid is based on a constant, very short cycle time, enabling highly dynamic servo control using the position measurements.

Aus dem Datenblatt „DMA456 - Digital, triaxial acceleration sensor“ der Bosch Sensortec GmbH ist ein Beschleunigungssensor bekannt, welcher Beschleunigungen bezüglich dreier zueinander orthogonaler Achsen ermitteln kann, wobei er den entsprechenden Messwert digital ausgibt. Hierfür werden die digitalen Busse SPI oder I2C verwendet, die für mehrere Teilnehmer vorgesehen sind, die jeweils asynchron auf den Bus zugreifen. In der Folge ist nicht sichergestellt, zu welchem genauen Zeitpunkt der nächste Messwert übertragen wird. Der Messdaten-Empfänger wird mittels eines Interrupt-Signals informiert, dass ein neuer Messwert vorliegt. Die maximale Ausgaberate der Messdaten reicht in der Regel nicht aus, um in jedem Zeittakt des oben erläuterten DRIVE-CLiQ-Busses einen neuen Messwert auszugeben.The datasheet "DMA456 - Digital, triaxial acceleration sensor" from Bosch Sensortec GmbH describes an acceleration sensor capable of measuring accelerations along three mutually orthogonal axes and digitally outputting the corresponding measurement. This is achieved using the SPI or I2C digital buses, which are designed for multiple participants accessing the bus asynchronously. Consequently, the precise timing of the next measurement is not guaranteed. The data receiver is notified of a new measurement via an interrupt signal. The maximum output rate of the measurement data is generally insufficient to output a new measurement at every clock cycle of the DRIVE-CLiQ bus described above.

Aus der DE 10 2022 120 830 A1 ist eine Sensoreinheit zur Erfassung einer Wegstrecke und ein Verfahren zum Betrieb der Sensoreinheit bekannt. Insbesondere ist ein Linearwegsensor vorgesehen.From the DE 10 2022 120 830 A1 A sensor unit for detecting a distance and a method for operating the sensor unit are known. In particular, a linear displacement sensor is provided.

Aus der EP 3 851 806 A1 ist eine Sensoranordnung und ein Verfahren zum Betrieb der Sensoranordnung bekannt. Die Sensoranordnung umfasst ein Positionsmaßsystem mit einem optischen Sensor und einen Beschleunigungssensor.From the EP 3 851 806 A1 A sensor arrangement and a method for operating the sensor arrangement are known. The sensor arrangement comprises a position measurement system with an optical sensor and an accelerometer.

Im Rahmen der Erfindung soll ein Linearlager mit einem Stellungssensor und mit einem Beschleunigungssensor ausgestattet werden, wobei die entsprechenden Messdaten gemeinsam und synchron zu einem vorgegebenen Zeittakt auf einer Datenausgabeschnittstelle ausgegeben werden, wobei der Beschleunigungssensor seine Beschleunigungsmesswerte asynchron ausgibt. Die Datenausgabe soll dabei insbesondere so erfolgen, dass die zweite zeitliche Ableitung der Stellungsmesswerte im Wesentlichen deckungsgleich mit der Beschleunigungs-Vektorkomponente des Beschleunigungssensors ist, welcher der Längsachse zugeordnet ist. Hierbei ist anzumerken, dass der Beschleunigungssensor deutlich höherfrequente Beschleunigungsschwankungen messen kann, als dies durch zeitliche Ableitung der Stellungsmesswerte möglich ist. Dies ist beispielsweise bei der Auswertung von Maschinenschwingungen relevant.According to the invention, a linear bearing is to be equipped with a position sensor and an acceleration sensor, wherein the corresponding measurement data are output jointly and synchronously at a predetermined time interval via a data output interface, the acceleration sensor outputting its acceleration measurements asynchronously. The data output is to be configured such that the second time derivative of the position measurements is essentially identical to the acceleration vector component of the acceleration sensor associated with the longitudinal axis. It should be noted that the acceleration sensor can measure significantly higher-frequency acceleration fluctuations than is possible by the time derivative of the position measurements. This is relevant, for example, in the evaluation of machine vibrations.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb eines Linearlagers wird ein Linearlager bereitgestellt, wobei das Linearlager eine sich entlang einer Längsachse erstreckende Führungsschiene umfasst, auf welcher ein Führungswagen, vorzugsweise mittels einer Vielzahl von Wälzkörper, in Richtung der Längsachse beweglich gelagert ist, wobei die Führungsschiene mit einer Maßverkörperung versehen ist, welche eine Vielzahl von Markierungen umfasst, die entlang der Längsachse verteilt an der Führungsschiene ortsfest angeordnet sind, wobei an dem Führungswagen ein Stellungssensor und ein davon gesondert ausgebildeter Beschleunigungssensor befestigt sind, wobei an dem Führungswagen eine digitale Datenausgabeschnittstelle angeordnet ist, deren Datenübertragung synchron zu einem vorgegebenen Ausgabezeittakt erfolgt, wobei der Beschleunigungssensor die Ausgabe eines neuen digitalen Beschleunigungsmesswertes mittels eines Interrupt-Signals anzeigt, wobei der digitale Beschleunigungsmesswert zwischengespeichert wird, wobei der gespeicherte Beschleunigungsmesswert so lange entsprechend dem Ausgabezeittatakt auf der digitalen Datenausgabeschnittstelle ausgegeben wird, bis der Beschleunigungssensor mittels des Interrupt-Signals das Vorliegenden eines neuen Beschleunigungsmesswertes anzeigt.According to the inventive method for operating a linear bearing, a linear bearing is provided, wherein the linear bearing comprises a guide rail extending along a longitudinal axis, on which a guide carriage, preferably by means of a plurality of rolling elements, is movably mounted in the direction of the longitudinal axis, wherein the guide rail is provided with a scale which comprises a plurality of markings which are fixedly arranged along the longitudinal axis, wherein a position sensor and a separately designed acceleration sensor are attached to the guide carriage, wherein a digital data output interface is arranged on the guide carriage, the data transmission of which takes place synchronously to a predetermined output time clock, wherein the acceleration sensor indicates the output of a new digital acceleration measurement value by means of an interrupt signal, wherein the digital acceleration measurement value is temporarily stored, wherein the stored acceleration measurement value is output on the digital data output interface according to the output time clock until the acceleration sensor indicates the presence of a new acceleration measurement value by means of the interrupt signal.

Vorzugsweise umfasst der Führungswagen mehrere Reihen, beispielsweise vier Reihen, von Wälzkörpern, die höchst vorzugsweise endlos im Führungswagen umlaufen. Der Stellungssensor ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Markierungen das entsprechende Sensorsignal so beeinflussen, dass aus dem genannten Sensorsignal die Stellung des Führungswagens relativ zur Führungsschiene ermittelt werden kann. Die Datenausgabeschnittstelle ist vorzugsweise zur Verwendung mit einem Kabel ausgebildet.Preferably, the guide carriage comprises several rows, for example four rows, of rolling elements, which most preferably circulate endlessly within the guide carriage. The position sensor is preferably designed such that the markings influence the corresponding sensor signal in such a way that the position of the guide carriage relative to the guide rail can be determined from said sensor signal. The data output interface is preferably designed for use with a cable.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.The dependent claims specify advantageous further developments and improvements of the invention.

Es kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungsmesswert ein Vektor ist, der mehrere gesonderte Vektorkomponenten umfasst, die jeweils von einem Zahlenwert gebildet werden, welcher jeweils die Beschleunigung bezüglich einer zugeordneten Achse repräsentiert. Der genannte Vektor umfasst vorzugsweise genau drei Vektorkomponenten. Die genannten Achsen sind vorzugsweise paarweise orthogonal zueinander, wobei höchst vorzugsweise eine Achse parallel zur Längsachse ist.The acceleration measurement can be provided as a vector comprising several separate vector components, each formed by a numerical value representing the acceleration with respect to a specific axis. This vector preferably comprises exactly three vector components. The axes are preferably pairwise orthogonal to each other, with one axis most preferably being parallel to the longitudinal axis.

Es kann vorgesehen sein, dass der Stellungssensor so häufig ausgewertet wird, dass in jeder einzelnen Periode des Ausgabezeitakts eine neuer Stellungsmesswert ausgegeben wird. Hierfür ist es einerseits denkbar, dass die Auswertung des Stellungssensors synchron zum Ausgabezeittakt durchgeführt wird. Es ist aber auch denkbar, dass der Stellungssensor häufiger ausgewertet ist, als dies der Ausgabezeittakt erfordern würde. Vorzugsweise ist daran gedacht, dass die entsprechende Auswertefrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der dem Ausgabetakt zugrundeliegenden Taktfrequenz ist.It can be provided that the position sensor is evaluated so frequently that a new position measurement is output in each individual period of the output clock. For this purpose, it is conceivable, on the one hand, that the evaluation of the position sensor is performed synchronously with the output clock. On the other hand, it is also conceivable that the position sensor is evaluated more frequently than would be required by the output clock. Preferably, it is intended that the corresponding evaluation frequency is an integer multiple of the clock frequency underlying the output clock.

Es kann vorgesehen sein, dass der Stellungssensor derart mit Abstand zur Führungsschiene angeordnet ist, dass keine in Richtung der Längsachse gerichteten Reibkräfte zwischen der Führungsschiene und dem Stellungssensor wirken. In der Folge enthalten die Beschleunigungsmesswerte des Beschleunigungssensors hochfrequente Anteile, die zur Schadenserkennung verwendet werden können und welche in der zweiten zeitlichen Ableitung der Stellungsmesswerte nicht enthalten sind. Anzumerken ist, dass die häufig anzutreffenden Maßverkörperungen mit permanentmagnetischen Markierungen einen derartigen Abstand nicht zulassen. Einzig die aus der EP 1 164 358 B1 bekannten, induktiv abtastbaren Markierungen lassen einen derartigen Abstand zu. Theoretisch kann auch mit optisch abtastbaren Markierungen ein derartiger Abstand realisiert werden. Optische System sind aber verschmutzungsanfällig, weshalb sie sich bei Linearlagern nicht bewährt haben.It can be provided that the position sensor is arranged at such a distance from the guide rail that no frictional forces acting in the direction of the longitudinal axis act between the guide rail and the position sensor. Consequently, the acceleration measurements from the accelerometer contain high-frequency components that can be used for damage detection and which are not included in the second time derivative of the position measurements. It should be noted that the commonly used scales with permanent magnetic markings do not allow for such a distance. Only those from the EP 1 164 358 B1 Known inductively detectable markings allow for such a distance. Theoretically, such a distance can also be achieved with optically detectable markings. However, optical systems are susceptible to contamination, which is why they have not proven suitable for linear bearings.

Es kann vorgesehen sein, dass unter Verwendung der über die Datenausgabeschnittstelle übermittelten Beschleunigungsmesswerte ermittelt wird, ob das Linearlager das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat. Die genannte Ermittlung kann beispielsweise gemäß der EP 3 546 778 B1 durchgeführt werden. Das entsprechende Verfahren ist einfacher auf einer Steuervorrichtung durchführbar, weil dort sehr viel mehr Rechenleistung zur Verfügung steht als auf dem Linearlager selbst. It may be possible to determine, using the acceleration measurements transmitted via the data output interface, whether the linear bearing has reached the end of its service life. This determination can be carried out, for example, according to the EP 3 546 778 B1 The corresponding procedure is easier to carry out on a control device because much more computing power is available there than on the linear bearing itself.

Es kann vorgesehen sein, dass für die genannte Ermittlung des Endes der Lebensdauer des Linearlagers ausschließlich die Vektorkomponenten des Beschleunigungsmesswerts verwendet werden, die quer zur Längsachse gerichtet sind. Diese Beschleunigungskomponenten werden ausschließlich von Schwingungen des Linearlagers verursacht und nicht von der gewünschten Bewegung des Linearlagers und den damit in Verbindung stehenden äußeren Kräften.It may be possible to determine the end of the linear bearing's service life using only the vector components of the acceleration measurement that are directed perpendicular to the longitudinal axis. These acceleration components are caused solely by vibrations of the linear bearing and not by the desired movement of the linear bearing and the associated external forces.

Es kann vorgesehen sein, dass unter Verwendung der über die Datenausgabeschnittstelle übermittelten Beschleunigungsmesswerte ermittelt wird, ob der Führungswagen oder ein damit fest verbundenes Bauteil mit einem Hindernis kollidiert ist. Bei einer Kollision tritt in Richtung der Längsachse eine außergewöhnlich hohe Beschleunigung auf, die leicht automatisiert zu erkennen ist. Damit Schäden in Folge der Kollision vermieden werden, muss innerhalb einer sehr kurzen Zeit auf das entsprechende Beschleunigungssignal reagiert werden, beispielsweise indem ein betreffender Elektromotor stromlos geschaltet wird. Es ist denkbar, mittels des Stellungsmesswertes eine Kollisionserkennung zu realisieren. Die dabei erforderliche Berechnung der zweiten zeitlichen Ableitung verursacht aber eine Zeitverzögerung, die höher ist als die Zeitverzögerung, die bei direkter Benutzung des Beschleunigungsmesswerts zu erwarten ist. Bisher ist es üblich, eine Kollisionsüberwachung mittels Überwachung des Stroms am Elektromotor zu realisieren. Hier kommt es zu einer viel größeren Zeitverzögerung als im Rahmen der Erfindung.It can be envisaged that, using the acceleration measurements transmitted via the data output interface, it can be determined whether the guide carriage or a component rigidly connected to it has collided with an obstacle. In the event of a collision, an exceptionally high acceleration occurs in the direction of the longitudinal axis, which is easily detected automatically. To prevent damage resulting from the collision, a response to the corresponding acceleration signal must be triggered within a very short time, for example, by switching off the power to the relevant electric motor. It is conceivable to implement collision detection using the position measurement. However, the necessary calculation of the second time derivative causes a time delay that is greater than the time delay expected when using the acceleration measurement directly. Currently, collision monitoring is commonly implemented by monitoring the current at the electric motor. This results in a much greater time delay than in the context of the invention.

Es kann vorgesehen sein, dass für die genannte Ermittlung einer Kollision ausschließlich die Vektorkomponente des Beschleunigungsmesswerts verwendet wird, die in Richtung der Längsachse gerichtet ist. Entlang der Längsachse treten bei einer Kollision die höchsten Beschleunigungen auf, so dass die Kollision besonders einfach und mit einer geringen Zeitverzögerung erkennbar ist.It may be possible to use only the vector component of the acceleration measurement, directed along the longitudinal axis, for the aforementioned collision detection. The highest accelerations occur along the longitudinal axis during a collision, making it particularly easy to detect and allowing for rapid time delays.

Es kann vorgesehen sein, dass der Stellungssensor und der Beschleunigungssensor in einem gemeinsamen und vom Führungswagen gesondert ausgebildeten Messkopf angeordnet sind, wobei der Messkopf an einer in Richtung der Längsachse weisenden Stirnseite des Führungswagens befestigt ist, wobei die Datenausgabeschnittstelle am Messkopf angeordnet ist. Der Messkopf bildet damit eine als Ganzes am Führungswagen montierbare Baugruppe, welche an verschiedenen Bauarten eines Führungswagens verwendbar ist.It may be provided that the position sensor and the acceleration sensor are in The measuring head is arranged in a common configuration and is separate from the guide carriage. The measuring head is attached to an end face of the guide carriage pointing in the direction of the longitudinal axis, and the data output interface is located on the measuring head. The measuring head thus forms a single assembly that can be mounted as a whole on the guide carriage and is compatible with various guide carriage designs.

Es kann vorgesehen sein, dass der Beschleunigungssensor ein MEMS-Sensor ist, der mit einen Temperatursensor ausgestattet ist, wobei mit dem entsprechenden Temperaturmesswert sowohl der Beschleunigungsmesswert als auch der Stellungsmesswert hinsichtlich durch Temperaturänderungen verursachter Messfehler kompensiert werden, bevor sie über die Datenausgabeschnittstelle übertragen werden. Damit kann der auf einem MEMS-Sensor typischerweise ohnehin vorhandene Temperatursensor auch für die Temperaturkompensation am Stellungssensor verwendet werden, um dessen Genauigkeit zu verbessern.It is possible for the accelerometer to be a MEMS sensor equipped with a temperature sensor, whereby both the acceleration and position measurements are compensated for measurement errors caused by temperature changes using the corresponding temperature reading before being transmitted via the data output interface. This allows the temperature sensor, which is typically already present on a MEMS sensor, to also be used for temperature compensation of the position sensor, thus improving its accuracy.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combinations specified, but also in other combinations or on their own, without leaving the scope of the present invention.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Linearlagers, welches an eine Steuervorrichtung angeschlossen ist; und
  • 2 einen Signallaufplan, welcher das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt.
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. They show:
  • 1 a rough schematic representation of a linear bearing according to the invention, which is connected to a control device; and
  • 2 a signal flow diagram which describes the method according to the invention.

1 zeigt eine grobschematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Linearlagers 10, welches über eine Messdatenleitung 56 an eine Steuervorrichtung 60 angeschlossen ist. Das Linearlager 10 umfasst eine Führungsschiene 20, die sich entlang einer Längsachse 11 erstreckt. Die Führungsschiene 20, kann beispielsweise gemäß der DE 10 2006 003 915 B4 ausgebildet sein. Die Führungsschiene 20 umfasst dementsprechend einen Grundkörper aus Wälzlagerstahl, der sich mit einer konstanten Querschnittsform entlang der Längsachse erstreckt. Die Querschnittsform bildet beispielsweise vier Laufbahnen für kugelförmige oder rollenförmige Wälzkörper, wobei der Grundkörper zumindest im Bereich der Laufbahnen gehärtet ist. An dem Grundkörper ist eine gesonderte Maßverkörperung 21 in Form eines Metallbandes mit einer Vielzahl von Durchbrüchen befestigt. Zumindest ein Teil der Durchbrüche bildet Markierungen 22, welche verteilt entlang der Längsachse 11 angeordnet sind. Zumindest ein Teil der Markierungen 22 ist vorzugsweise gleichförmig verteilt entlang der Längsachse 11 angeordnet, so dass in inkrementelle Stellungsmessung ermöglich wird. 1 Figure 1 shows a rough schematic representation of a linear bearing 10 according to the invention, which is connected to a control device 60 via a measurement data line 56. The linear bearing 10 comprises a guide rail 20 extending along a longitudinal axis 11. The guide rail 20 can, for example, be designed according to the DE 10 2006 003 915 B4 The guide rail 20 accordingly comprises a base body made of bearing steel, which extends along the longitudinal axis with a constant cross-sectional shape. This cross-sectional shape forms, for example, four raceways for spherical or cylindrical rolling elements, wherein the base body is hardened at least in the area of the raceways. A separate dimensional representation 21 in the form of a metal strip with a plurality of openings is attached to the base body. At least some of the openings form markings 22, which are arranged distributed along the longitudinal axis 11. At least some of the markings 22 are preferably arranged uniformly distributed along the longitudinal axis 11, thus enabling incremental position measurement.

Die Markierungen 22 können mittels eines Stellungssensors 31 abgetastet werden, der beispielsweise gemäß der EP 1 164 358 B1 ausgebildet ist. Der entsprechende Stellungssensor 31 umfasst wenigstens eine Sendespule, die mit einem Wechselstrom beaufschlagt wird. Das daraus resultierende magnetische Wechselfeld induziert eine elektrische Spannung in wenigstens einer Empfängerspule des Stellungssensors, wobei die genannt Spannung ein Sensorsignal bildet. Die Markierungen 22 beeinflussen die induktive Kopplung zwischen der wenigstens einen Sendespule und der wenigstens einen Empfängerspule, so dass diese abhängig von der Stellung des Führungswagens 12 relativ zur Führungsschiene 20 ist. Es ist aber auch denkbar permanentmagnetische oder optische Markierungen 22 zu verwenden, wobei der Stellungssensor 31 entsprechend ausgebildet ist.The markings 22 can be scanned by means of a position sensor 31, which, for example, according to the EP 1 164 358 B1 The corresponding position sensor 31 comprises at least one transmitting coil which is supplied with an alternating current. The resulting alternating magnetic field induces an electrical voltage in at least one receiver coil of the position sensor, the voltage forming a sensor signal. The markings 22 influence the inductive coupling between the at least one transmitting coil and the at least one receiver coil, such that this coupling depends on the position of the guide carriage 12 relative to the guide rail 20. However, it is also conceivable to use permanent magnetic or optical markings 22, with the position sensor 31 being configured accordingly.

Der Stellungssensor 31 ist in einem gesonderten Messkopf 30 aufgenommen, welcher stirnseitig am Führungswagen 12 befestigt ist. Ein entsprechender Führungswagen 12 ist beispielsweise aus der EP 2 952 761 B1 bekannt. Dieser Führungswagen umfasst vier Reihen von im Führungswagen 12 endlos umlaufenden, kugelförmigen Wälzkörpern, die an den Laufbahnen der Führungsschiene 20 abwälzen, so dass der Führungswagen 12 in Richtung der Längsachse 11 beweglich an der Führungsschiene 20 geführt ist.The position sensor 31 is housed in a separate measuring head 30, which is attached to the front face of the guide carriage 12. A suitable guide carriage 12 is, for example, made from the EP 2 952 761 B1 known. This guide carriage comprises four rows of spherical rolling elements endlessly circulating in the guide carriage 12, which roll on the raceways of the guide rail 20, so that the guide carriage 12 is movably guided on the guide rail 20 in the direction of the longitudinal axis 11.

Der genannte Messkopf 30 kann beispielsweise gemäß der DE 10 2008 022 312 B4 ausgebildet sein. In dem Messkopf 30 ist ein gesonderter Beschleunigungssensor 32 aufgenommen, der beispielsweise gemäß dem Datenblatt „DMA456 - Digital, triaxial acceleration sensor“ der Bosch Sensortec GmbH ausgebildet sein kann. Hierbei handelt es sich um einem Beschleunigungssensor, der in Form eines mikromechanischen Systems (MEMS) ausgebildet und welcher sein Beschleunigungsmesswerte in Form von digitalen Zahlenwerten ausgibt, und zwar beispielsweise über das Bussystem I2C oder SPI. Jeder Beschleunigungsmesswert enthält drei Vektorkomponenten, wobei die entsprechenden Zahlenwerte der Beschleunigung jeweils einer Achse zugordnet sind. Die genannten Achsen sind paarweise orthogonal zueinander angeordnet. Der Beschleunigungssensor 32 ist vorzugsweise so am Führungswagen 12 befestigt, das eine der genannten Achsen parallel zur Längsachse 11 ist.The measuring head 30 mentioned above can, for example, be used according to the DE 10 2008 022 312 B4 The measuring head 30 incorporates a separate acceleration sensor 32, which can be configured, for example, according to the datasheet "DMA456 - Digital, triaxial acceleration sensor" from Bosch Sensortec GmbH. This is an acceleration sensor designed as a micromechanical system (MEMS) that outputs its acceleration measurements as digital numerical values, for example, via the I2C or SPI bus system. Each acceleration measurement contains three vector components, with the corresponding numerical values of the acceleration each assigned to one axis. These axes are arranged orthogonally to each other in pairs. The acceleration sensor 32 is preferably mounted on the guide carriage 12 such that one of the axes is parallel to the longitudinal axis 11.

Der Beschleunigungssensor 32 umfasst einen Temperatursensor 33. Innerhalb des Beschleunigungssensors 32 werden die entsprechenden Temperaturmesswerte benutzt, um eine Temperaturkompensation der Beschleunigungsmesswerte vorzunehmen. Die genannten Temperaturmesswerte (Nr. 53 in 2) werden auch digital über das genannte Bussystem ausgegeben.The accelerometer 32 includes a temperature sensor 33. Within the accelerometer 32, the corresponding The temperature readings are used to perform temperature compensation of the acceleration readings. The aforementioned temperature readings (No. 53 in 2 ) are also output digitally via the aforementioned bus system.

Der Messkopf 30 umfasst eine Datenausgabeschnittstelle 34, die beispielsweise gemäß dem DRIVE-CLiQ-Standard ausgeführt sein kann. Hierzu wird beispielsweise auf das Dokument „DQ100 Application Guide, Version 2.1“ der Siemens AG verwiesen. Es versteht sich, dass auch andere Datenausgebeschnittstellen 34 verwendbar sind. Im Rahmen der Erfindung kommt es darauf an, dass der Datenausgebeschnittstelle 34 eine Datenübertragung zugrunde liegt, die synchron erfolgt. D.h. die Messwerte werden gemäß einem fest vorgegebenen Zeitraster mit einer konstanten Taktzeitdauer ausgegeben. Dieses Zeitraster ist vom Benutzer vorab einstellbar, wobei es sich im laufenden Betrieb nicht ändert. Das genannte Zeitraster muss nicht im physikalischen Sinne realisiert sein. Es ist zumindest denkbar, dass die Datenpakete, welche die Messwerte enthalten, mit einem Zeitstempel versehen sind, der angibt zu welchem Zeitpunkt der Messwert gilt. Die Zeitstempel werden entsprechend dem Zeitraster gewählt. Die entsprechende Datenübertragung erfolgt vorzugsweise digital. Der genannte DRIVE-CLiQ-Standard ist daraufhin optimiert, dass unter Verwendung der übertragenen Messwerte eine hochdynamische Servoregelung ermöglicht wird. Dem genannten Zeitraster liegt dementsprechend eine sehr kurze Taktzeitdauer zugrunde. Der oben erläuterte Beschleunigungssens ist typischerweise nicht in der Lage, derart schnell neue Beschleunigungsmesswerte auszugeben.The measuring head 30 includes a data output interface 34, which can, for example, be implemented according to the DRIVE-CLiQ standard. Reference is made, for example, to the document "DQ100 Application Guide, Version 2.1" of Siemens AG. It is understood that other data output interfaces 34 can also be used. Within the scope of the invention, it is essential that the data output interface 34 is based on a data transmission that is synchronous. That is, the measured values are output according to a fixed time grid with a constant cycle time. This time grid can be preset by the user and does not change during operation. The aforementioned time grid does not have to be implemented in a physical sense. It is at least conceivable that the data packets containing the measured values are provided with a timestamp indicating the time at which the measured value is valid. The timestamps are selected according to the time grid. The corresponding data transmission preferably takes place digitally. The aforementioned DRIVE-CLiQ standard is optimized to enable highly dynamic servo control using the transmitted measurement data. The time grid is therefore based on a very short cycle time. The acceleration sensor described above is typically not capable of outputting new acceleration measurements that quickly.

An die Datenausgabeschnittstelle 34 ist die Messdatenleitung 56 angeschlossen, welche zur Steuervorrichtung 60 führt. Die Steuervorrichtung 60 kann ein Modul zur Lebensdauerermittlung 61 und/oder ein Modul zur Kollisionserkennung 62 umfassen. In beiden Modulen 61; 62 können die Beschleunigungsmesswerte (Nr. 51 in 2) des Beschleunigungssensors 32 nutzbringend verwendet werden.The measurement data line 56, which leads to the control device 60, is connected to the data output interface 34. The control device 60 can include a module for lifetime determination 61 and/or a module for collision detection 62. The acceleration measurements (No. 51 in) can be recorded in both modules 61 and 62. 2 ) of the accelerometer 32 can be used to good effect.

2 zeigt einen Signallaufplan, welcher das erfindungsgemäße Verfahren beschreibt. Der Beschleunigungssensor 32 gibt seine Messwerte nicht gemäß einem fest vorgegeben Zeittakt aus, sondern allenfalls gemäß einer mit Schwankungen behafteten Zeittaktdauer. Daher wird das Vorliegen eines neuen Messwerts mittels eines Interrupt-Signals 54 angezeigt. Auf den genannten Interrupt hin, wird ein Beschleunigungsmesswert 51 und ein zugeordneter Temperaturmesswert 53 über ein asynchrones Bussystem ausgegeben, beispielsweise über einen SPI- oder einen I2C-Bus. 2 Figure 1 shows a signal flow diagram describing the method according to the invention. The accelerometer 32 does not output its measured values according to a fixed time interval, but rather according to a time interval that is subject to fluctuations. Therefore, the availability of a new measured value is indicated by an interrupt signal 54. Upon receiving this interrupt, an acceleration measurement 51 and an associated temperature measurement 53 are output via an asynchronous bus system, for example, via an SPI or an I2C bus.

Der Temperaturmesswert 53 kann verwendet werden, um auch im Stellungssensor 31 eine Temperaturkompensation vorzunehmen, so dass die Genauigkeit des ermittelten Stellungsmesswertes 52 verbessert wird.The temperature measurement 53 can be used to also perform temperature compensation in the position sensor 31, thus improving the accuracy of the determined position measurement 52.

Die Datenauswertung im Stellungssensor 31 erfolgt vorzugsweise synchron zum konstanten Ausgabezeittakt 50 bzw. gemäß einem Zeittakt, der ein ganzzahliges Vielfaches des Ausgabezeittakts 50 ist. Dementsprechend wäre es möglich die Stellungsmesswerte 52 direkt auf die Datenausgabeschnittstelle 34 auszugeben. Es ist dennoch vorteilhaft, die Stellungsmesswerte 52 im Speicher 55 kurz zwischenzuspeichern, damit der gespeicherte Beschleunigungsmesswert 57 und der gespeicherte Stellungsmesswert 58 entsprechend dem Ausgabezeittakt 50 gleichzeitig auf der Datenausgabeschnittstelle 34 ausgegeben werden.The data evaluation in the position sensor 31 preferably takes place synchronously with the constant output clock 50 or according to a clock that is an integer multiple of the output clock 50. Accordingly, it would be possible to output the position measurements 52 directly to the data output interface 34. However, it is advantageous to briefly buffer the position measurements 52 in the memory 55 so that the stored acceleration measurement 57 and the stored position measurement 58 are output simultaneously to the data output interface 34 according to the output clock 50.

Bei den Beschleunigungsmesswerten 51 ist der Speicher 55 demgegenüber erforderlich, da der Beschleunigungssensor 32 typischerweise weniger häufig neue Messwerte ausgibt, als dies der Ausgabezeittakt 50 erfordert. Der Speicher 55 arbeitet in der Art eines asynchronen FIFO (https://en.wikipedia.org/wiki/FIFO_(computing_and_electronics)#Synchronicity). Wenn ein Interrupt-Signal 54 anliegt, wird ein neuer Beschleunigungsmesswert 51 eingespeichert. Bei jedem Takt des Ausgabezeittakts 50 wird der gespeicherte Beschleunigungsmesswert 57 ausgegeben. Vorzugsweise wird mit dem Temperaturmesswert 53 und dem gespeicherten Temperaturmesswert 58 in analoger Weise verfahren.In contrast, the memory 55 is required for the acceleration measurements 51 because the acceleration sensor 32 typically outputs new measurements less frequently than required by the output clock 50. The memory 55 operates like an asynchronous FIFO (https://en.wikipedia.org/wiki/FIFO_(computing_and_electronics)#Synchronicity). When an interrupt signal 54 is present, a new acceleration measurement 51 is stored. The stored acceleration measurement 57 is output at each clock cycle of the output clock 50. Preferably, the temperature measurement 53 and the stored temperature measurement 58 are handled analogously.

BezugszeichenReference sign

1010
LinearwälzlagerLinear roller bearings
1111
LängsachseLongitudinal axis
1212
FührungswagenGuide carriage
2020
FührungsschieneGuide rail
2121
Maßverkörperungembodiment
2222
Markierungmark
3030
MesskopfMeasuring head
3131
StellungssensorPosition sensor
3232
BeschleunigungssensorAccelerometer
3333
TemperatursensorTemperature sensor
3434
DatenausgabeschnittstelleData output interface
5050
AusgabezeittaktOutput time interval
5151
BeschleunigungsmesswertAcceleration measurement
5252
StellungsmesswertPosition measurement
5353
TemperaturmesswertTemperature reading
5454
Interrupt-SignalInterrupt signal
5555
Speichermemory
5656
MessdatenleitungMeasurement data line
5757
gespeicherter Beschleunigungsmesswertstored acceleration measurement value
5858
gespeicherter Stellungsmesswertstored position measurement value
6060
SteuervorrichtungControl device
6161
LebensdauerermittlungLifespan determination
6262
KollisionserkennungCollision detection

Claims (10)

Verfahren zum Betrieb eines Linearlagers (10), wobei ein Linearlager (10) bereitgestellt wird, wobei das Linearlager (10) eine sich entlang einer Längsachse (11) erstreckende Führungsschiene (20) umfasst, auf welcher ein Führungswagen (12), vorzugsweise mittels einer Vielzahl von Wälzkörper, in Richtung der Längsachse (11) beweglich gelagert ist, wobei die Führungsschiene (20) mit einer Maßverkörperung (21) versehen ist, welche eine Vielzahl von Markierungen (22) umfasst, die entlang der Längsachse (11) verteilt an der Führungsschiene (20) ortsfest angeordnet sind, wobei an dem Führungswagen (12) ein Stellungssensor (31) und ein davon gesondert ausgebildeter Beschleunigungssensor (32) befestigt sind, wobei an dem Führungswagen (12) eine digitale Datenausgabeschnittstelle (34) angeordnet ist, deren Datenübertragung synchron zu einem vorgegebenen Ausgabezeittakt (50) erfolgt, wobei der Beschleunigungssensor (32) die Ausgabe eines neuen digitalen Beschleunigungsmesswertes (51) mittels eines Interrupt-Signals (54) anzeigt, wobei der digitale Beschleunigungsmesswert (51) zwischengespeichert (55) wird, wobei der gespeicherte Beschleunigungsmesswert (57) so lange entsprechend dem Ausgabezeittatakt (50) auf der digitalen Datenausgabeschnittstelle (34) ausgegeben wird, bis der Beschleunigungssensor (32) mittels des Interrupt-Signals (54) das Vorliegen eines neuen Beschleunigungsmesswertes (51) anzeigt.Method for operating a linear bearing (10), wherein a linear bearing (10) is provided, the linear bearing (10) comprising a guide rail (20) extending along a longitudinal axis (11), on which a guide carriage (12) is movably mounted in the direction of the longitudinal axis (11), preferably by means of a plurality of rolling elements, wherein the guide rail (20) is provided with a scale (21) comprising a plurality of markings (22) distributed along the longitudinal axis (11) and fixedly arranged on the guide rail (20), wherein a position sensor (31) and a separately designed acceleration sensor (32) are attached to the guide carriage (12), wherein a digital data output interface (34) is arranged on the guide carriage (12), the data transmission of which is synchronous with a predetermined output time clock (50), wherein the acceleration sensor (32) outputs a new digital acceleration measurement value (51) by means of a Interrupt signal (54) indicates the presence of a new acceleration measurement (51), the digital acceleration measurement value (51) is temporarily stored (55), the stored acceleration measurement value (57) is output on the digital data output interface (34) according to the output time clock (50) until the acceleration sensor (32) indicates the presence of a new acceleration measurement value (51) by means of the interrupt signal (54). Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Beschleunigungsmesswert (51) ein Vektor ist, der mehrere gesonderte Vektorkomponenten umfasst, die jeweils von einem Zahlenwert gebildet werden, welcher jeweils die Beschleunigung bezüglich einer zugeordneten Achse repräsentiert.Procedure according to Claim 1 , wherein the acceleration measurement (51) is a vector comprising several separate vector components, each formed by a numerical value representing the acceleration with respect to an associated axis. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stellungssensor (31) so häufig ausgewertet wird, dass in jeder einzelnen Periode des Ausgabezeitakts (50) eine neuer Stellungsmesswert (52) ausgegeben wird.Method according to one of the preceding claims, wherein the position sensor (31) is evaluated so frequently that a new position measurement value (52) is output in each individual period of the output time act (50). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stellungssensor (31) derart mit Abstand zur Führungsschiene (20) angeordnet ist, dass keine in Richtung der Längsachse (11) gerichteten Reibkräfte zwischen der Führungsschiene (20) und dem Stellungssensor (31) wirken.Method according to one of the preceding claims, wherein the position sensor (31) is arranged at a distance from the guide rail (20) such that no frictional forces directed in the direction of the longitudinal axis (11) act between the guide rail (20) and the position sensor (31). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei unter Verwendung der über die Datenausgabeschnittstelle (34) übermittelten Beschleunigungsmesswerte (51) ermittelt wird, ob das Linearlager (10) das Ende seiner Lebensdauer erreicht hat.Method according to one of the preceding claims, wherein using the acceleration measurement values (51) transmitted via the data output interface (34) it is determined whether the linear bearing (10) has reached the end of its service life. Verfahren nach Anspruch 5, soweit dieser auf Anspruch 2 rückbezogen ist, wobei für die genannte Ermittlung des Endes der Lebensdauer des Linearlagers (10) ausschließlich die Vektorkomponenten des Beschleunigungsmesswerts (51) verwendet werden, die quer zur Längsachse (11) gerichtet sind.Procedure according to Claim 5 , insofar as this relates to Claim 2 is retrospective, whereby for the aforementioned determination of the end of the service life of the linear bearing (10) only the vector components of the acceleration measurement (51) are used, which are directed transversely to the longitudinal axis (11). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei unter Verwendung der über die Datenausgabeschnittstelle (34) übermittelten Beschleunigungsmesswerte (51) ermittelt wird, ob der Führungswagen (12) oder ein damit fest verbundenes Bauteil mit einem Hindernis kollidiert ist.Method according to one of the preceding claims, wherein using the acceleration measurement values (51) transmitted via the data output interface (34) it is determined whether the guide carriage (12) or a component rigidly connected thereto has collided with an obstacle. Verfahren nach Anspruch 7, soweit dieser auf Anspruch 2 rückbezogen ist, wobei für die genannte Ermittlung einer Kollision ausschließlich die Vektorkomponente des Beschleunigungsmesswerts (51) verwendet wird, die in Richtung der Längsachse (11) gerichtet ist.Procedure according to Claim 7 , insofar as this relates to Claim 2 is retrospective, whereby for the aforementioned determination of a collision only the vector component of the acceleration measurement value (51) is used, which is directed in the direction of the longitudinal axis (11). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stellungssensor (31) und der Beschleunigungssensor (32) in einem gemeinsamen und vom Führungswagen (12) gesondert ausgebildeten Messkopf (30) angeordnet sind, wobei der Messkopf (30) an einer in Richtung der Längsachse (11) weisenden Stirnseite des Führungswagens (12) befestigt ist, wobei die Datenausgabeschnittstelle (34) am Messkopf (30) angeordnet ist.Method according to one of the preceding claims, wherein the position sensor (31) and the acceleration sensor (32) are arranged in a common measuring head (30) which is separately formed from the guide carriage (12), wherein the measuring head (30) is attached to an end face of the guide carriage (12) pointing in the direction of the longitudinal axis (11), wherein the data output interface (34) is arranged on the measuring head (30). Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche wobei der Beschleunigungssensor (32) ein MEMS-Sensor ist, der mit einem Temperatursensor (33) ausgestattet ist, wobei mit dem entsprechenden Temperaturmesswert (53) sowohl der Beschleunigungsmesswert (51) als auch der Stellungsmesswert hinsichtlich durch Temperaturänderungen verursachter Messfehler kompensiert werden, bevor sie über die Datenausgabeschnittstelle (34) übertragen werden.Method according to one of the preceding claims wherein the acceleration sensor (32) is a MEMS sensor equipped with a temperature sensor (33), wherein the corresponding temperature measurement (53) is used to compensate both the acceleration measurement (51) and the position measurement with respect to measurement errors caused by temperature changes before they are transmitted via the data output interface (34).
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