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