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Die Erfindung betrifft eine Linearbewegungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Aus der
EP 1 719 992 B1 ist eine Linearbewegungsvorrichtung in Form einer Schienenführung bekannt. Der entsprechende Läufer ist mit einem Dehnungssensor in Form eines Dehnmessstreifens versehen. Hierdurch lässt sich die lokale Dehnung am Ort des Dehnmessstreifens gut erfassen, wobei sich aus dieser wiederum die äußere Belastung der Linearbewegungsvorrichtung ermitteln lässt.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass anhand des Messsignals des Dehnungssensors Schäden der Linearbewegungsvorrichtung gut erkennbar sind. Hierbei ist insbesondere an Materialausbrüche in den Läuferwälzflächen gedacht, wobei auch Materialausbrüche in den Stangenwälzflächen erkennbar sind.
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Gemäß Anspruch 1 wird vorgeschlagen, dass der wenigstens eine Dehnungssensor flächig ausgebildet ist, so dass er eine Messfläche definiert, wobei Dehnungen, gleich an welcher Stelle der Messfläche sie auftreten, Einfluss auf ein Messsignal des Dehnungssensors haben, wobei sich die Messfläche in Richtung der Längsachse über wenigstens 80% der Länge des Tragbereichs erstreckt. Die genannten Materialausbrüche, welche auch als Pittings bezeichnet werden, sind im Anfangsstadium eines Schadens sehr klein, wobei nicht vorhersehbar ist, an welchem Ort der Läufer- bzw. Stangenwälzfläche sie auftreten. Aufgrund des vorgeschlagenen großflächigen Dehnungssensors kommt es hierauf nicht an. Dieser Dehnungssensor kann Belastungsänderungen durch Materialausbrüche gut erfassen, ganz gleich an welchem Ort der Materialausbruch stattgefunden hat.
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Die Messfläche ist vorzugsweise zusammenhängend ausgebildet. Es ist aber auch denkbar, dass die Messfläche mehrere voneinander beabstandete Teilmessflächen aufweist. Die entsprechenden Unterbrechungslinien sind vorzugsweise parallel zur Längsrichtung ausgerichtet.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Dehnungssensor über die gesamte Länge des Tragbereichs. Jede Reihe von Wälzkörpern ist vorzugsweise endlos umlaufend ausgebildet. Bei der Linearbewegungsvorrichtung kann es sich um eine Schienenführung handeln, wobei die Stange die entsprechende Führungsschiene und der Läufer den entsprechenden Führungswagen bildet. Wahlweise ist entweder der Führungswagen oder die Führungsschiene U-förmig ausgebildet. Bei der Linearbewegungsvorrichtung kann es sich auch um einen Wälzkörpergewindetrieb handeln, wobei die Stange die entsprechende Gewindespindel ist, wobei der Läufer die entsprechende Mutter ist. Es versteht sich, dass die Mutter neben der linearen Bewegung in Richtung der Längsachse auch eine rotative Bewegung relativ zur Gewindespindel ausführen kann. Anzumerken ist, dass die Länge des Tragbereichs beim Wälzkörpergewindetrieb entlang der Längsachse gemessen wird und nicht entlang der schraubenförmig verlaufenden Läuferwälzfläche.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung angegeben.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Läufer einen Hauptkörper aufweist, welcher aus Metall besteht, wobei der Dehnungssensor im Bereich der Messfläche derart fest mit dem Hauptkörper verbunden ist, dass Dehnungen des Hauptkörpers messbar sind. Der Hauptkörper ist dasjenige Teil der Linearbewegungsvorrichtung, welches die äußere Last auf die Wälzkörper überträgt. An diesem Teil wirken sich Schäden der Linearbewegungsvorrichtung besonders deutlich aus. Die Messschicht des Dehnungssensors kann mit dem Hauptkörper verklebt sein, wobei sie auch in einem Dünnschichtverfahren unmittelbar dort aufgebracht sein kann. Der Hauptkörper besteht vorzugsweise aus Stahl. Die Länge des Hauptkörpers in Richtung der Längsachse definiert üblicherweise die Länge des Tragbereichs. An den Hauptkörper können ein oder mehrere Teile angebaut sein, welche vorzugsweise aus Kunststoff bestehen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass an den Hauptköper wenigstens ein gesondertes Wälzflächenteil angebaut ist, welches aus gehärtetem Stahl besteht, wobei das genannte Wälzflächenteil zumindest eine Läuferwälzfläche bildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Dehnungssensor eine Messschicht aus piezoelektrischem Material aufweist, welche die Messfläche definiert. Bei dem piezoelektrischen Material handelt es sich beispielsweise um den Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) oder um Blei-Zirkonium-Titanat (PZT). Insbesondere im ersten Fall kann die Messschicht beispielsweise in Form einer Folie hergestellt werden, welche mit dem Hauptkörper verklebt ist. Insbesondere im zweiten Fall ist es denkbar, den Hauptkörper unmittelbar mit der Messschicht zu versehen, beispielsweise unter Anwendung eines Dünnschichtverfahrens wie dem PVD-, dem CVD- und dem Sol-Gel-Verfahren. Die Dicke der Messschicht ist vorzugsweise konstant, wobei toleranzbedingte Schwankungen der Dicke vorhanden sein können.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Dicke der Messschicht weniger als 200 μm beträgt. Sofern die genannte Schicht von einer Folie gebildet wird, beträgt die Dicke der Messschicht beispielsweise zwischen 28 μm und 110 μm. Sofern der Hauptkörper unmittelbar beschichtet wird, beträgt die Dicke der Messschicht beispielsweise 2 μm.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Hauptkörper im Querschnitt betrachtet U-förmig mit einer Basis und zwei U-Schenkeln ausgebildet ist, wobei die Stange zwischen den U-Schenkeln aufgenommen ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Dehnungssensor auf der von der Stange abgewandten Außenseite eines U-Schenkels angeordnet ist. Hierdurch können Schäden der Linearbewegungsvorrichtung besonders gut erkannt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Dehnungssensor in einem Eckbereich zwischen der Basis und einem U-Schenkel angeordnet ist, wobei der genannte Eckbereich der Stange zugewandt ist. Hierdurch können Schäden der Linearbewegungsvorrichtung besonders gut erkannt werden. Der genannte Eckbereich ist vorzugsweise verrundet ausgebildet.
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Es kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Dehnungssensor an der der Stange zugewandten Seite der Basis angeordnet ist. Hierdurch ist der Dehnungssensor besonders gut vor Umgebungseinflüssen geschützt.
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Vorgeschlagen wird außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Linearbewegungsvorrichtung, wobei aus einem Messsginal des wenigstens einen Dehnungssensors zeitlich fortlaufend eine Spektralanalyse ermittelt wird, wobei ein Schaden der Linearbewegungsvorrichtung angezeigt wird, wenn in der Spektralanalyse breitbandige Stöße auftreten. Die Spektralanalyse wird vorzugsweise mittels einer Fouriertransformation berechnet, wobei höchst vorzugsweise das FFT-Verfahren verwendet wird. Unter einem Stoß soll dabei ein Signal verstanden werden, dessen Stärke im zeitlichen Verlauf schnell ansteigt, wobei es nach Erreichen eines Maximalwerts schnell wieder abfällt. Ein solcher Stoß wird insbesondere dann verursacht, wenn einer der Wälzkörper eine schadhafte Stelle überrollt. Unter einem breitbandigen Signal wird vorzugsweise ein Signal verstanden, welches im Frequenzbereich zwischen 0 und 1 kHz eine Bandbreite von wenigstens 200 Hz aufweist.
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Alternativ ist auch eine Auswertung des Messsignals im Zeitbereich denkbar.
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Vorgeschlagen wird außerdem ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Linearbewegungsvorrichtung, wobei aus einem Messsignal des wenigstens einen Dehnungssensors eine zeitlich veränderliche Belastung der Linearbewegungsvorrichtung ermittelt, vorzugsweise berechnet wird.
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Weiter wird eine Linearbewegungsvorrichtung vorgeschlagen, bei welcher der wenigstens eine Dehnungssensor zur Übermittlung eines Messsignals an eine Auswertevorrichtung angeschlossen ist, welche einen Digitalrechner umfasst, wobei die Auswertevorrichtung zur Ausführung zumindest eines der vorstehend beschriebenen Verfahren eingerichtet ist.
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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.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 eine grobschematische Seitenansicht einer Linearbewegungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 einen grobschematischen Querschnitt der Linearbewegungsvorrichtung nach 1;
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3 einen grobschamtischen Teillängsschnitt der Linearbewegungsvorrichtung nach 1 im Bereich des Dehnungssensors.
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4 einen grobschematischen Querschnitt eines Läufers gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
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5 einen grobschematischen Querschnitt eines Läufers gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt eine grobschematische Seitenansicht einer Linearbewegungsvorrichtung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Linearbewegungsvorrichtung 10 ist vorliegend in Form einer Schienenführung ausgebildet. Die Stange 12 wird von einer Führungsschiene gebildet, welche sich parallel zu einer Längsachse 11 erstreckt. Die Stange 12 besteht aus Stahl und ist vorzugsweise im Bereich der Stangenwälzflächen 14 gehärtet. Die Stangenwälzflächen 14 sind bei der vorliegenden Schienenführung parallel zur Längsachse 11 ausgerichtet, wobei sie bei einem Wälzkörpergewindetrieb schraubenförmig bezüglich der Längsachse 11 ausgebildet sind.
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Auf der Stange 12 ist ein Läufer 20 in Form eines Führungswagens in Richtung der Längsachse 11 beweglich geführt. Bei einer Schienenführung ist dies der einzige Bewegungsfreiheitsgrad. Bei einem Wälzkörpergewindetrieb führt der Läufer 20 zusätzlich zur Längsbewegung eine Rotation um die Längsachse 11 aus. Der Läufer 20 umfasst einen Hauptkörper 30, welcher vorzugsweise aus Stahl besteht. An dessen beiden gegenüberliegenden Längsenden ist jeweils eine Endkappe 24 befestigt, welche vorzugsweise aus Kunststoff besteht. Im Inneren des Läufers 20 laufen beispielsweise zwei oder vier Reihen von Wälzkörpern (Nr. 13 in 2) endlos um. Die geraden Abschnitte des entsprechenden Umlaufwegs sind im Hauptkörper 30 angeordnet, wobei die gebogenen Abschnitte des Umlaufwegs in den Endkappen 24 angeordnet sind.
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An der Außenseite des Läufers 20, insbesondere an der Außenseite des Hauptkörpers 30, ist ein Dehnungssensor 40 befestigt, wobei in 1 stark vereinfacht nur dessen Messschicht 43 dargestellt ist. Die Messschicht 43 besteht vorzugsweise aus einem piezoelektrischen Material, welches fest mit dem Hauptkörper 30 verbunden ist, so dass es den gleichen Materialdehnungen unterworfen ist, wie der Hauptkörper 30. Die piezoelektrische Spannung, welche an der Messschicht 43 anliegt, bzw. das Messsignal 51, ist abhängig von der Verformung der Messschicht 43, welche vom Hauptkörper 30 bewirkt wird. Dabei bewirken bereits lokal stattfindende Verformungen, die nur einen kleinen Teil der Messfläche 41 des Dehnungssensors 40 erfassen, ein verwertbares Messsignal 51. Es kommt im Wesentlichen nicht darauf an, wo auf der Messfläche 41 diese Verformung stattfindet. Die Messfläche 41 ist die Fläche, über welche die Messschicht 43 fest mit dem Hauptkörper 30 verbunden ist. Bei der Messschicht 43 kann es sich um eine Folie aus dem Kunststoff Polyvinylidenfluorid (PVDF) handeln, welche mit dem Hauptkörper 20 verklebt ist. Genauso gut ist es denkbar, eine Messschicht 43 aus Blei-Zirkonium-Titanat (PZT) unmittelbar auf den Hauptkörper 30 aufzubringen. Es ist auch denkbar, solche Schichten auf ein Trägermaterial, beispielsweise eine Kunststofffolie oder ein Metallblech aufzubringen, welches wiederum mit dem Hauptkörper 30 verklebt wird. Neben piezoelektrischen Messschichten 43 können auch Messschichten verwendet werden, die bei Dehnung ihren Widerstand ändern. Die Messfläche 41 ist vorliegend rechteckig ausgebildet, wobei die entsprechenden Rechteckseiten parallel bzw. senkrecht zur Längsachse 11 verlaufen.
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Der Dehnungssensor 40 ist zur Übertragung des Messsignals 51 an eine Auswertevorrichtung 50 angeschlossen. Das Messsignal 51 kann unmittelbar am Dehnungssensor 40 verstärkt werden, um Störungen bei der Signalübertragung zur Auswertevorrichtung 50 zu minimieren. Dabei kommt vorzugsweise ein Ladungsverstärker zum Einsatz. Die Auswertevorrichtung 50 kann zur Digitalisierung des Messsignals einen Analog-Digital-Wandler umfassen. Die Auswertevorrichtung 50 umfasst vorzugsweise einen Digitalrechner 52, mit welchem das Messsignal 51 verarbeitet werden kann, um daraus einen Schaden der Linearbewegungsvorrichtung 10 zu erkennen. Anzumerken ist, dass mit dem vorliegenden Dehnungssensor 40 auch zeitlich veränderliche Belastungen der Linearbewegungsvorrichtung 10 messbar sind. Zur Messung von statischen Belastungen der Linearbewegungsvorrichtung 10 ist ein piezoelektrischer Dehnungssensor dagegen schlecht geeignet, da das Messsignal 51 bei statischen Verformungen bzw. zeitlich unveränderlichen Verformungen mit der Zeit auf null abfällt.
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2 zeigt einen grobschematischen Querschnitt der Linearbewegungsvorrichtung 10 nach 1. Die vom Dehnungssensor 40 gemessenen Dehnungen werden in erster Linie von den Wälzkörpern 13 im Inneren des Läufers 20 verursacht, welche sich lastübertragen auf einem Tragbereich 22 der Läuferwälzflächen 21 am Läufer 20 abstützen. Die Wälzkörper 13 sind vorliegend kugelförmig ausgebildet, wobei auch rollen- oder tonnenförmige Wälzkörper verwendbar sind. Der genannte Tragbereich 22 erstreckt sich vorliegend über die gesamte Länge des Hauptkörpers 30 in Richtung der Längsachse 11, so dass die Länge (Nr. 23 in 1) des Tragbereichs 22 gleich der Länge des Hauptkörpers 30 ist. Je nach Auslegung der Einlaufschrägen an den beiden gegenüberliegenden Längsenden der Läuferwälzflächen 21 kann der Tragbereich 22 auch etwas kürzer als der Hauptkörper 30 sein.
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Mit der vorliegenden Erfindung sollen in erster Linie Schäden an der Linearbewegungsvorrichtung 10 erkannt werden. Solche Schäden treten üblicherweise zuerst an der Läuferwälzfläche 21 auf, wobei insbesondere Materialausbrüche an der Läuferwälzfläche 21 zu beobachten sind, welche auch als Pittings bezeichnet werden. Untersuchungen der Anmelderin haben gezeigt, dass das Überwälzen solcher Ausbrüche durch die belasteten Wälzkörper 13 Verformungen an der Außenseite des Hauptkörpers 30 verursacht, welche mit einem Dehnungssensor 40 messbar sind. Dabei treten in der Nähe des genannten Ausbruchs lokal deutlich messbare Materialdehnung auf, wobei in größerer Entfernung von der Schadstelle allenfalls schwache Verformungen am Hauptkörper 30 auftreten. Damit ist der Ort der maximalen Verformung vom Ort der Schadstelle abhängig. Der Ort der Schadstelle lässt sich aber nicht vorhersagen und kann überall entlang des Tragbereichs 22 gelegen sein. Die Messfläche 41 erstreckt sich deshalb in Richtung der Längsachse 11 über mehr als 80% der Länge (Nr. 23 in 1) des Tragbereichs 22, so dass der Dehnungssensor 40 die genannten Dehnungen messen kann, ganz gleich, an welchem Ort der ursächliche Schaden aufgetreten ist.
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Der Hauptkörper 30 ist im Querschnitt betrachtet U-förmig mit einer Basis 31 und zwei U-Schenkeln 32 ausgebildet. Die Läuferwälzflächen 21 sind an den der Stange 12 zugewandten Innenseiten der U-Schenkel 32 angeordnet. Weiter sind zwei spiegelsymmetrisch zueinander ausgebildete Dehnungssensoren 40 vorgesehen, welche jeweils an einer Außenseite eines zugeordneten U-Schenkels 32 angeordnet sind. Hierdurch ergibt sich ein sehr geringer Abstand zwischen den Wälzkörpern 13 und dem jeweils zugeordneten Dehnungssensor 40, so dass das Messsignal besonders stark ist. In 2 sind die Dehnungssensoren 40, insbesondere die Messschichten 43, vereinfacht als durchgezogene Linie dargestellt. Der in 2 dargestellte Abstand zum Hauptkörper 30 dient einzig der Übersichtlichkeit der Darstellung. Tatsächlich befindet sich die Messschicht 43 entsprechend 3 unmittelbar auf dem Hauptkörper.
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3 zeigt einen grobschematischen Teillängsschnitt der Linearbewegungsvorrichtung nach 1 im Bereich des Dehnungssensors 40. Die Schnittebene verläuft parallel zur Längsachse. Die Messschicht 43 hat vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dicke 44, welche höchst vorzugsweise weniger als 200 μm beträgt. Die Messschicht 43 ist unmittelbar fest mit dem Hauptkörper 30 verbunden. Die Messschicht 43 endet mit etwas Abstand zum Längsende des Hauptkörpers 30. Hierdurch wird die Gefahr des Ablösens des Randes der Messschicht 43 vom Hauptkörper 30 minimiert.
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4 zeigt einen grobschematischen Querschnitt eines Läufers 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die zweite Ausführungsform ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede identisch zur ersten Ausführungsform ausgebildet, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu den 1 bis 3 verwiesen wird. Dabei sind in den 1 bis 4 gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Bei der zweiten Ausführungsform ist der Dehnungssensor 40' nicht mehr an der Außenseite der U-Schenkel 32 angeordnet, sondern in einem Eckbereich 33 zwischen der Basis 31 und einem U-Schenkel 32, wobei der genannte Eckbereich 33 der Stange zugewandt ist. Beim vorliegenden Läufer 20 sind zwei derartige Eckbereiche vorhanden, die beide mit einem Dehnungssensor 40' versehen sind. Die Eckbereiche 33 sind verrundet ausgebildet, damit die Messschicht 43 einfacher dort angebracht werden kann.
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Typischerweise treten in den genannten Eckbereichen 33 die höchsten Spannungen bzw. Dehnungen am Hauptkörper 30 auf, welche durch die Last auf die Wälzkörper verursacht werden. Dementsprechend wirkt sich auch die Überrollung von Schadstellen in der Läuferwälzfläche 21 dort besonders stark aus. Man erhält folglich ein Messsignal, anhand dessen man einen Schaden der Linearbewegungsvorrichtung besonders einfach erkennen kann.
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Die Messschicht 43 des Dehnungssensors 40' ist in der Abwicklung betrachtet rechteckig ausgebildet, wobei die entsprechenden Rechteckseiten parallel bzw. senkrecht zur Längsachse 11 ausgerichtet sind. Die Länge der Messschicht 43 in Richtung der Längsachse 11 ist identisch zur ersten Ausführungsform ausgebildet.
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5 zeigt einen grobschematischen Querschnitt eines Läufers 20 gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung. Die dritte Ausführungsform ist bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede identisch zur ersten Ausführungsform ausgebildet, so dass diesbezüglich auf die Ausführungen zu den 1 bis 3 verwiesen wird. Dabei sind in den 1 bis 3 und 5 gleiche bzw. sich entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.
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Bei der dritten Ausführungsform ist der Dehnungssensor 40'' nicht mehr an der Außenseite der U-Schenkel 32 angeordnet, sondern an der der Stange zugewandten Seite der Basis 31. Dort ist der Dehnungssensor 40'' besonders gut vor Umgebungseinflüssen geschützt. Die Messschicht 43 des Dehnungssensors 40'' ist rechteckig ausgebildet, wobei die entsprechenden Rechteckseiten parallel bzw. senkrecht zur Längsachse ausgerichtet sind. Die Länge der Messschicht 43 in Richtung der Längsachse 11 ist identisch zur ersten Ausführungsform ausgebildet.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Linearbewegungsvorrichtung
- 11
- Längsachse
- 12
- Stange
- 13
- Wälzkörper
- 14
- Stangenwälzfläche
- 20
- Läufer
- 21
- Läuferwälzfläche
- 22
- Tragbereich
- 23
- Länge des Tragbereichs
- 24
- Endkappe
- 30
- Hauptkörper
- 31
- Basis
- 32
- U-Schenkel
- 33
- Eckbereich
- 40
- Dehnungssensor (erste Ausführungsform)
- 40'
- Dehnungssensor (zweite Ausführungsform)
- 40''
- Dehnungssensor (dritte Ausführungsform)
- 41
- Messfläche
- 42
- Länge der Messfläche
- 43
- Messschicht
- 44
- Dicke der Messschicht
- 50
- Auswertevorrichtung
- 51
- Messsignal
- 52
- Digitalrechner
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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