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Sensoren am Lager bekommen alles mit

Spindeln: Mehr Sicherheit durch Überwachungssysteme
Sensoren am Lager bekommen alles mit

Lager- und Spindelhersteller zeigen, wie sich Spindeln in High-Tech-Maschinen überwachen lassen. Sie beschreiten messtechnisch verschiedene Wege, um höhere Verfügbarkeit und optimierte Prozessbedingungen zu erreichen.

Von unserem Redaktionsmitglied Dr. Birgit Oppermann birgit.oppermann@konradin.de

Wenn ein Referent heute das Schnittbild einer Werkzeugmaschinenspindel zeigt, erscheint dieses oft gespickt mit bunten Markierungen: Dicht gedrängt kennzeichnen sie die Stellen, an denen Sensoren schon eingebaut sind oder zukünftig eingebaut werden. Sie liefern Daten, um den Prozess zu optimieren, die Verfügbarkeit zu steigern oder die Lebensdauer einer Maschine zu verlängern. Welche Sensoren und Daten dazu am besten geeignet sind, diskutieren die Experten noch, wie sich auch an zwei neuen Systemen zeigt.
„Das Sensor-System Spicom lässt sich am besten direkt vor dem vorderen Lager der Spindel einbauen, da hier die größten Verlagerungen auftreten“, betont Dr.-Ing. Martin Voll, Leiter Anwendungstechnik Spindellager beim Geschäftsbereich Aerospace/Superprecision der Schweinfurter FAG Kugelfischer AG (Halle 17.2, Stand F12). Wenn es beim Bearbeiten am Werkzeug, am Werkstück oder auch am Gehäuse der Spindel zu Problemen kommt, seien die Lager in jedem Fall betroffen. „Wenn man die Zustände dort erfasst, kann man direkte Informationen über den gesamten Prozess bekommen“, erläutert Voll. Indirekte Methoden, die beispielsweise den Körperschall erfassen, seien dagegen längst nicht so genau.
Das Spicom-System ist ein Ring, der zwischen Welle und Gehäuse der Spindel angebracht wird. Da er in Bohrungs- und Außendurchmesser standardisierten Lagern entspricht, soll er zu allen am Markt befindlichen Spindeln passen. In dem Ring sind sechs Wirbelstromsensoren integriert, drei auf einer radialen Messfläche, drei weitere auf einer axialen. Sie erfassen berührungslos die Relativbewegungen von Welle und Gehäuse. „Für die Wirbelstromsensoren spricht, dass sie unempfindlich sind gegen Verunreinigungen“, erläutert Voll. Auch das Magnetfeld einer Spindel könne ihnen nichts anhaben. Sie messen Verlagerungen von bis zu 250 µm in jeder Richtung bei einer Genauigkeit von 1 µm. Da diese Informationen genutzt werden können, um die Verlagerungen zu kompensieren, lasse sich mit dem System auch die Genauigkeit von Maschinen verbessern. Selbst der Verschleiß der Lager sei über die Messung des nicht wiederholbaren Schlags zu erkennen. Für die Auswertung arbeitet FAG mit der Aachener Prometec GmbH zusammen
„Ein Rattern lässt sich erkennen, genauso ein Crash, sofern er Verlagerungen hervorruft, die das Lager beeinflussen“, sagt Voll. Das Überwachen eines möglichen Werkzeugbruchs könne die Crasherkennung jedoch nicht ersetzen, da ein solcher Bruch nicht immer Verlagerungen zwischen Welle und Gehäuse verursache.
Als Einsatzbereich für das System nennt der Leiter der Anwendungstechnik die Hochleistungsspindeln in der Flugzeugindustrie sowie im Formenbau. „Das sind etwa zehn bis fünfzehn Prozent der Spindeln auf dem Werkzeugmaschinenmarkt“, schätzt Voll und ergänzt: „Wir planen, unser System durch die Standardisierung deutlich günstiger anzubieten, als es viele Spindelhersteller tun.“
Dass für diese das Thema Spindelüberwachung mindestens so wichtig ist wie für die Lagerhersteller, zeigt das Beispiel der Weiss Spindeltechnologie GmbH (Halle 14.2, Stand C15). Der Schweinfurter Spindelhersteller präsentiert in Mailand ein Spindelinformations- und Diagnose-System, das der Anwender in verschiedenen Ausbau-Stufen nutzen kann. Es arbeitet mit drei Sensortypen, die Weg, Temperatur und Beschleunigung erfassen. Der Sensorring wird an der gleichen Position der Spindel angebracht wie das Spicom-System, nämlich im Bereich des vorderen Lagers. Im Ring ist ein Mikrocontroller eingebaut, der die Mess-Daten auswertet.
Die einfachste Version dieses Systems ist das Crash-Modul. Es arbeitet wie eine Black-Box im Flugzeug: Nach einem Crash können der Maschinenhersteller oder die Mitarbeiter im Reparatur- und Service-Center des Spindelbauers die Informationen auslesen, die im Chip gespeichert sind. Damit erhalten sie Anhaltspunkte darüber, wie es zu dem Ausfall kam und ob die Gewährleistung in diesem Fall gegeben ist. „Anhand der Herstellkosten für den Prototypen lässt sich jetzt schon sagen, dass wir mit dieser einfachen Version eine sehr günstige Überwachungslösung anbieten können“, kündigt Rudolf Walter, der Leiter der Forschungsabteilung bei Weiss, an. „Mit der zweiten Stufe wollen wir eine höhere Verfügbarkeit der Maschine erreichen.“ Diese Ausführung ermögliche es, die Informationen laufend zu speichern, aufzubereiten und auch Online zu verarbeiten. „Bisher funktioniert das über einen einfachen Stecker an der Spindel, der das System mit allen gängigen Steuerungen von Siemens verbindet“, sagt Walter. In der dritten Stufe soll das System kompatibel zu den Steuerungen anderer Lösungsanbieter werden und auch die Prozessüberwachung ermöglichen.
„Bisher werden Spindeln mit den Sensoren bei Pilotkunden getestet“, so der Leiter der Forschungsabteilung. Den Vergleich mit den Wirbelstromsensoren brauchen sie seiner Ansicht nach nicht zu scheuen. „Wir messen mit einer Genauigkeit von 1 µm und schirmen die Sensoren ab, so dass sie sehr robust sind.“ Als Anwender der Spindelüberwachung sieht auch er Betreiber von Bearbeitungszentren, vor allem in der Automobilindustrie, aber auch in der Aluminiumzerspanung sowie im Formenbau.
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