Smarte Komponenten für Werkzeugmaschinen Intelligente Wälzführung und intelligente Spindellagerung von Schaeffler - KEM

Smarte Komponenten für Werkzeugmaschinen

Intelligente Wälzführung und intelligente Spindellagerung von Schaeffler

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Schaeffler wird auf der EMO 2017 mechanische Komponenten, elektrische Antriebe und digital unterstützte Lösungen präsentieren, die in der nächsten Werkzeugmaschinengeneration für mehr Produktivität, Verfügbarkeit und Qualität sorgen – sei es in Hauptspindeln, Vorschubachsen, Rundachsen oder Drehtischen. Ein Trend ist deutlich sichtbar: Der Anteil sensorisierter Komponenten im Portfolio des Herstellers nimmt immer mehr zu. Zwei Beispiele – eine intelligente Wälzführung und eine intelligente Spindellagerung – werden in diesem Beitrag ausführlicher vorgestellt.

Dr.-Ing. Ralf Beck, Redakteur KEM Konstruktion, auf Basis von Unterlagen der Schaeffler Technologies AG & Co. KG, Homburg

Basierend auf der Rollenumlaufeinheit RUE-E 4.0, die als Studie auf der EMO 2015 präsentiert wurde, entwickelten die Schaeffler-Ingenieure nun eine zweite Generation zur Vorserienreife. Ähnlich der RUE-E 4.0 besteht das neue System aus einem Profilschienenlaufwagen mit integrierter Sensorik, einer Auswerteelektronik in einem kleinen Gehäuse und einem automatischen Schmierstoffgeber, wie z. B. dem FAG Concept8. Die Auswerteelektronik ermöglicht jetzt die Überwachung von bis zu sechs Laufwagen pro Achse. Größte Herausforderung innerhalb der Entwicklung war es, die Sensorik in den Bauraum der Linearführung zu integrieren. Im Zuge dieser Neuentwicklung wurde ein Sensor speziell für die Erfassung des Schmierzustandes in den Laufwagen und für die Platzverhältnisse an den Umlaufführungen entwickelt.

Elektronische Überwachung des Schmierzustandes

Das innovative System nutzt den Effekt, dass mit alterndem Schmierstoff bzw. kleiner werdender Schmierstoffmenge die Dämpfungswirkung des Schmierstoffs im Wälzkontakt abnimmt. Die Wälzkörper induzieren durch die kleiner werdende Schmierfilmdicke im Wälzkontakt nun mehr Schwingungsenergie in den Tragkörper. Bei Überschreitung eines aus dem Neuzustand (Sollzustand) generierten Schwellenwertes (Schmierindikator) löst das System automatisch einen Nachschmierimpuls am Schmierstoffgeber aus.

Vorteile bedarfsgerechter Nachschmierimpulse

Erfährt eine Achse relativ wenig Wegstrecke und geringe Bearbeitungskräfte wird das System seltener einen Schmierimpuls auslösen, bei starker Beanspruchung entsprechend häufiger. Dringen durch Verschmutzung Fremdkörper in den Laufwagen ein oder wird der Laufwagen mit Kühlschmierstoff kontaminiert, wird dies über den Körperschall sofort detektiert, bewertet und ein Schmierimpuls ausgelöst. Solange der emittierte Körperschall über dem Schwellenwert liegt, werden die Schmierimpulse wiederholt. Dies hat den Effekt, dass die Verschmutzung mit dem Schmierstoff aus dem Laufwagen sofort herausgespült wird. Sinken nach den Schmierimpulsen die Kennwerte wieder auf das normale Niveau, haben die Laufbahnen und Wälzkörper die Kontamination unbeschadet überstanden. Ohne diese Innovation würde die Linearführung bis zum nächsten geplanten Schmierintervall mit dieser Verschmutzung im Wälzkontakt weiter betrieben werden und einen entsprechenden Initialschaden davontragen. Ein vorzeitiger Totalausfall der Linearachse ist vorprogrammiert.

Benefits für Maschinenhersteller und Betreiber

Das innovative System ermöglicht Maschinenherstellern und Betreibern folgende Wettbewerbsvorteile:
  • Durch die Überwachung und Aufrechterhaltung des optimalen Schmierzustandes in der Linearführung wird die Gebrauchsdauer deutlich verlängert und in Folge eine konstant hohe Fertigungsqualität aufrechterhalten
  • Bei geringer Beanspruchung der Linearführung wird der Schmierstoffbedarf um bis zu 30 % reduziert
  • Bei einer Kontamination des Laufwageninneren werden durch den Ausspüleffekt Beschädigungen an der Linearführung verhindert
  • Folglich sinkt die Zahl der Maschinenausfälle und die Verfügbarkeit der Werkzeugmaschine steigt

Grundlage für weitere Anwendungsmöglichkeiten

Neben der verlängerten Gebrauchsdauer von Linearführungen wird die Überwachung des Schmierungszustandes über die integrierte Sensorik die Grundlage für weitere Anwendungsmöglichkeiten sein, die Schaeffler dann über digitale Services zur Verfügung stellt. So ermöglicht z. B. die Analyse der zeitlichen Abstände der Nachschmierzyklen eine Vorhersage der Restgebrauchsdauer von Wälzkörper-Linearführungen. Damit werden eine geplante und bedarfsorientierte Instandhaltung realisierbar, die Zahl ungeplanter Maschinenausfälle noch weiter verringert und die Maschinenverfügbarkeit maximiert.

Sensorik in Spindellager integriert

Der größte Anteil an Werkzeugmaschinen-Ausfällen ist auf defekte Spindeln zurückzuführen, insbesondere auf Spindellagerschäden verursacht durch Crash (Kollision) und andauernde, aber unentdeckte Überlastung. Beispielsweise kann ein Auffahren des Werkzeuges auf das Werkstück zur Beschädigung der Spindellager und weiterer Komponenten in der Spindel führen. Im Fräsbetrieb erzeugt die Kombination von hohen Radiallasten, lang auskragenden Werkzeugen und hohen Drehzahlen speziell am werkzeugnahen Spindellager große Belastungen und ungünstige kinematische Verhältnisse. In Extremfällen sind dann kurzfristige Lagerausfälle möglich. Aus diesem Zusammenhang entwickelten die Schaeffler-Ingenieure ein System mit dem Ziel, Spindelausfälle zu reduzieren, in dem eine sehr schnelle Abschaltung der Spindel bei Crash-Situationen möglich wird. Darüber hinaus versetzt das System den Maschinenbetreiber in die Lage, ungünstige Betriebsbedingungen zu erkennen und seinen Bearbeitungsprozess gezielt zu verändern.

Sensorsystem misst Verlagerung der Spindelwelle

Das komplett neu und spezifisch für diesen Einsatz entwickelte Sensorsystem misst mit einer hohen Auflösung die Verlagerung der Spindelwelle unter Last in fünf Raumrichtungen – drei translatorisch und zwei rotatorisch. Daraus sind mit dem entsprechenden Wälzlager-Know-how die kinematischen Bedingungen im Lager und daraus die betriebsrelevanten Größen wie Pressung, Bohr-Roll-Verhältnis und Käfigtaschenspiel eindeutig berechenbar. Übersteigen die gemessenen Einfederungen an den Wälzkörpern eine spezifische Schwelle, wird vom Sensorring ein elektrisches Warnsignal an die Maschinensteuerung ausgegeben. Die Schwelle wird für jeden Spindel- und Maschinentyp individuell festgelegt. Der Schwellenwert lässt sich auch für andere Antriebskomponenten individuell festlegen, die eine niedrigere Belastungsgrenze als die Spindel haben und deren Belastung mit der der Spindel korreliert. Eine weitere Besonderheit in Zeiten des Cloud-Computing: Die gesamte Software und alle erforderlichen Algorithmen sind in die Sensorik integriert. Das bedeutet, es sind keine weiteren Komponenten für das System notwendig. Das System ist lokal funktionsfähig und gibt ein individualisiertes Warnsignal an die Maschinensteuerung aus, das folgende Einsatzzwecke ermöglicht:
  • Detektion eines Crashs (Kollision): Die Sensorik ist in der Lage innerhalb von 2 ms eine Überlastung an einem digitalen Ausgang anzuzeigen. Durch eine schnelle Abschaltung des Antriebes können so Folgeschäden minimiert oder gar verhindert werden
  • Langzeitschutz für die Werkzeugmaschinenspindel: In der Praxis werden dauerhafte mechanische Überlastungen der Spindellager z. B. beim Schruppen mit einem verschlissenen Werkzeug nicht sofort erkannt. Löst das System bei diesem oder einem ähnlichen Szenario ein Warnsignal aus, kann der Betreiber das Bearbeitungsprogramm sehr frühzeitig schon nach Teil 1 modifizieren und die Spindelbelastung durch ein neues Werkzeug, veränderte Schnittwerte oder auch durch einen besser geeigneten Werkzeugtyp reduzieren. Er erreicht damit geringere Spitzenlasten, reduziert deren Anzahl und profitiert so von einer längeren Gebrauchsdauer der Spindel mit geringeren Ausfallzeiten der Werkzeugmaschine.
Die Verlagerungsmessung mit dem Sensorring und der integrierten Belastungsüberwachung hat das Vorserien-Stadium erreicht und die erste Baugröße steht für Anwender zur praktischen Erprobung zur Verfügung. Darüber hinaus entwickeln die Schaeffler-Ingenieure ein neues Analyse-Tool für die Optimierung der Spindelauslastung. Bei diesem System wird nicht nur ein Schwellenwert ausgegeben, sondern das beim Bearbeitungsprozess vom Sensorring gemessene Einfederungskollektiv über der Zeitachse visualisiert. Erstmals wird der Maschinenbetreiber mit sehr hoher Genauigkeit wissen, mit wie viel Prozent er seine Spindel bei welcher Bearbeitung mechanisch auslastet. Er kann nun noch gezielter den Bearbeitungsprozess der Maschine hinsichtlich Auslastung und Gebrauchsdauer verändern. Trotz hoher Spindelbelastung werden schädliche Überlastungen vermieden. Detaillierte Informationen zu den EMO-Neuheiten des Unternehmens: http://hier.pro/IXZrp EMO: Halle 7, Stand C42
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