EMO 2019

Andreas Mühlbauer,

Überwachungssystem für Spindellager

Eine neue Sensorik von Schaeffler zur Messung von Überlasten der Werkzeugmaschinen-Spindel reduziert Maschinenausfälle und ermöglicht höhere Maschinenauslastung.

Aufbau des Überwachungssystems SpindleSense. 1: Abstandssensoren, 2: Auswerteeinheit, 3: Anschlusskabel © Schaeffler

Die Hauptspindel ist das Herzstück der Werkzeugmaschine und bestimmt in hohem Maße die erreichbare Spanleistung, die Oberflächenqualität und Präzision. Die Spindellagerung wiederum zählt zu den am höchsten belasteten Komponenten, da sie die Bearbeitungskräfte bei sehr hohen Drehzahlen über eine lange Zeit präzise übertragen muss und sich Kollisionen nach wie vor nicht ausschließen lassn.

Daher verwundert es nicht, dass der größte Anteil an Werkzeugmaschinen-Ausfällen auf defekte Spindeln zurückzuführen ist, insbesondere als Folge von Kollisionen und unentdeckter Überlastung. Beispielsweise erzeugt im Fräsbetrieb die Kombination von hohen Radiallasten, lang auskragenden Werkzeugen und hohen Drehzahlen speziell am werkzeugnahen Spindellager große Belastungen und ungünstige kinematische Verhältnisse. Diese mitunter unzulässigen Belastungen treten auf, da dem Betreiber bislang ein geeignetes Werkzeug fehlte, mit dem grenzwertige Spindellager-Belastungen überwacht werden können. Schaeffler löst dies mit dem Überwachungssystem "SpindleSense".

Verlagerungen präzise messen

Zur EMO 2019 stehen die ersten serienreifen Sensorring-Einheiten SRS inklusive radialem und axialem Messring mit Innendurchmesser 70 mm zur Verfügung. Weitere Baugrößen mit 80 und 100 mm Innendurchmesser werden zum Jahresende lieferbar sein. Die Breite beträgt einheitlich 16 mm. Zum Lieferumfang zählt auch das Setup-Service-Tool SST, mit dem sich SpindleSense parametrieren und in Betrieb nehmen lässt.

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Die am Spindellager integrierte Sensorik misst mit einer hohen Auflösung die Verlagerung der Spindelwelle unter Last in fünf Raumrichtungen – drei translatorisch und zwei rotatorisch. Übersteigen die ermittelten Einfederungen an den Wälzkörpern eine spezifische Schwelle, gibt der Sensorring ein elektrisches Warnsignal an die Maschinensteuerung aus. Die Schwelle wird für jeden Spindel- und Maschinentyp individuell festgelegt. Sie basiert auf einer Bewertung der betriebsrelevanten Lagerkennwerte.

Software mit Wälzlager-Know-How im Sensorring

Die gesamte Software und alle erforderlichen Algorithmen sind in den Sensorring integriert. Es sind keine weiteren Komponenten für das System notwendig. Das System ist lokal funktionsfähig und gibt ein individualisiertes Warnsignal an die Maschinensteuerung aus.

Zur Detektion eines Crashs (Kollision) ist die Sensorik in der Lage, innerhalb von 2 ms eine Überlastung an einem digitalen Ausgang anzuzeigen. Um dauerhafte mechanische Überlastungen der Spindellager zu erkennen, löst SpindleSense bei entsprechender Parametrierung der Überlast sofort ein Warnsignal aus. Der Betreiber kann sein Bearbeitungsprogramm schon nach dem ersten Teil modifizieren und die Spindelbelastung durch ein neues Werkzeug, veränderte Schnittwerte oder durch einen besser geeigneten Werkzeugtyp reduzieren.

Für die Ausgabe der Messwerte stehen zwei Optionen zur Auswahl. Variante C-A0 gibt Alarmmeldungen aus, sobald die individuell festgelegten Grenzwerte für die Lagerbelastung und die Kinematik erreicht werden. Variante C-A1 gibt die gemessenen radialen und axialen Verlagerungen inklusive der Verkippungen über den CAN-Bus aus. Mit diesen Verlagerungswerten können Werkzeugmaschinen- und Spindelhersteller Analyse-Tools zur Optimierung der Spindelauslastung entwickeln, beispielsweise indem das vom Sensorring gemessene Einfederungskollektiv als Lastkollektiv visualisiert wird.

Eine weitere Anwendung der gemessenen Verlagerungen besteht darin, diese zur Nullpunktkompensation zu verwenden. Damit wird es möglich, mit größeren Schnittwerten die gleiche Qualität oder mit unveränderten Schnittwerten eine höhere Qualität zu produzieren. Ebenso kann die Überwachung einer maximalen Verlagerung zur Qualitätssicherung eingesetzt werden.

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