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Spindelüberwachung

Die Spindel im Auge behalten

| Autor: Stefanie Michel

Defekte Spindeln sind die häufigste Ursache für den Ausfall von Werkzeugmaschinen. Oft stecken unzulässige oder ungünstige Belastungen dahinter. Doch lange gab es keine Möglichkeiten, solche Belastungen zu überwachen – heute funktioniert das.

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Von der Spindel hängt in hohem Maße die Leistungsfähigkeit und Produktivität von Werkzeugmaschinen ab. Sie vor Schäden zu bewahren, steigert die Maschinenverfügbarkeit.
Von der Spindel hängt in hohem Maße die Leistungsfähigkeit und Produktivität von Werkzeugmaschinen ab. Sie vor Schäden zu bewahren, steigert die Maschinenverfügbarkeit.
(Bild: Stefanie Michel)

Die Spindel ist das Herzstück einer Werkzeugmaschine und für die Art sowie die Qualität des Materialabtrags mit verantwortlich. Dennoch beziffert sie Schaeffler (mit dem Werkzeugsystem) in einer Statistik mit 33 % als häufigste Ausfallursache für Werkzeugmaschinen. Meist war der Grund für den Ausfall Überlast (60 %), aber auch Kollisionen. Am höchsten belastet sind vor allem Spindellager, weil sie die hohen Bearbeitungskräfte übertragen müssen.

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Intelligente Spindeln erkennen Überlast und Verschleiß

Oft wurde und wird andauernde Überlastung zunächst nicht bemerkt, weil lange keine Überwachungssysteme vorhanden waren. Noch heute stehen in vielen Betrieben keine Informationen über den Betriebszustand der Spindeln zu Verfügung. Bereits 2014 hat Weiss Spindeltechnologie zusammen mit der Konzernmutter Siemens begonnen, über die Steuerung (ab der Sinumerik 840D sl) Betriebsdaten wie die Laufzeit der Spindel und die Anzahl der durchgeführten Werkzeugspannungen, Drehzahl- und Drehmomentprofile sowie Temperaturverläufe auszuwerten. Anhand dieser Daten lassen sich im Störungsfall mögliche Ursachen einfacher detektieren und analysieren. Des Weiteren erkennt das Modul zeitliche Veränderungen während des Werkzeugspannvorgangs. Die digitale Datenübertragung erfolgt über das Spindel-Sensor-Modul SMI 24 in Systemgeschwindigkeit über ein Drive-Cliq-Kabel.

Mithilfe der gesammelten Informationen können nicht nur Rückschlüsse auf die Gebrauchsdauer von Verschleißteilen wie Wälzlager und Werkzeugspannsystem gezogen werden, sondern auch auf deren erfolgte Belastung. Außerdem lassen sich aus Daten Trends erkennen, aus denen sich wiederum Verschleißzustände für Wälzlager und das Werkzeugspannsystem ableiten lassen.

Zur EMO Hannover 2019 präsentiert Weiss nun einen weiteren Schritt: den Spindelmonitor. Über dieses Tool transferiert die Spindel im Minutentakt automatisch alle Betriebs- und Verlaufsdaten in das IoT-Betriebssystem Mindsphere von Siemens. Die dort abgelegten Informationen können von zugriffsberechtigten Anwendern überall eingesehen sowie ausgewertet werden.

Einen ähnlichen Weg ist der Spindelhersteller Kessler gegangen und hat auf der EMO Hannover 2017 mit „Kessler dialog“ eine Industrie-4.0-Lösung zur intelligenten Datenverarbeitung und Zustandsüberwachung vorgestellt. Integriert in die Frässpindel messen Strom-, Temperatur und Schwingungssensoren die Stromstärke, Frequenz, Temperaturverhältnisse und die Schwingbeschleunigung. In Echtzeit werden die Daten weitergegeben an das Spindel-Monitoring, aber auch eingesetzt zum Condition Monitoring. So lassen sich beispielsweise Belastungszustände oder Überlast sowie Kollisionen erkennen.

Lasermesssystem erfasst Zustand der Spindel

Der Messtechnik-Spezialist Blum-Novotest hingegen überwacht die Spindel mit einem Lasermesssystem. Über die neue Option „Spindle Control“ kann mithilfe des Digilog-Lasermesssystem von Blum während der Bearbeitung der Zustand der Spindel erfasst werden. Auf der EMO Hannover 2019 wird das Unternehmen zudem seine Visualisierungs- und Auswertesoftware LC-Vision vorstellen, die eine Live-Visualisierung und Analyse der während des Messvorgangs erfassten Werte direkt auf der Maschinensteuerung ermöglicht. So lassen sich die Daten anzeigen und daraus Hinweise beispielsweise auf Lagerschädigungen sowie Ungenauigkeiten in der Bearbeitung ableiten. Ebenso erleichtern die Daten eine vorbeugende Wartung, indem die Spindel rechtzeitig ausgetauscht werden kann.

Ist noch kein Lasermesssystem von Blum in einer Maschine installiert, bietet das Unternehmen mit „Portable SpindleControl“ (PSC) auch eine mobile Lösung zur Spindelüberwachung an. Sie wird ebenfalls auf der EMO Hannover 2019 erstmals präsentiert. Das kompakte System aus LC50-Digilog, Spindle-Control-Software und weiterem Zubehör macht es möglich, annähernd alle Funktionalitäten von Spindle Control ohne Anbindung an die Maschinensteuerung auszuführen. Das Lasermesssystem wird dazu auf dem Maschinentisch fixiert, die Spindle Control Software läuft auf einem externen PC.

Sensoren überwachen die Spindellager

Da bei Überlast ganz besonders die Spindellager betroffen sind, hat Schaeffler das Überwachungssystem Spindlesense entwickelt, das mikrometergenau die Verlagerung des Spindellagers in fünf Raumrichtungen – drei translatorisch und zwei rotatorisch – misst. Wird ein definierter Schwellenwert überschritten, übergibt der Sensorring ein Warnsignal an die Maschinensteuerung, das folgende Szenarien 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 schwere Folgeschäden minimiert oder gar verhindert werden.
  • Langzeitschutz für die Werkzeugmaschinenspindel: Um die Spindellager vor dauerhaften mechanischen Überlastungen zu schützen, löst Spindlesense bei entsprechender Parametrierung der Überlast sofort ein Warnsignal aus. Der Betreiber kann sein Bearbeitungsprogramm modifizieren, die Spindelbelastung durch ein neues Werkzeug, veränderte Schnittwerte oder 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.

Mit den Systemen zur Spindelüberwachung stehen hilfreiche Instrumente bereit, die die Maschinenverfügbarkeit und damit die Produktivität steigern können.

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt