Kugelgewindetrieb Die Zustandsüberwachung bei Kugelgewindetrieben im Blick

Autor / Redakteur: Torsten Hübner / Ute Drescher

Die Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben ist in der Vergangenheit kaum auf Interesse gestoßen. Doch die Skepsis löst sich zunehmend auf – und das ist gut so.

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Den Zustand immer im Blick
Den Zustand immer im Blick
(Bild: ©LMproduction - stock.adobe.com)

Um aktuelle Betriebsinformationen über den Lagerzustand von Wälzlagern zu erhalten, ist bei Werkzeugmaschinen die Zustandsüberwachung der Lager schon seit vielen Jahren gängige Praxis. Unter dem Blickwinkel von „Industrie 4.0“ ist es daher verständlich, dass derartige Zustandsüberwachungen auch für ähnliche geartete Bauteile von immer größerem Interesse werden. Dieser Wunsch wird umso größer, je komplexer und kostenintensiver die Maschinen sind.

Zu diesen Bauteilen gehört der Kugelgewindetrieb. A. Mannesmann hat sich bereits 2006/2007 als Industriepartner bei den BMBF-Forschungsprojekten Enµa - „Energieautarke μ-Systeme in Werkzeugmaschinen“ - und Loewe - „Lebenszyklusorientierte Werkzeugmaschine“ - (IFW – Universität Hannover) intensiv diesem Thema gewidmet. Dass die damaligen Abschlussergebnisse nicht über den Forschungsstand hinausgingen, ist damit zu erklären, dass Anwender kein gesteigertes Interesse an einer direkten Nutzung zeigten. Auch heute besteht zwischen Interesse und konkreter Umsetzung eine gewisse Lücke, die sich aber zunehmend schließt.

Die Sensorik von A. Mannesmann setzt am Mutterflansch an und liefert damit direkte Messergebnisse des Betriebsverhaltens zur Erkennung von Betriebsstati und zur Dokumentation.
Die Sensorik von A. Mannesmann setzt am Mutterflansch an und liefert damit direkte Messergebnisse des Betriebsverhaltens zur Erkennung von Betriebsstati und zur Dokumentation.
(Bild: A. Mannesmann)

Da die Funktionserfüllung der einzelnen Baugruppen die Funktionserfüllung der Gesamtmaschine sichert, ist die Zustandsüberwachung der Maschine weitestgehend gleichbedeutend mit der Zustandsüberwachung der Baugruppen. Die uneingeschränkte Langzeitfunktionalität der einzelnen Baugruppen ist eine Grundvoraussetzung für die optimale Maschinennutzung und einer hohen Verfügbarkeit während ihrer gesamten Gebrauchsdauer. Deshalb ist es von großem Interesse, Informationen über den aktuellen Betriebszustand der Baugruppe zu erhalten und diese entsprechend zu beurteilen. Hieraus lassen sich dann gezielte Aussagen über den bisherigen Nutzungsverlauf herleiten. Auf Basis dieser Aussagen ist es dann auch möglich, den weiteren Nutzungsverlauf zu prognostizieren.

Vorschub mit Kugelgewindetrieb

Der Kugelgewindetrieb nimmt in Vorschubachsen eine besondere Stellung ein, da er präzise positionieren und gleichzeitig hohe Axialkräfte übertragen soll. Als ein wichtiger Bestandteil in Vorschubantrieben für Werkstücke oder Werkzeuge bestimmen Kugelgewindetriebe Leistungsfähigkeit und Genauigkeit moderner Werkzeugmaschinen entscheidend mit. Trotz der Vielzahl verschiedener Bauformen von Werkzeugmaschinen ist der Aufbau der Vorschubachsen weitgehend identisch. Gemeinsam mit ihrer Lagerung, einem eventuell vorhandenen Getriebe oder Riemenvorgelege, der Kupplung, dem Antriebsmotor und einer Bremse sowie der Positionsmesseinrichtung und dem Achsregelungsmodul bilden Kugelgewindetriebe leistungsstarke Antriebssysteme mit sehr hoher statischer und dynamischer Belastbarkeit.

Vorgespannte Kugelgewindetriebe sind stets axialspielfrei und haben eine hohe axiale Steifigkeit. Da sie mit einer sehr hohen Steigungsgenauigkeit hergestellt werden, können mit ihnen vordefinierte Zielpositionen äußerst präzise, schnell und sicher erreicht werden. Mit Kugelgewindetrieben ausgerüstete Schlittensysteme sind gleichermaßen gut geeignet, um sowohl hohe Beschleunigungen und Eilganggeschwindigkeiten als auch kleinste Zustellgrößen zu realisieren.

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So lässt sich die Schwingungsfrequenz des Kugelgewindetriebs bestimmen

Auf der Grundlage der Frequenzbestimmung für Schrägkugellager lassen sich auch für den Kugelgewindetrieb die Schwingungsfrequenzen der Mutter, der Spindel und der Kugeln bestimmen. Allerdings sind die errechneten Frequenzen beim Schrägkugellager nur vom Kugelmittenkreisdurchmesser, dem Kugeldurchmesser, dem Druckwinkel und der Betriebsfrequenz abhängig. Die abgeleitete Frequenzbestimmung berücksichtigt die Steigung des Kugelgewindes nicht. Die quadratische Addition der Umfangsgeschwindigkeit mit der Axialgeschwindigkeit führt zu Ansätzen, bei der auch die Gewindesteigung eingeht.

Bedenkt man, dass die Kugelbefüllung der Kugelgewindemutter nicht zu 100 % erfolgt und die Anzahl der überrollenden Kugeln infolge des fehlenden Kugelkäfigs ungleichmäßig ist, so ergeben sich für die Teilfrequenzen keine absoluten Werte, sondern Frequenzbereiche, in denen die tatsächlichen Frequenzen während des Betriebes variieren. Daher sollte die „einfachere“ Berechnungsgrundlage des Kugellagers auch für Kugelgewindetriebe gut ausreichend sein.

Kugelgewindetriebe überwachen

Bei einem Vorschubsystem bestehen zwischen den einzelnen Systemelementen (Lager, KGT, Kupplungen, usw.) mehr oder weniger starke Wechselwirkungen. Jedes Teilsystem liefert messbare Betriebskennwerte, die über seinen aktuellen Betriebszustand Aufschluss geben. Diese gegenseitigen Beeinflussungen sind unproblematisch, wenn die Zustandsüberwachung über die gesamte Vorschubachse erfolgen soll. Der Kugelgewindetrieb wird dann implizit im gesamten Aktio- und Reaktiokontext der Vorschubachse betrachtet. Bei einer expliziten (separaten) Überwachung von Kugelgewindetrieben ist allerdings eine Systemisolierung erforderlich, damit die externen Störeinflüsse der Systempartner zu keiner Fehlinterpretation des Betriebszustandes führen.

In Teilschritten vorgehen

Die grundsätzliche Vorgehensweise der messtechnischen Zustandsüberwachung erfolgt meist in Teilschritten:

  • Ermittlung der Messdaten durch entsprechende Messungen und gegebenenfalls einer Analyse.
  • Zuordnung der Messwerte in Eskalationsstufen mit definierten Schwellwerten und Einstufung des Betriebsverhaltens in normal/anormal – kritisch/unkritisch.
  • Der Vergleich mit einem Referenzzustand (Auslieferungs- oder Neuzustand) liefert den aktuellen Betriebszustand bzw. die Zustandsveränderung.

Die permanente, automatisierte Aufnahme der Messwerte und die dadurch mögliche Langzeitanalyse erkennt Zustandsveränderungen bzw. Trends, durch die präventive Instandhaltungsaktivitäten an der Maschine ausgelöst werden können.

Schwingungen geben früh Aufschluss

Die frühste Erkennung eventueller Schädigungen am Kugelgewindetrieb erfolgt per Schwingungsmessung seines Laufverhaltens durch einen Beschleunigungssensor. Diese Messung liefert während des gesamten Verfahrweges ein zeitliches Summensignal der Einzelschwingungen aller an der Drehbewegung beteiligten Bauteile (Mutter, Spindel und Kugeln). Der Schwingungsgrenzwert lässt sich individuell festlegen. Als Richtwert kann die Schwinggeschwindigkeit der Unwucht an Antriebsbauteilen für Werkzeugmaschinenbauteile (DIN ISO 1940) von 2,5 mm/s angenommen werden.

Die Schwingungsmessung liefert bei einwandfreien Kugelgewindetrieben stabile Schwingungssignale über den gesamten Verfahrweg. Größere Ausschläge weisen auf Unregelmäßigkeiten und Beschädigungen hin. Sind diese auf der Spindel zu finden, so werden sie nur kurzzeitig in diesem Spindelabschnitt registriert. Deshalb ist bei der Messung eine erhöhte Aufmerksamkeit erforderlich.

Die Sensorik von A. Mannesmann setzt am Mutterflansch an und liefert damit direkte Messergebnisse des Betriebsverhaltens zur Erkennung von Betriebsstati und zur Dokumentation.
Die Sensorik von A. Mannesmann setzt am Mutterflansch an und liefert damit direkte Messergebnisse des Betriebsverhaltens zur Erkennung von Betriebsstati und zur Dokumentation.
(Bild: A. Mannesmann)

Befinden sich die Beschädigungen in der Mutter, so sind diese unabhängig von der Spindelposition immer vorhanden. Um keine Fehlinterpretationen zu erhalten, müssen die Schwingungssignale eine wiederholende Stabilität aufweisen und sollten nicht bei einmaligem Auftreten bereits zur Auslösung einer Aktivität führen.

Problematisch ist die Schwingungsmessung während des Bearbeitungsprozesses, da die Schwingungsintensität etwa eines Fräsvorganges aufgrund des unterbrochen Schnittes die Schwingungssituation im Kugelgewindetrieb deutlich übersteigt. Hier ist eine Schwingungsanalyse erforderlich, da sich die Schwingungsanteile nur auf diese Weise zerlegen und gezielt separieren lassen. Diese Analyse kann der Maschinenbediener in der Regel nicht leisten und der beträchtliche Aufwand ist nur in Ausnahmefällen als Betriebszustandsüberwachung tauglich.

Verschleiß verändert Vorspannkraft

Aus den BMBF-Verbundprojekten Enµa und Loewe aus den Jahren 2006/2007 stammt der Ansatz der Zustandsüberwachung über die Verformung bzw. indirekt über die Vorspannungsexistenz und somit letztlich über den Verschleiß.

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Zustandsüberwachung nach der DIN 60300-3

In der DIN IEC 60300-3-11 wird die Zustandsüberwachung wie folgt beschrieben: Ziel der Zustandsüberwachung ist es, Veränderungen an der Maschine zu detektierten und zu verfolgen, um somit frühzeitig Maßnahmen der präventiven Instandhaltung einleiten zu können. Demnach muss im Betrieb der Maschine eine detektierbare Zustandsänderung eintreten, welche einen möglichen Ausfall (P = Potential Failure) ankündigt. Nach dieser Zustandsänderung tritt der funktionale Ausfall (F = Functional Failure) ein, so dass die Maschine oder die Komponente die an sie gestellten Anforderungen nicht mehr vollständig erfüllen kann. Der Zeitraum zwischen der Zustandsänderung und dem funktionalem Ausfall wird als P-F Intervall bezeichnet. Um den tatsächlichen, funktionalen Ausfall verhindern zu können, müssen alle Maßnahmen zur Behebung der Zustandsänderung, innerhalb dieses Zeitraumes ergriffen werden.

Im Kraftfluss der Vorspannkraft ist in der Doppelmutter ein Drucksensor angeordnet, der durch eine Befestigungsmutter und einer Hülse über einen Taststift auf die Kontaktfläche der Flanschmutter mit der Gegenmutter gedrückt wird. Durch den Verschleiß der Kugeln und der Laufbahnen verändert sich die Größe der Vorspannungskraft und somit die Flächenpressung zwischen den beiden Mutterteilen. Diese Veränderung wird über den Sensor detektiert. Der Drucksensor registriert also nicht die absolute, hohe Vorspannungskraft, sondern die deutlich geringere Vorspannungsveränderung, die proportional zum Verschleiß ist. Da bei dieser Messung kaum verfälschende, äußere Störgrößen eingehen, ist es hierbei sehr gut möglich, die aktuelle Vorspannungssituation zu erkennen und aus dieser eine relativ präzise Prognose für das weitere Betriebsverhalten abzuleiten.

Im Normalbetrieb (keine Überlast, kein Crash, kein Montagefehler und ausreichende Schmierung) fällt ein Kugelgewindetrieb nicht plötzlich aus, sondern der Ausfall kündigt sich über den Verschleiß und der damit verbundenen Funktionsveränderung vorher an. Das Ziel der Betriebszustandsüberwachung ist die frühzeitige Erkennung gerade dieser Veränderungen am Kugelgewindetrieb, um Maßnahmen der präventiven Instandhaltung und gegebenenfalls der Substitution einleiten zu können. Damit steigen Maschinenverfügbarkeit und Bearbeitungsqualität während die Instandhaltungskosten sinken – ein nicht unbedeutender, wirtschaftlicher Mehrwert.

Die Steuerung überwacht den Zustand

Für die Zustandsüberwachung einer Maschine kann die Maschinensteuerung genutzt werden. Moderne Steuerungen bieten die Möglichkeit, den Schleppfehler der Achse (Differenzbetrachtung zwischen Sollwert und Istwert) und die Stromaufnahme des momentenbildenden Motorstromes zu ermitteln und zu dokumentieren (tracen). Beide Messgrößen sind direkt vom Maschinenzustand abhängig und liefern somit sehr aussagefähige Zustandsinformationen. Der Kreisformtest ist eine weitere Überprüfungsmöglichkeit der Achsgenauigkeit einer Werkzeugmaschine.

Die Zustandsermittlung über die vorhandene Maschinensteuerung erfordert meist keine zusätzlichen Ausrüstungskosten. Die organisatorische Vorgehensweise ist relativ einfach und überschaubar. Sie bietet eine gute Zuordnung der Messwerte, die allerdings nur teilisoliert sind und damit auch nur eine mittlere Datenqualität haben können.

Betriebstemperatur ermitteln

Da die Betriebstemperatur des Kugelgewindetriebes stark von der Reibung und somit von Betriebszustand abhängig ist, ist die Temperaturmessung eine einfache und gut nachvollziehbare Methode, um Zustandsinformationen zu erhalten. Im modularen Sensoranschluss, direkt am Flansch der AM-Kugelgewindemutter, kann wahlweise ein Temperatur- oder ein Beschleunigungssensor platziert werden, der die Temperatur direkt am Entstehungsort erfasst. Es können sowohl absolute Temperaturwerte wie auch Temperaturveränderungen und Temperaturtrends gemessen und ermittelt werden. Allerdings stellt die Temperaturveränderung meist ein relativ spätes Signal dar, so dass eine größere Schädigung am Kugelgewindetrieb bereits vorliegen kann. Die Vorwarn- und Reaktionszeit kann sich dadurch auf nur wenige Tage reduzieren.

Betriebs- und Laufgeräusche erfassen

Die Betriebs- und Laufgeräusche von Kugelgewindetrieben können ebenfalls sehr gut gemessen und erfasst werden. Die Geräuschmessungen können entweder über ein portables oder ein festes Schalldruckmessgerät erfolgen. Sie sind verhältnismäßig einfach und kostengünstig durchführbar. Das Laufgeräusch eines Kugelgewindetriebes verändert sich meist deutlich vor dessen Temperaturänderung, so dass das Geräuschsignal früher erkennbar ist. Die Geräuschentwicklung ist allerdings sehr stark von der Schmierung und von der Verfahrgeschwindigkeit beziehungsweise der Drehzahl abhängig. Diese Abhängigkeit erschwert die Zuordnung in Eskalationsstufen. Da bei starken Nebengeräuschen auch die eindeutige Zuordnung problematisch sein kann, haben die Messwerte somit nur eine mittlere Datenqualität.

* Torsten Hübner ist Konstruktionsleiter bei der A. Mannesmann Maschinenfabrik GmbH in Remscheid

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