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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.

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