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Wälzlager

Smarte Werkzeugmaschinen dank digitaler Wälzlager-Lösungen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein

Wie digitalisierte Wälzlager-Lösungen in Werkzeugmaschinen dazu beitragen, Betriebskosten zu senken, die Lebensdauer zu verlängern und die Produktivität zu erhöhen, zeigt Schaeffler mit Spindlesense und Durasense.

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Beim Überwachungssystem Schaeffler Spindlesense überwacht ein Senrorring die Verlagerung des Spindellagers mikormetergenau.
Beim Überwachungssystem Schaeffler Spindlesense überwacht ein Senrorring die Verlagerung des Spindellagers mikormetergenau.
(Bild: Schaeffler/Cadera Design)

In der Werkzeugmaschinenindustrie herrscht international ein harter Wettlauf um die effizientesten Zerspanungslösungen. Die Betreiber von Werkzeugmaschinen interessiert nicht mehr nur die Performance einzelner Maschinen, sondern die Wirtschaftlichkeit der gesamten Automationslösung, Angebote für den mannlosen Nachtschichtbetrieb oder auch Lösungen zur Reduzierung ungeplanter Stillstandzeiten. Mit den Forderungen nach maximaler Gesamtanlageneffektivität OEE sind – abgesehen von klassischen Mitteln der Wälzlagerentwicklung – neue Lösungen gefragt, die die Zuverlässigkeit von Hauptspindeln und -lagern sowie Hauptachsen bzw. Linearführungen unter harten Praxisbedingungen verbessern.

Elektronischer Schutz vor Überlastungen an Spindellagern

Andauernde, aber unentdeckte Überlastungen an Spindellagern treten auf, da dem Betreiber bislang ein geeignetes Tool fehlte, mit dem grenzwertige Spindellager-Belastungen erkannt werden können. Schaeffler löst dies mit dem neuartigen Überwachungssystem Schaeffler Spindlesense. Die am Spindellager integrierte Sensorik misst mit einer sehr hohen Auflösung die Verlagerung der Spindelwelle am vorderen Lager unter Last in fünf Raumrichtungen – drei translatorisch und zwei rotatorisch. Übersteigen die ermittelten 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. Sie basiert auf einer Bewertung der betriebsrelevanten Lagerkennwerte, wie Pressung, Bohr-Roll-Verhältnis und Käfigtaschenspiel, in welche das langjährige Wälzlager-Know-how von Schaeffler einfließt.

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Sensorring-Einheiten testen

Zur EMO 2019 stehen Kunden die ersten serienreifen Sensorring-Einheiten SRS mit Innendurchmesser 70 mm zur praktischen Erprobung zur Verfügung. Weitere Baugrößen mit 80 mm und 100 mm Innendurchmesser werden zum Jahresende lieferbar sein. Die Breite beträgt einheitlich 16 mm. 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 schwere Folgeschäden minimiert oder gar verhindert werden.
  • Langzeitschutz für die Werkzeugmaschinenspindel: In der Praxis werden dauerhafte mechanische Überlastungen der Spindellager oft nicht erkannt. Spindlesense löst bei entsprechender Parametrierung der Überlast sofort ein Warnsignal aus. Der Betreiber kann sein Bearbeitungsprogramm schon nach dem ersten Teil 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. Am Ende bedeutet das für den Betreiber mehr Produktionszeit und weniger Reparaturkosten.

Für die Ausgabe der Messwerte stehen zwei Optionen zur Auswahl. Variante C-A0 gibt wie oben beschrieben 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 eigene Analyse-Tools zur Optimierung der Spindelauslastung entwickeln, z.B. indem das vom Sensorring gemessene Einfederungskollektiv als Lastkollektiv visualisiert wird.

Erstmals wird der Maschinenbetreiber dann genau wissen, mit wie viel Prozent er seine Spindel bei der Bearbeitung mechanisch auslastet. Der Betreiber erhöht durch den sichereren Betrieb innerhalb des Grenzbereiches nicht nur seine Produktivität, sondern profitiert gleichzeitig von einer längeren Gebrauchsdauer der Spindel und von weniger Maschinenausfällen. Eine weitere Anwendung der gemessenen Verlagerungen über CAN-Bus besteht darin, diese zur Nullpunktkompensation zu verwenden. Ebenso kann die Überwachung einer maximalen Verlagerung zur Qualitätssicherung eingesetzt werden.

Ergänzendes zum Thema
Wälzlager im Zeitalter der Digitalisierung

Die Integration von Sensortechnologien in und an Wälzlagern stellt nicht nur eine Funktionserweiterung dar. Mit Hilfe digitalisierter Wälzlagerlösungen sind neue Überwachungsoptionen und Betriebsstrategien möglich. Daraus resultiert auch eine stärkere Verzahnung zwischen Wälzlager- und Maschinenhersteller aber auch zwischen Wälzlagerhersteller und Betreiber bzw. Instandhalter. Im Mittelpunkt des Interesses steht für alle beteiligten Unternehmen die Steigerung der Gesamtanlageneffektivität OEE während des Betriebs. Neuartige Lösungen, die die OEE signifikant verbessern, sind auch für Schaeffler mit einer weltweiten Fertigung von großer Bedeutung. Um die Kernkompetenz Wälzlagerung und der Erfahrung in der Fertigung dieser Komponente herum entwickelte Schaeffler daher in den vergangenen Jahren Lösungen, die weit über die Komponente Wälzlager hinausgehen und Kunden aus der produzierenden Industrie zukünftig angeboten werden. So präsentiert Schaeffler auf der EMO 2019 unter anderem ein Frühwarnsystem für spanende Produktionsprozesse als auch den Condition Analyzer zur automatisierten Analyse des Wälzlagerzustandes.

Zuverlässiger Betrieb von Ina-Kugel- und -Rollenumlaufeinheiten dank Sensorik

Schaeffler Durasense ist für einen sicheren Betrieb von Ina-Kugel- und -Rollenumlaufeinheiten konzipiert und überwacht den tribologischen Zustand der Linearführung auf Basis von Schwingungssignalen. Das System besteht aus Laufwagen mit applizierter Sensorik und einer Pre-Processing-Unit für bis zu sieben Sensoren. Sie beinhaltet das Schaeffler-Wälzlager-Know-how, wertet die Sensorsignale aus und generiert einen aussagefähigen Kennwert, den Schmierkennwert. Der bei den Messfahrten, z.B. Werkzeugwechsel, ermittelte Schmierkennwert beschreibt den aktuellen Schmierzustand des Laufwagens und sendet bei Überschreitung eines im Neuzustand (=Sollzustand) generierten Schmiergrenzwertes ein Signal an die Maschinensteuerung.

Schaeffler Durasense erkennt Veränderungen des Schmierzustandes am Laufwagen und somit eine ordnungsgemäße Nachschmierung ebenso wie eine ausbleibende Nachschmierung. Dies schließt sämtliche Fehlerursachen und Veränderungen ein, die auf den Schmierzustand Einfluss haben, wie z.B. alle Defekte am Schmiersystem, an Abdeckungen des Führungssystems bzw. den Einfluss von Kühlschmierstoff o.ä. Unvorhersehbare und vorzeitige Maschinenausfälle auf Grund einer mangelhaften oder nicht ausgeführten Nachschmierung und Wartung gehören damit der Vergangenheit an.

BUCHTIPPDas Buch „Industriesensorik“ beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Von Zentralschmierung auf manuelle Nachschmierung umstellen

Mit der Überwachung des Schmierzustandes über Schaeffler Durasense kann bei Linearachsen, die z.B. aufgrund von geringen Belastungen und Laufleistungen lediglich aus Sicherheitsgründen an die Zentralschmierung angeschlossen waren, auf eine manuelle Nachschmierung umgestellt werden. Das Maschinenlayout wird vereinfacht und die Kosten für die Verrohrung an die Zentralschmieranlage inklusive der Zumessventile eingespart. Schaeffler Durasense meldet gegebenenfalls eine notwendige Nachschmierung an die Steuerung noch vor dem nächsten, fix definierten Schmierintervall. Bei ungewöhnlich kurzen Nachschmierintervallen wird die frühzeitige Initiierung einer Fehlersuche ermöglicht. In hochautomatisierten Fertigungen mit einer starken Verkettung der Maschinen können so ganze Fertigungslinien vor ungeplanten Stillständen geschützt werden, was die Gesamtanlageneffektivität steigert.

EMO 2019: Halle 7, Stand C46

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