Die Zustandsüberwachung der Spindel – vor allem durch Schwingungsanalyse – ist der wirksamste Weg, ungeplante Stillstände von CNC-Drehmaschinen zu vermeiden, denn Spindelprobleme gehören zu den Hauptursachen für Ausfallzeiten in der Fertigung. Dieser Artikel erläutert, warum Spindellager die empfindlichsten Bauteile sind, welche Überwachungstechniken sich eignen und wie Sensemore mit einem Trigger-Gerät reproduzierbare Messungen am Ende jeder Bearbeitung ermöglicht.
Werkzeugmaschinen sind seit vielen Jahren das Rückgrat vieler Fertigungsindustrien. Auch Werkzeugmaschinen spielen heutzutage eine wichtige Rolle in der Weltwirtschaft. Diese Maschinen, die komplexe Designs durch die Verarbeitung von Materialien unterschiedlicher Härte in Produkte umwandeln, müssen gewartet werden, um Leistung, Qualität und letztendlich Gewinn zu gewährleisten. Die Spindeleinheit von CNC-Drehmaschinen beeinflusst die Zuverlässigkeit, Gesamtproduktion Effizienz und Stabilität der Maschine. Während der Bearbeitung ist die Spindel extremen Belastungen und thermischen Bedingungen ausgesetzt. Die Schnittkräfte werden statisch und dynamisch über das Werkzeugsystem auf die Spindellager übertragen. Probleme in der Spindel sind eine der Hauptursachen für Ausfallzeiten von CNC-Drehmaschinen in der Fertigungsindustrie. Laut einer in Deutschland durchgeführten Studie, bei der Wartungsinformationen von 250 Werkzeugmaschinen in der Automobilindustrie gesammelt wurden, gibt es vier Hauptgründe, die zum Stillstand von Werkzeugmaschinen führen. Davon sind Fehlfunktionen der Spindel- und Werkzeugwechsler Ausrüstung für 26 % der Ausfallzeiten verantwortlich. Und wie in der Grafik zu sehen ist, ist dies das zweitgrößte Problem nach Antrieb Sachs Ausfällen. Aufgrund der hohen Kosten von Spindel Stillstandszeiten ist es in der Fertigungsindustrie üblich, für kritische Werkzeugmaschinen im Produktionssystem eine Ersatzspindel vorzuhalten. So kann eine defekte Spindel schnell ausgetauscht und an eine Spindel Reparatur Werkstatt geschickt werden. Dies minimiert die Reparaturzeit und damit die Nebenkosten.
Abb. 1 Maschinenfehlertypen
Angesichts der Tatsache, dass Werkzeugmaschinen die produktivsten Produktionsanlagen sind, wird erwartet, dass sie ihre maximale Kapazität ausschöpfen und Produktionsausfälle durch ungeplante Reparaturkosten, Ausfallzeiten oder Qualitätsprobleme vermeiden. Daher ist es in hocheffizienten Produktionssystemen von größter Bedeutung, sie in optimalem Zustand zu halten. Diese Situation kann durch eine zustandsbasierte Wartungsstrategie für kritische Komponenten der Werkzeugmaschine erreicht werden. Dank dieser Strategie kann die Wartungsaufgabe entsprechend dem tatsächlichen Wartungsbedarf der Ausrüstung im Voraus geplant werden. Aus diesem Grund ist ein angemessener Wartungsplan, der die Zustandsüberwachung der Spindeln umfasst, wichtig, um Ausfallzeiten und Gesamtzykluskosten zu reduzieren und die Lebensdauer der Werkzeugmaschine zu erhöhen.
Zustandsüberwachung an Spindeln
Bei der zustandsbasierten Überwachung gibt es verschiedene Überwachungstechniken, um mögliche Ausfall Zustände von Komponenten zu überwachen. Dabei kommen Ölanalyse, Thermografie, Ultraschall und Vibration am häufigsten zum Einsatz. Jede dieser Techniken verfügt über unterschiedliche Fähigkeiten zur Vorhersage von Startfehlern. Wie wir in unserem vorherigen Blog zur Zustandsüberwachung in der P-F-Kurve erwähnt haben, können fehlerhafte Maschinen einen Ausfall durch erhöhte Vibrationspegel signalisieren, bevor Schadstoffpartikel im Öl erkannt werden. Dank ihrer Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit ist die Schwingungsanalyse bei Werkzeugmaschinen zu einer der am häufigsten verwendeten Methoden für rotierende Geräte geworden. Die Vibrationsüberwachung erkennt Verschlechterungen wie Verschleiß, Unwucht, Fehlausrichtung und Ermüdung an Teilen, die einer Rotations- oder Hin- und Herbewegung ausgesetzt sind.
Abb. 2 CNC-Drehmaschinenspindel
Werkzeugmaschinenspindeln sind komplexe, empfindliche Baugruppen mit einer beträchtlichen Anzahl von Komponenten. Jeder von ihnen spielt eine entscheidende Rolle für die Funktionalität der Spindel. Die Einzelleistung der Komponenten trägt in gewissem Maße zur Gesamtleistung der Spindel bei. Lager in Werkzeugmaschinenspindeln sind in der Praxis die empfindlichsten Bauteile. Folglich werden alle größeren Probleme normalerweise durch die Lager reflektiert und erkannt. In den meisten Fällen beeinträchtigen andere Probleme die Leistung und Lebensdauer von Lagern. Daher sind Lagerprobleme die häufigsten Fehlfunktionen der Spindel. Die Lebensdauer des Rollenlagers (L10) ist eine nominelle Berechnung in der Entwurfsphase, bei der nicht alle Faktoren berücksichtigt werden, die sich auf die Lebensdauer des Lagers auswirken können. Aufgrund verschiedener statischer und dynamischer Belastungen wie Arbeiten mit variablen Drehzahlen, Schmier Bedingungen, Vibrationen bei der Bearbeitung, Unwucht und Montagetoleranzen endet die Lebensdauer des Wälzlagers vor dem berechneten Zyklus. Daher ist die kontinuierliche Zustandsüberwachung der Spindeln von größter Bedeutung, um schwerwiegende Stillstände und große Schäden an der Maschine zu verhindern.
Fallstudie
Wie wir oben gerade erläutert haben, ist die Überwachung des Zustands der Spindeln für CNC-Maschinen von großer Bedeutung. In der Industrie werden solche Studien meist alle drei bis vier Monate durchgeführt oder der Gerätezustand mit den eingebauten Temperatursensoren in der Schleifscheiben Spindel überwacht. Dennoch können solche Wartungsstrategien auf lange Sicht kostspielige Folgen haben. Daher ist die zustandsorientierte Wartung die effektivste Methode zur Erzielung maximaler Leistung. An diesem Punkt überwachen Anwendungen in der Industrie Systeme, indem sie in bestimmten Zeitintervallen Messungen durchführen. Diese Technik stellt keinen sehr anwendbaren Prozess dar, da nicht bekannt ist, ob die CNC-Maschine in diesen Zeitintervallen arbeitet oder nicht. Darüber hinaus machen Parameter, die je nach Anwendung variieren, wie Schlagmesser, Bearbeitungsfläche und Drehzahlen, die Situation noch chaotischer. Sensemore löst dieses Problem mit dem Trigger-Gerät. Der Trigger sendet den Messauftrag an den Sensor, indem er die 5-V-Signale mit einem Code an den Empfänger sendet, der am Ende jedes Vorgangs zurückgegeben wird. So können die Schwingungen einer CNC-Drehmaschine in der Schleifscheiben Spindel am Ende jeder Bearbeitung überwacht werden, und zwar so, dass die Parameter bei jeder Messung gleich bleiben.
Wie oben erwähnt, verändern verschiedene Faktoren wie das Arbeiten mit variablen Geschwindigkeiten, unterschiedliche Arten von Bearbeitungs Werkzeugen und Materialien die Vibration Eigenschaften, die in der Schleifscheiben Spindel auftreten können. Es wäre ungenau, aus diesen Messungen Rückschlüsse auf den Zustand der Maschinen zu ziehen. Aus diesem Grund führt ein kurzzeitiges Betreiben der Schleifspindel mit konstanter Drehzahl am Ende jeder Bearbeitung und die Durchführung von Vibrationsmessungen während dieses Vorgangs zu einem korrekten Trend, da dieser innerhalb bestimmter Randbedingungen liegt. An diesem Punkt sendet sie dank des der CNC-Drehmaschine hinzugefügten Codes nach der Bearbeitung jedes Teils ein 5-V-Signal an das Sensemore-Trigger-Gerät. Der Sensemore-Trigger gibt den Messauftrag vor, indem er den Wired mit dem empfangenen Signal auslöst. Der gesamte Vorgang ist in nur fünf Sekunden abgeschlossen und die Analysen werden in der Sensemore-Cloud-Anwendung durchgeführt. Heutzutage nimmt der menschliche Faktor in der Branche aufgrund der fortschreitenden Technologie immer weiter ab und alle Herstellungs-, Wartungs- und Qualitätsprozesse werden automatisiert durchgeführt. Vibrationsmessungen, insbesondere in Wartungs- und Qualitätskontrolle Prozessen, beginnen, mit dieser Technologie Schritt zu halten. Andernfalls führen Vibrationsmessungen zu einem erheblichen Arbeits- und Zeitverlust. Dank der tragbaren Beschleunigungsmesser, der anwendungsspezifischen Hardware und des von ihnen entwickelten cloud basierten Analyse Programms bietet Sensemore einfachere und zuverlässigere Wartungs- und Qualitätskontrolle Prozesse.
Weiterführende Literatur
Häufig gestellte Fragen
Warum ist die Zustandsüberwachung der Spindel bei CNC-Maschinen so wichtig?
Die Spindel ist während der Bearbeitung extremen Belastungen und thermischen Bedingungen ausgesetzt, und Spindelprobleme zählen zu den Hauptursachen für Ausfallzeiten von CNC-Drehmaschinen. Laut einer deutschen Studie mit 250 Werkzeugmaschinen der Automobilindustrie sind Fehlfunktionen von Spindel und Werkzeugwechsler für 26 % der Stillstandszeiten verantwortlich.
Welche Überwachungstechniken eignen sich für Werkzeugmaschinenspindeln?
Am häufigsten kommen Ölanalyse, Thermografie, Ultraschall und Schwingungsanalyse zum Einsatz. Die Schwingungsanalyse hat sich wegen ihrer Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit durchgesetzt: Sie erkennt Verschleiß, Unwucht, Fehlausrichtung und Ermüdung an rotierenden Teilen und signalisiert einen drohenden Ausfall oft früher, als Schadstoffpartikel im Öl nachweisbar sind.
Warum fallen Spindellager vor ihrer berechneten Lebensdauer aus?
Die nominelle Lagerlebensdauer L10 wird in der Entwurfsphase berechnet und berücksichtigt nicht alle Einflussfaktoren. Variable Drehzahlen, Schmierbedingungen, Bearbeitungsvibrationen, Unwucht und Montagetoleranzen belasten die Wälzlager zusätzlich, sodass ihre Lebensdauer in der Praxis früher endet als berechnet.
Wie löst Sensemore das Problem schwankender Messbedingungen an CNC-Drehmaschinen?
Ein Trigger-Gerät erhält nach jeder Bearbeitung ein 5-V-Signal aus dem CNC-Programm und löst den Sensor aus, während die Spindel kurz mit konstanter Drehzahl läuft. So bleiben die Parameter bei jeder Messung gleich, der gesamte Vorgang dauert nur fünf Sekunden, und die Analyse erfolgt in der Sensemore-Cloud-Anwendung.
