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DER KONSTRUKTEUR 1-2/2018

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SMARTE KOMPONENTEN

SMARTE KOMPONENTEN SPINDELLAGER MIT WEITBLICK SPECIAL Spindellager, die ihren Zustand und den ihrer Umgebung wahrnehmen, analysieren und notwendige Reaktionen rechtzeitig auslösen können, das ist längst kein Science-Fiction- Szenario mehr. Eine erste Vorserien-Baugröße können Maschinenbauer bereits erproben. Mit einer neu entwickelten integrierten Sensorik in Spindellagern zur Überwachung von Hauptspindeln präsentierte Schaeffler auf der EMO 2017 ein neuartiges System zur Steigerung der Maschinenverfügbarkeit, Produktivität und Qualität von Werkzeugmaschinen. Der Einsatz dieses Systems wird die Zahl der Spindelausfälle stark reduzieren und gleichzeitig die Gebrauchsdauer der Spindeln verlängern. Der größte Anteil an Werkzeugmaschinen-Ausfällen ist auf defekte Spindeln zurückzuführen, insbesondere auf Spindellagerschäden verursacht durch Crash (Kollision) oder andauernde aber unentdeckte Überlastung. Beispielsweise kann ein Auffahren des Werkzeugs auf das Werkstück zur Beschädigung der Spindellager und weiterer Komponenten in der Spindel führen. Im Fräsbetrieb erzeugt die Kombination von hohen Radiallasten, lang auskragenden Werkzeu- gen und hohen Drehzahlen speziell am werkzeugnahen Spindellager große Belastungen und ungünstige kinematische Verhältnisse. In Extremfällen sind dann kurzfristige Lagerausfälle möglich. Aus diesem Zusammenhang entwickelten die Schaeffler-Ingenieure ein System mit dem Ziel, Spindel-Ausfälle zu reduzieren, indem eine sehr schnelle Abschaltung der Spindel bei Crash-Situationen möglich wird. Darüber hinaus versetzt das System den Maschinenbetreiber in die Lage, die beschriebenen ungünstigen Betriebsbedingungen rechtzeitig zu erkennen und seinen Bearbeitungsprozess dann gezielt zu verändern. MESSTECHNIK KOMBINIERT MIT WÄLZLAGER- KNOW-HOW Das komplett neu und spezifisch für diesen Einsatz entwickelte Sensorsystem misst mit einer hohen Auflösung die Verlagerung der Spindelwelle unter Last in fünf Raumrichtungen – drei translatorisch und zwei rotatorisch. Daraus sind mit dem entsprechenden Wälzlager-Know-how die kinematischen Bedingungen im Lager und daraus die betriebsrelevanten Größen wie Pressung, Bohr-Roll- Verhältnis und Käfigtaschenspiel eindeutig berechenbar. Übersteigen die gemessenen 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. 48 DER KONSTRUKTEUR 1-2/2018

- SMARTE KOMPONENTEN Das Sensorsystem misst die Verlagerung der Spindelwelle unter Last in fünf Raumrichtungen www.DerKonstrukteur.de „DAS INTELLIGENTE SENSORLAGER ZEIGT DEN MEHRWERT MECHATRONISCHER KONZEPTE“ Dr. Michael Döppert, Chefredakteur Integration ist der Weg zu smarten Produkten, wie dem Sensorlager. Hier werden Sensorik- und Wälzlager-Know-how in einem Produkt integriert. Mechanik-, Elektronikund Software-Funktionalitäten wirken in einem Subsystem auf traditioneller Komponentenebene zusammen. – Und das nicht zum Selbstzweck, sondern mit dem Ziel, die Performance der Produktionsmaschine auf eine neue Evolutionsstufe zu bringen. Der Schwellenwert lässt sich auch für andere Antriebskomponenten individuell festlegen, die eine niedrigere Belastungsgrenze als die Spindel haben und deren Belastung mit der der Spindel korreliert. Eine weitere Besonderheit in Zeiten des Cloud-Computing: Die gesamte Software und alle erforderlichen Algorithmen sind in die Sensorik integriert. Das bedeutet, es sind keine weiteren Komponenten für das System notwendig. Das System ist lokal funktionsfähig und gibt ein individualisiertes Warnsignal an die Maschinensteuerung aus. So ist die Sensorik ist in der Lage innerhalb von 2 ms eine Überlastung an einem digitalen Ausgang anzuzeigen. Durch eine schnelle Abschaltung des Antriebs können so schwere Folgeschäden minimiert oder gar verhindert werden. In der Praxis werden dauerhafte mechanische Überlastungen der Spindellager z. B. beim Schruppen mit einem verschlissenen Werkzeug nicht sofort erkannt. Löst das System bei diesem oder einem ähnlichen Szenario ein Warnsignal aus, kann der Betreiber das Bearbeitungsprogramm sehr frühzeitig schon nach Teil 1 modifizieren und die Spindelbelastung durch ein neues Werkzeug, veränderte Schnittwerte oder auch durch einen besser geeigneten Werkzeugtyp reduzieren. Er erreicht damit geringere Spitzenlasten, reduziert deren Anzahl und profitiert so von einer längeren Gebrauchsdauer der Spindel. Am Ende bedeutet das für den Betreiber mehr Produktionszeit und weniger Reparaturkosten. EIN ANALYSE-TOOL IST DER NÄCHSTE SCHRITT Die Verlagerungsmessung mit dem Sensorring und der integrierten Belastungsüberwachung hat das Vorserien-Stadium erreicht und die erste Baugröße steht für Kunden zur praktischen Erprobung zur Verfügung. Darüber hinaus entwickeln die Schaeffler-Ingenieure ein neues Analyse-Tool für die Optimierung der Spindelauslastung. Bei diesem System wird nicht nur ein Schwellenwert ausgegeben, sondern das beim Bearbeitungsprozess vom Sensorring gemessene Einfederungs-Kollektiv über der Zeitachse visualisiert. So wird der Maschinenbetreiber erstmals mit sehr hoher Genauigkeit wissen, mit wieviel Prozent er seine Spindel bei welcher Bearbeitung mechanisch auslastet. Er kann nun noch gezielter den Bearbeitungsprozess der Maschine hinsichtlich Auslastung und Gebrauchsdauer verändern. Trotz hoher Spindelbelastung werden schädliche Überlastungen vermieden. Der Betreiber erhöht durch den sichereren Betrieb im Grenzbereich nicht nur seine Produktivität, sondern profitiert gleichzeitig von einer längeren Gebrauchsdauer der Spindel und von weniger Maschinenausfällen. www.schaeffler.de IMPRESSUM erscheint 2018 im 49. Jahrgang, ISSN 0344-4570 Redaktion Chefredakteur: Dr. Michael Döppert (md), M.A. Tel.: 06131/992-238, E-Mail: m.doeppert@vfmz.de (verantwortlich für den redaktionellen Inhalt) Stv. Chefredakteurin: Dipl.-Ing. (FH) Martina Heimerl (mh), Tel.: 06131/992-201, E-Mail: m.heimerl@vfmz.de Redakteurin: Dipl.-Geogr. Martina Laun (ml), Tel.: 06131/992-233, E-Mail: m.laun@vfmz.de Redaktionsassistenz: Angelina Haas, Tel.: 06131/992-361, E-Mail: a.haas@vfmz.de, Melanie Lerch, Petra Weidt, Ulla Winter (Redaktionsadresse siehe Verlag) Gestaltung Mario Wüst, Doris Buchenau, Anette Fröder, Sonja Schirmer Chef vom Dienst Dipl.-Ing. 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