Stillstände sind planbar

Spezial Antriebstechnik

Kugelgewindetriebe – Ausfallende Kugelgewindetriebe bedeuten ungeplante Stillstandzeiten und teils hohe Kosten. Um dem vorzubeugen, entwickelte Steinmeyer ein Konzept, bei dem der Zustand des Kugelgewindetriebs permanent überwacht wird.

21. August 2018

Durch unerwartete Ausfälle von Kugelgewindetrieben entstehen vor allem in der Serienproduktion schnell hohe Kosten. Das kann sich zum Beispiel in der Vorschubachse einer Werkzeugmaschine abspielen. Als eines der häufigsten Ausfallkriterien gilt der Verlust der Vorspannung und damit das Auftreten von Spiel zwischen Spindel und Mutter aufgrund von adhäsivem beziehungsweise abrasivem Verschleiß der Laufbahnen und Kugeln.

Um dem vorzubeugen, startete die August Steinmeyer GmbH & Co. KG bereits vor Jahren ein Entwicklungsprojekt zur permanenten Überwachung des Zustands des Kugelgewindetriebs. Eine wesentliche Kenngröße für die Qualität eines Kugelgewindetriebs stellt die Vorspannung der Mutter auf der Spindelwelle dar: Sie ist eine notwendige Voraussetzung für die Leistungsfähigkeit des Kugelgewindetriebs, beispielsweise für die Spielfreiheit, Positioniergenauigkeit oder Steifigkeit. »Ohne die Vorspannung schwingt die Achse auf und es werden weder eine ausreichende Positioniergenauigkeit noch gute Oberflächen bei der Bearbeitung erreicht«, erklärt Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei Steinmeyer, die Ausgangslage.

Die von Steinmeyer entwickelte Technik der Zustandsüberwachung eines Kugelgewindetriebs zielt darauf ab, die Vorspannung der Mutter auf der Spindelwelle durchgehend kontrollieren zu können. Dazu wird das Niveau der Vorspannung im Neuzustand gemessen und anschließend die Abnahme über die Lebensdauer permanent aufgezeichnet und ausgewertet. Durch die Definition individueller Grenzwerte lassen sich Warnmeldungen generieren, die ausgegeben werden, wenn die Vorspannung unter einen vorgegebenen Grenzwert sinkt. »Dies eröffnet die Möglichkeit, einen geplanten Austausch in Ruhe vorzubereiten und durchzuführen. Gleichzeitig lassen sich damit Kosten aufgrund von Stillstandzeiten, Ersatzteilbeschaffung und Monteureinsätzen minimieren«, erläutert Klöblen die Vorteile.

 Bisher existierte jedoch noch kein wirklich zuverlässiges System für die direkte Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben in der Vorschubachse einer Werkzeugmaschine während des Betriebs. Zwar sei man laut Klöblen bereits in der Lage gewesen, indirekte Signale auszuwerten, daraus dann aber objektive Vorhersagen über den Zeitpunkt des Ausfalls oder über die Restlaufzeit des Kugelgewindetriebs zu treffen, sei äußert schwierig und unzuverlässig.

Vorspannung messen

Die Idee der Steinmeyer-Ingenieure war es, eine Messung der Vorspannung im Betrieb nahe an der Kontaktzone zwischen Kugel und Mutter durchzuführen, da direkt in diesem Bereich der Verschleiß des Kugelgewindetriebs stattfindet. Mehrere Grundlagenversuche konnten diesen Ansatz verifizieren. Dafür fertigte das Unternehmen spezielle Spindelwellen, bei denen das Spindelgewinde in drei unterschiedlichen Tiefen eingebracht wurde. Anschließend wurde das Leerlauf-Drehmoment der Mutter zur Erfassung der Vorspannung gemessen. Es ergaben sich dabei drei deutlich abgegrenzte Stufen. Die Erkenntnisse aus diesen Vergleichsmessungen waren eindeutig und reproduzierbar: »Die Auswertung des Sensorsignals korreliert eindeutig mit den Vorspannungsstufen aus der Messung des Leerlauf-Drehmoments«, sagt Klöblen.

Aus diesen Erkenntnissen entwickelten die Steinmeyer-Ingenieure anschließend gemeinsam mit Sensorhersteller IFM electronic das entsprechende Technologiekonzept »Guard Plus«. Dabei überwachen Sensoren des Messtechnik-Spezialisten im Kugelgewindetrieb von Steinmeyer die Vorspannung und Temperatur direkt an der Wälzkontaktzone. Somit erfassen sie die aktuell wirkende Kraft, mit der die Kugel in der Laufbahn anliegt. Änderungen der Vorspannung im Betrieb sind bis nahezu in den spielbehafteten Bereich messbar.

Die Auswerteelektronik von IFM wandelt und analysiert dieses Messsignal und kommuniziert mit der Steuerung. Die Grenzwerte für die Warnmeldungen hängen von dem jeweiligen Anwendungsgebiet – wie beispielsweise der Hochpräzisionsbearbeitung oder der Schwerzerspanung – sowie dem Belastungskollektiv der Werkzeugmaschine ab. Die Maschinensteuerung verfügt über eine Ampelanzeige und die Möglichkeit, Warnmeldung auszugeben. Sie empfiehlt dem Bediener beziehungsweise über eine Serververbindung direkt dem Maschinenhersteller einen anstehenden Austausch des Kugelgewindetriebs und macht diesen planbar.

»Mit dieser Lösung ist die Messung sogar von überlagerten oder außergewöhnlichen Betriebskräften, beispielsweise bei einer Überlastfahrt oder einem Crash, problemlos möglich«, sagt Wolfgang Klöblen. Eine Historienaufzeichnung ermöglicht es dabei, Rückschlüsse auf eine Überlastung der Maschine zu ziehen. Und schließlich hilft das Zustandsüberwachungssystem, die Schmierung auf die speziellen Erfordernisse durch anwendungsspezifische Belastungskollektive zu optimieren. Mit dem neuen Zustandsüberwachungssystem von Steinmeyer lässt sich in der Praxis dank der Planbarkeit von Serviceeinsätzen also eine hohe Kostenersparnis erreichen. mk

Erschienen in Ausgabe: 06/2018