Von der optimalen Funktion der Spindel hängt maßgeblich die Leistungsfähigkeit einer Werkzeugmaschine ab. In den vergangenen Jahren hat sich die Geschwindigkeit von Frässpindeln allerdings stetig erhöht. Dadurch ist auch ihre mechanische Beanspruchung stark gestiegen. Vor diesem Hintergrund wird die kontinuierliche Überwachung der Komponenten immer wichtiger. Spindelhersteller verbauen in ihren Produkten deshalb schon seit einiger Zeit Technologie zur Erfassung von Betriebszustandsdaten. Der Automatisierungsspezialist Amo aus dem ober­österreichischen St. Peter am Hart hat einen inkrementellen Spindelgeber entwickelt, der mehr Daten erfassen soll als vergleichbare Produkte am Markt.

Der WMK 3010S misst die Position der Spindel und liefert zudem auch periodische, zustandsbasierte und zustandsgetriggerte Betriebszustandsdaten. Zu den periodischen Daten zählen zum Beispiel Informationen über die Laufleistung der Achse während der gesamten Einsatzdauer, aber auch die Anzahl der Werkzeugwechsel oder der Hübe. Mit zustandsbasierten Daten sind Extremwerte wichtiger Parameter gemeint, die während der Betriebszeit aufgetreten sind. Zustandsgetriggerte Daten umfassen einen Datensatz mit allen wichtigen Informationen, der beim Über- oder Unterschreiten einer vorher festgelegten Signalamplitude oder Betriebstemperatur automatisch abgespeichert wird.

Einfacher Einbau, flexible ­Datenauswertung

Der Anwender kann die Aufzeichnung der Daten – indem er die Darstellung der Werte auf der X-Achse individuell festlegt – so einstellen, dass im Anschluss eine optimale Analyse, beispielweise in Form von Histogrammen, möglich ist. Zudem lassen sich verschiedene Parameter wie zum Beispiel der Drehzahlbereich oder der Temperaturbereich über das Diagnosetool STU-60 konfigurieren. Die Betriebszustandsdaten werden nach der Messung in einem nichtflüchtigen Speicher abgelegt, der sich direkt im Gerät befindet. Mithilfe des Diagnosetools sowie der Software Amo-Check werden die Daten dann offline ausgelesen und analysiert. Sie lassen sich im Anschluss auch in Form von Tabellen und Histogrammen visualisieren.

Der Spindelgeber ist modular und kompakt aufgebaut: Er besteht aus einem Maßbandring (WMR 3010A) sowie einem Abtastkopf. „Durch diese Konstruktionsweise kann der Spindel- oder Werkzeugmaschinenhersteller den Geber schnell und einfach montieren“, so Engelbert Hager, Kaufmännischer Leiter bei Amo. „Das bieten die Wettbewerbsprodukte in der Form nicht.“

Hochgenaue Messung der ­Spindelposition

Der inkrementelle Edelstahlmessring des Spindelgebers ist mit einer hochgenauen, fotolithografisch geätzten, periodischen Teilung ausgestattet. Die Maßverkörperung bietet eine Teilungsperiode von 1.000 µm sowie Strichzahlen von 192 bis 512 Teilungsstrichen pro Umdrehung. Das entspricht einem Bereich des Messringdurchmessers von rund 61 mm bis 163 mm. Zusätzlich dazu verfügt der Maßbandring aber noch über eine Referenzmarke, die von dem integrierten Abtastkopf induktiv abgetastet wird.

Messring und Abtastkopf bilden zusammen das Amosin-Messsystem. Es besteht neben der Maßverkörperung aus einer in den Messkopf integrierten planaren Spulenstruktur, die auf einem Substrat in Mikro-Multi­layer-Technik gefertigt wird. Dabei sind die einzelnen Hauptelemente mit Primär- und Sekundärspulen in Messrichtung gestreckt. Die relative Bewegung in Messrichtung zwischen Sensorstruktur im Abtastkopf und der Maßverkörperung ändert periodisch die Gegeninduktivität der einzelnen Spulen und erzeugt zwei sinusförmige 90°-phasenverschobene Signale (Sin und Cos). Da die Abtastung mithilfe von Induktion und somit berührungslos erfolgt, ist Verschleiß am Gerät ausgeschlossen.

Verkapselung schützt Elektronik und Sensoren

Die gesamte Auswerteelektronik und die Sensorik des Gebers sind ins Gehäuse integriert, sodass für den Einbau wenig Platz benötigt wird. Eine Verkapselung schützt Elektronik und Sensoren gegen Staub, Schmutz und Spritzwasser entsprechend der Schutzklasse IP67. Diese Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen und die hohe Signalgüte führen dazu, dass nach der Signalkonditionierung in der Auswertelektronik geringe Abweichungen von der Ideal-Sinusform (Oberwellenanteil) bleiben.

Mechanischer Fehlerausschluss

Für die Baureihe WMK 3010S in Verbindung mit den Maßbandringen WMR 3010A bietet Amo dem Anwender zudem eine über Berechnungen und Versuche abgesicherte Möglichkeit zum Geräteanbau mit mechanischem Fehlerausschluss. Unter Einhaltung der hierfür erforderlichen Montageanforderungen und Einsatzbedingungen liegt ein mechanischer Fehlerausschluss für die mechanische Befestigung von Abtastkopf und Messring nach EN 61 800-5-2, Tabelle D8 vor. Von dem neuen induktiven Spindelgeber profitieren Maschinenbetreiber und OEMs gleichermaßen. Der WMK 3010S ermöglicht zum einen eine Verringerung der Ausfallzeiten, denn Unternehmen haben bei jeder Wartung den Betriebszustand ihrer Fräs- und Drehmaschinen im Blick. Sie erkennen auf diese Weise Auffälligkeiten an der Spindel, bevor teure Schäden entstehen.

Zum anderen eröffnet der Geber Spindel- und Maschinenherstellern ein zusätzliches attraktives Geschäftsfeld: die Zustandsüberwachung im Auftrag der Maschinenbetreiber. Mit dieser Dienstleistung sichern sich OEMs kontinuierliche Einnahmen und stärken die Kundenbindung. Der Geber erleichtert ihnen zudem die Arbeit im Servicefall, denn seine gesammelten Daten machen die langwierige Suche nach einer Schadens­ursache überflüssig.

Autor
Engelbert Hager, Kaufmännischer Leiter