antriebstechnik 5/2021

FORSCHUNG UND

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG WIRTSCHAFTLICHE ZUSTANDSÜBERWACHUNG VON KUGELGEWINDETRIEBEN Ungeplante Maschinenausfälle reduzieren die Produktivität und Wettbewerbsfähigkeit. Eine Ursache ungeplanter Ausfälle ist der verschleißbedingte Ausfall von Kugelgewindetrieben in Vorschubsachsen. Ein Ansatz zur Vermeidung von ungeplanten Ausfällen ist die Zustandsüberwachung der Komponente. Herausforderung hierbei ist eine exakte Vorhersage des Vorspannungszustands. Diesbezüglich eignet sich die multivariate Auswertung von Steuerungssignalen. Dies erhöht die Sensitivität der Zustandsüberwachung und ermöglicht es den Instandhaltungsbedarf rechtzeitig zustandsorientiert zu Identifizieren. Hierdurch können drohende Werkzeugmaschinenausfälle mit höherer Genauigkeit vorhergesagt werden. 38 antriebstechnik 2021/05 www.antriebstechnik.de

FORSCHUNG UND ENTWICKLUNG Untersuchungen der Ausfallursachen von Werkzeugmaschinen haben ergeben, dass bis zu 19 % aller Ausfälle von Werkzeugmaschinen auf den Kugelgewindetrieb (KGT) der Vorschubsachse zurückzuführen sind [FLEI07, KLEI11, SCHO09]. Eine Ausfallursache von Kugelgewindetrieben ist der Vorspannungsverlust infolge von stetigem, abrasiven Verschleiß der Wälzpartner [MAIE15]. Dieser führt zu einer verringerten Achsdynamik und Positioniergenauigkeit [BERT12]. Bei Kugelgewindetrieben mit Einzelmuttern erfolgt das Einstellen der Vorspannung mittels einem 4-Punkt-Kontakt der Wälzkörper, siehe Bild 01. Bei diesem Prinzip werden übergroße Wälzkörper (einige µm) in das System aus Mutter und Spindel eingesetzt. Das Wälzkörperübermaß definiert die Vorspannung des Kugelgewindetriebs. Mit steigender Vorspannung nehmen allerdings auch die Reibung und somit der Verschleiß zu. Verschleißbedingt wird der Wälzkörperdurchmesser kontinuierlich im Betrieb reduziert und die Vorspannung sinkt. Nach Unterschreitung einer anwendungs- und prozessspezifischen Vorspannung werden Kugelgewindetriebe infolge gesunkener Fertigungsqualität oder Achsdynamik als Ausfall klassifiziert [BERT12]. Die Herausforderung einer frühzeitigen Prognose des drohenden Ausfalls besteht darin, dass Signaländerungen subtiler im Vergleich zu Pitting Schäden oder dem Bruch eines Kugelumlenkstücks sind. Gleichzeitig ist eine konservative aber auch eine optimistische Angabe des Verschleißfortschritts mit erhöhten Kosten für den Betreiber verbunden. Die konservative Annahme führt zu einer frühzeitigen Instandsetzung der Kompetente; der restliche Abnutzungsvorrat wird nicht ausgenutzt. Ein als zu niedrig (optimistisch) bestimmter Verschleißfortschritt resultiert in einem ungeplanten Ausfall der Werkzeugmaschine. Genaue Kenntnisse der Kugelgewindetriebvorspannung sind deshalb Voraussetzung für die zustandsorientierte Instandhaltung sowie der Vermeidung ungeplanter Stillstandzeiten [BENJ95]. Es existiert eine Vielzahl unterschiedlicher Ansätze zur Überwachung von Kugelgewindetrieben. Walther unterteilt die Überwachung in modellbasierte und signalanalytische Verfahren [WALT11]. Bei beiden Verfahren können steuerungsinterne und externe Signale oder Messgrößen, z. B. Antriebsströme, Positionsabweichungen, Luftschall, Körperschall, Beschleunigung und Temperatur verwendet werden [HUF12, RAUE18]. Bei dem modellbasierten Verfahren wird ein Modell der Werkzeugmaschine, der Komponente oder des Schadens aufgebaut. Der Vorteil hierbei ist, dass eine quantitative Aussage zum Zustand aus dem Modell hervorgeht [WALT11]. Imiela entwickelte ein modellbasiertes Vorgehen, das die Abhängigkeit der axialen Eigenfrequenz von der Vorspannung zur Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben nutzt. Eine praktische Umsetzung seines Modells ist wegen der starken Abhängigkeit des Einsatzverhaltens nur unter bekannten Randbedingungen möglich [IMIE06, MAIE15]. Maier griff den Ansatz von Imiela auf und stellte gleichermaßen die mangelnde Sensitivität der Eigenfrequenzverschiebung zur Vorspannungsüberwachung fest [MAIE15]. Darüber hinaus modellierte er die dynamische Nachgiebigkeit des Antriebssystems nur mit geometrischen Größen des Kugelgewindetriebs. In seiner Arbeit betrachtete Maier nur geringe Verschleißzustände. Eine Übertragung des Ansatzes wurde von Ihm nicht bis zum verschleißbedingten Ausfall durchgeführt [MAIE15]. Die Einsatzfähigkeit für fortge- 01 01 Vorgespannte Einzelmutter mit 4-Punkt-Kontakt VERFAHREN ZUR ZUSTANDSÜBER- WACHUNG VON KUGELGEWINDETRIEBEN 02 Schritte der Zustandsüberwachung www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/05 39