Durch unerwartete Ausfälle von Kugelgewindetrieben entstehen vor allem in der Serienproduktion schnell hohe Kosten. Als eines der häufigsten Ausfallkriterien gilt der Verlust der Vorspannung und damit das Auftreten von Spiel zwischen Spindel und Mutter aufgrund von adhäsivem bzw. abrasivem Verschleiß der Laufbahnen und Kugeln. Um dem vorzubeugen, startete Steinmeyer bereits vor Jahren ein Entwicklungsprojekt zur permanenten Überwachung des Zustands des Kugelgewindetriebes. 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“, erklärte Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei Steinmeyer. Die neue 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.
Bewertung des Betriebszustandes
Bisher existierte jedoch noch kein wirklich zuverlässiges System für die direkte Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben in der Vorschubachse einer Werkzeugmaschine während des Betriebes. Zwar sei man bereits in der Lage gewesen, indirekte Signale auszuwerten, daraus dann jedoch objektive Vorhersagen über den Zeitpunkt des Ausfalls oder über die Restlaufzeit des Kugelgewindetriebs zu treffen, sei äußert schwierig und unzuverlässig, ergänzte der Entwicklungsleiter. Die Idee der Ingenieure war es nun, 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 man 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“, so der Entwicklungsleiter.
Bild 3 (links): Versuch mit einer in drei Stufen unterschiedlich tief geschliffenen Spindel zur Auswertung des Signalhubs (links); Verlauf des Sensorsignals in den drei Stufen, blau Drehmomentsignal, rot Sensorsignal (rechts). – 
Bild 3 (rechts) –
Erfolgreiche Zusammenarbeit mit ifm electronics
Aus diesen Erkenntnissen entwickelten die Steinmeyer-Ingenieure anschließend gemeinsam mit ifm electronic ein entsprechendes Technologiekonzept. 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 ifm-Auswerteelektronik wandelt und analysiert das Messsignal und kommuniziert mit der Steuerung. Die Grenzwerte für die Warnmeldungen hängen von dem jeweiligen Anwendungsgebiet – wie beispielsweise die Hochpräzisionsbearbeitung oder die Schwerzerspanung – sowie dem Belastungskollektiv der Werkzeugmaschine ab. Die Maschinensteuerung verfügt über eine Ampelanzeige und die Möglichkeit, Warnmeldung auszugeben. Sie empfiehlt dem Bediener bzw. über eine Serververbindung direkt dem Maschinenhersteller einen anstehenden Austausch des Kugelgewindetriebes und macht diesen somit planbar. „Mit dieser Lösung ist die Messung sogar von überlagerten oder außergewöhnlichen Betriebskräften, beispielsweise bei einer Überlastfahrt oder einem Crash, problemlos möglich“, sagt Klöblen. Eine Historienaufzeichnung ermöglicht es, Rückschlüsse auf eine Überlastung der Maschine zu ziehen. Zudem hilft das Zustandsüberwachungssystem, die Schmierung auf die speziellen Erfordernisse durch anwendungsspezifische Belastungskollektive zu optimieren.
