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Spin­del­wis­sen

Eine Motor­spin­del ist eine direkt­an­ge­trie­bene präzise gela­gerte Welle mit inte­grier­ter Werk­zeug­schnitt­stelle. Die Motor­spin­del ist eine wich­tige Baugruppe vieler moder­ner Werk­zeug­ma­schi­nen.

Klas­si­sche Motorspindel

Meist sind Motor­spin­deln wälz­ge­la­gert und werden elek­trisch ange­trie­ben. Durch die direkte Kopp­lung des Antriebs mit der präzise gela­ger­ten Welle ist eine sehr genaue Bear­bei­tung des Werk­stücks mit hoher Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­keit möglich. Zur Bear­bei­tung eines Werk­stücks durch ein Werk­zeug über Rota­tion ist es uner­heb­lich, welches der beiden rotiert. Deshalb werden Motor­spin­deln, ebenso wie Spin­deln allge­mein, in werk­zeug­tra­gende und werk­stück­tra­gende unter­schie­den. Typi­scher­weise werden die werk­zeug­tra­gen­den Motor­spin­deln in Bohr‑, Schleif- und Fräs­ma­schi­nen einge­setzt, die werk­stück­tra­gen­den Motor­spin­deln sind eher bei Dreh­ma­schi­nen zu finden. Neben dem Antrieb und der Lage­rung der Welle zählt die Werk­zeug­schnitt­stelle zu den wich­tigs­ten Kompo­nen­ten einer moder­nen Motor­spin­del. Das Werk­zeug wird auto­ma­tisch gewech­selt und durch ein Spann­sys­tem fixiert. Deshalb ist die Motor­spin­del heut­zu­tage die zentrale Baugruppe einer Werk­zeug­ma­schine und maßgeb­lich für deren Leis­tung und Genau­ig­keit verant­wort­lich. Auf Grund des komple­xen Aufbaus und Zusam­men­spiels der einzel­nen Kompo­nen­ten sind Motor­spin­deln keine Stan­dard­pro­dukte sondern werden nach indi­vi­du­el­len Anfor­de­run­gen entwi­ckelt und produ­ziert. Haupt­ein­satz­be­rei­che der Motor­spin­del sind Bear­bei­tungs­zen­tren und CNC-Werk­zeug­ma­schi­nen aus den Berei­chen der Dreh-, Schleif- und Fräs­ma­schi­nenHSCHPC, Werk­zeug- und Formen­bau, sowie der Auto­mo­bil­pro­duk­tion und der Luftfahrt.

Geschichte

Die Spin­del (auch Haupt- oder Arbeits­spin­del genannt) ist ein histo­risch gewach­se­ner Begriff der in Bezug auf Werk­zeug­ma­schi­nen eine Welle mit inte­grier­ter Schnitt­stelle zur Aufnahme eines Werk­stücks oder eines Werk­zeugs bezeich­net. Diese Welle führt eine Rota­ti­ons­be­we­gung aus um das Werk­stück durch das Werk­zeug zu bear­bei­ten, wobei je nach Anwen­dung entwe­der das Werk­zeug (z. B. Fräs­ma­schine) oder das Werk­stück (z. B. Dreh­ma­schine) rotiert. Die gestie­ge­nen Anfor­de­run­gen an Werk­zeug­ma­schi­nen, vorran­gig im Bereich der Hoch­ge­schwin­dig­keits­zer­spa­nung, mach­ten es in den 80er Jahren nötig, die werk­zeug­tra­gen­den Spin­deln direkt anzu­trei­ben um eine präzi­sere Bear­bei­tung bei höhe­ren Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten zu ermög­li­chen. Die zu dieser Zeit einset­zen­den rasan­ten Entwick­lun­gen in den Berei­chen der Werk­zeug­geo­me­trien und ‑mate­ria­lien erlaub­ten bei der spanen­den Bear­bei­tung höhere Schnitt­ge­schwin­dig­kei­ten, was in höhe­ren Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten resul­tierte. Mit den konven­tio­nel­len Antriebs­tech­ni­ken, welche den Antrieb und die Arbeits­spin­del meist durch ein Getriebe und andere Über­tra­gungs­ele­mente koppel­ten, waren diese hohen Geschwin­dig­kei­ten kaum mehr, oder nur mit erheb­lich größe­rem Aufwand, zu gewähr­leis­ten. Paral­lel dazu wurden die ersten dreh­zahl­va­ria­blen Elek­tro­mo­to­ren entwi­ckelt, die zusam­men mit den Fort­schrit­ten bei Kugel­la­gern und Frequenz­um­rich­tern zur Entwick­lung der Motor­spin­del führ­ten. Um die nöti­gen Dreh­zah­len zu errei­chen war nun kein Getriebe mehr erfor­der­lich und statt­des­sen wurde die Spin­del direkt mit dem Antrieb gekop­pelt. In den 90er Jahren began­nen dann viele Werk­zeug­ma­schi­nen­her­stel­ler aufgrund der Krise in der Bran­che mit dem Outsour­cing ganzer Abtei­lun­gen. Dabei eignete sich die Motor­spin­del als unab­hän­gige Baugruppe sehr gut zur Ausla­ge­rung, wodurch sich Zulie­fe­rer auf die Entwick­lung von Motor­spin­deln spezia­li­sier­ten. Die kompakte Bauform, die einfa­che und sichere Wartung, die gerin­gere Geräusch­emis­sion und die Zulie­fer­be­reit­schaft von Spezi­al­fir­men sind weitere Vorteile der Motor­spin­del, wodurch sich ihr Einsatz­spek­trum inzwi­schen stark erwei­tert hat und nicht mehr nur auf das Feld der Hoch­ge­schwin­dig­keits­be­ar­bei­tung beschränkt.

Aufbau

Der grund­sätz­li­che Aufbau von Motor­spin­deln ist unab­hän­gig vom Herstel­ler viel­fach gleich. Gravie­rende Unter­schiede findet man in Abhän­gig­keit von der Anwen­dung, welche sich in die Funk­ti­ons­klas­sen Frässpin­deln, Werk­stückspin­deln und Innen­schleif­spin­deln eintei­len lassen. Beson­ders werk­stück­tra­gende Motor­spin­deln haben oft andere Anforderungen.

Gehäuse und Kühlung

Die äußere Form der Spin­del wird durch die Einbau­maße in der Werk­zeug­ma­schine bestimmt. Ein wesent­li­ches Merk­mal von Motor­spin­deln ist ihre kompakte Bauform, was sich posi­tiv auf den Platz­be­darf im Maschi­nen­bau­raum auswirkt. Infol­ge­des­sen muss für ausrei­chende Kühlung des Motors gesorgt werden, wozu sowohl Luft als auch Wasser Verwen­dung finden. Am häufigs­ten kommt eine im Gehäuse inte­grierte Wasser­küh­lung des Stators zum Einsatz

Welle

Das zentrale Element der Motor­spin­del ist die Arbeits­spin­del, eine Welle mit inte­grier­ter Werk­zeug­schnitt­stelle. Die Welle muss steif genug sein, um unter Einwir­kung radia­ler Kräfte nicht zu verbie­gen. Ziel ist eine möglichst hohe Stei­fig­keit, welche prin­zi­pi­ell vom Durch­mes­ser der Welle und vom Mate­rial abhängt. Ein größe­rer Durch­mes­ser führt aber wiederum zu einem höhe­ren Massen­träg­heits­mo­ment, was den Ener­gie­auf­wand für die Beschleu­ni­gung erhöht. Dane­ben spielt das dyna­mi­sche Verhal­ten der Welle eine wich­tige Rolle. Die rotie­rende Welle stellt mit Antrieb und Lage­rung ein schwin­gungs­fä­hi­ges System dar, welches bei Errei­chen seiner Reso­nanz­fre­quenz zu schwe­ren Schä­den führen kann. Zusätz­lich wird bei immer mehr Werk­zeug­ma­schi­nen eine innere Kühl­mit­tel­zu­fuhr benö­tigt. Das Kühl­mit­tel wird dabei über eine Dreh­durch­füh­rung in eine axiale Bohrung in der Welle bis zum Werk­zeug gelei­tet. Das Werk­zeug selber muss kleine Bohrun­gen enthal­ten, durch welche das Kühl­mit­tel austre­ten und dadurch das Werk­zeug kühlen kann. Zur zusätz­li­chen Schmie­rung der Bear­bei­tung können auch Kühl­schmier­mit­tel zum Einsatz kommen. Dane­ben wird immer öfter eine Zufüh­rung von Reini­gungs­luft gefor­dert, mit der etwaige Rück­stände der Bear­bei­tung, z. B. Späne, wegge­bla­sen werden können. Entwe­der durch eine sepa­rate Bohrung in der Welle oder durch Mitver­wen­den der Kühl­mit­tel­boh­rung, wobei das rest­li­che Kühl­mit­tel zuvor ausge­bla­sen werden muss.

Werk­zeug- bzw. Werkstückschnittstelle

Eine werk­zeug­tra­gende Arbeits­spin­del an einer Werk­zeug­ma­schine ist eigent­lich nur sinn­voll, wenn das Werk­zeug auch gewech­selt werden kann. Moderne Werk­zeug­ma­schi­nen sollen möglichst auto­ma­tisch arbei­ten und somit auch das Werk­zeug auto­ma­tisch wech­seln können. Anfor­de­rung ist deshalb eine so genannte Werk­zeug­schnitt­stelle, die eine sehr hohe Wieder­hol­ge­nau­ig­keit erlaubt, das heißt das glei­che Werk­zeug, welches zwei­mal hinter­ein­an­der einge­spannt wird, soll mit exakt der glei­chen Genau­ig­keit laufen. Diese Genau­ig­keit beim Laufen wirkt sich direkt auf die Genau­ig­keit der Bear­bei­tung aus. Dage­gen führt eine Unge­nau­ig­keit zu einer Unwucht, welche den gesam­ten Prozess beein­flus­sen und bei hohen Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten schwere Folgen haben kann.

Als Werk­zeug­auf­nahme hat sich im Wesent­li­chen der Steil­ke­gel und der Hohl­schaft­ke­gel durch­ge­setzt. Der Hohl­schaft­ke­gel hat beson­ders bei hohen Dreh­zah­len einige Vorteile, jedoch sind Steil­ke­gel­werk­zeuge bei den Anwen­dern noch immer weit verbrei­tet, weshalb der Steil­ke­gel nach wie vor Verwen­dung findet. Bei hohen Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten, wie sie zum Beispiel bei Werk­zeug­ma­schi­nen der Auto­mo­bil­in­dus­trie oder HSC-Anwen­dun­gen auftre­ten, wird man fast ausnahms­los Hohl­schaft­ke­gel finden.

Neben der Werk­zeug­auf­nahme besteht die Werk­zeug­schnitt­stelle einer leis­tungs­fä­hi­gen Motor­spin­del aus einem auto­ma­ti­schen Werk­zeug­span­ner, welcher die Aufgabe hat das Werk­zeug an der Spin­del zu fixie­ren. Hier­bei hat man die Wahl zwischen hydro­me­cha­ni­schen oder mecha­ni­schen, d. h. auf Feder­kraft basie­ren­den Syste­men. Dabei ist die robuste Ausfüh­rung des Teller­fe­der­span­ner nach wie vor mit großem Abstand das am häufigs­ten einge­setzte System. Das Lösen des Werk­zeu­ges erfolgt über eine hydrau­li­sche oder pneu­ma­ti­sche Löse­ein­heit, die im Still­stand gegen die Feder­kraft drückt und damit das Werk­zeug löst. Neu auf dem Markt sind Werk­zeug­span­ner mit einer Gasdruck­fe­der, aber diese befin­den sich zurzeit noch im Erprobungsstadium.

Analog zu werk­zeug­tra­gen­den Spin­deln besit­zen werk­stück­tra­gende Spin­deln eben­falls eine Schnitt­stelle, welche aber als Spann­fut­ter bezeich­net wird. Das Werk­stück wird jedoch selten auto­ma­tisch gewech­selt, da sich die zu bear­bei­ten­den Werk­stü­cke meist in der äußer­li­chen Form und der damit verbun­de­nen Fixie­rung unterscheiden.

Antrieb

Einseh­bare Motor­spin­del für Lehr­zwe­cke. Rotor und Stator sind gut zu erkennen.

Eine weitere wesent­li­che Kompo­nente der Motor­spin­del ist der Antrieb in Form eines Elek­tro­mo­tors. Hier­bei kommt das Wesen der Motor­spin­del als Direkt­an­trieb zum Vorschein, da zwischen Antrieb (Motor) und Abtrieb (Spin­del) kein Getriebe zur Über­set­zung wie bei fremd­an­ge­trie­be­nen Spin­deln vorhan­den ist. Die Motor­aus­le­gung bezüg­lich Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­keit und Dreh­mo­ment muss demnach direkt den gewünsch­ten Anfor­de­run­gen der Spin­del entsprechen.

Die maxi­male Leis­tung eines Motors ist direkt propor­tio­nal zum Stator­vo­lu­men, zugleich ist der Motor eine inte­grierte Kompo­nente und muss sich folg­lich nach den räum­li­chen, meist sehr kompak­ten, Dimen­sio­nen des Spin­del­kas­tens rich­ten. Hinzu kommt das Problem der Abwärme, welche sich mit der Dauer­leis­tung des Motors erhöht und durch eine adäquate Kühlung abge­führt werden muss. Aus diesen Grün­den ist eine Stei­ge­rung der Motor­leis­tung bei gege­be­nen räum­li­chen Verhält­nis­sen nur sehr schwer möglich und stößt schnell an ihre Gren­zen. Im Umkehr­schluss muss aus den gege­be­nen räum­li­chen Verhält­nis­sen ein Opti­mum an Motor­leis­tung abver­langt werden, was die wesent­li­che Aufgabe bei der Konzep­tion des Motors darstellt. Ein Ansatz hier­bei ist die Quali­tät des Strom­si­gnals zu erhö­hen, für die der Frequenz­um­rich­ter verant­wort­lich ist. Durch die Opti­mie­rung des Frequenz­um­rich­ters soll der Strom ein möglichst idea­les sinus­för­mi­ges Signal werden, was die Verlust­leis­tung redu­ziert und die Dauer­leis­tung des Motors erhöht. Welche Art von Motor letzt­end­lich verwen­det wird hängt ganz von der Anwen­dung ab. Synchron­mo­to­ren bieten sich haupt­säch­lich bei Spin­deln an, die mit nied­ri­gen Dreh­zah­len hohe Dreh­mo­mente umset­zen müssen. Hier kann bei glei­chem Motor­vo­lu­men und glei­chem Strom ein deut­lich höhe­res Moment bereit­ge­stellt werden. Eine weitere Anwen­dung für Synchron­mo­to­ren kann bei hoch­dy­na­mi­schen, schnell laufen­den Spin­deln gese­hen werden, welche nied­rige Dauer­leis­tun­gen abge­ben müssen. Asyn­chron­mo­to­ren haben ihre Vorteile insbe­son­dere im Bereich von „Stan­dard­mo­tor­spin­deln“, d. h. Spin­deln für Univer­sal­zen­tren mit Dreh­zah­len bis 20.000 1/min bei denen im unte­ren Bereich mit verhält­nis­mä­ßig hohen Dreh­mo­men­ten gear­bei­tet werden muss und trotz­dem auch eine ausrei­chende Leis­tung bei hohen Dreh­zah­len gefor­dert ist.

Lage­rung

Die Lage­rung der Welle hat eben­falls wesent­li­chen Einfluss auf das Schwin­gungs­ver­hal­ten des Systems und muss den Anfor­de­run­gen entspre­chend ange­passt werden. Im Spin­del­bau wurden bislang fast ausschließ­lich Schräg­ku­gel­la­ger, auch Spin­del­la­ger genannt, einge­setzt. Schräg­ku­gel­la­ger können neben Radi­al­kräf­ten auch einsei­tig wirkende Axial­kräfte aufneh­men, welche durch den Vorschub auftre­ten. Die hohen Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten der Welle sorgen in den Kugel­la­gern für hohe Flieh­kraft­be­las­tun­gen, weswe­gen inzwi­schen häufig Hybrid­ku­gel­la­ger (Kugel aus Kera­mik, Ringe aus Stahl) einge­setzt werden. Durch die Verwen­dung von Kera­mik (Sili­zi­um­ni­trid) bei den Kugeln kann die Festig­keit erhöht und die Dichte redu­ziert werden, wodurch die Flieh­kraft­be­las­tung abnimmt. Die Schräg­ku­gel­la­ger werden immer paar­weise einge­baut. Je nach Dreh­zahl und mecha­ni­scher Belas­tung werden die Lager unter­schied­lich gepaart, im einfachs­ten Fall in O‑Anordnung. Wegen der einfa­chen Hand­ha­bung ist der über­wie­gende Teil der Spin­deln nach wie vor dauer­fett­ge­schmiert. Zum Einsatz kommen meist nicht­to­xi­sche synthe­ti­sche Fette, deren Grund­öle dem Lager über eine sehr lange Zeit konti­nu­ier­lich zuge­führt werden. Für höhere Dreh­zah­len hat sich jedoch in den letz­ten Jahren die Ölluft­schmie­rung als geeig­ne­ter erwie­sen. Dabei wird eine extrem kleine Menge hoch­vis­ko­sen Öles perma­nent einem Luft­strom beigefügt, der das Öl direkt in das Lager trans­por­tiert. Nötig sind hierzu eine Ölzu­füh­rungs­boh­rung in der Spin­del sowie ein Ölluft­ag­gre­gat an der Maschine. Trotz des höhe­ren Aufwan­des ist die Ölluft­schmie­rung im Bereich sehr hoher Dreh­zah­len zurzeit unverzichtbar.

Senso­rik

Da moderne Motor­spin­deln in hoch­pro­duk­ti­ven Maschi­nen einge­setzt werden, müssen even­tu­ell auftre­tende Fehl­funk­tio­nen früh­zei­tig erkannt und an die Maschi­nen­steue­rung weiter­ge­ge­ben werden. Dabei wird neben der Motor­tem­pe­ra­tur auch die Posi­tion des Werk­zeug­span­ners erfasst. Die Verwen­dung von gere­gel­ten Moto­ren macht eine Erfas­sung der Rotor­lage notwen­dig. Neben diesen Stan­dard­sen­so­ren gibt es eine Viel­zahl von Optio­nen, ange­fan­gen von der Lager­tem­pe­ra­tur­über­wa­chung über die Aufzeich­nung des Schwin­gungs­zu­stan­des bis hin zur Erfas­sung der genauen Werkzeugposition.

Quelle: Wiki­pe­dia

Als Spin­del­la­ger werden einrei­hige Schräg­ku­gel­la­ger mit einem Druck­win­kel zwischen 12° und 25° bezeich­net. Sie bestehen aus massi­ven Innen- und Außen­rin­gen sowie Massiv-Fens­ter­kä­fi­gen und sind nicht zerleg­bar. Im Vergleich zu ande­ren Lagern lassen sie sich durch klei­nere Kontakt­flä­chen besser schmie­ren. Aus diesem Grund haben sich die Spin­del­la­ger für die Lage­rung von schnell­dre­hen­den Haupt­spin­deln von Werk­zeug­ma­schi­nen durch­ge­setzt, welche sich gegen­über herkömm­li­cher Schräg­la­ger in der Genau­ig­keit und klein­ren Kontakt­flä­chen der Kugeln auszeich­nen. Um ein defi­nier­tes Abrol­len der Kugeln zu gewähr­leis­ten benö­ti­gen Spin­del­la­ger immer eine Vorspan­nung in axia­ler Rich­tung. Auf Grund gestie­ge­ner Anfor­de­run­gen, beson­ders an die Maxi­mal­dreh­zah­len, wurden Hoch­ge­schwin­dig­keits­la­ger (HS-Lager) und Hybrid­la­ger (HC-Lager) entwi­ckelt. Hybrid­la­ger enthal­ten Kugeln aus Kera­mik, welche eine gerin­ge­ren Dichte und einen höhe­ren E‑Modul als gängi­ger Wälz­la­ger­stahl aufwei­sen. Daraus erge­ben sich erhöhte Stei­fig­kei­ten bei glei­cher Vorspan­nung. Jedoch bedingt dies auch höhere Hertz´sche Pres­sun­gen und gerin­gere Trag­zah­len, da durch die gerin­gere elas­ti­sche Verfor­mung der Wälz­kör­per und Lauf­bahn auch eine klei­nere Druck­el­lipse in der Kontakt­flä­che entsteht, welche durch eine gerin­gere Vorspann­kraft redu­ziert werden kann. Der kera­mi­sche Werk­stoff hat in Verbin­dung mit Stahl sehr gute tribo­lo­gi­sche Eigen­schaf­ten, sodass sich ein verbes­ser­tes Reibungs­ver­hal­ten und auch ein verbes­ser­tes Verschleiß­ver­hal­ten im Vergleich zu den HS-Lagern erge­ben. Ein weite­res Poten­zial zur Stei­ge­rung der Dreh­zahl bietet der Kugel­durch­mes­ser. Aufgrund der gerin­ge­ren Umfangs­ge­schwin­dig­keit, klei­ne­ren Kontakt­flä­chen und gerin­ge­ren Masse sind daher Wälz­la­ger für höchste Dreh­zah­len mit einer großen Anzahl klei­ner Kugeln ausge­stat­tet. Die Schmie­rung der Spin­del­la­ger kann einer­seits als Lebens­dau­er­ge­schmierte und abge­dich­tete Fett­schmie­rung oder als Öl/ Öl-Luft­schmie­rung erfolgen.

Die Öl-Luft­schmie­rung kann dabei direkt über die Außen­ringe des Lagers oder durch einen zusätz­li­chen Schmier­ka­nal im Gehäuse erfol­gen. Die Wahl der Lager sowie der Schmie­rung ist stark vom Dreh­zahl­be­reich und der gefor­der­ten Stei­fig­keit in der Bear­bei­tung abhän­gig. Die Wahl der Lage­rung sollte daher immer durch den Einsatz­zweck defi­niert werden.

Quel­len:
Weck, M.+ Brecher, C.: Werk­zeug­ma­schi­nen Band 2, Konstruk­tion und Berech­nung VDI-Verlag, 8. neu bear­bei­tete Auflage, 2006
Bründ­lein, Esch­mann, Hasbar­gen, Weigand: Die Wälz­la­ger­pra­xis, Wies­ba­den, 1995

Als Stator (auch: Stän­der, vom latei­ni­schen stare = still­ste­hen) bezeich­net man den fest­ste­hen­den, unbe­weg­li­chen Teil eines Gerä­tes, insbe­son­dere wenn es auch einen Rotor gibt. Zum Beispiel in einem Elek­tro­mo­torGene­ra­torHydro­mo­tor oder einer Pumpe – im Gegen­satz zum beweg­li­chen Teil, dem Rotor (klas­sisch drehend) oder dem Trans­la­tor beim Line­ar­mo­tor.

Elek­tri­sches Gerät

Der Stator ist häufig zugleich das Gehäuse und besteht bei Elek­tro­mo­to­ren und Gene­ra­to­ren, außer bei Gleich­feld­ma­schi­nen, bis auf seltene Ausnah­men stets aus „geblech­tem Stahl“. Er dient hier als gemein­sa­mer Kern für die Induk­ti­ons­spu­len. Im Gegen­satz dazu liegt beim Glocken­an­ker-Motor und dem Ferra­ris­läu­fer­mo­tor der Stator teil­weise inner­halb des hohlen Ankers. Beim Außen­läu­fer­mo­tor befin­det sich der Stator voll­stän­dig inner­halb des Rotors.

Quelle: Wiki­pe­dia

Eine Dreh­durch­füh­rung ermög­licht Fluiden (Gasen, Flüs­sig­kei­ten) den abge­dich­te­ten Über­gang zwischen einem fest­ste­hen­den Körper und einem rotie­ren­den Körper, oder zwischen gegen­ein­an­der rotie­ren­den Körpern.

Ausfüh­run­gen

Dreh­durch­füh­run­gen können einflu­tig (einka­na­lig) oder mehr­flu­tig (mehr­ka­na­lig) sein. Einfa­ches Beispiel einer einflu­ti­gen Dreh­durch­füh­rung ist der Garten­spren­ger, im Über­gang zum rotie­ren­den oder schwen­ken­den Arm. Komple­xer wird es, wenn Fluide, z.B. Hydrau­lik-Flüs­sig­kei­ten, unter hohem Druck hin- und herge­führt werden müssen, wenn man also paarige Dreh­durch­füh­run­gen braucht. Einflu­tige Durch­füh­run­gen nutzen oftmals axiale, mehr­flu­tige vorran­gig radiale Schnitt­stel­len zur Über­gabe der Medien. Als Dreh­durch­füh­rung bezeich­net man auch eine Vorrich­tung, die es ermög­licht eine mecha­ni­sche Dreh­be­we­gung durch eine Behäl­ter­wand hindurch zu über­tra­gen. Anwen­dun­gen liegen beispiels­weise in der Vakuum-Technik.

Anwen­dung bei Werkzeugmaschinen

Bei Werk­zeug­ma­schi­nen mit innen­ge­kühl­ten Werk­zeu­gen wird eine Einfüh­rung zum Trans­port des Kühl­schmier­mit­tels in die Werk­zeug­spin­del benö­tigt. Die größte Heraus­for­de­rung besteht darin, das Medium leck­frei bis zu 120.000 Umdre­hun­gen je Minute in die Spin­del zu brin­gen. Um eine opti­male Dicht­funk­tion der Einfüh­rung zu garan­tie­ren, ist es wich­tig, dass die Schläu­che span­nungs­frei ange­bracht sind. Auch an Dreh­ti­schen mit hydrau­li­schen Spann­vor­rich­tun­gen kommen mehr­ka­na­lige Dreh­durch­füh­run­gen zum Einsatz.

Quelle: Wiki­pe­dia

Kodie­rer zur Signal­bil­dung aus Bewe­gun­gen arbei­ten optisch, magne­tisch oder mecha­nisch mit Kontak­ten. Es sind Mess­wert­ge­ber oder Einga­be­ge­räte, welche die aktu­elle Posi­tion einer Welle oder einer Antriebs­ein­heit erken­nen und als elek­tri­sches Signal ausge­ben. Es werden zwei Arten von Kodie­rern unter­schie­den: Rota­to­ri­sche und lineare Kodie­rer. Rota­to­ri­sche Geber werden an rotie­ren­den Bautei­len montiert, zum Beispiel auf einer Motor­welle. Lineare Kodie­rer werden typi­scher­weise an Bauteile mit gera­den Bewe­gun­gen montiert.

Kodie­rer besit­zen inkre­men­tale, zu zählende oder aber abso­lute Maßver­kör­pe­run­gen als Strich­mus­ter (Licht­schranke), Magne­ti­sie­rung oder Kontakte. Im Falle einer Dauer­ma­gne­ti­sie­rung, kann die Magnet­feld­mo­du­la­tion mittels AMR-GMR-Hall­sen­so­ren oder induk­ti­ven Senso­ren ausge­wer­tet werden. Für inkre­men­tale induk­tive Senso­ren reicht oft auch eine nicht­ma­gne­ti­sche Zahnung.

Abso­lut messende Kodie­rer arbei­ten auf der Grund­lage von Maßver­kör­pe­run­gen, die jeder Posi­tion ein eindeu­ti­ges Signal­mus­ter zuord­nen (siehe Abso­lut­wert­ge­ber).

Nicht abso­lut messende Kodie­rer bezeich­net man als Inkre­men­tal­ge­ber. Sie werden auf Motor­wel­len, aber auch als Einga­be­ge­rät an digi­tal arbei­ten­den Gerä­ten verwen­det, um Para­me­ter (zum Beispiel die Laut­stärke) einzu­stel­len oder von Hand Motor­be­we­gun­gen zu steu­ern (zum Beispiel an CNC-Steue­run­gen).

Mit Hilfe des Ausgangs­si­gnals eines Kodie­rers kann eine damit ausge­rüs­tete Antriebs­ein­heit repro­du­zier­bare Bewe­gun­gen ausfüh­ren und – im Falle eines Abso­lut­wert­ge­bers – auch nach Abschal­tung der Maschine wieder genau in die Ausgangs­po­si­tion (Refe­renz­po­si­tion) fahren. Inkre­men­tal­ge­ber benö­ti­gen zum Aufsu­chen der Refe­renz­po­si­tion einen zusätz­li­chen Geber, zum Beispiel einen Endschal­ter. Ein Beispiel für einen linea­ren Inkre­men­tal­ge­ber ist die optisch arbei­tende Abtas­tung eines auf einem Strei­fen aufge­brach­ten Strich­mus­ters in einem Drucker, die es dem Druck­wa­gen gestat­tet, eine defi­nierte Bewe­gung entlang der Zeile auszuführen.

Quelle: Wiki­pe­dia

Die Instand­hal­tung (engl. main­ten­ancerepair and over­haul oder kurz MRO) von tech­ni­schen Syste­men, Bauele­men­ten, Gerä­ten und Betriebs­mit­teln soll sicher­stel­len, dass der funk­ti­ons­fä­hige Zustand erhal­ten bleibt oder bei Ausfall wieder­her­ge­stellt wird.

Die DIN-Norm DIN 31051 struk­tu­riert die Instand­hal­tung in die vier Grundmaßnahmen

Die vier deut­schen Begriffe WartungInspek­tionInstand­set­zung und Verbes­se­rung decken sich mit den drei oft synonym gebrauch­ten engli­schen Begrif­fen main­ten­ancerepair und over­hauletwa folgen­der­ma­ßen:

Während im Engli­schen Inspek­tion und Wartung unter main­ten­ance zusam­men­ge­fasst sind, wird Instand­set­zung dort zu repair und over­haul ausdif­fe­ren­ziert, wobei over­haul zusätz­lich auch Verbes­se­run­gen mit einschließt.

Ziele der Instandhaltung

Instand­hal­tung einer Lauf­katze eines 5‑Ton­nen-Kranes

Instand­hal­tung kann zur Vorbeu­gung von System­aus­fäl­len betrie­ben werden. Weitere Ziele können sein:

  • Erhö­hung und opti­male Nutzung der Lebens­dauer von Anla­gen und Maschinen
  • Verbes­se­rung der Betriebssicherheit
  • Erhö­hung der Anlagenverfügbarkeit
  • Opti­mie­rung von Betriebsabläufen
  • Redu­zie­rung von Störungen
  • Voraus­schau­ende Planung von Kosten

Instand­hal­tung ist beson­ders dort wich­tig, wo das Versa­gen tech­ni­scher Systeme Menschen­le­ben unum­kehr­bar schä­digt. In solchen Fällen ist die Über­wa­chung von Instand­hal­tungs­auf­ga­ben meist eine hoheit­li­che Aufgabe, die in der Verant­wor­tung des Staa­tes liegt, wie beispiels­weise beim Arbeits­schutz. Wegen der daraus resul­tie­ren­den Kosten werden die damit im Zusam­men­hang stehen­den Sicher­heits­vor­schrif­ten im globa­len Wett­be­werb je nach Inter­es­sen­lage als Stand­ort­nach­teil oder als Stand­ort­vor­teil betrachtet.

Instand­hal­tung heute

Werk­zeug­ma­schi­nen und Produk­ti­ons­an­la­gen haben sich in den letz­ten Jahren in ihrem Aufbau und ihrer Tech­nik enorm weiter­ent­wi­ckelt. Es wird somit immer schwie­ri­ger, den Zustand einzel­ner Bauteile oder Baugrup­pen zu erfas­sen, da an moder­nen Anla­gen wesent­lich mehr Schwach­stel­len aufzu­fin­den sind, als es noch bei ursprüng­li­chen Maschi­nen der Fall war. Hinzu kommt, dass Konstruk­teure nicht mehr zur Über­di­men­sio­nie­rung neigen, sondern eher Platz sparende und leich­tere Anla­gen entwi­ckeln. Somit reagie­ren aller­dings auch eine Viel­zahl von Bautei­len sensi­bler auf Verschleiß­erschei­nun­gen und Defekte.

Heute haben Wartungs- und Instand­hal­tungs­kon­zepte primär die Aufgabe, eine möglichst hohe tech­ni­sche Verfüg­bar­keit der Anlage zu gewähr­leis­ten. Immer mehr Unter­neh­men kommen von der veral­te­ten Ansicht ab, dass die Instand­hal­tung nur ein notwen­di­ges Übel oder ledig­lich ein Kosten­ver­ur­sa­cher sei. Der stän­dig wach­sende Druck im Wett­be­werb um Quali­tät und Produk­ti­vi­tät zwingt die Unter­neh­men zu Einfüh­run­gen von Wartungs- und Instand­hal­tungs­sys­te­men, um somit unge­woll­ten Anla­gen­aus­fäl­len aus dem Wege zu gehen. Dabei ist das firmen­in­terne Know-how von sehr großer Bedeutung.

Wissen ist eine der wich­tigs­ten Quel­len zur Schaf­fung und Erhal­tung von Wett­be­werbs­vor­tei­len, insbe­son­dere bei der Instand­hal­tung. Zwar ist das Grund­ge­rüst eines Instand­hal­tungs­sys­tems auf stan­dar­di­sierte Maßnah­men zurück­zu­füh­ren, jedoch wird hier ein erheb­li­ches Maß an Erfah­rung der Mitar­bei­ter, bzw. der durch­füh­ren­den Perso­nen unbe­dingt erfor­der­lich sein. Nur so kann die Aktua­li­tät der ange­wen­de­ten Maßnah­men gewähr­leis­tet blei­ben. In der Praxis entste­hen nicht selten Probleme, die von Herstel­ler­fir­men noch nicht erkannt wurden. Hier ist das Wissen der Mitar­bei­ter zur Lösung dieser Probleme und zur Bewer­tung der aktu­el­len System­zu­stände gefragt, denn nur jemand mit Erfah­rung im tägli­chen Umgang der Maschi­nen kann sie auch bewerten.

Hier muss sich ein Unter­neh­men auch die Frage zwischen Eigen- oder Fremd­in­stand­hal­tung (Outsour­cing) stel­len. Die Eigen­in­stand­hal­tung hat zwangs­läu­fig den Vorteil, dass sich das firmen­ei­gene Know-how über die eige­nen Maschi­nen mit der Zeit immer mehr ausbaut, was bei der Fremd­in­stand­hal­tung nicht mehr der Fall wäre. Bei einer Über­gabe der Wartungs­ar­bei­ten an Instand­hal­tungs­un­ter­neh­men geht ein hohes Maß an Erfah­rung der Mitar­bei­ter im Umgang mit der Maschine verloren.

Vorbeu­gende Instandhaltung

Mit der Einfüh­rung eines vorbeu­gen­den Instand­hal­tungs­kon­zep­tes werden im Hinblick auf die Anla­gen­pro­duk­ti­vi­tät folgende Ziele gesetzt:

  • Wenige Maschi­nen­still­stände inner­halb einer Fertigungszeit
  • Kurze Instand­set­zungs­zei­ten an den Maschinen
  • Geringe Auswir­kun­gen von Maschi­nen­still­stands­zei­ten auf den Fertigungsfluss

Für die Umset­zung dieser Ziele reicht es jedoch nicht aus, ledig­lich Wartungs­auf­ga­ben zu defi­nie­ren und durch­zu­füh­ren, sondern eben­falls von großer Bedeu­tung ist eine reibungs­lose Ersatz­teil­ver­sor­gung. Dabei sollte das Unter­neh­men aller­dings hohe Ersatz­teil­be­stände vermei­den und nur jene Bauteile als Ersatz­teile lagern, die zur Erhal­tung der erfor­der­li­chen Maschi­nen­ver­füg­bar­keit notwen­dig sind, oder Abspra­chen mit dem Anla­gen­lie­fe­ran­ten über die Vorhal­tung von Ersatz­tei­len tref­fen. Hierzu sind Erfah­rungs­werte wie z. B. die Bestell­häu­fig­keit bestimm­ter Teile hilf­reich. Auch Tele­ser­vice kann helfen, Still­stands­zei­ten zu minimieren.

Quelle: Wiki­pe­dia

Die Spin­del­l­auf­zeit bezeich­net die Betriebs­zeit der Arbeits­spin­del in der Werk­zeug­ma­schine. Die Lauf­zeit gibt an wie viele Stun­den sich die Spin­del sich im Rahmen der Bear­bei­tung gedreht hat, ähnlich dem Kilo­me­ter­stand eines Pkws. Dadurch wird beim Verkauf der Wert der Spin­del bestimmt.

An der Lauf­zeit orien­tie­ren sich die Wartungs­in­ter­valle, da sie im Gegen­satz zu Einschalt­dauer die tatsäch­li­che Belas­tungs­zeit der Spin­del angibt. In den moder­nen Maschi­nen wird die Lauf­zeit auto­ma­tisch erfasst und zur Auswer­tung aufge­zeich­net. In der Ferti­gungs­tech­nik kann die Lauf­zeit im Vergleich zu der Einschalt­dauer gesetzt werden, um somit die Produk­ti­vi­tät der Maschine zu beschrei­ben. So ist bei 200h Einschalt­zeit eine Lauf­zeit von 100h im Vergleich zu einer Lauf­zeit von 165h eher unpro­duk­tiv. Im ersten Fall ergibt sich eine prozen­tuale Spin­del­l­auf­zeit von 50%, im zwei­ten eine von 82,5 %. Heut­zu­tage sind in den moder­nen Maschi­nen Spin­del­l­auf­zei­ten von bis zu 90% der Einschalt­zei­ten möglich. Eine Verbes­se­rung der Spin­del­l­auf­zeit im Vergleich zur Einschalt­zeit lässt sich durch auto­ma­ti­sche Werk­zeug- und Werk­stück­wech­sel im Gegen­satz zu manu­el­len Wech­seln errei­chen. So wird die Rüst­zeit verkürzt. Weiter­hin ist bei nume­risch gesteu­er­ten Maschi­nen die Program­mie­rung von großer Bedeu­tung. Externe Program­mie­rung verkürzt die Program­mier­zeit an der Maschine, welche sich bis auf das Anfah­ren von Refe­renz­punk­ten redu­zie­ren kann. Insge­samt wird somit die Wirt­schaft­lich­keit der Werk­zeug­ma­schine erhöht.

Quelle: Spin­del­l­auf­zeit, 31.03.2007, https://de.wikipedia.org/wiki/Spindellaufzeit, 19.05.2008

Der Begriff Auswuch­ten bezeich­net das Verrin­gern oder Besei­ti­gen einer Unwucht.

Jeder um eine fest­ste­hende Achse rotie­rende starre Körper besitzt eine Unwucht, die zu Vibra­tio­nen (Schwin­gun­gen), Geräu­schen und erhöh­tem Verschleiß, bei hohen Dreh­zah­len sogar zur Zerstö­rung, führen kann. Wenn die Ferti­gungs­to­le­ranz zu einer zu großen Unwucht führt, muss ein Ausgleich der Massen­ver­tei­lung indi­vi­du­ell an diesem Körper erfol­gen. Der Ausgleich kann posi­tiv oder nega­tiv erfolgen:

  • Beim posi­ti­ven Ausgleich werden Ausgleichs­mas­sen aufge­tra­gen, wie z. B. durch Anschwei­ßen, Ankle­ben oder Anschrau­ben von Gewichten.
  • Beim nega­ti­ven Ausgleich werden Massen abge­tra­gen, z. B. durch Bohren, Schlei­fen oder Fräsen.

Eine Misch­form ist das Verstel­len durch Hinein- oder Heraus­schrau­ben einer Schraube. Statt den Körper zu verän­dern, kann auch die Rota­ti­ons­achse so korri­giert werden, dass die Unwucht mini­miert wird. Diese Auswucht­tech­nik nennt man wucht­zen­trie­ren. Die Tole­ran­zen für das Auswuch­ten sind in DIN ISO 1940 – 1 standardisiert.

Rotie­rende Maschi­nen und Maschinenteile

Rotor eines hoch­dre­hen­den Elek­tro­mo­tors mit Wucht­boh­run­gen im Kurzschlussring

Läufer bzw. Roto­ren und Anker von Elek­tro­mo­to­ren werden oft ausge­wuch­tet, indem das Blech­pa­ket des ferti­gen Läufers in Form von Bohrun­gen, flächi­gem Abtrag oder Kerben abge­tra­gen wird. Auch sie werden meist dyna­misch gewuch­tet, d. h. es muss mögli­cher­weise an beiden Enden des Läufers Mate­rial abge­tra­gen werden. Entge­gen den Begriff­lich­kei­ten „statisch“ und „dyna­misch“, welche von stehen­den oder beweg­ten Teilen ausge­hen, ist beim Auswuch­ten mit „statisch“ das Wuch­ten in einer Bezugs­ebene gemeint, im Gegen­satz zum dyna­mi­schen Wuch­ten, welches von 2 Ebenen ausgeht. Diese soll­ten idea­ler­weise möglichst weit vonein­an­der entfernt sein.

Um sie in belie­bi­ger Lage betrei­ben zu können, müssen auch die Dreh­spu­len von Dreh­spul­mess­wer­ken ausge­wuch­tet werden. Sie besit­zen hierzu gegen­über dem Zeiger verschieb- oder verbieg­bare Ausgleichs­ge­wichte. Aus ähnli­chem Grund muss die Unruh einer Uhr sorg­fäl­tig ausge­wuch­tet sein. Andern­falls ist der Uhren­feh­ler von der Ausrich­tung der Uhr abhän­gig. Vibra­tion und Lager­ver­schleiß spie­len hier keine Rolle.

Die drehen­den Massen von schleu­dern­den Wasch­ma­schi­nen, Wäsche­schleu­dern und Zentri­fu­gen für Reagenz­glä­ser können nicht ausge­wuch­tet werden. Daher lagert man ihre Dreh­ach­sen beweg­lich in einer federn­den und dämp­fen­den Aufhän­gung, um die Kräfte auf die Lager und die Umge­bung zu verrin­gern. Moderne Wasch­ma­schi­nen führen oft zunächst einen Schleu­der­gang mit gerin­ger Dreh­zahl aus und versu­chen dann, durch Vor- und Zurück­lauf die Wäsche­stü­cke neu zu vertei­len, bevor der Schleu­der­gang mit voller Dreh­zahl beginnt. Sie besit­zen einen Beschleu­ni­gungs­sen­sor an der Trom­mel­auf­hän­gung, um die Unwucht zu überwachen.

Rest-Unwuch­ten führen zu einer soge­nann­ten kriti­schen Dreh­zahl, bei der die Kräfte das schwin­gungs­fä­hige Gesamt­sys­tem (Feder-Masse-System, bestehend aus Rotor­masse und Welle oder aus Gesamt­masse und Aufhängung/Fundament) zu Reso­nanz anre­gen. Die kriti­sche Dreh­zahl stellt eine Gefahr an schnell­dre­hen­den Maschi­nen (Turbi­nen, Zentri­fu­gen usw.) dar; sie wird durch gutes Wuch­ten, durch federnde, dämp­fende Aufhän­gung oder durch ein beson­ders schnel­les Durch­fah­ren der kriti­schen Dreh­zahl beim Hoch­lauf verringert.

Quelle: Wiki­pe­dia