Condition Monitoring & Landwirtschaft Wartung exakt nach Bedarf

Sensorik für Anwendungen mit hoher Drehzahl

Ein anderes Beispiel für eine Überwachung von mechanischen Teilen liegt mit seiner Messauflösung ganz am anderen Ende der Größenskala. Es gibt Maschinen, die mit Drehzahlen von 100.000 oder mehr Umdrehungen pro Minute laufen. Hier scheiden übliche Kugellager aus. Stattdessen werden verschleißfreie Luftlager verwendet, bei denen mit Hochdruck eine Luftschicht zwischen Achse und Lagerung eingepresst wird. Typische Spaltbreiten liegen zwischen 10 µm und 25 µm.

Im unbelasteten Fall verharrt die Spindel in axialer und radialer Richtung mehr oder weniger im Mittelbereich. Im praktischen Betrieb soll sie aber irgendeine Arbeit ausführen, zum Beispiel fräsen oder bohren in Präzisions-Werkzeugmaschinen. Hier ist es unvermeidlich, dass sie sich etwas aus ihrer Ruhelage herausbewegt. Dabei ist eine hohe Steifigkeit gefordert. Wird die Auslenkung wegen zu starker mechanischer Belastung zu groß, besteht Gefahr einer mechanischen Berührung. Die würde bei diesen Drehzahlen zu starkem Verschleiß führen und unter Umständen sogar zum Totalschaden des ganzen Lagers. Deshalb sind hier rechtzeitig eingreifende Gegenmaßnahmen nötig.

Der Luftspalt reagiert empfindlich nicht nur auf Temperaturschwankungen, sondern wird auch bei extrem hohen Drehzahlen kleiner, weil die Ausdehnung der Achse durch die Fliehkraft hier nicht mehr zu vernachlässigen ist. Kleine Veränderungen an dieser Stelle haben wiederum starke Veränderungen der Lagersteifigkeit zur Folge. Deshalb ist eine permanente Überwachung der Position unumgänglich – in radialer wie in axialer Richtung jeweils mit einer Messauflösung im µm-Bereich. Eine günstige Lösung dafür sind GMR-Sensoren, ähnliche Typen wie sie in Festplatten-Laufwerken weltweit milliardenfach eingesetzt werden. Sie arbeiten hoch zuverlässig, sind ultraklein und kostengünstig. Ihre Bandbreite ist höher als bei induktiven oder kapazitiven Sensoren und sie sind zuverlässiger als optische.

Widrige Umgebungseinflüsse wie Öl oder Wasser sowie extreme Temperaturen können ihnen kaum etwas anhaben. Bild 6 zeigt die praktische Anordnung an einem Lager von Levicron. Die Sensoren für radiale Verschiebung sitzen an beiden Enden der Spindel, die für axiale nur an einem Ende. An der Spindel sind nur ganz geringe Modifikationen erforderlich. Damit sind Verschiebungen unter 0,5 µm mit hoher Reproduzierbarkeit messbar.

Sensitec hat in Kooperation mit dem Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen der TU Darmstadt ein komplettes Modul entwickelt, bestehend aus einem GMR-Sensor, einem Permanentmagneten zur Vormagnetisierung und einer ferromagnetischen Struktur zur Feldlenkung (Bild 7), Baugröße nur 3,5 × 5,5 × 13 mm³ (Bild 8). Damit kann das Lager jetzt auch bei extremen Drehzahlen sehr viel länger leben.