Sensorik für die Antriebsüberwachung von Wittenstein AG Schweiz

| Redakteur: Hermann Jörg

Der «torqXis» Sensor erfasst simultan Drehmoment, Querkräfte und Temperatur direkt im Antriebsstrang. (Bild: Wittenstein)
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Der «torqXis» Sensor erfasst simultan Drehmoment, Querkräfte und Temperatur direkt im Antriebsstrang. (Bild: Wittenstein)

>> In welchem Zustand befindet sich ein Antriebsstrang? Welche Lasten liegen an, droht ein Ausfall durch das Auftreten bestimmter Lastkollektiven? Wie können kritische Betriebs- und Belastungszustände rechtzeitig erkannt, Reaktionszeiten verkürzt und die Wartung zustands- und kostenoptimiert ausgelegt werden? Das modulare Sensorsystem «torqXis» für die Antriebsüberwachung von Wittenstein AG liefert die Antworten.

Wirtschaftlichkeitsanalysen zeigen, dass sich die sensorische Intelligenz zur Antriebsüberwachung sehr schnell rechnet – weil sie zuverlässig lange Reaktions- und Stillstandszeiten vermeidet, wie sie bei ungeplanten Instandhaltungen auftreten. Dadurch verbessern «torqXis»-Sensoren die Produktivität von Maschinen und Anlagen.

Ungeplanter Maschinenstillstand ist fast immer deutlich teurer als die eigentliche Instandsetzung. Während jedoch Sensorik unterschiedlichster physikalischer Wirkprinzipien zur Steuerung und Überwachung von Prozessen in industriellen Verarbeitungsprozessen selbstverständlich ist, trifft dies auf die Antriebsstränge noch eher selten zu. Sie sind nur spärlich mit Sensorik zur Maschinenüberwachung ausgerüstet. Dabei können intelligente Sensorlösungen für die Antriebstechnik einen positiven Beitrag zur Effizienz von Maschinen und Anlagen leisten – in dem sie Antriebe last- und leistungsabhängig steuern, Verfahrprofile erkennen, Lastkollektive bewerten, ungeplante Maschinenstillstände und Wartungseinsätze vermeiden, Verschleisserscheinungen rechtzeitig melden und so die Maschinen- und Ausfallkosten minimieren. Diesen Ansatz verfolgt Wittenstein mit dem modularen Sensorsystem «torqXis».

Messen unterschiedlicher Belastungsgrössen im Antriebsstrang

Drehmomente, Querkräfte und Temperaturen: diese in Antriebssträngen prozessrelevanten Grössen erfasst das beschriebene Sensorsystem. Die Sensoren lassen sich als Messring auf einfache Weise zwischen der Antriebskomponente und dem Maschinenbett platzieren. Auf Veränderungen der Einzelbelastungen im Antriebsstrang reagieren sie sehr genau und schnell, so beispielsweise:

  • bei unerwarteten Änderungen im Lastprofilverhalten
  • beim Überschreiten definierter Werte für zu erfassende mechanische Grösse (Limitierfunktion)
  • bei Überhitzung, Lagerschäden oder Materialbruch
  • bei Ermüdung der Antriebswelle oder abnehmender Spannung eines Antriebsriemens oder bei auftretendem Schlupf.

Individuell einstellbare Alarmschwellen für die relevanten Kenngrössen können gespeichert werden. Bei Erreichen eines kritischen Zustandes im Antriebsstrang oder von Lastkollektiven generiert der Sensor frühzeitig ein Alarmsignal, das in Echtzeit an die Steuerung ausgegeben wird. Bei Bedarf erfolgt eine Lastreduzierung oder auch eine Abschaltung des Motors, wodurch eine grössere Beschädigung an der Prozessmechanik verhindert werden kann. Gleichzeitig wird mit den Informationen des Sensors möglich, die Serviceeinsätze gezielt durchzuführen und die Serviceintervalle dem tatsächlichen Bedarf anzupassen, das heisst, bisher fixe, zeitperiodische Wartungsprozesse auf der Basis der Messwerte der Sensoren prozyklisch und zustandsorientiert einzurichten.

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Weites Einsatzspektrum

Schnell und präzise auch bei hohen Drehmomenten

Die Sensoren der «torqXis»-Baureihe sind integrierte Aufnehmer für Drehmomente, Querkräfte und Temperaturen. Die Bauform des Sensorgrundkörpers ist so gewählt, dass der Sensor als Messring zwischen den Antrieb und das Maschinenbett – das heisst direkt in den zu überwachenden Antriebsstrang – integriert werden kann. Gemessen wird die Verformung des Sensorringes beim Auftreten von Belastungen im Antriebsstrang. Dabei erreichen die Sensoren eine Wiederholgenauigkeit von mehr als 99,5%. Die Messwerte werden direkt an die integrierte Auswerteelektronik übertragen, eingelesen, verarbeitet und an die übergeordnete Steuerung gesendet. Hierfür bieten die Sensoren analoge Schnittstellen für Spannung (0-10V) und Strom (0-20 mA) sowie eine Reihe industrieüblicher Digitalschnittstellen, unter anderen USB, Ethernet/IP oder Profibus.

Mit der kombinierten Messung von Drehmomenten, Radialkräften und Temperaturen erhalten Antriebsstränge ein gewisses Mass an Intelligenz, da es jetzt möglich ist, diese Grössen nicht nur antriebstechnisch zu erzeugen, sondern auch messtechnisch zu erfassen und logisch zu deuten, also auszuwerten. Das Ergebnis sind unter anderem intelligente Konzepte für die zustandsorientierte Wartung und Instandhaltung nach Bedarf. Die hieraus resultierende Maschinenverfügbarkeit geht einher mit einer deutlichen Steigerung der Kosteneffizienz.

Geldwerte Vorteile

Wie mit Hilfe der sensorischen Intelligenz von «torqXis» Kosten direkt eingespart werden können, zeigt ein einfaches Rechenbeispiel aus einem Schweizer Unternehmen. Eine Maschine, die pro Stunde 340 Teile mit einem Wert von CHF 4.- bearbeitet, wies aufgrund eines Lagerschadens und einer nicht erkannten Abnahme der Antriebsriemenspannung zwei ungeplante Maschinenstillstände auf. Die Reaktionszeit bis zum Wiederanfahren der Maschine lag jeweils bei etwa sieben Stunden. Für diese insgesamt 14 Stunden errechnet sich ein Umsatzverlust von rund CHF 20 000.-.

Um dies künftig zu vermeiden, wurde eine Lösung zur Überwachung des betreffenden Antriebsstranges gesucht - und mit einem Sensor der beschriebenen Baureihe gefunden. Für die Anschaffung, Inbetriebnahme und steuertechnische Einbindung vor Ort fielen einmalig rund CHF 10 000.- an. Damit hat sich der Sensor in weniger als einem halben Jahr amortisiert. Schon im Jahr der Anschaffung werden Kosten in Höhe von zirka CHF 10 000.- eingespart. Hinzu kommt, dass er für die folgenden Jahre einen hohen geldwerten Vorteil verspricht, weil das Risiko eines ungeplanten Stillstandes durch das frühzeitige Erkennen von Verschleisszuständen oder kritischen Lastkollektiven nahezu eliminiert werden konnte.

Für den Fall, dass der Sensor kritische Werte meldet, kann die Wartung jetzt gezielt durchgeführt werden. Dadurch verringern sich die Reaktionszeiten und damit teurer Produktionsausfall auf ein Minimum.

Erhöht Prozesssicherheit

Mehr Verfügbarkeit, mehr Maschinenleistung, geringere Kosten für Wartung und Instandhaltung bei gleichzeitig verbesserter Effizienz – der Einsatz von Sensoren für Antriebssysteme zahlt sich aus. Die Motivation ist dabei von Branche zu Branche unterschiedlich. Verpackungsmaschinen müssen Taktleistungen und eine hohe Verfügbarkeit garantieren. Druckerzeugnisse müssen rechtzeitig erstellt und ausgeliefert werden. Qualitätssicherung und Rückverfolgung sind für die Herstellung von pharmazeutischen und medizintechnischen Produkten entscheidend. Null Fehler, Qualität und höchste Maschinenverfügbarkeit sind im Automobilbau vorrangige Ziele. Schnelle Zykluszeiten, erreicht durch Antriebe mit hoher Leistungsdichte, sind in der Robotik gefragt. Die Aufzählung liesse sich fast beliebig fortsetzen. Überall bedeutet der ungeplante Ausfall eines Antriebsstranges Produktionsausfall, Zeitverzug, aufwändige Wartung und Instandsetzung und in vielen Fällen die Nichteinhaltung zugesicherter Qualitätseigenschaften, Produktions- und Liefermengen, Liefertermine oder Dokumentationen. Eine gewisse Intelligenz im Antriebsstrang kann daher nicht schaden, zumal sie sich bei den beschriebenen Sensoren innerhalb kürzester Zeit amortisiert. <<

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