Große Lager bei hoher Präzision: Trotz Fertigungstoleranzen im Mikrometer-Bereich sind Sensoren notwendig, die den beim Schleifprozess erforderlichen aggressiven Schmiermitteln standhalten.

Große Lager bei hoher Präzision: Trotz Fertigungstoleranzen im Mikrometer-Bereich sind Sensoren notwendig, die den beim Schleifprozess erforderlichen aggressiven Schmiermitteln standhalten. Bild: Turck

Hochpräzisionswälzlager, wie sie das Unternehmen Kugel- und Rollenlagerwerk Leipzig (KRW) herstellt, erfordern in der Fertigung genaue Sensorik. Das auf Hochpräzisions-Wälzlager, Spezialanfertigungen und Kleinserien spezialisierte Unternehmen gilt als Hidden Champion. „Präzision heißt bei uns eine Genauigkeit im Mikrometer-Bereich“, sagt Karl Wolter, Direktor Marketing & Vertrieb bei KRW.

Problematisch ist die im Schleifprozess erforderliche Kühl-Schmierstoff-Emulsion. Sie führt zu einem raschen Ausfall der bislang eingesetzten Glasmaßstäbe – im schlechtesten Fall nach nur sechs Monaten. Der dann fällige Austausch verursacht Stückkosten im vierstelligen Bereich. Da magnetostriktive und andere magnetische Systeme in der Nähe von starken Magnetfeldern versagen, gab es lange keine Alternative. Abhilfe schafft der Einsatz des induktiven Wegsensors LI-Q25 von Turck.

Optische Systeme sind zu verschleißanfällig

In der Regel setzt KRW auf optische Systeme, da die Anforderungen an die Genau­igkeit fast keine anderen Messsysteme zulassen. Allerdings haben diese einen Nachteil: Sie sind vergleichsweise empfindlich. Hinzu kommt, dass beim Schleifen die von KRW eingesetzte Kühl-Schmierstoff-Emulsion in die Sensorik eindringt. Durch die Rotation des Werkzeugs beim Schleifen zerstäubt das Medium. „Diese feine Gischt setzt sich trotz Schutzmaßnahmen und Sperrluft auf den Maschinen und auf den Sensoren ab“, erklärt Frank Schubert, Leiter der Schleiferei bei KRW.

Exitus mit Ansage: Die bislang verwendeten Glasmaßstäbe waren aufgrund der Kühl-Schmierstoff-Emulsion nach rund sechs Monaten verschlissen.

Exitus mit Ansage: Die bislang verwendeten Glasmaßstäbe waren aufgrund der Kühl-Schmierstoff-Emulsion nach rund sechs Monaten verschlissen. Bild: Turck

Der Schmierstoff – auch Slurry genannt – hat eine geringe Oberflächenspannung. Im Prozess ist das gewünscht, da die Emulsion so bis in die engste Ritze kriecht. Für die empfindlichen Glasmaßstäbe ist diese Eigenschaft allerdings Gift. Bei der Bewegung des Positionsgebers über den Maßkörper dringt an der Dichtlippe des Sensors immer etwas Slurry ein.

Im Vorschleifprozess werden die Flächen der Außen- und Innenringe der Wälzlager geschliffen. Es ist in der Regel der erste Bearbeitungsschritt nach dem Härtungsverfahren. Hier reicht eine Genauigkeit im Bereich von Hundertstel-Millimeter aus, also zweistellige Mikrometer. Den letzten Schliff, das heißt die entscheidende Präzision, erhalten die Lager erst später beim Fertigschleifen, dem sogenannten Finishen. Je nach Charge lassen sich auf der Vorschleifmaschine Ringe mit bis zu 500 mm Höhe schleifen. Ein starker Elektromagnet hält dazu die Außenringe auf dem Maschinentisch. Der Werkzeugsupport fährt auf den zu bearbeitenden Ring. Anschließend setzt der Maschinenbediener die Positionsanzeige des Linearsensors auf null. Von diesem Referenzpunkt ausgehend, ist es dem Maschinenführer möglich, den Materialabtrag bis zur durchgeschliffenen Fläche zu verfolgen.

Magnetische Systeme eigentlich ungeeignet

Bei dieser Art der Fixierung scheiden magnetische Sensoren aufgrund der starken Magnetfelder aus. „Zusätzlich ist der Sensor direkt neben dem Hauptspindelantrieb befestigt – einem 30-kW-Motor“, erklärt Lietsch. Insofern blieb KRW bislang nur übrig, in den sauren Apfel zu beißen und die Glasmaßstäbe einzusetzen.

Weder der 30-kW-Elektromotor der Hauptspindel noch die starken Haltemagnete der Lagerschalen stören den induktiven Linearsensor.

Weder der 30-kW-Elektromotor der Hauptspindel noch die starken Haltemagnete der Lagerschalen stören den induktiven Linearsensor. Bild: Turck

Ausgefallene Geräte gingen nach ihrem Ausfall zur Beurteilung und Fehleranalyse zum Hersteller, der die Sensoren teilweise aufarbeiten konnte. „Dieser Reinigungsprozess funktioniert meistens nur einmal“, so Lietsch. Danach war ein neuer Sensor fällig. Die Reparaturkosten lagen pro Stück im vierstelligen Bereich; die Arbeitszeit des Instandhaltungspersonals für Aus- und Einbau nicht eingerechnet. Dennoch wäre eine Neuanschaffung noch teurer gewesen. Die Schleifmaschine selbst konnte zwar weiter betrieben werden, wenn auch nur konventionell: Ohne den Sensor müssen die Mitarbeiter die Maschine anhand einer analogen Anzeige justieren. Die Skalierung ist am Handrad aufgezeichnet und kann daher nicht exakt auf null gesetzt werden.

Dauerläufer: induktiver Wegsensor

Seit Herbst 2013 erfasst an der Vorschleifmaschine ein induktiver Linearwegsensor von Turck die Schleiftiefe auf 10 µm genau. Die LI-Sensorbaureihe arbeitet nach dem Resonator-Prinzip, bei dem die Positionserfassung nicht über einen magnetischen Positionsgeber erfolgt, sondern induktiv über ein schwingfähiges System aus Kondensator und Spule. Das berührungslose Messverfahren erlaubt es, das Sensorgehäuse komplett zu vergießen, das somit dauerhaft Schutzart IP67 erfüllt. Auch unter widrigen Bedingungen kann kein Slurry in den Sensor eindringen und dessen Funktion stören. Im Vergleich zu magnetostriktiven Sensoren punktet das induktive Messsystem mit seiner Unempfindlichkeit gegenüber EMV und Magnetfeldern: Obwohl sich der Motor des Hauptspindelantriebs nah am Sensor befindet, beeinträchtigt er dessen Funktion nicht. Auch die magnetische Fixier-Einrichtung des Maschinentisches hat keinen Einfluss auf die Zuverlässigkeit des Sensors.

Die Digitalanzeige auf dem Bedienpult der Flachschleifmaschine zeigt dem Maschinenführer den Messwert des Sensors an.

Die Digitalanzeige auf dem Bedienpult der Flachschleifmaschine zeigt dem Maschinenführer den Messwert des Sensors an. Bild: Turck

Instandhalter Lietsch setzt beim LI-Q25 auf eine digitale Signalübertragung. Das verwendete SSI-Signal überträgt die Messwerte differenziell. Einstrahlende Störquellen haben im Vergleich zu analogen Signalen somit keinen Einfluss. Deshalb kann KRW auch auf geschirmte Leitungen verzichten. Der Linearwegsensor liefert sein Signal an eine digitale Anzeige, die am Bedienpult der Schleifmaschine montiert ist. Anfangs spielten Sensor und Anzeige noch nicht optimal zusammen. Nach einer Firmware-Anpassung des Sensors auf diese spezielle Anzeige funktioniert das System zuverlässig und störungsfrei. Die Mitarbeiter in der Schleiferei können jetzt den Schleifprozess präzise durchführen. Denn das Plan- und Flachschleifen schafft die Basis für die späteren Bearbeitungsschritte. Fehler, die hier entstehen, können später nur schwer korrigiert werden.

Technik im Detail

Schwingkreis als Positionsgeber

Die LI-Sensor-Reihe arbeitet mit dem sogenannten Resonator-Prinzip. Anders als bei magnetostriktiven oder herkömmlichen induktiven Wegaufnehmern erfolgt die Positionserfassung nicht über einen magnetischen Positionsgeber, sondern über einen induktiven Resonator, einem schwingfähigen System aus Kondensator und Spule. Das Funktionsprinzip: Eine im robusten IP67-Sensorgehäuse untergebrachte Sendespule generiert ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld, das den Schwingkreis im Positionsgeber anregt und wiederum eine Spannung in zwei Empfangsspulenpaare induziert. Da die Stärke der induzierten Spannung in Abhängigkeit zur Überlagerung der Empfangsspulen steht, kann ein interner 16-Bit-Prozessor daraus ein zur Position des Resonators lineares Ausgangssignal (0 bis 10 V, 4 bis 20 mA, IO-Link, SSI) errechnen und ausgeben.