Schwingungsprobleme an Bearbeitungsmaschinen: Analyse und Lösung mit minimaler Ausfallzeit

Schwingungsprobleme an Bearbeitungsmaschinen treten immer wieder auf. Die Behebung der Ursachen gestaltet sich jedoch zeitaufwendig und kostenintensiv. Wir haben den Prozess der Fehlersuche optimiert und können bereits innerhalb eines Messtages erste pragmatische Lösungsvorschläge erarbeiten. Wie das geht und welche Schritte wir dabei gehen, lesen Sie im folgenden Artikel.

• Die Analyse und Beseitigung von Schwingungsproblemen erfordert meist mehrere Tage
• Wir analysieren und visualisieren das Problem bereits am 1. Messtag
• Pragmatische Lösungsvorschläge können so umgehend erarbeitet werden

Schwingungsprobleme an Bearbeitungsmaschinen treten immer wieder auf. Die Anlässe für eine notwendige Schwingungsanalyse sind daher vielfältig. Auf der einen Seite findet eine Abnahme der Maschine direkt beim Hersteller statt. Zusätzlich dazu kann eine Reproduktion der Ergebnisse beim Kunden durchgeführt werden – eine Abnahme vor Ort. Dadurch wird eine Anpassung des Prozesses an die dynamischen Eigenschaften und Anforderungen der jeweiligen Produktion ermöglicht. Auf der anderen Seite kann eine Analyse notwendig werden, wenn die Maschine bereits im Fertigungsbetrieb eingesetzt wird. Denn treten unerwünschte Schwingungen nach einer gewissen Laufzeit der Maschine auf, muss reagiert werden.

Schwingungsprobleme von Bearbeitungsmaschinen und ihre Folgen

Die Ursachen für Schwingungsprobleme an Bearbeitungsmaschinen sind häufig unklar. Treten sie im Fertigungsprozess auf, kommt hinzu, dass die Behebung nicht selten langwierig ist, denn die Maschine muss mehrere Tage aus der Produktion genommen werden. Für viele produzierende Unternehmen schwer umsetzbar.

Denn eine ausgiebige Untersuchung mit detaillierter Messung aller relevanten Parameter ist aufwändig. Außerdem kommen zunehmend nicht vollständig ausgereifte Maschinen zum Einsatz. Denn die Zeiten zwischen dem Bau eines Prototyps und der Auslieferung an den Kunden werden immer kürzer. Nicht vorhersehbare Schwingungsprobleme häufen sich.

Dabei lässt sich die Zeit für eine Expertenanalyse der Maschine deutlich auf bis zu einen Tag reduzieren. Durch direkte Kommunikation vor Ort und sofortige Anpassung wird eine schnelle Problemlösung erreicht!

So gelingen uns Erfolge bereits am ersten Messtag

Möglich macht das unsere langjährige Expertise in der Entwicklung, Konstruktion und Berechnung von Bearbeitungsmaschinen. Dadurch haben wir ein ganzheitliches Verständnis für die individuellen Probleme unserer Kunden entwickelt. Außerdem sind wir in der Lage, Vor-Ort-Messungen schnell umzusetzen. Unsere mobile Messtechnik und unsere geschulten Mitarbeiter erlauben uns und unseren Kunden die notwendige zeitliche Flexibilität.

Deutlich reduzieren lässt sich der Umfang der Messung durch eine konkrete Schilderung der Probleme einer Bearbeitungsmaschine. Die Beschreibung von bereits durchgeführten Maßnahmen, eigener Messungen oder nicht zum Erfolg führender Maßnahmen machen es uns vor Ort einfacher, zur Lösung des Problems vorzudringen.

Konkret besteht unser Prozess aus 2 Schritten: Aus der Messung und Analyse des dynamischen Verhaltens einer Maschine und der anschließenden Visualisierung des Problems. So werden unerwünschte Schwingungen sichtbar und lassen sich meist vor Ort beheben.

Schritt 1: Erfassen der dynamischen Eigenschaften

Auch wenn die Schwingungsprobleme jeder Maschine unterschiedlich sind, so gibt es dennoch eine annähernd standardisierte Vorgehensweise. Der erste Teil unserer Messung besteht daher oft aus einer Frequenzganganalyse und im Bedarfsfall einer Modalanalyse.

Mit der Frequenzganganalyse lässt sich das Problem zunächst hinsichtlich des Ortes und dessen Richtung eingrenzen.

Exkurs: Frequenzganganalyse

Die Frequenzganganalyse erweist sich als ein effektives Werkzeug zur Maschinenbewertung, durch die angesprochene Orts- und Richtungsbestimmung. Dies geschieht anhand der Analyse der Nachgiebigkeitsfrequenzgänge. Das bedeutet, dass mit diesem Schritt bestimmt werden kann, ob das Schwingungsproblem vom Werkstück oder vom Werkzeug oder sogar beidem herrührt. Ebenfalls lässt sich damit die auffälligste Maschinenrichtung ermitteln. In der folgenden Grafik (Bild 1) lässt sich dies an der grünen Linie mit der maximalen Amplitude deutlich erkennen.

Mit diesem ersten Schritt, der nicht länger als einen halben Messtag beansprucht, können wir das Problem eingrenzen und selektieren. Darauf aufbauend lassen sich bereits erste Lösungsvorschläge diskutieren und die Maschinenverformung kann nachfolgend visualisiert werden.

Optional dazu kann darauf aufbauend eine Modalanalyse durchgeführt werden. Das Verfahren hat sich über viele Jahre hinweg in unserem Arbeitsalltag für diese Aufgaben bewährt.

Die Darstellung des Eigenschwingungsverhaltens der relevanten Baugruppen wird anschließend anhand eines eigens während der Messung generierten 3D-Messmodells umgesetzt. Hierzu fließen die gewonnenen Daten aus der Frequenzganganalyse bzw. Modalanalyse in eine Visualisierung ein. Für jede Richtung und Frequenz lassen sich zudem die Schwing- und Modenformen der Eigenfrequenzen am Messmodell separat visualisieren. Dadurch werden die Verformungen der relevanten Baugruppen in sich bzw. zueinander sichtbar (siehe Bild 4).

Damit werden die Ursachen des Problems während der Bearbeitung des Werkstücks erkannt. Schließlich bewegen sich Schwingungsprobleme bei einer bestimmten Frequenz zumeist nur im Mikrometerbereich und sind im normalen Betrieb nicht sichtbar oder ausschließlich akustisch wahrnehmbar. Das Modell macht es unseren Kunden einfach, sich die Schwingungsprobleme besser vorzustellen.

Schritt 2: Messung im Prozess und Lösungsfindung

Die Signalanalyse gibt in diesem Schritt Hinweise darauf, wenn die unerwünschte Schwingung während des Bearbeitungsprozesses auftritt. Auffällige Prozessschwingungen werden getrennt nach Werkstück- und Werkzeugseite sowie X-/Y-/Z-Richtung aufgezeigt.

Tritt die Problemstellungen schon im Leerlauf der Maschine auf, zeigt alternativ dazu die Leerlaufanalyse die auffälligen Schwingungen. Sichtbar werden diese ebenfalls getrennt nach X-/Y-/Z-Richtung je auffälliger Seite.

Exkurs: Signal- und Leerlaufanalyse

Hierbei werden Sensoren so fixiert, dass in der Bearbeitung die Störschwingungen erfasst werden können. Die in Schritt 1 gemessenen Frequenzgänge und Schwingformen können dadurch eindeutig gewichtet werden. Zudem können im Rahmen der Pozessanalyse Einflussfaktoren wie Drehzahl, Vorschub, etc. Ermittelt und die Sensitivität des Prozesses auf mögliche technologische Parameter aufgezeigt werden.

Um bei beiden Analyseformen die Auffälligkeiten zu visualisieren, kommen 3D-Darstellungen der Schwingungen zum Einsatz. Hierbei setzen wir bevorzugt auf 2 Varianten: Zum einen Contourplots (Bild 2, schwarzer Bereich mit maximaler Amplitude) und zum anderen Wasserfalldiagramme (Bild 3 mit Maximum). Betrachtet wird jeweils der zeitliche Verlauf der Anregungen über die Frequenz hinweg.

Am Ende des ersten Messtages entsteht damit eine umfassende Auswertung der gemessenen kritischen Eigenfrequenzen und damit eine Lokalisierung des Ursprungs der Schwingungsprobleme.

Ergebnis und Benefit für den Kunden

Um Schwingungsprobleme an Bearbeitungsmaschinen zu beheben, bedarf es meist mehrerer Tage. Messen, auswerten, Probleme identifizieren und lösen. Währenddessen steht die Maschine still und muss aus der Produktion genommen werden.

Wir konnten mit unserer Erfahrung den Prozess jedoch dahingehend optimieren, dass in den meisten Fällen 1 Messtag genügt, um Schwingungsproblemen auf die Spur zu kommen. Oftmals liegt die Lösung in der Anpassung des Prozesses an die dynamischen Eigenschaften der Maschine. Somit lassen sich die größten Schwachstellen häufig bereits am Ende dieses Tages beheben und die Maschine steht der Produktion wieder zur Verfügung. Lange Ausfallzeiten und wenig erfolgversprechendes Ausprobieren entfallen damit.

Die Vorteile unserer Methode auf einen Blick:

• wir kommen mit der kompletten Messtechnik zu Ihnen
• 1 Messtag genügt in den meisten Fällen
• Ursachen werden sichtbar gemacht
• schnell umsetzbare Optimierungsmaßnahmen z.B. Technologieanpassung werden vorgestellt

Sie haben Fragen zu unserer Schwingungsanalyse oder stehen im Augenblick vor einem konkreten Schwingungsproblem? Sprechen Sie uns an! Wir beraten Sie gerne und finden heraus, wie wir Sie unterstützen können.