Auswuchtmaschinen - Typen - Prinzipien - Perspektiven
Moderne industrielle Auswuchtmaschinen bestehen aus zahleichen wichtigen Komponenten, die zusammenwirken, um eine präzise Auswuchtung zu ermöglichen. Es handelt sich dabei im Kern um spezifische maschinenbautechnische, elektrotechnische und messtechnische Aufbauten, die in ihrer Gesamtheit eine hochempfindliche Messeinrichtung darstellen.
Aufnahmevorrichtung
Verschiedenste Spann- und Zentriersysteme oder Rollenlager dienen der genauen und reproduzierbaren Positionierung des Rotors auf der Auswuchtmaschine. Sie sind entscheidend für die Zuverlässigkeit der Messergebnisse und müssen an die spezifischen Eigenschaften der auszuwuchtenden Rotoren präzise angepasst sein.
Antriebssystem
Das Antriebssystem bringt den Rotor auf die erforderliche Mess-Drehzahl für die erforderlichen Schwingungs- und Unwuchtmessungen. In den meisten Fällen kommen elektrische Antriebe zum Einsatz, die eine präzise Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit ermöglichen.
Messsystem
Das Herzstück der Auswuchtmaschine ist das PC-gestützte elektronische Präzisionsmesssystem. Es besteht u.a. aus hochempfindlichen Schwingungssensoren, die die durch Unwuchten verursachten Kräfte oder Schwingungen erfassen und verarbeiten. Diese Sensoren liefern die Primärdaten für die anschließende Analysen und Unwuchtberechnungen.
Steuerung und Auswertung
Die von den Sensoren erfassten Daten werden an eine computergestützte Steuereinheit übermittelt. Hier erfolgt die komplexe Schwingungsanalyse der Messwerte, um Größe und Winkelposition der Unwucht zu bestimmen. Moderne Systeme nutzen dabei fortschrittliche Algorithmen der Fouriertransformation.
Bedienschnittstelle und Display
Über eine benutzerfreundliche Schnittstelle kann der Bediener die Maschine bedienen und steuern und die Ergebnisse auf einem Monitor digital und in Polarkoordinatensystemen ablesen. Auf dem Display werden auch die Masse-Korrekturvorschläge ausgegeben, die dann manuell, halb- oder vollautomatisch durch Masseabtrag oder Massezuführung umgesetzt werden.
Betrieb und Funktionsweise der Auswuchtmaschinen
Der Betrieb einer Auswuchtmaschine folgt einem strukturierten Ablauf, der eine genaue und effiziente Auswuchtung der Rotoren ermöglicht.
Einspannen des Rotors
Zu Beginn wird der auszuwuchtende Rotor sorgfältig und definiert in die Aufnahmevorrichtung der Maschine eingelegt oder eingespannt. Dabei ist auf eine korrekte und sichere Fixierung und Zentrierung zu achten, um präzise Messergebnisse zu gewährleisten.
Beschleunigung und Messung
Nach der exakten Positionierung wird der Rotor auf die vorgegebene Messdrehzahl beschleunigt. Encodersysteme meist in Verbindung mit einem Nullpunktsensor gewährleisten die zuverlässige Einhaltung der Rotordrehzahl. Während der Rotation erfassen die Schwingungssensoren des Messsystems die auftretenden Unwuchtkräfte oder -schwingungen. Diese Daten bilden die Grundlage für die anschließende Analyse und Auswertung.
Analyse und Korrekturvorschlag
Die erfassten Messdaten werden von der Mess- und Steuerungseinheit erfasst und ausgewertet. Mithilfe komplexer Berechnungen bestimmt das System Größe und Position der Unwucht, meist in 1 oder 2 Ausgleichsebenen des Rotors. Basierend auf diesen Ergebnissen generiert die Maschine Vorschläge für Korrekturmaßnahmen, wie beispielsweise das Anbringen von Ausgleichsgewichten.
Durchführung der Massekorrekturen
Der Bediener führt die vorgeschlagenen Masse-Korrekturmaßnahmen durch. Dies kann das Anbringen von Ausgleichsgewichten, das Entfernen von Material oder andere spezifische Anpassungen umfassen. Die genaue Vorgehensweise hängt vom Typ des Rotors und den Anforderungen an die angestrebte Auswuchtgüte ab.
Kontrollmessung und Auswuchtergebnis
Nach jedem Massekorrekturvorgang wird eine erneute Messung der Rotorunwuchten durchgeführt, um den Erfolg des jeweiligen Auswuchtschrittes zu überprüfen. Bei Bedarf werden weitere Feinjustierungen und Kontrollen vorgenommen, bis das gewünschte Auswuchtergebnis erreicht ist.
Messmethoden an Auswuchtmaschinen
In der Industrie kommen hauptsächlich zwei Typen von dynamischen Auswuchtmaschinen zum Einsatz, die sich in ihrer Funktionsweise, ihren Messwerterfassungssystemen und in ihren Einsatzgebieten voneinander unterscheiden.
Kraftmessende Maschinen
Diese auch als „Hartlager-Maschinen / kraftmessend“ bezeichneten Geräte messen direkt die durch die Unwucht erzeugten Fliehkräfte. Sie zeichnen sich durch ein breites Anwendungsspektrum aus und können flexibel für verschiedene Bauteilgrößen eingesetzt werden. Kraftmessende Maschinen eignen sich besonders gut für schwere Rotoren und bieten eine hohe Genauigkeit über einen weiten Drehzahlbereich. Rotorspezifische Kalibriervorgänge erhöhen die Präzision und Reproduzierbarkeit der Unwuchtmessungen.
Wegmessende Maschinen
Auch als „Weichlager-Maschinen / wegmessend“ bekannt, erfassen diese Geräte die Schwingungsamplitude des Rotors. Sie arbeiten oft mit deutlich höherer Empfindlichkeit als kraftmessende Maschinen und eignen sich besonders für leichte und empfindliche Rotoren. Sichere Betriebsbedingungen und rotorspezifische Kalibrierungen gewährleisten die Präzision der jeweiligen wegmessenden Auswuchtmaschinen.
Horizontale Auswuchtmaschinen
Bei horizontalen Auswuchtmaschinen rotiert die Rotorachse parallel zum Boden. Sie eignen sich besonders für lange, zylindrische Rotoren wie Wellen, Turbinenschaufeln oder Elektromotorläufer. Horizontalmaschinen ermöglichen eine einfache Beladung und bieten gute Zugänglichkeit für Korrekturmaßnahmen auf der Auswuchtmaschine selbst. Der Antrieb der Rotoren auf der Auswuchtmaschine erfolgt dabei bevorzugt durch Bandantriebe oder spezielle Gelenkantriebssysteme.
Vertikale Auswuchtmaschinen
Vertikale Auswuchtmaschinen haben unter Verwendung einer Präzisionsauswuchtspindel eine senkrecht stehende Rotorachse. Sie werden bevorzugt für scheibenförmige Rotoren wie Pumpenläufer, Schwungräder oder Bremsscheiben eingesetzt. Besondere Herausforderungen bestehen im Bereich der erforderlichen Spann- und Zentriervorrichtungen für die unterschiedlichen Rotortypen.
Sicherheitsmaßnamen
Die erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen beim Betrieb der Auswuchtmaschinen sind bei allen Maschinentypen sorgfältig einzuhalten, da hohe Messdrehzahlen aller rotierenden Teile unterschiedlichste und z.T. hohe Gefahrensituationen hervorrufen, die durch geeignete Rotor- und Berührungsschutzmaßnahmen und Schutzvorrichtungen gegen wegfliegende Teile abzusichern sind. Auswuchtautomaten und deren Masseausgleichssysteme werden meist durch eine Komplettumhausung oder andere spezifische Schutzmaßnahmen abgesichert.
Automaten mit vollautomatischem Masseausgleich
Hochentwickelte Auswuchtautomaten verfügen über integrierte Systeme zum automatischen Masseausgleich. Diese Systeme nutzen robotergesteuerte Bohr-, Fräs- oder Schweißeinheiten, um präzise Materialab- oder -auftrag vorzunehmen. Lasergestützte Positioniersysteme gewährleisten eine exakte Platzierung der Korrekturmaßnahmen. Durch die Vollautomatisierung werden Zykluszeiten minimiert und eine konstant hohe Auswuchtgüte sichergestellt. Die Wirtschaftlichkeit solcher vollautomatischer Auswuchtsysteme ergibt sich insbesondere bei hohen Stückzahlen und geringem personellen Aufwand.
Sonder-Auswuchtmaschinen
Für ganz spezielle Anwendungen werden maßgeschneiderte Auswuchtlösungen konzipiert, entwickelt und als Sondermaschinen aufgebaut.
Hochgeschwindigkeits-Auswuchtmaschinen
Diese Maschinen sind für Rotoren mit extremen Betriebsdrehzahlen konzipiert, wie sie in der Luft- und Raumfahrttechnik, aber auch bei Turboladern oder Vakuumsystemen, vorkommen. Sie verfügen über spezielle Lagerungen, Zentrier- und Antriebssysteme, die Messungen bei Drehzahlen bis über 100.000 U/min ermöglichen.
Mehr-Ebenen-Auswuchtmaschinen
Für komplexe Rotoren mit mehreren Ausgleichsebenen werden Mehrebenen-Auswuchtmaschinen eingesetzt. Sie ermöglichen die zuverlässige Erfassung und Korrektur von Unwuchten in bis zu vier Mess- und Ausgleichsebenen, was besonders bei Turbinenwellen oder Kurbelwellen relevant ist.
Mobiles Betriebsauswuchten
Diese mobilen Systeme erlauben das Auswuchten von Rotoren in eingebautem Zustand. Sie kommen bei Großmaschinen wie Turbogeneratoren, Lüftersystemen oder Papiermaschinen zum Einsatz, wo ein Ausbau nicht praktikabel ist. Mittels spezieller Algorithmen können Umgebungseinflüsse kompensiert werden. Die kontinuierliche Weiterentwicklung unterschiedlicher Auswuchttechnologien ermöglicht heute die präzise Auswuchtung selbst komplexester Rotoren. Das führt zu signifikanten Verbesserungen der Produktivität, Energieeffizienz, Produktqualität und der Wettbewerbsfähigkeit in unterschiedlichsten Industriezweigen.
Genauigkeit und Reproduzierbarkeit
Die Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit werden durch verschiedene Methoden der sensorischen Messsignalerfassung und computergestützten Messsignalverarbeitung realisiert und sichergestellt.
Kalibrierung und Wartung
Eine regelmäßige Kalibrierung, vor allem die rotorspezifische Kalibrierung spezifischer Rotortypen, wird empfohlen. Sie minimiert vor allem unbestimmte, meist zufällige Fehlereinflussfaktoren, und ist maßgebend für die Genauigkeit von Auswuchtmaschinen. Dabei wird typischerweise wie folgt vorgegangen:
· Verwendung Präzisions-Kalibrierrotors mit bekannter Unwucht als Referenz
· Messung definierter Testunwuchten und Vergleich mit den Sollwerten
· Justierung der Sensorik, Messelektronik und der Auswertealgorithmen
· Kalibrierung in regelmäßigen Intervallen und nach Wartungsarbeiten.
Messgenauigkeit
Die Unwuchtmessergebnisse werden üblicherweise in Gramm oder Gramm-Millimeter angegeben. Moderne Präzisions-Auswuchtmaschinen erreichen Genauigkeiten im Mikrogramm-Bereich und Gütestufen mit zulässigen Schwinggeschwindigkeiten der Rotoren unter 1,0 mm/s und unter 1,0 µm Exzentrizitätsabweichung von der Rotoridealachse.
Entscheidende Faktoren sind:
· Auflösung und Linearität der Schwingungsmesssensoren
· Zuverlässigkeit der Nullpunkt- und Unwuchtwinkelerfassung
· Qualität der Methoden der Filterung und Fouriertransformation
· Präzision der Messsignalverarbeitung und Ergebnis-Berechnungen
Reproduzierbarkeit
Die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse wird durch sogenannte zufällige und systematische Fehlereinflussfaktoren maßgeblich bestimmt. Wiederholungsmessungen am selben Prüfling unter definierten Messbedingungen ermöglichen die Ermittlung statistischer Kenngrößen, die ein Maßstab für die Qualität der Reproduzierbarkeit sind. Insbesondere bei Neu-Maschinenabnahmen dienen diese Methoden ebenfalls der Ermittlung von Maschinen- und Messmittelfähigkeiten.
Präzisionsmessungen und Umgebungsbedingungen
Aufgrund der immer höher werdenden Anforderungen an die Auswuchtgüte von Rotoren, deren Betriebsdrehzahlen stetig anwachsen, müssen Störeinflüsse zuverlässig identifiziert, ganz vermieden oder minimiert werden – hier einige Beispiele:
· Feste und zuverlässige Verankerung der Maschine
· Ausreichende Schwingungsisolierung des Fundaments
· Minimierung von Öl- oder Staubverschmutzungen
· Temperatur- und Luftfeuchtigkeitseinflüsse
· Vermeidung von Luftströmungen
Richtlinien und Prüfnormen
Die Genauigkeit von Auswuchtmaschinen und ihr sicherer Betrieb wird u.a. nach einschlägigen Maschinenbau-Richtlinien und internationalen Normen wie DIN ISO 21940 geprüft und zertifiziert. Diese definieren standardisierte Testverfahren, Sicherheitsvorkehrungen und bestimmte Grenzwerte. Durch die Kombination dieser Maßnahmen können eine hohe und nachvollziehbare Messgenauigkeit von Auswuchtmaschinen und die Betriebssicherheit zuverlässig gewährleistet werden. Regelmäßige messtechnische und sicherheitstechnische Überprüfungen und Wartungen sind dabei unerlässlich.
Bedeutung des Auswuchtens für die Industrie
Immer leistungsfähigere Auswuchtmaschinen und zunehmend auch Auswuchtautomaten haben sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug in vielen Industriezweigen entwickelt. Ihre technische und wirtschaftliche Relevanz lässt sich an mehreren Faktoren festmachen.
Steigerung der Lebensdauer
Durch präzises Auswuchten wird die Belastung auf Lager, Wellen und andere rotierende Komponenten erheblich reduziert. Dies führt zu einer signifikanten Verlängerung der Lebensdauer dieser Bauteile und reduziert Wartungs- und Ersatzteilkosten.
Verbesserung der Energieeffizienz
Präzise ausgewuchtete Rotoren verursachen weniger Reibungsverluste und benötigen daher weniger Energie im Betrieb. Dies trägt zur Steigerung der Gesamteffizienz von Maschinen und Anlagen bei und kann zu erheblichen Energieeinsparungen führen.
Präzision und Produktqualität
Insbesondere bei der Herstellung von Präzisionsteilen ist eine exakte Auswuchtung unerlässlich. Sie minimiert Vibrationen und gewährleistet eine zuverlässige und gleichmäßige Rotation, was sich direkt in einer verbesserten Produktqualität niederschlägt.
Höherer Betriebsdrehzahlen
Durch die Reduzierung von Unwuchten können Maschinen und Anlagen bei immer höheren Drehzahlen betrieben werden. Dies ermöglicht Steigerungen der Produktionsleistung und Wirtschaftlichkeit in vielen industriellen Prozessen.
Perspektivischer Ausblick
Die Entwicklung immer präziserer Auswuchtmethoden wird durch weiter steigende Anforderungen, insbesondere durch immer höhere Drehzahlen, in der Industrie vorangetrieben. Zukünftig werden auch Methoden der Künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens zur Optimierung von Auswuchtsystemen und Auswuchtalgorithmen einbezogen werden.
Hochauflösende mikroprozessorbasierte Messelektroniken und Sensortechnologien auf dem Gebiet der Schwingungs- und Unwuchtmessungen versprechen weitere Verbesserungen der Messgenauigkeit und der Reproduzierbarkeit. Digitale und KI-basierte Auswertemethoden und Simulationsmodelle werden insbesondere die schwingungsanalytischen Auswerteverfahren weiter optimieren.
Die genannten und zahlreiche weitere Innovationen zielen darauf ab, Auswuchtprozesse noch effizienter, präziser und flexibler zu gestalten, um den wachsenden Anforderungen an Laufruhe, Energieeffizienz und Lebensdauer in verschiedensten industriellen Anwendungen gerecht zu werden.
Dr.-Ing. Kersten Kämpfer / Frankenblick 2021
