SpiLaLSTD - Spindellager-Leitstand
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Author(s):
Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher -
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing E.h. Fritz Klocke -
Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Dipl.-Ing. Drazen Veselovac - Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Robert Seidner - Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Industry:
ATE/Instrumentation, Manufacturing, Industrial Controls/ Devices/ Systems, Electromechanics/ Electrotechnics
Products:
LabVIEW, PXI/CompactPCI
The Challenge:
Entwicklung eines Leitstandes auf Basis von LabVIEW zur Thematisierung von Optimierungsschwerpunkten von Werkzeugmaschinen und insbesondere deren Hauptspindeln in Forschungs- und Industrieprojekten.
The Solution:
Die Software des Leitstandes wurde mit NI LabVIEW 8.2 entwickelt und ist modular aufgebaut. Die Kommunikation zwischen den Modulen erfolgt mit Hilfe von Warteschlangen oder Benachrichtigungen.
"Die kontinuierliche Aufzeichnung dieser Messgrößen bei variabler Taktfrequenz und insbesondere die simultane Steuerung und Überwachung der Antriebstechnik von bis zu 20 Prüfständen erfordert eine komplexe Messtechnik."
Kurzfassung
In diesem Beitrag wird ein Leitstand vorgestellt, welcher am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen entwickelt und im Rahmen von Forschungs- und Industrieprojekten eingesetzt wird, welche Optimierungs-Schwerpunkte von Werkzeugmaschinen und insbesondere deren Hauptspindeln thematisieren. Die Beurteilung des statischen, dynamischen und thermischen Laufverhaltens der Spindellager erfolgt auf Basis von Messgrößen wie z.B. Temperatur, Schmierfilmausprägung, Reibmoment oder Wellenverlagerung.
Der Leitstand ermöglicht die kontinuierliche Aufzeichnung dieser Messgrößen bei variabler Taktfrequenz und die simultane Steuerung und Überwachung der Antriebstechnik von bis zu 20 unabhängig voneinander laufenden Prüfständen mit jeweils bis zu 16 Messkanälen.
Einleitung
Moderne Werkzeugmaschinen müssen höchste Anforderungen bezüglich Leistungsfähigkeit und Genauigkeit erfüllen. Die Hauptspindel ist in zerspanenden Maschinen eine wesentliche Komponente, welche entscheidenden Einfluss auf die realisierbaren Leistungsparameter hat. Je nach Einsatzfall treten sehr unterschiedliche Anforderungen an die Spindel und auch an ihre Lagerung auf. Insbesondere im oberen Leistungsbereich werden die Lager der Hauptspindel häufig an ihren Leistungsgrenzen betrieben. Die Beurteilung des Laufverhaltens der Spindellager erfolgt auf Basis von Messgrößen wie z.B. Temperatur, Schmierfilmausprägung, Reibmoment oder Wellenverlagerung. Die kontinuierliche Aufzeichnung dieser Messgrößen bei variabler Taktfrequenz und insbesondere die simultane Steuerung und Überwachung der Antriebstechnik von bis zu 20 Prüfständen erfordert eine komplexe Messtechnik.
SpiLaLSTD
SpiLaSTD ist ein am Werkzeugmaschinenlabor entwickelter Leitstand, welcher Aufgrund seiner Flexibilität diese hohen Anforderungen erfüllt. Insbesondere sind die Anzahl der zu überwachenden Kanäle, die notwendige Messfrequenz sowie der Ablauf der Steuerung für jeden Prüfstand individuell einstellbar.
Die Software des Leitstandes wurde mit NI LabVIEW 8.2 entwickelt und ist modular aufgebaut. Die Kommunikation zwischen den Modulen erfolgt mit Hilfe von Warteschlangen oder Benachrichtigungen, wobei die Inhalte dieser Nachrichten einerseits Messdaten und andererseits Statusänderungen der Prüfstände sind.
Die Hardware des Leitstandes besteht aus einem handelsüblichen PC auf dem das Betriebssystem Windows XP, eine Reihe von PCI Steckkarten und externe Anschlussmöglichkeiten der Firma National Instruments (1x NI PCI-6220, 1x NI PCI-6225, 1x NI PCI-6723, 1x SCXI-1000, 3x SCXI-1102, 3x TC-2095) betrieben werden.
Die Benutzeroberfläche setzt sich aus wenigen Dialogfenstern zusammen, zur Konfiguration der Überwachungs- und Steuerungssoftware.
Sie enthält neben einer Statusanzeige zu allen Prüfständen eine graphische Darstellung der Messdaten sowie des Verlaufs der Antriebssteuerung eines ausgewählten Prüfstandes.
Prüfstandkonfiguration
Neben Angaben zur Datenablage, dem Programm zur Antriebssteuerung können eine Reihe von Parameter angegeben werden, die den Betrieb des jeweiligen Prüfstandes beeinflussen. Je nach Antriebstechnik können für die Freigabe der Antriebssteuerung ein oder zwei digitale Signale verwendet werden. Weiterhin muss die maximal mögliche Drehzahl zur Steuerung des Antriebes sowie der Kanal für die Ausgabe des Soll-Wertes eingestellt werden. Für die Aufzeichnung der Messgrößen können bis zu 8 von 96 Temperatur- und 8 von 40 analogen Spannungskanälen ausgewählt werden.
Steuerung
Das Programm zur Antriebssteuerung besteht aus einzelnen, beliebig oft wiederholbaren Blöcken von Anweisungen zur Änderung der Drehzahl innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls. Für jeden Testzyklus wird für ein festgelegtes Zeitintervall die Zieldrehzahl vorgegeben. Die Anfangsdrehzahl entspricht immer der Zieldrehzahl des vorangegangenen Testzyklusses. Die interpolierte Soll-Drehzahl wird auf eine analoge Spannung im Bereich von 0 bis 10 V abgebildet und zusammen mit dem digitalen Signal zur Antriebsfreigabe durch das Modul Datenausgabe von allen Prüfständen gesammelt und in die entsprechenden Ausgabekanäle geschrieben.
Überwachung
Das Modul Datenerfassung erfasst kontinuierlich 96 Temperaturkanäle sowie 40 analoge Spannungskanäle mit einer Abtastrate von 5 kHz. Die Überwachung extrahiert für jeden Prüfstand die notwendigen Datensignale, reduziert die Samplerate auf die konfigurierte Rate und prüft, ob sich die Signale der einzelnen Kanäle innerhalb von individuell vorgegebenen Grenzen befinden. Sobald ein Signal die Grenzen über- oder unterschreitet, wird ein Alarm an die Antriebssteuerung übermittelt und der Prüfstand wird kontrolliert gestoppt.
Zur späteren Auswertung werden neben den Messdaten auch die Soll-Werte der Antriebssteuerung gespeichert. Pro Prüfstand wird je eine Datei für die Temperatur- und eine Datei für die analogen Spannungskanäle verwendet. Abhängig von der Datenmenge wird automatisch das Dateiformat (ASCII oder TDMS) ausgewählt.
Durch Verringerung der Samplerate der Spannungskanäle in mehreren Schritten von 5 kHz bis zu 1 Hz kann die zu speichernde Datenmenge reduziert werden. Dadurch können neben Langzeitversuchen, bei denen nur minütlich jeweils ein Wert pro Kanal gespeichert werden muss, auch Testreihen unter maximaler Auslastung durchgeführt werden. Bei maximaler Auslastung wird eine Datenmenge von ca. 8 MB/Sekunde verteilt auf 20 Prüfstände bzw. 40 Dateien verarbeitet und gespeichert.
Zusammenfassung
Dieser Leitstand befindet sich seit einigen Monaten im Einsatz am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen. Hier werden u.a. diverse Forschungs- und Industrieprojekte bearbeitet, welche Optimierungs-Schwerpunkte von Werkzeugmaschinen und insbesondere die Lagerung der Hauptspindeln sowohl aus konstruktiver wie auch aus tribologischer Sicht thematisieren. Neben theoretischen Analysen der Spindellager werden insbesondere vielfältige experimentelle Untersuchungen in einem Spindellager-Testfeld durchgeführt, das die Erprobung der Lager bei Drehzahlkoeffizienten (n x dm) größer 3 x 106 mm/min unter axialer und radialer Last gestattet.
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