Was Sensoren in Gewindespindeln bewirken können

Smarte Gewinde sollen Kraft- und Drehmoment-Messtechnik in Anlagen und Maschinen mit Gewindespindeln überflüssig machen – Bornemann zeigt, wie das geht.

Die Idee ist ebenso naheliegend wie clever: Weshalb sollten Gewindespindeln nicht einfach selbst zum Sensor werden? Mit einer derartigen Lösung könnten Anlagen- und Maschinenbauer künftig auf die umständ­liche und kostspielige Integration externer Kraft- und Drehmoment-Messtechnik verzichten. So zumindest der Gedanke des Entwicklungsteams der Bornemann Gewindetechnik GmbH. Beim Familienunternehmen in der Nähe von Hildesheim entwickelt, konstruiert und fertigt man neuerdings kundenspezifische Gewindekomponenten mit intelligenter Sensorik. Damit sollen Hersteller und Betreiber von Anlagen oder Maschinen mit Gewindespindeln nun nicht mehr auf Druckmessdosen aus Forschung & Entwicklung angewiesen sein.

Die Sensorik wird direkt in die Gewindespindel integriert und erfasst jegliche Interaktion des Bauteils mit seiner Umgebung. Somit lassen sich unterschiedliche Messdaten durch miniaturisierte Sensorelektronik bereits innerhalb der Komponente erheben, miteinander verknüpfen und speichern. Die Daten werden kabellos auf eine App oder unternehmenseigene Netze übertragen. Damit erlauben die smarten Gewinde wertvolle Rückschlüsse über die Belastung von Komponenten. Die im Inneren des Gewindes verbauten Sensoren messen den Zug bzw. Druck, die Torsion, die Umdrehung, die Lage (X, Y, Z) oder die Temperatur.

Verschiedene Sensortypen in der Gewindespindel einsetzen

Hersteller schreiben oft spezifische Schmierstoffe für den sachgerechten Betrieb ihrer Anlagen oder Maschinen vor.

• Torsionssensoren können hier beispielsweise das Losbrechmoment einer belasteten Gewindemutter messen. Außerdem lässt sich auf Basis der erhobenen Torsions-Daten ermitteln, welcher Schmierstoff verwendet worden ist. So kann ein Betreiber ein fälschlich eingesetztes Schmiermittel gegen das herstellerkonforme austauschen und seine Prozesse dadurch optimieren. Auch Rückschlüsse zu Bedienfehlern an Anlagen sind durch Einsatz von Torsionssensoren möglich.
• Andere Sensoren wiederum messen den Zug bzw. den Druck und somit die Lasten. Auf diese Weise lassen sich die smarten Komponenten von Bornemann Gewindetechnik zum Wiegen, insbesondere zum Erkennen von Überlastungen einsetzen. Für Hersteller von Schwerlasthebeanlagen empfehlen sich Gewinde mit integrierten Zug- und Drucksensoren als intelligente Alternative für kostenintensive Lastmessdosen. Darüber hinaus bieten smarte Gewinde mit Zug- und Drucksensoren bei Hebeanlagen mit mehreren Hebeböcken (z. B. bei Hegeanlagen für Loks und Waggons) möglicherweise die Option, über das spezifische Lastprofil das jeweilige Modell zu identifizieren.
• In Gewindespindeln integrierte Lagesensoren erlauben zudem Schlussfolgerungen über den Zustand oder den Verschleiß einer Anlage, z. B. durch Messen kleinster Vibrationen.
• Angaben zu Überlast oder Verschleiß sind auch durch Temperatursensoren möglich.

Kabellose Übertragung der Daten möglich

Die Messdaten werden direkt in der Komponente erfasst, fusioniert, gespeichert und kabellos übertragen. Dies erfolgt via Bluetooth auf eine vom Hersteller bereitgestellte, kundenspezifische App, sodass die Anwender sämtliche Messwerte auf ihrem Smartphone oder Tablet einsehen können. Ebenso lassen sich die Signale mit einem Industrie-Gateway empfangen und vorverarbeiten, um diese dann über industrielle Bussysteme an übergeordnete Messsysteme oder Steuerungen weiterzuleiten. Dies gewährleistet, dass die smarten Gewinde mit den bestehenden Systemen kompatibel sind.

Bornemann Gewindetechnik entwickelt diese „fühlenden“ Komponenten für Hersteller oder Betreiber aus dem Anlagen- und Maschinenbau, bei denen Gewindespindeln oder Förderschnecken zum Einsatz kommen. Ein Zielmarkt sind u. a. die Hersteller und Betreiber von Hebeanlagen, die schwere Lasten bewältigen müssen, z. B. Hebeanlagen von Zügen, Lkw, Theaterbühnen und Schiffen. Ein weiteres Einsatzgebiet besteht mit großen Absperrschiebern oder Schotten für den Stahlwasserbau.

Langfristig gesammelte Messdaten können ausgewertet und als Schlussfolgerungen zur Prozessoptimierung dienen. Die Informationen helfen u. a. dabei, Wartungen vorausschauend in die Wege zu leiten und unnötige Anlagenstillstände zu vermeiden.

— Moritz von Soden, Geschäftsführer Bornemann Gewindetechnik GmbH & Co. KG.

Die Anwender smarter Gewindespindeln profitieren von wichtigen, zusätzlichen Informationen über ihre Komponenten und Prozesse. Langfristig gesammelte Messdaten können ausgewertet und als Schlussfolgerungen zur Prozessoptimierung dienen. Die Informationen helfen u. a. dabei, Wartungen vorausschauend in die Wege zu leiten und unnötige Anlagenstillstände zu vermeiden. Fehlerquellen und Bedienfehler lassen sich leichter identifizieren. Darüber hinaus können die Daten und abgeleitete Aussagen dazu herangezogen werden, um Komponenten besser auszulegen sowie die Energieeffizienz von Maschinen oder Anlagen zu erhöhen.

Vom Prototyp über die Kleinserie bis zum finalen Produkt

Beauftragt z. B. ein Maschinenhersteller ein smartes Gewinde, wird als erstes ein Prototyp hergestellt, der aus dem leicht modifizierten, mechanischen Produkt des Herstellers und einer standardisierten Sensorik plus Software besteht.

Im weiteren Verlauf nutzt der Maschinenhersteller bereits Gewinde-Kleinserien sowie eine auf sein Unternehmen zugeschnittene App. Dabei kann er von seinen Kunden wichtige Rückmeldungen zu den mit dem Gewinde ausgestatteten Maschinen und Anlagen einholen. Dieses Feedback dient dazu, die Software gezielt weiterzuentwickeln und anwendungsspezifische Funktionen umzusetzen. Zudem lassen sich intelligente Algorithmen implementieren, um dem Endanwender einen deutlichen Nutzen gegenüber dem herkömmlichen Produkt zu bieten.

Schwächen bisheriger Lösungen zur Kraft- und Drehmoment-Messtechnik

Die bisher am Markt verfügbaren Lösungen zur Kraft- und Drehmoment-Messtechnik offenbaren dem Team von Bornemann Gewindetechnik zufolge deutliche Schwächen: umständliche Integration, hohe Anschaffungskosten, aufwendige Messketten – so lässt sich Industrie 4.0 mit ihren Anforderungen kaum umsetzen. Smarte Gewindekomponenten sind zukunftsorientiert konzipiert und sollen diese Probleme lösen. Die neuen Gewinde von Bornemann Gewindetechnik digitalisieren unterschiedliche Maschinen und Anlagen, machen sie smart. Sie fungieren als integrierte Schnittstelle für das Internet der Dinge und professionalisieren das Gesamtsystem von Anlagen sowie die Prozesse.

Quelle:
Dipl.-Ing. (FH) Sandra Häuslein (13.10.2021), Was Sensoren in Gewindespindeln bewirken können, https://www.konstruktionspraxis.vogel.de/was-sensoren-in-gewindespindeln-bewirken-koennen-a-1062221/