Normallage lernen: Was in der Einlernphase passiert und worauf Sie achten sollten

Bevor unser System eine Spindel bewerten kann, muss es die Normallage lernen: Wie stark schwingt genau diese Spindel, an genau dieser Messstelle, bei dieser Drehzahl, wenn alles in Ordnung ist? Erst gegen diesen gelernten Zustand wird jede neue Messung verglichen. Die Einlernphase ist deshalb kein Vorspiel, sondern die Grundlage jeder späteren Meldung. Dieser Artikel erklärt, was „gesunder Zustand“ dabei heißt, warum die Normallage so fein unterteilt ist, was bei einer vorgeschädigten Spindel passiert, wie Sie nach einem Lagertausch vorgehen und warum die Normallage nicht von selbst mitwandert.

Warum eine gelernte Normallage statt fester Grenzwerte

Feste Grenzwerte aus Normen wie ISO 10816 oder ISO 20816 gelten für ganze Maschinenklassen. Für die Gesamtschwingung einer Maschine sind sie nützlich, für frühe Lagerschäden an einer einzelnen Spindel sind sie zu grob. Zwei baugleiche Bearbeitungszentren schwingen wegen Aufstellung, Fundament, Alter und Bearbeitung unterschiedlich. Ein Wert, der an der einen Maschine normal ist, kann an der anderen schon auffällig sein. Die Hintergründe stehen im Artikel Vibrationsanalyse an Werkzeugmaschinen und ISO-Grenzwerte.

Hinzu kommt: Für Spindellager gibt es kaum Schadensdaten, aus denen man allgemeingültige Schwellen ableiten könnte. Die Frage „Ist das schon zu viel?“ lässt sich deshalb am sichersten so beantworten: „Mehr als bei dieser Spindel üblich?“ Genau das prüft die gelernte Normallage.

Was „gesunder Zustand“ in der Einlernphase heißt

Die Normallage wird aus Messungen im laufenden Betrieb gelernt. Dafür gilt eine klare Annahme: Die Maschine ist während der Einlernphase in Ordnung. Das System kann das nicht selbst prüfen. Es lernt, was es misst. Deshalb klären wir vor dem Start mit Ihrer Instandhaltung, ob die Spindel unauffällig läuft und wann zuletzt an ihr gearbeitet wurde.

Nicht jede Messung geht in die Normallage ein. Die Box wertet ein Messfenster nur aus, wenn die Drehzahl laut Steuerung vor und nach dem Fenster gleich ist, auf ±2 % genau, und über 300 min⁻¹ liegt. Hochlauf, Bremsen und Stillstand fallen damit heraus. Aus jedem gültigen Fenster berechnet die Box die Kennwerte: Effektivwert, Spitzenwert, Scheitelfaktor, Kurtosis, die Schwingung bei einfacher und doppelter Drehfrequenz und die Amplituden im Hüllkurvenspektrum bei den Lagerfrequenzen. Was diese Kennwerte aussagen, erklärt der Artikel Effektivwert, Scheitelfaktor und Kurtosis.

Für jeden Kennwert bestimmt die Plattform aus mindestens 20 solcher Messungen zwei Größen: den Median als typischen Wert und eine robuste Streuung als Maß dafür, wie stark der Wert normalerweise schwankt.

Die erste Zeile ist die klassische robuste Streuung. Einzelne Ausreißer, etwa ein Stoß beim Werkzeugwechsel, verschieben sie kaum. Die zweite Zeile schützt vor Kennwerten, die nach oben schief verteilt sind, wie Amplituden im Spektrum. Die dritte Zeile ist eine Untergrenze: Läuft eine Spindel in der Einlernphase extrem gleichmäßig, würde sonst schon eine winzige Änderung als große Abweichung zählen. Beide Faktoren machen die Streuung bei normalverteilten Daten mit der Standardabweichung vergleichbar.

Getrennte Normallage je Maschine, Messstelle und Drehzahlbereich

Eine einzige Normallage pro Maschine wäre zu ungenau. Unser System lernt deshalb getrennt nach drei Merkmalen:

• Maschine: Jede Maschine hat ihre eigene Normallage. Es wird nie eine Spindel mit einer anderen verglichen.
• Messstelle: Ein Sensor am vorderen Lager sieht ein anderes Signal als einer am hinteren. Jede Messstelle hat deshalb ihre eigene Normallage.
• Drehzahlbereich: Schwingung hängt stark von der Drehzahl ab. Die Plattform ordnet jede Messung einer Drehzahlklasse in Schritten von 100 min⁻¹ zu und vergleicht nur innerhalb derselben Klasse.

Jede Zeile ist eine eigene Normallage. Eine Drehzahlklasse, die erst nach Wochen zum ersten Mal gefahren wird, beginnt dann mit ihrer eigenen Einlernphase. Die anderen Klassen werden in der Zwischenzeit schon bewertet. Im Dashboard steht auf der Karte jeder Messstelle und Drehzahl, ob sie noch lernt und wie viele der 20 Messungen schon vorliegen.

Wie lange die Einlernphase dauert

Eine feste Dauer in Tagen gibt es nicht, weil das System nicht nach Zeit, sondern nach Messungen lernt. Wie schnell 20 gültige Messungen zusammenkommen, hängt ab von:

• wie oft die Spindel in der jeweiligen Drehzahlklasse läuft,
• wie lange sie dort mit gleichbleibender Drehzahl läuft, denn nur solche Fenster zählen,
• wie die Box für Ihre Maschine eingestellt ist, also wie oft sie ein Messfenster aufnimmt,
• dem Schichtbetrieb, also ob die Maschine einschichtig oder rund um die Uhr läuft.

Eine Spindel, die den ganzen Tag dieselbe Bearbeitung mit derselben Drehzahl fährt, hat ihre Hauptdrehzahl schnell gelernt. Eine Maschine mit vielen kleinen Losen und wechselnden Drehzahlen braucht für jede einzelne Klasse länger. Während eine Klasse lernt, löst sie keine Meldungen aus. Das ist bewusst so: Eine Bewertung gegen eine halb gelernte Normallage wäre unzuverlässig.

Was passiert, wenn die Spindel beim Einlernen schon vorgeschädigt ist

Das ist die wichtigste Grenze des Verfahrens, und wir sprechen sie offen an. Ist ein Lager während der Einlernphase schon beschädigt, lernt das System diesen Zustand als Normallage. Die bereits vorhandene Schwingung bei der Schadensfrequenz gilt dann als normal und löst für sich keine Meldung aus.

Ganz blind ist das System trotzdem nicht. Ein Lagerschaden wächst in aller Regel weiter. Steigt die Schwingung über die gelernte Normallage hinaus, meldet das System den Anstieg wie bei jeder anderen Spindel. Zusätzlich sucht die Box in jedem Messfenster im Hüllkurvenspektrum nach den Lagerfrequenzen, unabhängig von der Normallage. Diese Befunde werden mit jeder Messung gespeichert. Für sich allein lösen sie heute aber keine Meldung aus.

Neu lernen nach Lagertausch oder Spindelwechsel

Nach einem Lagertausch, einer Überholung oder einem Spindelwechsel schwingt die Spindel anders als vorher, meist ruhiger. Gegen die alte Normallage bewertet, würde das System dann einen großen Spielraum sehen, und ein neuer Schaden würde zu spät auffallen. Deshalb muss die Normallage nach solchen Eingriffen neu gelernt werden.

Das Neu-Lernen löst der Administrator Ihres Betriebs aus. Instandhalter und Benutzer mit Leserechten können es nicht. Dabei passiert Folgendes:

1. Alle Normallagen dieser Maschine, also jede Messstelle und jede Drehzahlklasse, werden auf „lernt“ zurückgesetzt.
2. Der gemeldete Zustand der Maschine wird auf Normal zurückgesetzt.
3. Gelernt wird nur aus Messungen ab diesem Zeitpunkt. Ältere Messungen gehen nicht ein.
4. Der Vorgang wird mit Person und Zeitpunkt im Prüfprotokoll festgehalten.

Die bisherigen Messungen und Meldungen bleiben gespeichert und sind über den Datenexport abrufbar. Lösen Sie das Neu-Lernen erst aus, wenn die Spindel nach dem Eingriff wieder im normalen Betrieb läuft, also nach dem Einlaufen und nicht während der Probeläufe. Auch wenn wir die Auswertung auf der Box erweitern und sich dadurch die Kennwerte ändern, muss neu gelernt werden. Eine Normallage aus alten Kennwerten passt dann nicht mehr zu den neuen Messungen.

Mitlernen, ohne den Schaden mitzulernen

Eine Spindel verändert sich auch ohne Schaden: neue Bearbeitungen, andere Drehzahlen, ein anderer Schichtbetrieb. Eine Normallage, die das nie berücksichtigt, wird mit der Zeit unpassend. Die naheliegende Lösung wäre, die Normallage laufend aus den jüngsten Messungen nachzuführen. Für die Lagerüberwachung ist genau das gefährlich. Ein Lagerschaden entwickelt sich langsam. Eine Normallage, die blind den letzten Messungen folgt, wandert mit dem Schaden mit. Die Abweichung bleibt klein, obwohl die Spindel immer schlechter wird.

Unser System lernt deshalb geschützt mit. Dafür gelten drei Regeln:

1. Nur gesunde Messungen zählen. In die Normallage fließen nur Messungen ein, die selbst als „Normal“ bewertet wurden. Was auffällig ist, wird nie zur neuen Normalität.
2. Neue Betriebszustände werden ergänzt. Läuft die Spindel in einem Drehzahlbereich, den das System noch nicht kennt, lernt es diesen Bereich dazu. So werden mit der Zeit mehr Messungen auswertbar, und ein Schaden fällt früher auf.
3. Die ursprüngliche Normallage bleibt als Bezug erhalten. Jede Messung wird zusätzlich mit der zuerst gelernten Normallage verglichen. Steigt ein Kennwert über lange Zeit schleichend an, meldet das System diesen Trend gesondert, auch wenn er von Messung zu Messung unauffällig ist.

Heute bleibt die gelernte Normallage in unserem System fest und ändert sich nur durch ein bewusstes Neu-Lernen, das ein Mensch auslöst und das protokolliert wird. Neue Drehzahlbereiche werden bereits getrennt gelernt. Das geschützte Mitlernen nach den drei Regeln oben bauen wir als nächsten Schritt aus. Jede Meldung bleibt dabei nachvollziehbar: Sie nennt, gegen welche Normallage sie berechnet wurde. Wie das zu unserer Haltung gegenüber undurchsichtigen Verfahren passt, steht im Artikel feste Schwellen oder gelernte Normallage.

Die Einlernphase im Pilotprojekt

Im Pilot läuft die Einlernphase nach dem Einbau von Box und Sensor an. In dieser Zeit sehen Sie im Dashboard bereits den Verlauf der Kennwerte und den Lernfortschritt je Messstelle und Drehzahl, aber noch keine Meldungen für die Klassen, die noch lernen. Danach beginnt die eigentliche Überwachung gegen die gelernte Normallage. Den Gesamtablauf beschreiben die Seiten Ablauf und Voraussetzungen und Pilotprojekt Zustandsüberwachung. Wie eine Meldung danach aussieht, zeigt der Artikel Meldung mit Begründung.

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