Vibrationsanalyse an Werkzeugmaschinen: Was ISO-Grenzwerte leisten und wo sie enden

Wer sich mit Vibrationsanalyse an Werkzeugmaschinen beschäftigt, stößt früh auf die ISO-Normen zur Schwingungsbewertung und auf die Frage nach dem richtigen Grenzwert. Die Erwartung ist verständlich: Ein Wert, und man weiß, ob die Maschine in Ordnung ist. So einfach ist es nicht. Die Normen leisten etwas Wichtiges, aber etwas anderes, als viele erwarten. Für die frühe Erkennung eines Spindellagerschadens reicht ein fester Gesamtpegel-Grenzwert in der Regel nicht.

Dieser Artikel erklärt, was die Normenreihen ISO 10816 und ISO 20816 regeln, warum ein Gesamtpegel bei Spindeln an Grenzen stößt und wie sich Norm, Trend und frequenzbezogene Kennwerte sinnvoll ergänzen. Konkrete Zonengrenzen nennen wir bewusst nicht. Sie hängen von Maschinenart und Normteil ab und gehören aus der jeweils gültigen Fassung der Norm abgelesen, nicht aus einem Blogartikel.

Was ISO 10816 und ISO 20816 regeln

Die Normenreihe ISO 10816 beschreibt die Bewertung von Maschinenschwingungen durch Messungen an nicht rotierenden Teilen, also zum Beispiel an Lagergehäusen. Sie wird schrittweise durch die Reihe ISO 20816 ersetzt, die Messungen an nicht rotierenden und an rotierenden Teilen zusammenführt. Beide Reihen bestehen aus einem allgemeinen Teil und mehreren Teilen für bestimmte Maschinenarten.

Der Grundgedanke ist in allen Teilen ähnlich:

• Gemessen wird ein Breitbandwert. Typisch ist der Effektivwert der Schwinggeschwindigkeit über einen festgelegten Frequenzbereich, gemessen an definierten Stellen der Maschine.
• Bewertet wird in Zonen. Der Messwert wird einer Bewertungszone zugeordnet, die beschreibt, ob der Schwingungszustand für den Dauerbetrieb akzeptabel ist.
• Die Grenzen hängen von der Maschine ab. Maschinengröße, Leistung, Aufstellung und Bauart bestimmen, welche Zonengrenzen gelten.

Damit sind die Normen ein gemeinsamer Maßstab für Hersteller und Betreiber, etwa bei der Abnahme einer Maschine oder bei der Frage, ob ein Schwingungszustand grundsätzlich bedenklich ist. Sie sind kein Diagnoseverfahren. Ein Zonenwert sagt, dass etwas schwingt und wie stark. Er sagt nicht, was schwingt.

Die Bewertungszonen A bis D

Die Normen teilen den Schwingungszustand in vier Zonen ein. Die Zonen sind sprachlich beschrieben, die Zahlen dazu stehen in den maschinenspezifischen Teilen:

Neben dem Absolutwert kennen die Normen auch die Veränderung gegenüber einem Referenzwert als Kriterium. Eine deutliche Änderung kann auch dann Anlass zur Untersuchung sein, wenn die Maschine noch in einer guten Zone liegt. Dieser Gedanke ist für Spindeln wichtiger als die Zonen selbst. Wir kommen darauf zurück.

Warum feste Gesamtpegel-Grenzwerte bei Spindeln nur bedingt taugen

Ein Gesamtpegel ist ein guter Indikator für grobe Probleme wie starke Unwucht, lose Befestigungen oder einen weit fortgeschrittenen Schaden. Für die frühe Erkennung von Spindellagerschäden hat er vier Schwächen.

1. Lagerstöße tragen zum Gesamtpegel kaum bei

Ein beginnender Lagerschaden erzeugt kurze Stöße, die die Struktur im Kilohertz-Bereich anregen. Die Schwinggeschwindigkeit betont dagegen tiefe und mittlere Frequenzen, weil sie aus der Beschleunigung durch Division durch die Frequenz entsteht. Hochfrequente Stöße gehen im Breitbandwert der Geschwindigkeit fast unter. Der Gesamtpegel steigt meist erst, wenn der Schaden fortgeschritten ist.

2. Die Spindel läuft nicht bei einer Drehzahl

Eine Pumpe läuft oft jahrelang bei derselben Drehzahl. Eine Frässpindel wechselt ihre Drehzahl mit jedem Werkzeug und manchmal innerhalb eines Programms. Schwingungsniveaus hängen stark von der Drehzahl ab. Ein Grenzwert, der bei niedriger Drehzahl passt, ist bei hoher Drehzahl zu streng oder zu großzügig.

3. Die Zerspanung überlagert das Signal

Während der Bearbeitung kommen Schnittkräfte, Zahneingriffsfrequenzen des Fräsers und gegebenenfalls Rattern hinzu. Ein fester Grenzwert kann nicht unterscheiden, ob der Pegel steigt, weil das Lager schlechter wird oder weil gerade ein anderes Werkzeug im Eingriff ist.

4. Jede Spindel hat ihr eigenes Grundniveau

Zwei baugleiche Spindeln in zwei Maschinen schwingen unterschiedlich, je nach Einbau, Aufstellung, Alter und Messstelle. Ein Wert, der für die eine Spindel normal ist, kann für die andere bereits eine deutliche Veränderung bedeuten. Ein gemeinsamer Grenzwert ist für die eine zu streng und für die andere zu großzügig.

Besser: Trend gegen die eigene Normallage

Die Antwort auf diese Schwächen ist nicht ein besserer fester Grenzwert, sondern ein anderer Bezugspunkt. Statt zu fragen, ob ein Wert über einer allgemeinen Grenze liegt, fragt man, ob er sich gegenüber dem gesunden Zustand genau dieser Spindel verändert hat. Das ist der Gedanke des Veränderungskriteriums aus der Norm, konsequent zu Ende gedacht.

Unser System lernt dazu für jede Maschine eine Normallage, getrennt nach Messstelle und Drehzahlbereich. Für jeden Kennwert werden Median und eine robuste Streuung bestimmt. Jede neue Messung wird dagegen bewertet:

Median und robuste Streuung sind unempfindlich gegen einzelne Ausreißer. Ein Stoß beim Werkzeugwechsel verschiebt die Normallage deshalb kaum. Aus der Abweichung ergeben sich die Stufen Normal, Auffällig, Warnung und Alarm. Gemeldet wird eine Stufe erst, wenn sie über mehrere aufeinanderfolgende Messungen besteht. Die Schwellen zwischen den Stufen sind Startwerte, die mit echten Daten und Rückmeldungen aus dem Betrieb kalibriert werden. Sie stammen nicht aus einer Norm.

Der Vorteil ist praktisch: Die Bewertung berücksichtigt automatisch, wie diese Spindel normalerweise schwingt. Eine Veränderung wird sichtbar, auch wenn der absolute Wert noch weit von jeder Zonengrenze entfernt ist. Warum wir dafür eine robuste Statistik und kein undurchsichtiges KI-Modell nutzen, erklärt der Artikel feste Schwellen oder gelernte Normallage.

Frequenzbezogene Kennwerte zeigen, was sich ändert

Ein Trend im Gesamtpegel sagt, dass sich etwas verändert. Für eine Diagnose braucht man Kennwerte, die einem Bauteil zugeordnet werden können. Unser System wertet deshalb neben dem Effektivwert auch Kennwerte aus, die auf bestimmte Schadensbilder empfindlich reagieren:

Die Lagerfrequenzen werden aus der Lagergeometrie und der aktuellen Drehzahl berechnet, die aus der Steuerung kommt. Die Hüllkurvenanalyse macht die Stöße sichtbar, die im Gesamtpegel untergehen. Wie das im Detail funktioniert und wie die Muster je Schaden aussehen, steht im Artikel Wälzlagerschaden früh erkennen.

Für diese Kennwerte braucht es einen Schwingungssensor am Spindelgehäuse. Die Standard-Schnittstellen der Steuerungen liefern Werte mit deutlich unter 1 kHz und reichen für eine Lagerdiagnose nicht aus.

Norm und Trend sinnvoll kombinieren

Die ISO-Normen und eine Überwachung gegen die Normallage schließen sich nicht aus. Sie beantworten unterschiedliche Fragen:

• Norm: Ist der Schwingungszustand dieser Maschine im Vergleich zu dem, was für Maschinen ihrer Art üblich ist, grundsätzlich akzeptabel? Das ist nützlich bei Abnahme, nach einer Reparatur oder bei einem Vergleich über Herstellergrenzen hinweg.
• Normallage: Hat sich diese Spindel gegenüber ihrem eigenen gesunden Zustand verändert? Das ist die Frage der laufenden Überwachung.
• Frequenzbezogene Kennwerte: Welches Bauteil ist betroffen? Das ist die Frage, die der Instandhalter für die Planung braucht.

Wenn Sie mit einem Handmessgerät arbeiten, gelten dieselben Grundsätze im Kleinen: Messen Sie immer an denselben Stellen, bei derselben Drehzahl und möglichst ohne Zerspanung. Nur vergleichbare Messungen ergeben einen aussagekräftigen Trend. Halten Sie die Messbedingungen schriftlich fest.

Eine dauerhafte Überwachung nimmt Ihnen diese Disziplin ab, weil sie jede Messung mit Drehzahl und Betriebszustand aus der Steuerung verknüpft. Wie eine solche Überwachung aufgebaut ist, beschreibt der Leitfaden zur Spindelüberwachung. Wie sich Zustandsüberwachung von vorausschauender Instandhaltung unterscheidet, steht im Artikel Condition Monitoring oder Predictive Maintenance. Welche Spindelschäden unser System heute auswertet, sehen Sie auf der Seite Leistung.

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