Von der Schwingung zur Meldung: Die Verarbeitungskette unseres Systems nach ISO 13374

Eine Meldung wie „Lagerschaden Außenring vermutet“ ist das Ende einer langen Rechnung. Wer ihr vertrauen soll, muss wissen, wie sie entsteht. Dieser Artikel beschreibt die Verarbeitungskette von der Schwingung zur Meldung in unserem System, Schritt für Schritt: vom Messfenster über Kennwerte, Spektrum und Hüllkurve bis zur Bewertung gegen die Normallage und zur Prüfempfehlung in Klartext. Wir nennen dabei die Startwerte, mit denen das System heute arbeitet, und sagen, welche davon noch am Prüfstand kalibriert werden.

Fünf der sechs Stufen nach ISO 13374

Die Normenreihe ISO 13374 beschreibt, wie Daten in der Zustandsüberwachung verarbeitet werden. Sie gliedert den Weg in Stufen: Daten erfassen, Daten aufbereiten, Zustand erkennen, Zustand bewerten, Diagnose und Empfehlung. Diese Gliederung haben wir übernommen, weil sie eine saubere Trennung erzwingt. Jede Stufe hat eine klare Eingabe, eine klare Ausgabe und einen festen Ort: entweder die Edge-Box an der Maschine oder die Plattform im Rechenzentrum in Deutschland.

Die Aufteilung ist bewusst gewählt. Ein Rohsignal mit Abtastraten im Kilohertz-Bereich ist groß. Kennwerte sind klein. Deshalb rechnet die Box die Stufen eins bis drei selbst und sendet nur das Ergebnis. Die Plattform kennt dafür die Geschichte jeder Maschine und kann beurteilen, ob ein Wert für genau diese Spindel ungewöhnlich ist. Wie die Box aufgebaut ist, beschreibt der Artikel Die Edge-Box an der Maschine.

Schritt 1: Das Messfenster bei gleicher Drehzahl

Die Box nimmt das Signal des Schwingungssensors am Spindelgehäuse in kurzen Fenstern auf. In der Grundeinstellung ist ein Fenster eine Sekunde lang, alle zehn Sekunden wird eines aufgenommen. Beides ist je Messstelle einstellbar. Parallel liest die Box die Spindeldrehzahl aus der Steuerung, nur lesend per OPC UA.

Nicht jedes Fenster wird ausgewertet. Die Box prüft die Drehzahl unmittelbar vor und nach dem Fenster. Nur wenn beide Werte über 300 min⁻¹ liegen und um höchstens 2 % voneinander abweichen, geht das Fenster in die Rechnung. Hochläufe, Bremsvorgänge und Stillstand fallen so heraus. Der Grund ist einfach: Lagerfrequenzen sind proportional zur Drehzahl. Ändert sich die Drehzahl während der Messung, verschmieren die Linien im Spektrum, und das Fenster lässt sich nicht mehr sauber mit der Normallage vergleichen.

Schritt 2: Kennwerte, Ordnungen und Hüllkurve

Aus jedem gültigen Fenster berechnet die Box einen festen Satz von Kennwerten. Die Namen dieser Kennwerte sind Teil unseres Datenvertrags und versioniert. So bleibt nachvollziehbar, mit welcher Rechnung ein gespeicherter Wert entstanden ist.

Die Zeitbereichskennwerte erklärt der Artikel Effektivwert, Scheitelfaktor und Kurtosis ausführlich. Für die Frequenzanalyse wird das Fenster mit einem Hann-Fenster gewichtet und in ein Amplitudenspektrum umgerechnet. Die Frequenzachse wird anschließend durch die Drehfrequenz geteilt. Daraus entsteht das Ordnungsspektrum: Ordnung 1 ist die Schwingung einmal pro Umdrehung, typisch für Unwucht, Ordnung 2 deutet häufig auf Ausrichtungs- oder Befestigungsprobleme. Gesucht wird mit einer Toleranz von mindestens 0,05 Ordnungen. Mehr dazu im Artikel Ordnungsanalyse und Unwucht.

Für die Lager nutzen wir die Hüllkurvenanalyse. Ein Bandpass schneidet den Frequenzbereich um eine Strukturresonanz heraus, die Hilbert-Transformation liefert die Hüllkurve, und deren Spektrum zeigt, wie oft pro Sekunde Stöße auftreten. Das Band muss je Messstelle bestimmt werden, zum Beispiel durch einen Klopftest. Ein Standardband für alle Maschinen gibt es nicht. Die Grundlagen beschreibt der Artikel Wälzlagerschaden früh erkennen.

Schritt 3: Die Suche nach den Lagerfrequenzen

Aus der Lagergeometrie laut Datenblatt und der gemessenen Drehzahl berechnet die Box die vier Schadensfrequenzen. Dann sucht sie im Hüllkurvenspektrum nach Linien an diesen Stellen. Dabei gelten feste Regeln:

• Toleranz: Reale Lager schlupfen. Gesucht wird deshalb in einem Band von ±2 % um die berechnete Frequenz, mindestens aber 1,5 Linienabstände breit.
• Vergleich mit dem Rauschen: Jede gefundene Linie wird mit dem örtlichen Grundrauschen verglichen. Als Rauschen gilt der Median der Amplituden in der Umgebung der Linie. Der Median ist unempfindlich gegen die Linien, die wir suchen.
• Grundfrequenz und Oberschwingungen: Geprüft werden die Grundfrequenz und ihre Vielfachen bis zur dritten. Ein Schaden gilt erst als gesehen, wenn die Grundfrequenz selbst mindestens 10 dB über dem Rauschen liegt und mindestens eine Oberschwingung ebenfalls. Nur ein Vielfaches reicht nicht, weil sich Vielfache verschiedener Schadensarten überlagern können.
• Wälzkörper bei 2 × BSF: Ein defekter Wälzkörper berührt pro Eigendrehung beide Laufbahnen. Die deutlichere Linie liegt deshalb meist beim Doppelten der Wälzkörperfrequenz.
• Seitenbänder: Für jede Schadensfrequenz prüft die Box, ob Linien im Abstand der Drehfrequenz daneben stehen. Das ist typisch für Innenringschäden, die mit der Welle durch die Lastzone laufen.

Das Ergebnis ist kein undurchsichtiger Gesamtwert, sondern eine Reihe von Befunden der Art „Außenring: Linie bei der erwarteten Frequenz, zwei Vielfache, so viele dB über dem Rauschen“. Liegen mehrere Kandidaten vor, gewinnt der mit den meisten gefundenen Vielfachen und dem größeren Abstand zum Rauschen. Die 10 dB sind ein Startwert, kein Normwert. Er wird mit Messungen am Prüfstand kalibriert.

Schritt 4: Bewertung gegen die gelernte Normallage

Ob ein Kennwert hoch ist, hängt von der Spindel ab. Einbau, Alter, Sensorposition und Bearbeitung prägen das Grundniveau. Deshalb vergleicht die Plattform jeden neuen Wert mit der Normallage genau dieser Maschine, an genau dieser Messstelle und im selben Drehzahlbereich. Die Drehzahlbereiche sind in der Grundeinstellung auf 100 min⁻¹ gerundet, damit nur Gleiches mit Gleichem verglichen wird.

Die Normallage entsteht aus mindestens 20 Messungen im bekannt gesunden Zustand. Für jeden Kennwert speichert die Plattform den Median und eine robuste Streuung. Die Abweichung einer neuen Messung berechnet sich so:

MAD ist die mediane absolute Abweichung vom Median. Mit dem Faktor 1,4826 entspricht sie bei normalverteilten Daten der Standardabweichung, ist aber unempfindlich gegen einzelne Ausreißer in der Lernphase. Die zweite Formel fängt schiefe Verteilungen ab, wie sie bei Spektralamplituden üblich sind. Die Untergrenze von 5 % des Medians verhindert, dass eine sehr ruhige Maschine kleinste Änderungen als Alarm meldet. Warum wir diesen Weg statt fester Schwellen gehen, erklärt der Artikel 3-Sigma-Alarme oder gelernte Normallage. Wie die Lernphase im Betrieb abläuft, beschreibt Normallage lernen.

Persistenz: Erst bestätigt, dann gemeldet

Aus der größten Abweichung über alle Kennwerte ergibt sich die Stufe einer einzelnen Messung. Die Startwerte lauten:

Eine einzelne Messung löst aber noch nichts aus. Gemeldet wird eine Stufe erst, wenn sie in drei aufeinanderfolgenden Messungen erreicht wurde. Genauer: Die gemeldete Stufe ist die niedrigste der letzten drei. Ein Stoß beim Werkzeugwechsel oder ein Schlag beim Spannen erzeugt so keinen Alarm. Eine neue Meldung entsteht außerdem nur, wenn die bestätigte Stufe steigt. Bleibt eine Spindel in „Warnung“, wird nicht bei jeder Messung erneut gemeldet.

Schritt 5: Von der Abweichung zur Empfehlung in Klartext

Die letzte Stufe übersetzt Zahlen in eine Meldung, mit der ein Instandhalter arbeiten kann. Jede Meldung besteht aus fünf Teilen: Titel, Ort, Dringlichkeit, Prüfhinweis und Begründung. Der Titel richtet sich nach dem stärksten Befund. Hat die Box im Hüllkurvenspektrum ein Lagerbauteil erkannt oder ist eine Hüllkurvenamplitude am stärksten gestiegen, lautet er etwa „Lagerschaden Außenring vermutet (Spindellager)“. Ist die erste Ordnung am stärksten gestiegen, heißt es „Unwucht vermutet“. Sind Scheitelfaktor oder Kurtosis gestiegen, weist die Meldung auf stoßartige Schwingung und einen möglichen beginnenden Lagerschaden hin.

Der Ort nennt Maschine, Messstelle und Drehzahl. Der Prüfhinweis sagt, was vor Ort zu tun ist, zum Beispiel: Laufgeräusch, Lagertemperatur und Schmierung prüfen, Befund mit dem Spindelservice abklären. Bei Verdacht auf Unwucht: Werkzeug und Spannmittel auf Unwucht, Verschmutzung und Sitz prüfen. Die Begründung nennt bis zu drei Kennwerte mit Messwert, normalem Wert, Faktor und Abweichung, dazu gegebenenfalls den Abstand der Lagerlinie zum Rauschen in dB. Sie endet mit dem Hinweis, dass der Befund über mehrere Messungen bestätigt ist.

Was die Meldung bewusst nicht enthält: eine geschätzte Restlaufzeit. Unsere Regel für Meldungstexte lautet, zu sagen, was gemessen wurde und was zu prüfen ist. Eine Angabe in Tagen wäre ohne belastbare Schadensdaten für Ihre Spindel erfunden. Wie die Meldung im Dashboard aussieht, zeigt der Artikel Meldung mit Begründung. Welche Maschinen sich eignen, steht auf der Seite CNC-Fräszentren.

Häufige Fragen