Messtechnik & Qualität

Schwingungsüberwachung: Frequenzen, Messbedingungen und Diagnosegrenzen

Thema: Messtechnik & Qualität

Schwingungsüberwachung erfasst mechanische Schwingungen unter dokumentierten Bedingungen und vergleicht sie über die Zeit oder mit geeigneten Referenzen. Sie kann Auffälligkeiten sichtbar machen. Ein einzelner Kennwert oder Spektralpeak benennt jedoch nicht automatisch Ursache, Schadensumfang oder verbleibende Lebensdauer.

Für meine selbst auf CNC umgerüstete Optimum BF 20 sind hier keine Sensorik und keine Messreihe belegt. Das folgende Beispiel ist deshalb ausdrücklich synthetisch. Es erklärt den Unterschied zwischen Signal, Frequenzbezug und Diagnose, ohne einen Zustand meiner Maschine vorzutäuschen.

Was wird tatsächlich gemessen?

Größe oder DarstellungWorauf zu achten ist
Beschleunigung, etwa m/s²Messbereich, Empfindlichkeit, Befestigung und nutzbares Frequenzband des Sensors.
Schwinggeschwindigkeit, etwa mm/sMess- beziehungsweise Umrechnungsverfahren und ausgewertetes Frequenzband.
Schwingweg, etwa µmBezug zur tatsächlich erfassten Bewegung; Gehäuse- und Wellenbewegung unterscheiden.
Zeitverlauf, Spektrum oder TrendUnterschiedliche Darstellungen beantworten unterschiedliche Fragen.

Ein Beschleunigungssensor misst nicht unmittelbar einen Verschleißwert. Die Messkette umfasst Sensor, Befestigung, Versorgung, Signalaufbereitung und Auswertung. NI beschreibt beispielsweise, dass Messbereich und Empfindlichkeit zur erwarteten Bewegung passen müssen und die Montage das nutzbare Frequenzverhalten verändert. Ein locker angehaltener Sensor ist deshalb nicht ohne Weiteres mit einer fest montierten Referenzmessung vergleichbar.

Drehzahl und Zahnfolge im Frequenzbild

Synthetisches Schwingungssignal mit 50 und 200 HertzZwei Frequenzen im selben Lehrsignal1 · Schwinggeschwindigkeit v(t), frei erzeugt0200 ms2 · Analytische Spitzenamplituden, keine reale Mess-FFT01,00250 Hz50 Hz1 mm/s200 Hz0,25 mm/sBeispielbezug: 3.000 min⁻¹ = 50 Hz; vier Schneiden ergeben 200 Hz ZahnfolgeSynthetisches Signal · kein Befund an meiner BF 20 · Amplitude ist kein Schadensnachweis
Eigene analytische Lehrdarstellung. Das Zeitsignal lautet v(t) = sin(2π·50·t) + 0,25·sin(2π·200·t) in mm/s, t in Sekunden. Die unteren Linien zeigen Spitzenamplituden, keine Leistungsdichte.

Das Prinzip Schritt für Schritt

Synthetisches Schwingungssignal mit 50 und 200 HertzZwei Frequenzen im selben Lehrsignal1 · Schwinggeschwindigkeit v(t), frei erzeugt0200 ms2 · Analytische Spitzenamplituden, keine reale Mess-FFT01,00250 Hz50 Hz1 mm/s200 Hz0,25 mm/sBeispielbezug: 3.000 min⁻¹ = 50 Hz; vier Schneiden ergeben 200 Hz ZahnfolgeSynthetisches Signal · kein Befund an meiner BF 20 · Amplitude ist kein Schadensnachweis

Startet nur auf Wunsch. Pause hält den aktuellen Stand fest. Die Darstellung läuft in Lerngeschwindigkeit; sie simuliert keine Maschinensteuerung. Ohne Bewegung erklären Grafik und Liste denselben Inhalt.

  1. Das künstlich erzeugte Zeitsignal besteht aus einer Sinusschwingung mit 50 Hertz und einer zweiten mit 200 Hertz. Es zeigt keinen Messverlauf einer echten Maschine.
  2. Die analytische Darstellung ordnet jeder dieser beiden Frequenzen ihre Spitzenamplitude zu. Bei einer realen FFT beeinflussen unter anderem Aufzeichnung, Fenster und Skalierung die Darstellung.
  3. 50 Hertz entsprechen einer Drehzahl von 3.000 Umdrehungen pro Minute. Ein Anteil bei dieser Frequenz ist allein kein eindeutiger Beweis für Unwucht.
  4. Bei vier gleichmäßig angeordneten Schneiden liegt die Zahnfolgefrequenz bei 4 mal 50 gleich 200 Hertz. Ein dortiger Anteil kann zum Prozess gehören und ist nicht automatisch ein Lagerschaden.

Die Drehfrequenz berechnet sich zu f = n / 60. Bei 3.000 min⁻¹ sind das 50 Hz. Ein Werkzeug mit vier gleichmäßig verteilten Schneiden kann eine Zahnfolge bei 4 · 50 = 200 Hz anregen. Bei veränderter Drehzahl verschieben sich diese drehzahlbezogenen Frequenzen. Der reale Prozess enthält weitere Einflüsse und muss nicht das hier gezeichnete Signal erzeugen.

Über die dargestellten vollständigen Perioden beträgt der Effektivwert dieses künstlichen Signals √((1² + 0,25²) / 2) ≈ 0,729 mm/s. Das ist ein Rechenergebnis, keine Gut-Schlecht-Grenze. Ein anderer Signalinhalt kann denselben Effektivwert besitzen. Deshalb lässt sich aus einem Summenkennwert allein die Ursache nicht ablesen.

Vergleichbare Bedingungen schaffen

Für einen brauchbaren Trend würde ich Messort, Richtung und Montage festhalten und die Betriebsbedingungen zuordnen: Drehzahl, Werkzeug, Last, Temperaturzustand und Nebenaggregate. Eine Leerlaufmessung und eine Messung im Schnitt werden getrennt ausgewertet. Schon ein anderer Werkzeughalter kann die Anregung verändern.

SKF nennt in seinem Leitfaden unter anderem Messposition, Betriebsdaten, frühere Spektren und Trendverläufe als wichtige Informationen. Das Spektrum wird mit dem Aufbau der Maschine zusammen betrachtet. Lagergeometrie, Drehzahl und Übertragungsweg können für eine Diagnose nötig sein; eine pauschale Tabelle „diese Frequenz bedeutet immer diesen Schaden“ wäre zu grob.

Auswertung braucht eine passende Messkette

Aufzeichnungsdauer und Abtastrate begrenzen, was zeitlich und spektral erkennbar ist. Bei schwankender Drehzahl können sich Frequenzanteile während einer Aufzeichnung bewegen. Eine gewöhnliche Gesamtauswertung darf dann nicht so gelesen werden, als wäre der Zustand die ganze Zeit unverändert gewesen. NI erläutert diese Grenzen der reinen Frequenzanalyse und ergänzende zeitbezogene Verfahren.

Vor einer Grenzwertbewertung müssen außerdem Größe, Einheit, Effektiv- oder Spitzenwert und Frequenzband feststehen. mm/s RMS und m/s² Spitze sind keine austauschbaren Zahlen. Auch eine Normgrenze für eine bestimmte Maschinenklasse darf nicht ungeprüft auf eine kleine Frässpindel oder einen beliebigen Sensorpunkt übertragen werden.

Von der Auffälligkeit zur Maßnahme

Ein auffälliger Wert wird zuerst auf plausible Messbedingungen geprüft. Danach folgt eine fachkundige Untersuchung möglicher Ursachen, zum Beispiel veränderter Einspannung, Werkzeugzustand, Lockerung oder Lagerung. Bei ungewöhnlich starken Geräuschen, Vibrationen oder anderen erkennbaren Gefahren wird der Betrieb nach dem vorgesehenen Verfahren sicher beendet; eine Trendanalyse ist keine Erlaubnis zum Weiterfahren.

Die Ergebnisse gehören in ein nachvollziehbares Messprotokoll. Zusammen mit Geräuschentwicklung, Lagerung und Temperaturzustand entsteht ein besseres Bild. Eine garantierte Vervielfachung der Lebensdauer oder ein verlässlich vorhergesagter Ausfalltermin lässt sich daraus ohne validiertes Verfahren und passende Daten nicht versprechen.

Quellen und fachliche Einordnung

Primärquellen, geprüft am 24.10.2026. Eigene Lehrbeispiele und schematische Grafiken. Produkt- und Verfahrensangaben gelten im jeweils beschriebenen Zusammenhang.

Patrick Mehner

Patrick Mehner aus Mittweida hat seine Optimum BF 20 selbst auf CNC umgerüstet und erklärt auf cnc-modellbau.org CNC-Technik für den Modellbau – von G-Code über CAD bis zur Messtechnik.

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert

Diese Website setzt nur technisch notwendige Cookies. Die Reichweitenmessung mit Matomo läuft ohne Cookies auf unserem eigenen Server.