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Werkstückspannung Aktuelle Trends in der Werkstückspanntechnik

| Autor/ Redakteur: Berend Denkena, Benjamin Bergmann und Heinrich Klemme / Mag. Victoria Sonnenberg

Verschiedene Konzepte, wie Spannsysteme als Quelle von Prozess- und Zustandsinformationen fungieren, erforscht das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover.

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Bild 1: Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover forscht in zahlreichen Werkstückspanntechnik-Projekten.
Bild 1: Das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover forscht in zahlreichen Werkstückspanntechnik-Projekten.
(Bild: IFW)

Durch fehlerhafte Aufspannungen von Werkstücken wird ein nicht unerheblicher Teil an Bauteilausschuss verursacht. Vor dem Hintergrund immer kleiner werdender Losgrößen, zunehmender Produktindividualisierung und komplexer Fertigungsverfahren steigt auch der Bedarf nach Möglichkeiten zur Überwachung und Steuerung von Fertigungsprozessen. Dafür müssen prozessspezifische Informationen zunächst gewonnen und anschließend mehrwertbringend weiterverarbeitet werden.

Durch die Nähe zur Wirkstelle des Prozesses eignen sich Spannsysteme besonders als Quellen von Prozess- und Zustandsinformationen. Durch neue Sensor- und Digitalisierungstechnologien existiert die Möglichkeit, Spannsysteme als zentrale Quellen solcher Informationen nutzbar zu machen. Solche Konzepte erforscht und entwickelt das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover seit vielen Jahren. Einige von den Entwicklungen konnten auch auf der diesjährigen EMO in Hannover besichtigt werden. In diesem Beitrag wird eine Auswahl an Werkstückspanntechnik-Projekten des IFW vorgestellt, durch welche die Trends innerhalb der Werkzeugmaschinenindustrie bedient werden
(Bild 2).

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Den Spannzustand überwachen

Spannköpfe und Nullpunktspanner ermöglichen das Spannen von Werkstücken mit hohen Wiederholgenauigkeiten. Durch die gleichbleibende Referenzierung entfällt die Notwendigkeit für ein erneutes Einmessen des Werkstücknullpunktes. Eine präzise Werkstückbearbeitung auf mehreren Werkzeugmaschinen ist dadurch möglich. Auch kann die Aufspannung von Werkstücken prozessparallel während der Arbeitsvorbereitung erfolgen. Eine deutliche Reduzierung der durch Rüsten verursachten Nebenzeiten ist die Folge. Die wiederholgenaue Positionierung ist jedoch nur bei einer fehlerfreien Aufspannung möglich. Solche Fehler entstehen zum Beispiel infolge des Nachlassens der durch Federn vorgespannten Spannkraft oder durch Verunreinigungen auf den Spannflächen. Zur Sicherstellung eines störungsfreien und prozesssicheren Betriebs ist folglich die Überwachung des Spannzustandes erforderlich. Aktuelle Ansätze für die Überwachung des Spannzustands von Spannköpfen und Nullpunktspannern erfassen die Kolbenstellung des Spannmechanismus. Dazu werden zunächst Referenzwerte des Öldrucks oder des -volumens bei Erreichen der Endlagen bestimmt. Anschließend werden Abweichungen von diesen Referenzwerten im Betrieb kontrolliert und überwacht.

Mit einer Druck- oder Volumenstrommessung wird der Spannzustand allerdings nur indirekt erfasst. Somit können beispielsweise Leckagen im Hydrauliksystem zu Änderungen des Volumenstroms oder des Druckes führen, die wiederum die darauf basierende Zustandsüberwachung verfälschen. Mögliche Folgen sind entweder aufwandsverursachende Fehlalarme oder unerkannte Spannfehler, die zur Produktion von Ausschuss führen.

Bestimmung der wirkenden Kräfte

In Kooperation mit der Berg Spanntechnik GmbH wird deswegen ein Ansatz zur kontinuierlichen und quantitativen Bestimmung der auf Spannköpfe und Nullpunktspanner wirkenden Kräfte entwickelt. Dies geschieht durch die gezielte Integration von Dehnungssensoren. Durch am IFW entwickelte Ansätze ist es trotz der sehr hohen Steifigkeit der Spannsysteme möglich, sehr geringe, aber dennoch vorhandene Dehnungen des kraftleitenden Gehäuses zu messen. Um ein Sensorkonzept mit bestmöglicher Sensorsensitivität umsetzen zu können, wurden in einem ersten Schritt zunächst geeignete Flächen am Spannelement ausgewählt, die grundsätzlich für DMS-Applikationen (Dehnungsmessstreifen) geeignet sind. In einem zweiten Schritt erfolgt die Detailauslegung unter Zuhilfenahme eines FEM-Tools. Dabei werden Lasten, die typischerweise auf einen Spannkopf wirken, zum Beispiel Kräfte aus unterschiedlichen Richtung, simulativ aufgebracht. Anschließend folgt die Analyse der resultierenden Dehnungen an den vorausgewählten Flächen (Bild 3). So können optimale Positionen und Ausrichtungen der DMS sowie die benötigte Sensoranzahl ermittelt werden.

In Bild 4 sind Ergebnisse experimenteller Analysen eines ersten Funktionsmusters eines sensorischen Spannkopfs zu sehen. Die integrierten Sensoren des Funktionsmusters besitzen eine nahezu lineare Korrelation zur Spannkraft mit der Sensorsensitivität von 0,56 mV/V bei 10 kN. Dies ist ausreichend, um die Überwachung der Spannkraft mit den integrierten Dehnungssensoren für industrielle Anwendung zu ermöglichen. Darüber hinaus zeigen die Messergebnisse, dass mit dem Sensorkonzept neben der internen Spannkraft auch externe, auf das Spannsystem wirkende Kräfte, wie zum Beispiel Prozesskräfte, ebenso messbar sind. Auf das Funktionsmuster wurde über den eingespannten Anzugbolzen vier Mal nacheinander eine Handkraft von circa 200 N aufgebracht. Um basierend auf den DMS Kraftwerte zu generieren, wurden die DMS-Signale anschließend fusioniert und kalibriert. Dadurch ist eine eindeutige Bestimmung der Kräfte in den drei Raumrichtungen möglich. Durch das am IFW entwickelte Konzept ist somit eine Erkennung verschiedener Spannzustände möglich. Dazu zählen beispielsweise die kontinuierliche Kontrolle der Spannkraft, die Auflagenkontrolle für Paletten und Werkstücke sowie die Erkennung von Fremdkörpern an den Einspannstellen. Die gleichzeitige Bereitstellung vergleichbarer Funktionen mit konventionellen Messsystemen ist entweder gar nicht möglich oder nur bei erheblichem Mehraufwand denkbar.

Hochgenaue Regelung der Spannkraft

Universelle Kraftspannfutter, die in der heutigen Produktion in Drehmaschinen eingesetzt werden, weisen in der Regel weder sensorische Fähigkeiten zur Messung der Spannkraft auf noch sind sie mit aktorischen Fähigkeiten ausgestattet, um die Spannkraft gezielt manipulieren zu können. Die flexible Anpassung der Spannkraft oder Backenzustellung an Fertigungsanforderungen individueller Produkte ist somit aktuell nicht möglich. Aus diesem Grund ist die Realisierung eines kompakten, elektrischen Kraftspannfutters für Universaldrehmaschinen zur prozessparallelen Bestimmung und Regelung der Spannkraft Ziel des Projekts „Cyber-Chuck“. Neben der Möglichkeit zur hochgenauen Regelung der Spannkraft wird das cyberphysische Kraftspannfutter zu einer Informationsquelle innerhalb eines cyberphysischen Produktionssystems befähigt (Bild 5).

Dadurch sollen bislang ungenutzte informationstechnische Potenziale zur Steigerung der Transparenz und Flexibilität der Produktion ausgeschöpft werden. Das im Rahmen des Projekts zu entwickelnde Drehspannfutter soll deutlich kompakter als derzeit verfügbare Systeme werden. Dafür wird nur ein einziger elektrischer Antrieb integriert, der die vier Backen des Spannfutters antreibt. Der Spannvorgang ist dabei in zwei Betriebsmodi unterteilt. Im ersten Betriebsmodus erfolgt eine schnelle Zustellbewegung der Spannbacken an das Werkstück. Der elektrische Antrieb muss dabei nur die Leistung aufbringen, um die Reibkräfte, die bei der Spannhubbewegung auftreten, zu überwinden. Sobald die Spannbacken am Werkstück anliegen, erfolgt im zweiten Betriebsmodus der Aufbau der Spannkraft.

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