Aktuelle Trends in der Werkstückspanntechnik

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IFW Produktionstechnisches Zentrum der Leibniz Universität Hannover / PZH

Sensorisches Spannsystem

Auf Basis konventioneller hydraulischer Schwenkspanner hat das IFW zusammen mit dem Spannmittelhersteller Römheld GmbH und weiteren Industriepartnern ein sensorisches Spannsystem entwickelt (Bild 6). Durch die Integration von DMS-Sensoren können prozessnah Daten erfasst werden, ohne den Arbeitsraum der Maschine einzuschränken. Mit diesen sensorischen Spannelementen ergibt sich die Möglichkeit, Daten zu erfassen, die bisher entweder gar nicht oder nur unter erheblichem Messaufwand ermittelt werden können. Dazu zählen auch die unmittelbar auf die Schwenkspanner wirkenden Prozesskräfte. Zur ortsaufgelösten Visualisierung der Prozesskräfte werden die ermittelten Prozesskräfte mit Informationen aus der Steuerung zusammengeführt.

Dafür hat die Ceratizit Hannover GmbH ihr Wissen aus dem Bereich Maschinensteuerungen in das Projekt eingebracht und den Zugriff auf die benötigten Steuerungsdaten realisiert. Zu diesen Daten gehören die Antriebsströme aller Achsen, der Spindel und die Istpositionen der Achsen. Die Daten werden per Netzwerk übertragen und zentral gesammelt. Damit sind die Informationen auch für die Arbeitsvorbereitung und die Qualitätssicherung unmittelbar verfügbar. Die Visualisierung der Prozesskräfte auf dem Bauteil wurde zusammen mit Salt and Pepper Software Solutions erarbeitet. Bei Kraftsignalen des sensorischen Spannsystems handelt es sich um zeitdiskrete Signalverläufe, welche sich nicht unmittelbar als 3D-Objekte darstellen lassen. Daher wird zunächst eine darstellbare Beschreibung des Prozesses benötigt. Um diese abzuleiten, wird das zuvor mithilfe der Software Soft Scope erzeugte Prozessprotokoll genutzt.

Die Grundlage bilden die aufgenommenen Achspositionen, mit denen die Position der Kraftsignale festgelegt ist. Für jeden Datenpunkt entlang des Werkzeugweges wird an dieser Position ein Balken erstellt, dessen Farbe und Höhe die gemessene Kraft repräsentieren. Als dargestellte Größe kann prinzipiell auch jedes andere aufgenommene Prozesssignal dienen. Die so entstandene Datei kann anschließend im virtuellen Raum betrachtet werden. Um das Konzept zu bewerten, wurde im Rahmen des Projektes das in Bild 6 abgebildete Spannszenario herangezogen. Dabei wurde ein Aluminiumblock durch drei sensorische Schwenkspanner im Arbeitsraum fixiert und eine Taschenkontur mit einer Tiefe von 12 mm in diesen gefräst. In Bild 7 ist ein nach diesem Verfahren projizierter Kraftverlauf zu sehen. Je höher beziehungsweise dunkler der blaue Balken, desto höher die Kraft, die zum Zeitpunkt oder am jeweiligen Ort wirkt.

Zu Testzwecken wurde das Konzept der sensorischen Schwenkspanner unter anderem auch in der Serienfertigung bei der Volkswagen AG zur Langzeitaufnahme realer Prozessdaten eingesetzt. Durch die so gewonnenen Daten war es möglich, eine Reihe prozessspezifischer Merkmale zu extrahieren. Neben der Messung der tatsächlich angreifenden Prozesskräfte konnten auch Werkzeugwechsel, Schwenkbewegungen des Maschinentisches und sogar Werkzeugverschleiß eindeutig identifiziert werden.

Fazit und Ausblick

Die Automatisierung und Flexibilisierung von Produktionsprozessen stellt eine Notwendigkeit zur Sicherstellung der Wettbewerbsfähigkeit dar. Industrie-4.0- und IoT-Technologien sind hierfür wichtige Katalysatoren. Um Potenziale bestmöglich ausschöpfen zu können, ist die Erhebung und die gezielte Nutzung von Prozess- und Zustandsdaten unerlässlich. Im Rahmen des Schwerpunktthemas Werkstückspanntechnik erforscht und entwickelt das IFW Hannover in diesem Zusammenhang eine Reihe von Konzepten zur Digitalisierung von Werkstückspannsystemen und deren Vernetzung mit übergeordneten Produktionssystemen. Durch enge Kooperationen mit der Industrie ist eine breite und zielgerichtete Erforschung solcher Ansätze möglich.

* Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover, Dr.-Ing. Benjamin Bergmann ist Leiter des Bereiches Maschinen und Steuerungen am IFW, Dipl.-Ing. Heinrich Klemme ist Leiter der Abteilung Maschinenkomponenten im Bereich Maschinen und Steuerung am IFW in 30823 Garbsen, Tel. (05 11) 7 62 51 15, klemme@ifw.uni-hannover.de

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