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Spanende Fertigung

Alles unter Kontrolle

28.09.2006 | Redakteur:

Prozessüberwachungssystem sichert Qualität beim Fertigen komplexer Teile auf Bearbeitungszentren.

In den letzten Jahren haben sich Fräsmaschinen zu hoch automatisierten Anlagen mit automatischem Werkzeug- und Werkstückwechsel gewandelt. Die Ansprüche an Wirtschaftlichkeit, Produktqualität und Betriebssicherheit sind ebenfalls gestiegen. Aus diesen Gründen werden zunehmend Prozess- und Maschinenzustandsüberwachungssysteme als Standardkomponenten in automatisierten Fräs- und Bearbeitungszentren eingesetzt. Dabei stehen Fertigungsverfahren wie das Planfräsen, Wälzfräsen und Formfräsen im Vordergrund. Moderne offene Steuerungen erlauben einen hohen Integrationsgrad bei reduziertem Installations- und Projektierungsaufwand. Neben robuster und sicherer Prozessmesstechnik stellen die Überwachungsstrategien die elementaren Module dieser Systeme dar. Über die reine Werkzeugüberwachung hinaus sind Ansätze zur Prozessregelung und zur Maschinenzustandsüberwachung umgesetzt worden. Um heutzutage mit hoher Wirtschaftlichkeit, Produktivität und Qualität fertigen zu können, ist für viele Prozesse der Einsatz von Werkzeugüberwachungssystemen unabdingbar. Dabei hat die Werkzeugüberwachung außer Faktoren wie Organisation, Logistik, Rüstzeiten und Geschwindigkeitsverlusten einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz der Gesamtanlage. Ziel ist es, eine möglichst hohe Produktivität einer Anlage zu erreichen, die sich wiederum direkt auf die Wirtschaftlichkeit auswirkt. Wird beispielsweise durch die Werkzeugüberwachung die Standzeit verlängert, bedeutet dies zum einen geringeren Werkzeugverbrauch, zum anderen aber auch eine Reduktion der Werkzeugwechsel. So konnten zum Beispiel beim Wälzfräsen durch eine Verschleißüberwachung und der damit einhergehenden Standzeiterhöhung die Werkzeugkosten um 20% gesenkt werden. Vorteile liegen auch in der schnellen Fehlerdiagnose, der Verhinderung von Folgeschäden und der Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit. Darüber hinausgehend bieten sich nicht nur dem Anwender, sondern auch dem Maschinenhersteller, der die Überwachungssysteme in seine Anlage integriert, noch weitere Vorteile:- Prozessoptimierung, - Prozessvisualisierung, - Produktverfolgung, - Dokumentation der Prozesse durch Prozessdaten, - Bewertung neuer Werkzeuge und Schneidstoffe sowie- Prozessinformationen für die Weiterentwicklung und Optimierung von Maschinen und Prozessen.Die Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung hat in den letzten 20 Jahren einen ständigen Zuwachs an Bedeutung erfahren. Begann man seinerzeit mit der Erfassung der Wirkleistung und der Überwachung mittels einer festen Grenze, stehen heute ausgereifte Systeme zur Verfügung, auf denen intelligente Überwachungsstrategien implementiert sind. Diese verfügen zudem über einen hohen Bedien- und Funktionskomfort. Die fortgeschrittene Sensortechnik hat dazu geführt, dass heutzutage eine sensitive und robuste Erfassung der meisten prozessrelevanten Größen möglich ist. Einen Sprung aber hat die Überwachungstechnik durch den vermehrten Einsatz offener Steuerungen erfahren. Obwohl sich Standards wie Osaca auf den Steuerungen bislang nicht in der Breite durchsetzen konnten, hat die Verwendung von PC-basierten Steuerungen und genormten Bussystemen zu einer Quasi-Standardisierung geführt [1 und 2]. Es stehen damit Schnittstellen zur Verfügung, die zur Integration zusätzlicher Komponenten in die Maschine beziehungsweise Steuerung genutzt werden können.Durch diese Entwicklung ist es möglich, Systeme mit einem hohen Integrationsgrad in die Steuerung einzubringen. Das bedeutet für Maschinenhersteller, dass solche Systeme kostengünstiger und einfacher zu installieren sind. Endanwender haben den Nutzen von einheitlichen Systemen in dem ihnen gewohnten Umfeld der Steuerung. Außer diesen technischen Vorteilen darf nicht der eigentliche Nutzen der Werkzeug- und Prozessüberwachung in den Hintergrund geraten die Steigerung und Sicherung der Produktivität und der Wirtschaftlichkeit von Fertigungsanlagen[3 bis 5].Sensoren liefern ein Abbild vom ProzessverlaufFür die Erfassung von Prozesskenngrößen bei der Fräsbearbeitung sind entsprechende Sensorsysteme erforderlich, die prozessbegleitend ein Abbild vom Prozessverlauf liefern. Dabei ist es meist nicht notwendig, physikalisch exakte Größen mit hoher Genauigkeit zu messen. Das heißt, die Schnittkräfte müssen nicht in allen Achsen aufgelöst werden. Die Anforderungen an die Sensorik sind vielmehr hohe Störsicherheit, Robustheit, Kühlmittelfestigkeit, einfacher Einbau und hohe Reproduzierbarkeit der Signale. Je nach Anwendungsfall und Überwachungsaufgabe ist der Einsatz unterschiedlicher Sensoren notwendig. Die Auswahl des einzusetzenden Sensorprinzips hängt von den Anforderungen an die Überwachung, der Maschinenart, den Gegebenheiten an der Maschine und vom Zerspanprozess ab. Obwohl sich in vielen Fällen gezeigt hat, dass Fräswerkzeuge mit der Erfassung von Wirkleistung oder digitalem Drehmoment gut überwacht werden können, gibt es zunehmend Anwendungsfälle, die nur durch eine intelligente Kombination der verschiedenen Messprinzipien lösbar sind. So haben aktuelle Untersuchungen beim Wälzfräsen und Planfräsen gezeigt, dass die Verknüpfung von Drehmoment- und Schwingungssignalen sinnvoll ist. Beim Planfräsen großer Baugruppen aus der Luftfahrtindustrie konnten durch dieses Verfahren unzulässige Werkzeugschwingungen detektiert und die Werkzeuge so geschützt werden.CTM bedeutet „Computer Integrated Tool and Machine Monitoring“ und steht für ein integriertes System zur Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung. Das Konzept ist in Bild 1 dargestellt. Die Basis bildet eine PC-Einsteckkarte mit PCI-Schnittstelle, die in das Bedienfeld der Steuerung eingesteckt wird. Die Kommunikation mit der PLC erfolgt in der Regel über den Profibus, in nicht so großer Verbreitung über den Interbus. Zur Synchronisation der Überwachung mit dem Fertigungsprozess werden über den Feldbus Bearbeitungsstart, Programm-, Werkzeugnummer und weitere Informationen ausgetauscht. Der Feldbus wird dabei in vielen Fällen auch für die Übertragung der Prozesssignale Wirkleistung, Drehmoment oder Druck verwendet. Durch die Integration des Systems in das Bedienfeld kann auch die EDV-Infrastruktur vor Ort mit verwendet werden. Dies bedeutet Netzwerkzugriffe, Teleservice und mittlerweile auch die Nutzung von Diensten wie der EPS Network - Electronic Production Services GmbH [10].Zur Erfassung von Maschinenschwingungen werden Beschleunigungssensoren meist in der Nähe des vorderen Spindellagers eingesetzt. So können auf der einen Seite Veränderungen in der Maschine (Spindelschäden, unwuchte Werkzeuge) erkannt und Schwingungen, die während des Prozesses auftreten, detektiert werden. So führen Prozessinstabilitäten zu erhöhten Schwingungsamplituden, die im Extremfall zu einer Zerstörung des Werkzeuges oder der Spindel führen können. Basis eines Überwachungssystems bilden die Überwachungsstrategien, die dazu dienen, eine Prozessstörung wie Bohrerbruch oder fehlendes Werkzeug sicher zu erkennen. Dabei dürfen Abweichungen, die durch zulässige Prozessschwankungen entstehen, nicht zu Alarmmeldungen führen. Obwohl es in den letzten Jahren einige Ansätze zu neuen Strategien gegeben hat, basieren die meisten Systeme auf Lernkurven oder Teach-in. Bei diesen Verfahren wird der Prozessverlauf als kompletter Datensatz hinterlegt. Durch eine Stufengrenze können Abweichungen des Signalverlaufes erkannt werden. Im Prinzip wird dabei jedem Bearbeitungsprozess ein charakteristischer Verlauf zugeordnet. Wenn ein neuer Prozess gefahren wird, dann muss eine neue Lernkurve (Lernschnitt) angelegt werden.Regelsysteme beeinflussen aktiv den ProzessWährend die Prozessüberwachung meist nicht steuernd in den Prozess eingreift - einmal abgesehen von Alarmmeldungen - wird der Prozess mit Regelsystemen aktiv beeinflusst. Außer der Verkürzung der Prozesszeiten soll die Werkzeugausnutzung erhöht, Werkzeugbruch reduziert und die Belastung des Werkzeuges unter einem zulässigen Wert gehalten werden. Obwohl Ansätze der adaptiven Prozessregelungen schon seit Jahren bekannt sind [6 und 7], hat erst die fortschreitende Sensor- und Steuerungstechnik der letzten Jahre zu einem steigenden Einsatz von AC-Systemen geführt. Prinzipiell wird für AC-Systeme das Signal (Drehmoment, Strom oder Wirkleistung) der Bearbeitungsspindel als Eingangsgröße für den Regler verwendet. Beim ACC-Verfahren wird gegen einen Grenzwert (ACC = Adaptive Control Constraint) geregelt, das heißt die Vorschubbewegung der Achse wird so beeinflusst, dass ein nahezu konstantes Leistungs- oder Drehmomentsignal der Spindel erreicht wird. Insbesondere sind bei der Fräsbearbeitung diese Regelansätze von hohem Interesse, weil es möglich ist, Aufmaßschwankungen und Schnittunterbrechungen auszuregeln und die Bearbeitungszeit zu verkürzen und das Werkzeug zu schonen. Ein erfolgreiches Beispiel ist der Einsatz der AC bei der Fräsbearbeitung von großen Druckwalzen für die Papierindustrie. Mit AC-Verfahren war es teilweise möglich, Taktzeiten um bis zu 20% zu reduzieren [8 und 9].Bei der Bearbeitung von Zahnrädern ist eine sichere Prozessüberwachung die Grundlage für Prozessfähigkeit und Wirtschaftlichkeit. So erfordern die hohen Kosten für die Werkzeuge (PM-HSS-Werkzeuge, Feinkorn-HM-Wälzfräser, Cermets) sichere Zerspanprozesse und das rechtzeitige Erkennen von Verschleißzuständen, die eventuell zu einer Zerstörung des Werkzeuges führen können. Aus diesen Gründen wird schon seit vielen Jahren beim Wälzfräsen eine Werkzeugüberwachung eingesetzt. Dabei werden folgende Messgrößen erfasst:- Spindel-Wirkleistung,- Digitales Spindel-Drehmoment,- Schwinggeschwindigkeit am Fest- und Loslager der Werkzeugspindel.Aus den Verläufen der Signale „Digitales Drehmoment“ (Bild 5) und „Schwinggeschwindigkeit“ (Bild 6) zeigt sich deutlich, dass Prozessabweichungen durch die Auswertung dieser beiden Messgrößen erkannt werden können. Während der Werkzeugverschleiß in der Regel nur eine Erhöhung des Drehmomentes bewirkt, kann ein unzureichend gespanntes Werkstück zu erhöhten Schwingungsamplituden führen. Die in diesem Fall auftretenden Qualitätsabweichungen können somit frühzeitig erkannt und Abhilfemaßnahmen eingeleitet werden. Einige Fräsverfahren wie Formfräsen werden vornehmlich in der Einzelteil- und Kleinserienfertigung eingesetzt. Bei Losgröße 1 können keine lernkurvenbasierten Strategien zur Prozessüberwachung verwendet werden. In diesen Fällen müssen selbst adaptierende Algorithmen wie das DX/DT2-Verfahren eingesetzt werden. Bei dieser Strategie regelt sich das System nach dem Anschnitt automatisch auf die Bearbeitung ein und überwacht beispielsweise mit Schleppgrenzen, die auf schnelle Signaländerungen reagieren. In Bild 5b ist solch ein Anschnittvorgang gezeigt, die Grenzen werden nach dem ersten Anschnitt aktiviert. Kommt es zu einem schnellen Signalanstieg oder -abfall aufgrund eines Bruchereignisses, wird ein Alarm generiert. Obwohl diese Verfahren zur Überwachung vieler Prozesse benutzt werden können, ist die Empfindlichkeit gegenüber den lernkurvenbasierten Strategien zumeist geringer. Literatur:[1] Lange, D.: Hohe Produktivität durch Prozessüberwachung. 10. Internationales Feinbearbeitungskolloquium Braunschweig, 7. bis 9. Oktober 2002. Technische Universität Braunschweig.[2] Weck, M.: Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 4 - Automatisierung von Maschinen und Anlagen. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag 2001.[3] Lange, D.: Prozessüberwachungssystem sichert Werkstückqualität. Maschinenmarkt 29/2001.[4] Lange, D.: Intelligentes steuerungsintegriertes Prozessüberwachungssystem. Chemnitzer Produktionstechnisches Kolloquium, 7. November 2001. Institut für Umformtechnik IFU.[5] Lange, D.: Messtechnik zum Überwachen von Bohr-, Gewinde- und weiteren Fertigungsprozessen. Technische Akademie Wuppertal, 29. Oktober 2003, Kassel.[6] Lange, D.: Meßsysteme und Regelkreise zur Qualitätsverbesserung und Erhöhung der Prozeßsicherheit beim Schleifen mit CD (Continuous Dressing). Essen: Vulkan Verlag 2000.[7] Zinngrebe, M.: Adaptive Prozessführung beim Innenrundschleifen mit digitaler Grenzregelung. Dissertation TU Hannover 1990.[8] Lange, D.: Process optimisation with a new adaptive control system. Annals of DAAAM 2003 & Proceedings of the 14th International DAAAM Symposium. ISBN 3-901509-34-8. Wien: DAAAM International 2003.[9] Dowe, M., C. Eberle und B. Stalla: Werkzeugpotentiale optimal nutzen. Werkstatt und Betrieb 9/2003. [10] Körner, M.: Mit einem Klick zum Service. Werkstatt und Betrieb 10/2003.

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