Zerspanung Fühlende Maschinen überwachen noch sensibler

Autor / Redakteur: Berend Denkena, Benjamin Bergmann und Svenja Reimer / Peter Königsreuther

Quasi fühlende Maschinenkomponenten zur Prozesskraftüberwachung wurden am IFW bereits erfolgreich erforscht und entwickelt. Jetzt steht die neueste Generation davon parat. Hochsensible Halbleiter machen sie nämlich noch leistungsfähiger.

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Bild 1: Mit der neuesten Generation von fühlenden Maschinen können Zerspanungsprozesse sogar bei geringsten einwirkenden Kräften sicher überwacht werden.
Bild 1: Mit der neuesten Generation von fühlenden Maschinen können Zerspanungsprozesse sogar bei geringsten einwirkenden Kräften sicher überwacht werden.
(Bild: N. Niemeyer)

Im Kontext der Industrie 4.0 gewinnen intelligente Prozessüberwachungs- und Regelungssysteme zunehmend an Bedeutung. Eine wesentliche Grundvoraussetzung ist die Erfassung von qualitativ hochwertigen Prozessdaten. Diese sind entscheidend für die Zuverlässigkeit und Robustheit der Systeme. Um selbst kleinste Prozessveränderungen zu erfassen, werden die Werkzeugmaschinen mit zusätzlichen Sensoren ausgestattet. Zur Erfassung von Prozesskräften werden bisher hauptsächlich Dynamometer eingesetzt. Diese sind teuer, schränken den Arbeitsraum ein und reduzieren die Steifigkeit des Gesamtsystems. Weil der Frequenzbereich der Dynamometer durch ihre Eigenfrequenz auf circa zwei Kilohertz reduziert ist, werden zur Erfassung des dynamischen Prozessverhaltens auch noch Beschleunigungssensoren benötigt.

Als Alternative dazu werden sensorische Werkzeughalter eingesetzt, die eine prozessnahe Datenerfassung ohne den Arbeitsraum zu beeinträchtigen, erlauben. Aber auch diese Methode ist teuer, weil für automatisierte Werkzeugwechsel mehrere Werkzeughalter benötigt werden. Die Industrie meidet solche Systeme, wegen der hohen Anschaffungskosten und der Prozessbeeinflussung. Um das zu ändern, sind günstigere Ansätze ohne Prozessbeeinflussung zwingend erforderlich. Hierzu wurden am IFW fühlende Maschinen entwickelt (siehe MM MaschinenMarkt, Ausgabe 1, vom Januar 2021). Diese beeinträchtigen die Prozesse nicht und sind günstiger, als die üblichen Systeme.

Prozesskraftmessung ohne unerwünschte Einflüsse

Die fühlenden Maschinen basieren auf recht günstigen Dehnungsmessstreifen (DMS). Diese wurden in die Struktur des Spindelschlittens integriert, sodass der Arbeitsraum nicht beeinflusst wird und Werkzeugwechsel weiterhin uneingeschränkt möglich sind. Auch lassen sich die Sensoren im Falle eines Retrofit bei Bestandsmaschinen nachrüsten. Durch die Fusion mehrerer DMS werden die Prozesskräfte in die drei Raumrichtungen (X, Y und Z) rekonstruiert. Eine wesentliche Herausforderung bei der Kraftmessung am Spindelschlitten ist die hohe Steifigkeit der Komponente. Diese Hürde wurde mit einer geschickten Sensorplatzierung genommen. Dabei wurden Kerben in den Spindelschlitten eingebracht und die DMS im Kerbgrund appliziert. Durch die Kerben wird die Dehnung lokal erhöht, ohne dass die Gesamtsteifigkeit des Schlittens verändert wird. Mit den fühlenden Maschinen, basierend auf metallischen DMS (M. DMS), wurden richtungsaufgelöste Prozesskräfte bei unterschiedlichen Werkzeugmaschinen mit einer Messunsicherheit von etwa 50 bis 100 Newton rekonstruiert. Verschiedene Anwendungen, wie die prozess­parallele Kompensation der Werkzeugabdrängung, waren erfolgreich.

Übliche Sensorsysteme erfassen kleine Kräfte nicht mehr

Bei Prozessen mit sehr kleinen Werkzeugen (Bild 1) treten durch die geringen Zustellungen nur auch nur geringe Prozesskräfte von unter 50 Newton auf. Viele übliche Sensorsysteme erfassen das gar nicht. Und auch mit den metallischen DMS der fühlenden Maschinen ist eine Überwachung für diese geringen Prozesskräfte nicht möglich. In der neuen Generation der fühlenden Maschinen wurden nun die metallischen DMS durch neuartige halbleiterbasierte DMS (H. DMS) ergänzt. Diese sind bis zu hundertmal sensitiver als die metallischen. Modernere Auswerteelektronik erlaubt es jetzt auch, die Auswertung der DMS im Frequenzbereich von fünf Kilohertz durchzuführen. So kann auch das dynamische Prozessverhalten präzise erfasst werden. Bild 2a zeigt die Signalverläufe eines H. DMS, eines strukturintegrierten metallischen DMS am Spindelschlitten und eines Dynamometers (Typ 9257B von Kistler Instrumente) bei einem Flankenfräsprozess in Stahl.

Bild 2a: Das Werkzeug ist nach 58 Sekunden gebrochen. Die untere Hälfte steckt noch im Werkstück.
Bild 2a: Das Werkzeug ist nach 58 Sekunden gebrochen. Die untere Hälfte steckt noch im Werkstück.
(Bild: N. Niemeyer)

Dabei wurde der in Bild 1 gezeigte Schaftfräser mit einem Durchmesser von D = 1,5 Millimeter verwendet. Als Schnitttiefe und -breite wurden ap = 0,5 mm respektive ae = 0,2 Millimeter gewählt. Nach etwa 58 Sekunden versagte das Werkzeug durch Bruch (Bild 2b).

Bild 2b: Signalvergleich eines Dynamometers, eines halbleiterbasierten DMS (H. DMS) und eines metallischen DMS (M. DMS). Platziert waren die Systeme am Spindeschlitten eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums DMG Mori HSC 30. Die rote Senkrechte markiert den Zeitpunkt des Werkzeugbruchs.
Bild 2b: Signalvergleich eines Dynamometers, eines halbleiterbasierten DMS (H. DMS) und eines metallischen DMS (M. DMS). Platziert waren die Systeme am Spindeschlitten eines 5-Achs-Bearbeitungszentrums DMG Mori HSC 30. Die rote Senkrechte markiert den Zeitpunkt des Werkzeugbruchs.
(Bild: IFW)

Mit dem H. DMS und dem Dynamometer ist dieser durch einen Sprung in der Signalamplitude deutlich zu erkennen. Bei dem metallischen DMS (M. DMS) ist beim Werkzeugeintritt jedoch kaum eine Signaländerung zu registrieren. Der Werkzeugbruch ist im Signal nicht direkt sichtbar. Erst das Schleifen des verbliebenen Rests des Werkzeugschafts über die Oberflächen (im letzten Prozessabschnitt) ist in der Signalamplitude des metallischen DMS erkennbar. Wie das Beispiel zeigt, lassen sich mit der neusten Generation der fühlenden Maschinen selbst Prozesse mit geringstem Werkstoffabtrag und Prozesskräften von unter 20 Newton überwachen.

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