Bearbeitungszentren Kollisionsgefahren mit neuartigem Überlastschutzsystem begegnen

Autor / Redakteur: Eberhard Abele, Matthias Berger, Dennis Korff / Jürgen Schreier

Verschiedene Ursachen führen zu unerwünschten Kontakten zwischen bewegten Elementen einer Bearbeitungsmaschine. Oft kommt es dabei zu kostspieligen und zeitraubenden Beschädigungen, die sich mit einem neuartigen, mechanischen Schutzsystem speziell an der Motorspindel vermeiden lassen.

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Bild 1: Ein mit Permamentmagneten und Federn arbeitendes Kollisionsschutzsystem in der Motorspindel vermeidet schwere Beschädigungen an Maschine, Werkzeug und Bauteil.
Bild 1: Ein mit Permamentmagneten und Federn arbeitendes Kollisionsschutzsystem in der Motorspindel vermeidet schwere Beschädigungen an Maschine, Werkzeug und Bauteil.
(Bild: Jakob Antriebstechnik)

Aufgrund des stetig zunehmenden Produktivitätsdrucks wird von vielen Unternehmen heute eine Maschinenverfügbarkeit von etwa 80 % angestrebt [1]. Im Rahmen des Projekts „Make-it“ fand eine Befragung bei mehr als 34 Unternehmen zum Thema „Ausfälle von Werkzeugmaschinen“ statt [2]. Zusammengefasst, können die Hauptursachen dieser Stillstände zu 46 % einer mangelnden Instandhaltung zugeschrieben werden. Hier können Maßnahmen der präventiven beziehungsweise zustandsorientierten Instandhaltung für Abhilfe sorgen.

Eine weitere bedeutende Schadensursache stellen mit 19 % die Bedienungsfehler dar (Bild 2). Genauer betrachtet, lassen viele der Ursachen auf eine mechanische Überlast schließen, wie sie überwiegend bei Kollisionen auftritt, die den technischen Kernkomponenten Schaden zufügen. Ein Problem, das von verschiedenen Autoren bestätigt wird. In Bearbeitungszentren kann nach [3] zwischen technischen und geometrischen Kollisionen unterschieden werden. Technische Kollisionen umfassen Überlastungen während des Eingriffs der Werkzeugschneide in das Werkstück.

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Darunter fallen etwa das Überschreiten der maximal zulässigen Schnittgeschwindigkeiten und der Zahnvorschübe was aber nur zwischen Werkstück und Werkzeug zum Problem werden kann. Geometrische Kollisionen sind ungewollte Kontakte zwischen anderen bewegten Maschinenkomponenten, wie beispielsweise der Werkzeugspindel und dem Werkstückspannsystem bei Positionierbewegungen. Wegen der vergleichsweise hohen Dynamik von modernen Bearbeitungsmaschinen mit ihren sehr hohen Eilgangsgeschwindigkeiten in den Vorschubachsen führen insbesondere die geometrischen Kollisionen in Abhängigkeit von den Maschineneigenschaften (Steifigkeit, bewegte Masse) zu hohen Kontaktkräften [4].

Schon moderate Vorschübe bewirken hohe Kräfte

Umfangreiche Simulationsergebnisse zeigen, dass bereits bei relativ moderaten Vorschüben von 0,2 m/s (12 m/min) hohe Kollisionskräfte zwischen Werkzeug und Werkstück auftreten können (Bild 3).

Bei den heutzutage verwendeten und vergleichsweise sehr hohen Eilgangsgeschwindigkeiten von 1 m/s (60 m/min) und mehr resultieren dann Kräfte von einigen Hundert Kilonewton. Eine Maschinenbeschädigung ist in einem solchen Fall unvermeidbar. Die Kollisionsgründe sind vielfältig (Bild 2), [5], aber die Probleme basieren heute grundsätzlich auf personellem oder technischem Versagen. Der Hauptanteil davon ist im menschlichen Zutun beim Rüsten oder durch Bedienungsfehler zu finden [6].

Gerade in der Einzelteil- und Kleinserienfertigung besteht durch die häufig erforderlichen Rüstprozesse zur Anpassung der verwendeten Fertigungseinrichtung an die neue Bearbeitungsaufgabe ein großes Fehlerpotenzial. Nach [7] lassen sich der Rüstprozess und damit auch die mögliche Kollisionsursache in Kombination mit den nötigen Arbeitsinhalten folgendermaßen gliedern:

  • die Einrichtung des Arbeitsraums (Einbringung von Spannvorrichtung und Werkstück);
  • die Einrichtung der Werkzeuge (Werkzeugzusammensetzung, Werkzeugvermessung und -einstellung, Werkzeugbe- und entladung);
  • die Erstellung der Steuerungsdaten (Programmierung).

Je nach Art der technischen Ausgestaltung dieser Arbeitsinhalte werden die Höhe des Fehlerpotenzials und die sich daraus ergebende Kollisionswahrscheinlichkeit durch die Fähigkeiten und die Sorgfältigkeit des ausführenden Personals bestimmt. So kann mit Möglichkeiten, wie etwa Nullpunktspannsystemen und organisatorischen Vorgaben sowie standardisierten Kontrollprotokollen, das Fehlerrisiko reduziert, jedoch nicht vollständig vermieden werden.

Die Primärschäden einer Kollision umfassen die teilweise Beschädigung bis komplette Zerstörung der beteiligten Kollisionspartner. So können unter anderem maschinenseitige Deformationen und Brüche, Teilbeschädigungen und Zerstörungen der eingesetzten Werkzeuge und Vorrichtungen sowie Deformationen und Oberflächenbeschädigungen am Werkstück auftreten. Diese Primärschäden können außerdem noch zu Folgeschäden (Sekundärschäden) auch an nicht direkt an der Kollision beteiligten Komponenten führen. Ein nicht erkannter Verzug der Maschinenstruktur infolge von Kollision kann zu erhöhtem Verschleiß und frühzeitigem Ausfall der Lager- und Führungskomponenten führen. Zusätzlich gefährden auch gelöste Bruchstücke und lose Werkstücke die Maschinenkomponenten sowie den Maschinenbediener. Eine sehr schadensaffine Komponente im Kollisionsfall ist das werkzeugantreibende Hauptspindelsystem.

Verschiedene Maßnahmen zur Kollisionsvermeidung

Die Frage nach den Möglichkeiten zur Vermeidung von Kollisionen und den Folgeschäden an der Maschinenstruktur hat zur Entwicklung verschiedener Strategien und technischer Lösungsansätze geführt. Die simulationsbasierte Kollisionsvermeidung etwa ist nur dann erfolgreich, wenn die kollisionsrelevanten Situationen und Komponenten des Maschinensystems in der virtuellen Umgebung mit ausreichendem Genauigkeitsgrad abgebildet werden (Bild 3). Damit verbunden ist ein entsprechender programmiertechnischer Aufwand von geschultem Personal. Unberücksichtigte Abweichungen zwischen Simulationsmodell und realen Bedingungen, Abweichungen in den Rohteilabmessungen und falsch eingemessene oder eingesetzte Werkzeuge können aber zu folgenschweren Kollisionen führen.

Eine andere Möglichkeit bietet die sensorbasierte Arbeitsraumerfassung, bei der der Istzustand des Maschinensystems ständig gemessen und mit den Sollvorgaben verglichen und gegebenenfalls korrigiert wird.

Die Anfälligkeit der Systeme gegen herrschende Umgebungsbedingungen wie Kühlschmierstoffe, Späne, Ölnebel, Stäube, Reflexionen an metallischen Oberflächen und einfallendes Licht sowie die Erhöhung der Nebenzeiten durch den stetigen Messzyklus nach erfolgter Maschinenbestückung, stehen bisher einem flächendeckenden Einsatz sensorischer Methoden entgegen.

Reaktionsschwelle der genutzten Sensoren richtig wählen

Weitere Möglichkeiten, um Kollisionsschäden zu vermeiden, können sensorlose oder sensorbasierte Kollisionserkennungsmethoden sein. Bei der ersten Art, hängt die Effektivität von der möglichst schnellen Kompensation der gemessenen Abweichungen von Maschinensignalen seitens der Steuerung ab.

Das gelingt meist nicht ohne Zeitverzögerung, wodurch die Gefahr der Kollision durchaus bestehen bleibt, wenn die steuerungsseitige Gegenreaktion zu langsam erfolgt.

Im zweiten Fall besteht die Herausforderung in der Wahl der richtigen Reaktionsschwelle der genutzten Sensoren – sie müssen zwischen normaler Maschinenfunktion und einer Gefahrensituation sicher unterscheiden können. Entweder kommt es folglich zu einem Fehlalarm oder bei zu hoch eingestelltem Schwellenwert trotz allem zu einer Kollision.

Alternative in der Motorspindel reduziert Kollisionsschäden

Um den Schaden durch Kollisionen möglichst gering zu halten, wurde am PTW in Zusammenarbeit mit Jakob Antriebstechnik ein neuartiges Kollisionsschutzsystem für Motorspindeln entworfen (Bild 1). Dieses System erlaubt bei kritischen Werten, hervorgerufen durch Kollision oder Überlast im Bearbeitungsprozess, eine mechanische Entkopplung der Motorspindel, weg von der Achsstruktur der Maschine. Damit werden die auf das Spindelsystem wirkenden Kräfte effektiv reduziert und eine Beschädigung bleibt aus.

Bild 4 zeigt die grundsätzliche Funktionsweise des Systems auf. Die Haltekraft zwischen Spindel und Maschine wird durch ein Permanentmagnetsystem und Schraubendruckfedern erzeugt. Sie kann je nach Grenzbelastbarkeit der im Kraftfluss liegenden Komponenten durch Änderung der Federvorspannung beziehungsweise durch Verringern der Magnetstärke (Magnetanzahl) angepasst werden.

Im Falle der Überlastung rückt das System aus und die Maschinenachse wird innerhalb des zur Verfügung stehenden Reaktionsweges zum Halten gebracht. Der anschließende Wiedereinrückvorgang erfolgt selbstständig durch die Druckkraft der verwendeten Federn und die Anziehungskraft der Magnete. Bild 5 zeigt den konstruktiven Entwurf sowie das reale Schutzsystem, das über ein schichtweise aufgebautes Permanentmagnetsystem mit einer Haltekraft von 11 kN arbeitet. Die eingebauten Federn besitzen 8 kN Haltekraft. So liegen die Haltekräfte unter den kritischen Grenzbelastbarkeiten der Maschinenkomponenten, wie etwa dem Spindellager.

Neuartiges Kollisionsschutzsystem unter die Lupe genommen

Vor den Kollisionsversuchen wurde das sensorgestützte Notstopp-Verhalten der Maschine hinsichtlich des Bremswegs untersucht. Ab einem Vorschub von 25 m/min entspricht der Bremsweg der Maschinenachse dem zur Verfügung stehenden Ausrückweg des Schutzsystems. Um in den ersten Versuchen einen Sekundärstoß zu vermeiden, wurde die Kollisionsgeschwindigkeit auf 20 m/min begrenzt, was einer Kollisionskraft von circa 100 kN entspricht. Wie aus den berechneten und ermittelten Kollisionskraftkurven hervorgeht, können die auftretenden Kontaktkräfte durch das Schutzsystem deutlich reduziert werden. Der signifikante Unterschied zwischen der radial ermittelten Kollisionskraft von 6 kN und der axialen Kollisionskraft von 20 kN entsteht durch das seitliche Ausrücken des Schutzsystems.

Dabei wirken im Gegenzug zum axialen Ausrücken nur teilweise die die Haltekraft erzeugenden Komponenten (Magnete, Schraubendruckfedern) im System. Diese Reaktion auf radial wirkende Kräfte wird durch die Auskraglänge des Werkzeugdummys stark beeinflusst. Die Auskraglänge des Dummys und des HSK-Spannfutters maß 150 mm. Die Versuchsergebnisse ließen erkennen, dass die angenommenen Kräfte auf ein Fünftel ihres Wertes verringert werden können.

Diese Reduzierung der Kräfte ermöglicht den aktiven Schutz der Maschine und ihrer wichtigsten Komponenten. Zu den am stärksten belasteten Elementen zählen die Motorspindellager und die Werkzeugaufnahme. Die Ergebnisse belegen, dass das neuartige Schutzsystem beim Versuch durch gezielte Verringerung der Maschinensteifigkeit die auftretenden Kräfte reduziert und Schäden mit Erfolg vermeidet.

Literatur

[1] Quade, N.: Verfügbarkeitsmanagement von Bearbeitungssystemen mit erweiterter Betrachtung der administrativen Prozesse in kleinen und mittleren Unternehmen. Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, 2009

[2] Denkena, B.; Blümel, P.; Röbbing, J.: Den Maschinenzustand im Fokus – Instandhaltung von Werkzeugmaschinen unter Verwendung von Zustandsüberwachungssystemen. wt Werkstatttechnik online, Jahrgang 99, Heft 7/8, S. 470-478, 2009

[3] Kayser, K.-H.: Kollisionserkennung in numerischen Steuerungen mit der Distanzfeldmethode. Dissertation, Universität Stuttgart, 1989

[4] Weck, M.; Brecher, C.: Werkzeugmaschinen – Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe und Prozessdiagnose. Bd. 3, 5. Auflage, Springer Berlin Heidelberg, 2001

[5] Ebeling, W.: Prozessüberwachung: Die Prozessqualität wird durch viele Faktoren beeinflusst. Der Betriebsleiter, Nr. 7/8, S. 46-48, 1997

[6] N.N.: KoBaSiS – Kontakterkennungsbasiertes Überlastsicherungssystem für Werkzeugmaschinen mit Spindel-Mutter-Antrieben. Abschlussbericht, RWTH Aachen, 2008

[7] Eichhorn, N.: Rüstprozessoptimierung in der Zerspanung – Methode zur Effizienzsteigerung beim Rüsten von Bearbeitungszentren in der Kleinserienfertigung. Dissertation, Technische Universität Darmstadt, 2011

* Eberhard Abele ist geschäftsführender Leiter des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW), Matthias Berger ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am PTW im Bereich Werkzeugmaschinen und Dennis Korff ist Oberingenieur des PTW im Bereich der spanenden Produktiontechnologie.

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