Mit oder ohne Sensoren?

Werkzeugüberwachungssystem nutzt interne Antriebsdaten und kommt mit einer einzigen Busleitung aus. Die Überwachung spanender Werkzeugmaschinen wie Rundtaktautomaten, Drehmaschinen,...

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Knuth Werkzeugmaschinen GmbH

Beckhoff Automation GmbH & Co. KG

AXA Entwicklungs- und Maschinenbau GmbH

Werkzeugüberwachungssystem nutzt interne Antriebsdaten und kommt mit einer einzigen Busleitung ausDie Überwachung spanender Werkzeugmaschinen wie Rundtaktautomaten, Drehmaschinen, Bearbeitungszentren oder Schleifmaschinen erforderte bisher bezüglich der Werkzeugüberwachung einen erheblichen Einsatz an Elektronik und Verkabelung. Dieses Manko gehört seit der Offenheit von Werkzeugmaschinensteuerungen der Vergangenheit an. Sowohl Steuersignale als auch Wirkleistungsmesswerte können nun von einer einzigen Busleitung aufgenommen werden.Die erste Messgröße, deren Eignung man bei der Frage nach der Überwachbarkeit eines Bohrers, Drehmeißels oder Fräsers überprüft, ist die Wirkleistung der Werkzeug- oder Werkstückspindel beziehungsweise der Vorschubachsen. Der Grund dafür liegt in der Unterbringung des bisher dazu erforderlichen Wirkleistungsmessgerätes im Schaltschrank anstelle eines Kraft- oder Körperschallsensors im Arbeitsraum der Werkzeugmaschine. Grundsätzlich hat sich die Wirkleistungsmessung aber auch messtechnisch bewährt bei der Erkennung von Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch, weil die gewonnenen Messkurven in der Regel stabil sind, das heißt einen ruhigeren Verlauf zeigen als mancher andere Sensor. Dass diese Ruhe nichts mit Trägheit zu tun hat, liegt an den direkteren Antrieben heutiger Werkzeugmaschinenspindeln und Vorschubachsen und an der Messung der Ströme zwischen Frequenzumrichter und Motor mit drei Halleffekt-Stromsensoren, wie es etwa das Nordmann-Leistungsmessgerät WLM-3 bietet.Offene CNC stellen Messwerte per Bus bereitAlternativ zur Leistungsmessung über ein Wirkleistungsmessgerät stellen offene Steuerungen, wie sie beispielsweise von Siemens und Indramat angeboten werden, diese Messwerte auf einer Busleitung zur Verfügung. Der Einbau eines gesonderten Messgerätes ist dann nicht mehr erforderlich. Überdies werden auch die Steuersignale, die zur Synchronisation der Werkzeugüberwachung mit der Schnittfolge des Zerspanungsprozesses ausgetauscht werden müssen, über diesen Bus übertragen.Bei Siemens-Steuerungen sorgt eine so genannte ,,Technologiekarte" dafür, dass die Informationen über die derzeitige Belastung von bis zu acht Spindel- und Vorschubantrieben auf den Profibus geschickt werden. Dabei wird in Wirkleistungs-, Drehmoment- und Strom-Istwerte unterschieden. Die Messwerte werden sehr schnell im Interpolationstakt ausgegeben, der dem 4fachen Wert des Lageregeltaktes entspricht. Vor der Ausgabe können die Messwerte steuerungsintern geglättet werden, um eine mögliche Welligkeit auszufiltern. Die Messwerte werden von einem Auswertegerät SEM-Profibus oder -Profibus-Micro aufgenommen und dort der Kontrolle bezüglich der Erkennung von Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch unterzogen. Das Auswertegerät Profibus-Micro besteht aus nur einer Leiterkarte, die ihren Platz in einem 4 cm breiten Gehäuse auf einer Hutschiene im Schaltschrank findet. Die Bedienermenüstruktur basiert auf dem schon bekannten SEM-Modul und ermöglicht nun die Abfrage von acht auf dem Profibus übertragbaren Messwerte der Spindel- und Vorschubantriebe (Bild 1). In Werkzeugmaschinen, die aufgrund der Vielzahl von NC-Achsen über einen zweiten NC-Rechner und somit einen zweiten Profibus verfügen, können zwei Profibus-Module gemeinsam auf einen NC-Bedienrechner MMC 103 oder PCU 50 geschaltet werden, um beispielsweise bis zu 16 Vorschubachsen, Werkzeug- oder Werkstückspindeln digital zu überwachen. Die Messkurven und Grenzwerte werden auf dem NC-Bedienfeld angezeigt. Wer nicht jeweils am NC-Bedienrechner auf die Darstellung der Messkurven umschalten möchte, der kann einen gesonderten Flachbildschirm mit Touchscreen und zusätzlicher Tastatur anschließen.Als Überwachungsstrategien stehen statische oder ,,gerade" Grenzen als auch Hüllkurven in statischer und gleitend von Werkstück zu Werkstück sich anpassender Form zur Verfügung. Eine zusätzliche Kontrolle auf sich schnell verändernde Messwerte verbessert die Erkennungssicherheit bei kleinen Schneidenausbrüchen sowie bei der Kontrolle von Mehrspindelbohrköpfen. In Fräsern können mit dieser Methode einzelne ausgebrochene Zähne erkannt werden, noch bevor der nächste Zahn in Mitleidenschaft gezogen wird.Körperschallsensoren überwachen kleine BohrerFalls beispielsweise ein Rundtaktautomat oder eine Linear-Transfermaschine neben digitalen Antrieben auch über konventionelle Motoren verfügt, sind deren Wirkleistungsmesswerte auf dem Profibus nicht vorhanden. In diesem Fall kommt je nach Werkzeugabmessung ein Leistungsmessgerät mit einem oder drei Stromsensoren auf Halleffektbasis zum Einsatz. Dann ist anstelle des rein digitalen Profibus-Micro-Gerätes das etwas breitere, aber zusätzlich analogkanalfähige Profibus-Gerät zu verwenden, das auch Messwerte von Kraftaufnehmern oder Körperschallsensoren auswerten kann.Die Wirkleistungsmesswerte, ob über den Profibus oder mittels analoger Messgeräte ermittelt, sind keine Alleskönner. Falls in CNC-Drehmaschinen kleine, nicht angetriebene Bohrer unter 2 mm Durchmesser oder kleinste Drehmeißel über die Werkstückspindel überwacht werden sollen, wird die Überwachung nicht in jeder Maschine funktionieren. Dann muss auf zusätzliche Sensoren zurückgegriffen werden. Es handelt sich hier um Körperschallsensoren, die in CNC-Drehmaschinen entweder am Revolverkasten oder zum Beispiel am Werkstückspindelgehäuse befestigt werden.Alternativ wird der Schallsensor ,,Schall-Emissions-Hydrophon" verwendet, der die Schallwellen unmittelbar vom Werkzeug über einen Kühlschmierstoffstrahl als Schallwellenleiter aufnimmt. Dieser Sensor kann sowohl das Werkzeug zerspanen ,,hören", das heißt eine Kontrolle auf rechtzeitigen Anschnitt und damit Länge vornehmen, als auch den Bruch im Augenblick des Bruches wahrnehmen, um gegebenenfalls sofort einen Stopp der Vorschubachse zu veranlassen. Oft lässt sich der Werkzeugbruch durch das Erkennen zunehmender Schallamplituden auch vermeiden.Drahtlose SignalübertragungIn Bearbeitungszentren ist die Anbringung eines Körperschallsensors manchmal schwierig. Der Körperschallsensor ist unter dem Rundtisch oder am Spindelgehäuse in der Regel zu weit vom Werkzeug entfernt, um eine sichere Überwachung zu gewährleisten. Selbst der Schallaufnahme über den Kühlschmierstoffstrahl stehen manchmal die baulichen Gegebenheiten innerhalb der Maschine entgegen. Der geeignetste Anbringungsort für einen Körperschallsensor wäre die Werkstückspannvorrichtung, was in der Praxis allerdings wegen der bisher kabelgebundenen Messung bei der Verwendung von Paletten und Rundtischen ausscheidet. Aus diesem Grund wurde eine drahtlose Elektronik entwickelt, die die Köperschallsignale aufnimmt und zu einem Empfänger funkt (Bild 2). Aufgrund ausgeklügelter Stromspartechniken ist ein Batteriewechsel bei durchschnittlicher Nutzung erst nach etwa einem Jahr nötig.Die Kontrolle der Kleinstbohrer muss nicht immer prozessbegleitend sein. Recht verbreitet sind inzwischen Laserlichtschranken, die auch von Nordmann angeboten werden. Laserlichtschranken sind allerdings pflegebedürftig, weil Fehlfunktionen infolge Verschmutzung auch trotz Sperrluft nach wenigen Wochen oder Monaten auftreten. Zum großen Teil ist gerade die Sperrluft trotz Filterung verantwortlich für die Verschmutzung, denn die Ölaufnahmefähigkeit der Filter ist begrenzt.Aus diesem Grund wurde nach einer verschmutzungsunabhängigen Alternative gesucht. Es bot sich hier die Ultraschalltechnik an. Nordmann hat dieses Verfahren für die Anwendung zur Bohrerbruchkontrolle anhand fokussierender Ultraschallgeber angewendet und erreicht, dass selbst Bohrer mit einem Durchmesser von 0,5 mm damit kontrolliert werden können.Bei drehendem Bohrer ist die Kontrolle genauerDie überwachbaren Bohrerdurchmesser sind natürlich abhängig vom Abstand zwischen Ultraschallgeber und rotierendem Bohrer, allerdings sind die erforderlichen Werte in Bearbeitungszentren realisierbar (Bild 3). Dank der Ultraschallreflektion am Bohrer braucht der Sensor nur an einer Seite des Werkzeuges montiert werden. Laserlichtschranken erfordern immer die Halterung eines exakt ausgerichteten Senders und eines Empfängers auf der anderen Seite des Werkzeuges. Dafür müssen beim Ultraschalldistanzsensor gewisse Abstriche bei der Längenauflösung gemacht werden, die lediglich im Millimeterbereich liegt. Weil kleine Bohrer sich beim Bruch aber grundsätzlich um mehrere Millimeter verkürzen, ist das nicht nachteilig. Die Kontrollgenauigkeit ist höher, wenn sich der zu prüfende Bohrer dreht.Fürs nasse Spanen wurde der Hydro-Distanzsensor entwickelt, der über den Kühlschmierstoffstrahl das Werkzeug auf seine Länge prüft, und dies sogar im Eilgang. Die Prüfung kann quer, schräg und auch längs zur Bohrerachse erfolgen.Ob nun digital über den Profibus oder auch über zusätzliche Sensoren gemessen wird, hängt vom Maschinentyp und vom Werkzeug ab. Das System ist jedenfalls zur Überwachung der internen Antriebsgrößen Wirkleistung oder Drehmoment der Spindeln und Vorschubachsen und zusätzlicher analoger Sensoren in der Lage. In vielen Fällen reicht in CNC-Drehmaschinen und Bearbeitungszentren die Messung über den Profibus aus, wenn nicht allzu kleine Werkzeuge zum Einsatz kommen. Rundtaktautomaten, Mehrspindel-Drehautomaten und Transferstraßen werden aber ohne zusätzliche Sensoren in keinem Fall auskommen, weil entweder auch analoge Antriebe verwendet werden oder aber weil bei den Werkzeugmaschinen die Vorschubbewegungen mechanisch über Kulissenhebel erzeugt werden, die einen Kraftsensor erfordern.