Akustische Überwachung Prozessüberwachung mit Körperschall optimiert das Bohren tiefer Löcher

Mit einem vollständig in die Maschinensteuerung integrierten System für die Werkzeug-, Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung kontrolliert Bosch in Bamberg Tieflochbohrungen bei der Injektor-Herstellung. Das System erkennt fehlende, gebrochene und verschlissene Werkzeuge in spanenden Produktionsanlagen. Die Sensorik für die akustische Überwachung der vier Bohrer in den Mehrspindelköpfen besteht aus vier Körperschallsensoren und einem Messumformer.

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Dass der Diesel im PKW sein „Traktor-Image“ eingebüßt hat, liegt an der Einführung des Common-Rail-Systems durch Bosch im Jahre 1997. Die beim Herstellen der Injektoren notwendigen Tieflochbohrungen überwacht Bosch mit dem CTM-System von Artis. Diese In-Process-Überwachung reduziert nicht nur die Taktzeiten, sondern verbessert auch die Qualität des kompletten Bearbeitungsprozesses. Beim Herstellen des Injektor-Haltekörpers sind vier Tieflochbohrungen vorgesehen: die Leckölbohrung, die Zulaufbohrung am Ventilstück, die Zulauf-Drosselbohrung sowie die Düsenzulaufbohrung.

Bis vor zwei Jahren überwachte Bosch die Mehrspindel-Bohrköpfe seiner Bearbeitungszentren mit einem Laser auf die Anwesenheit oder den Bruch der Werkzeuge. Dazu kreuzt der Werkzeugschlitten mit den Aufnahmen der vier Tiefenbohrer vor jeder Bearbeitung den Lauf der beiden Laserstrahlen; eine Unterbrechung des Strahls deutet auf die Anwesenheit des Bohrers hin, sagt aber noch nichts über dessen Zustand aus. Insbesondere die Leckölbohrung und die Zulauf-Drosselbohrung waren bei dieser Methode taktzeitbestimmend.

Nachdem Artis im Jahre 2004 an Bosch herangetreten war und sein CTM-Werkzeugüberwachungssystem präsentiert hatte, äußerte Bosch den Wunsch, durch ein einfach zu handhandhabendes, aber zuverlässiges In-Process-Überwachungssystem, das die Laserkontrolle vor der Bearbeitung ersetzt, die Taktzeit bei der Herstellung der Injektoren zu senken. Die beiden Partner entschieden sich für den Einsatz eines Körperschallsensors, um einen Bohrerbruch während der Bearbeitung zu detektieren.

Je kürzer der Schallweg, umso sicherer die Überwachung

Bei der Implementierung des Überwachungssystems optimierte das Team aus Mitarbeitern von Artis und Bosch im Verlauf zahlreicher Versuche zuerst die Position der Körperschallsensoren. Um ein „optimales“ Signal mit möglichst wenig Nebengeräuschen zu erhalten, müssen die insgesamt vier Sensoren nah an der Zerspanungsstelle platziert werden (je ein Sensor pro Spannstelle) und es gilt, die Zahl der Übertragungsstellen zu minimieren. Die akustische Überwachung gelingt umso sicherer, je kürzer der Schallweg durch das Werkstück und den Werkstückträger ausfällt.

Weitere Versuchsreihen erbrachten die Erkenntnis, dass das feinfühlige Überwachungssystem zwar Werkzeugbrüche umgehend erkennt, aber nicht zuverlässig zwischen einem Bruch und einem Spanklemmer oder einem Schneidenausbruch unterscheiden kann. Obwohl also kein Bruch vorlag, wurde die Bearbeitung durch den Bruchalarm gestoppt. Die nächste Aufgabenstellung lautete folglich, eine geeignete Software-Strategie zu entwickeln und die aufgenommenen Schallspektren korrekt den verschiedenen Ereignissen zuzuordnen und dadurch das System anzulernen.

Während der Entwicklung der Überwachungsstrategie betrachtete man den Bearbeitungsprozess eingehend über die Visualisierung des CTM-Systems. Die Alarmausgänge wurden abgeschaltet, die Zahl und Intensität der während der Bearbeitung aufgetretenen Signale mit dem Zustand des Bohrers nach der Bearbeitung verglichen. Die dabei gemachten Erfahrungen führten zur Anpassung der Software und der Definition einer bestimmten Signalhöhe und einer minimalen Signaldauer oberhalb dieses Wertes.

Ein Gewaltbruch des Werkzeugs liegt demnach vor, wenn die gemessene Signalhöhe länger als 300 ms über der definierten Bruchgrenze liegt. Überschreitet das Signal die Grenze dreimal länger als ein in Millisekunden angegebener Sollwert, bedeutet dies einen Schneidenausbruch. Nach einer bestimmten vorgegebenen Anzahl dieser Mikroausbrüche gilt das Werkzeug als stumpf und muss getauscht werden.

Taktzeit durch die In-Process-Überwachung optimiert

Nachdem das Artis-System derart angelernt wurde, kann es jetzt während der Bearbeitung der Injektoren einen Werkzeugbruch zuverlässig erkennen und auch korrekte Aussagen über den Verschleißzustand der Schneide treffen. Die Taktzeit ist durch die In-Process-Überwachung optimiert, Alarme ergehen nur bei einem Bruch oder bei Annäherung an die Verschleißgrenze. Und der Bohrer kann rechtzeitig vor dem Totalverlust ausgetauscht und nachgeschliffen werden.

Das CTM-(Computer Integrated Tool and Machine Monitoring)-System von Artis ist ein vollständig in die Maschinensteuerung integriertes System für die Werkzeug-, Prozess- und Maschinenzustandsüberwachung sowie Adaptive Control. Das speziell auf die Großserienfertigung ausgelegte System erkennt fehlende, gebrochene und verschlissene Werkzeuge in spanenden Produktionsanlagen. Dabei meldet das so genannte DTA-(Digital Torque Adaption) Verfahren die aktuellen Drehmomentwerte aus den Antriebsreglern der Spindel- und Vorschubantriebe über den Profibus zum CTM-System, was in vielen Fällen die Installation von zusätzlichen Sensoren erübrigt.

CTM-Karte als PC-Einsteckkarte

CTM wertet daraufhin diese Daten aus. Die CTM-Karte als zentrale Überwachungseinheit hat die Form einer PC-Einsteckkarte, ausgestattet mit Standardschnittstellen, die in die Bedientafel der Maschinensteuerung eingesetzt wird. Damit benötigt die Karte weder ein eigenes Gehäuse noch eine eigene Stromversorgung. Zudem lässt sie sich leicht installieren. Sie bietet vier voneinander unabhängig arbeitende Überwachungskanäle, die bei Bedarf aber auch zusammengeschaltet werden können.

Die Sensorik für die akustische Überwachung der vier Bohrer in den Mehrspindelköpfen bei Bosch besteht aus vier Körperschallsensoren AE-C und einem Messumformer KU-4. Bei den meisten Applikationen ist die feste Anbringung des Körperschallsensors AE-C an der Maschine oder an der Werkstückaufspannung ausreichend. Für Aufgabenstellungen, bei denen, beispielweise aufgrund der Größe des Werkstückes oder schallisolierender Zwischenlagen, der Sensor keine für die Auswertung ausreichenden Signale liefert, ist der Sensor AE-Z vorgesehen.

Gesammelte Daten ermöglichen das Optimieren von Prozessparametern

Dabei wird der Körperschallsensor während der Bearbeitungsphasen mittels eines Druckluftzylinders auf die Werkstückoberfläche gepresst. Der Messumformer KU-4 enthält eine autark arbeitende, über externe Signaleingänge aktivierbare Kollisionsüberwachung. Die Kollisionsüberwachung arbeitet mit drei verschiedenen Schwellwerten für normale Bearbeitung (operate), Werkzeugwechsel (tool change) und Eilgang (rapid feed). Wird der Sensor im operate-Modus für die Werkzeugüberwachung eingesetzt, bleibt die Kollisionsüberwachung inaktiv.

Eigentlich lautete der Grundgedanke bei der Einführung des Artis-Überwachungssystems, die Taktzeiten durch den Wegfall des Lasersystems zu minimieren. Erreicht wurde laut Bosch viel mehr. Die dank des Artis-Systems und seiner Prozessvisualisierung und -dokumentation in der Einführungsphase des Systems gesammelten Daten und deren Interpretation ermöglichen das Optimieren von Prozessparametern wie Vorschübe und Schnittgeschwindigkeiten.

Außerdem konnten die Neben- und Bearbeitungszeiten reduziert, die Ausbringung bei vermindertem Ausschuss und insgesamt die Fertigungssicherheit gesteigert sowie die Qualität unserer Bearbeitungsprozesse stabilisiert werden. Weil das CTM-System die einmal gelernten Körperschallspektren der Bohrer aufzeichnet, kann Bosch auch unzureichend oder fehlerhaft nachgeschliffene Bohrer anhand des abweichenden Signals identifizieren und dadurch die Qualität der Prozesse in der Werkzeugschleiferei überwachen und verbessern.

Leopold Klein ist Vertriebsmitarbeiter Deutschland Südwest bei der Artis GmbH. Stefan Richter ist als freier Journalist für das Unternehmen tätig. Weitere Informationen: Leopold Klein, Artis GmbH, 29646 Bispingen-Behringen, Tel. (05194) 950-0, info@artis.de

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