Prozessüberwachungssystem sichert Werkstückqualität

Für die wirtschaftliche Produktion qualitativ hochwertiger Werkstücke sind moderne Werkzeug- und Prozessüberwachungssysteme absolut notwendig. So kann ein Großteil heutiger Überwachungsaufgaben mit...

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Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn GmbH

Fastems Systems GmbH

OPTENDA GmbH

Für die wirtschaftliche Produktion qualitativ hochwertiger Werkstücke sind moderne Werkzeug- und Prozessüberwachungssysteme absolut notwendig. So kann ein Großteil heutiger Überwachungsaufgaben mit dem hier vorgestellten System gelöst werden. Die Basis dafür bilden weiterentwickelte und robuste Sensoren. Die wichtigsten Kenngrößen stellen dabei die Wirkleistung, die Kraft und das Drehmoment dar.In heutigen Produktionsanlagen werden immer höhere Anforderungen an die Produktivität, die Qualität der Produkte und die Wirtschaftlichkeit gestellt. Diese sehr gegensätzlichen Forderungen können zumeist nur durch einen hohen Automatisierungsgrad mit weit entwickelten Fertigungsprozessen realisiert werden. Aber gerade die hohe Automatisierung und die heutigen Hochleistungsprozesse machen es erforderlich, Prozessabweichungen und Störungen frühzeitig zu erkennen.Dies aber setzt eine kontinuierliche Überwachung von Maschine, Werkzeug und Werkstück voraus. Optimal ist natürlich die Inprozess-Messung der Werkstückqualität. Dies ist in den meisten Fällen jedoch nicht möglich, so dass eine Qualitätsprüfung der Werkstücke nur meist mit großer Zeitverzögerung erfolgen kann. Um Ausschuss zu vermeiden, ist es daher erforderlich, Kenngrößen begleitend zum Prozess zu erfassen und anhand dieser auf den Zustand von Werkzeug, Maschine und Werkstück zu schließen.Durch die Prozessüberwachung ist eine Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und der Produktivität sowie die Sicherung der Qualität in großem Umfange möglich. Dies geht auch einher mit einer Erhöhung der Maschinenverfügbarkeit (Bild 1). Für eine prozessbegleitende Qualitätssicherung ist die Überwachung von gebrochenen, beschädigten, fehlenden und falsch eingespannten Werkzeugen elementar. Durch Erkennung solcher Abweichungen können zudem Folgeschäden und Qualitätsminderungen, Maschinenschäden und in einigen Fällen auch Maschinenbrände verhindert werden. Letzteres bedeutet nicht nur eine Sicherung der Qualität, sondern führt in vielen Fällen auch zu einer Erhöhung der Arbeitssicherheit.Darüber hinausgehend bieten sich dem Anwender aber noch weitere Vorteile beim Einsatz von Überwachungssystemen:- Standzeiterhöhung,- Prozessoptimierung,- Prozessvisualisierung,- Produktverfolgung,- Dokumentation der Prozessdaten,- Bewertung neuer Werkzeuge und Schneidstoffe.Wie diese Anforderungen auf wirtschaftliche Weise in die Praxis umgesetzt werden können, zeigt das Überwachungssystem ,,CTM - Computer Integrated Tool and Machine Monitoring System". Der Trend im Bereich der Steuerungen und Überwachungssysteme liegt schon seit geraumer Zeit in der zunehmenden Integration der Einzelkomponenten, um die Kosten, den Bauraum und den Verdrahtungsaufwand zu minimieren.So basiert ein großer Anteil heutiger offener Steuerungen auf einem PC-Bedienfeld mit ISA- oder PCI-Steckplätzen (Bosch, Fanuc, Indramat, Siemens und andere). Aus diesen Gründen wurde ein 4-kanaliges Überwachungssystem auf einer PC-Einsteckkarte entwickelt. Das in Bild 2 dargestellte System hat vier unabhängige Überwachungskanäle, mehrere Schnittstellen sowie einen integrierten Flash-Drive zur sicheren Abspeicherung der Lern-, Prozess- und Alarmdaten aus. Die ISA-(PCI-)Schnittstelle dient zur Kommunikation mit dem Steuerungsrechner oder dem Bedienfeld.Die Profibusschnittstelle dient zur Synchronisation der Prozessüberwachung mit dem NC-Programm und auch zur Abfrage der Drehmomentdaten (DTA-DP). Hier werden neben anderen Informationen die Werkzeug- und Programmnummern, das ,,Vorschub aktiv"-Signal sowie die Alarmmeldungen übertragen.Sensordaten werden störsicher abgefragtDie Anbindung an die Sensoren erfolgt über eine schnelle serielle RS-485-Sensorschnittstelle nach Industriestandard, mit der störsicher die Sensordaten wie Kraft, Drehmoment, Wirkleistung abgefragt werden können. Zusätzlich ist eine Serviceschnittstelle verfügbar, um das Überwachungssystem unabhängig vom Bedienfeld einstellen und parametrieren zu können. Um eine hohe Verfügbarkeit und Störsicherheit des gesamten Systems zu gewährleisten, ist die Karte nahezu unabhängig vom Hostrechner.Das bedeutet, dass die Überwachung weiterarbeitet, auch wenn das Betriebssystem des Bedienfeldes mit anderen Aufgaben belastet ist. Die Bedienung des Systems erfolgt mit einer Software, die unter Windows 95, 98 und NT lauffähig ist. Bei dem Systemdesign wurde hoher Wert auf eine einfache und intuitive Bedienung gelegt, um die Projektierung und Einstellung des Überwachungssystems möglichst einfach zu gestalten.Für die Erfassung der Prozesskenngrößen sind entsprechende Sensorsysteme erforderlich, die prozessbegleitend ein Abbild vom Prozessverlauf liefern. Dabei ist es meist nicht erforderlich, physikalische Größen mit hoher Genauigkeit zu messen. Es müssen zum Beispiel nicht unbedingt die Schnittkräfte in allen Achsen aufgelöst werden, für die meisten Anwendungsfälle ist vielmehr ein kombiniertes Signal, in dem die Anteile aller Achsen gemittelt werden, für eine Prozessüberwachung ausreichend.Die Anforderungen an die Sensorik sind vielmehr die hohe Störsicherheit, Robustheit, Kühlmittelfestigkeit, einfacher Einbau und die hohe Reproduzierbarkeit der Signale. Je nach Anwendungsfall und Überwachungsaufgabe ist der Einsatz unterschiedlichster Sensorik notwendig, wobei die gebräuchlichsten Sensorprinzipien dabei die folgenden sind: Wirkleistung, Kraft, Drehmoment, digitales Drehmoment, Körperschall (Schallemission), Beschleunigung und Schwinggeschwindigkeit.Die Auswahl des einzusetzenden Sensorprinzips hängt von den Anforderungen an die Überwachung, der Maschinenart, den Gegebenheiten an der Maschine und vom Prozess ab. Oftmals ist auch eine intelligente Kombination der verschiedenen Systeme notwendig. Wobei die Erfahrung der letzten Jahre gezeigt hat, dass für den größten Teil der Überwachungsaufgaben die Wirkleistung, die Kraft oder das digitale Drehmoment verwendet werden kann. Aufgrund der vielen Vorteile wird die Überwachung mittels digitaler Drehmomentmessung zunehmend eingesetzt.Auch kleine Werkzeuge können überwacht werdenModerne Steuerungen arbeiten in der Regel mit digitalen Antrieben, die über einen Antriebsbus angesteuert werden. Auf diesem Antriebsbus werden neben den Positions- und Geschwindigkeitsvorgaben auch Motorstrom- und Drehmomentwerte übertragen. Diese Daten liegen als Zahlenwerte vor und sind zur Prozessüberwachung geeignet, ohne dass ein externer Messumformer notwendig ist.Durch entsprechende Zusatzsoftware, die in den Steuerungskern oder die SPS eingespielt wird, können die Drehmomentdaten direkt über den Profibus an das Überwachungssystem übertragen werden.Das System ermöglicht die gleichzeitige Abfrage der Drehmomentwerte von bis zu acht Achsen oder Spindeln.Durch die große Bitbreite der Achsdaten können dabei auch sehr kleine Drehmomente (bis weit unter 0,1 Nm) aufgelöst werden, so dass auch kleine Werkzeuge überwacht werden können. Genau wie bei der Wirkleistungsmessung kann beim digitalen Drehmoment die Verstärkung je nach Bearbeitung optimal an den Prozess angepasst werden. Darüber hinausgehend können bis zu acht Achsen miteinander verrechnet werden und Mittelwerte von beispielsweise drei Vorschubachsen in einem Überwachungskanal genutzt werden.An einem 2-spindligen Bearbeitungszentrum werden je eine Hauptspindel und drei Vorschubantriebe in einem Überwachungskanal zusammengefasst. Je nach Bearbeitung kann nun die Hauptspindel oder eine Achse zur Überwachung verwendet werden. Das hohe Potenzial, das in dem digitalen Drehmoment liegt, zeigt das Anwendungsbeispiel einer Bohrerbruchüberwachung mittels einer Vorschubachse. Das System het eine hohe Empfindlichkeit. Gemessen werden kann beispielsweise das Signal der Vorschubachse (hängende Spindel, Gewicht etwa 200 kg) während einer Bearbeitung mit einem Bohrer mit 2 mm Durchmesser in Aluminium.Zu Beginn des Prozesses ist ein hoher Signalanstieg zu verzeichnen, der auf der Vorschubbewegung der Achse beruht. Während der normalen Bohrbearbeitung zeigt das Signal Werte zwischen 20 und 25%. Zum Ende des Bohrprozesses kommt es zu einem erneuten Anstieg des Signals, was an der Rückzugsbewegung der Achse liegt. Bei einem Bohrerbruch steigt das Drehmoment aufgrund des Bruches stark an und überschreitet die Bruchgrenze, sodass ein Bruchalarm ausgelöst wird.Einen wichtigen Bestandteil eines Überwachungssystems stellt das Mensch-Machine-Interface (MMI) dar. Mit diesem ist die Einstellung und Parametrierung des Überwachungssystems sowie die Visualisierung der Prozesse möglich.Beim Start des Systems erfolgt die Darstellung von 1 bis 4 Überwachungskanälen, die wahlweise angewählt und vergrößert werden können. Im Alarmfall bei gebrochenem, fehlendem oder stumpfem Werkzeug kann die Ursache dann sofort ermittelt werden; durch den integrierten Ringspeicher können aber auch die Schnitte vor dem Ereignis visualisiert werden.Bei dem neuen System wurde besonderer Wert darauf gelegt, den Einstellaufwand so gering wie möglich zu halten. Aus diesem Grunde wurden Auto-Lernstrategien entwickelt, die ein automatisches Einstellen der wichtigen Überwachungsparameter erlauben. Mit diesem automatischen Lernen können etwa 95% aller Bearbeitungsprozesse eingelernt und überwacht werden, ohne dass ein Parameter manuell eingestellt werden muss. Bei kleinen Werkzeugen oder schwierigen Prozessen können die Lernparameter und Grenzen manuell angepasst werden. Dies erfolgt durch eine Seite, auf der alle wichtigen Parameter verändert werden können.Daten der Prozessüberwachung zur Optimierung nutzenDie Daten der Prozessüberwachung bieten neben der reinen Visualisierung noch Möglichkeiten zur Prozessanalyse und Optimierung. Durch die Datenaufnahme über eine große Anzahl von Prozessen oder Werkstücken können beispielsweise verschiedene Schneidwerkzeuge miteinander verglichen werden. Dazu bietet das CTM die Möglichkeit, die Prozessdaten von bis zu vier Überwachungskanälen kontinuierlich auf Festplatte abzuspeichern.Durch die Statistikfunktionen ist eine Trendverfolgung und Überprüfung von Prozessabweichungen möglich. Weil die Maschinen- und Spindelüberwachung zunehmend relevant wird, kann die CTM-Karte mit einem speziellen Sensormodul erweitert und als kombiniertes Werkzeug- und Maschinenzustandsüberwachungssystem eingesetzt werden.