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Sensorik Sensoren bringen Präzision in die Werkzeugmaschinen

| Autor/ Redakteur: Christian Niederhofer / Stéphane Itasse

Schneller, präziser und produktiver sollen neue Werkzeugmaschinen sein. Doch Verbesserungen sind oft nur mit ausgefeilter Sensorik möglich. Aus Sicht von Konstrukteuren bei Werkzeugmaschinenherstellern und deren Zulieferern sollen sich zudem die Sensoren möglichst einfach integrieren lassen. Diese Anforderungen lassen sich dennoch gut vereinbaren.

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Werkzeugmaschinen können heute mit Genauigkeiten bis in den Mikrometerbereich fertigen. Moderne Sensoren von Micro-Epsilon ermöglichen dies.
Werkzeugmaschinen können heute mit Genauigkeiten bis in den Mikrometerbereich fertigen. Moderne Sensoren von Micro-Epsilon ermöglichen dies.
(Bild: Micro-Epsilon / ©Alterfalter - stock.adobe.com)

Sensoren sind quasi Sinnesorgane der Maschine. Die Steuerung kann die Informationen der Sensoren verarbeiten und damit die Aktoren entsprechend ansteuern. Dabei gilt natürlich, dass die Maschine insgesamt nur so genau arbeiten kann, wie die Sensoren messen.

In den vergangenen Jahren ist ein regelrechter Boom nach hochpräzisen Werkzeugmaschinen zu beobachten. Diese fertigen Werkstücke teilweise mit einer Genauigkeit, die häufig im Mikrometerbereich liegt. Um solche Genauigkeiten erreichen zu können, muss die Konstruktion der Werkzeugmaschine in vielen Bereichen optimiert sein. Eine der kritischen Komponenten ist dabei die Spindel. Hohe Drehzahlen und die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück können zu einer Erwärmung der Spindel führen, die sich in einer Längenänderung bemerkbar macht. Eine Flüssigkeitskühlung der Spindel kann diesen Effekt zwar begrenzen, aber nicht komplett kompensieren. Zu dem Temperatureffekt können zusätzlich Längenänderungen kommen, die auf den hohen Zentrifugalkräften bei sehr schnell drehenden Spindeln beruhen.

Präzisionsbearbeitung auf den Mikrometer genau geht nur mit Sensoren

Um sehr hohe Genauigkeiten bei der Werkstückbearbeitung zu erreichen, muss die Längenänderung der Spindel durch einen Sensor erfasst werden. Die CNC kann dann aufgrund des Messwerts die Position des Werkzeugs nachregeln. Micro-Epsilon bietet für diese Anwendung das Messsystem SGS 4701 (Spindle Growth System) an, das das Unternehmen speziell für den Einsatz in Hochfrequenz-Spindeln entwickelt hat. Das System funktioniert mit induktiven Sensoren auf Wirbelstrombasis der Reihe Eddy-NCDT, die berührungslos und damit verschleißfrei messen. Das Messverfahren, das auf ferromagnetische und nicht ferromagnetische Materialien abgestimmt werden kann, ist unempfindlich gegenüber Hitze, Staub oder Öl.

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Die Bauform des Systems, das aus dem miniaturisierten Sensor, dem Sensorkabel und einem kompakten Controller besteht, ermöglicht es dem Konstrukteur, sämtliche Komponenten in die Spindel zu integrieren. Der Sensor wird in den meisten Anwendungen so in die Spindel eingebaut, dass er die Längenänderung auf dem Labyrinthring der Spindel misst. Der Controller kann entweder über einen Flansch am Spindelgehäuse montiert oder ebenfalls direkt in die Spindel integriert werden. Das Sensorsystem misst zusammen mit der Längenausdehnung auch die Temperatur und gibt diese ebenfalls an die Steuerung aus. Die Auflösung der Längenmessung beträgt 0,5 µm, womit eine hochpräzise Fertigung ermöglicht wird.

Sensoren bieten Schutz vor Kollisionen

Eine weitere kritische Komponente einer Werkzeugmaschine ist das Werkzeugspannsystem. Moderne Bearbeitungszentren können in der Regel die Werkzeuge vollautomatisch wechseln und sorgen so für eine hohe Produktivität, die in vielen Fertigungsbetrieben benötigt wird. In einem Magazin sind die verschiedenen Werkzeuge jeweils in einem Werkzeughalter montiert. Beim Werkzeugwechsel entnimmt die Maschine automatisch den passenden Werkzeughalter und setzt ihn auf die Spindel, deren Spannsystem den Werkzeughalter verriegelt. Die einwandfreie Funktion des Spannsystems an der Spindel ist dabei extrem wichtig. Eine falsche Position des Werkzeugs kann zu einer fehlerhaften Bearbeitung mit entsprechend hohen Kosten führen. Ist das Werkzeug verkantet, kann es sich durch die hohen Drehzahlen und die damit verbundenen Kräfte im schlimmsten Fall lösen und durch die Kollision mit Maschinenteilen hohen Schaden verursachen.

Zur Überwachung der Spannposition werden häufig Initiatoren oder Schaltringe verwendet, die allerdings aufwendig justiert werden müssen. Konstruktiv deutlich einfacher ist der Einsatz von analogen Sensoren der Serie Indu-Sensor LVP von Micro-Epsilon. Der zylindrische Sensor kann einfach in die Löseeinheit des Spannsystems integriert werden. Ein Ring, der als Messobjekt für den Sensor dient, wird einfach auf die Zugstange aufgeklebt. Das Messprinzip des Sensors ist berührungslos und unterliegt daher keinem Verschleiß. Da der Sensor ein Analogsignal liefert, das zur Hubbewegung der Zugstange proportional ist, ist mit diesem System eine kontinuierliche Überwachung möglich. Das mühsame Einstellen des Schaltpunkts, das bei anderen Vorgehensweisen notwendig wird, kann hierbei komplett entfallen. Auch bei diesem Sensor ist die Sensorelektronik sehr klein und kann daher vor Ort mit integriert werden.

Kostengünstig und einfach zu integrieren

Eine weitere häufig zu lösende Messaufgabe in Werkzeugmaschinen ist die Positionsbestimmung des Reitstocks. Auch wenn diese Messung weder auf die Präzision noch auf die Sicherheit der Maschine einen direkten Einfluss hat, stellt sie viele Konstrukteure vor eine Herausforderung. So muss die Position der Zentrierspitze des Reitstocks oft über einen sehr großen Bereich bis zu einigen Metern bestimmt werden. Erschwerend kommt häufig hinzu, dass der Platz für das entsprechende Messsystem beschränkt ist. Ein ideales und zudem kostengünstiges System bietet Micro-Epsilon mit den Seilzugsensoren vom Typ Wire-Sensor an. Durch die kompakte Bauform lassen sich die Sensoren auch bei beengten Platzverhältnissen einfach unterbringen. Der Sensor muss dabei nicht direkt in der Nähe des Reitstocks montiert werden, da das Messseil über Umlenkrollen sehr flexibel in verschiedene Bereiche geführt werden kann. Die Sensoren haben in den typischen Ausführungen für Werkzeugmaschinen Messbereiche von 300 bis 2100 mm. Größere Messbereiche sind ebenfalls erhältlich. Die Sensoren sind sehr robust und auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, wie sie in einer Werkzeugmaschine herrschen, sehr langlebig.

Mit den Sensoren von Micro-Epsilon erhält der Maschinenbauer die Möglichkeit, alle Messaufgaben mit Systemen aus einer Hand zu realisieren. Neben den oben beschriebenen Aufgaben lassen sich auch andere Messaufgaben mit Produkten des Sensor-Spezialisten lösen. So kann beispielsweise der Lasersensor Opto-NCDT die Position der Werkzeugaufnahmen im Magazin exakt überprüfen. Die schnelle und präzise Positionsbestimmung wird häufig während des Einrichtens der Werkzeugmaschine benötigt. Sensoren von Micro-Epsilon verfügen über gängige Schnittstellen, mit denen sie sich einfach an die CNC anbinden lassen.

Sie sind qualitativ sehr hochwertig, so dass die Zuverlässigkeit der Werkzeugmaschine und damit deren Produktivität garantiert sind. Durch die miniaturisierte Bauform der meisten Sensoren lassen sie diese in die Maschine integrieren, ohne dass Konstruktionsänderungen notwendig wären.

* Christian Niederhofer ist Produktmanager Sensorik bei der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG in 94496 Ortenburg

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