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Force Monitoring System

Spannmittel individuell anpassen

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Anbieter zum Thema

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JAKOB Antriebstechnik GmbH

Aufbau des Force Monitoring Systems (FMS)

Problematisch für den Betrieb derartiger Systeme im Bereich des TCP und im Bearbeitungsraum sind auftretende Störspannungen, Kühlschmierstoffe und Späneansammlungen. Die eingesetzten Schmierstoffe und Ansammlungen von Spänen können die Datenübertragung beeinträchtigen oder bei mangelnder Abdichtung in das System eindringen. Die Folgen wären ein fehlerhafter Betrieb oder ein Systemausfall. Weiter ist der Energiebedarf der Sensoren und Funkeinheit zu beachten. Für den Einsatz in der Fertigung ist es essentiell, dass die Sensor- und Funksysteme über einen langen Zeitraum einsetzbar sind. Diese Problematik ist bei der Wahl des Energiespeichers zwingend zu berücksichtigen. Weiter ist für die Entwicklung des Systems bei der Wahl der Sensoren und des Funksystems auf die Möglichkeit eines kompakten Aufbaus mit gleichzeitig stabiler Signal-/Datenübertragungsrate zu achten.

Derzeit werden Lösungen auf Basis von Messunterlegscheiben oder Schrauben angeboten, die jedoch den Anforderungen aus unterschiedlichen Gründen (Genauigkeit, Datenübertragungsrate, undefinierter Messpunkt,...) nicht gerecht werden.

Die Umsetzung in Form des FMS erfolgt durch ein einfaches, funkbasiertes sensorisches System, welches mit standardisierten Spannmittel einzusetzen ist. Ziel ist die Steigerung der Maschinenverfügbarkeit durch die Reduzierung von Rüstvorgängen, Nebenzeiten und zwischenfallbedingten Stillstandzeiten. Hierzu ist das Messsystem so gestaltet, dass es problemlose in der Aufspannung nachgerüstet werden kann, durch Integration des FMS und drahtlose Signalübertragung zwischen Werkstück und Spanner. Bild 4 zeigt das neu entwickelte Force Monitoring System und erlaubt die konstante Kontrolle von Spannkräften nicht nur während des Einrichtens der Werkzeugmaschine, sondern auch während des Bearbeitungsprozesses. Der im FMS integrierte DMS-Kraftaufnehmer erfasst über das Druckstück die Spannkraft über einen Messbereich von 0 bis 1000 kN, je nach Ausführung. Die integrierte Batterie ist mit einer Front-End-Elektronik gekoppelt. Diese sendet die erfassten Daten telemetrisch im weltweit nutzbaren 2,4-GHZ-Frequenzband wahlweise an ein Handgerät oder an einen Notebook mit USB-Empfangs-Stick.

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Die folgenden Teilziele lassen sich für die Entwicklung moderner sensorischer Spannmittel definieren:

  • Robuster Aufbau des Systems für den Einsatz in Werkzeugmaschinen und Anlagen,
  • Erreichen einer kompakten Bauweise bei gleichzeitig hohen möglichen Spannkräften, die sich an Standardelementen orientieren,
  • Skalierbarer konstruktiver Aufbau für einen möglichst großen Anwendungsbereich der Lösung,
  • kritische Lastzustände und Spannkraftverluste, (Setzen von Anzugsbolzen oder Bearbeitungskräften), welche zu einem Lösen der Verbindung führen können, sind durch die messtechnische Erfassung frühzeitig erkennbar,
  • das Gefahrenpotential durch unterschiedliches Anzugsverhalten der Anwender soll visualisiert und mögliche Unfälle verhindert werden,
  • möglichst einfache Handhabung (Plug and Produce) bei der Erstellung der Vorrichtung (auch unter ergonomischen Aspekten) ohne Erfordernis von Sonderwerkzeugen oder Fachkenntnissen,
  • gewonnene Daten können zu Monitoring Zwecken oder als Toleranzwertüberprüfung in der Fertigung herangezogen werden und bilden somit einen Mehrwert für Einzel- und Serienfertigung.

Der DMS-basierte Kraftsensor im Kraftfluss übernimmt die Bereitstellung der Spannkraftinformation und gibt diese als Brückendifferenzspannung an die Front-End-Elektronik weiter. Die Verwendung von Kraftsensoren mit alternativer Sensortechnologie (beispielsweise Sensoren mit kraftsensibler Diamantschicht) ist prinzipiell denkbar und abhängig vom Anwendungsfall.

Bei drahtlosen Sensorsystemen wird unterschieden zwischen aktiven, passiven und energieautarken Systemen. Als wesentliches Unterscheidungsmerkmal gilt dabei die für den Betrieb der Elektronik notwendige Energiebereitstellung Die Größe des Energiespeichers wird anhand der Applikation bestimmt. Dementsprechend muss Bauraum zur Verfügung gestellt werden. Primär werden Energiespeicher auf Basis der Lithium-Technologie verwendet. Der Zellentyp wird dabei bestimmt vom applikationsspezifischem Ruheenergieverbrauch sowie der kurzzeitig zur Verfügung gestellten Maximalleistung im Aktivmodus, dem herrschenden Temperaturbereich sowie dem anvisierten Wartungsintervall zum Energiespeichertausch. Die Betriebsdauer des Energiespeichers ist an die Abtastung, Applikation und Übertragungsrate gekoppelt. Die Betriebsdauer kann, je nach Nutzung, bis zu einem Jahr betragen.

Die Gestaltung der Antenne wurde seitens Ott-Jakob an die geometrischen Randbedingungen angepasst. Um eine bestmögliche Übertragungsqualität zu erhalten wurde eine spezielle, zirkular polarisierende Schlitzantenne entwickelt. Die Lage der Sende- und Empfangsantenne zueinander nicht relevant, da ein optimaler Empfang durch die Zirkularpolarisation sichergestellt ist. Diese Antenneneigenschaft ist gerade bei Spannkraftsystemen in mechanisch bewegter Anwendung von besonderer Bedeutung.

Das Force Monitoring System zeichnet sich durch seine kompakte Bauweise und den modularen Aufbau der Elektronik aus. Das gesamte Sensorsystem bestehend aus Kraftsensor, Front-End-Elektronik, Energiespeicher und Antenne kann so komplett in die mechanische Baugruppe integriert und angepasst werden. Ein Kapseln des Systems ist nicht notwendig, da die gesamte Einheit in einem festen Metallgehäuse eingelassen wird.

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