Die Überwachung der Schnittkraft in Echtzeit verbessert Präzision und Effizienz

Abbildung 1. Mit piezoelektrischen Dehnungssensoren wie dem 9232A von Kistler können Schnittkräfte bei der Bearbeitung indirekt und mit hoher Genauigkeit gemessen werden. (Bild:Kistler Group)

Hohe Produktivität, niedrige Herstellungskosten und hohe Werkstückqualität:Das sind die Schlüsselfaktoren, die industriellen Herstellern Nachhaltigkeit, Rentabilität und Wettbewerbsvorteile verschaffen. Zuverlässige Maschinenüberwachung liefert wertvolle Echtzeit-Einblicke in laufende Prozesse; Es ist die Grundlage für eine zuverlässige, produktive und reproduzierbare Fertigung und hilft Maschinenbetreibern, fundierte Entscheidungen für kurz- und langfristige Verbesserungen zu treffen. Diese Technologie kann sogar Anomalien in hochdynamischen Bearbeitungsprozessen erfassen, sodass Benutzer sofort reagieren können, um eine hohe Produktivität sicherzustellen, die Ausschussquote zu senken und die Werkzeuglebensdauer zu verlängern. Dank all dieser Vorteile ist die kontinuierliche Maschinen- und Prozessüberwachung auf Basis geeigneter Sensorik ein entscheidender Erfolgsfaktor in der heutigen Fertigungsindustrie.

Maschinenüberwachung mit PE-Dehnungssensoren

Maschinenüberwachungslösungen der Kistler Gruppe, Winterthur, Schweiz, verfügen über Sensoren, die in die mechanische und elektrische Umgebung einer Maschine integriert werden können. Es werden jedoch nur die tatsächlich notwendigen Sensoren an definierten Positionen in der Maschine installiert. Dieser Ansatz minimiert sowohl die Komplexität als auch die Kosten des Maschinenüberwachungssystems, obwohl die Integration der Sensoren in die mechanischen und elektrischen Strukturen der Maschine immer noch eine Herausforderung darstellen kann.

Sensortyp und -position sind entscheidende Erfolgsfaktoren, um hochdynamische Prozesse mit höchster Genauigkeit zu erfassen. Der Sensor muss so nahe an der Schnittstelle platziert werden, dass er den Bearbeitungsprozess nicht beeinträchtigt, gleichzeitig aber keinen anderen Einflüssen als dem eigentlichen Schnitt ausgesetzt sein darf. Die Überwachung der Schnittkräfte spielt eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung stabiler Bearbeitungsvorgänge, die zur Herstellung von Bauteilen mit engen Toleranzen erforderlich sind. Anwender, die sich für solche Maschinenüberwachungslösungen entscheiden, können zudem den Weg zur autonomen Bearbeitung ebnen und dabei ihre Gesamtbearbeitungskosten senken.

Eine Möglichkeit zur Erfassung der Schnittkräfte besteht in der Messung der auf die Werkzeugmaschinenstruktur wirkenden Verformungskräfte. Dies kann mit piezoelektrischen Oberflächendehnungssensoren erreicht werden, die an der Maschinenstruktur angebracht oder in diese integriert sind. In einem aktuellen Projekt mit MINGANTI GLOBAL AB, Lidköping, Schweden, wurden Vertikaldrehmaschinen mit einem integrierten Kistler PE-Oberflächendehnungssensor 9232A ausgestattet, der dank eines Messbereichs von ±600 Mikrodehnung (με) die hohe Empfindlichkeit bietet, die zur Messung von Zug- und Druckdehnungen auf einer Oberfläche erforderlich ist.

Indirekte Schnittkraftmessung nahe der Schneidkante

Abbildung 2. Der Stößel der Maschine, an dem die Schneidwerkzeughalter festgeklemmt sind. (Bild:Kistler Group)

Dieses Maschinenüberwachungssystem soll hohen Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch erkennen und bei Abstürzen die Maschine stoppen. Sobald die Kraftregelung auf der Grundlage präziser Messdaten etabliert ist, kann sie außerdem zur Überwachung und Verbesserung der Profilgenauigkeit eingesetzt werden. Die beim Hartdrehen auftretenden großen Radialkräfte führen zu einer elastischen Verformung des Stößels, der die Schneidwerkzeughalter trägt. Die Verformung ist sehr gering und kann teilweise durch die Maschinensteuerung kompensiert werden. Dennoch ist es immer noch groß genug, um von einem Dehnungssensor mit guter Genauigkeit erfasst zu werden, der sehr nahe an der Schneidkante angebracht ist.

Die Maschinenüberwachung kann auch auf Maschinensignalen basieren, allerdings hängt die Qualität in dieser Anwendung sowohl vom Maschinentyp als auch vom Verschleißzustand ab. Maschinensignale weisen manchmal Abweichungen auf, die nichts mit dem Schneidprozess zu tun haben, sodass sie für eine Maschinensteuerung, die auf Werkzeugverschleiß oder Produktqualität abzielt, nicht ausreichen.

Minganti und Kistler beschlossen, einen zweiten Sensor zu installieren, um die Maschinenüberwachungslösung zu vervollständigen. Dadurch wird eine gewisse Redundanz gewährleistet und gleichzeitig den hohen Teilekosten Rechnung getragen. Zu diesem Zweck wurde zusätzlich ein einachsiger piezoelektrischer Beschleunigungssensor 8274A von Kistler in den Stößel integriert. Es ergänzt die Kraft-(Dehnungs-)Messungen durch die Bereitstellung höherfrequenter Messungen, sodass plötzliche Änderungen im Prozess erkannt werden können. Beide Sensoreingänge werden mit einem digitalen Ladungsverstärker verarbeitet, der über PROFINET mit der Maschinensteuerung verbunden ist. Einer der Hauptvorteile dieses Ladungsverstärkers besteht darin, dass seine Benutzer automatisch eine Tief- und Hochpassfilterung durchführen können, sodass sie sich ganz einfach auf den hochdynamischen Teil des Signals konzentrieren können.

Erzielen einer hohen Genauigkeit des Oberflächenprofils – ohne zusätzlichen Aufwand

Abbildung 3. Das Diagramm zeigt eine gute Korrelation zwischen dem Kraft-(Dehnungs-)Signal des Kistler-Dehnungssensors (oberes Diagramm) und der Oberflächenprofilmessung nach dem Schneiden (unteres Diagramm). (Bild:Kistler Group)

Das erweiterte Maschinenüberwachungssystem dient der Überwachung des Werkzeugverschleißes, der Erkennung von Werkzeugbrüchen sowie der Erkennung und Beherrschung von Maschinenausfällen. Es lernt automatisch die regulären Signalpegel und überwacht dann Änderungen, um Abweichungen zu erkennen. Dadurch können Bediener notwendige Aktionen wie Werkzeugwechsel, Maschinenstopps und andere einleiten. Werkzeugausfälle (Brüche, Kantenausbrüche usw.) können verschiedene Ursachen haben, darunter falsche Schnittdaten, die in die numerische Steuerung geladen wurden, schlechte Schnittkantenqualität, falscher Kühlmitteldruck oder zu ovale Ringe, die bei jeder Umdrehung zu erheblichen Änderungen der Schnitttiefe führen. Wenn solche Fehler auftreten, sind ihre Auswirkungen sowohl in den Kraft- als auch in den Vibrationssignalen deutlich sichtbar.

Einer der wichtigsten Qualitätsparameter für Lagerbauteile ist die Profilgenauigkeit („Geradheit“) der Oberflächen. Dieser Parameter beeinflusst die Reibung zwischen den Wälzkörpern und den Ringen in einem Lager. Die Einhaltung enger Toleranzen (3–6 μm) an einem großen Ring (1 bis 2 Meter Durchmesser) ist ein anspruchsvoller Aspekt des Hartdrehprozesses, weshalb viele Lagerhersteller das Schleifen oder Honen als zusätzlichen Schritt durchführen. Das Maschinenüberwachungssystem von Kistler kann die Dehnung (Durchbiegung) des Werkzeugs indirekt messen, sodass die Profilgenauigkeit (Formabweichung) am Dehnungssignal (indirekte Kraft) deutlich sichtbar ist. Der Kraftsignaleingang kann direkt während des Drehvorgangs genutzt werden, um Schnittbedingungen mithilfe einer Regelung zu verändern und so Durchbiegungen auszugleichen.

Die Bedeutung einer genauen Maschinenüberwachung für eine präzise Bearbeitung

Obwohl die Überwachung von Maschinensignalen Informationen über die Betriebsbedingungen liefern kann, kann sie auf Probleme hinweisen, die nicht direkt mit der Genauigkeit der tatsächlichen Bearbeitung zusammenhängen. Wie wir in diesem Artikel beschrieben haben, verfügt Kistler jedoch über Methoden wie Dehnungsmessstreifen und Beschleunigungsmesser, die den Schneidprozess direkt überwachen. Die Überwachung der Schnittkräfte spielt eine Schlüsselrolle bei der Gewährleistung stabiler Bearbeitungsvorgänge, die zur Herstellung von Bauteilen mit engen Toleranzen erforderlich sind. „Die genaue Messung der Schnittkräfte ist ein wichtiger Schritt zur Aufrechterhaltung der Profilgenauigkeit“, sagte Marcus Caldana, Präsident von Minganti Global AB.

Dieser Artikel wurde von Buelent Tasdelen, Business Development Manager bei Kistler, verfasst. Weitere Informationen finden Sie hier  .