Messsysteme zur Werkzeug-überwachung

Die Integration von hochempfindlichen piezoelektrischen Kraftsensoren direkt in die Werkzeughalter von Langdrehmaschinen für die Mikrozerspanung – nahe der Werkzeugschneide, hier ist die einwirkende Kraft am größten – ermöglicht eine präzise und hochauflösende indirekte Messung der Zerspankräfte über den gesamten Bearbeitungsprozess hinweg, vom Schruppen bis zum Schlichten. 

Unsere applikationsspezifische Lösung für die Mikrozerspanung setzt dabei auf das in Zusammenarbeit mit Paul Horn GmbH entwickelte Werkzeug-Schnellwechselsystem „Lineareinheit“ des Piezo Tool Systems (PTS). Durch die geschickte Positionierung der Sensoren zwischen Maschinenschnittstelle und Grundplatte bleiben die Vorteile des schnellen Werkzeugwechsels erhalten. Gleichzeitig können eine Vielzahl unterschiedlicher Werkzeughalter überwacht werden. 

Die Echtzeit-Messung kleinster Schnittkräfte in der Mikrobearbeitung liefert kritische Zerspankraftdaten mit hoher Auflösung. Sie erlaubt die Erfassung kleinster Kraftschwankungen und Vibrationen, die auf Abweichungen im Bearbeitungsprozess infolge von Werkzeugverschleiß hinweisen können. Die Schnittkraftmessung mit dem PTS ermöglicht ein rechtzeitiges Eingreifen (Maschinenstopp), bevor es zu Schäden durch Werkzeugverschleiß oder Werkzeugbruch kommen kann. 

Unsere applikationsspezifische Lösung zur Werkzeugüberwachung von hochautomatisierten CNC-Drehmaschinen oder Multispindel-Drehmaschinen mit rotierenden Werkzeug-Systemen basiert auf den von der Paul Horn GmbH entwickelten PTS (Piezo Tool System) Werkzeughaltern mit integriertem piezoelektrischem Kraftsensor. Die Signalübertragung vom rotierenden Maschinenelement erfolgt bei rotierenden Systemen über ein telemetrisches Messsystem (TMS). 

Ein breites Portfolio an PTS-Werkzeughaltersystemen für unterschiedliche Drehanwendungen ermöglicht die Messung der Schnittkräfte und Erfassung kleinster Kraftschwankungen, die auf Abweichungen im Bearbeitungsprozess infolge von Werkzeugverschleiß hinweisen können. Dank Echtzeit-Schnittkraftmessung mit dem PTS ist ein rechtzeitiges Eingreifen (Maschinenstopp) in laufende Drehprozesse auf CNC-Bearbeitungszentren möglich, bevor es zu Schäden durch Werkzeugverschleiß oder Werkzeugbruch kommt – vom Schrupp- bis hin zum Schlichtprozess.

Der Werkzeugwechsel bei der Grobbearbeitung von Werkstücken auf CNC-Maschinen mit Werkzeugrevolvern erfolgt schnell und die anfallenden Schnittkräfte sind hoch. Der Werkzeugverschleiß ist groß und erhöht das Risiko für Werkzeugbruch. Zu hohe Zerspankräfte beschädigen das Material, es kann zu thermischen Verformungen, Rissen und rauen Oberflächen kommen, was nachfolgende Werkzeuge schädigen und Nachbearbeitungen zur Folge haben kann. Die Überwachung der Schnittkräfte ist auch hier das Mittel der Wahl, um die schnellere Werkzeugabnutzung zu kontrollieren und Werkzeugbruch zu vermeiden. 

Kostengünstige Lösung von Kistler:

Wir integrieren hierzu einen piezoelektrischen Kraftsensor direkt unter dem Bolzen, der das Revolvergehäuse auf dem Schlitten hält, um das durch die Schnittkräfte auf den Bolzen übertragene Moment zu messen. Dieses System eignet sich vor allem für Grobbearbeitungen, bei denen die Zerspanungskräfte hoch genug sind, um innerhalb des Maschinengefüges weitergeführt und vom Sensor relativ gemessen werden zu können. Die Genauigkeit einer solchen Messung hängt hauptsächlich von der Steifigkeit der Struktur und der Höhe der Schnittkräfte ab. Dank der hohen Empfindlichkeit der Piezo-Technologie können aber bereits kleinste Veränderungen im Prozess erfasst werden.

Vorteile der Prozess- und Werkzeugüberwachung in CNC-Bearbeitungszentren mit Werkzeugrevolvern mittels Integration von piezoelektrischen Kraftsensoren:

• Senkung der Werkzeugkosten dank optimierter Werkzeugstandzeiten 
• Weniger Ausschuss und gleichmäßigere, höhere Qualität der Werkstücke
• Maschinenausfälle minimieren

Eine Methode, um den Werkzeugzustand in Einzweckmaschinen zu überwachen, besteht in der Integration von piezoelektrischen Dehnungssensoren sowie Kraftsensoren in die Maschinenstruktur. Schnittkräfte verursachen in der Maschinenstruktur Stressmomente. Diese sind in Abhängigkeit von einer geeigneten Positionierung, je nachdem, wie die einwirkenden Kräfte von der Bearbeitungsstelle in die Maschinenstruktur übertragen werden – über die hochdynamische Messung mittels piezoelektrischer Sensoren sehr gut relativ überwachbar. Ein Anstieg der Schnittkräfte erzeugt höheren Stress im Gefüge der Maschine. Dies wiederum lässt Rückschlüsse auf den Abnutzungsgrad der Werkzeuge oder Anomalien im Zerspanungsprozess zu. Das System lässt sich einfach auf bestehende Anlagen nachrüsten. 

Vorteile der Maschinen- und Werkzeugüberwachung in Einzweckmaschinen durch Integration von Dehnungs- und Kraftsensoren: 

• Verlängerung der Werkzeugstandzeiten
• Maschinenausfälle minimieren
• Maschinenstopp im Falle von Prozessabweichungen
• Materialchargenvergleich und -überwachung
• Aussortieren von potenziellen Ausschussteilen

Die bei der Neubeschaffung einer Werkzeugmaschine für den Endkunden ideale Lösung zur Überwachung des Zerspanungsprozesses und der Werkzeuge besteht in vielen Fällen in einer vollintegrierten Monitoring-Lösung, die keines weiteren Installationsaufwands bedarf und die Messdaten direkt in der Maschinensteuerung anzeigt. Viele Werkzeugmaschinenhersteller bieten bereits entsprechende Lösungen, die Zerspanungsprozesse häufig über die Wirkstromüberwachung der Maschinenspindeln observieren. Solche Systeme sind für ein breites Spektrum von Anwendungen ausreichend. Geht es jedoch um Werkstücke mit Kleinstdurchmessern und damit um kleinste Kraftmessbereiche, so stoßen diese Lösungen oftmals an ihre technologischen Grenzen. Hier stehen wir Ihnen als kompetenter Entwicklungs- und Technologiepartner zur Verfügung: mit piezoelektrischen Messlösungen für Werkzeugmaschinen – von der frühen Konzeption über die Erprobung der Prototypen bis zur Markteinführung. 

Vorteile einer Kooperation zur Entwicklung von Überwachungslösungen in Werkzeugmaschinen:

• Profitieren Sie vom Fachwissen und der Kernkompetenz von Kistler im Bereich piezoelektrischer Messtechnik
• Greifen Sie zurück auf ein breites Portfolio von generischen Sensoren, Ladungsverstärkern und Integrationsmöglichkeiten in Maschinen.

Kooperative Entwicklung innovativer Messlösungen zur Integration in Werkzeugmaschinen

Abdeckung der kundenspezifischen Bedürfnisse unter Anwendung des gesamten generischen Messtechnik-Portfolios

Legende:

1. Breites Sensorportfolio für verschiedene Messgrößen

2. Komponenten zur Signalübertragung und Maschinenintegration

3. Industrielle Ladungsverstärker und Datenerfassungssysteme

4. Datenintegration in die Werkzeugmaschine

Kooperative Entwicklung innovativer Messlösungen zur Integration in Werkzeugmaschinen

Abdeckung der kundenspezifischen Bedürfnisse unter Anwendung des gesamten generischen Messtechnik-Portfolios

Legende

1. Breites Sensorportfolio für verschiedene Messgrößen

2. Komponenten zur Signalübertragung und Maschinenintegration

3. Dedizierte Prozessüberwachungssysteme

4. Digitale Ausgangssignale zur Interaktion mit der Maschine