Werkzeug- und Prozessüberwachung in Werkzeugmaschinen – die Herausforderungen meistern

Wie in den meisten Branchen müssen sich die Unternehmen heute mehr denn je auf ihre Wettbewerbsfähigkeit konzentrieren. Aus der Wälzlagerindustrie weiß ich, dass die Anforderungen an die Qualität der Teile ständig steigen. Um hier zu punkten und gleichzeitig effizienter zu werden, spielt die Automatisierung eine wichtige Rolle. Bei Kistler stellen wir zudem fest, dass unsere Kunden branchenübergreifend zunehmend gefordert sind, nachhaltig zu produzieren. Ein wichtiger Ansatzpunkt ist dabei, den Ausschuss auf ein absolutes Minimum zu reduzieren. In der Zerspanung spielt das Werkzeug eine wichtige Rolle für die Qualität der Teile. Wird es zu spät gewechselt, steigt die Ausschussrate. Ein zu früher Wechsel hingegen verursacht unnötige Kosten. Der Bediener kann den Zustand des Werkzeugs nur begrenzt erfassen. Daher ist die Produktionsüberwachung in der heutigen Fertigung unerlässlich. 

Wie sehen Sie sich und Kistler im Bereich der Prozessüberwachung in Werkzeugmaschinen positioniert?

Ausgereifte und zugleich robuste Sensoren sind die Basis für automatisierte Prozesse. Als Hersteller von piezoelektrischen Dynamometern verfügt Kistler über große Erfahrung in der Forschung und Entwicklung im Bereich Zerspanung. Auch in anderen Anwendungen wie Spritzgieß- und Fügeanlagen haben wir viel Erfahrung mit der Maschinenüberwachung. Es liegt auf der Hand, diese Bereiche zu kombinieren, damit unsere Kunden von den Synergien profitieren. Was ich von SKF zu Kistler mitgebracht habe, ist die Erfahrung im Übergang von der Forschungs- und Entwicklungsphase zur industriellen Anwendung – sowie ein breites und tiefes Anwendungswissen, das Prozess- und Maschinenwissen kombiniert.

Wo liegen die Vorteile und Grenzen der piezoelektrischen Messtechnik in Werkzeugmaschinen für die Zerspanung?

Das Messprinzip basiert auf dem piezoelektrischen Effekt: Herzstück jedes piezoelektrischen Sensors ist ein spezieller Quarzkristall, der bei Krafteinwirkung eine kleine elektrische Ladung abgibt. Ladung und Kraft verhalten sich direkt proportional zueinander. Außerdem ist Quarz sehr steif und hat eine hohe Eigenfrequenz. Dadurch kann ein breites Spektrum extrem dynamischer Kräfte präzise gemessen werden – ein großer Vorteil für die Messung von Zerspankräften. 

In der Forschung und Entwicklung werden vor allem Dynamometer eingesetzt, die Zerspankräfte in allen drei Dimensionen genau messen können. Für Überwachungszwecke wird jedoch selten ein so komplexer Sensor benötigt. Zudem sind Dynamometer für bestimmte industrielle Anwendungen in der Regel nicht kosteneffizient und lassen sich aus Platzmangel nur schwer in Produktionsmaschinen integrieren – zumal da maschinentechnische Veränderungen nicht erlaubt sind. 

Kistler konzentriert sich auf das Wesentliche und bietet eine kostengünstige Alternative zu Dynamometern: Wir verwenden vergleichsweise einfache und kompakte Kraft- oder Dehnungssensoren, die in Werkzeugaufnahmen integriert oder an Maschinenoberflächen wie Spindelgehäusen montiert werden können. Unsere Kunden setzen solche Sensoren bereits seit Jahren in anderen Lösungen zur Prozessüberwachung ein. Diese Erfahrung bauen wir nun für die Zerspanung aus.

Dynamometer messen die absoluten Zerspankräfte. Wie funktioniert die Messung von Zerspanungsprozessen mit Piezosensoren? 

In F&E-Anwendungen, bei denen Dynamometer zum Einsatz kommen, sind absolute Kraftmessungen erforderlich, d. h., alle Kraftvektoren und Drehmomente werden durch den Einsatz mehrerer Sensoren gemessen und berechnet. In der Prozessüberwachung hingegen erlauben piezoelektrische Sensoren in der Regel durch Überwachung des Hauptkraftvektors Rückschlüsse auf relevante Prozesseigenschaften. So führt beispielsweise ein zunehmender Werkzeugverschleiß zu höheren Zerspankräften oder Schnittdynamiken. Diese können entweder direkt in der Werkzeugaufnahme oder über die auf den Werkstoff wirkenden Kräfte an angrenzenden Maschinenkomponenten gemessen werden. Durch die Integration entsprechender Messtechnik in Werkzeugmaschinen kann der Anwender Prozessabläufe vergleichen und Unregelmäßigkeiten erkennen. Wie eine solche Lösung letztlich aussehen kann, zeigt die Kooperation zwischen dem Werkzeughersteller Paul Horn GmbH und der Kistler Gruppe: Gemeinsam bieten wir einsatzfertige sensorische Werkzeugaufnahmen für Drehanwendungen an. Das reduziert den Integrationsaufwand auf ein Minimum und stellt sicher, dass die sensorischen Werkzeugsysteme im Einsatz die gleichen Eigenschaften aufweisen wie die ursprünglichen nicht-sensorischen Systeme. Bei der Integration wird der Kraftsensor optimal im Kraftfluss positioniert, sodass die Daten relative Aussagen über die Kraftverhältnisse im Prozess zulassen.

Mit solchen Lösungen und einer angeschlossenen maXYmos Prozessüberwachungseinheit werden Abläufe überwacht und automatisiert. Liegen die gemessenen Kräfte außerhalb des vorgegebenen Bereichs oder weisen andere Abweichungen auf, gibt das Prozessüberwachungssystem in der Werkzeugmaschine eine Rückmeldung an die Maschinen- oder Prozesssteuerung. Auf diese Weise unterstützt die Überwachungslösung das einfache Erfassen von Daten zur Prozessoptimierung. Darüber hinaus hilft sie, Werkzeugstandzeiten zu verlängern, Umrüstvorgänge zu minimieren, Ausschuss frühzeitig zu erkennen sowie Maschinenausfälle und ungeplante Stillstände zu vermeiden.

Sie haben erwähnt, dass ein Dehnungssensor an der Maschinenstruktur eine Alternative sein könnte, wenn die Prozesskräfte nicht über die Werkzeugaufnahme gemessen werden können. Was zeichnet die ideale Position des Dehnungssensors für genaue Messungen aus und wie kann der Anwender sie finden? 

Die beste Position hängt stark von der Maschine ab. Es gilt, die Gesamtsteifigkeit der Maschine und die Art und Weise, wie die Kräfte von der Bearbeitungsstelle in die Struktur übertragen werden, zu berücksichtigen. Ein weiterer Aspekt ist das Verhalten der Zerspankräfte, das von der Schnittrichtung und dem Werkstück abhängt. Glücklicherweise verfügen unsere Mitarbeitenden im internationalen Service über langjährige Erfahrung bei der Installation dieser Sensoren. In Kombination mit dem Know-how unserer Zerspanungsabteilung sind wir in der Lage, jeden Kunden bei seinen spezifischen Anforderungen zu unterstützen.

Was überwacht das System außer dem Werkzeugverschleiß noch?

Die Werkzeugüberwachung steht im Mittelpunkt unserer Lösung. Aber es gibt natürlich noch andere wertvolle Nebeneffekte. Zum Beispiel kann die Prozessüberwachung die Werkzeugmaschine auch dann schützen, wenn sie nicht zerspant: Beim Positionieren des Werkzeugs bewegt sich die Maschine meistens mit sehr hohen Vorschubgeschwindigkeiten, ohne dabei zu zerspanen. Sollte es zu einer Kollision kommen, weil zum Beispiel eine Komponente falsch positioniert ist, kann das schwere Schäden verursachen. Unsere Lösung erkennt die Kräfte aufgrund des Zusammenstoßes und stoppt die Maschine, bevor größerer Schaden entsteht.

Ein anderes Beispiel: Einer unserer Kunden stellte kürzlich fest, dass das Messsignal sehr kurz war – viel kürzer als das definierte Fenster. Da konnte etwas nicht stimmen. Die Überprüfung ergab, dass die Abmessungen der eingelegten Teile leicht variierten. Mit anderen Worten: Überwachungssysteme sind eine indirekte Möglichkeit, die Qualität der zugeführten und produzierten Teile zu kontrollieren. Andere vor- und nachgelagerte Qualitätsmessungen können dadurch reduziert werden, was wiederum die Kosten senkt. 

Ihr System ist nicht das erste auf dem Markt, das Zerspanungsprozesse überwacht. Was unterscheidet die Lösung von Kistler von anderen etablierten Systemen?

Der Hauptunterschied liegt in der hohen Eigenfrequenz der piezoelektrischen Sensoren. Die Dehnmessstreifen-Technologie ist eine weitere kostengünstige und bewährte Option. Sie hat aber Schwächen bei der Erfassung der hohen Dynamik vieler Zerspanungsprozesse. Natürlich nutzt sich ein Werkzeug mit der Zeit ab. Aber der Moment, in dem es bricht, kann sehr plötzlich kommen. Gerade heute hat uns ein Kunde Daten und ein Bild geschickt. Er hat gesehen, dass die Messkurve plötzlich und nur für einen ganz kurzen Moment über den Grenzwert ging. Es war nur eine kleine Spitze, danach ging die Kurve wieder in den Normalbereich zurück. Aber weil der Alarm losging und die Maschine stoppte, schauten sie sich das Werkzeug an, und tatsächlich, es war angeschlagen. In solchen Fällen beweist der piezoelektrische Sensor seine Stärke.  

Die spanabhebende Bearbeitung ist Teil vieler Fertigungsindustrien. Wer profitiert am meisten davon? Und wer nicht? 

Mit unserem ersten Paket, das aus einem Sensor, einem Überwachungssystem, Kabeln und der zugehörigen Software besteht, konzentrieren wir uns auf Kunden, die kleine bis mittelgroße Teile wie Lagerkomponenten, Automobilteile, medizinische Teile, kleine mechanische Teile wie Schrauben und Uhrenteile in Massenproduktion herstellen. Ein limitierender Faktor ist hier die Taktzeit. Wir können zwar schnell messen, aber auch ein piezoelektrischer Sensor hat seine Grenzen. Das Alter der Maschine ist dagegen nie ein Problem. Wenn man heute eine neue Produktionslinie plant oder eine neue Maschine kauft, ist es natürlich Standard, Automatisierungstechnik zu integrieren, und da ist dann auch Platz für Messtechnik in Werkzeugmaschinen. Aber mit unserem Paket können wir auch ältere Maschinen nachrüsten. Unsere Lösung ist flexibel und es spielt keine Rolle, welches MES Sie einsetzen. Ziel ist es, die Vorteile der Automatisierung zu vergleichsweise geringen Einstiegskosten verfügbar zu machen. 

Was ist der nächste Schritt? Planen Sie bereits, Ihre Lösungen auch Kunden anzubieten, die größere Teile produzieren? 

Ja, wir bereiten bereits ein entsprechendes Paket vor. Eine weitere Idee ist, das System intelligenter zu machen und über das Messen und Überwachen von Werkzeugmaschinen hinauszugehen. Wir wollen das System in die Lage versetzen, bestimmte Fehler der Maschine zu kompensieren, indem es zum Beispiel die Schnittgeschwindigkeit, den Vorschub und die Schnitttiefe regelt. Damit können unsere Kunden eine noch bessere Produktqualität erzielen.