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Werkzeugbruchüberwachung
Taktile Werkzeugüberwachung begünstigt schnelle Taktzeiten
Das taktile Werkzeugüberwachungssystem BK MIKRO91 wurde für den Einsatz in Vollautomaten konzipiert. Der Verbund aus Tastkopf und Steuereinheit kommuniziert über Profibus direkt mit der Maschinensteuerung, in der alle relevanten Werkzeugdaten zentral projektiert werden können. Die Bruchprüfung wurde für die Realisierung schneller Taktzeiten optimiert.
Produktionsausfall, Zerstörung von teuren Werkstücken und Werkzeugen – das droht in automatisierten, mannlosen Fertigungsprozessen durch Werkzeugbruch, Spann- oder Auswurffehler. Diese Folgeschäden lassen sich mit entsprechenden Überwachungs- und Sensorsystemen vermeiden.
Moderne, auf die Komplettbearbeitung von Werkstücken ausgerichteten Bearbeitungszentren sind für möglichst geringe Bearbeitungs- und Werkzeugwechselzeiten ausgelegt. Besonders im mannlosen 24/7-Dauerbetrieb müssen alle zur Bearbeitung notwendigen Werkzeuge auf korrekte Spindelaufnahme und eventuellen Werkzeugbruch kontrolliert werden, um die hohe Produktivität zu gewährleisten.
Bei dieser Aufgabe unterstützen taktile Werkzeugüberwachungssysteme den Fertigungsprozess. Sie sind vergleichsweise kostengünstig und zeichnen sich besonders durch die sehr einfache "Plug-and-Play"-Montage ohne Justierhilfen aus. Das BK-MIKRO-System besteht aus einem kompakten Steuergerät für die Hutschienenmontage im Schaltschrank, einem IP67 geschützten Tastkopf und dem maximal 25 m langen, schleppkettentauglichen Verbindungskabel. Der Tastkopf tastet mit seiner Tastnadel ein Werkzeug im Maschinentakt potentialfrei ab. Jede Abweichung zu vorgegebenen Sollwerten, z.B. hervorgerufen durch einen Werkzeugbruch, veranlasst den sofortigen Maschinenstopp. Dadurch werden Folgeschäden vermieden, Standzeiten vermindert und Ausschuss reduziert.
Dank der robusten Konstruktion des Tastkopfs kann dieser frei bewegt und so direkt an ein Werkzeug herangefahren werden. Ein Vorteil der taktilen Prüfung ist also, dass das Werkzeug nicht zeitraubend zur Prüfeinrichtung hinbewegt werden muss und keine Änderungen in der Geometrie des Spindel-Verfahrwegs notwendig sind.
Mit taktilen Systemen ist es möglich, selbst Bohrer mit geringen Durchmessern bis minimal 0,3 mm im laufenden Betrieb verlässlich auf Bruch zu prüfen. Der Vorgang kann dabei direkt in der Bearbeitungszone erfolgen.
Keine Auswirkungen auf den Maschinentakt
Eine der wichtigsten Funktionen des neu entwickelten Werkzeugüberwachungssystems für den Einsatz in der mannlosen Produktion mit automatisierten Bearbeitungszentren ist die optimierte Hinfahrt der Tastnadel zur Werkzeugspitze, um die ohnehin bereits geringen Auswirkungen der Abtastung auf den Maschinentakt noch weiter zu reduzieren.
Vor der Prüfung kann die so genannte "Preposition"-Funktion ausgeführt werden. Hierbei bewegt sich die Nadel vor dem eigentlichen Abtastvorgang in die Nähe der Position, an der beispielsweise die Werkzeugspitze geprüft werden soll, während das Werkzeug sich noch auf dem Weg an diese Position befindet. Die Nadel fährt dabei bis auf 10° an den Vorgabewinkel heran und verharrt in dieser Position. Sobald das Werkzeug am Prüfplatz angekommen ist, wird der Abtastvorgang von dieser näheren Position aus durchgeführt. Dadurch kann die Zeit, in der ein Werkzeug nicht bewegt werden kann, nahezu halbiert werden.
Für die Rückfahrt der Tastnadel existieren weitere neue Funktionen, um den zeitlichen Ablauf nach einer Prüfung zu optimieren. Bei entsprechender Projektierung meldet das Steuergerät der CNC, wenn die Tastnadel den kollisionsfreien Bereich erreicht hat, eine versehentliche Werkzeugberührung also ausgeschlossen ist. Die CNC kann daraufhin trotz noch nicht abgeschlossenem Tastnadelrücklauf das Werkzeugmagazin sofort wieder beschleunigen. Darüber hinaus können Werkzeugwechselzeiten genutzt werden, z.B. die Zeit zwischen CNC-Befehl und tatsächlicher Beschleunigung des Magazins. Die Kombination aller Maßnahmen reduzierte in einer Kundenapplikation die Abtastzeit eines Werkzeugs auf nur 150 ms.
Prüfzeitreduzierung mit neuem Steuergerät
Mit jeder neuen Maschinengeneration werden die Werkzeugwechselgeschwindigkeiten verbessert. Hierbei muss auch die Werkzeugüberwachung Schritt halten. Die oben beschriebene Prüfzeitverbesserung war daher Schwerpunkt bei der Entwicklung der neuen Gerätegeneration.
Basis der neuen Steuergeräte ist eine ARM9-CPU mit hoher Rechenleistung bei geringer Stromaufnahme. Die Module sind für die Hutschienenmontage vorbereitet, ein IP67 abgedichtetes Kabel verbindet das Gerät mit dem Tastkopf. Das Steuermodul verfügt über eine hardwareseitige Kabelbrucherkennung. Neben den Anschlussklemmen für Versorgungsspannung und den digitalen Ein- und Ausgängen befinden sich auf der Frontseite eine Mini-USB-Buchse, der Rundsteckverbinder zum Tastkopf und die Profibus-Schnittstelle.
Über diese ist das Steuergerät mit der CNC verbunden. So kann eine unbegrenzte Anzahl von Werkzeugen abgefragt werden, und die komplette Konfiguration der Werkzeugüberwachung ist im CNC-Projekt hinterlegt. CNC und Steuergerät kommunizieren die jeweiligen Werte laufend über den Feldbus.
Das Steuergerät kann alternativ über einen am USB angeschlossenen PC projektiert werden. Mit der Konfigurationssoftware können zudem umfangreiche Diagnosefunktionen durchgeführt werden, z.B. die Aufzeichnung aller Tastvorgänge während einer Schicht als Basis für die Optimierung der projektierten Toleranzparameter.
Die Tastköpfe
Abtastpunkte (z.B. Werkzeuge oder auch Werkstücke) bzw. Freiräume können von den Tastköpfen durch eine kreisende Bewegung der Tastnadel erfasst und überwacht werden. Die Tastköpfe sind aus Aluminium gefertigt und erfüllen die Schutzart IP67. Im Innern versieht ein Elektromotor mit einer Lebensdauer von mehr als 5 Mio. Tastzyklen seine Arbeit. Die Köpfe sind für eine Betriebstemperatur von bis zu 80 °C ausgelegt.
Unterschiedliche Anwendungen in Komplexität und Abtastgenauigkeit erfordern angepasste Tastkopfmodelle, von der einfachen Werkzeugüberwachung in einspindligen Maschinen bis zur umfangreichen Werkzeugkontrolle mit geringer Prüftoleranz im Magazin eines automatisierten Bearbeitungszentrums. Dabei kommen Tastnadeln unterschiedlicher Längen und Ausprägungen zum Einsatz.
Ein neuer Tastkopf mit verbesserter Motor- und Getriebeleistung sorgt dafür, dass eine sehr lange Tastnadel eingesetzt werden kann, um den Abstand zwischen Werkzeug und Ort der Tastkopfmontage bei Bedarf zu vergrößern. In Verbindung mit der feineren Winkel-Auflösung konnte die Genauigkeit beim Abtasten verbessert werden, um so auch geringe Werkzeugbeschädigungen erkennen zu können. Die Längenunterschiede der Werkzeuge im Magazin können dabei bis zu 700 mm betragen. Die Wiederholgenauigkeit beträgt ± 0,05°, was bei einer Nadellänge von beispielsweise 500 mm im günstigsten Fall weniger als 0,45 mm Abweichung entspricht.
Dank der einfachen Montagemöglichkeit eignet sich das System sowohl für die Erstausrüstung durch den Hersteller als auch zur Nachrüstung beim Anwender. Die neuen Funktionen erweitern den Einsatzbereich für taktoptimierte Bearbeitungszentren in der mannlosen Fertigung.
Nicht zuletzt kann das Überwachungssystem dank innovativem Steuergerät nicht nur zur Werkzeugbruch- oder Auswurf- bzw. Beschickungskontrolle eingesetzt werden, sondern auch für erweiterte Aufgaben der Werkstückkontrolle, z.B. die Konturprüfung nach Kantenbearbeitung oder Überprüfung von Rundlauf und Verschleiß bei Schleifscheiben.
