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Werkzeugbruchüberwachung
Taktile Werkzeugüberwachung ermöglicht kurze Prüfzeiten
Die taktile Werkzeugbruchüberwachung BK MIKRO9 kommuniziert direkt mit der Maschinensteuerung, in der alle relevanten Werkzeugdaten zentral projektiert werden können. Das System ist dabei für die Realisierung kurzer Prüfzeiten ausgelegt.
Produktionsausfall, Zerstörung von teuren Werkstücken und Werkzeugen - das droht in automatisierten, mannlosen Fertigungsprozessen durch Werkzeugbruch, Spann- oder Auswurffehler. Diese Folgeschäden lassen sich vermeiden. Dabei unterstützen taktile Werkzeugüberwachungssysteme den Fertigungsprozess. Sie sind vergleichsweise kostengünstig und zeichnen sich durch die sehr einfache "Plug-and-Play"-Montage ohne Justierhilfen aus.
Die Systeme bestehen aus einem kompakten Steuergerät für die Hutschienenmontage, einem IP67 geschützten Tastkopf und dem 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 auch in der Bearbeitungszone unter Kühlmitteleinfluss an ein Werkzeug herangefahren werden. Zudem ist die verlässliche Prüfung von Bohrern mit geringen Durchmessern bis minimal 0,3 mm auch im laufenden Betrieb möglich.
Eine der wichtigsten Funktionen des neu entwickelten Werkzeugüberwachungssystems ist die zeitoptimierte Hinfahrt der Tastnadel zur Werkzeugspitze, um die ohnehin bereits geringen Auswirkungen der Abtastung auf den Maschinentakt noch weiter zu reduzieren, beispielsweise mit der so genannten "Preposition"-Funktion. Hierbei bewegt sich die Nadel vor dem eigentlichen Abtastvorgang in die Nähe der Position, an der beispielsweise die Werkzeugspitze geprüft werden soll, während sich das Werkzeug noch auf dem Weg dorthin befindet. Die Nadel fährt dabei bis auf 10° an den Vorgabewinkel heran und verharrt an dieser Stelle. Sobald das Werkzeug am Prüfplatz angekommen ist, wird der Abtastvorgang von der näheren Position aus durchgeführt. Durch diese Maßnahme wird die Zeit, in der ein Werkzeug nicht bewegt werden kann, nahezu halbiert.
Für die Rückfahrt der Tastnadel sind weitere Funktionen implementiert, um auch den zeitlichen Ablauf nach der Prüfung zu beschleunigen. Bei entsprechender Projektierung meldet zum Beispiel das Steuergerät der CNC, dass die Tastnadel den kollisionsfreien Bereich erreicht hat. Die Steuerung kann daraufhin das Werkzeugmagazin sofort wieder beschleunigen, obwohl Nadel und Tastkopf weiterhin bewegt werden. Die Kombination aller Maßnahmen ergab in einer Kundenapplikation die Reduzierung der Abtastzeit auf nur 150 ms.
Diese Fortschritte bei der Prüfzeitoptimierung konnten nur mit einer performanten Systemsteuerung realisiert werden. Als aktuelle Basis dient eine ARM9-CPU mit hoher Rechenleistung bei geringer Stromaufnahme. Neben den Anschlussklemmen für Versorgungsspannung und den digitalen Ein- und Ausgängen befinden sich auf der Frontseite des Steuergeräts ein USB-Anschluss, der Rundsteckverbinder zum Tastkopf und die Profibus-Schnittstelle. Über diese ist das System mit der CNC verbunden, wodurch eine unbegrenzte Anzahl von Werkzeugen projektiert werden kann, da die komplette Konfiguration der Werkzeugüberwachung im CNC-Projekt hinterlegt ist. CNC und Steuergerät kommunizieren die jeweiligen Werte laufend über den Feldbus.
Das Überwachungssystem kann alternativ über einen an der USB-Buchse angeschlossenen PC projektiert werden. Die Konfigurationssoftware stellt zudem umfangreiche Diagnosefunktionen bereit, z.B. zur Aufzeichnung aller Tastvorgänge während einer Schicht.
Alle Tastköpfe sind aus Aluminium gefertigt, erfüllen die Schutzart bis IP67 und 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 Bearbeitungszentrums. Dabei kommen auch Tastnadeln unterschiedlicher Längen und Ausprägungen zum Einsatz.
Die präzise Bruchprüfung mittels Vermessung der Werkzeuglängen übernimmt ein Tastkopf mit genauem Antrieb. Hierbei kann auch eine sehr lange Tastnadel eingesetzt werden, um den Abstand zwischen Werkzeug und Ort der Tastkopfmontage bei Bedarf zu maximieren. Durch die Wiederholgenauigkeit von ± 0,05° werden selbst geringe Werkzeugbeschädigungen erkannt, was bei einer Nadellänge von beispielsweise 500 mm im günstigsten Fall weniger als 0,45 mm Abweichung entspricht.
Eine weitere Tastkopfvariante wurde für besonders schnelle Nadelbewegungen entwickelt. Der drehmomentstarke Motor beschleunigt die Nadel innerhalb weniger Millisekunden auf die Maximalgeschwindigkeit von 720°/Sekunde. Kurz vor Erreichen der Prüfposition, z.B. des auf Bruch zu überwachenden Werkzeugs, verzögert die Nadel und tastet das Objekt mit der projektierten Abtastintensität ab. Der Tastkopf integriert optional einen Sperrluftadapter, sodass weder Späne noch aggressive Flüssigkeiten die Dichtungen beschädigen können.
Das Werkzeugüberwachungssystem ist dank innovativem Steuergerät nicht nur zur Werkzeugbruchkontrolle einsetzbar, sondern bietet sich auch für erweiterte Aufgaben der Werkstückkontrolle an, z.B. zur Ausfwurf- und Beschickungserkennung, für die Konturprüfung nach der Kantenbearbeitung oder zur Überprüfung von Rundlauf und Verschleiß bei Schleifscheiben.
