Besser als Erfahrungswerte 22.12.2021, 11:00 Uhr

Innovative Überwachungsstrategie optimiert Zerspanprozesse

Mit einer neuartigen Prozessüberwachung steht für Betreiber von Werkzeugmaschinen ein ganzes Paket an Funktionen bereit, um insbesondere bei der Serienproduktion eine zuverlässige und wirtschaftliche Fertigung sicherzustellen.

Der Einsatz intelligenter Tools erlaubt es, Fräsprozesse zu optimieren und die Produktivität der Maschine zu steigern. Dies reicht von der Prozesskontrolle bzw. Parameteroptimierung bis hin zur Echtzeitregelung von Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit. Foto: WFL

Der Einsatz intelligenter Tools erlaubt es, Fräsprozesse zu optimieren und die Produktivität der Maschine zu steigern. Dies reicht von der Prozesskontrolle bzw. Parameteroptimierung bis hin zur Echtzeitregelung von Drehzahl und Vorschubgeschwindigkeit.

Foto: WFL

Dank der grundlegenden Neuentwicklung unter der Bezeichnung „iControl“ können Prozesssignale mit hoher Abtastrate im CNC-Kernel der Steuerung erfasst, ausgewertet und aufgezeichnet werden. Mit der Einführung neuer Überwachungsstrategien, z. B. sogenannter „Yellow Limits“, ergeben sich deutliche Vorteile bei der Werkzeugbruch- und -verschleißüberwachung. Neu ist außerdem die Möglichkeit, externe Sensoren in die Prozessüberwachung einzubinden. Letzteres erlaubt beispielsweise die durchgehende Überwachung und Aufzeichnung von Leistungsdaten der Kühlmittelpumpen oder Rückschlüsse auf den Zustand von Spindellagern.

Maschinenbetreiber werden effizienter

Mit der Neuentwicklung der Werkzeugmaschinenfabrik Linz (WFL) soll es möglich werden, einerseits Maschine und Werkzeuge mit maximaler Produktivität einzusetzen. Andererseits muss sichergestellt sein, dass der Prozess möglichst stabil und zuverlässig läuft. Das Software-Paket, das der Maschinenhersteller dafür bereitstellt, ist vielfältig – für praktisch jede Bearbeitungssituation wird ein passendes Überwachungs-Tool geboten.

Die intelligente Prozessüberwachung "iControl" schützt Maschinen bei der autonomen Produktion.

Foto: WFL

Die bis zu 16 zu überwachenden Prozesssignale werden entsprechend der Maschinenausstattung werksseitig konfiguriert und auf dem Steuerungsbildschirm live angezeigt. Wichtige Prozesssignale sind die Kräfte bzw. Drehmomente der NC-Achsen und Spindeln, aber auch die Signale von integrierten Sensoren (Vibration, Druck, Durchfluss, Temperatur, etc.). Diese befinden sich in Maschinenkomponenten oder in Werkzeugen und sind für verschiedenste Anwendungen – z. B. zur Prozesssteuerung, -optimierung oder -überwachung – nutzbar.

Die Vorteile auf einem Blick:

  • Erhöhte Prozesssicherheit durch kontinuierliche Überwachung der Bearbeitungsvorgänge,
  • Schutz vor Schäden an der Maschine,
  • höhere Produktivität und Werkstückqualität,
  • Einsparung von Werkzeugkosten und bessere Nutzung der Standzeit durch Verschleißüberwachung,
  • bessere Maschinennutzung durch die Anzeige der Prozesssignale auf dem Steuerungsbildschirm,
  • Möglichkeit der Integration von Sensored Tools,
  • besondere Sensitivität durch Teach-In-Technologie,
  • Möglichkeit der Überwachung ohne Lernschnitt,
  • optimale Überwachung von Bearbeitungsprozessen mit unterschiedlichen Schnitttiefen durch Adaptive Limits,
  • Möglichkeit der Früherkennung von Maschinenverschleiß.

Ultimativer Schutz von Maschine, Werkstück und Werkzeug

Generell gliedert sich die Prozessüberwachung in Funktionen, die dem Schutz von Maschine, Werkstück und Werkzeug dienen, und in Funktionen, die den Werkzeugverschleiß erfassen und für eine konstante Produktivität sorgen. Eine wesentliche Neuerung zur Erkennung von Werkzeugverschleiß oder Totalbruch sind beispielsweise das „Wear Limit“ und das „Tool Missing Limit“. Ziel war es, eine Lösung zu entwickeln, die überaus feinfühlig und zuverlässig auf alle erdenklichen Abnormitäten im Bearbeitungsprozess reagiert. Ergänzend dazu steht unter der Bezeichnung „iControl Data Recording“ eine Langzeitprotokollierung der Prozessdaten als weitere Option bereit. Dies ist besonders bei der Herstellung von sicherheitsrelevanten Bauteilen ein großes Thema.

Zwei Varianten: Basic oder Advanced

Die Prozessüberwachung wird für die Maschinenbetreiber in zwei Ausführungsvarianten bereitgestellt. Bei der Ausführung „Basic“ werden ausschließlich vorgesehene Maschinen-Belastungsgrenzen überwacht und bei einer Überschreitung ein Schnellstopp innerhalb von 10 Millisekunden auslöst. Die Variante „Advanced“ erlaubt es darüber hinaus, für jede Bearbeitungsoperation eine individuell angepasste Strategie auszuwählen. Der Fertigungsbetrieb kann sich somit auf systematische Art und Weise an einen Bearbeitungsprozess mit bestmöglicher Produktivität herantasten. Die Software wurde so gestaltet, dass die jeweils optimale Überwachungsstrategie einfach und intuitiv ausgewählt und beliebig mit anderen Limits kombiniert werden kann.

Das "Red Limit" ist eine prozessnahe Grenze, die entweder per NC-Programm vorgegeben oder durch Lernen ermittelt werden kann. Ein gravierender Spänestau beim Bohren oder Fräsen wird auf diese Weise sicher erkannt. Grafik: WFL

Beispielsweise kann der Energieverbrauch pro Operation als Vergleichsgröße bei der Wiederholung dieser Operation dienen. Damit wird beim Bohren ein exzessiver Werkzeugverschleiß oder ein Totalabbruch frühzeitig erkannt und schwerer Schaden verhindert. Einzelne, kurze Belastungsspitzen im Prozessverlauf würden bei dieser Operation aber vermutlich keine Rolle spielen und sogar kleine Teilausbrüche an der Schneide wären tolerierbar. Daher wird der Prozess nicht unterbrochen, solange das Ereignis nicht als Totalausfall des Werkzeugs identifiziert würde.

Ein andersgeartetes Beispiel ist hingegen das Finish-Drehen: Hier könnte auch schon der kleinste Teilausbruch an der Schneide zu einem unakzeptablen Ergebnis bei der Oberflächengüte führen, obwohl das Werkzeug grundsätzlich noch funktionieren würde. Derartige Ereignisse passieren innerhalb weniger Millisekunden und sind für den Bediener während der Bearbeitung schwer oder nicht erkennbar. Bei Aktivierung der dynamischen Überwachung würde iControl die Unstetigkeit erkennen, den Prozess sofort unterbrechen und das zuständige Personal informieren.

Die Belastungsgrenzen an den einzelnen Achsen und Spindeln, die sogenannten „Red Limit“, sind bis zum Kollisionslimit frei wählbar. Das bedeutet für jede Operation einen fix eingestellten Prozentsatz der zulässigen Maximalbelastung für jede Achse oder Spindel. Wird kein Limit gewählt, gilt automatisch das werksseitig eingestellte Kollisionslimit.

Mit iControl können bis zu 16 Prozesssignale kontrolliert werden. Die Signale werden nach verschiedenen Kriterien ausgewertet. Die Abbildung gibt einen Überblick zu den verschiedenen Überwachungslimits. Grafik: WFL

Warnanzeigen dienen als „intelligente Helfer“

Das Prozesssignal einer ganzen Bearbeitungssequenz kann durch einen „Lernschnitt“ erfasst werden. Durch die Zuordnung einer oberen und unteren Prozessgrenze wird das Toleranzband definiert, in dem sich das Prozesssignal bei der Bearbeitung bewegen muss. Werden diese Grenzen über- oder unterschritten, stoppt die Maschine. Zusätzlich kann eine Vorwarngrenze („Yellow Limit“) gewählt werden. Wird dieses Limit erreicht, stoppt die Maschine zunächst nicht, aber es wird eine Meldung generiert, die dem Bediener erlaubt, vorzeitig, d.h. vor dem Erreichen eines weiteren Limits, zu reagieren. Dies dient in erster Linie dazu, einen unterbrechungsfreien Betrieb zu gewährleisten und verschlissene Werkzeuge zu tauschen, auch wenn sie noch nicht am (theoretischen) Standzeitende angelangt sind. Generell werden alle prozessbedingt auftretenden Kräfte durch die werksseitig voreingestellten Kollisionslimits automatisch immer auf ein für die Maschine sicheres Niveau begrenzt.

Allerdings gibt es häufig Anwendungen, bei denen die Stabilität der Werkstücke, der Spannmittel oder der erforderlichen Werkzeuge einfach keine großen Zerspanungskräfte zulassen. Speziell in diesen Fällen kann das Red Limit helfen, da auch bei äußerst kurzzeitiger Überschreitung des Limits die Maschine sofort stoppt. Es dient aber auch zur Erkennung von Werkzeugbruch, Spänestau oder zu großen Rohteilaufmaßen und kann sozusagen im Hintergrund immer aktiviert werden.

Wenn es um die Finish-Bearbeitung geht, haben schon kleinste Ausbrüche an der Schneide Einflüsse auf die Oberlächenqualiät

Foto: WFL

Wichtige Hilfestellung bei der automatisierten Fertigung

Generell zeichnet sich die Prozessüberwachung durch eine besonders hohe Sensibilität und Zuverlässigkeit aus. Der Signalwert für die Prozessüberwachung wird direkt aus den Antriebsmomenten der NC-Achsen und Spindeln abgeleitet. Mittels eines speziellen Algorithmus lassen sich Reibungs- und Beschleunigungskräfte eliminieren. Die Prozesssignale können dadurch besonders exakt analysiert werden.

Insbesondere bei der automatisierten Bearbeitung oder bei der Serienfertigung leistet iControl dem Maschinenbetreiber beste Dienste. Aber beispielsweise auch bei komplexen Innenbearbeitungsaufgaben ist es vorteilhaft, den Bearbeitungsprozess durchgehend transparent zu gestalten. Hier gilt wie bei vielen Bereichen: Wenn der Maschinenbediener es einmal probiert hat, möchte er nicht mehr darauf verzichten.

Das könnte Sie auch interessieren:

Neue Dynamik: Toolmanagement mit Fertigungsmaschinen vernetzt

Für den Notfall an der Werkzeugmaschine bestens gerüstet

Keine Kompromisse: das Werkzeugmesssystem für jede Einsatzbedingung

Von WFL / Birgit Etmanski

Top Stellenangebote

Bau- und Liegenschaftsbetrieb des Landes NRW-Firmenlogo
Bau- und Liegenschaftsbetrieb des Landes NRW Ingenieurin / Ingenieur (w/m/d) der Versorgungstechnik / technischen Gebäudeausrüstung Dortmund
Hochschule Weihenstephan-Triesdorf-Firmenlogo
Hochschule Weihenstephan-Triesdorf Ingenieurin / Ingenieur (m/w/d) für den Bereich "Digitale Werkzeuge" Freising-Weihenstephan
Technische Universität Bergakademie Freiberg-Firmenlogo
Technische Universität Bergakademie Freiberg W3-Professur "Erschließung und Nutzung des Untergrundes" Freiberg
Hochschule Ravensburg-Weingarten-Firmenlogo
Hochschule Ravensburg-Weingarten Professur (W2) Elektrische Antriebstechnik Weingarten
Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten-Firmenlogo
Hochschule für angewandte Wissenschaften Kempten Professur (W2) Technologien für mobile Robotik in Produktion und Service Kempten
Fachhochschule Bielefeld-Firmenlogo
Fachhochschule Bielefeld Professurvertretung (W2) für das Lehrgebiet Ingenieurinformatik Bielefeld, Gütersloh
Fachhochschule Münster-Firmenlogo
Fachhochschule Münster Professur für "Physikalische Chemie" am Fachbereich Chemieingenieurwesen Münster
Fachhochschule Münster-Firmenlogo
Fachhochschule Münster Professur für "Betriebssysteme" am Fachbereich Elektrotechnik und Informatik Münster
Fachhochschule Münster-Firmenlogo
Fachhochschule Münster Professur für "Anorganische Chemie" am Fachbereich Chemieingenieurwesen Münster
Hochschule Weihenstephan-Triesdorf-Firmenlogo
Hochschule Weihenstephan-Triesdorf Professur für "Digitale Werkzeuge in den Ingenieurwissenschaften" Freising-Weihenstephan
Zur Jobbörse