Produkt-News Maschinenbau

Pepperl+Fuchs AG
Automatisches Spannen von Werkzeugen

Intelligente Spannabfrage erhöht nicht nur die Sicherheit und die Effizienz des Spanprozesses sonder ermöglicht auch das Condition Monitoring der Werkzeugspindel

Die Spindel ist das Herzstück einer Werkzeugmaschine. Diese wichtige System- komponente entscheidet über die Maßhaltigkeit und die Oberflächengüte des zu bearbeitenden Werkstücks. Dabei besteht die zentrale Aufgabe der Spindel darin, das Werkzeug für den spanabhebenden Arbeitsgang, bei jeder Drehzahl und nahezu unabhängig vom Vorschub, präzise und sicher zu führen. Automatische Werkzeugwechseleinrichtungen reduzieren die Wechselzeiten zwischen den Arbeitsgängen und erhöhen so die Effizienz der gesamten Maschine.

Pepperl+Fuchs AG - Spannen Bild 1

Automatische Werkzeugspanner ist wichtige Systemkomponente moder- ner Werkzeugspindeln
Klassische Fräs- oder Schleifspindeln werden indirekt über eine zentrale Antrieb- seinheit betrieben. Neuere, direkt getriebene Motorspindeln hingegen sind hoch integrierte Systemkomponenten moderner Werkzeugmaschinen. Unabhängig davon, ob es sich um eine indirekt oder direkt getrieben Spindel handelt, verfügt jede Werkzeugspindel über eine Spanneinrichtung.

Diese Spann-/Löseeinheit wird entweder pneumatisch, hydraulisch oder elektro- nisch betätigt und steuert den Spannzustand des Werkzeugs durch axiales Ver- schieben einer Zugstange. Den genauen Weg der axialen Verschiebung meldet die Spindel an die Steuerung des Bearbeitungszentrums zurück. Dabei werden mindestens 3 Spannsituationen unterschieden: während des Spanprozesses meldet der Werkzeugspanner „Werkzeug gespannt“. Nach dem Spanvorgang wird das Werkzeug ausgestoßen – die Löseeinheit meldet „Werkzeug ausgeworfen“. Sollte sich im folgenden Arbeitgang kein Werkzeug im Spanner der Spindel befinden wird das Signal „Spindel ohne Werkzeug“ ausgegeben.

Binäre versus analoge Spannzustandskontrolle
Konventionell werden zur Abfrage der axialen Spannposition mechanische Endschalter eingesetzt. Neuere Lösungen arbeiten mit berührungslos-induktiven Näherungsschaltern und verhindern so mechanischen Verschleiß an der Spindel. Außerdem ermöglichen induktive Näherungsschalter sowohl eine binär-schaltende als auch eine kontinuierlich-analoge Positionskontrolle des Werkzeugspanners. Während eine rein binäre Abfrage die einzelnen Spannpositionen nur recht grob auswerten kann, begünstigt die analoge Abfrage die permanente Kontrolle der Spannsituation über den gesamten Arbeitsprozess hinweg. Diese kontinuierlich- analoge Rückmeldung ermöglicht so eine Inprozess-Kontrolle der Spannsituation und kann einem drohenden Spannkraftverlust unmittelbar entgegenwirken. Das verbessert nicht nur das Bearbeitungsergebnis am Werkstück selbst, sondern erhöht gleichzeitig die Sicherheit des gesamten Spanprozesses.

Alle bisherigen Lösungen einer induktiv-analogen Spannabfrage arbeiten mit Hilfe von kegelförmigen Steuerscheiben. Diese müssen nicht nur präzise gefertigt, sondern auch mechanisch exakt am Werkzeugspanner positioniert werden. Kommt es während Spanprozesses zu einer thermisch bedingten Längenände- rung der Zugstange, führt das unweigerlich zu Rundlauffehlern der Spindel, was sich durch einen Höhenschlag an der Steuerscheibe äußert. Klassische Nähe- rungssensoren liefern in dieser Situation Signalsprünge und Fehlsignale an die Steuerung zurück. Eine elektronische Filterung dieser Signale ist aufwendig und würde den verzögert den Regelkreis des Spannkontrollsystems unnötig verzögern.

Abstandsunabhängige Positionserfassung erhöht Komfort und Sicherheit
Einen völlig neuen Ansatz der Spannabfrage verfolgen die berührungslos-indukti- ven PMI-Sensoren von Pepperl+Fuchs. Anders als bei der konventionellen Lösung erfassen sie die Position einer sehr einfach gestalteten Steuerscheibe, die in Bewegungsrichtung des Werkzeugspanners verfährt. Da sie abstandunabhängig arbeiten, liefern sie auch bei Rundlauffehlern der Spindel ein stetiges Positions- signal, das frei von Sprüngen oder elektronischem Jittern ist.

Pepperl+Fuchs AG - Berührungslos-induktiver PMI-Sensor
Berührungsloser-induktiver PMI-Sensor

Die PMI-Sensoren liefern ein stabiles, wegproportionales Ausgangssignal über einen Messbereich von bis zu 14mm. Mit einer Positionsauflösung von 33µm arbeiten sie deutlich präziser als herkömmliche Näherungsschalter. Nach dem Einbau des Sensors in die Spindel wird der Verfahrweg des Werkzeugspanners elektronisch einmalig eingelernt. Das analoge Ausgangssignal (0..10V) des Sensors kann auch auf kürzere Spannwege von zum Beispiel 8mm oder 10mm skaliert werden. Bei dieser Lösung entfallen die mechanische Halter und die Aufnahmen für einzelne Endschalter ebenso, wie deren mühsame Justage. Der PMI ermöglicht dem Hersteller ein effizienteres Einrichten der Spindel auf der Werkbank und dem Maschinenführer die einfache Korrektur der Positionswerte, selbst wenn die Spindel bereits in der Werkzeugmaschine oder dem Bear- beitungszentrum sitzt. Die geringere Anzahl an Schraubverbindungen erhöht nicht nur den Komfort beim Einbau des Überwachungssystems sondern reduziert gleichzeitig auch die Gefahr von vibrationsbedingten Lösen einzelner Positions- schalter. Das erhöht die Sicherheit der gesamten Spanneinheit und verlängert die Wartungsintervalle für den Maschinenbetreiber.

Intelligente Spannabfrage optimiert den Werkzeugspanner
Der integrierte Prozessor macht den PMI zu einem intelligenten elektrome- chanischen Signalumsetzer. Im einfachsten Fall simuliert der Sensor die stetige Signalrampe eine schiefe Ebene oder eines Steuerkegels. Darüber hinaus kann beim PMI das Ausgangssignal aber auch modelliert werden. Dies war in der Ver- gangenheit nur mit Hilfe von geometrisch-aufwendig gestalteten Steuerscheiben möglich. Bei einer modellierten Ausgangskennlinie können Bereiche unterschied- licher Steigung definiert werden. Im Bereich der interessierenden Abfragepo- sition erhöht eine größere Steigung die Ansprechempfindlichkeit des Spanners. In den weniger interessierenden Bereichen zwischen den Abfragepositionen hin- gegen, verläuft die Steigung flacher und damit weit weniger empfindlich. Diese Anpassung erspart der Maschinensteuerung Rechenleistung und beschleunigt den Spannregler.

Kommunikationsschnittstelle ermöglicht Condition Monitoring
Der PMI-F112 ist auch mit der modernen Kommunikationsschnittstelle IO-Link verfügbar. Diese Schnittstelle ermöglicht neben der reinen Prozessdatenübertra- gung (aktuelle Positionsdaten) auch eine dynamische Reparametrierung oder das zyklische Auslesen von protokollierten Ereignisdaten. Mit Hilfe der dynamischen Reparametrierung kann ein Drift der Arbeitspunkte auf Grund von Längenausdeh- nungen der Zugstange auch während des Spanprozesses kompensiert werden.

Protokollierte Ereignisdaten hingegen sind neben Betriebszeiten der Spindel zum Beispiel auch die Zahl der Spannereignisse. Nach einer vordefinierten Anzahl von Spannzyklen, kann so die Spindel selbst über eine anstehende Wartung infor- mieren. Diese integrierte „Fahrtenschreiberfunktion“ des PMI’s ist ein wichtiger Baustein für zukünftige, ereignisgesteuerte Zustandskontrollen (Condition Monito- ring) an der Werkzeugmaschinenspindel.

Produktlink
Mehr Informationen zu diesem Produkt finden Sie hier.