Präzise Sensorik für Werkzeugmaschinen

Sensoren fungieren im Maschinen- und Anlagenbau als Sinnesorgane der Maschine. Die Steuerung kann die Informationen der Sensoren verarbeiten und damit die Aktoren entsprechend ansteuern. Dabei gilt natürlich, dass die Maschine nur so genau arbeiten kann, wie die Sensoren messen.

Seit einiger Zeit gibt es einen regelrechten Boom nach hochpräzisen Werkzeugmaschinen. Diese fertigen Werkstücke mit einer Genauigkeit, die zum Teil bis in den Mikrometerbereich reicht. Um solche Werte zu erreichen, muss die Konstruktion der Werkzeugmaschine in vielen Bereichen optimiert sein. Eine der kritischen Komponenten ist dabei die Spindel. Hohe Drehzahlen und die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück können die Spindel erwärmen, wodurch sich ihre Länge verändert. Eine Flüssigkeitskühlung der Spindel kann diesen Effekt zwar begrenzen – aber nicht komplett kompensieren. Zu dem Temperatureffekt können zusätzliche Längenänderungen kommen, die auf den hohen Zentrifugalkräften bei sehr schnell drehenden Spindeln beruhen.

Längenänderung der Spindel erfassen

Das System zur Messung der Längenausdehnung der Spindel, das auf Wirbelstromsensoren der Reihe eddyNCDT basiert, lässt sich aufgrund ihrer kleinen Bauform leicht integrieren. Micro-Epsilon

Um sehr hohe Genauigkeiten bei der Werkstückbearbeitung zu erreichen, braucht es einen Sensor, der die Längenänderung der Spindel erfasst. Die CNC-Steuerung kann dann aufgrund des Messwerts die Position des Werkzeugs nachregeln. Micro-Epsilon bietet dafür das Messsystem SGS 4701 (Spindle Growth System) an, welches das Unternehmen speziell für den Einsatz in Hochfrequenz-Spindeln entwickelt hat. Dieses System basiert auf induktiven Sensoren auf Wirbelstrombasis der Reihe eddyNCDT, die berührungslos und damit verschleißfrei messen. Das Messverfahren, das sich auf ferromagnetische und nichtferromagnetische Materialien abstimmen lässt, ist zudem unempfindlich gegenüber Hitze, Staub oder Öl.

Die Bauform des Systems, bestehend aus dem miniaturisierten Sensor, dem Sensorkabel und einem kompakten Controller, ermöglicht es dem Konstrukteur, sämtliche Komponenten in die Spindel zu integrieren. In den meisten Anwendungen wird der Sensor so in die Spindel eingebaut, dass er die Längenänderung auf dem Labyrinth-Ring der Spindel misst. Entweder kann der Controller über einen Flansch am Spindelgehäuse montiert oder ebenfalls direkt in die Spindel integriert werden. Zusammen mit der Längenausdehnung misst das Sensorsystem auch die Temperatur und gibt diese ebenfalls an die Steuerung. Die Auflösung der Längenmessung beträgt 0,5 µm, was eine hochpräzise Fertigung ermöglicht.

Schutz vor Kollisionen

Sensoren vom Typ induSensor LVP bestimmen die Position der Zugstange im Werkzeugspannsystem und überprüfen so die korrekte Werkzeugposition. Micro-Epsilon

Eine ebenfalls kritische Komponente einer Werkzeugmaschine ist das Werkzeugspannsystem. Moderne Bearbeitungszentren können in der Regel die Werkzeuge vollautomatisch wechseln. In einem Magazin sind die verschiedenen Werkzeuge jeweils in einem Werkzeughalter montiert. Beim Werkzeugwechsel entnimmt die Maschine automatisch den passenden Werkzeughalter und setzt ihn auf die Spindel, deren Spannsystem den Werkzeughalter verriegelt. Dabei ist die einwandfreie Funktion des Spannsystems an der Spindel extrem wichtig: Eine falsche Position des Werkzeugs kann zu einer fehlerhaften Bearbeitung mit entsprechend hohen Kosten führen. Ist das Werkzeug verkantet, kann es sich durch die hohen Drehzahlen und die damit verbundenen Kräfte im schlimmsten Fall lösen und durch die Kollision mit Maschinenteilen hohen Schaden verursachen.

Zum Überwachen der Spannposition kommen häufig Initiatoren oder Schaltringe zum Einsatz, die allerdings aufwendig justiert werden müssen. Eine konstruktiv einfachere Lösung bieten die analogen Sensoren der Serie induSensor LVP. Dieser zylindrische Sensor lässt sich einfach in die Löseeinheit des Spannsystems integrieren, wobei ein Ring, der als Messobjekt für den Sensor dient, einfach auf die Zugstange aufgeklebt wird. Das Messprinzip des Sensors ist berührungslos und unterliegt daher keinem Verschleiß. Da der Sensor ein Analogsignal liefert, das zur Hubbewegung der Zugstange proportional ist, ist mit dieser Lösung eine kontinuierliche Überwachung möglich. Hierbei kann das mühsame Einstellen des Schaltpunkts komplett entfallen, wie es andere Lösungen erfordern. Auch bei diesem Sensor ist die Sensorelektronik so klein, dass sie direkt vor Ort integriert werden kann.

Kostengünstig und einfach zu integrieren

Da das Mess-Seil einfach umgelenkt werden kann, fügen sich die Seilzugsensoren zur Positionsbestimmung des Reitstocks flexibel in die Konstruktion der Maschine ein. Micro-Epsilon

Eine weitere Messaufgabe in Werkzeugmaschinen ist die Positionsbestimmung des Reitstocks. Auch wenn diese Messung weder auf die Präzision noch auf die Sicherheit der Maschine einen direkten Einfluss hat, stellt sie viele Konstrukteure vor eine Herausforderung. So muss die Position der Zentrierspitze des Reitstocks oft über einen sehr großen Bereich bis zu einigen Metern bestimmt werden. Erschwerend kommt häufig hinzu, dass der Platz für das entsprechenden Messsystems beschränkt ist. Eine kostengünstige Lösung sind die Seilzugsensoren vom Typ wireSensor. Durch ihre kompakte Bauform lassen sich die Sensoren auch bei beengten Platzverhältnissen einfach unterbringen. Dabei muss sich der Sensor nicht direkt in der Nähe des Reitstocks befinden, da das Mess-Seil über Umlenkrollen flexibel geführt werden kann. In den typischen Ausführungen decken die Sensoren für Werkzeugmaschinen Messbereiche von 300 bis 2100 mm ab. Größere Messbereiche sind ebenfalls erhältlich. Die Sensoren sind sehr robust und auch unter den schwierigen Umgebungsbedingungen in einer Werkzeugmaschine langlebig.

Eine weitere Messaufgabe: die Position der Werkzeugaufnahmen im Magazin. Diese kann der Lasersensor optoNCDT exakt überprüfen. Zum Einsatz kommt eine solche Positionsbestimmung häufig während des Einrichtens der Werkzeugmaschine.

SPS IPC Drives 2018: Halle 7A, Stand 130

(ml)