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Schmiedehammermaschine vor der Modernisierung: Sieben induktive Näherungsschalter erfassen die Position des Hammerbären. Starke Vibrations- und Stoßbelastungen und hohen Temperaturen in der Nähe des Schmiedeguts setzen den Sensoren zu.
Die Schmiedehammermaschine erstrahlt nach der Modernisierung nicht nur optisch in neuem Glanz. Die Umstellung auf eine kontinuierliche Positionserfassung beseitigt alle bisherigen Probleme der Endschaltertechnik.
Der Laserdistanzsensor mit Lichtlaufzeitmessung wacht aus sicherer Entfernung über die Bewegungen des Hammerbären. Aus rund 5 m Höhe erfasst der Sensor kontinuierlich die Bärposition mit seinem Laserstrahl.
Der Laserdistanzsensor misst die Zeit, die die Lichtimpulse benötigen, um vom Sensor auf das zu detektierende Objekt und von dort wieder zurück zu gelangen. Diese Zeit ist proportional zur Entfernung.

Die Gustav Wolff Maschinenfabrik stellt seit über 70 Jahren Maschinen für die Warm- und Kaltumformung von Metallen her. Darüber hinaus gehören Dienstleistungen wie Reparaturen, Einzel- und Sonderanfertigungen, Überholungen und Instandsetzungen zum Repertoire des Unternehmens. Und überall dort, wo Schmiedeteile in hoher Stückzahl und Qualität hergestellt werden, ist das Gesenkschmieden auch heute noch das Umformverfahren der ersten Wahl. Genau eine solche Gesenkschmiede stand zur Modernisierung an. Der Schmiedehammer dieser Gesenkschmiede, ein sogenannter Riemenfallhammer, nutzt die Fallenergie eines 4 t schweren Hammerbären. Die Umformung des bis zu 1.350 °C heißen Materials zwischen Ober- und Unterwerkzeug erfolgt programmgesteuert mit mehreren vordefinierten Schlägen aus Fallhöhen zwischen 0,4 und 1,8 m. Die Bewegung und damit auch die aktuelle Steighöhe erfassten vor der Modernsierung sieben induktive Näherungsschalter direkt am Schmiedehammer in unmittelbarer Nähe des Riemenfallhammers und meldeten die Daten an die Steuerung weiter.

Technik im Detail

Bär

Der Bär ist im Werkzeugbau der Fallblock einer Ramme (Rammbär) oder eines Fallhammers, zum Beispiel ein Riemenfallhammer, Brettfallhammer, Dampf- oder Lufthammer. Bei einem Gesenkschmiedehammer wird der obere bewegliche Teil mit der Werkzeugaufnahme als Bär bezeichnet. Bei einem Gegenschlaghammer, wo beide Teile der Werkzeugaufnahme beweglich sind, wird zwischen Ober- und Unterbär unterschieden. Der Bär bewegt sich in seitlichen Führungen auf und nieder und besitzt oft ein hohes Gewicht.

Quelle: wikipedia.org

Diese weit verbreitete Art der Positionserfassung hat jedoch ihre Tücken, weiß Michael Wolff-Oberbanscheid, Geschäftsführer des Unternehmens, zu berichten: „So sind die Sensoren ständig starken Vibrations- und Stoßbelastungen, mechanischen Beschädigungen beim Verkeilen der Werkzeuge und hohen Temperaturen in der Nähe des Schmiedeguts ausgesetzt. Die Folge sind zeitraubende Wartungsintervalle und Maschinenstillstände.“ Hinzu kommt, dass bei jedem Produktwechsel nicht nur das Schmiedeprogramm verändert, sondern zumeist auch die Endschalter entsprechend der veränderten Werkzeughöhen in neuer Position angebracht werden müssen. Diese Einrichtzeiten nehmen je nach Erfahrung des Mitarbeiters bis zu 30 min in Anspruch.

Präzise Positionen erfassen

Mit der Modernisierung der Maschine hat sich die Lage gänzlich geändert. Statt der sieben induktiven Schalter in unmittelbarer Nähe zum Hammerbären wacht ein einziger Laserdistanzsensor BOD 63M aus sicherer Entfernung über die Bewegungen des Hammerbären. Schwingungsgedämpft am Oberbau der Anlage in rund 5 m Höhe mit Blick in die Schwingungsrichtung des Hammerbären angebracht, erfasst der Sensor kontinuierlich die Bärposition mit seinem Laserstrahl. Der weit vom eigentlichen Geschehen entfernte Montageort sorgt für eine entsprechend hohe Stabilität trotz thermischer und mechanischer Störungen. Wolff-Oberbanscheid zeigt sich von der neuen Lösung überzeugt: „Dank der Umstellung auf eine kontinuierliche Positionserfassung ist es uns gelungen, alle bisherigen Probleme der Endschaltertechnik zu beseitigen.“

Der Sensor misst die Zeit, die die Lichtimpulse benötigen, um vom Sensor auf den Schmiedehammer und von dort wieder zurück zu gelangen. Diese Zeit ist proportional zur Entfernung. So lässt sich die Distanz zwischen Sensor und Objekt genau ermitteln und am Analogausgang mit 4 bis 20 mA oder 0 bis 10 V ausgeben. Mit einer Schaltfrequenz von 250 Hz ist das kontinuierliche Erfassen auch schneller Bewegungen somit kein Problem. Im Gegensatz zu Sensoren, die nach dem Triangulationsverfahren arbeiten, deckt der Lichtlaufzeitsensor mit 6.000 mm Reichweite auch größere Distanzen ab – bei gleichzeitig kompakter Bauform. Er arbeitet dabei nahezu unabhängig von Material, Farbe und Oberfläche des Messobjektes. Zwei unabhängige Schaltausgänge, eine Verschmutzungsanzeige sowie eine separate Leitung zur programmgesteuerten Abschaltung des Lasers ergänzen den Funktionsumfang. Diese Funktionen sind jedoch am Hammerbären nicht nötig.

Die Schläge feiner dosieren

In der Steuerung hat Wolff die Schaltpunkte, also die Wendepunkte für den Hammer, über Spannungswerte des Analogausgangs flexibel nachgebildet und hat so eine exakte Ablaufsteuerung für die Schmiedeanlage realisiert. Für die Umstellung auf neue Fertigungsaufträge muss der Bediener jetzt lediglich das passende Schmiedeprogramm in die Steuerung laden. Ein zeitaufwendiger Umbau und eine Neujustierung von Positionssensoren gehören somit der Vergangenheit an. Zum Einrichten muss der Bediener den Bär lediglich auf das Gesenk absenken, um anschließend mit einem einzigen Tastendruck der Steuerung den tiefsten Punkt als Referenzpunkt mitzuteilen. Sofort steht die volle Funktionalität zur Verfügung, ohne dass ein Mitarbeiter hätte irgendeine Schraube verdrehen müssen. Die Umrüstzeit auf einen neuen Artikel beträgt so nur noch 1 min anstelle von bis zu 30 min.

Mit dem Laserdistanzsensor entfällt auch die bisherige Beschränkung auf einzelne, wenige Schaltpositionen. Da der Sensor ein abstandskontinuierliches Signal liefert, kann der Anwender erstmals jede beliebige Steighöhe des Fallhammers präzise und mit hoher Wiederholgenauigkeit ansteuern und somit die Schläge feiner dosieren. Darüber hinaus ist die Bewegungsrichtung frühzeitig erkennbar, was die Ansteuerung besonders niedriger Steighöhen erleichtert. All dies hat direkte Auswirkungen auf das Schmiedeergebnis: Anstelle einer Teiledickentoleranz von 0,3 bis 0,4 mm vor der Umrüstung lässt sich jetzt mit 0,1 bis 0,2 mm die Genauigkeit verdoppeln.