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INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2020

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INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2020

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Good Vibrations? Schwingungsüberwachung schützt Werkzeugmaschinen in einem Motorenwerk Um ungeplante Stillstände in der Produktion zu vermeiden, stattet ein Fahrzeughersteller seine Werkzeugmaschinen mit einer automatischen Fehler erkennung aus. Mithilfe spezieller Sensorik wird der Zustand der Maschinen permanent überwacht sowie auftretende Schäden oder Kollisionen sofort erkannt. Lesen Sie, wie ein Fertigungsprozess auf höchste Effizienz gesteigert und gleichzeitig ein maximaler Maschinenschutz erreicht werden kann. So kann ein abgebrochener Zahn eines Fräskopfes das Werkstück schädigen und unbrauchbar machen. Bei Arbeiten an komplexen Werkstücken wie etwa ein Motorblock, kann dies einen kostenintensiven Schaden verursachen; nicht nur das Bauteil wird unbrauchbar, auch die geforderte Stückzahl kann nicht mehr eingehalten werden. Der Fertigungsprozess wäre empfindlich gestört. Der schwedische Fahrzeughersteller Scania gehört zu den größten Herstellern von Nutzfahrzeugen, Bussen sowie Schiffs- und Industriemotoren. Im Werk bei Stockholm werden u. a. die leistungsstarken Motoren für Trucks und Busse hergestellt. Sensoren überwachen dabei die automatisierte Produktion, um ungeplante Stillstände zu vermeiden. „Wir verwenden zum Beispiel Strömungssensoren, Schwingungssensoren und Niveausensoren sowie induktive Sensoren, um den Überblick über unsere Produktionsanlagen behalten zu können. Anhand der Sensordaten erkennen wir zudem frühzeitig, wenn eine Maschine oder ein Anlagenteil gewartet werden muss. Auch zur Prozessoptimierung sind die Informationen hilfreich“, so Robert Bergkvist, Automatisierungsingenieur für IT- und Automatisierungsfragen bei Scania. Werkzeugmaschinen für hohe Qualitätsansprüche Zahllose Werkzeugmaschinen kommen bei Scania zum Einsatz: Fräskopfe arbeiten sich z. B. mit unvorstellbaren Drehzahlen durch Dipl.-Ing. Andreas Biniasch, Marketing bei der ifm electronic GmbH in Essen Metallblöcke, Drehmeißel erzeugen mi krometergenaue Wellen und Bohrer setzen exakte Bohrlöcher. Alle Arbeitsschritte werden von computergesteuerten Fräs- Drehmaschinen vollautomatisch erledigt. Sie erschaffen so in kürzester Zeit Formen für z. B. Zylinderköpfe oder Wellen für Motoren. Um die hohen Qualitätsansprüche zu erfüllen, kommt es bei Werkzeugmaschinen auf eine fehler- und störungsfreie Bearbeitung des Werkstücks an. Aufgrund hoher Bearbeitungsgeschwindigkeit und Prozesskräfte sind schnell reagierende Diagnosesysteme gefragt, die auftretende Schäden am Werkzeug oder Kollisionen während der Bearbeitung sofort erkennen, den Prozess schnell stoppen und damit Schäden an Maschine und Werkstück verhindern. Die permanente Schwingungsdiagnose hat sich hier als optimaler Schadensbegrenzer erwiesen. Von den außergewöhnlichen Prozesskräften sieht man nichts, wenn sich die Fräsköpfe scheinbar mühelos mit extremen Drehzahlen durch das Material arbeiten. Doch die Beanspruchung stellt enorme Anforderungen an die Werkzeuge. Doch trotz einer hohen Materialqualität ist kein Anwender davor geschützt, dass Werkzeuge während der Bearbeitung kaputtgehen. Selbst ein kleiner mechanischer Defekt kann weitreichende Folgen haben, wenn dieser während der Bearbeitung auftritt. Schwingungssensor schützt Maschinen vor Schäden Deshalb stattet Scania seine Werkzeugmaschinen mit einer automatischen Fehlererkennung aus. Herzstück des Systems ist ein empfindlicher und zuverlässiger Schwingungssensor vom Sensorik-Spezialisten IFM Electronic. „Wir überwachen die Vibrationen an den Motorspindeln, um sie bei einem Bruch rechtzeitig austauschen zu können. Die Diagnosesoftware zeigt uns außerdem den Zustand der Spindeln und ob wir gegebenenfalls Prozessparameter anpassen müssen“, so Bergkvist. Mithilfe der Sensordaten ließe sich demnach der Fertigungsprozess auf eine maximale Effi- 01 Sensor und Auswerteeinheit VSE100 liefern die resultierenden Signale direkt an die Maschinensteuerung 10 INDUSTRIELLE AUTOMATION 1/2020

zienz steigern, ohne dass die Gefahr von kritischen Maschinenzuständen entstehe, beispiels weise durch einen zu schnellen Vortrieb der Drehmeißel. Selbst eine minimale Unwucht wird zuverlässig erkannt Dabei hilft der kompakte Schwingungssensor VSA von IFM. Er ist fest im Spindelkopfgehäuse eingeschraubt. Dort erfasst er während des Bearbeitungsprozesses kontinuierlich das Schwingungsverhalten. Die Empfindlichkeit ist so hoch, dass der mikromechanische Beschleunigungssensor selbst die geringe Unwucht eines abbrechenden Zahns eines millimetergroßen Fräskopfes über die auftretende Unwucht erkennt. Auch Veränderungen in den Schnittkräften, etwa durch stumpfe Bohrer oder einen Spänestau, werden über das veränderte Schwingungsverhalten erkannt und gemeldet. Jedem Werkzeug können mehrere individuelle Toleranzgrenzen zugeordnet werden, z. B. eine Warn- und eine Abschaltschwelle. Bei letzterer wird die rotierende Werkzeugspindel über den Befehl „Spindel- Vorschub-Halt“ gestoppt, um ein Freischneiden zu ermöglichen. Damit werden Beschädigungen am Werkstück zuverlässig verhindert. Die Kollisionserkennung, mithilfe sich der komplette Fräs-, Dreh- und Bohrvorgang im Rahmen der Serienfertigung i.d.R. mithilfe einer Simulation prüfen lässt, ist eine weitere Funktion der Schwingungsüberwachung. Auch die Spindel wird überwacht Eine weitere Schutzfunktion, welche die Schwingungsdiagnose mitbringt, ist die Zustandsüberwachung der Spindel an sich. In einem Referenzlauf wird das Schwingungsverhalten des Wälzlagers eingemessen und als „Gut-Wert“ gespeichert. Verschleiß in den Lagern der komplexen Spindelmechanik lassen sich durch ein ungewöhnliches Schwingungsverhalten erkennen. Bei Überschreitung einstellbarer Toleranzen wird eine Fehlermeldung ausgegeben. Schadensausbreitung und weitere Folgeschäden verhindern Der Schwingungssensor vom Typ VSA ist ein mikromechanischer Beschleunigungssensor. Dieser erfasst kontinuierlich die Vibrationen an nicht-rotierenden Maschinen oberflächen. Der Sensor ist an die dazugehörige Auswerteeinheit VSE angeschlossen. Diese wertet die Signale von bis zu vier Schwingungssensoren aus und sendet sie direkt an die Maschinensteuerung. In der Maschinensteuerung können für jedes Werkzeug Grenzwerte für die Vibrations- und Kollisionserkennung hinterlegt werden. Um diese vorab zu ermitteln, wird Die Schwingungsdiagnose ermöglicht eine effiziente Auslastung der Maschine ein Programmlauf im Teach-Modus durchgeführt. Dabei werden pro Werkzeug individuelle Schwingungsdaten in der Steuerung hinterlegt und mit einstellbaren Toleranzwerten versehen. Ein Überschreiten der Toleranzwerte während der Bearbeitung wird als Fehler interpretiert und führt je nach Amplitude der Schwingung zu einer Warnmeldung oder gar zu einem Stopp. Ob Werkzeugbruch, Kollision oder Lagerschaden: Die Prozessüberwachung mithilfe der Schwingungsdiagnose kann diese Ereignisse nicht verhindern. Aber durch den Maschinenstopp lassen sich Ausbreitung des Schadens und zusätzliche Folgeschäden an Werkstück und Maschine verhindern. Auch sich anbahnende Stö rungen werden erkannt und dem Wartungspersonal mitgeteilt. Das ermöglicht eine effiziente Auslastung der Maschine bei gleichzeig maximalem Maschinenschutz. Bilder: Aufmacher: Andrew Ostrovsky/stock.adobe.com; sonstige ifm electronic www.ifm.com Ein Plus an Performance: Kleinservoantriebssystem weitergedacht. Kompaktheit Konnektivität Dynamik Flexibilität Präzision Die nächste Generation unseres industrietauglichen Kleinservoantriebssystems setzt wieder einmal Maßstäbe: + Multi-Ethernet-Schnittstelle für maximale Konnektivität + Um 30 % kompaktere Servoregler + Kompakt-Antriebssystem für die Feldebene + Dezentrale Intelligenz + Miniaturisierter Multiturn Encoder + Optional: Haltebremse, Getriebe, Spindeltrieb u.v.m. Dies eröffnet Ihnen neue Freiheiten bei der Maschinenkonzeption. WITTENSTEIN – eins sein mit der Zukunft www.wittenstein-cyber-motor.de 02 Für jedes Werkzeug sind individuelle Warn- und Alarmgrenzen einstellbar (li.); Kollisionen werden anhand des Schwingungsverhaltens innerhalb einer Millisekunde erkannt (re.); ein unmittelbarer Bearbeitungsstopp verhindert schwerwiegende Folgeschäden cyber motor

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