Interessante Anwendungen aus dem Bereich Werkzeugmaschine

Die Anforderungen aus dem Bereich der Werkzeugmaschinen sind extrem vielfältig und fordern der eingesetzten Sensorik zumeist Maximalleistung ab.

Von extrem hohen Geschwindigkeiten bei Frässpindeln mit der Anforderung an hohe Signalbandbreite für die Regelung bis hin zur Anforderung eine Position mit höchster Genauigkeit innerhalb eines Ausdrehwerkzeugs zu messen - das Ausdrehwerkzeug muss natürlich den widrigen Bedingungen im Bearbeitungsbetrieb standhalten.

Bei Werkzeugmaschinen ist oftmals die Performance der Sensorik spielentscheidend für die Leistungsfähigkeit der Gesamtmaschine. 

Drehzahlsensor in Hochgeschwindigkeitsspindel Drehzahl- und Positionsmessung in einer luftgelagerten Hochgeschwindigkeitsspindel

Hintergrund

Luftgelagerte Hochfrequenzspindeln eignen sich besonders gut für sehr hohe Drehzahlen mit über 80.000 U/min. Die sehr eng tolerierten Luftlager ermöglichen extrem hohe Prozessgüte bei der mechanischen Oberflächenbearbeitung. Hierbei wird die Welle durch viele kleine Luftdüsen mit hohem Druck angeströmt und auf einem Luftpolster gehalten. Ein bürstenloser Motor treibt diese Welle an. Die Welle bewegt sich somit völlig berührungslos und frei - was liegt näher als auch ein berührungsloses und hochdynamisches Sensorkonzept auf magnetischer Basis einzusetzen.

Aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit der Motorwelle ergeben sich einige Anforderungen, die spezielle konstruktive Anpassungen im Bereich der Maßverkörperung für die Sensorik erforderlich machen.

So darf möglichst keine zusätzliche Masse auf die Welle aufgebracht werden. Keinerlei Unwucht darf vorhanden sein und die Maßverkörperung muss den hohen Umfangsgeschwindigkeiten standhalten.

Weiterhin muss das Sensorsystem eine hohe Signalqualität bei sehr hohen Eingangsfrequenzen liefern.

Sensorlösung

  • Die Maßverkörperung wird durch kreisförmig angeordnete Bohrlöcher realisiert. So entsteht eine Zahnstruktur mit 80 "Zähnen" am Umfang.
  • An dieser Zahnstruktur, dem Sensor System EBR7811, liefert das Sensorsystem 80 Signalperioden Sinus- und Cosinussignal sowie ein Referenzpuls pro Umdrehung der Welle. 
  • Die Signale mit 1VSS werden von der Steuerung direkt zur Regelung bzw. Positionierung der Welle verwendet.

Vorteile

  • Berührungslos, verschleißfreies Funktionsprinzip an einer Zahnstruktur
  • Kein extra Polring notwendig. Die Welle selber dient als Maßverkörperung
  • Die hohe Signalqualität erlaubt eine sehr hohe Messauflösung in der Steuerung
  • Speziell für den Kunden angefertigtes Sensorgehäuse zur Justage in der Spindel

Längenmessung in einem Ausdrehwerkzeug Hochauflösende und präzise Wegmessung in einem Ausdrehwerkzeug

Hintergrund

Ausdrehwerkzeuge dienen zur exakten Bohrung von Löchern, wie z. B. den Zylinderbohrungen von Motoren. Im Prinzip wird ein Loch vorgebohrt und anschließend die Differenz zum Soll-Maß ermittelt. Diese Differenz wird am Ausdrehwerkzeug eingestellt und das Loch somit auf das gewünschte Maß aufgebohrt.

Die klassischen Ausdrehwerkzeuge verfügen über ein Einstellgewinde und eine Noniusskalierung, wie sie beispielsweise auch bei Messschieber zur Anwendung kommen. Seit einigen Jahren hält auch hier die Elektronik Einzug und die Ausdrehwerkzeuge erhalten ein integriertes Messsystem mit Display oder Datenschnittstelle.

Die zumeist rauen Umgebungsbedingen stehen hier gegenläufig zu den Anforderungen an höchste Genauigkeit und Präzision. Die moderne und hochintegrierbare Sensortechnologie und Elektronik machen eine Digitalisierung in diesem Bereich jedoch möglich.

Sensorlösung

  • AMR FixPitch Sensor mit extrem kompakten Aufbau auf Flexleiterplatte zur Integration im Ausdrehwerkzeug.
  • Robuster und hochgenau magnetisierter Hartferritmaßstab für beste Performance des Gesamtsystems.
  • Der AMR-Sensor kann nur für die Messung schnell aktiviert und getaktet werden, so dass der Stromverbrauch minimal bleibt.
  • Im relativen Verstellbereich von ca. 300 µm sind Genauigkeiten < 1 µm realisierbar.

Vorteile

  • Hohe Signalgüte und rauscharme Signale für sehr hochauflösende Wegberechnung
  • AMR-Sensor kann im Ausdrehwerkzeug hochintegriert eingeklebt bzw. vergossen werden
  • Sensorpitch (FixPitch Design) und Magnetisierung sind aufeinander abgestimmt. Hohe Genauigkeiten sind somit möglich
  • AMR-Sensor ermöglicht die Wegberechnung mit wenig Elektronikaufwand und stromsparendem Design

Spannüberwachung für Werkzeuge Messsystem zur Überwachung der Werzeugspannposition

Hintergrund

Die Anzahl der unbeaufsichtigt arbeitenden Werkzeugmaschinen steigt stetig. Daher ist es oftmals notwendig, dass diese Maschinen automatisch überwacht werden. So kann es beim automatischen Werkzeugwechsel dazu kommen, dass ein Werkzeug nicht korrekt aufgenommen wird. Bei den zumeist sehr schnell drehenden Werkzeugen ist die Möglichkeit einer Havarie hierdurch sehr groß und es besteht Gefahr für einen hohen Sachschaden.

Für diese Fälle können verschiedene Konzepte einer Überwachung umgesetzt werden. Es können Vibrationen detektiert werden, um ein fehlerhaft gespanntes Werkzeug zu erkennen. Dieserfalls ist die Bearbeitung jedoch bereits gestartet und die Erkennung erfolgt recht spät.

Ein anderes Konzept verfolgt die direkte Messung der Spannvorrichtung, bei der ein nicht korrekt gespanntes (z. B. verkantet) Werkzeug über den nicht passenden Spannweg sofort während der Spannung erkannt wird.

Sensorlösung

  • Sensorintegration in den Spannmechanismus durch kompaktes Sensorkonzept möglich.
  • Optimierte Anordnung des Sensorsystems für einen breiten Messbereich.
  • Analoges Sensorsignal über den gesamten Spannweg (von auf bis zu).
  • Sensorsignalaufbereitung und einlernbarer Spannpositionen für korrekte Spannung mit Schnittstelle zur übergeordneten Steuerung.

Vorteile

  • Berührungsloses Messprinzip und direkte Abbildung des Spannwegs
  • Kompletter Spannung wird vom Sensor erfasst, hierdurch können für beliebige Werkzeuge die korrekten Spannpunkte eingelernt werden
  • Sehr kompakt und integrierbar

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