Erhöhung der Maschinen- und Prozesssicherheit durch Sensorintegration in die Werkzeugspindeln von Bearbeitungszentren sowie Hobel- und Kehlmaschinen. Schlussbericht. Bewilligungszeitraum: 01.07.2010 - 31.12.2012 (Deutsch)

AIF-Forschungsbericht
; 2013
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Es wurde eine Erhöhung der Maschinen- und Prozesssicherheit durch Sensorintegration in die Werkzeugspindeln von Bearbeitungszentren sowie Hobel- und Kehlmaschinen angestrebt. Dazu wurde zunächst eine Fehleranalyse durchgeführt, welche die Einfluss- und Störgrößen bei der Bearbeitung mit Hohlschaftkegel-Spannsystemen (HSK) aufzeigt. Dabei konnte festgestellt werden, dass sämtliche dargestellten Größen auf zwei Belastungszustände zurückgeführt werden können. Zum einen führen Abweichungen der Spannkraft bzw. axiale Vorschubkräfte zu einer Änderung der Druckspannung auf die Plananlage der HSK-Aufnahme. Zum anderen resultieren sämtliche Szenarien zum Auftreten einer Unwucht in einem Biegemoment, welches auf die gesamte Spindel wirkt. Zur messtechnischen Erfassung dieser Belastungszustände wurde ein robustes, kompaktes Dünnschichtsystem entwickelt, welches direkt auf die Plananlage der Spindelwelle appliziert werden kann. Die Herausforderung dabei war, ein piezoresistives und zugleich verschleißfestes Dünnschichtsystem auf der Stirnfläche der Spindel zu applizieren, welches vollständig elektrisch isoliert von der Maschinenmasse funktioniert. In allen bisherigen Anwendungen wurde die Grundkörpermasse zur Kontaktierung herangezogen. Da bisher nur kleinere Substrate mit sensorischen Dünnschichtsystemen beschichtet wurden, machte die große Bauform der Spindelwelle es erforderlich auf Beschichtungsanlagen mit größeren Kammervolumina überzugehen. Für diese wurden neue Prozessparameter entwickelt. Abgesehen davon bestand ebenfalls eine Hürde darin Mikrostrukturen auf die Stirnfläche der Spindel zu fertigen, da dies die Entwicklung von neuen Belackungs- und Belichtungsverfahren erforderlich machte, wobei die Spindelgeometrie und -masse das Handling erschwerte. Die Konstruktion der sensorintegrierten Werkzeugspindeln erfolgte anhand konventioneller Spindeln für Bearbeitungszentren sowie Hobel- und Kehlmaschinen. Dazu wurden die Spindelwellen dahingehend modifiziert, dass das Dünnschichtsystem, die Elektronik, die Verkabelung, die Energie- und die Datenübertragung integriert werden konnten. Die Konstruktionsdaten wurden von den Mitgliedern des projektbegleitenden Ausschusses zur Verfügung gestellt. Auf Grund des Mehraufwandes bei der Dünnschichtentwicklung konnte anschließend allerdings nur eine Sensorspindel für Hobel- und Kehlmaschinen umgesetzt werden. Die Strategie zur messtechnischen Erfassung der Druckbelastung sowie des Biegemomentes beruht im Wesentlichen auf drei um 120 zueinander angeordneten Sensoren auf der Plananlage. Durch ein entsprechendes Berechnungsmodell wurde dargelegt, dass eine solche Anordnung ausreicht, um eine axial wirkende Kraft, ein Biegemoment auf die Spindelwelle sowie dessen Richtung bestimmen zu können. Auf Basis dieser Grundlage wurde eine Mess- und Diagnosesystem vorgestellt, mit welchem alle relevanten Messgrößen erfasst und analysiert werden können. Nach der Applikation der Dünnschichtsensorik auf die Spindelwelle konnte leider nur ein Sensor mit vollständiger Funktion nachgewiesen werden. Dieser Sensor wurde schließlich zur Kalibrierung und zur Durchführung der Versuche herangezogen. Zur Kalibrierung des Dünnschichtsensorik in Bezug auf die unterschiedlichen mechanischen und thermischen Belastungen wurde die Sensorspindel zunächst in verschiedene Prüfstände integriert. Für die mechanischen Belastungen sind insbesondere die Kennlinien gegenüber einer axialen Spannkraft, dem Drehmoment sowie einem statischen und dynamischen Biegemoment aufgeführt. Darüber hinaus konnte die Kennlinie des thermischen Verhaltens des Kraftsensors ermittelt werden. Dieses Verhalten konnte erfolgreich mit Hilfe eines PT1000- Temperatursensors kompensiert werden. Schließlich wurde die sensorintegrierte Werkzeugspindel in eine Hobel- und Kehlmaschine integriert und die Anbindung der Auswerteeinheit an die Not-Aus-Schaltung der Maschine erläutert. In den Versuchen unter realen Bearbeitungsbedingungen konnte gezeigt werden, dass bei einem Werkzeug mit einer Gesamtmasse von 33,46 kg eine Unwucht mit einer Unwuchtmasse von nur 25,24 g detektiert werden kann. Darüber hinaus konnte in Hobelversuchen mit einer Schnitttiefe von 2 bzw. 4 mm gezeigt werden, dass das Drehmoment in Abhängigkeit der Schnitttiefe erfasst werden kann.

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