spike® misst die in der Zerspanung auftretenden Kräfte und Momente unmittelbar am Werkzeug.

Wie die digitale Zer­spanung eine gesamte Industrie verändert

pro-micron GmbH

Das Industrial Internet of Things (IIoT) ist der Innovationstreiber in der Fertigungsindustrie. Die Digitalisierung verspricht essentielle Vorteile im Wettbewerb, national wie international. Gerade die zerspanende Industrie zählt in diesem Punkt zur Schlüsseltechnologie auf dem Weg zur mannlosen Fertigung. Die Grundlage für Industrie 4.0 sind Softwareplattformen, smarte Maschinen, Daten und Vernetzung, die die virtuelle und reale Welt vereinen.

Das Sensorsystem spike® von pro-micron GmbH misst die auf das Werkzeug wirkenden Kräfte und Momente per direkter Kraftübertragung an die spike®-Sensorik. Der Anwendungsbereich erstreckt sich dabei von Zerspanungsprozessen wie Fräsen, Bohren, Drehen, Schleifen, Reiben und Gewinden hin zu Fügeverfahren wie Rührreibschweissen (FSW). Durch die simultane Messung aller Freiheitsgrade des Werkzeuges und Darstellung des patentierten spike®_polar kann der Zustand einzelner Schneiden überwacht werden.

spike®_polar
Mit dem patentierten spike®_polar (Biegemomentauflösung in stationärem Koordinatensystem, abgeleitet von rotierendem Halterkoordinatensystem) können zum Beispiel beim Fräsen Vibrationen, Verschleisszustände und Schneidenbruch ermittelt und genau beurteilt werden. Auch Unwucht einer Schleifscheibe oder Verlaufen eines Bohrwerkzeuges werden über den spike®_polar visualisiert.
Damit lässt sich eine Abnahme der Oberflächengüte aufgrund zu hohen Verschleisses oder die Einhaltung von Form- und Lagetoleranzen In-Line überwachen – und ein automatischer Werkzeugwechsel initiieren, bevor es zu Qualitätsproblemen kommt. Kurz: «Der spike®_polar stellt komplexe Zusammenhänge im Prozess einfach und verständlich dar».

spike®_kpi
spike®_kpis sind prozess- oder werkzeugspezifische Kennwerte, die maschinenlesbar und dadurch für die Automatisierung ausgelegt sind. Dabei werden nicht nur prozentuale oder absolute Kraftwerte analysiert. Über algorithmische Berechnungen kann auch der spike®_polar in Echtzeit ausgewertet und Befehle für die Maschinensteuerung generiert werden. So können über spike®_polar basierte spike®_kpis beispielsweise verschleissbasierte Werkzeugwechsel oder Maschinenreakti­onen bei Schneidenbruch realisiert werden.

spike®_ai_optimiser
Künstliche Intelligenz ist unabdingbar bei der universellen Prozessüberwachung und -automatisierung ohne individuelle Anlernverfahren. Als einer der führenden Messtechnikhersteller im Bereich Zerspankraftmessung präsentiert pro-micron hier nicht nur Visionen, sondern bereits erste Ergebnisse.
Durch die hohe Signaldifferenz der mit spike® generierten Messdaten liegt eine ideale Datenquelle für automatisiertes Maschinenlernen über spike®_ai zugrunde. Hierbei werden keine Hüllkurven oder Grenzwerte überwacht, sondern prozessbasierte Labels zur Fehlererkennung trainiert und von der Software über neuronale Netze autonom ausgewertet. Durch die verfahrensspezifischen Labels sowie die Möglichkeit der Fremddateninteg­ration bietet sich für den Anwender eine minimale Anlernphase des Systems bei maximaler Zuverlässigkeit und Bedienerfreundlichkeit.

spike®_easyinline in der Überwachung
spike®_easyinline ist das Überwachungssystem in der spike® Familie und wurde mit Maschinenanbindung für den Einsatz in der automatisierten Serienfertigung konzipiert. Hierdurch wird eine 100 Prozent In-Line Überwachung gewährleistet. Das Überwachungssystem beschränkt sich nicht nur auf Neumaschinen, sondern kann auch an Bestandsmaschinen einfach nachgerüstet werden. Die spike® Sensorik erfasst Kraft- und Momentenverläufe in Echtzeit und ohne Taktzeitverlust und erlaubt somit eine umfassende und vor allem hundertprozentige Fertigungskontrolle. Kosten für nachgelagerte Bauteilvermessung und Unterbrechungen des Fertigungsflusses entfallen. Durch prozessspezifische spike®_kpis und die innovative Auswertung des spike®_polar ist die Prozessüberwachung sicher und ohne Expertenwissen des Maschinenbedieners umsetzbar und auf alle spanende Prozesse applikabel.
Bohrerverlaufen ist eine bekannte Erscheinung in der Zerspanung und die dadurch entstehende Qualitätsminderung des Werkstückes wird nicht immer sofort erkannt. Durch maschinenintegrierte Prozessüberwachung mit spike®_easyinline können Ausschussteile aufgrund fehlerhafter Prozesse In-Line ermittelt und aussortiert werden. Dadurch werden Kosten durch Fehlererkennung spät in der Wertschöpfungskette minimiert. Wie in der Abbildung (Seite 24 unten) dargestellt, hat ein verlaufender Bohrer keinen Einfluss auf das wirkende Torsionsmoment und ist dadurch über eine Spindelstromüberwachung nicht detektierbar. Durch die Biegemomentmessung des spike®-Systems kann jedoch ein seitlich verlaufender Bohrer direkt erkannt werden – wie bei den Bohrlöchern 11, 14, 16 und 20 ersichtlich.
Stefan Wagner, Leiter Prozess­entwicklung Zerspanung bei der Robert Bosch GmbH beschreibt den Vorteil von spike®_easyinline wie folgt: «Mit spike® und seiner Fähigkeit, auch feinste Biegemomente im Serienprozess […] aufzunehmen, können wir die hohen und zunehmenden Qualitätsanforderungen in der Ober­flächenbearbeitung sicherstellen, die unsere Kunden in der 24/7- Fertigung von uns erwarten.»
Weitere Vorteile einer maschinenintegrierten Überwachung mit spike® sind:

  • Überwachung von Form- und Lagetoleranzen (indirekt)
  • Reduzierung der Werkzeug- und Ausschusskosten durch ­einen kraftgesteuerten Werkzeugwechsel
  • Vermeidung von Maschinenstillstandzeiten
  • Adaptive Vorschubregelung
  • Mannlose Fertigung

Die Anbindung an die Maschinensteuerung erfolgt über Profi-Bus oder Profi-Net. Über digitale und analoge Stromsignale bieten sich weitere Steuerungsmöglichkeiten. Über eine Ethernet-Schnittstelle können Daten im ­lokalen oder globalen Netz ausgetauscht und gespeichert werden. Die Empfangseinheit wird in Kombination mit einem IPC direkt im Maschinenschaltschrank verbaut.

spike®_expertline als Diagnosetool
Die spike®_expertline ist konzipiert für den flexiblen und manuellen Einsatz aus dem Koffer zur Optimierung von Prozessen und Werkzeugen. Das Diagnosesystem ist in unter zwei Minuten eingerichtet und einsatzbereit.
Mit dem Diagnosetool lassen sich beispielsweise verschiedene Werkzeuge in der Zerspanung einfach und objektiv vergleichen. So lässt sich, wie in der folgenden Grafik dargestellt, das ideale Fräswerkzeug für einen definierten Prozess finden.
Daneben können auch Kühlschmiermittel oder Beschichtungen untereinander verglichen und für den jeweiligen Einsatz bewertet werden. Neben dem Bereich Forschung und Entwicklung findet das Diagnosesystem spike®_expertline auch Anwendung in der Produktion um beispielsweise bei Vorserienprozessen ideale Parameter für maximale Werkzeugstandzeiten bei minimalen Bearbeitungszeiten, also für höchste Produktivität, zu ermitteln oder um Prozessprobleme zu identifizieren und durch Prozessanpassungen zu beheben.
Dadurch bietet sich mit der spike®_expertline ein universelles Sensorsystem, das von der Grundlagenforschung unter Laborbedingungen bis hin zur serienbegleitenden Messung für Analyse- und Optimierungszwecke die gesamte Bandbreite der spanenden Fertigung abdeckt.
Für eine detaillierte Auswertung der Messdaten bietet pro-micron eine anwenderfreund­liche und tiefgreifende Analysesoftware mit vielfältigen Funktionen. Dadurch können die Prozessdaten offline analysiert und bewertet werden. Mit Softwarefeatures wie dem spike®_trigger lassen sich Langzeitdiagnosen, auch serienbegleitend ohne Maschinenanbindung, durchführen und so das Potenzial von Parameteranpassungen oder der Mehrwert neuer Beschichtungen oder Werkzeuggeometrien ermitteln. Die Empfangseinheit wird bei dem Diagnoseset ausserhalb der Maschine angebracht und mit ­einem Laptop verbunden. Hier können bereits erste Alarmmeldungen eingerichtet werden.

spike®_assist als Assistenzsystem für den Maschinenbediener
Das Assistenzsystem wurde entwickelt für die Produktion von kleinen bis mittleren Losgrössen und unterstützt dabei den Maschinenbediener. Als visuelle Prozessunterstützung bietet spike®_assist dem Mitarbeiter an der Maschine einen Blick auf den Prozesszustand und erlaubt somit Rückschlüsse auf die relative Belastung von Werkzeug und Maschine in Prozent. Die Software des Assistenz-Tools bietet ebenfalls den Mehrwert des spike®_polar. Zusätzlich wird die prozentuale Belastung des Halters auf Biegung und Torsion dargestellt. Über Schleppzeiger ist eine indirekte Verschleisserkennung möglich. Durch anwenderfreundliche und kompakte Visualisierung auf einem Tablet oder Touch-IPC erhält der Maschinenbediener die nötigen zusätzlichen Informati­onen, um seine Fertigung mit der gewohnten spike®-Performance zu überwachen.
Durch einstellbare Warngrenzen können Push-Nachrichten an die spike®_app ausgegeben werden, wenn kritische Werte erreicht werden. Zudem kann über die spike®_app auch ein Zustandsbericht des jeweiligen spike®_assist-Systems abgefragt werden. So hat der Maschinenbediener auch bei mannarmer Fertigung oder Produktionsleiter stets alle Maschinen im Blick – selbst von zuhause aus.
Die neueste durchgängige Lösung der Produktlinie besteht aus dem spike®_assist Halter, einem Tablet/HMI-Panel zu Visualisierung inklusive der benötigten Software und der Empfangseinheit spike®_connect_assist. Das gesamte System lässt sich in unter einer Minute einrichten und kann mit wenigen Klicks mit der spike®_app verbunden werden.

Ausblick
Vor dem Hintergrund des Fachkräftemangels wird die Umstellung auf digitale Lösungen in der Zerspanung unerlässlich. Während ein Grossteil der fertigenden Industrie noch über die Machbarkeit mannloser Fertigung spricht, bietet pro-micron mit den spike®-Systemen die Lösung für den digitalen Wandel in der Zerspanung. Möglichst mannarme Fertigung, optimierte Prozesse und höchste Werkzeugstandzeiten sind bereits jetzt für alle Firmen in der Zerspanung ein unumgängliches Thema. Firmen müssen jetzt intelligent investieren um auch zukünftig Kosten zu sparen und so wettbewerbsfähig zu bleiben.
Durch ganzheitliche, vernetzte Nutzung der spike®-Systeme, angefangen vom Unterstützungstool für den Maschinenbediener mit spike®_assist, über serienbegleitende Prozessoptimierung mit spike®_expertline hin zur Prozessautomatisierung mit spike®_easyinline, bietet sich für die Kunden von pro-micron nicht nur ­eine Produktpalette, sondern eine Investition in die Zukunft – denn pro-micron entwickelt bereits heute an den Technologien von morgen.

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Termine

April

HANNOVER MESSE, Hannover

Die HANNOVER MESSE umfasst die Leitmessen 5G Arena, Automation, Motion & Drives, Digital Ecosystems, Energy Solution, Engineered Parts & Solutions, Future Hub, Global Business & Markets und Logistics
12. bis 16. April
www.hannovermesse.de

MedtecLIVE, Nürnberg

Event für die Wertschöpfungskette medizintechnischer Produkte
20. bis 22. April
www.medteclive.com

Drupa, Düsseldorf

No. 1 for printing technologies
20. bis 30. April
www.drupa.de

Mai

PCIM Europe, digital

Internationale Fachmesse und Konferenz für Leistungselektronik, Intelligente Antriebstechnik, Erneuerbare Energie und Energiemanagement
3. bis 7. Mai
www.pcim.de

SENSOR+TEST digital, Nürnberg

Internationale Fachmesse für Sensorik, Mess- und Prüftechnik
4. bis 6. Mai
www.sensor-test.com