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Längenänderung der Spindel muss durch einen Sensor erfasst werden: Ausgabe 14/2019, 05.09.2019

Empfindliche Sinnesorgane für hochpräzise Werkzeugmaschinen

Schneller, präziser, produktiver – das sind die wesentlichen Anforderungen bei der Entwicklung neuer Werkzeugmaschinen. Verbesserungen sind in vielen Fällen nur möglich, wenn ausgefeilte Sensorik zum Einsatz kommt. Konstrukteure bei Werkzeugmaschinenherstellern und deren Zulieferern profitieren davon, wenn sich die Sensoren möglichst einfach integrieren lassen.

Autor: Christian Niederhofer, Text und Bilder

Sensoren fungieren im Maschinen- und Anlagenbau quasi als Sinnesorgane der Maschine. Die Steuerung kann die Informationen der Sensoren verarbeiten und damit die Aktoren entsprechend ansteuern. Dabei gilt natürlich, dass die Maschine insgesamt nur so genau arbeiten kann, wie die Sensoren messen.

Fertigung in höchster Präzision
In den vergangenen Jahren ist ein regelrechter Boom nach hochpräzisen Werkzeugmaschinen zu beobachten. Diese fertigen Werkstücke teilweise mit einer Genauigkeit, die häufig im Mikrometerbereich liegt. Um solche Genauigkeiten erreichen zu können, muss die Konstruktion der Werkzeugmaschine in vielen Bereichen optimiert sein. Eine der kritischen Komponenten ist dabei die Spindel. Hohe Drehzahlen und die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück können zu einer Erwärmung der Spindel führen, die sich in einer Längenänderung bemerkbar macht. Eine Flüssigkeitskühlung der Spindel kann diesen Effekt zwar begrenzen, aber nicht komplett kompensieren. Zu dem Temperatureffekt können zusätzlich Längenänderungen kommen, die auf den hohen Zentrifugalkräften bei sehr schnell drehenden Spindeln beruhen.

Einbau aller komponenten in Spindel
Um sehr hohe Genauigkeiten bei der Werkstückbearbeitung zu erreichen, muss die Längenänderung der Spindel durch einen Sensor erfasst werden. Die CNC-Steuerung kann dann aufgrund des Messwerts die Position des Werkzeugs nachregeln. Das speziell für den Einsatz in Hochfrequenzspindeln entwickelte Messsystem SGS 4701 (Spindle Growth System) basiert auf induktiven Sensoren auf Wirbelstrombasis der Reihe eddyNCDT, die berührungslos und damit verschleissfrei messen. Das Messverfahren, das auf ferromagnetische und nichtferromagnetische Materialien abgestimmt werden kann, ist unempfindlich gegenüber Hitze, Staub oder Öl.
Die Bauform des Systems, das aus dem miniaturisierten Sensor, dem Sensorkabel und einem kompakten Controller besteht, ermöglicht es dem Konstrukteur, sämtliche Komponenten in die Spindel zu integrieren. Der Sensor wird in den meisten Anwendungen so in die Spindel eingebaut, dass er die  Längenänderung auf dem Labyrinth-Ring der Spindel misst. Der Controller kann entweder über einen Flansch am Spindelgehäuse montiert oder ebenfalls direkt in die Spindel integriert werden. Das Sensorsystem misst zusammen mit der Längenausdehnung auch die Temperatur und gibt diese ebenfalls an die Steuerung aus. Die Aufl ösung der Längenmessung beträgt 0,5 µm, womit eine hochpräzise Fertigung ermöglicht wird.

Wirksamer Schutz vor Kollisionen
Eine ebenfalls kritische Komponente einer Werkzeugmaschine ist das Werkzeugspannsystem. Moderne Bearbeitungszentren können in der Regel die Werkzeuge vollautomatisch wechseln und sorgen so für eine hohe Produktivität, die in vielen Fertigungsbetrieben benötigt wird. In einem Magazin sind die verschiedenen Werkzeuge jeweils in einem Werkzeughalter montiert. Beim Werkzeugwechsel entnimmt die Maschine automatisch den passenden Werkzeughalter und setzt ihn auf die Spindel, deren Spannsystem den Werkzeughalter verriegelt.
Die einwandfreie Funktion des Spannsystems an der Spindel ist dabei extrem wichtig. Eine falsche Position des Werkzeugs kann zu einer fehlerhaften Bearbeitung mit entsprechend hohen Kosten führen. Ist das Werkzeug verkantet, kann es sich durch die hohen Drehzahlen und die damit verbundenen Kräfte im schlimmsten Fall lösen und durch die Kollision mit Maschinenteilen hohen Schaden verursachen.

Berührungsloser Sensor ohne Verschleiss
Zur Überwachung der Spannposition werden häufi g Initiatoren oder Schaltringe verwendet, die allerdings aufwändig justiert werden müssen. Eine konstruktiv deutlich einfachere Lösung bieten die analogen Sensoren der Serie induSENSOR. Der zylindrische Sensor kann einfach in die Löseeinheit des Spannsystems integriert werden. Ein Ring, der als Messobjekt für den Sensor dient, wird einfach auf die Zugstange aufgeklebt. Das Messprinzip des Sensors ist berührungslos und unterliegt daher keinem Verschleiss. Da der Sensor ein Analogsignal liefert, das zur Hubbewegung der Zugstange proportional ist, ist mit dieser Lösung eine kontinuierliche Überwachung möglich. Das mühsame Einstellen des Schaltpunkts, das bei anderen Lösungen notwendig wird, kann hierbei komplett entfallen. Auch bei diesem Sensor ist die Sensorelektronik sehr klein und kann daher direkt vor Ort mit integriert werden.

Günstig und einfach zu integrieren
Ein weitere, häufi g zu lösende Messaufgabe in Werkzeugmaschinen ist die Positionsbestimmung des Reitstocks. Auch wenn diese Messung weder auf die Präzision noch auf die Sicherheit der Maschine einen direkten Einfl uss hat, stellt sie viele Konstrukteure vor eine Herausforderung. So muss die Position der Zentrierspitze des Reitstocks oft über einen sehr grossen Bereich bis zu einigen Metern bestimmt werden. Erschwerend kommt häufi g hinzu, dass der Platz für das entsprechende Messsystem beschränkt ist. Eine ideale und zudem kostengünstige Lösung stellen die Seilzugsensoren vom Typ wireSENSOR dar.
Durch die kompakte Bauform lassen sich die Sensoren auch bei beengten Platzverhältnissen einfach unterbringen. Der Sensor muss dabei nicht direkt in der Nähe des Reitstocks montiert werden, da das Messseil über Umlenkrollen sehr fl exibel in verschiedene Bereiche geführt werden kann. Die Sensoren haben in den typischen Ausführungen für Werkzeugmaschinen Messbereiche von 300 bis 2100 mm. Grössere Messbereiche sind ebenfalls auf Wunsch erhältlich. Die Sensoren sind sehr robust und auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, wie sie in einer Werkzeugmaschine herrschen, sehr langlebig.

Lösungen für verschiedenste Messaufgaben aus einer Hand
Mit den Sensoren von Micro-Epsilon erhält der Maschinenbauer die Möglichkeit, alle Messaufgaben mit Lösungen aus einer Hand zu realisieren. Neben den beschriebenen Aufgaben lassen sich auch andere Messaufgaben mit Produkten des Sensorspezialisten lösen. So kann beispielsweise der Lasersensor optoNCDT die Position der Werkzeugaufnahmen im Magazin exakt überprüfen. Die schnelle und präzise Positionsbestimmung wird häufi g während des Einrichtens der Werkzeugmaschine benötigt. Alle diese Sensoren verfügen über gängige Schnittstellen, mit denen sie sich einfach an die CNC-Steuerung anbinden lassen. Sie sind qualitativ sehr hochwertig, so dass die Zuver
lässigkeit der Werkzeugmaschine und damit deren Produktivität garantiert sind. Durch die miniaturisierte Bauform der meisten Sensoren lassen sie diese optimal in die Maschine integrieren, ohne dass aufwändige konstruktive Änderungen notwendig wären.

Infoservice
Micro-Epsilon (Swiss) AG
Industriestrasse 24, 9300 Wittenbach
Tel. 071 250 08 38, Fax 071 250 08 69
info@micro-epsilon.ch,www.micro-epsilon.ch

 

 



Werkzeugmaschinen können heute mit Genauigkeiten bis in den Mikrometerbereich fertigen – modernen Sensoren sei Dank


Sensoren vom Typ induSENSOR LVP bestimmen die Position der Zugstange im Werkzeugspannsystem und überprüfen so die korrekte Werkzeugposition


Das System zur Messung der Längenausdehnung der Spindel, das auf Wirbelstromsensoren der Reihe eddyNCDT basiert, lässt sich aufgrund der Miniaturisierung perfekt integrieren


Da das Messseil einfach umgelenkt werden kann, fügen sich die Seilzugsensoren sehr fl exibel in die Konstruktion der Maschine ein

Autor

Dipl.-Ing.(FH) Christian Niederhofer, Produktmanager Sensorik,
MICRO-EPSILON MESSTECHNIK GmbH & Co. KG
Königbacher Str. 15, DE-94496 Ortenburg
christian.niederhofer@micro-epsilon.de