Seminar Innovative Zerspanwerkzeuge der TU Dresden am 28

Seminar „Innovative Zerspanwerkzeuge“ der TU Dresden am 28. 09. 2007 Werkzeugüberwachung – prozessbegleitend und postprozess sich sinnvoll ergänzend Dr. -Ing. Klaus Nordmann Vortragender: Ralph Goebel (Vertriebsleiter Nordmann International Gmb. H) NORDMANN -1 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

NORDMANN Werkzeugüberwachung Unser Programm: • Steuerungsintegrierte Werkzeugüberwachung für offene CNCSteuerungen • Sensoren zur prozessbegleitenden Bruchüberwachung auch der kleinsten Werkzeuge (ab Ø 0, 05 mm) • Sensoren zur ergänzenden Postprozess. Werkzeuglängenkontrolle 16 Jahre Erfahrung im Bereich Werkzeugüberwachung und Prozesssteuerung für alle Arten spanender Werkzeugmaschinen NORDMANN -2 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Systemkonfiguration des Überwachungssystems NC-Bedienfeld Siemens, Bosch Rexroth, Fanuc, … Optionale Kontrolle, Datensicherung u. Messkurvenausdruck über einen PC Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe Progamm: 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren 100 d. B 80 60 USB, RS 232 oder Ethernet 40 20 0 25[sec]32 0 6 12 19 Tool Monitor SEM-Modul Profibus zur Steuerung von Siemens, Bosch Rexroth, Fanuc, … TOOL MONITOR SEM-MODUL Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe Progamm: 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren 100 d. B 80 ESC 60 OK Menü 40 CAN-Bus zu weiteren SEM-Modulen 20 0 0 6 12 19 Tool Monitor SEM-Modul NORDMANN 25[sec]32 - + Hürth/Germany TOOL MONITOR SEM-MODUL Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe Progamm: 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren ESC OK TOOLd. B 100 MONITOR SEM-MODUL 80 Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe 60 Progamm: 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren ESC OK Menü 40 TOOLd. B 100 MONITOR SEM-MODUL 20 80 0 Anzeigen Hilfe Programm Bearbeiten 60 0 6 12 19 Progamm: 3 Meßstelle 1: WLM Tool Monitor SEM-Modul Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren 40 100 d. B 80 60 40 20 0 NORDMANN 0 6 12 19 Tool Monitor SEM-Modul NORDMANN - + + Menü Hürth/Germany 25[sec]32 - Hürth/Germany 25[sec]32 0 6 12 19 Tool Monitor SEM-Modul Menü OK 25[sec]32 ESC - + Compactflash für Datensicherung und Software-Update Hürth/Germany NORDMANN -3 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Prozessbegleitende und Postprozess-Werkzeugüberwachung Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung Postprozess. Werkzeugüberwachung Indirekte Kontrolle während der Zerspanung über Wirkleistung, Zerspankraft oder Körperschall Pro: - Die Messung verlängert nicht die Produktionszeit. - Die Maschine wird im Augenblick des Werkzeug bruchs gestoppt. - Entlastung des Maschinenbedieners bzgl. „Ohr am Prozess“ - Erkennen von Prozessfehlern durch das Betrachten der Messkurven - Keine zusätzlichen Einbauten (z. B. Schwenktaster) in Werkzeugnähe erforderlich. -Verschleißfreie Sensorik. Contra: - Bietet nicht bei allen Werkzeugen und Brucharten Geometriekontrolle der Werkzeugschneide vor oder nach der Zerspanung mit Tastern, Lichtschranken oder ähnlichen Einrichtungen Pro: - Zum Teil höhere Brucherkennungssicherheit. - In der Regel einfache Handhabung. Contra: - Die Messung kann die Produktionszeit verlängern. - Die Maschine wird erst nach dem Werkzeugbruch gestoppt, d. h. ggfs. Beschädigung des Werkstückes oder Maschine oder des Werkzeughalters infolge beim Bruch auftretender Kräfte. - Nicht alle Prüfmethoden sind verschleißfrei. eine 100% Erkennungssicherheit. - Teilweise wird der Bruch erst beim Anschnitt des nächsten Werkstückes bemerkt, z. B. im Fall der Gewindebohrerbruchkontrolle mit Wirkleistung und Bruch im Augenblick der Drehrichtungsumkehr. Faustregel: Werkzeuge primär prozessbegleitend kontrollieren. Kleine Werkzeuge dürfen auch postprozess kontrolliert werden bzw. müssen teilweise postprozess kontrolliert werden. NORDMANN -4 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Überwachungsstrategien bzw. Grenzwerte zur Überwachung der Messkurven Gerade Grenzen Hüllkurven Kurvenausschnitt zur Berechnung d. Mittleren Höhe Gerade Grenze über Kurve Grenze über Mittlerer Höhe Grenze unter Mittlerer Höhe Mindestgrenze Obere Hüllkurve Untere Hüllkurve Gerade Grenze unter Kurve Anwendung der geraden Grenzen: ü Werkzeugbruchüberwachung ü Anschnitterkennung (zur schnellen Luftschnittüberwachung, insbesondere beim Schleifen) Anwendung der Hüllkurven: ü Exaktere Werkzeugbrucherkennung als mit geraden Grenzen Speziell zur Überwachung von Mehrspindelbohrköpfen mit Wirkleistungsmessung in Verbindung mit der gleitenden Anpassung der Hüllkurve (Autolearn) ü Speziell Mindestgrenze zur Kontrolle, ob Werkzeug vorhanden ist NORDMANN -5 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Mögliche Sensorpositionen zur Werkzeugüberwachung in Bearbeitungszentren (prozessbegleitend und postprozess) WLM-3 (Wirkleistungsmessung) WLM-3 Körperschallmessung SEH über einen Kühlschmierstoffstrahl als Schallwellenleiter (patentiert) Kühlschmierstoff LDS-2 (Laser-Distanzsensor) TOOL MONITOR SEM-MODUL LSA (Luftschallsensor) SEH Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe Progamm: 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren 100 d. B 80 60 OK Menü 40 20 0 0 6 12 19 Tool Monitor SEM-Modul HDS Kühlschmierstoff ESC NORDMANN 25[sec]32 - + Cologne/Germany (Hydro-Distanzsensor) (Patent angemeldet) SDS-Pilz (Staudrucksensor) Kühlschmierstoffstrahl als Schranke (patentiert) SDS-Kanone Werkstück Receiver SEA-Wireless (Drahtlose Körperschallmessung) NORDMANN -6 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Mögliche Sensorpositionen zur Werkzeugüberwachung in Transferstraßen und Rundtaktautomaten SEA-Mini (Körperschallmessung) Schallwellenleiter aus Federstahl (patentiert) Kühlschmierstoff SEH (Körperschallmessung) (patentiert) BSA (berührungslose Körperschallmessung) SDS (Strahlschranke) (patentiert) Kühlschmierstoff oder Pressluft BDA-L-Mini (Vorschubkraftmessung) WLM-3 (Wirkleistungs- WLM-3 messung) TOOL MONITOR SEM-MODUL Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe Progamm: 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren 100 d. B 80 ESC 60 OK Menü 40 20 0 0 6 12 19 Tool Monitor SEM-Modul 25[sec]32 - + NORDMANNKöln/Germany NORDMANN -7 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Körperschall- und Kraftsensoren aus dem NORDMANN-Programm Körperschallsensoren SEH: Körperschallaufnahme über einen Kühlschmierstoffstrahl für kleine Werkzeuge (patentiert) RSA: Werkzeugseitig mitro- tierender Körperschallsender und stehender Empfänger Kraftsensoren BSA: Induktive berührungslose Körperschallaufnahme an rotierenden Werkzeugen (Bohrspindeln, Abrichtrollen. . . ) SEA-Mini: Rauscharmer Kör- perschallaufnehmer von 0 Hz bis 1 MHz BDA-Kralle: Besonders hochempfindlich und sehr leicht zu montierender Längsdehnungssensor (patentiert) BDA-Q: Biegungssensor, z. B. für Kulissenhebel in Mehrspindeldrehautomaten (patentiert) BDA-Mini: Kraftsensoren für rotierende Spindeln, z. B. für Mehrspindelbohrköpfe BDA-Dübel: Zur Querdehnungsmessung in Maschinenteilen (patentiert) NORDMANN -8 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

3 -Phasen-Wirkleistungsmessgerät Hochempfindliche und reaktionsschnelle Wirkleistungsmessung Beispiele überwachbarer Bohrerdurchmesser: Spiralbohrer Ø 1, 8 mm auf 15 k. W-Spindel Spiralbohrer Ø 1, 5 mm auf 10 k. W-Spindel Spiralbohrer Ø 0, 75 mm auf 3, 5 k. W-Spindel Messstelle: 1 Leistung geglättet über 100 ms 40 30 1, 5 mm-Bohrer in 10 k. W-Spindel (100 % ED) 20 10 8. 75 sec. NORDMANN -9 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Mit einem Schall-Emissions-Hydrophon SEH am Bohrer Ø 1 mm gemessene Zerspanungssignale Kühlschmierstoffstrahl als Schallwellenleiter Bohrer Ø 1 mm NORDMANN - 10 - SEH (Körper. Schallmessung) Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Messwert des Schall-Emissions-Hydrophons (SEH) beim Ausbruch eines 0, 2 mm langen Stückes aus einem konischen Düsenbohrer Ø 1 mm Messstelle: 1 Kühlschmierstoffstrahl als Schallwellenleiter [d. B] Bruch 80 Bohrer Ø 1 mm 60 40 20 SEH (Körperschallmessung) Ausbruch (0, 2 mm) 8. 53 sec. NORDMANN - 11 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Körperschallaufnahme (Sensor SEH) unmittelbar vom Werkzeug über den Kühlschmierstoffstrahl als Schallwellenleiter in verschiedenen Maschinen Bearbeitungszentrum Rundtaktautomat Mehrspindel-Drehautomat SEH Vierspindliger Gewindebohrkopf Innendrehmeißel Bohrer Ø 1 mm CNC-Drehmaschine SEH Bohrer Ø 0, 8 mm Sensor SEH: Körperschallaufnahme über einen Kühlschmierstoffstrahl am Werkstück oder Werkzeug NORDMANN - 12 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Körperschallaufnahme über ein Federstahlelement als Schallwellenleiter (patentiertes Verfahren) Überwachung eines Mehrspindelbohrkopfes Beispiel: 12 -spindliger Gewindebohrkopf mit HSS-Gewindebohrern M 8 Die Körperschallaufnahme erfolgt von der Spannpratze der Werkstückspannvorrichtung Selbst kleine Ausbrüche einzelner Gewindegänge werden erkannt NORDMANN - 13 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Bohrer- und Fräserüberwachung per Luftschallmikrofon LSM Silentgummi als Halterung des LSM (Luftschallmessung) NORDMANN - 14 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Körperschallsensor per Funk Beispiel: Kontrolle auf Werkzeugbruch für mehrspindlige Bohrköpfe in Bearbeitungszentren Funkempfänger zur Montage innerhalb oder außerhalb der Maschine SEA-Wireless Akkupack für 14 Tage ununterbrochene Körperschallmesswertübertragung SEA-Wireless Sendereichweite 30 m NORDMANN - 15 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Kraftmessung an Kulissenhebeln in Mehrspindeldrehautomaten BDA-Kralle zur Längsdehnungsmessung (patentiert) BDA-Q zur Biegungsmessung (patentiert) BDA-Dübel zur Querdehnungsmessung in Bohrungen (patentiert) NORDMANN - 16 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Kraftmessung an der Vorschubstange im Mehrspindeldrehautomaten NORDMANN - 17 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Piezoelektrische 3 D-Kraftmessung Montage unter Revolverkasten in CNC-Drehmaschine ü Messung in allen 3 Raumrichtungen erhöht Überwachungssicherheit ü Hohe Eigensteifigkeit Kraftsensor unter dem Revolverkasten ü Hohe Messempfindlichkeit ü Integrierter 3 -Kanal-Ladungsverstärker ü Vorspannung über zwei gegeneinander verspannbare Keile NORDMANN - 18 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Hydro-Distanzsensor HDS zur Anwendung bei der Postprozess-Bohrerbruchkontrolle Messung axial zum Bohrer (z-Richtung) Messung quer zum Bohrer (x- oder y-Richtung) y x z (Hydro-Distanzsensor) z HDS Kühlschmierstoff-Strahl Messbereich z. B. : 10… 100 mm 10… 250 mm 10… 500 mm Messabstand Besondere Eigenschaften: ü Liefert einen dem Abstand zur Bohrerspitze proportionalen Messwert, sobald der Bohrer den Strahl berührt ü Wird nur einseitig vom Werkzeug montiert (im Gegensatz zur Lichtschranke) ü Mindestdurchmesser des Bohrers: 0, 1 mm ü Ist verschleißlos (im Gegensatz zu mechanischen Einrichtungen) ü Prüfung des Werkzeuges im Eilgang HDS (Hydro-Distanzsensor) NORDMANN - 19 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Werkzeuglängenprüfung mit dem Hydrodistanzsensor HDS Bearbeitungszentrum Rundtaktautomat HDS Werkzeugmagazin im BZ CNC-Drehmaschine HDS NORDMANN - 20 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Postprozess-Bohrerbruchkontrolle mit einer Kühlschmierstoff-Strahlschranke Bohrer gebrochen oder nicht im Prüfstrahl Bohrer i. O. Blende Kühlschmerstoffdüse (SDS-Kanone) Staudrucksensor BDA-Pilz Blende Kühlschmierstoffdüse (SDS-Kanone) Staudrucksensor BDA-Pilz Besondere Eigenschaften: ü Einfache Montage ü Verschleißfrei und verschmutzungsunabhängig ü Kein störender Prüfdraht im Arbeitsraum ü Kleinste Bohrer ab Ø 0, 1 mm können kontrolliert werden ü Wird von aus dem Bohrer laufendem Kühlschmierstoff nicht gestört ü Erkennt den Bohrer auch beim Durchfahren des Prüfstrahls im Eilgang (bis 120 m/min) NORDMANN - 21 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Kühlschmierstoff-Strahlschranke in einem Bearbeitungszentrum Strahldüse Diagonaler Kühlschmierstoffstrahl Staudrucksensor (BDA-Pilz) NORDMANN - 22 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Strahlschranke SDS als Gabelschranke für Kühlschmierstoff oder Pressluft Typ C Typ U Bohrer Ø 0, 45 mm Staudrucksensor Kühlschmierstoffdüse U U P P TOOL MONITORSEM-MODUL Kühlschmierstoff oder Pressluft Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe Progamm : 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren 100 d. B 80 ESC 60 OK Menü 40 20 0 0 6 Tool Monitor SEM 12 19 25 [sec] 32 -Modul - + NORDMANNKöln/Germany TOOL MONITORSEM-MODUL Programm Bearbeiten Anzeigen Hilfe Progamm : 3 Meßstelle 1: WLM Kurve: Leistung Schnitt 1: Bohren 100 d. B 80 ESC 60 OK Menü 40 20 0 0 6 Tool Monitor SEM 12 19 25 [sec] 32 -Modul NORDMANNKöln/Germany - + Kühlschmierstoff oder Pressluft NORDMANN - 23 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Strahlschranke SDS mit Pressluftstrahl kontrollierte Bohrer Strahlschranke SDS mit Pressluftstrahl NORDMANN - 24 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Kontrolle der Bohrer in Mehrspindelbohrköpfen mit dem elektromagnetischen Sensor EMS Werkstück EMS (elektromagnetischer Sensor) Die sicherste Lösung für Mehrspindelbohrköpfe: • Prozessbegleitende berührungslose Kontrolle der Bohrerschwingungen während des Bohrens, um Rattern oder Bruch anzuzeigen. • Zusätzlich oder auch ausschließlich Kontrolle der Bohrerspitze auf Vorhandensein während der Rückzugbewegung des Bohrers. • Bis zu 24 Sensoren für 24 Bohrer eines Bohrkopfes an einem Tool Monitor anschließbar. NORDMANN - 25 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Sensor-Auswahltabelle für verschiedene Werkzeugmaschinen Prozessbegleitende Messverfahren Postprozess Wirkleistung Drehmoment Kraft Körperschall (berührend) Körperschall, Luftschall, (berührungslos) Strahlschranken mittels KSS, Pressluft oder Laser Distanzmessung mittels KSS oder Laser CNCDrehmaschinen WLM-3 oder sensorlos über Profibus 3 D-KMS SEA-Mini, SEA-Feder, SEA-Wireless SEH, RSA-Ring SDS-Gabel Typ U, SDS-Gabel Typ C HDS, LDS-2 Mehrspindel. Drehautomaten WLM-3 oder sensorlos über Profibus DMA oder sensorlos mit Profibus BDA-Q, BDA-Kralle SEA-Mini SEH SDS-Gabel Typ U, SDS-Gabel Typ C (nicht erforderlich) Bearbeitungszentren WLM-3 oder sensorlos über Profibus sensorlos über (nicht Profibus erforderlich) SEA-Mini, SEA-Feder, SNF-SEA, SEA-Wireless SEH, LSM SDS-Kanone, LS-S/-E HDS, LDS-2 Rundtaktautomaten Transferstraßen WLM-3 oder sensorlos über Profibus DMA oder BDA-L-Mini sensorlos über BDA-Kralle Profibus SEA-Feder SEH, BSA SDS-Gabel Typ U, SDS-Gabel Typ C HDS, LDS-2 Schleifmaschinen WLM-3 oder sensorlos über Profibus SEA-Mini SEH, BSA, RSA (-2), RSA-Ring SDS-Gabel Typ U, SDS-Gabel Typ C (nicht erforderlich) Werkzeugmaschinen Sensoren Legende: SEA-Mini: SEA-Feder: SNF-SEA: SEH: SEA-Wireless: BSA: RSA(-2, -Ring): LSM: (nicht erforderlich) BDA-L-Mini Körperschallaufnehmer SEA-Mini mit Federstahlelement als Wellenleiter Superniederfrequenter Schwingungsaufnehmer Körperschallaufnahme über einen Kühlschmierstoffstrahl Körperschallaufnehmer mit Funkübertragung Elektromagnetischer Körperschallaufnehmer Rotierender Sensor mit berührungsloser Übertragung Luftschallmikrofon SDS-Gabel: Gabelschranken für kurze KSS- oder Luftstrahle SDS-Kanone: Massive Strahlschranke mit langem KSS-Freistrahl - 26 - WLM-3: 3 D-KMS: BDA-Q: BDA-Kralle: BDA-L-Mini: DMA: Dreiphasen-Wirkleistungsmessgerät Dreidimensional messende Piezoquarz-Messscheibe Biegungssensor zur Vorschubkraftmessung Dehnungssensor zur Vorschubkraftmessung Wirbelstrom-Wegsensor zur Vorschubkraftmessung Berührungsloser Drehmomentaufnehmer HDS: LDS-2: Hydrodistanzsensor zur Abstandsmessung per KSS Laserdistanzsensor NORDMANN Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit NORDMANN - 27 - Prozessbegleitende Werkzeugüberwachung