Gebannte Gefahr Neuartige Werkzeugüberwachung für das mobile Seilschleifen

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IFW Produktionstechnisches Zentrum der Leibniz Universität Hannover / PZH

Das mobile Seilschleifen ist ein Trennschleifverfahren, bei dem ein Seil rasch durch ein Werkstück schneidet. Oft kommt es unversehens zum gefährlichen Seilriss. Forscher wollen das Problem lösen.

Das Seilschleifen, einem Trennschleifverfahren, das aus dem Bereich der Natursteingewinnung stammt, wird heute als mobiles Seilschleifen in Bereichen wie dem Rückbau kerntechnischer Anlagen sowie der Bauindustrie eingesetzt. Verglichen mit anderen Fertigungsverfahren (etwa dem Wandsägen) bietet der Prozess viel mehr Flexibilität hinsichtlich Bauteilgeometrie/-volumen sowie mit Blick auf die trennbaren Werkstoffe. Weitere Vorteile sind der geringe Platzbedarf, Rüstaufwand und Lärm­emission. Bild 1 zeigt den schematischen Aufbau einer mobilen Seilschleifmaschine.

Während des Schleifens wird dabei kontinuierlich Material vom Werkstück abgetragen. Dazu wird das Schneidseil mithilfe der Vorschubeinheit in die Seilschleif­maschine eingezogen, um den erforderlichen Kontakt zwischen Werkzeug und Werkstück zu gewährleisten.

Die für den Trennprozess erforderliche Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück wird durch das Antriebsrad (maximal 30 m/s) erzeugt. Infolge des kontinuierlichen Trennprozesses verkürzt sich die Eingriffslänge des Schneidseils im Werkstück. Das freiwerdende Schneidseil wird durch die Vorschubeinheit in den Seilspeicher eingezogen.

In Bild 2 wird der Aufbau gängiger Schneidseile dargestellt. Hierbei sind die sogenannten Schneidperlen auf das Grund­trägerseil aufgefädelt. Die Schneidperlen bestehen aus einem metallischen Grundkörper, auf dem Diamanten per Bindungsmatrix fixiert sind. Unterschieden wird dabei zwischen galvanischer, aktiv gelöteter und gesinterten Bindungsmatrix. Damit die Schneidperlen garantiert einen definierten Abstand zueinander beibehalten, werden Federelemente genutzt. Zum Schutz des Grundträgerseils und der Feder­elemente sind diese gummiert.

Es mangelt an der Prozessüberwachung

Das Seilschleifen ist auch durch sich ständig ändernde Eingriffsbedingungen geprägt. Die Ursachen sind der Schnittfortschritt (Änderung der Eingriffslänge) sowie unvorhersehbare Materialänderungen im Werkstück (Hohlräume, oder etwa Beton zu Stahl). Deshalb muss die Seilspannung stetig händisch adaptiert werden, um eine möglichst hohe Produktivität zu gewährleisten und Prozessfehler zu vermeiden. Denn eine unzureichende Anpassung der Prozessparameter führt zu Problemen, wie einseitigem Perlenverschleiß oder gar Werkzeugversagen.

Einseitiger Perlenverschleiß resultiert aus einer immer gleichen Ausrichtung der Schneidperlen zum Werkstück. Das ist für die Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit aber von besonderer Bedeutung. Durch die einseitige Ausrichtung wird nämlich nicht der gesamte Schleifbelag für den Trennprozess verwendet. Die erreichbare Gesamtschnittfläche und somit die Produktivität reduzieren sich so um bis zu 35 Prozent. Deshalb wird das Diamantseil manuell eingedreht, wodurch eine axiale Rotation der Schneidperlen erreicht wird. Eine weitere Folge des einseitigen Perlenverschleißes ist die Abnutzung der Schneidperlen bis auf das Grundträgerseil. Durchs sie kann es zum Aufschieben der Schneidperlen kommen. Das Problem stellt im Gegensatz zum einseitige Perlenverschleiß ein signifikantes Sicher­heitsrisiko dar. Bleibt es unentdeckt, kommt es stets zum Werkzeugversagen (Seilriss). Dieser stellt ein enormes Gefährdungspotenzial für Mensch und Maschine dar. Es kann sogar zu tödlichen Unfällen kommen.

An eine manuelle Überwachung des Werkzeugs während des Prozesses ist aufgrund der hohen Seilgeschwindigkeit jedoch nicht zu denken. Deshalb muss der Prozess zur Überprüfung des Schneidseils regelmäßig alle ein bis zwei Stunden unterbrochen und das dann zugängliche Schneidseil durch den Maschinenbediener kontrolliert werden. Stichprobenartig werden dann Schneidperlen per Messschieber auf einseitigen Verschleiß hin überprüft. Die Untersuchung hinsichtlich eines Aufschiebens der Schneidperlen erfolgt hingegen durch eine Sichtprüfung.

Eine Innovation überwacht den Werkzeugaufbau

Um diese Fehler zu vermeiden, ist eine kontinuierliche und objektive Überwachung erforderlich. Weil vor allem das Aufschieben der Schneidperlen so gefährlich ist, entwickelt das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) mit der Cedima Diamantwerkzeug- und Maschinenbaugesellschaft mbH im Rahmen eines Forschungsprojektes einen neuartigen Ansatz zur Überwachung des Werkzeugs. Die neue Möglichkeit zur Messung der Schneidperlen veranschaulicht Bild 3. Dabei wird mit einem Wirbelstromsensor erkannt, wenn sich eine der metallischen Schneidperlen vorbei bewegt. So kann die Zeitdauer Δt zwischen zwei Schneidperlen bestimmt werden. Ändert sich die Dauer bei konstanter Seilgeschwindigkeit vs, weist das auf eine Änderung des Schneidperlenabstands hin. Der Einsatz des Wirbelstromsensors begründet sich in der hohen Robustheit bei rauen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Staub, Wasser) sowie der hohen Abtastrate von etwa 100 kHz bei 30 m/s.

Nachweislich funktioniert dieser Messansatz

Der Funktionsnachweis basiert auf experimentellen Untersuchungen. Die Versuche wurden an dem in Bild 4 dargestellten Aufbau durchgeführt. Dazu wurde das Messsystem in eine Flachschleifmaschine des Typs FS 840 KT CNC integriert. Das trockene Seilschleifen von Stahl (S355JR) wurde gewählt. Die Messwerterfassung erfolgt am Antriebsrad, um den Einfluss von Seilschwingungen zu minimieren. Die Drehzahl wurde über einen induktiven Sensor am Antriebsrad gemessen, um eventuell auftretende Variationen der Seilgeschwindigkeit bei der Auswertung berücksichtigen zu können.

Ein Teilabschnitt des Messsignals zeigt Bild 5. Wie im Diagramm deutlich wird, sind die einzelnen Komponenten des Werkzeugs eindeutig identifizierbar. Befindet sich keine Schneidperle im Messbereich des Wirbelstromsensors, ist das Signal maximal (kein Mess­objekt vorhanden). Umgekehrt reduziert sich der Abstand s, wodurch die Signalamplitude kleiner wird. Auch ist zu erkennen, dass die Signalamplituden nicht konstant sind. Das ist auf den ungleichmäßigen Durchmesser der Schneidperlen zurückzuführen, der durch die geringfügigen Abweichungen des Abstandes s zwischen Sensor und Schneidperle erklärt werden kann. Entsprechend dem Ansatz aus Bild 3 lässt sich ebenfalls die Zeitdifferenz Δt zwischen zwei Schneidperlen bestimmen (Bild 5). Der Verbinder hat einen vergleichsweise geringen Einfluss auf das Messsignal und kann aufgrund des größeren Zeitabschnitts zwischen zwei Schneidperlen eindeutig identifiziert werden. Als Folge kann der Verbinder bei der Überwachung des Schneidperlenabstands berücksichtigt werden, wodurch Fehlalarme verhindert werden.

Erste Zusammenfassungen der Erkenntnisse

Bis hierher kann festgestellt werden, dass der hier erklärte Messansatz zur Überwachung des Aufschiebens der Schneidperlen beim mobilen Seilschleifen geeignet ist. Im nächsten Schritt, über den Sie im nächsten Abschnitt lesen, wird der Einfluss einer sich aufschiebenden Schneidperle auf das Messsignal betrachtet und darauf aufbauend der Überwachungsansatz vorgestellt.

Überwachungsanstz für das mobile Seilschleifen

Der Schleifprozess erfordert aufgrund der sich ständig ändernden Eingriffsbedingungen eine kontinuierliche Adaption der Prozessparameter. Die Anpassung der Seilspannung und der Seilgeschwindigkeit muss händisch durch den Bediener erfolgen. Geschieht das nicht oder auch nur unzureichend, können die Perlen einseitig verschleißen oder das Werkzeug kann versagen. Letzteres ist ein Resultat aus dem Aufschieben der Schneidperlen und stellt ein signifikantes Sicherheitsrisiko dar. Wird dieses nicht frühzeitig erkannt, kommt es stets zu einem für Mensch und Maschine gefährlichen Werkzeugversagen (Seilriss). Dabei kam es bereits zu tödlichen Unfällen.

Eine manuelle Überwachung des Werkzeugaufbaus durch den Bediener während des Prozesses ist aufgrund der hohen Seilgeschwindigkeit nicht möglich. Ein geeignetes Mess- und Überwachungssystem existiert bislang nicht. Deshalb wird der Prozess regelmäßig (in 1- bis 2-Stunden-Intervallen) unterbrochen und das zugängliche Schneidseil durch den Bediener kontrolliert. Die Überprüfung hinsichtlich eines Aufschiebens der Schneidperlen erfolgt dabei mittels Sichtprüfung. Diese Art der Kontrolle reduziert aber die Produktivität und dennoch gibt es keine garantierte Prozesssicherheit.

Das Aufschieben der Seilperlen ist gut identifizierbar

Um dem zu begegnen, wurde in Kooperation zwischen dem Unternehmen Cedima Diamantwerkzeug- und Maschinenbaugesellschaft mbH und dem Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der oben schon beschriebene, neuartige Ansatz zur Überwachung des Werkzeugs entwickelt. Hierbei identifiziert ein Wirbelstromsensor, ob die metallischen Schneidperlen vorhanden sind. Der Funktionsnachweis wurde am bewegten Schneidseil durchgeführt und ist in Bild 6 prinzipiell dargestellt. Der Werkzeugaufbau wird üblicherweise anhand der geometrischen Größen Schleifsegmentlänge l_s und Teilung l_t beschrieben, wobei das Verhältnis der Schleifsegmentlänge zur Teilung als Segmentierung des Schleifwerkzeugs λ beschrieben wird. Die genannten geometrischen Größen können ebenfalls über deren zeitliche Dauer beschrieben werden, woraus sich die Schleifsegmentdauer t_s und die Teilungsdauer t_t ableiten.

Im nächsten Schritt wurde der Einfluss von Verschiebungen der Schneidperle und des Verbinders auf die Schleifsegmentdauer t_s und die Teilungsdauer t_t untersucht. Dazu wurde ein Analogieseil mit beweglichen Schneidperlen verwendet. Damit konstante Randbedingungen existieren, wurde der Wirbelstromsensor mithilfe einer Linearachse im Abstand von 1,5 Millimetern entlang des Analogieseils verfahren. Bild 7 stellt den Einfluss einer aufgeschobenen Schneidperle in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Teilungen l_t auf die Teilungsdauer t_t und die Schleifsegmentdauer t_s dar.

Wie die Ergebnisse beweisen, korreliert die Teilungsdauer t_t mit der Teilung l_t (maximale Standardabweichung t_s und t_t = 0,01 s bei Konfidenzintervall ± 3 σ). Die Schleifsegmentdauer t_s hingegen bleibt bis zum vollständigen Aufschieben der Schneidperle konstant. Zurückzuführen ist dies darauf, dass im vollständig aufgeschobenen Zustand die Schneidperlen nicht mehr einzeln identifiziert werden können. Entsprechend wird eine Schneidperle mit der doppelten Schleifsegmentdauer t_s interpretiert.

Der Seilverbinder (Bild 8) wirkt sich nur auf die Teilungsdauer t_t aus. Jedoch erzeugt dieser im Gegensatz zu einer sich aufschiebenden Schneidperle nur einen signifikanten Peak (t_tver). Ein Einfluss auf die Schleifsegmentdauer t_s liegt nicht vor. Das heißt, der Seilverbinder kann eindeutig von einer sich aufschiebenden Schneidperle unterschieden werden.

Integration in die mobile Seilschleifmaschine

Entsprechend den dargestellten Ergebnissen leitet sich der Überwachungsansatz in Bild 9 ab. Um die fertigungsbedingte Varianz der Perlenabstände zu berücksichtigen, wird der Ist-Wert der Teilungsdauer t_t und der Schleifsegmentdauer t_s mit einem toleranzbandbehafteten, gleitenden Mittelwert verglichen. Erfolgt eine Überschreitung der Grenzen, kann dies auf ein Aufschieben der Schneidperlen zurückgeführt werden.

Während des Trennprozesses kann es auch zu Schlupfeffekten zwischen Antriebsrad und Schneidseil kommen, was etwa infolge einer zu geringen Seilspannung geschieht. Hierdurch werden die betrachteten Merkmale t_t beziehungsweise t_s beeinflusst. Entsprechend muss das Auftreten eines Seilschlupfs für eine robuste Überwachung berücksichtigt werden. Geschieht dies nicht, kommt es zu Fehlalarmen. Zielführend ist dazu die Nutzung eines zweiten, aber versetzten Wirbelstromsensors (auch Bild 9). Sind Schneidperlen verschoben, so detektieren beide Sensoren signifikante Abweichungen in der Teilungsdauer t_t und der Schleifsegmentdauer t_s. Kommt es zum Schlupf, stimmen die Ergebnisse nicht überein. Folglich kann anhand des vorgestellten Ansatzes der Werkzeugaufbau und auch der Schlupf am Antriebsrad überwacht werden.

Weil das Schneidseil aufgrund der Prozessbedingungen schwingt (vergleichbar mit einer Gitarrensaite) und der Wirbelstromsensor einen eingeschränkten Messbereich besitzt, ist eine Positionierung des Sensors am Antriebsrad (siehe Bild 5) der mobilen Seilschleifmaschine nötig. Dies begründet sich dadurch, dass durch das Aufliegen des Schneidseils am Antriebsrad ein schwingungsarmer Zustand sichergestellt ist. Zudem wird ein definierter Abstand zwischen Schneidseil und Sensor gewährleistet.

Das Fazit und der Ausblick für die Praxis

Zusammenfassend wurde gezeigt, dass der vorgestellte neuartige Mess- und Überwachungsansatz grundlegend dafür geeignet ist, um eine In-Prozess-Überwachung des Werkzeugaufbaus zu ermöglichen. Entsprechend kann die Detektion des Aufschiebens der Schneidperlen in die Praxis umgesetzt werden, wodurch die Gefahr von Seilrissen reduziert wird. So besteht die Möglichkeit, frühzeitig ein beschädigtes Schneidseil zu identifizieren und eine bedarfsorientierte, planbare Unterbrechung des Trennprozesses durchzuführen. Das minimiert die Zeit von Maschinenstillständen und steigert folglich die Produktivität. Darüber hinaus eignet sich der Ansatz auch dazu, ein schlupfendes Antriebsrad zu erkennen.

Dieser Artikel entstand im Rahmen des vom zentralen Innovationsprogramm Mittelstand geförderten Projekts „Else“. Besonderer Dank gilt dem BMWi für die Förderung und dem Kooperationspartner Cedima Diamantwerkzeug- und Maschinenbaugesellschaft mbH für die Zusammenarbeit.

* Prof. Dr.-Ing. Berend Denkena ist Leiter des Instituts für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover. Dr.-Ing. Benjamin Bergmann leitet am IFW den Bereich Maschinen und Steuerungen. M. Sc. Björn-Holger Rahner ist wissenschaftlicher Mitarbeiter, Maschinentechnologie Research Assistant, Machine technology, ebenda. Weitere Informationen: www.ifw.uni-hannover.de

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