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Sensorik

Präzise Sensorik für Werkzeugmaschinen

| Autor/ Redakteur: Dipl.-Ing.(FH) Christian Niederhofer* / Jan Vollmuth

Die Forderung nach immer präziseren Werkzeugmaschinen lässt sich nur mithilfe von höchst präzisen Sensoren erfüllen – die sich zudem einfach integrieren lassen sollten.

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Werkzeugmaschinen können heute mit Genauigkeiten bis in den Mikrometerbereich fertigen. Moderne Sensoren von Micro-Epsilon ermöglichen dies.
Werkzeugmaschinen können heute mit Genauigkeiten bis in den Mikrometerbereich fertigen. Moderne Sensoren von Micro-Epsilon ermöglichen dies.
(Bild: ©Kadmy - stock.adobe.com)

Schneller, präziser, produktiver – das sind die wesentlichen Anforderungen bei der Entwicklung neuer Werkzeugmaschinen. Diese Anforderungen können häufig nur unter Einsatz ausgefeilter Sensorik erfüllt werden, die quasi als Sinnesorgane der Maschine fungieren. Die Steuerung verarbeitet die Informationen der Sensoren und steuert die Aktoren der Maschine entsprechend an. Dabei gilt: Eine Maschine kann insgesamt nur so genau arbeiten, wie die in ihr verbauten Sensoren messen.

Wo Sensoren optimieren können

Beispiel Spindel: Sie ist eine der kritischen Komponenten für die Genauigkeit der Bearbeitung. Hohe Drehzahlen und die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück können zu ihrer Erwärmung führen, was eine Längenänderung hervorruft. Flüssigkeitskühlung der Spindel kann diesen Effekt begrenzen, aber nicht komplett kompensieren. Zusätzlich können hohe Zentrifugalkräfte bei sehr schnell drehenden Spindeln zu deren Längenänderungen führen.

Das System zur Messung der Längenausdehnung der Spindel, das auf Wirbelstromsensoren der Reihe Eddy-NCDT von Micro-Epsilon basiert, lässt sich aufgrund der Miniaturisierung perfekt integrieren.
Das System zur Messung der Längenausdehnung der Spindel, das auf Wirbelstromsensoren der Reihe Eddy-NCDT von Micro-Epsilon basiert, lässt sich aufgrund der Miniaturisierung perfekt integrieren.
(Bild: Micro-Epsilon)

Die Lösung: Ein Sensor erfasst die Längenänderung der Spindel, die CNC-Steuerung korrigiert anschließend aufgrund des Messwerts die Position des Werkzeugs. Micro-Epsilon bietet für diese Anwendung das Messsystem SGS 4701 (Spindle Growth System) an, das speziell für den Einsatz in Hochfrequenz-Spindeln entwickelt wurde und vollständig in eine Spindel integriert werden kann. Das System basiert auf induktiven Wirbelstromsensoren der Reihe Eddy-NCDT, die berührungslos und damit verschleißfrei messen. Das Messverfahren kann auf ferromagnetische und nichtferromagnetische Materialien abgestimmt werden und ist unempfindlich gegenüber Hitze, Staub oder Öl.

Das System besteht das aus dem miniaturisierten Sensor, einem Sensorkabel und kompakten Controller. Der Sensor wird meist so 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 neben der Längenausdehnung auch die Temperatur und gibt gibt beide Werte an die Steuerung weiter. Die Auflösung der Längenmessung beträgt 0,5 µm, was eine hochpräzise Fertigung ermöglicht.

Beispiel Werkzeugspannsystem: Moderne Bearbeitungszentren können in der Regel Werkzeuge vollautomatisch wechseln. In einem Magazin sind die verschiedenen Werkzeuge jeweils in einem Werkzeughalter montiert. Bei einem Werkzeugwechsel entnimmt die Maschine automatisch den passenden Werkzeughalter und setzt ihn auf die Spindel, deren Spannsystem den Werkzeughalter verriegelt. Das Spannsystem an der Spindel muss fehlerfrei funktionieren: Ein falsch positioniertes Werkzeug 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.

Sensoren vom Typ Indu-Sensor LVP bestimmen die Position der Zugstange im Werkzeugspannsystem und überprüfen so die korrekte Werkzeugposition.
Sensoren vom Typ Indu-Sensor LVP bestimmen die Position der Zugstange im Werkzeugspannsystem und überprüfen so die korrekte Werkzeugposition.
(Bild: Micro-Epsilon)

Die Lösung: Statt die Spannposition mit Initiatoren oder Schaltringen zu prüfen, die aufwendig justiert werden müssen, lassen sich die analogen Sensoren der Serie Indu-Sensor LVP von Micro-Epsilon einfach in die Löseeinheit des Spannsystems integrieren. 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 aufwendige Einstellen des Schaltpunkts kann entfallen. Auch dieser Sensor kann dank seiner geringen Größe direkt vor Ort integriert werden.

Beispiel Positionsbestimmung des Reitstocks: Diese Messung hat weder auf die Präzision noch auf die Sicherheit der Maschine direkten Einfluss, stellt jedoch häufig eine Herausforderung dar. So muss die Position der Zentrierspitze des Reitstocks oft über eine sehr große Distanz bis zu einigen Metern bestimmt werden. Erschwerend kommt häufig hinzu, dass der Platz für das entsprechenden Messsystems beschränkt ist.

Da das Mess-Seil einfach umgelenkt werden kann, fügen sich die Seilzugsensoren sehr flexibel in die Konstruktion der Maschine ein.
Da das Mess-Seil einfach umgelenkt werden kann, fügen sich die Seilzugsensoren sehr flexibel in die Konstruktion der Maschine ein.
(Bild: Micro-Epsilon)

Die Lösung: Seilzugsensoren vom Typ Wire-Sensor von Micro-Epsilon finden dank kompakter Bauform auch bei beengten Verhältnissen Platz. Der Sensor muss zudem nicht in der Nähe des Reitstocks montiert werden, da das Messseil über Umlenkrollen flexibel in verschiedene Bereiche geführt werden kann. Die Sensoren bieten Messbereiche von 300 mm bis 2100 mm. Größere Messbereiche sind erhältlich. Die Sensoren sind sehr robust und auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen, wie sie in einer Werkzeugmaschine herrschen, sehr langlebig.

Lösungen für verschiedenste Messaufgaben

Mit den Sensoren von Micro-Epsilon erhält der Maschinenbauer die Möglichkeit, alle Messaufgaben mit Lösungen aus einer Hand zu realisieren. Neben den oben beschriebenen Aufgaben lassen sich auch andere Messaufgaben mit Produkten des Sensor-Spezialisten lösen. So kann beispielsweise der Lasersensor Opto-NCDT die Position der Werkzeugaufnahmen im Magazin exakt überprüfen. Die schnelle und präzise Positionsbestimmung wird häufig während des Einrichtens der Werkzeugmaschine benötigt.

Sensoren von Micro-Epsilon verfügen über gängige Schnittstellen, mit denen sie sich einfach an die CNC-Steuerung anbinden lassen. Durch die miniaturisierte Bauform der meisten Sensoren lassen sie diese optimal in die Maschine integrieren, ohne dass aufwändige konstruktive Änderungen notwendig wären. (jv)

Dipl.-Ing.(FH) Christian Niederhofer ist Produktmanager Sensorik bei Micro-Epsilon Messtechnik in Ortenburg.
Dipl.-Ing.(FH) Christian Niederhofer ist Produktmanager Sensorik bei Micro-Epsilon Messtechnik in Ortenburg.
(Bild: Micro-Epsilon)

* Dipl.-Ing.(FH) Christian Niederhofer ist Produktmanager Sensorik bei Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

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