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Miniatursensoren Spannprozesse mit induktiven Miniatursensoren überwachen

| Autor / Redakteur: Philipp Zähnler* / Jan Vollmuth

Mit induktiven Miniatursensoren lassen sich effektivere Spindellösungen für die Überwachung des Spannprozesses in einem Bearbeitungszentrum clever konstruieren.

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Mit seinem Portfolio an miniaturisierten und subminiaturisierten Induktiv-Sensoren mit mikrometergenauer Präzision bietet Baumer vielfältige Lösungen für den Werkzeugspannprozess.
Mit seinem Portfolio an miniaturisierten und subminiaturisierten Induktiv-Sensoren mit mikrometergenauer Präzision bietet Baumer vielfältige Lösungen für den Werkzeugspannprozess.
(Bild: Baumer)

Es geht blitzschnell: Der Werkzeugwechsel in vollautomatischen Bearbeitungszentren, von der Entnahme bis zum Einsetzen des neuen Werkzeugs in die Spindel, dauert nicht einmal eine Sekunde. Um eine maximale Anlageneffektivität zu erreichen, muss dieser höchst zuverlässig funktionieren. Dabei spielt die einwandfreie Funktion der kleinsten Induktivsensoren eine zentrale Rolle.

Damit das Bearbeitungsszentrum einwandfrei arbeiten kann, benötigt die Maschinensteuerung folgende wichtige Informationen über den Status des Spannfutters:

  • offen und kein Werkzeug gefasst,
  • geschlossen und kein Werkzeug gefasst, oder
  • geschlossen und Werkzeug gefasst.

Die entsprechenden Informationen liefern induktive Sensoren, wobei diese Aufgabe entweder mit einem messenden oder drei schaltenden induktiven Sensoren gelöst werden kann.

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Sensorik in die Motorspindel integriert

Bei Antriebs- und Spannlösungen ist die Sensorik in der Motorspindel integriert. Bei diesen beengten Platzverhältnissen müssen die Sensoren so klein wie möglich und dennoch leistungsstark sein. Der Schweizer Sensor-Hersteller Baumer bietet ein großes Portfolio an miniaturisierten und subminiaturisierten Induktiv-Sensoren mit mikrometergenauer Präzision. Ein Beispiel ist der induktive Näherungssensor IFRM 03 mit einem Durchmesser von nur 3 mm in unterschiedlichen Längen, wobei die kürzeste Variante 12 mm misst. Das Miniatur-Gehäuse enthält die komplette Auswerteelektronik. Zudem sind die industrietauglichen Sensoren robust, EMV-stabil und erfüllen die Schutzklasse IP 67. Hitze, ölige Umgebungen und Vibrationen, wie sie in Werkzeugmaschinen normal sind, können den Sensoren nichts anhaben.

Anstatt die drei Positionen der Zugstange mit schaltenden Sensoren zu erkennen, wäre ein analoger induktiver Abstandssensor die Alternative. Dies bedingt an der Zugstange einen Steilkegel statt eines Tellers. Durch einen mit der Zugstange verbundenen Steilkegel ist es für den messenden Sensor möglich, die Position der Zugstange zu erfassen und somit den Zustand des Spannfutters zu erkennen. Den drei Positionen der Stange lassen sich die Abstände beziehungsweise die jeweiligen Spannungswerte zuordnen, die in der Steuerung ausgewertet werden.

Buchtipp

Das Buch Industriesensorik beschreibt die Entwicklung und die praktische Anwendung der wichtigsten Sensoren. Durch anwendungsbezogene Fehleranalysen von Messsystemen, Sensoren und Sensorsystemen, jeweils ergänzt durch viele detaillierte, vollständig durchgerechnete Anwendungsbeispiele, eignet sich das Buch nicht nur für Studenten, sondern auch für Ingenieure und Techniker verschiedener Fachrichtungen.

Die Vorteile eines messenden Sensors

Der Einsatz eines messenden Sensors hat einige Vorteile: Zum einen benötigt ein Sensor weniger Platz als drei einzelne schaltende Sensoren und erzeugt weniger Montageaufwand. Zum anderen überwacht der Sensor den Zustand des Werkzeugspanners kontinuierlich. Das lässt sich beispielsweise erkennen, wenn das Werkzeug sich löst oder nicht zentriert eingespannt ist, weil etwa Späne zwischen Spindel und Werkzeug fallen.

Ein messender Sensor verbessert die Verlässlichkeit des Spannsystems und sichert sowohl die Qualität der Bearbeitung als auch die Anlagenverfügbarkeit, was sich in einer höheren Gesamtanlageneffektivität auswirkt. Voraussetzung sind eine mikrometergenaue Präzision des Sensors, ein möglichst großer Erfassungsbereich sowie ein geringer Temperaturdrift. Die kleinsten induktiven Abstandssensoren Alpha Prox von Baumer liefern hier verlässliche Messwerte und bieten eine hohe Genauigkeit, mit der sich eine maximale Reproduzierbarkeit der Werkzeugspannung erreichen lässt.

Einer besonders kleiner distanzmessender Induktiv-Sensor von Baumer ist der induktive Analogsensor IF08. Diese Produktfamilie besitzt ein quaderförmiges Gehäuse mit Abmessungen von 16 mm x 8 mm x 4,7 mm. Es enthält die komplette Auswerteelektronik sowie eine Bohrung zur flexiblen Montage auch bei engen Einbauverhältnissen. Die Messdistanz beträgt 2 mm mit einem Ausgangssignal von 0 bis 10 VDC.

Zusätzlich flexibel durch IO-Link

Zusätzliche Flexibilität bietet der miniaturisierte distanzmessende Induktiv-Sensor der Serie IR06 mit digitaler IO-Link-Schnittstelle. Sein Gehäuse ist nur 6,5 mm dick und 46 mm lang. Dank der standardisierten Schnittstelle kann der Spannprozess einfach in die Steuerung eingebunden werden. Die erfassten Werte können aufgezeichnet und über ein Histogramm ausgewertet werden. So können Messabweichungen frühzeitig erkannt werden und Fehleranalysen vereinfacht.

Des Weiteren stellt der Sensor zusätzliche Diagnosedaten bereit, beispielsweise die Temperatur des Sensors, was die Konstrukteure der Werkzeugmaschine nutzen können, um indirekt eine Erhitzung der Spindel zu erkennen. Darüber hinaus bietet der Sensor die bekannten Vorteile von IO-Link, wie die einfache Parametrierung und die schnelle Inbetriebnahme eines Austauschsensors durch den Download der Parameter vom IO-Link-Master anhand der Parameterserverfunktion. (jv)

* Philipp Zähnler ist Produktmanager für induktive Sensoren bei Baumer

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