smartTOOL: Hochsensitive Prozessüberwachung direkt am Werkzeug

Sie produzieren mit modernen Werkzeugmaschinen, können deren Leistungspotenzial jedoch nicht vollkommen ausnutzen? Oder stoßen Sie auf Grenzen bei der Automatisierung Ihrer Werkzeugmaschinen und somit bei der Realisierung mannloser Produktionsprozesse? Grund dafür sind oft mangelnde Informationen über den Zerspanungsprozess, das Auftreten von Prozessanomalien, den Werkzeugzustand oder die Qualität der gefertigte Bauteile. Eine aussagekräftige Prozessüberwachung schafft Abhilfe!

Digitalisierung steht als Befähiger zunehmend im Fokus der Entwicklungen, wenn es um die Steigerung von Produktivität, Wirtschaftlichkeit und Flexibilität moderner Fertigungsprozesse geht. Der gemeinsam von Fraunhofer IWU und Fraunhofer IIS im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies CCIT entwickelte intelligente Werkzeughalter smartTOOL schafft die dafür erforderliche Transparenz mittels wirkstellennaher Sensorintegration. Die gewonnenen, hochsensitiven Daten bilden die Basis für eine umfassende Überwachung, Optimierung und Automation der Bearbeitungsprozesse. Weitere Vorteile dieser Überwachungslösung liegen im Besonderen in einer neuartigen autarken Energieversorgungstechnologie wie auch in der kabellosen Datenübertragung.

Umfangreiche Messung direkt am Prozess

Ausgestattet ist der smarte Werkzeughalter mit Sensoren zur Messung von Schwingungen, Prozesskräften und Temperaturen. Diese Daten werden über eine Funkstrecke an eine Auswerteeinheit mit grafischer Benutzeroberfläche übergeben. Hier wird mithilfe spezifischer Auswertealgorithmen auf die Zustände von Prozess und Werkzeug sowie auf das Bearbeitungsergebnis rückgeschlossen. Insbesondere die Erfassung schon geringster Änderungen, z. B. durch fortschreitenden Werkzeugverschleiß oder minimale Prozessvibrationen, stellt dabei höchste Anforderungen an die Messsensitivität. Das digitale Überwachungssystem wird diesen Anforderungen durch seine direkte Nähe zum Prozess gerecht. Kritischere Prozessstörungen, wie Rattern oder auch Werkzeugbruch, können ebenso zuverlässig detektiert werden.

Breites Spektrum an Einsatzszenarien

Die performante Datenübertragung befähigt das System sowohl zur Prozessüberwachung in Echtzeit als auch zur Offline-Diagnose. Die hochfrequenten Messdaten bilden dabei zunächst die Grundlage für eine Optimierung der Bearbeitungsprozesse. Darüber hinaus ist die Kopplung mit einer Maschinensteuerung zum Zweck der Prozessregelung und Produktionsautomatisierung möglich. Hierfür werden die Sensorsignalen vorverarbeitet und durch entsprechende Auswertealgorithmen und KI-Modelle in Handlungsentscheidungen überführt. Potenzielle Anwendungsszenarien können zum Beispiel eine NC-Bahnkorrektur zur Steigerung der Bauteilgenauigkeit, ein automatisierter Werkzeugwechsel bei Erreich eines kritischen Verschleißgrades oder die iterative Vorschubreduktion zur Vibrationsminderung und damit Steigerung der Qualität der Bauteiloberflächen sein. Auch können somit potenzielle Ausschussteile prozessparallel identifiziert und somit nachgelagerte Prüfaufwände bzw. -kosten reduziert werden.

Keine Einschränkungen des automatisierten Fertigungsbetriebs

Die für den permanenten Betrieb des smartTOOL notwendige elektrische Energie wird durch eine innovative Energy-Harvesting-Lösung generiert. Diese Technologie wird so erstmalig im Bereich des Prozessüberwachung eingesetzt. Eine simple, mit Permanentmagneten ausgestattete Komponente wird dafür am Spindelgehäuse der Maschine montiert. Durch die Werkzeugrotation wird elektrische Energie zur Versorgung der Sensorik, Signalaufbereitungselektronik und des Funksenders gewonnen. Aufgrund der geringen Baugröße des Magnethalters wird weder der automatische Werkzeugwechsel noch der verfügbare Arbeitsraum eingeschränkt. Die leicht anpassbare Montagegeometrie reduziert den Nachrüstaufwand auf ein Minimum.

Flexible Einsetzbarkeit an jeglichen Maschinen

Nahezu alle elektronischen Komponenten des Werkzeughalters befinden sich auf einem kompakten, universellen Segment zwischen Werkzeugspannfutter und Spindelschnittstelle. Infolgedessen sind letztere beiden Geometrien auch weitgehend frei wählbar und lassen eine Vielzahl anwendungsspezifischer Kombinationen zu. Da die Hardware komplett innerhalb des benannten Standardsegments integriert ist, besitzt smartTOOL keinerlei Störkonturen. Eine hohe statische und dynamische Steifigkeit ist dank der optimierten Geometrie gegeben. Infolgedessen steht einem mit herkömmlichen Werkzeughaltern vergleichbarer Einsatz nichts im Wege.