Einsatz und Perspektiven sensorischer und aktorischer Werkzeuge für Industrie 4.0

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1 VDMA-Forum Innovative Lösungen für Industrie Sept Einsatz und Perspektiven sensorischer und aktorischer Werkzeuge für Industrie 4.0 Prof. Dr.-Ing. Frank Barthelmä GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v.

2 VDMA-Forum Innovative Lösungen für Industrie Sept Einsatz und Perspektiven sensorischer und aktorischer Werkzeuge für Industrie 4.0 Gliederung Das Zerspanwerkzeug in der digitalen Prozesskette Schwingungsreduktion im Zerspanprozess durch Einsatz sensorischer Werkzeuge Aktorische Werkzeuge in zukunftsfähigen Zerspanprozessen In-Prozess-Qualitätssicherung im Bearbeitungsraum von BAZ Zusammenfassung und Ausblick

3 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. GFE Schmalkalden e.v. GFE-Versuchsfeld (Teilansicht)

4 GFE - Gesellschaft für Fertigungstechnik und Entwicklung Schmalkalden e.v. Entwicklung und Bewertung von Präzisionswerkzeugen Entwicklung und Bewertung von Verschleißschutz-/ Hartstoffschichten Optimierung effektiver Zerspanungstechnologien GFE Schmalkalden e.v. - Institut für Werkzeugtechnik und Qualitätsmanagement (IWQ) - Berechnungs-, Prüf- und Messmethoden für Werkzeuge, Bauteile und Schichtverbunde Bearbeitung neuer Werkstoffe Konstruktion / Simulation

5 Einleitung Wer ist mit wem und worüber vernetzt? Infrastruktur: Daten: Cloud Daten und Datenaustausch Infrastruktur Data-Mining Analytik Visualisierung Software Sensoren Maschinen Datenbanken Produktion Unternehmen Lieferant Fertigung Fertigung Fertigung Logistik Kunde

6 Das Zerspanwerkzeug in der digitalen Prozesskette Informationsfluss Fertigungsprozess Sensoren Datenerfassung Sensoren Datenerfassung Datenanalytik Prozesskontrolle Prozessregelung Sensoren Datenerfassung Werkzeug, Wz-Halter Sensoren: Druck Temperatur Geometrie Drehzahl Kraft Kontur Rauheit Leistung Verbrauch M Material Machining 1 Machining 2 Machining3 Bauteil Fertigung

7 Schwingungsreduktion im Zerspanprozess durch Einsatz sensorischer Werkzeuge Positionen von Sensoren zur Regelung von Zerspanungsprozessen Sensorposition Vorteile Nachteile Beispiele wirkstellenfern - in Spindel integriert - Bereich der Spindelnase - Maschinentisch, -gestell - universell, unabhängig von Werkzeugen - geringe Empfindlichkeit - hohe Störempfindlichkeit wirkstellennah - in Werkzeugaufnahmen - in Messerköpfen u.a. geeigneten Werkzeugen - hohe Empfindlichkeit und Selektivität - an Werkzeuge bzw. Aufnahmen gebunden Bildquelle: GFE Fräsdorn Bildquelle: Nordmann GmbH Bildquelle: ARTIS GmbH HSC-Messerkopf Fräsdorn

8 Schwingungsreduktion im Zerspanprozess durch Einsatz sensorischer Werkzeuge Werkzeugorientiertes Konzept im Verbundprojekt DynaTool (GFE) Datenerfassung mit Beschleunigungssensoren Sensor spezifiziert (Analogsensor ADXL 377, 3mm x 20mm) 3-achsige, unabhängige parallele und analoge Datenübertragung 3 HF-Kanal Übertragung Induktive Einkopplung Werkzeugaufnahme mit innerer Kühlmitteldurchführung (Fräsdorn 27mm)

9 Schwingungsreduktion im Zerspanprozess durch Einsatz sensorischer Werkzeuge Sensorgestützte Prozessregelung bei der Hartzerspanung (DynaTool)

10 Schwingungsreduktion im Zerspanprozess durch Einsatz sensorischer Werkzeuge Signalübertragungskonzept im Verbundprojekt DynaTool (GFE)

11 Schwingungsreduktion im Zerspanprozess durch Einsatz sensorischer Werkzeuge Sensorintegrierter Messerkopf zur Schlichtbearbeitung Verbesserung der Oberflächenqualität durch Stabilisierung des Zerspanprozesses beim Schlichten Integrierter Beschleunigungssensor zur Schwingungsmessung mit den Hauptkomponenten Schwingungssensor / Beschleunigungssensor Telemetrie Anwendungsbeispiele

12 Aktorische Werkzeuge in zukunftsfähigen Zerspanprozessen Bildquelle: SIEMENS AG Bearbeitung komplexer Oberflächen und Geometrien im Turbinenbau

13 Aktorische Werkzeuge in zukunftsfähigen Zerspanprozessen Stark unterschiedliche Senkungstiefen

14 Aktorische Werkzeuge in zukunftsfähigen Zerspanprozessen Mechatronischer Rückwärtssenker

15 Aktorische Werkzeuge in zukunftsfähigen Zerspanprozessen Mechatronischer Rückwärtssenker

16 Einsatzbeispiel mechatronischer Rückwärtssenker auf einem Groß-BAZ

17 In-Prozess-Qualitätssicherung im Bearbeitungsraum von BAZ Lösung von Mess- und Prüfaufgaben unmittelbar im Bearbeitungsraum von BAZ Maschinenintegrierte Sensorik/Messsysteme automatisierte und intelligente Datenauswertung Prozessregelung über die Maschinensteuerung Geometrie-Erfassung und -Bewertung z.b. mittels intelligenter Bildverarbeitung: Definition Messzyklus zur Erfassung der Sollgeometrie Maschinenintegriertes optisches Messsystem mit Schnittstelle zur Maschinensteuerung Erfassung Istkontur mit intelligenter Auswertesoftware Oberflächenerfassung und -bewertung z.b. mittels maschineller Lernverfahren: Beispielobjekte für Oberflächendefekte/Güteklassen Automatisierte Generierung von Prüfprogrammen Aufnahme von Bildern der Bauteiloberfläche bzw. lokaler Oberflächenausschnitte, Klassifizierung Rückkopplung zur Maschine: Sicherung einer hohen Fertigungsqualität, Zeiteinsparungen und damit verbesserte Energie- und Ressourceneffizienz!

18 In-Prozess-Qualitätssicherung im Bearbeitungsraum von BAZ CMOS-Funk-Kamera mit integrierter Ringlichtbeleuchtung NC-gesteuerter Wechsel der Kamera zwischen WZ-Magazin und -Maschinenspindel zu prüfendes Bauteil in der Maschine Ermittlung der Lage und des Durchmessers einer Bohrung an dem Bauteil in der Maschine

19 In-Prozess-Qualitätssicherung im Bearbeitungsraum von BAZ Erzeugung periodischer Oberflächenstrukturen mittels verschiedener Verfahren Qualitätskontrolle der Oberfläche mittels in-line Messsystem (kein Ausbau nötig) Hochauflösende taktile Messung mit mikroelektromechanischem Sensor Vorteil taktiler Sensor: optische Eigenschaften beeinflussen nicht die Messungen

20 In-Prozess-Qualitätssicherung im Bearbeitungsraum von BAZ Integration eines Lasertriangulations-Messkopfes in eine Werkzeugmaschine schnelle Messung von Geometriekenngrößen an Bauteilen Sensor Bauteil Lasertriangulations- Messkopf

21 Sensorintegrierter Werkzeug-Messkopf zur Prüfung der Oberflächenqualität gefertigter Bauteile in Werkzeugmaschinen Grundprinzip: Beleuchtung der Oberfläche mit einem fokussierten Laserstrahl und Erfassung des reflektierten Streulichts mit einem optischen Sensor Elektronik (Signal- und Datenverarbeitung) Streulichtsensor und Lichtquelle (Laser) Energie- und Datenübertragungs-schnittstelle Streulichtprinzip Technische Kennwerte: Strahldurchmesser: 15 µm Arbeitsabstand: 6 mm Abtastrate: 200 Hz Messgeschwindigkeit: 1 mm/s Messkopf mit Sensor Vergleich Taktile Erfassung Erfassung mit Streulichtsensor

22 Hochgenaues miniaturisiertes Weg- und Positionsmesssystem für die Integration in Werkzeuge und Maschinenkomponenten Messprinzip Magnetoresistives Prinzip (Sensor erzeugt proportional zur Position Sinus- und Kosinussignale am Sensorausgang) Prinzipdarstellung (Maßstab und Sensor) Quelle: Sensitec Realisiertes miniaturisiertes Weg- und Positionsmesssystem Maßstab Sensor mit Elektronik 3-D-Modell des Sensors mit Signalauswerteelektronik Technische Kennwerte: Messweg: 8 mm Messrate: 1kHz Messunsicherheit: 1µm SPI und i²c-schnittstelle Sensor mit Signalverarbeitungs- Beispiele für die Integration in Zerspanungs - Elektronik werkzeuge erfolgen im Vortrag!

23 Zusammenfassung und Ausblick Im Hinblick auf Industrie 4.0 kommt der wirkstellennahen Detektion von relevanten Kenngrößen (z.b. Schwingungen, Kräften, Temperaturen usw.) im Zerspanprozess als Basis für eine gezielte Prozessbeeinflussung (Steuerung, Regelung) eine wachsende Bedeutung zu Grundlage dafür bilden u.a. die Entwicklung und Integration neuartiger miniaturisierter Sensorik und Aktorik in Werkzeuge und Maschinenkomponenten bei gleichzeitig hoher Verfügbarkeit und Genauigkeit der Komponenten Direkte Einbindung der (digitalisierten) Signale in moderne Maschinensteuerungen und deren Verarbeitung zur In-Prozess-Überwachung und Charakterisierung von Fertigungsprozessen ermöglichen echtzeitfähige Lösungen zur Sicherung der Qualitätskenngrößen (Geometrien, Oberflächen) direkt in der Maschine In den kommenden Jahren sind deutliche Fortschritte in Forschung / Entwicklung und vor allem Anwendung sensor- und aktorbasierter Lösungen bei Werkzeugen und Maschinenkomponenten zu erwarten

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit und Herzliche Einladung nach Schmalkalden! GFE Schmalkalden e.v. Zentrum für Fertigungstechnik zur 12. Schmalkalder Werkzeugtagung (03./04. November 2016)