Prozessüberwachung in der Zerspanung

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Prozessgrundlage

Die Kontrollmechanismen der untersten Pyramidenstufe zielen auf die Maximierung der Umgebungsstabilität ab, in der der Prozess stattfindet. Diese vorbeugenden Kontrollen verhindern, dass bestimmte Abweichungsursachen einen Einfluss auf den Bearbeitungsvorgang haben.

- Die Design-For-Manufacture (DFM)-Methode beinhaltet die Rationalisierung der Werkzeuge sowie die Standardisierung der Bearbeitungsparameter. Ihr Erfolg zeigt sich in der Reduzierung der Prozessschwankungen.

- Die Überwachung von Prozesseingaben umfasst den Einsatz von FMEA und ähnlichen Verfahren, um alle vorgelagerten Faktoren, die auf das Bearbeitungsergebnis Einfluss haben könnten, verstehen und steuern zu können. Hierzu gehört zum Beispiel die Sicherstellung einer konsistenten Werkzeuggeometrie, die Überwachung der Spannkräfte, Teileprogramme zur Werkstückverriegelung sowie die Vorbereitung der Rohlinge.

- Die Stabilität der Umgebungsbedingungen befasst sich mit den externen Abweichungsquellen, die nicht im Vorfeld ausgeschaltet werden können, jedoch spezifisch zur Betriebsumgebung sind. Hierzu gehören die Schwankungen der Umgebungstemperatur, die Hitze, die während der Bearbeitung generiert wird, die Sauberkeit von Maschine und Vorrichtungen, Werkzeugstandzeit-Verwaltung und unerwartete Ereignisse wie Werkzeugbruch oder Stromausfälle.

- Die Optimierung des Maschinenzustands ist ein wichtiger Bestandteil der Prozessgrundlage. Eine rigorose Leistungsbewertung und Kalibrierung sowie ggf. eine Modernisierung kann die Leistung der Maschine den Prozessanforderungen anpassen. Im Anschluss kann die dauerhafte Eignung der Maschine für die Produktion vom Bediener mittels regelmässiger Kontrollen überwacht bzw. notwendige Instandhaltungsmassnahmen identifiziert werden, z.B. mit Hilfe des XL-80-Laserinterferometers und des QC20-W-Kreisformtestgeräts.

Kostenvorteile der Prozessgrundlagen-Stufe:

- Erhöhte Maschinenverfügbarkeit - ungeplante Maschinenstillstandszeiten durch regelmässige Überwachung der Maschinenfähigkeit verhindern, bevor Prozessstörungen auftreten.

- Erhöhte Prozessfähigkeit - konsistentere Werkstücke mit weniger Abweichungen dank verbesserter Maschinengenauigkeit und Wiederholgenauigkeit in Kombination mit weniger Schwankungen durch Umgebungs- und Prozesseinflüsse.

- Garantierte Qualität - Ausschuss, Nacharbeit und Sonderfreigaben werden typischerweise um 25% reduziert.

- Konzentration auf proaktive Massnahmen - Techniker können sich auf das Wesentliche konzentrieren und dauerhafte Verbesserungen erwirken.

- Basis für eine Automatisierung - da Ihre Maschinen nun die optimale Leistung abgeben, können Sie beruhigt Massnahmen zur Automatisierung Ihrer Prozesse ergreifen.

Prozesseinrichtung

Die zweite Stufe der Pyramide enthält die ersten Schritte in Richtung eines unbemannten Prozesses und kümmert sich um die Vorbereitungen für die Bearbeitung. Diese vorausschauenden Kontrollmechanismen bekämpfen die Fehlerursachen bei der Einrichtung der Maschine, des Werkstücks, Werkzeugs und des Tasters, die immer zu einem gewissen Grad vorhanden sind und die behandelt werden müssen, wenn schon das erste Werkstück ein Gutteil werden soll. Aufbauend auf die Stabilität, die durch die Prozessgrundlagen-Stufe eingeführt wurde, hilft die Kontrolle der Prozesseinrichtung dabei, menschliche Fehler durch die Automatisierung von manuellen Prozessen zu eliminieren.

Kontrollmechanismen der Prozesseinrichtungsstufe:

- Die Maschinenjustage beinhaltet die Ermittlung der Beziehung zwischen den beweglichen Hauptbestandteilen der Maschine (z.B. Frässpindel zum Maschinenbett oder Drehpunkt der Frässpindel auf einem Dreh-/Fräszen­trum). Diese Beziehungen werden durch die thermische Drift beeinflusst und manche systembedingten Abweichungen bestehen selbst in der stabilsten Umgebung.

- Bei der Messtasterkalibrierung wird der Messtaster eingemessen, damit er für genaue Messungen auf der Maschine eingesetzt werden kann. Bei Werkstückmesstastern wird, unter Verwendung einer Kalibrierkugel oder eines Lehrrings, die Grösse und Position des Tastereinsatzes gemessen. Bei Werkzeugmesstastern wird ein Kalibrierdorn verwendet, um die Position des Tastereinsatzes oder Laserstrahls zu ermitteln.

- Bei der Werkstückeinrichtung z.B. mit einem OMP60 für optische Signalübertragung oder RMP60 für die Übertragung per Funk wird die Lage und Orientierung des Teils ermittelt, damit die Bearbeitung entsprechend dazu ausgerichtet werden kann. Ein Messtaster kann zur Ermittlung der Bezugspunktpositionen und -winkel verwendet werden; die Arbeitskoordinaten werden dann automatisch aktualisiert.

- Das letzte Element ist die Werkzeugeinrichtung, bei der Länge und Durchmesser der Werkzeuge ermittelt und in der CNC-Steuerung gespeichert werden. Hierzu können die Renishaw-Produkte OTS, TS27R oder NC4 eingesetzt werden. Das bedeutet, dass Bedienfehler bei der Eingabe von Höhenkorrekturen - eine der Hauptursachen von Kollisionen - verhindert werden.

Die Kostenvorteile der Prozesseinrichtungsstufe sind:

- Zeitreduzierung bei der Werkstück- und Werkzeugeinrichtung um bis zu 90%

- Automatisierte Messungen mit einer im Vergleich zu manuellen Methoden höheren Wiederholgenauigkeit

- Ein zuverlässigerer Einrichtprozess bedeutet weniger Stillstandszeiten, nachdem die Fertigung gestartet wurde

- Das Einrichten von Ersatzwerkzeugen ist schneller und weniger fehleranfällig

- All dies gibt Ihnen mehr Zeit für die Fertigung von Werkstücken

In-Prozess-Regelung

Diese Stufe ist die wohl am wenigsten genutzte und verstandene Stufe. Die Kontrollmechanismen befassen sich mit Fehlerquellen, die in allen Bearbeitungsprozessen vorkommen - nämlich Werkzeugverschleiss und der Einfluss von Temperatur und Wärmeflüssen. Messungen auf der Maschine sind die einzige kosteneffektive Möglichkeit, den Zustand einer Komponente während der Bearbeitung zu überwachen. Gleichzeitig wird dabei der Maschine die Intelligenz gegeben, die sie braucht, um eigene Entscheidungen zu treffen, den Prozess ständig zurückzuführen und damit die negativen Auswirkungen von Prozessabweichungen zu eliminieren. Daraus ergibt sich ein durchgehend fähiger, stabiler Prozess, der weniger Personal benötigt und weniger Nacharbeit und Ausschuss zur Folge hat.

Kontrollmechanismen der In-Prozess-Regelung:

- Es ist sinnlos, alle Merkmale eines Werkstücks messen zu wollen, wenn sie alle mit denselben Werkzeugen hergestellt wurden. Ein besserer Ansatz ist es, so viel Zeit wie nötig dazu zu verwenden, ein kritisches Merkmal pro Werkzeug mit einem Messtaster zu überprüfen und die Werkzeugkorrektur anhand der gemessenen Abweichungen zu aktualisieren. Nach Bearbeitungsbeginn ist der Werkstückmess­taster und nicht der Werkzeugmesstaster das richtige Mittel zur Werkzeugüberprüfung, da hiermit direkt die gewünschte Zielgrösse - das von dem Werkzeug hergestellte Mass - gemessen werden kann.

- Überwachung der Schruppwerkzeuge, nicht nur der Schlichtwerkzeuge. Obwohl ihr Bearbeitungsergebnis bei der Endkontrolle nicht direkt sichtbar ist, haben Schruppwerkzeuge eine wichtige Aufgabe: Sie hinterlassen das richtige Materialaufmass für das Schlichtwerkzeug auf dem Werkstück.

- Überwachung der thermischen Drift durch regelmässige Bezugspunktbestimmung von Spindelposition sowie der Mittelachsen bzw. Drehpunkte der Rundtische, besonders vor kritischen Schlichtbearbeitungen.

- Überprüfung empfindlicher Werkzeuge auf Werkzeugbruch mit Hilfe des TRS2 nach jedem Bearbeitungszyklus, um sicherzustellen, dass ein beschädigtes Werkzeug nicht zu Beschädigungen von anderen Werkzeugen und am Werkstück führen kann.

- Logik in das Programm einbauen, um auf unerwartete Ereignisse zu reagieren. Wenn ein Werkstück ausserhalb der Toleranz ist, aber noch über Aufmass verfügt, dann kann ein weiterer Schlichtvorgang aufgerufen werden. Wenn ein Werkzeug bricht, kann ein Schwesterwerkzeug aufgerufen oder der Bediener alarmiert werden.

- Überwachung des Prozessstatus und Alarmierung des Bedieners, wenn Fehler auftreten.

- Speicherung der In-Prozess-Messungen und der Aktualisierungen von Werkzeugkorrekturen für eine spätere Nachverfolgbarkeit.

Einsparung bei hohem Werkzeugverschleiss und langen Zykluszeiten:

- Reduzierte Kapitalkosten - Durchsatzsteigerung ohne Investition in neue Kapazitäten

- Erhöhte Automatisierung - Reduzierung der direkten Lohnkosten und unproduktiven Maschinenstillstandszeiten

- Weniger menschliche Fehler - reproduzierbare Messungen und automatische Ergebnisrückführung

- Weniger Ausschuss, Nacharbeit und Sonderfreigaben - weniger Abweichungen, höhere Prozessfähigkeit und alles auf Anhieb richtig.

Ergebnisüberwachung

Die oberste Stufe der Pyramide wird von vielen Unternehmen eingesetzt, da sie eine abschliessende Beurteilung des Bearbeitungsprozesses bietet. Abnahmeprüfungen können auf der Werkzeugmaschine mittels eines Messtasters, an der Maschine mit Handmessmitteln oder Messarmen bzw. auf einem Offline-CNC-Gerät wie z.B. einem KMG durchgeführt werden. Hierbei handelt es sich um reaktive Kontrollen, da das gemessene Werkstück nicht mehr beeinflusst werden kann, ausser durch Nacharbeit.

Kontrollmechanismen der Ergebnisüberwachung:

- Prozessüberprüfung auf der Maschine unter Verwendung eines Messtasters zur Messung von Merkmalen, während das Werkstück noch eingespannt ist. Die Kontrolle des Werkstücks vor dem Abspannen, also die Sicherstellung, dass der Prozess die erwartete Bearbeitung durchgeführt hat, gibt Vertrauen in Bezug auf die Masshaltigkeit der Geometriemerkmale, bevor weitere Arbeitsschritte ausgeführt werden. Dieser Ansatz ist besonders sinnvoll bei grossen hochwertigen Werkstücken.

- Die Offline-Werkstückprüfung beinhaltet eine komplette Prüfung gegen die Spezifikation und wird normalerweise auf einem KMG durchgeführt. Der Vorteil gegenüber Prüfungen auf der Werkzeugmaschine liegt hierbei in der 3- und 5-Achsen-Scantechnologie, die eine schnellere und umfassendere Messung komplexer Formen sowie komplexere Analysen und Protokollierungen bietet.

Kosteneinsparungen bei der Ergebnisüberwachung

Neue Lösungen, wie die Revo-5-Achsen-Scantechnologie bieten im Vergleich zu herkömmlichen Ergebnisüberwachungen folgende Kosteneinsparungen:

- Radikal schnellere Messungen führen zu einem höheren Messdurchsatz ohne eine Beeinträchtigung der Genauigkeit

- Weniger Personal aufgrund der Vollautomatisierung komplexer Messaufgaben

- Eine Multisensoren-Plattform ermöglicht die Automatisierung anderer Prüfprozesse, wie z.B. Oberflächen-Rauheitsmessungen

- Flexible Messungen von Merkmalen in allen Ausrichtungen mit unbegrenzten Positioniermöglichkeiten

- Geringeres Investitionsvolumen aufgrund von kurzen Zykluszeiten und weniger Bedarf an Rundtischen

Beispielrechnung für Bearbeitungsergebnisse und Margen

Was passiert also mit den Bearbeitungsergebnissen und der Marge, wenn die verschiedenen Pyramidenstufen angewendet werden? In allen unten dargestellten Beispielen wird angenommen, dass jegliche zusätzliche Kapazität für die Herstellung weiterer Werkstücke verwendet wird und weitere Kapitalausgaben zurückgestellt werden.

Prozessgrundlage

- Verfügbarkeit steigt auf 90% dank verbesserter Maschinenzuverlässigkeit

- Leistungssteigerung um 5% durch weniger ungeplante Unterbrechungen aufgrund von Eingabeprozessen bzw. Veränderungen der Umgebungsbedingungen

- Qualitätssteigerung um ein Viertel aufgrund verbesserter Maschinengenauigkeit

- Gleichbleibende Personalbesetzung

Prozesseinrichtung

- Verfügbarkeit bleibt bei 90%

- Die Leistung steigt auf 90%, da Einrichtzeiten verkürzt werden und besser vorhersagbar sind

- Qualitätsfehler werden im Vergleich zu den vorherigen Stufen halbiert, da durch die automatisierte, wiederholgenaue Einrichtung mehr Teile von Anfang an korrekt hergestellt werden

- Die Personalbesetzung wird an der Maschine entsprechend den kürzer werdenden Einrichtzeiten reduziert

In-Prozess-Regelung

- Verfügbarkeit bleibt bei 90%

- Leistungssteigerung auf 98% da ungeplante Unterbrechungen sowie Wartezeiten auf das Bedienpersonal durch automatisches Feedback im Bearbeitungszyklus reduziert werden

- Die Qualität steigt auf 99% oder höher, da gegen systembedingte Abweichungen an ihrer jeweiligen Quelle vorgegangen wird

- Die Personalbesetzung wird reduziert, da Eingriffe seitens der Bediener durch unbemannte Prozesse wegfallen

Ergebnisüberwachung

- Verfügbarkeit, Leistung und Qualität werden nicht beeinträchtigt

- Das Maschinen-KMG-Verhältnis steigt, da KMG dank neuer Sensortechnologie produktiver werden

- Personalbesetzung an den KMG sinkt aufgrund höherer Automatisierung

Zusammenfassung und Empfehlungen

Die Produktionsprozess-Pyramide bietet einen systematischen Ansatz zur Eliminierung von Abweichungen in Bearbeitungsprozessen. Ohne grundlegende Veränderungen des Bearbeitungsprozesses kann eine Verbesserung der Prozessüberwachung durch eine erhöhte Automatisierung und niedrigere Qualitätskosten zu erheblichen laufenden Kosteneinsparungen führen. Der für die Einführung einer solchen Überwachung erforderliche Investitionsaufwand ist relativ gering und amortisiert sich oft bereits innerhalb weniger Monate. Die Eliminierung von Abweichungen innerhalb des Bearbeitungsprozesses erhöht ausserdem die Rendite zukünftiger Kapitalanlagen.

Die Überwachungsstufen sollten von unten nach oben eingeführt werden, da jede Stufe auf die darunterliegende aufbaut und so schrittweise Abweichungen reduziert werden. Eine breite Einführung der Prozessgrundlagen-Stufe ist ein hervorragender erster Schritt, gefolgt von der Einführung von Messungen zur Automatisierung von Einrichtprozessen. Die In-Prozess-Regelung ist prozessspezifischer und macht dort Sinn, wo viele ähnliche Maschinen und Prozesse vorhanden sind, über die die Verbesserungen gemeinsam genutzt werden können.

Das Ersetzen der Ergebnisüberwachungsmessungen auf KMG mit Messungen auf der Maschine ist nicht generell die beste Strategie. Der Hauptzweck einer Maschine ist die Herstellung guter Werkstücke. Überprüfungen, die auf der Maschine durchgeführt werden, sollten sich also auf die soeben abgeschlossene Bearbeitung konzentrieren und nicht auf die Überprüfung aller Werkstückmerkmale. Die Werkstückprüfung auf der Maschine ist dann am sinnvollsten, wenn die Werkstücke sehr gross und komplex sind, wenn kein fähiger Offline-Prüfprozess existiert oder die Durchlaufzeiten und Kosten für den Transport der Werkstücke hoch sind.