Rego-Fix: Werkzeuge fortlaufend überwachen Smarte Werkzeughalter für die digitalisierte Fertigung

Von Konrad Mücke

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Im Werkzeughalter integrierte Messtechnik ermöglicht CNC-Maschinen, den Zustand der Werkzeuge fortlaufend zu erfassen, zu analysieren und situativ angepasst zu reagieren. Rego-Fix hat zusammen mit Elektronik- und Softwarespezialisten ein für die Fertigung geeignetes System verwirklicht.

Digitalisierung benötigt 
Daten: Smarte Werkzeughalter von Rego-Fix in der Variante powRgrip mit Sensorik SPIKE von pro-micron erfassen fortlaufend Kräfte und Biegemomente der eingespannten Werkzeuge.
Digitalisierung benötigt 
Daten: Smarte Werkzeughalter von Rego-Fix in der Variante powRgrip mit Sensorik SPIKE von pro-micron erfassen fortlaufend Kräfte und Biegemomente der eingespannten Werkzeuge.
(Bild: SMM, Konrad Mücke)

Die Smart Factory lässt sich allenfalls verwirklichen, wenn lückenlos an allen Komponenten in der Fertigung Daten und Informationen erfasst werden. Diese muss man fortlaufend auswerten, um unverzüglich reagieren zu können. Künftig sollen ausgeklügelte Software und Künstliche Intelligenz dazu beitragen, dass Maschinen sogar selbsttätig ohne Eingriffe von Fachkräften entsprechend sensorisch erfassten Ereignissen optimal handeln und die Fertigungsprozesse anpassen.

Bei Werkzeugen besteht Nachholbedarf

An spanenden Werkzeugen gelang es bisher allenfalls im Labor, entsprechende Daten zu erfassen, um den Zustand der Schneiden zu erfassen und zu beurteilen. Für die betriebliche Praxis in Fertigungsbetrieben waren die Systeme ungeeignet. Dort bewährten sich andere Systeme, die allerdings nur indirekt messen. Dies betrifft beispielsweise in Spindelköpfen angeordnete Sensoren. Sie erfassen Schwingungen oder Kräfte an der Spindelnase. Aus diesen Informationen kann man indirekt zum Beispiel den Bruch oder den Verschleissfortschritt der Werkzeuge erkennen. Die Daten lassen sich allerdings nur mit ausreichenden Erfahrungen richtig beurteilen.

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Prozesssicher dank Sensorik

Wesentlich besser – direkt am Werkzeug – erfassen im Werkzeughalter integrierte Sensoren den Zustand der Bearbeitungswerkzeuge. Deshalb hat die Rego-Fix AG in Tenniken zusammen mit Spezialisten für Elektronik und Software den «smarten» Werkzeughalter entwickelt. Dazu erläutert Pascal Forrer: «Allein der intelligente Werkzeughalter ermöglicht einen praxisgerechten Datenaustausch zwischen Werkzeug und Maschinensteuerung. Nur die Datenerfassung nahe am Werkzeug kann in Verbindung mit ausgeklügelter Software und Werkzeugdatenverwaltung gewährleisten, dass die Maschinensteuerung den Zustand der Werkzeuge fortlaufend in Echtzeit kennt und für die weitere Bearbeitung beurteilen kann.» Wie er weiter berichtet, ist dazu der von Rego-Fix gemeinsam mit einigen Messtechnikherstellern entwickelte, smarte Werkzeughalter geeignet. Zusätzlicher Vorteil der Messungen am Werkzeughalter ist, dass die CNC-​Steuerung direkt auf ein eingespanntes Werkzeug referenziert. Bisher erfassen Fertigungsbetriebe Werkzeuge im betrieblichen Werkzeugkreislauf mit einer individuellen Kennung (RFID-Chip, QR- oder Barcode). Dabei werden allerdings nur die im Werkzeugdatenmanagement hinterlegten Daten und Informationen berücksichtigt und referenziert. Diese müssen jeweils manuell aktualisiert werden. Geschieht das unzureichend und lückenhaft, fehlen wichtige Informationen zum Werkzeug, zum Beispiel zum Verschleisszustand der Schneiden. «Diese Datenlücken schliesst unser intelligenter Werkzeughalter, indem er fortlaufend Daten aus den Bearbeitungsprozessen an die CNC-Steuerungen meldet», berichtet Pascal Forrer weiter. Die Informationen können dann unverzüglich in die Historie der Werkzeuge übernommen werden. Somit ist gewährleistet, dass Werkzeuge stets entsprechend ihrem Zustand genutzt und eingesetzt werden. «Dank der fortlaufenden Datenerfassung am Werkzeughalter vermeiden Fertigungsbetriebe Stillstandszeiten ihrer Maschinen und arbeiten deutlich produktiver», betont Pascal Forrer.

Werkzeughalter mit Kraft- und Temperatur­sensoren

Die Spezialisten von Rego-Fix haben ihre Werkzeughalter für Spannzangen ER beziehungsweise für das mechanisch-hydraulische Klemmsystem powRgrip so modifiziert, dass Sensoren und Elektronik angebaut werden können. Wie Pascal Forrer einräumt, seien dabei wichtige Kriterien – wie Steifigkeit, Stabilität und Dämpfung – einzuhalten. «Aufgrund unserer über viele Jahre gesammelten Erfahrungen und unseres umfassenden Know-hows in der Konstruktion von Werkzeughaltern ist es unseren Spezialisten gelungen, die mit Elektronik ausgestatteten Werkzeughalter ebenso stabil und steif wie die bisherigen, rein mechanischen Varianten zu gestalten», erläutert er. Die Werkzeughalter (siehe Kasteninfo) tragen die Sensoren und die Elektronik in einem Ring über dem Schaft des Werkzeughalters. Auf dem Stahlkörper des Werkzeughalters befinden sich Dehnmessstreifen. Sie messen elastische Verformungen im Schaft des Halters und somit die axialen und radialen Kräfte beziehungsweise die Biegemomente, die durch das Werkzeug in den Werkzeughalter übertragen werden. Zum Zwischenspeichern und zum Senden der Daten per Funk ist eine miniaturisierte Elektronik eingebaut. Sie arbeitet völlig autark. Allerdings bedingt die bisherige Hardware noch eine kleine Einschränkung, die insbesondere beim Fertigen in grossen Serien und in mehreren Schichten zu berücksichtigen ist. Wie Pascal Forrer einräumt, benötigt die im Werkzeughalter integrierte Elektronik bisher noch eine Pufferbatterie zur Energieversorgung. Abhängig von der Häufigkeit von Messungen sowie dem Senden von Daten muss diese in Intervallen von einigen Wochen oder Monaten gewechselt werden.

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Prozesssicher und produktiver durch Künstliche Intelligenz

Die vom Werkzeughalter gesendeten Informationen über Kräfte und Biegemomente werden unter anderem in einem sogenannten Polardiagramm wiedergeben. Den Linien im Diagramm kann man direkt die Kräfte einzelner Werkzeugschneiden entnehmen. Dazu erläutert Pascal Forrer: «Diese Messtechnik ermöglicht erstmals, dass man beispielsweise bei mehrschneidigen Fräswerkzeugen für jede Schneide separat und individuell in Echtzeit jeden Schneideneingriff betrachten und auswerten kann. So lässt sich zum Beispiel an sehr niedrigen Kräften erkennen, dass eine einzelne Schneide gebrochen ist. Das war mit bisherigen, pauschalen Messungen von Kräften und Momenten in der Spindel nicht zu realisieren.» Somit erweitert die im Werkzeughalter integrierte Sensorik deutlich die Chancen, Daten und Informationen «intelligent» auszuwerten und für eine Optimierung der Fertigungsprozesse und des Werkzeugeinsatzes zu nutzen. «Die Daten stellen wir in offenen Formaten zur Verfügung. Messtechniker und Softwarespezialisten können diese nutzen, um ausgeklügelte Algorithmen zu entwickeln», führt Pascal Forrer aus. Nach Art der «Künstlichen Intelligenz» können Softwarespezialisten entsprechende Strategien für weitere Aktionen der Bearbeitungszentren ausarbeiten. Das kann bedeuten, beispielsweise beim Überschreiten vorgegebener Grenzen für Kräfte oder Biegemomente, ein Werkzeug zu wechseln. «Die gemessenen Daten können aber auch zeigen, dass ein Werkzeug deutlich höher belastbar ist. Bei richtiger Auswertung und Programmierung kann in einem solchen Fall die CNC-Steuerung der Bearbeitungszentren die Fertigungsprozesse ‹on the fly›, also im Prozess, fortlaufend optimieren. Wegen der Messungen in Echtzeit gibt es zudem einen Bezug zu den aktuell bearbeiteten Geometrien am Werkstück. Die zukünftige Softwareentwicklung vorausgedacht, lassen sich wahrscheinlich sogar auf Werkstücke und Werkstoffe bezogen selbststeuernde Fertigungsprozesse verwirklichen», hebt Pascal Forrer hervor.

HSK-i mit digitaler Verbindung zur Spindel

Um den Wechsel von Batterien zu vermeiden, haben die Spezialisten von Rego-Fix mit dem Werkzeughalter HSK-i Conzept einen möglichen Ausblick auf die Zukunft sensorische Werkzeughalter präsentiert. In ihm sind die Sensoren und die Elektronikkomponenten so integriert, dass sie über elektrische Kontakte an der Plananlage direkt Daten zur Spindel senden können und von dort mit Energie versorgt werden. Zum Nutzen dieser Technologie in der Praxis sagt Pascal Forrer: «Ein solches System benötigt eine weitreichende Standardisierung und Normung, um allgemein akzeptiert zu werden. Mit einigen weiteren Unternehmen befinden wir uns bereits im Normungsprozess. Wie bei jeder Normung sind noch einige Schritte zu gehen und ein Konsens aller involvierter Hersteller zu finden. Wir sind aber zuversichtlich, eine Lösung zu finden, der alle in der Metallbearbeitung aktiven Maschinen- und Komponentenhersteller zustimmen können.» Somit können künftig zahlreiche Fertigungsbetriebe davon profitieren, dass Werkzeughalter den Zustand der eingespannten Werkzeuge fortlaufend erfassen und zum Auswerten an die CNC-Steuerungen übertragen. Damit wird eine wesentliche Lücke in der Datenerfassung auf dem Weg zur Smart Factory geschlossen. SMM

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