Digitale Fertigung Smarte Werkzeugmaschinen dank smarter Sensoren

Redakteur: Silvano Böni

Die smarte Fabrik wird in immer mehr Branchen zur Realität – auch in der Werkzeugmaschinenindustrie. Massgebliche technologische Wegbereiter der Entwicklung sind intelligente Sensoren, die Daten nicht nur sammeln, sondern auch interpretieren und kommunizieren können, wie sie beispielsweise Sick mit ihren Smart Sensor Solutions anbietet.

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Die smarten Sensoren von Sick überwachen sich einerseits selbst, aber auch den Prozess – und zeigen eigenständig eine vorliegende oder zu erwartende Funktionsbeeinträchtigung an.
Die smarten Sensoren von Sick überwachen sich einerseits selbst, aber auch den Prozess – und zeigen eigenständig eine vorliegende oder zu erwartende Funktionsbeeinträchtigung an.
(Bild: Sick)

Die Spannwegüberwachung von Mehrbacken-Spannfuttern, die Werkzeug-Positionskontrolle in mehrstufigen Stanzwerken, die Prüfung der korrekten Aufnahme von Werkstücken in definierte Bearbeitungspositionen oder die Überwachung von Bohrerlängen sind nur einige Beispiele, in denen intelligente Sensoren mit Automatisierungsfunktionen (Smart Tasks) unterschiedliche Prüf- und Automatisierungsfunktionen im Sensor ausführen können. Basis hierfür sind in die Sensoren integrierte Logikfunktionen zur Signalverarbeitung, die es erlauben, definierte Aufgaben autonom und dezentral auszuführen, wodurch Automatisierungssysteme und -netzwerke von Werkzeugmaschinen wirkungsvoll entlastet werden können.

Was zeichnet smarte Sensoren aus?

Generell sind Sensoren die Sinnesorgane von Maschinen – im Kontext der digitalisierten Fertigung sind sie zugleich Erstkontakt und Bindeglied zur Industrie 4.0. Wo es früher um das blosse Sammeln von Daten und um einfache Entscheidungen ging, ermöglicht Sensorintelligenz heute auch eine Aufbereitung, Weiterverarbeitung und Interpretation von Daten. Sensoren «fühlen» also nicht mehr nur, sondern fangen im Rahmen der Digitalisierung auch an zu «denken». Dadurch verwandeln sie Daten in wertvolle Informationen. Diese Intelligenz smarter Sensoren wird ergänzt um die Möglichkeit, diese Informationen zu kommunizieren, das heisst, sie mit der Steuerung einer Werkzeugmaschine oder einer cloudbasierten Anwendung beispielsweise zur vorausschauenden Wartung austauschen zu können.

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Sensorparametrierung, Selbstdiagnose und Serviceoptimierung intelligent gelöst

Bereits die Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit von Sensoren haben entscheidende Auswirkungen auf die Inbetriebnahme und den Betrieb von Maschinen. So können schon bei der Integration und Erstinbetriebnahme der Sensoren verschiedene Parameter-Einstellungen visualisiert, getestet und optimiert werden. Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene Sensor-Parameter-Sets auftrags- oder formatspezifisch im Automatisierungssystem zu hinterlegen und im laufenden Betrieb ohne Zeitverlust in den smarten Sensor zu laden. Vor allem Maschinen und Anlagen, an denen ein häufiger Wechsel von Produktvarianten stattfindet, profitieren von dieser Funktionalität, die ein schnelles und prozesssicheres Umrüsten ermöglicht. Die flexible und simultane Einstellung beliebig vieler Sensoren direkt aus der Steuerung durch den Download von Parametern wie zum Beispiel Tastweite, Hysterese oder Schaltschwelle spart Zeit, vermeidet Fehler und ist jederzeit dokumentierbar. Während des laufenden Betriebs von Werkzeugmaschinen überwachen sich die smarten Sensoren selbst, aber auch den Prozess – und zeigen eigenständig eine vorliegende oder zu erwartende Funktionsbeeinträchtigung an. Dies macht sie zu wichtigen Informanten für Analyse-Tools zur aktuellen Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) wie auch zur vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance): so lassen sich Serviceintervalle prozyklisch optimieren, indem beispielsweise ein ohnehin geplanter Stillstand der Maschine für die Reinigung oder Wartung eines Sensors genutzt wird. Gleichzeitig werden sie zu Wegbereitern einer höchstmöglichen Performance und Verfügbarkeit von Maschinen – ein entscheidendes Kriterium insbesondere bei starker Auslastung und hohen Durchsatzleistungen.

Smarte Sensoren liefern Mehrwerte für Werkzeugmaschinen

Somit bieten intelligente und kommunikationsfähige Sensoren in der digitalen Fertigung schon von Haus aus wichtige Vorteile. Smart werden sie – und das ist das Alleinstellungsmerkmal der Smart Sensor Solutions von Sick – durch die bereits erwähnten, umfassenden Möglichkeiten zur Eigen- und Prozessdiagnose sowie in besonderem Masse durch direkt in die Sensoren integrierte Logikfunktionen zur Signalverarbeitung. Die Vorteile smarter Sensoren für die digitale Fertigung bilden sich dabei je nach Anforderung und Aufgabenstellung in bis zu vier Dimensionen ab.

Das Enhanced-Sensing-Merkmal der Smart Sensor Solutions stellt bei Bedarf eine besondere Detektionsleistung zur Verfügung. So bieten die Kühlmittel- und Schneidöl-beständigen, induktiven Näherungsschalter IMB, wie sie in CNC-Bearbeitungszentren, Werkzeugwechslern und im Werkstückhandling eingesetzt werden, erhöhte Schaltabstände für eine optimale Maschinenintegration. Lichtschranken wie die Produktfamilie W16 erreichen durch ihre TwinEye-Technology höchste Funktionssicherheit, denn die Detektion erfolgt mit Hilfe zweier logisch verknüpfter Empfangselemente im Sensor. Nur wenn beide «Eyes» zur gleichen Bewertung kommen, wechselt der Sensor den Schaltzustand. Fehlschaltungen beispielsweise durch hochglänzende Metalloberflächen, welche das Licht in unterschiedliche Richtungen spiegeln, werden so sicher vermieden. Bei der Überwachung von Kühl- und Schmiermitteln in Werkzeugmaschinen misst der Füllstandssensor CFP Cubic nicht nur die Füllhöhen Wasser- oder Öl-basierter Medien, sondern stellt zudem Temperaturinformationen zur Verfügung – die sich ohne konstruktiven Mehraufwand und ohne Mehrkosten für die Prozessüberwachung nutzen lassen.

Die effiziente Kommunikation als zweite Dimension smarter Sensoren zeigt sich bei der analogen Signalübertragung. Sie basiert auf dem bidirektionalen Kommunikationsstandard IO-Link und erfolgt über Standard-M12-Kabel parallel zur üblichen I/O-Kommunikation in der Werkzeugmaschine. Bei der analogen Positionskontrolle – beispielsweise der Spannwegüberwachung von Mehrbacken-​Spannfuttern mit magnetischen Zylindersensoren der Produktfamilie MPS – oder der Werkzeug-Positionskontrolle mit den induktiven Näherungssensoren IMC spart die Datenübertragung über IO-Link den Einsatz entsprechender Analogkarten im Automatisierungssystem. Darüber hinaus kann die effiziente Kommunikation einen Inbetriebnahmeprozess wesentlich beschleunigen – beispielweise dann, wenn mehrere IMCs zur Positionskontrolle eines Werkzeugs eingesetzt werden. Die Einstellung kann jetzt über IO-Link simultan erfolgen und nicht mehr sukzessive, einzeln und zeitraubend an jedem Schalter.

Die Diagnose-Funktionalität dient zum einen der Selbstüberwachung des Sensors. Darüber hinaus kontrolliert er eigenständig die Qualität und Robust­heit seiner Signale. Schliesslich eröffnen Diagnosefunktionen im Umfeld der digitalen Fertigung die Möglichkeit, durch die Zustandsüberwachung die Verfügbarkeit von Werkzeugmaschinen und die Qualität von Bearbeitungsprozessen deutlich zu verbessern. Sensoren wie der bereits vorgestellte CFP Cubic oder auch rotative Motorfeedback-Systeme in Achsantrieben, die neben der Messgrösse, für die sie primär entwickelt wurden, zusätzliche weitere Mess- oder Prozessgrössen erfassen können, liegen im Trend – zumal sie die Zusatzfunktion ohne Zusatzkosten bereitstellen. Auch Sensoren wie der induktive Näherungssensor IQC mit seinen bis zu vier einzelnen Schaltpunkten oder Schaltfenstern können zu Diagnosezwecken eingesetzt werden: sie sind in der Lage, Abstände zu messen, als i. O. oder n. i. O. zu interpretieren und so bei der Inline-Qualitätskontrolle Toleranzfehler beispielsweise in formenden Prozessen zu erkennen.

Neue Möglichkeiten dank Smart Tasks

Die dezentrale Rechenkapazität smarter Sensoren – kombiniert mit ihrer flexiblen Programmierbarkeit – bildet das Fundament einer ganzen Reihe von Smart Tasks, die Werkzeugmaschinen noch flexibler, dynamischer und effizienter machen. Eine dieser typischen Funktionalitäten ist die Hochgeschwindigkeitszählung. So ist es mit induktiven und optoelektronischen Sensoren möglich, Drehzahlen zu erfassen und zu kontrollieren oder Drehrichtungen zu erkennen. Die Signalauswertung findet in den Sensoren statt – zentrale Zählermodule sind nicht erforderlich. An die Steuerung ausgegeben werden keine Impulse, sondern direkt weiterverarbeitungsfähige Drehzahl- oder Geschwindigkeitswerte. Smart Tasks wie die Zeit- und Längenmessung, die dezentrale Entprellung von Sensorsignalen oder Time-Stamp-Funktionen spielen bei Werkzeugmaschinen eine eher untergeordnete Rolle – ganz im Gegensatz zu Themen wie der Werkstückpositionierung durch µm-genaue Abstandsmessung, der Überwachung von Breite, Bahnkantenposition und Oberflächenaussparungen beim Auf- und Abwickeln von Stahl- und Aluminiumcoils und anderen Bahnmaterialien, der Kontrolle der Werkstückspannung oder der Überwachung von Bohrerlängen und Werkzeugdimensionen. All diese Funktionen können Smart-Task-fähige, intelligente Sensor eigenständig ausführen – und sich hierzu auch direkt vernetzen, um Teilapplikationen ohne umfangreiche SPS-Kommunikation autark, schnell, effizient und kostengünstig zu lösen. Damit schaffen sie in der Umsetzung von Industrie 4.0 die Möglichkeit zur Kommunikation und Steuerung von Cyber-physischen Produktionssystemen (CPPS) untereinander, die beispielsweise als intelligente Betriebsmittel eine dezentralisierte, reaktions- und anpassungsfähige Produktionssteuerung ermöglichen.

Smart Sensors eröffnen disruptive Perspektiven

Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit – das Nutzenpotenzial von smarten Sensoren ist zum einen inkrementeller Natur – ausgerichtet auf einen schrittweisen Effizienzgewinn für bestehende Aufgabenstellungen, zum Beispiel Parameterdownload für schnelles Umrüsten und einfacher Gerätetausch, Auftragsverwaltung und Condition Monitoring. Spätestens mit den Smart Tasks hat der Innovationsgrad der Smart Sensor Solutions zudem eine radikale Komponente. Mit ihrer dezentralen Intelligenz sind sie in der Lage, neue, höherwertigere Detektionsinformationen zu generieren, sich zu vernetzen und definierte Smart Tasks autark auszuführen.

All dies macht die Smart Sensor Solutions von Sick zu einer höchst zukunftsrelevanten Technologie – mit dem Potenzial disruptiver Perspektiven für die weiter fortschreitende Digitalisierung der Fertigung. SMM

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