Verfügbarkeitssteigerung von Werkzeugmaschinen durch Einsatz mechatronischer Sensorlösungen

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Diss. Reihe Fertigungstechnik, Band 108

Language
de
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-02-03
Issue Year
2001
Authors
Pitter, Frank
Editor
Geiger, Manfred
Feldmann, Klaus
Publisher
Meisenbach
ISBN
3-87525-144-X
Abstract

Great progress has been made in the development of new sensors in recent years. New sensitive materials based on semiconductors and highly integrated electronic components could be found, which represent a basis for miniaturization, performance increase and cost reduction of previous sensor systems. The integration of the sensor, the preprocessing electronics and the evaluation unit made intelligent sensor systems possible, which take on a number of processing tasks beyond the mere recording of measured values. In this thesis, solutions were dealt with to increase the availability and reliability of machine tools by using mechatronic systems. Two sensor solutions were implemented as examples, which record the signals that characterize the cutting process directly on the tool and in the machine spindle. Proof is provided that mechatronics is a cost-effective alternative to machine monitoring and that it will still have a significant impact on the future of the industry as a solution for comprehensive sensor integration in machine tools. Great importance is attached to a clear definition and delimitation of the terms mechatronics and microsystem technology. There are deficits in language usage and in the literature, since these word creations have only been developed recently and there is no clear assignment of content. Two mechatronic systems were presented that enable a comprehensive monitoring concept for machine tools. The parallel use of intelligent machine components at two positions that are crucial to quality, the tool and the workpiece holder, is intended to shed light on the potential of using mechatronic systems in machine tools. On the one hand, a multi-sensor monitoring system for turning was implemented. The core of this development was the integration of sensors for 3D force, vibration and temperature measurement, combined with signal preprocessing directly on the turning tool. An additionally developed telemetry system is necessary so that the functionality of the rotating tool carrier is not impaired. An important basis for reliable process monitoring is the high quality of the sensor signals. This is decisively influenced by the location and increases if the measuring point is getting closer to the process. The tool monitoring system presented here is characterized above all by the fact that the sensors are attached in the immediate vicinity of the process. This made it possible to use miniaturized sensors from microsystem technology, which were combined to form a mechatronic sensor module. For the first time, this monitoring system combines microsystem sensors to record various types of physical quantities that characterize the cutting process and a powerful signal processing chain that complements the multi-sensor module to form a technologically innovative complete system for tool and machine monitoring. Another development carried out in the context of this work relates to the detection of overstressing or damage to the spindle bearing of a machine tool. For this purpose, a vibration sensor in microsystem technology was combined with a ceramic housing and an integrated amplifier to form a mechatronic system. The result was a sensor module that is superior to all comparable semiconductor sensors available on the market in terms of resilience and dynamic at the same time. The direct signal amplification minimizes the signal interference. The measuring module is designed in such a way that its dimensions are small enough to be attached close to the process to be observed and robust enough to withstand the conditions in a machine tool. This sensor system forms the basis of a control loop, in which the actuator used represents a hydraulically preloaded spindle bearing. This spindle system, which is new for this purpose, was designed, implemented, installed and tested in an existing turning center. Extensive measurements presented in this work characterize the spindle system with regard to its static and dynamic behavior at standstill and in operation. Further potential of this spindle bearing is the possibility of maximizing the service life of motor spindles by continuously adjusting the bearing preload. In addition to the basics, special applications of sensors for production technology are dealt with. The trend towards intelligent bus-compatible sensors is particularly taken into account. Sensor systems are on the way to a higher integration of microelectronics with simultaneous miniaturization. The efforts in the area of microsystems technology or mechatronics are indications of the great potential that is still in these technologies.

Abstract

In den letzten Jahren wurden große Fortschritte in der Entwicklung neuer Sensoren erzielt. Neue sensitive Materialien auf Halbleiterbasis und hochintegrierte elektronische Bauelemente konnten gefunden werden, die eine Grundlage zur Miniaturisierung, Leistungssteigerung und Kostenverringerung bisheriger Sensorsysteme darstellen. Durch die Integration des Messaufnehmers, der vorverarbeitenden Elektronik und der Auswerteeinheit wurden intelligente Sensorsysteme möglich, die über die reine Messwerterfassung hinaus eine Reihe von Verarbeitungsaufgaben übernehmen. In dieser Arbeit wurden Lösungen behandelt, um über den Einsatz mechatronischer Systeme die Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Werkzeugmaschinen zu erhöhen. Zwei Sensorlösungen wurden beispielhaft realisiert, die Signale, die den Spanprozess charakterisieren direkt auf dem Werkzeug und in der Maschinenspindel erfassen. Der Beweis wird erbracht, dass die Mechatronik eine kostengünstige Alternative zur Maschinenüberwachung ist und als Lösung für eine umfassende Sensorintegration in Werkzeugmaschinen die Zukunft der Branche noch erheblich beeinflussen wird. Es wird großer Wert auf eine klare Definition und Abgrenzung der Begriffe Mechatronik und Mikrosystemtechnik gelegt. Hier bestehen Defizite im Sprachgebrauch und in der Literatur, da diese Wortschöpfungen erst in der jüngsten Zeit entwickelt wurden und es keine klare Zuordnung von Inhalten gibt. Es wurden zwei mechatronische Systeme vorgestellt, die ein gesamtheitliches Überwachungskonzept für Werkzeugmaschinen ermöglichen. Die parallele Verwendung von intelligenten Maschinenkomponenten an zwei wesentlich qualitätsentscheidenden Positionen, dem Werkzeug und der Werkstückaufnahme, soll beispielhaft die Potenziale des Einsatzes von mechatronischen Systemen in Werkzeugmaschinen beleuchten. Zum einen wurde ein multisensorielles Überwachungssystem für das Drehen realisiert. Kern dieser Entwicklung war die Integration von Sensoren zur 3DKraft-, Vibrations- und Temperaturmessung, kombiniert mit einer Signalvorverarbeitung direkt auf dem Drehmeißel. Ein zusätzlich entwickeltes Telemetriesystem ist nötig, um die Funktionstüchtigkeit des rotierenden Werkzeugträgers nicht zu beeinträchtigen. Eine wichtige Grundlage einer sicheren Prozessüberwachung ist die hohe Güte der Sensorsignale. Diese wird entscheidend vom Aufnahmeort beeinflusst und ist um so höher, je näher sich die Messstelle am Prozess befindet. Das hier vorgestellte Werkzeugüberwachungssystem zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die Anbringung der Sensorik in unmittelbarer Nähe des Prozesses erfolgt. Dies ermöglichte den Einsatz miniaturisierter Sensoren der Mikrosystemtechnik, die zu einem mechatronischen Sensormodul kombiniert wurden. Dieses Überwachungssystem vereint erstmals mikrosystemtechnische Sensoren zur Erfassung verschiedenartiger physikalischer Größen, die den Schneidprozess charakterisieren und eine leistungsfähige Signalverarbeitungskette, die das Multisensormodul zu einem technologisch neuartigen Komplettsystem zur Werkzeug- und Maschinenüberwachung ergänzt. Eine weitere im Rahmen dieser Arbeit durchgeführte Entwicklung bezieht sich auf die Erkennung einer Überbeanspruchung oder Schädigung der Spindellagerung einer Werkzeugmaschine. Hierfür wurde ein Vibrationssensor in Mikrosystemtechnik mit einem Keramikgehäuse und einem integrierten Verstärker zu einem mechatronischen System vereint. Das Ergebnis war ein Sensormodul, das allen am Markt verfügbaren vergleichbaren Halbleitersensoren in Belastbarkeit bei gleichzeitiger Dynamik überlegen ist. Die direkte Signalverstärkung minimiert die Störung des Signals. Das Messmodul ist so konzipiert, dass dessen Abmaß klein genug ist, um nahe dem zu beobachtenden Prozess angebracht werden zu können und robust genug, um den Gegebenheiten in einer Werkzeugmaschine standzuhalten. Dieses Sensorsystem bildet die Grundlage eines Regelkreises, wobei das verwendete Stellglied ein hydraulisch vorspannbares Spindellager darstellt. Dieses für diesen Zweck neuartige Spindelsystem wurde konstruiert und realisiert und in ein bestehendes Drehzentrum eingebaut und getestet. Umfangreiche in dieser Arbeit vorgestellte Messungen charakterisieren das Spindelsystem hinsichtlich seines statischen und dynamischen Verhaltens im Stillstand und im Betrieb. Weitere Potenziale dieser Spindellagerung ist die Möglichkeit der Maximierung der Einsatzdauer von Motorspindeln über die stetige Anpassung der Lagervorspannung. Neben den Grundlagen werden spezielle Einsatzmöglichkeiten von Sensoren für die Produktionstechnik behandelt. Dem Trend hin zu intelligenten busfähigen Sensoren wird besonders Rechnung getragen. Sensorsysteme gehen den Weg einer höheren Integration von Mikroelektronik bei gleichzeitiger Miniaturisierung. Die Bestrebungen im Bereich der Mikrosystemtechnik oder Mechatronik sind Anzeichen für das große Potenzial, das noch in diesen Technologien steckt.

Series
Fertigungstechnik - Erlangen
Series Nr.
108
Notes
Nach Rechteübertragung des Meisenbach-Verlags auf die FAU digitalisiert und online gestellt durch Geschäftsstelle Maschinenbau und Universitätsbibliothek der FAU im Jahr 2020. Koordination der Reihe: Dr.-Ing. Oliver Kreis. Für weitere Informationen zur Gesamtreihe siehe https://mb.fau.de/diss
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