Fraunhofer-Gesellschaft

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Werkzeugintegrierte Sensorik zur Prozessüberwachung in der Zerspanung

 
: Bucht, Andre; Ettrichrätz, Martin; Gebhardt, Sylvia; Höhn, Mandy

Wiedemann, M. ; Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. -DLR-:
Smarte Strukturen und Systeme : Tagungsband des 4SMARTS-Symposiums, 21.-22. Juni 2017, Braunschweig
Aachen: Shaker Verlag, 2017
ISBN: 978-3-8440-5083-7
ISBN: 3-8440-5083-3
pp.449-460
Symposium für Smarte Strukturen und Systeme (4Smarts) <2017, Braunschweig>
German
Conference Paper
Fraunhofer IWU ()
Sensorik; Piezo; Zerspanung; Werkzeugmaschine; Werkzeug

Abstract
Bei Werkzeugmaschinen spielen zunehmend komplexe Regelungsalgorithmen eine Rolle. Statt Einzelkomponenten, wie zum Beispiel die Antriebe, zu regeln, steht immer häufiger die Regelung des Fertigungsprozesses im Sinne eines Qualitätsregelkreises im Vordergrund. Die Maschine passt ihr Verhalten selbstständig so an, dass zu jedem Zeitpunkt eine qualitativ und produktiv optimale Bearbeitung erfolgt. Auch schwierige Aufgaben wie die Bearbeitung schwer zerspanbarer Werkstoffe oder die Fertigung hochgenauer Werkstücke können so effizient und produktiv erfolgen. Bisher muss dafür auf Sensorik zurückgegriffen werden, die weit weg von der Wirkstelle platziert ist, wie z.B. die Stromsignale der Antriebe oder eine Schwingungsmessung am Gestell der Maschine. Eine zuverlässige und genaue Charakterisierung des Prozesszustandes ist damit nur ungenügend möglich, was eine zuverlässige Prozessregelung nahezu unmöglich macht. Das Ziel aktueller Forschungsarbeiten besteht deshalb in der Entwicklung einer hochintegrierten Sensorik, mit der direkt unter der Wendeschneidplatte Kraftverlauf und Temperatur während der Bearbeitung erfasst werden. Als Sensortechnologie kommen piezokeramische Dickschichten und Aluminiumnitrid-Dünnschichten zum Einsatz. Beide Schichtsysteme besitzen piezoelektrische Eigenschaften und können deshalb zur Kraftmessung genutzt werden. Während die piezokeramischen Dickschichten eine hohe Sensitivität aufweisen, bieten Aluminiumnitrid-Schichten eine hohe Temperaturstabilität und eine hohe Festigkeit. Das gemessene Signal wird direkt auf dem rotierenden Werkzeug vorverarbeitet. Mittels einer in den Werkzeugträger integrierten Elektronik wird das Signal verstärkt, gefiltert sowie komprimiert bzw. codiert. Für die Zuführung der notwendigen Energie von außen und für die Übertragung des komprimierten Messsignals sorgt eine drahtlose Übertragungsstrecke auf RFID-Basis. Auf der Maschinenseite wird das Kraftsignal wieder decodiert und an die Steuerung der Werkzeugmaschine übergeben. Diese setzt das Signal in Relation zur aktuellen Bearbeitungsaufgabe und vergleicht den aktuellen Prozesszustand mit dem gewünschten Optimalzustand. Anhand der ermittelten Differenz leitet die Maschine selbsttätig eine geeignete Reaktion ab. So kann beispielsweise die Drehzahl der Hauptspindel oder der Vorschub der Antriebe angepasst werden.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-461364.html