Werkzeug oder Span?

Der Einsatz eines Systems zur Werkzeugbrucherkennung nach dem Lichtschrankenprinzip ist jedoch auch nicht ganz problemlos, da das System nicht zwischen einem Werkzeug und Verunreinigungen wie Kühlmittel und Spänen unterscheiden kann, was möglicherweise gelegentlich zu falschen Ergebnissen führt.

Diese Systemschwächen löst Renishaw durch ein neues Lasersystem, das eine extrem schnelle und zuverlässige Werkzeugbrucherkennung ermöglicht.

Berührende Systeme sind derzeit die gängigste Methode zur Werkzeugbrucherkennung. Dabei wird im Allgemeinen zwischen zwei Typen unterschieden: einem Messdosen-System und einem System mit schwenkendem Drahtfühler. Beim Messdosen-System wird ein Werkzeug in Kontakt mit der Messdose gebracht. Dadurch wird das Gerät ausgelöst und bestätigt, dass das Werkzeug vorhanden und nicht gebrochen ist. Das System mit schwenkendem Drahtfühler besteht aus einem Stellantrieb, der einen Stab einschwenkt, bis dieser mit einem Werkzeug in Berührung kommt. Kann kein Kontakt hergestellt werden, wird daraus gefolgert, dass das Werkzeug gebrochen ist.

Konventionelle berührungslose Werkzeugkontrollsysteme arbeiten mit einem Laserstrahl, der von einem Sender zu einem Empfänger ausgestrahlt wird. Das System wird entweder auf dem Maschinentisch oder an den Seiten installiert, so dass der Strahl durch den Arbeitsbereich verläuft. Die Gegenwart eines Werkzeugs im Strahl bewirkt eine Verminderung des vom Empfänger erfassten Lichtes und ein Schaltsignal wird erzeugt. Wird keine Verminderung des ankommenden Lichtes festgestellt, wird angenommen, dass das Werkzeug den Strahl nicht wie erwartet blockiert hat und daher gebrochen sein muss.

Beide Methoden zur berührenden Werkzeugbrucherkennung sind oft kaum zufriedenstellend. Das Hauptproblem ist eigentlich nicht ihre verminderte Zuverlässigkeit, sondern vielmehr die Tatsache, dass durch den Kontakt mit dem Werkzeug kleinere Werkzeuge beschädigt werden oder gar brechen können. Dadurch können nur Werkzeuge ab einem bestimmten Durchmesser sicher geprüft werden. Aber auch größere Werkzeuge oder solche mit einer empfindlichen Oberflächenbeschichtung sind aufgrund ihrer hohen Oberflächengeschwindigkeit einem gewissen Risiko ausgesetzt. Außerdem ist die Verwendung berührender Methoden zur Werkzeugbrucherkennung ein sehr langsamer Prozess und verlängert die Produktionszykluszeiten erheblich, da der Kontakt mit dem Werkzeug zur Verhinderung von Beschädigungen langsam hergestellt werden muss. Berührende Systeme müssen innerhalb der Verfahrbereichs montiert werden, wodurch wertvoller Platz verloren geht und sich die Kollisionsgefahr erhöht. Systeme mit Stellantrieben können blockieren und sind daher nicht sehr sicher.

Die Verwendung eines konventionellen berührungslosen Lasersystems zur Werkzeugbruchkontrolle kann zu einer Reihe von Problemen führen, da das System nicht zwischen einem Werkzeug und Verunreinigungen wie Kühlmittel oder Spänen unterscheiden kann. Insbesondere Kühlmittelströme sind noch einige Sekunden nach dem Abschalten der Pumpe vorhanden. Daher könnte das System fälschlicherweise Verunreinigungen wie beispielsweise einen Kühlmittelstrom für ein Werkzeug halten und daraus folgern, dass das Werkzeug in Ordnung ist, obwohl es eigentlich gebrochen ist. Die Verlässlichkeit des Prozesses lässt sich verbessern, indem das Werkzeug länger im Strahl gehalten wird. Dadurch kann das Kühlmittel besser abgeschleudert werden, das Ergebnis wird verlässlicher. Es besteht jedoch weiterhin die Möglichkeit, dass ein gebrochenes Werkzeug nicht erkannt wird, was teuren Ausschuss oder die Nachbearbeitung von Teilen zur Folge hat.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung des Lichtschrankenprinzips zur Werkzeugbrucherkennung lange dauert und möglicherweise nicht zuverlässig ist. Außerdem kann die Verwendung bisheriger berührungsloser System ausschließlich zur Werkzeugbruchkontrolle eine kostspielige Lösung sein. Häufig sind M-Codes zur Werkzeugbrucherkennung erforderlich. Das System erfordert unter Umständen die Ausrichtung zu den Maschinenachsen, wodurch der Installationsprozess langwierig wird. Systeme mit getrennten Sendern und Empfängern benötigen außerdem aufwändige Halterungen und müssen ausgerichtet werden.

Das TRS1-System ist Renishaws innovative, neue Lösung zur Werkzeugbruchkontrolle und ist das allererste Produkt seiner Art dar. Das System arbeitet mit einem Laserstrahl, verwendet jedoch nicht das Lichtschrankenprinzip zur Werkzeugerkennung. Stattdessen verwendet das TRS1 einen Strahl, der zurück zum Empfänger reflektiert wird und sich in demselben Gehäuse wie der Sender befindet. Die Elektronik zur Werkzeugbrucherkennung (Tool Recognition System, TRS) stellt dann fest, ob ein Werkzeug vorhanden und somit in Ordnung ist, oder aber nicht vorhanden und somit gebrochen ist.

Die im TRS1-System verwendete Elektronik zur Werkzeugbrucherkennung stellt einen großen Fortschritt in Richtung sicherer Werkzeugbrucherkennung dar. Das System kann schnell und definitiv feststellen, ob ein Werkzeug vorhanden ist oder nicht. Das TRS1-System scheint einen Laserstrahl zu dem Punkt, an dem die Werkzeugerfassung durchgeführt werden soll. Das Werkzeug wird dann so positioniert, dass der Laserstrahl auf die Werkzeugspitze trifft – typischerweise 3 mm vom Werkzeugende entfernt. Das Werkzeug wird mit genau 1000 U/min rotiert, und der Laserstrahl wird vom Werkzeug zurück zum TRS1-Empfänger reflektiert. Durch die Rotation des Werkzeugs variiert die Stärke des reflektierten Lichtes, so dass ein sich wiederholendes Muster entsteht. Dieses sich wiederholende Muster wird von dem Mikrocontroller im TRS1-System erkannt und das Ausgangsrelais wird geschaltet, wodurch ein gutes Werkzeug signalisiert wird und mit dem Bearbeitungszyklus fortgefahren werden kann. Da das sich wiederholende Lichtmuster nur entstehen kann, wenn ein Werkzeug vorhanden ist, kann das TRS1-System nicht durch Verunreinigungen wie Späne oder Kühlmittel getäuscht werden. Wird nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitraumes kein Werkzeug erkannt, gibt die Anwendungssoftware einen Werkzeugbruch-Alarm aus. Die konstruktive Auslegung wurde speziell so ausgeführt, dass ein sicherer Betrieb gewährleistet ist. Das TRS1-System benötigt zur Werkzeugerkennung reflektiertes Licht. Die Menge des reflektierten Lichtes hängt von einer Reihe von Faktoren wie Werkzeuggröße, Oberflächenbeschichtung, Werkzeugform, Arbeitsbereich und Kühlmittel ab. Typischerweise benötigt das TRS1-System für die Erkennung eines guten Werkzeugs weniger als 1 Sekunde. Wenn jedoch das sich wiederholende Muster stark gestört ist, kann der Zyklus gegebenenfalls länger dauern. Dies ist jedoch nur unter bestimmten, speziellen Umständen der Fall und nicht bei jedem Aufruf der Werkzeugerkennung. Im extremen Fall wird aus Sicherheitsgründen ein Werkzeugbruchalarm ausgegeben, wenn das Werkzeug nicht während der durch den Benutzer festgelegten Zeit erkannt wird. Ein beschädigtes Werkzeug würde also nicht fälschlicherweise als gutes Werkzeug erkannt werden. Längere Zykluszeiten treten nur unter ungünstigen Umständen auf, wobei entsprechende Maßnahmen zur Verminderung der Auswirkungen unternommen werden können.

Das TRS1-System ist einfach und flexibel zu montieren. Seine Reichweite kann durch den Anwender eingestellt werden. So lassen sich die optimalen Parameter schnell bestimmen, damit Werkzeuge sicher durch das TRS1-System erkannt werden. Wird das TRS1-System bei einem möglichst kurzen Abstand verwendet, erhöht sich die Menge an reflektiertem Licht. Darüber hinaus kann durch die Einstellung der Position am Werkzeug, an der die Überprüfung vorgenommen wird, die Erkennungsgenauigkeit weiter verbessert werden. Beispielsweise sammelt sich in der Regel bei kleinen Werkzeugen mit etwa 2 mm Durchmesser das Kühlmittel an der Spitze, weshalb eine Überprüfung etwas weiter oberhalb am Werkzeug meist von Vorteil ist. Außerdem lassen sich die Ergebnisse auch durch die Rotation des Werkzeugs bei hohen Geschwindigkeiten oder durch eine Entfernung des Kühlmittels mittels Druckluft vor der Überprüfung verbessern.

Die innovative Technologie des TRS1-Systems bietet viele Vorteile gegenüber den bisherigen Systemen zur Werkzeugbruchkontrolle. Die kompakte, aus einem Teil bestehende Einheit ist sehr einfach zu installieren und brauchen keine M-Codes oder Kalibrierroutinen. Das System kann außerhalb des Verfahrbereiches der Maschine installiert werden, wodurch die Gefahr von Kollisionen beseitigt und Platz auf dem Maschinentisch eingespart wird. Ebenso lassen sich Installationszeit und Platz im Steuerschrank der Maschine einsparen, da kein Interface vorhanden ist. Im Hinblick auf seine Leistung kann das TRS1-System in einem Bereich von bis zu 2 m arbeiten. Das System berührt das Werkzeug nicht, weswegen es auch Werkzeuge mit kleinem Durchmesser erfassen kann, ohne dabei das Werkzeug zu beschädigen. Es können deshalb auch höhere Anfahrgeschwindigkeiten verwendet werden, wodurch sich die Zykluszeiten verkürzen. Anders als bei bestehenden berührungslosen Methoden zur Werkzeugbrucherkennung kann das TRS1-System nicht fälschlicherweise Kühlmittel oder Späne für das Werkzeug halten, weshalb es fast unmöglich ist, dass ein gebrochenes Werkzeug unerkannt bleibt. Die einfache Bauweise ohne bewegliche Teile machen das TRS1-System extrem robust und selbst für den Einsatz unter rauesten Arbeitsbedingungen geeignet. Die kritischen Laseroptiken werden durch Sperrluft bis zu Schutzklasse IPX8 geschützt, die aus derselben Öffnung wie der Laserstrahl austritt und dafür sorgt, dass keine Verunreinigungen in das Gerät gelangen. Dank seiner Eigenschaften und durch den einfachen Systemaufbau stellt das TRS1-System eine kostengünstige Lösung zur Werkzeugbruchkontrolle dar.

Renishaw, Pliezhausen

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