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Das vernetzte Werkzeugsystem

Zerspanende Fertigung digital

Das vernetzte Werkzeugsystem

Wenn Werkzeuge ihre Halter- und Werkzeugrevolver-Daten zielgerichtet erheben und austauschen würden, ließen sich viele Mängel, etwa infolge von Schwingungen, vermeiden. Eine digitale Lösung rund um die Auswerteeinheit IQ Box des Werkzeugträgerspezialisten Sauter soll das und mehr möglich machen.

Edge Computing ist in der Lage, große Datenmengen bei geringen Latenzzeiten zu verarbeiten. (Bild: ©zapp2photo /shutterstock.com/Sauter Feinmechanik GmbH) [1]

Edge Computing ist in der Lage, große Datenmengen bei geringen Latenzzeiten zu verarbeiten. (Bild: ©zapp2photo /shutterstock.com/Sauter Feinmechanik GmbH)

Trotz des riesigen Potenzials sind Industrie-4.0-Lösungen in der zerspanenden Fertigung die Ausnahme. Meist werden Werkzeugmaschinen noch manuell oder über binäre Signale geregelt. Was fehlt, sind einheitliche Kommunikationsstandards, um Maschinen einfach und intelligent zu vernetzen. Das Maschine-zu-Maschine-Kommunikationsprotokoll OPC Unified Architecture (OPC UA) gilt hier als Hoffnungsträger. Der Maschinenhersteller Sauter setzt bei einer eigenen Vernetzungslösung auf das weiterentwickelte OPC UA TSN – eine Kombination mehrerer Technologien, die Daten herstellerübergreifend und in Echtzeit mit einem einheitlichen, offenen Standard übertragen. Der Systemausstatter für Werkzeugträgersysteme will Anwendern damit ermöglichen, von der Feldebene bis in die Cloud durchgängig kommunizieren zu können. Zudem gilt das Universal Machine Tool Interface (Umati) als möglicher Kandidat für einen weltweiten Standard. Die universelle Schnittstelle wurde vom VDW gemeinsam mit 17 Projektpartnern entwickelt und wird auch vom Spezialisten für Werkzeugträgersysteme Sauter unterstützt. Umati basiert auf einer OPC UA Companion Specification und bietet mit ihrem offenen Datenmodell eine Kommunikationsplattform zur Anbindung vieler Devices.

Mit Edge Computing Daten selektieren

Die neue Lösung von Sauter vernetzt Werkstück, Werkzeug, Werkzeugrevolver und Werkzeugmaschine miteinander. Bei der Kommunikation der Komponenten untereinander enstehen riesige Datenmengen. Deren Verarbeitung muss daher dezentral, also außerhalb einer Cloud-Infrastruktur erfolgen. Sensoren an der Schneide, dem Werkzeughalter oder Werkzeugrevolver liefern Prozess- und Statusinformationen. Datensammler, die in die Werkzeuge und Werkzeughalter integriert sind, selektieren und übermitteln die Informationen. Eine Auswerteeinheit, die sogenannte IQ-Box, führt verwertbare Daten der Datensammler zusammen und verarbeitet diese, um ein Gesamtbild zu erstellen.

Sensornetzwerke erfassen den Bearbeitungsprozess

Im System überwacht eine integrierte Sensorik die Zerspanungsprozesse und erfasst Parameter wie Vibrationen, Drehmomente, Kräfte und Lagertemperaturen. Auch ob die Werkzeugscheibe eines Werkzeugrevolvers verriegelt ist, das Werkzeug eingekuppelt ist und ob das Werkzeug im spanenden Eingriff steht, erfasst die Lösung. Im Verbund mit Sensoren, die in den Werkzeughaltern und den Werkzeugen integriert sind, entsteht so ein intelligentes Sensornetzwerk. Dabei werden Daten an mehreren Orten gesammelt und zusammengeführt. So ergibt sich ein genaues Bild der Bearbeitungsprozesse.

Zerspanende Fertigung digital

Das vernetzte Werkzeugsystem

Intelligente Werkzeugrevolver, Werkzeughalter und Werkzeuge erfassen und sammeln Daten, werten diese aus und leiten sie an die Sauter IQ-Box weiter. (Bild: Sauter Feinmechanik GmbH) [2]

Intelligente Werkzeugrevolver, Werkzeughalter und Werkzeuge erfassen und sammeln Daten, werten diese aus und leiten sie an die Sauter IQ-Box weiter. (Bild: Sauter Feinmechanik GmbH)

Datensammler und Auswerteeinheit regulieren Prozesse

Treten im Zerspanungsprozess Schwingungen auf, folgen erhöhter Verschleiß der Werkzeuge, schlechte Oberflächenqualitäten des Werkstückes, Werkzeugbruch oder sogar Maschinenschäden. Die Analyse von in Sensornetzwerken erhobenen Daten lässt Rückschlüsse auf die Qualität des Bearbeitungsprozesses und den Maschinenzustand zu. Dazu erfassen Sensoren die Vibrationen an der Schneide und leiten die Messdaten an einen Datensammler. Durch eine erste Datenverarbeitung können so bereits Anzeichen für einen Werkzeugverschleiß oder eventuelle Materialfehler im Bauteil erkannt werden. Auch ob die gemessenen Bearbeitungskräfte die zulässigen Werte einhalten, wird erfasst. Werden Grenzwerte überschritten, gibt die IQ-Box eine Rückmeldung an eine Logik oder den Bediener. So können Maßnahmen wie die Anpassung des Vorschubs oder der Drehzahl ergriffen und im Ernstfall der gesamte Bearbeitungsprozess gestoppt werden. In Zukunft sind intelligente Auswerteeinheiten in der Lage, selbstständig Entscheidungen zu treffen. Indem sich das Netzwerk selbst konfiguriert, kann es dynamisch auf unterschiedliche Sensordaten reagieren. Damit bleibt der Verwaltungsaufwand für den Nutzer überschaubar, trotz komplexer Bearbeitungsprozesse mit vielen verschiedenen Werkzeugen und Werkzeughaltern.

Sicherheit und Verfügbarkeit

Die Kombination aus vernetzter Sensorik und Edge Computing ermöglicht es also, einen erhöhten Verschleiß früh zu erkennen und die Bearbeitungsprozesse dementsprechend anzupassen. Plötzliche Ausfälle und Stillstandszeiten könnten damit fast aus der Welt sein. Instandhaltungs- und Wartungsarbeiten sind planbar, woraus eine erhöhte Maschinenverfügbarkeit resultiert. Neben Predictive Maintenance ermöglicht die IQ-Box auch Predictive-Manufacturing-Anwendungen. So lässt mithilfe der im System ermittelten Daten zum Beispiel der Wechsel von Verschleißteilen exakt planen und durchführen. Im Ergebnis können Anwender ihre Ersatzteillagerung reduzieren und Kosten sparen.


Welche Herausforderungen mit der digitalen Transformation verbunden sind und wie Lösungen aussehen zeigt Sauter in seinem neuen Whitepaper „Werkzeugträgersysteme der Zukunft – Digitalisierung von Prozessen in der Feinmechanik“. Interessierte können sich das kostenlose Whitepaper ab sofort unter www.sauter-feinmechanik.com/emo-digital-automation/ [3]herunterladen.