Realtime monitoring van de snijkracht verbetert de precisie en efficiëntie

Figuur 1. Snijkrachten bij machinale bewerking kunnen indirect met hoge nauwkeurigheid worden gemeten met behulp van piëzo-elektrische reksensoren zoals de 9232A van Kistler. (Afbeelding:Kistler Groep)

Hoge productiviteit, lage productiekosten en hoge werkstukkwaliteit:dit zijn de belangrijkste factoren die duurzaamheid, winstgevendheid en concurrentievoordeel voor industriële fabrikanten opleveren. Betrouwbare machinemonitoring levert waardevolle realtime inzichten op in lopende processen; het is de basis voor een betrouwbare, productieve en reproduceerbare productie en het helpt machine-operators om gefundeerde beslissingen te nemen over verbeteringen op zowel de korte als de lange termijn. Deze technologie kan zelfs afwijkingen in zeer dynamische bewerkingsprocessen opvangen, zodat gebruikers direct kunnen reageren om een ​​hoge productiviteit te garanderen, de afvalpercentages te verlagen en de levensduur van gereedschappen te verlengen. Dankzij al deze voordelen is continue machine- en procesbewaking op basis van geschikte sensortechnologie een kritische succesfactor in de hedendaagse maakindustrie.

Machinebewaking met PE-reksensoren

Machinebewakingsoplossingen van Kistler Group, Winterthur, Zwitserland, bevatten sensoren die kunnen worden geïntegreerd in de mechanische en elektrische omgeving van een machine. Alleen die sensoren die daadwerkelijk nodig zijn, worden echter op gedefinieerde posities in de machine geïnstalleerd. Deze aanpak minimaliseert zowel de complexiteit als de kosten van het machinebewakingssysteem, hoewel de integratie van de sensoren in de mechanische en elektrische structuren van de machine nog steeds een uitdaging kan zijn.

Sensortype en -positie zijn kritische succesfactoren bij het vastleggen van zeer dynamische processen met maximale nauwkeurigheid. De sensor moet zo dicht bij het snijpunt worden geplaatst dat deze het bewerkingsproces niet hindert, maar tegelijkertijd niet onderhevig is aan andere invloeden dan het daadwerkelijke snijden. Het monitoren van de snijkrachten speelt een sleutelrol bij het garanderen van stabiele bewerkingen die nodig zijn om componenten met nauwe toleranties te produceren. Gebruikers die voor dit soort machinebewakingsoplossingen kiezen, kunnen ook doorgroeien naar autonome bewerking en daardoor hun totale bewerkingskosten verlagen.

Eén manier om de snijkrachten vast te leggen is door de vervormingskrachten te meten die op de structuur van de werktuigmachine inwerken. Dit kan worden bereikt met piëzo-elektrische oppervlaktereksensoren die zijn bevestigd aan of geïntegreerd in de machinestructuur. In een recent project met MINGANTI GLOBAL AB, Lidköping, Zweden, werden verticale draaibanken uitgerust met een geïntegreerde Kistler PE oppervlaktereksensor 9232A, die de hoge gevoeligheid biedt die nodig is om zowel trek- als drukspanningen op een oppervlak te meten dankzij een meetbereik van ±600 microrek (με).

Indirecte meting van de snijkracht dicht bij de snijkant

Figuur 2. De ram van de machine waar de snijgereedschaphouders zijn vastgeklemd. (Afbeelding:Kistler Groep)

Dit machinebewakingssysteem is bedoeld om hoge gereedschapsslijtage en gereedschapsbreuk te detecteren en de machine te stoppen bij een crash. Wanneer de krachtcontrole eenmaal is vastgesteld op basis van nauwkeurige meetgegevens, kan deze worden gebruikt om de profielnauwkeurigheid te bewaken en te verbeteren. De grote radiale krachten die optreden bij hard draaien veroorzaken elastische vervorming van de ram die de snijgereedschaphouders draagt. De vervorming is zeer klein en kan gedeeltelijk worden gecompenseerd door de machinebesturing. Maar toch is het nog steeds groot genoeg om te worden opgevangen door een spanningssensor met goede nauwkeurigheid die zich zeer dicht bij de snijkant bevindt.

Machinemonitoring kan ook gebaseerd zijn op machinesignalen, maar bij deze toepassing is de kwaliteit zowel afhankelijk van het machinetype als van de staat van slijtage. Machinesignalen vertonen soms afwijkingen die geen verband houden met het snijproces en zijn dus niet voldoende voor een machinebesturingssysteem dat zich richt op gereedschapsslijtage of productkwaliteit.

Minganti en Kistler besloten een tweede sensor te installeren om de machinebewakingsoplossing te voltooien. Dit zorgt voor een zekere redundantie en houdt tevens rekening met de hoge kosten van onderdelen. Voor dit doel werd bovendien een 8274A piëzo-elektrische versnellingsmeter met één as van Kistler in de ram geïntegreerd. Het vult de kracht(rek)metingen aan door metingen met een hogere frequentie te leveren, zodat plotselinge veranderingen in het proces kunnen worden gedetecteerd. Beide sensoringangen worden verwerkt met een digitale ladingsversterker, die via PROFINET met de machinebesturing is verbonden. Een van de grote voordelen van deze ladingsversterker is dat de gebruikers automatisch laag- en hoogdoorlaatfilters kunnen uitvoeren, waardoor het gemakkelijk wordt om zich te concentreren op het zeer dynamische deel van het signaal.

Het bereiken van een hoge nauwkeurigheid van het oppervlakteprofiel – zonder extra inspanning

Figuur 3. Het diagram toont een goede correlatie tussen het krachtsignaal (rek) van de Kistler-reksensor (bovenste grafiek) en de oppervlakteprofielmeting na het snijden (onderste grafiek). (Afbeelding:Kistler Groep)

Het uitgebreide machinebewakingssysteem wordt gebruikt om gereedschapsslijtage te monitoren, gereedschapsbreuk te detecteren en machinecrashes te detecteren en te beheersen. Het leert automatisch de reguliere signaalniveaus en controleert vervolgens veranderingen om afwijkingen te detecteren. Hierdoor kunnen operators noodzakelijke acties ondernemen, zoals gereedschapswissels, machinestops en andere. Gereedschapsfouten (breuken, afbrokkelen van de snijkant, etc.) kunnen verschillende oorzaken hebben, waaronder onjuiste snijgegevens geladen in de numerieke besturing, lage snijkantkwaliteit, verkeerde koelmiddeldruk of te ovale ringen, wat bij elke rotatie tot grote veranderingen in de snijdiepte leidt. Wanneer dergelijke storingen optreden, is het effect ervan duidelijk zichtbaar in zowel de kracht- als de trillingssignalen.

Eén van de belangrijkste kwaliteitsparameters voor lagercomponenten is de profielnauwkeurigheid (‘rechtheid’) van de oppervlakken. Deze parameter beïnvloedt de wrijving tussen de rolelementen en de ringen in een lager. Het handhaven van nauwe toleranties (3 - 6 μm) op een grote ring (1 tot 2 meter diameter) is een uitdagend aspect van het harde draaiproces. Daarom voeren veel lagerproducenten het slijpen of honen uit als een extra stap. Het Kistler machinemonitoringsysteem kan indirect de rek (doorbuiging) van het gereedschap meten, zodat de profielnauwkeurigheid (vormafwijking) duidelijk zichtbaar is op het reksignaal (indirecte kracht). De krachtsignaalingang kan tijdens het draaien direct worden gebruikt om de snijomstandigheden te wijzigen met behulp van een gesloten regelkring, zodat doorbuigingen kunnen worden gecompenseerd.

Het belang van nauwkeurige machinebewaking voor nauwkeurig bewerken

Hoewel het monitoren van machinesignalen informatie kan opleveren over de bedrijfsomstandigheden, kan dit wijzen op problemen die niet direct verband houden met de nauwkeurigheid van de daadwerkelijke bewerking. Zoals we in dit artikel hebben beschreven, beschikt Kistler echter over methoden, zoals rekstrookjes en versnellingsmeters, die het snijproces direct monitoren. Het monitoren van de snijkrachten speelt een sleutelrol bij het garanderen van stabiele bewerkingen die nodig zijn om componenten met nauwe toleranties te produceren. Nauwkeurige meting van snijkrachten is een belangrijke stap in het handhaven van profielnauwkeurigheid, zegt Marcus Caldana, president van Minganti Global AB.

Dit artikel is geschreven door Buelent Tasdelen, Business Development Manager bij Kistler. Ga voor meer informatie hier  .