Sensorintegrierte Signalverarbeitung − Überwachung des Spanabtransportes beim Tiefbohren

Das Bild zeigt das orange dargestellte Sensorgehäuse, welches als Verlängerung der Bohrbuchse im Spänekasten montiert ist. Das Sensorprinzip beruht auf der Reflexion von IR-Strahlen, welche über Lichtleiter zur Messstelle geleitet werden. Solange sich die Rückseite des Bohrers vor einem Lichtleiter befindet, wird der Lichtleiter verschlossen. Befindet sich die Sicke vor dem Lichtleiter, so wird das IR-Licht in der Sicke reflektiert und von einem weiteren Lichtleiter zu einer Fotodiode geleitet, welche die Intensität des IR-Licht misst. Durch die Rotation des Werkzeugs wird ein charakteristisches Muster erzeugt, welches sich von Umdrehung zu Umdrehung wiederholt.

Beim Transport eines Spans durch die Sicke wird das charakteristische Muster, wie es der mittlere Teil des Signalverlaufs in dem Bild zeigt, gestört. Aufgrund dieser Störungen können Späne von Größen kleiner 1 mm und mit Geschwindigkeiten von über 20 m/s eindeutig identifiziert werden. Für die Ermittlung einer genauen Spangeschwindigkeit ist ein zweistufiges Sensorprinzip mit einem definierten Abstand zwischen den Messpunkten notwendig. Ist die Spangeschwindigkeit bekannt, können über die Störungsdauer die Spanlängen berechnet werden. Durch die in Bild 14 gezeigte alternative Anordnung von drei sendenden und drei empfangenden Lichtleitern um den Bohrungsumfang kann eine 100 %-Erfassung der Späne erfolgen. Hierdurch wird eine Auswertung der Spanfrequenzen ermöglicht. Zur Auswertung der Messsignale und der Musteridentifikation kommt ein FPGA-System zum Einsatz, welches zum Sensor gehört. Die Ergebnisse der Analyse können in Form von Informationen ausgegeben werden.

Wie oben dargestellt, ermöglicht die Entwicklung des optischen Mess-systems die Ermittlung der drei Größen Spanabtransportgeschwindigkeit, Spanlänge und Spanfrequenz. Durch die statistische Auswertung dieser Informationen können prozessbeschreibende Kenngrößen ermittelt werden (Tabelle 1).
Durch den Aufbau einer Technologiedatenbank können auf diese Weise Abweichungen der Messgrößen von geforderten Sollgrößen bzw. die Streuungen identifiziert und Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Bild 15 zeigt exemplarisch den geschlossenen Regelkreis der Spanabtransportüberwachung beim Einlippentiefbohren.

Tabelle 1. Kenngrößen der Spanraumüberwachung

Je nachdem, welche Prozessgröße überwacht wird, sind unterschiedliche Strategien und Stellgrößen notwendig. An der Maschine vorhandene Stellgrößen sind die Schnittgeschwindigkeit, die Vorschubgeschwindigkeit und die Kühlschmierstoffparameter. Zu unterscheiden sind hier Regelungstrategien, welche in den laufenden Prozess eingreifen, um zum Beispiel einen Bohrerbruch im Falle eines Spänestaus zu vermeiden und Strategien zur iterativen Anpassung zwischen einzelnen Prozessschritten, welche zum Beispiel Parameter aufgrund des Verschleißfortschrittes über die Standzeit eines Werkzeugs anpassen. Für die jeweiligen Strategien sind geeignete Maschinenanbindungen zu realisieren, welche die jeweilige Parametermanipulation erlauben. Für die Online-Regelung ist beispielsweise ein Direktzugriff auf die Overrideparameter ein geeignetes Mittel. Iterative Parameteranpassungen sind durch die externe Beschrei-bung der Zerspanparameter über den OPC-Server einer Maschine möglich.
Der in diesem Abschnitt vorgestellte Sensor zur Überwachung des Spanraums beim Tieflochbohren stellt einen integrierten Sensor dar, der zeit-synchron unterschiedliche Größen am Span ermittelt. Neben der Spanlänge werden die Spangeschwindigkeit und die Span-zu-Span-Zeit erfasst. Durch nachgeschaltete Analysen können Rückschlüsse auf den Prozess und den Werkzeugverschleiß getroffen werden. Damit ist dieser Sensor ein Beispiel für einen integrierten Sensor, der im Hinblick auf die digitale Produktion weiteres Potenzial aufzeigt.