So automatisieren Sie die CNC-Werkzeuginspektion mit Maschinenmessung

PFT, Shenzhen

Abstrakt

Die automatisierte Werkzeuginspektion ist zu einem wesentlichen Schritt in der modernen CNC-Bearbeitung geworden, insbesondere bei hochpräziser und Serienfertigung. Ziel dieser Studie war es, die Effektivität von Maschinenmesssystemen hinsichtlich der Überwachung des Werkzeugverschleißes und der dimensionalgenauigkeit zu bewerten, ohne die Zykluszeit zu unterbrechen. Die Methoden umfassten die Integration eines Tastsystem-Probes in ein dreidimensionales Vertikal-Bearbeitungszentrum, kombiniert mit maßgeschneiderten Inspektionszyklen, die in der Steuersoftware entwickelt wurden. Daten wurden anhand wiederholter Werkzeuginspektionen über 500 Bearbeitungszyklen erhoben und Abweichungen im Durchmesser und in der Länge aufgezeichnet. Die Ergebnisse zeigten, dass die automatisierte Messtechnik die manuelle Inspektionszeit um 65 % reduzierte, wobei die dimensionale Genauigkeit innerhalb von ±2 µm gehalten wurde. Der Vergleich mit der Offline-Inspektion ergab, dass die Messtechnik innerhalb der Maschine eine gleiche oder höhere Wiederholgenauigkeit erzielte, insbesondere bei der Erkennung graduellen Seitenflächenverschleißes. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Messtechnik innerhalb der Maschine eine praktische und skalierbare Lösung für die Automatisierung der Werkzeuginspektion in CNC-Umgebungen bietet und sowohl die Prozesssicherheit als auch Kosteneinsparungen unterstützt.

1 Einführung

Werkzeugverschleiß und -bruch gehören zu den häufigsten Ursachen für Werkstückabweichungen und Maschinenstillständen in der CNC-Produktion. Traditionsgemäß basierte die Prüfung auf manuellen Messungen mit Offline-Geräten wie Werkzeugvoreinstellgeräten und Mikroskopen. Obwohl diese Methoden genau sind, unterbrechen sie die Produktion und erhöhen die Arbeitskosten. Die Messtaster-Technologie direkt an der Maschine begegnet diesen Herausforderungen, indem sie die automatische Werkzeugmessung innerhalb des Fertigungszyklus ermöglicht. Diese Studie untersucht, wie die Messtaster-Technologie implementiert werden kann, um die Werkzeugprüfung zu automatisieren, mit Fokus auf Designmethodik, Leistungsergebnisse und praktische Anwendung.

2 Forschungsmethode

2.1 Designkonzept

Das Prüfsystem basiert auf einem Taststift, der in die Spindel eines Vertikal-Bearbeitungszentrums integriert ist. Der Taststift wurde programmiert, um vor und nach jedem Bearbeitungszyklus Länge und Durchmesser des Werkzeugs zu messen. Die Messroutinen wurden unter Verwendung von Standard-G-Code-Makros entwickelt, um die Reproduzierbarkeit auf verschiedenen Maschinen sicherzustellen.

2.2 Datenerfassung

Daten wurden aus 500 Bearbeitungszyklen von gehärteten Stahlkomponenten erfasst. Längen- und Durchmessertoleranzen der Werkzeuge wurden automatisch vom CNC-Controller aufgezeichnet. Offline-Messungen mit einem Werkzeugvoreinsteller dienten als Kontrollgruppe.

2.3 Geräte und Modelle

• Maschine: 3-Achsen-Bearbeitungszentrum, 12.000 U/min Spindel

• Taster: Renishaw OMP60 Auslösetaster

• Getestete Werkzeuge: ø10 mm Hartmetallfräser, TiAlN-beschichtet

• Software: Fanuc 0i-MF-Controller mit kundenspezifischen Tastzyklen

Dieser Aufbau gewährleistet Reproduzierbarkeit und ermöglicht, die Methodik auf andere Maschinenkonfigurationen anzupassen.

3 Ergebnisse und Analyse

3.1 Werkzeuglängenmessung

Abbildung 1 zeigt den Vergleich zwischen Messung im Maschinenbetrieb und Offline-Voreinstung. Die Ergebnisse zeigten eine maximale Abweichung von ±2 µm, wobei keine signifikanten Unterschiede zwischen den Methoden festzustellen waren.

3.2 Werkzeugdurchmessermessung

Tabelle 1 zeigt die gemessenen Werkzeugdurchmesssabweichungen über 500 Zyklen hinweg. Die Messung im Maschinenbetrieb erfasste kontinuierlich die schleichenden Reduktionen, die durch Flankenverschleiß verursacht wurden.

Tabelle 1 Werkzeugdurchmessabweichung über 500 Zyklen (µm)

Die Daten bestätigen, dass die Messtasterprüfung innerhalb der Maschine bei gleicher Genauigkeit Zeit gegenüber manuellen Methoden spart.

3.3 Zeitersparnis

Die manuelle Prüfung benötigte durchschnittlich 45 Sekunden pro Werkzeug, während die automatisierte Messtasterprüfung diese Zeit auf 15 Sekunden reduzierte, was eine Zeitersparnis von 65 % bedeutet.

4 Diskussion

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Messtasterprüfung innerhalb der Maschine in vielen CNC-Anwendungen die Offline-Werkzeugprüfung ersetzen oder ergänzen kann. Ihre Effektivität resultiert aus der Fähigkeit, Werkzeuge direkt im Fertigungsumfeld zu messen und dadurch durch Handhabung verursachte Einrichtfehler zu vermeiden. Einschränkungen beinhalten den Kalibrierungsaufwand des Tasters sowie mögliche Störungen durch Kühlmittel. Dennoch überwiegen in den meisten Hochlaufproduktionen die Vorteile. Die Studie legt nahe, dass eine breite Anwendung der Messtasterprüfung in der Maschine die Stillstandszeiten erheblich reduzieren und die Prozesskontrolle verbessern könnte.

5 Fazit

Die automatisierte Werkzeuginspektion unter Verwendung von Tastverfahren direkt an der Maschine erreicht eine vergleichbare Genauigkeit wie Offline-Methoden, bietet jedoch erhebliche Zeitersparnisse. Die Methode ist praktikabel, wiederholbar und kompatibel mit gängigen CNC-Steuerungen. Zukünftige Forschungen könnten sich auf die Integration von Echtzeit-Verschleißvorhersagemodellen mit den Tastdaten konzentrieren und damit die prädiktive Wartung im CNC-Bereich weiter verbessern.