Aus dem Maschinengestell können bereits heute Informationen gewonnen und verwertet werden – mit bekannten und erprobten Mitteln. Dieser Artikel zeigt auf, wie Maschinengestelle und Gestellbauteile in die Kommunikation der Maschine und kompletter Prozesse sinnvoll eingebunden werden. Es werden praktikable, bereits angewandte Lösungen gezeigt und Ausblicke auf künftige Entwicklungen gegeben.
Maschinengestelle und Gestellbauteile erfüllen mittels der folgenden Hauptfunktionen u. a. statische, dynamische und thermische Anforderungen:
Sicherung der geometrischen Lage der Maschinenelemente (z. B. Führungen, Antriebe, Mess- und Prüfequipment, Spindeln usw.) und damit die
Aufnahme von Lasten, Kräften und Momenten sowie
die Integration von Funktionsbaugruppen wie Hydraulik-, Pneumatik- und Kühlschmierstoffaggregaten und Steuerungen.
Weiterhin ist das Leiten oder Ableiten von Stoffen (Kühlschmierstoffe, Späne) und Energie sowie das Unterstützen des Werkstückhandlings von steigender Bedeutung.
In modernen Maschinen nehmen die Anforderungen an das Maschinengestell stetig zu. Ziel der Maschinenhersteller ist es, komplette Systeme bis hin zu Basismaschinen einzukaufen. Damit steigen auch die Anforderungen an die gelieferten Genauigkeiten des Maschinengestells und der Gestellbauteile, auch im Produktionsbetrieb der Maschine. Bekanntlich treten während des Betriebs einer Maschine die verschiedensten Belastungsarten auf, welche sich zeitlich und örtlich ändern und damit sehr dynamisch sind.
Schon einige wenige, aber oftmals vorkommende Belastungsfälle haben einen dynamischen Einfluss auf die Genauigkeit der Maschine bzw. deren Operationen und das finale Werkstück. Zu diesen Belastungsfällen kommen, je nach Einsatz, weitere Fälle hinzu, die nachfolgend beschrieben werden.
Erfassen und Auswerten diverser Belastungen
Bereits in der Entwicklungsphase, mit den ersten Berechnungen zu einer neuen Maschine, lassen sich heute mit bekannten Mitteln Simulationen durchführen, um Belastungen theoretisch darzustellen. Am bekanntesten sind FEM-Berechnungen (Finite Elemente Methode) für statische und dynamische Belastungen.
So gut und realitätsnah diese Berechnungen auch sind, bleiben sie doch Theorie. In der Praxis werden immer öfter diverse Sensorik und Messmittel zur Bestimmung der tatsächlichen Belastungen und erreichten Genauigkeiten einer Maschine eingesetzt. Die Sensorik ist in die Steuerung der Maschine integriert, um die aktuelle Situation zu erfassen und sogar auf diese einwirken zu können.
Genutzt werden z. B. Messtaster, welche im Werkzeugmagazin gelagert automatisch durch den Werkzeugwechsler eingesetzt werden und per Funk die gemessene tatsächliche Geometrie eines Bauteils an die Maschine übertragen. Ebenfalls wird Sensorik im Maschinengestell oder in Gestellbauteilen eingesetzt, um Belastungen frühzeitig erkennen zu können. Solche Sensoren sind heute absolut erschwinglich und werden bereits in vielen uns bekannten Geräten außerhalb des Maschinenbaus eingesetzt (z. B. Smartphone, Wetterstation zu Hause).
Speziell bei niedrigen Temperaturen vergossene Werkstoffe, z. B. Mineralguss oder UHPC, lassen eine einfache Integration solcher Sensorik und/oder die nötigen Leitungen dafür zu. Bei anderen Werkstoffen sind solche Funktionen oft nur mit einem hohen nachträglichen Bearbeitungsaufwand oder gar nicht möglich. Damit können schon beim Urformen des Maschinengestelles oder des Gestellbauteils Sensorik oder Vorbereitungen dafür eingebracht werden.
Stand der Technik
Bereits heute werden in Werkzeugmaschinen und deren Gestellen beispielsweise Temperierungen integriert, die ein Kühlen oder Aufheizen ermöglichen. Dazu werden meist Temperier-Leitungen eingegossen, durch die ein Medium dann Wärme zu- oder abführt. Diese Temperierung kann dann mehr oder weniger gesteuert erfolgen, je nach Belastung und Auslegung. Das heißt, es gibt sehr intelligente Temperierungen, die, je nach örtlichem Auftreten von thermischen Lasten, auch nur örtlich und auch noch zeitlich begrenzt wirken, bis hin zu relativ einfachen statischen Lösungen. Solche Temperierungen sind dann permanent und auch mit konstanter Temperatur betrieben und „glätten“ alle dynamischen Einflüsse (zeitlich und örtlich unterschiedlich) aus. Möglich ist auch der Einsatz von elektrisch vernetzten Beschleunigungssensoren, mit denen aufgenommene Beschleunigungen z. B. über den Transport und die Aufstellung der Maschine und einen längeren Zeitraum erfasst und dokumentiert werden können. Dies ist bei sehr hochwertigen Investitionsgütern auch wirtschaftlich sinnvoll.
Was ist noch machbar?
Bekannt sind unter anderem Fälle von durchgeschliffenen bzw. durchgescheuerten Spänerohren in Werkzeugmaschinen, durch die dann Leckagen an den Maschinen entstanden sind (ausgelaufenes Kühl- oder Schmiermittel). Andere Fälle zeigen feuchtigkeitsbedingte Genauigkeitsänderungen an Maschinen durch einfache Wasseraufnahme aus der Luft (z. B. bei hoher Luftfeuchtigkeit). Beide Fälle könnten durch eine einfache Integration von Feuchtigkeitssensoren in das Maschinengestell oder dessen Oberfläche angezeigt und sogar verhindert werden. Bei einer solchen Lösung würde die Steuerung der Maschine den Bediener z. B. über eine Fehlermeldung „Spänerohr abgenutzt“ oder „Hohe Wasseraufnahme des Maschinengestells“ sofort informieren.
Bereits anderweitig im Einsatz sind Dehnungsmessstreifen, mit denen man Verformungen oder Überlastungen des Maschinengestells anzeigen kann. Kraftmessdosen sind in der Lage, die Beladung von Maschinentischen anzuzeigen, wodurch eine Überladung der Maschine und damit eine Überlastung des Gestells angezeigt werden kann.
Hier könnten jetzt viele weitere Einflüsse aufgeführt werden, die letztlich nur die Entwickler und Endnutzer von Maschinen kennen.
Alle diese Informationen werden im ersten Schritt von der Steuerung der Maschine erfasst und ausgewertet. Je nach Anwendung und natürlich dem Nutzen, kann diese dem Maschinenbediener angezeigt oder gar in Netze, Fabriknetzwerke, eingespeist werden.
Rampf Machine Systems GmbH & Co. KG www.rampf-gruppe.de www.rampf-gruppe.de/produkte-loesungen/machine-systems
Der Autor
Martin Neumann,
Geschäftsführer,
Rampf Machine Systems GmbH & Co. KG
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