Strukturintegrierte Kraftmesstechnik zur Prozessüberwachung in Schleifmaschinen – „Kraftmaschine“

Das Schleifen stellt im Allgemeinen oftmals den letzten Prozessschritt in einer Prozesskette zur Herstellung von Bauteilen, z. B. Zahnräder oder Radsatz, dar. Entsprechend ist Ausschuss in Folge von Prozessfehlern, insbesondere in der Einzelteil- und Kleinserienfertigung, ein bedeutender Kostenfaktor. Eine frühzeitige Detektion unerwünschter Prozesszustände oder Fertigungsfehler sind daher für eine hohe Wirtschaftlichkeit entscheidend. Dies ist nur mit einer Überwachung des Schleifprozesses bei gleichzeitig hohem Automatisierungsgrad möglich. Jedoch existieren derzeit keine industrietauglichen Ansätze für einen online-überwachten Schleifprozess. Bislang werden zur Sicherung der Bauteilqualität stichprobenartig zeit- und kostenintensive Qualitätsprüfungen durchgeführt. Nachteilig dabei ist, dass erst nach der Bearbeitung beispielsweise Formabweichungen aufgrund von hohen Prozesskräften oder Verschleiß identifiziert werden können und somit ein hohes finanzielles Risiko aufgrund von Ausschuss besteht.

Ein häufig eingesetzter Überwachungsansatz bei Schleifprozessen ist die Messung der Prozesskräfte. Diese können durch maschineninterne Signale (Motorstrom) oder mittels externer Sensorik erfasst werden. Das Stromsignal der Motoren unterliegt jedoch zahlreichen Einflüssen, z. B. Reibung und Bewegungsumwandlung, weshalb der Prozesskraftanteil aus dem Gesamtsignal aufwendig rekonstruiert werden muss. Entsprechend sind die rekonstruierten Kraftsignale stark verrauscht und für eine präzise Messung der Prozesskräfte nicht ausreichend. Aus diesem Grund werden in der Forschung häufig externe Sensorik, z. B. Dynamometer eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine hohe Messgenauigkeit aus. Nachteilig dabei sind hingegen hohe Anschaffungskosten, Reduktion der statischen und dynamischen Steifigkeit der Struktur, sowie das Handling beim Ein- und Ausbau, Wartung. Daher ist ein industrieller Einsatz nicht praktikabel.

Im Forschungsprojekt „Kraftmaschine“ wird daher eine Integration der Kraftmesstechnik in die Maschinenstruktur angestrebt, die den dargestellten Defiziten begegnet und zusätzlich als eine Nachrüstlösung für bestehende Schleifmaschinen industrietauglich ist. Als Ansatz zur Kraftmessung werden hier hochsensitive halbleiterbasierte Dehnungsmessstreifen (DMS) vorgesehen, die im Kraftnebenfluss in die Maschinenstruktur eingebracht werden können und somit die Maschineneigenschaften wie die Steifigkeit nicht beeinflussen. DMS sind sehr robust und platzsparend, sodass sie sich als eine Nachrüstlösung gut eignen. Die Vorarbeiten des IFW weisen zudem das Potential von halblieterbasierten DMS zur hochgenauen Erfassung von Prozesskräften beispielsweise in Spannelementen oder Spindel nach. Ein strukturintegrierter DMS-Ansatz wurde jedoch bislang nur für Fräs-Bearbeitungszentren und Drehmaschinen umgesetzt. Durch die Integration von DMS an die Maschinenstruktur von Schleifmaschinen würde erstmals eine dauerhafte Messung der Prozesskräfte und, daraus resultierend, eine kontinuierliche Erfassung der Prozesszustände ermöglicht werden.