Schwer und Kopka GmbH - effiziente Prozess- und  Werkzeugüberwachung Ihrer Produktionsmaschinen

Rund um die Themen Prozessüberwachung, Werkzeugsicherung, Maschinenschutz und Sensorik begegnet man regelmäßig verschiedenen Schlagworten und Begriffen. Hier finden Sie zu einer Reihe von Punkten erläuternde Informationen und Definitionen aus Sicht unserer täglichen Praxis:

 

An Stanzwerkzeugen wird oft durch spezielle Sensorabfragen geprüft, ob die fertig gestanzten Teile nach dem Arbeitshub auch tatsächlich das Werkzeug verlassen haben. Hierbei kommen zumeist induktiv arbeitende Sensoren in Flach- oder Ringform zum Einsatz, die bei Anwesenheit von Metall schalten, und im Auswurfbereich der Werkzeuge angebracht sind. Hat das Stanzteil im vorgegebenen Kurbelwinkelbereich den Sensor passiert, schaltet dieser und meldet damit "ok". Bleibt das Signal aus, steckt das letzte Stanzteil vermutlich noch im Werkzeug und kann beim Folgehub größeren Schaden anrichten. Die Maschine muss jetzt direkt gestoppt und die Fehlerursache behoben werden.

Modere Überwachungssysteme bieten für die Auswurfkontrolle verschiedene Abfragemodelle, um auf alle Besonderheiten des Teileauswurfs geeignet reagieren zu können. Bei manchen Werkzeugen liegen die fertig gestanzten Teile noch in einer Auswurfrutsche und fallen eher unregelmäßig aus dem Werkzeug. Hier kann die Abfrage dann so eingestellt werden, das z. B. spätestens alle 3 Hübe ein oder mehrere Teile den Auswurfsensor passiert haben müssen.

Aufsteigende Butzen oder Stanzschrott sind ein allgegenwärtiges Problem bei der Fertigung von Stanzteilen. Die Butzen werden z. B. nach Lochoperationen vom Stempel wieder mit nach oben gezogen und können sich beim nächsten Stanzhub auf dem Streifen in der Oberfläche abdrücken. Solche Teile sind in der Regel Schrott! Dummerweise tritt dieser Fehler nur sporadisch auf, so dass er mit den üblichen Stichprobenkontrollen kaum gefunden wird.

Die Erkennung von aufsteigenden Stanzbutzen oder Stanzschrott ist mit intelligent platzierten Kraftsensoren möglich. Optimal sind ein oder mehrere piezoelektrische Sensoren an geeigneten Stellen auf der Niederhalter- bzw. Führungsplatte. Im Einlernverfahren merkt sich das Prozessüberwachungssystem, wie der Niederhalter im Arbeitshub den Stanzstreifen herunterdrückt, und legt um die zugehörigen Kraftverläufe eine passende Hüllkurve. Steigen in einem Arbeitshub Stanzbutzen oder Stanzschrott auf, wird der Niederhalter in seiner üblichen Bewegung gestört. Die gemessenen Kräfte ändern sich, die Maschine stoppt, und das Bedienpersonal kann die fehlerhaften Teile entfernen.

Dosiereinrichtungen dienen dazu, die produzierten Teile am Ausgang der Maschine nacheinander in mehrere Teilbehälter zu füllen. Übliche Ausführungsformen haben die Teilbehälter in Karusselform oder linear angeordnet. Ist ein Teilbehälter gefüllt, wird automatisch der nächste Behälter unter den Auswurf der Maschine gefahren.

Für die Ansteuerung der Einrichtungen verfügen Prozessüberwachungssysteme über den sogenannten Dosierzähler, in dem die Füllmenge je Behälter und die Anzahl der vorhandenen Behälter vorgegeben werden. Bei Erreichen einer Teilmenge schaltet ein Relais und fährt die Dosiereinrichtung in die nächste Füllposition. Sind alle Teilbehälter gefüllt, wird die Maschine abgeschaltet.

Die Vorteile beim Einsatz von Dosierern sind:

  • höheres Speichervolumen für längere, ungestörte Laufzeiten
  • Maschinenbediener wird von häufigen Routinearbeiten (Leeren von Behältern) entlastet
  • erhöht Laufzeitpotential in mannlosen Schichten
  • reduzierte Schrottmenge (bei Fehlern müssen nur Teilmengen verschrottet werden)

Reproduzierbarkeit in den Werkzeug- und Maschineneinstellungen ist ein wesentlicher Faktor für wiederholgenaues und prozesssicheres Fertigen. Auch bei Audits wird regelmäßig geprüft, ob im Unternehmen Richtlinien und Vorgaben für die Einstellung von Maschine und Werkzeugen für die einzelnen Artikel vorliegen.

Eine einfache und pragmatische Einrichthilfe bietet folgendes Vorgehen:

Wenn ein Artikel gerade perfekt läuft, werden im Prozessüberwachungssystem unter der Artikel- oder Werkzeugnummer alle Überwachungsparameter und die aktuellen Kraftkurven abgespeichert. Bei der nächsten Fertigung des gleichen Artikels werden die gespeicherten Solldaten wieder geladen, und alle Überwachungsparameter stellen sich automatisch auf die gespeicherten Gutwerte ein. Dazu können die aktuellen Kraftkurven mit den gespeicherten und für gut befundenen Sollkurven auf dem Bildschirm des Überwachungsgerätes verglichen werden. Direkt ist ersichtlich, ob und wo Abweichungen vorliegen, und in welche Richtung die Werkzeug- und Maschineneinstellungen ggf. korrigiert werden müssen.

Die Hüllkurvenüberwachung hat sich als Standardtechnik für eine effektive und feinfühlige Überwachung von Produktionsprozessen in der Serienfertigung durchgesetzt. In einem Einlernverfahren erfassen die Überwachungssysteme automatisch die typischen Signalverläufe z. B. von Kraftsensoren, und legen diese als Sollkurven für die gerade laufenden Teile ab. Die Kurve jedes anschließend gefertigten Teiles wird mit der gelernten Sollkurve verglichen. Als Grenzen dienen dabei die sogenannten Hüllkurven, die vom Überwachungssystem selbsttätig um den Streubereich der Signalverläufe gelegt werden. Die Breite der Hüllkurven kann automatisch festgelegt werden, um eine möglichst gute Anschmiegung an die Prozessstreuung und damit bestmögliche Überwachungsergebnisse zu erzielen.

Alternativ lassen sich die Grenzen auch manuell verschieben. Unzulässige Abweichungen führen zum sofortigen Abschalten der Maschine, um weitere Fehlteile zu vermeiden, und um Maschine und Werkzeug gegen Überlastung zu schützen. Alternativ können bei Hüllkurvenverletzungen die betroffenen Fehlteile durch Sortierweichen ausgeschleust werden, die automatisch vom Überwachungssystem angesteuert werden. Ausgereifte Algorithmen sorgen dafür, dass auch kleinere Fehler sicher erkannt, gleichzeitig aber unnötige Maschinenabschaltungen weitestgehend vermieden werden

Typische Fertigungsfehler machen sich oft in immer gleichen oder sehr ähnlichen Veränderungen der Messsignale bemerkbar. Sind die Veränderungen der zu überwachenden Signalverläufe für bestimmte Fehler bekannt, können diese als Muster in der Software hinterlegt werden. Die Prozessüberwachung reagiert dann sofort, wenn sie das Muster wieder erkennt, und meldet dem Maschinenbediener den erkannten Fehlertyp. Der besondere Vorteil von hinterlegten Musterkurven liegt darin, dass die Erkennung unabhängig von den eingestellten Hüllkurven arbeitet. Damit werden die Fehler sicher auch bei groben Hülleneinstellungen erkannt.

Piezoelektrische Sensoren haben sich für die Überwachung von Prozessen in der Serienfertigung als Standard etabliert. Sie werden eingesetzt zur Messung von Belastungen und Kräften, die in der Maschine und den Werkzeugen bei der Produktion anliegen. Die Sensoren werden üblicherweise fest in den Maschinen- oder Werkzeugteilen eingebracht, die die Bearbeitungskräfte aufnehmen. Durch geschickte Platzierung sind sie sowohl für die Messung von sehr kleinen Kräften wie auch hohen Belastungen einsetzbar. Piezo-Sensoren sind in verschiedenen mechanischen Ausführungen verfügbar zum Aufkleben, zum Vergiessen, zum Aufschrauben, zum Einschrauben, in Dübelform, etc..

Piezo-Messelemente erzeugen eine sogenannte elektrische Ladung, wenn sie in irgendeiner Art gedrückt, gebogen oder verformt werden werden. Die erzeugten Signale werden mittels Ladungsverstärkern in Spannungssignale umgewandelt, die in der Auswerteelektronik weiter verarbeitet werden. Sie bilden direkt den Arbeitsprozess ab z. B. in Form einer Presskraftkurve und liefern die Basisinformation für eine Prozessüberwachung.

Piezosensoren sind sehr gut für zyklische Prozesse in der Serienfertigung mit entsprechend hohen Taktraten geeignet. Für sehr langsame oder statische Prozesse sind sie nicht verwendbar, sondern werden durch Sensoren auf Basis von Dehnmeßstreifen ersetzt.

Maschinen für die Umformtechnik müssen in der Lage sein, die für die Fertigung der Umformteile benötigten Kräfte bereit zu stellen. Jede Maschine wie insbesondere Pressen sind für eine bestimmte Maximalbelastung ausgelegt, die in der Praxis nicht überschritten werden sollte, ohne dauerhafte Schäden zu provozieren. Daher sind die meisten Pressen mit einer Presskraftüberwachung ausgerüstet, die bei laufender Anlage die gerade anstehenden Presskräfte misst und mit Grenzwerten überwacht.

Gemessen werden die Presskräfte in der Regel über sogenannte Dehnungsaufnehmer, die am Gestell bzw. dem Maschinenkörper angebracht sind. Sie erfassen, wie sich der Maschinenkörper unter der Pressbelastung dehnt bzw. längt. In einem Kalibriervorgang wird die Dehnung der Maschinen in die tatsächliche Presskraft in Kilo Newton (kN) umgerechnet.

Festgelegte Grenzwerte sorgen dafür, dass die für die jeweiligen Maschinen geltenden Maximalbelastungen nicht überschritten werden.

 

Produktion in sogenannten Blindschichten oder mannlosen Schichten liegt dann vor, wenn Maschinen ohne personelle Überwachung arbeiten. Diese kostensparende Produktionsmethode wurde erst mit der Entwicklung der Prozessüberwachungssysteme möglich. Durch die Prozessüberwachung konnte die Maschinenlaufzeit von der Anwesenheitszeit des Personals entkoppelt werden. Die Maschinen laufen nach Ende der regulären Schichten oder am Wochenende so lange durch, bis entweder bei einer Störung die Maschine von der Prozessüberwachung abgeschaltet wird, der Materialvorrat aufgebraucht oder die Speicherkapazität für Fertigteile erschöpft ist.

Die mögliche Nutzung der Blindschicht hängt natürlich davon ab, ob der Produktionsprozess genügend Kapazität für mannloses Fertigen anbietet z. B. in Bezug auf die Losgrößen, die erreichbaren Werkzeugstandzeiten oder den verfügbaren Materialvorrat. Als Blindschicht bezeichnet man auch, wenn Maschinen in Pausen und beim Schichtwechsel durchlaufen, wo ohne Prozessüberwachung üblicherweise noch abgeschaltet wird. Manche Unternehmen lassen zwischen 2 Schichten einen Zeitpuffer und überbrücken diesen in einer kurzen Blindschicht.

In einigen Branchen ist die Produktion in Blindschichten gängige Praxis und sorgt dafür, dass viele vermeintliche Billigprodukte nach wie vor wirtschaftlich in hochpreisigen Industrieländern gefertigt werden können.

Die Reduzierung von Produktionsschrott ist eine der Hauptaufgaben der Prozessüberwachung. Bei Auftreten von Störungen wie Werkzeugbruch, Materialfehlern, Zuführ- und Handhabungsstörungen wird die Produktionsmaschine sofort abgeschaltet, um weitere Fehlteile zu vermeiden und Maschine und Werkzeug vor Folgeschäden zu bewahren. Ohne den Einsatz der Prozessüberwachung müssen oft grössere Produktionsmengen verschrottet werden, da schon einige wenige, sporadisch aufgetretene Fehlteile die bisherige Gutmenge kontaminiert haben können, und eine Separierung technisch oder wirtschaftlich oft nicht möglich ist.

Besonders effektiv arbeitet die Prozessüberwachung zusammen mit geeigneten Sortierweichen, die bei auftretenden Fehlern vom Überwachungssystem angesteuert werden und die Fehlteile automatisch separieren, ohne die Maschine zu stoppen. Eine Kontaminierung der bisherigen Gutmenge wird damit vermieden und gleichzeitig die Produktivität der Maschinen deutlich verbessert.

Produktionsmaschinen in der Serienfertigung sind heute oft mit modernen Prozessüberwachungssystemen ausgestattet, die für eine kontrollierte und prozesssichere Fertigung sorgen. Die Kontrolle der Fertigung erfolgt zumeist über die Messung von Bearbeitungskräften und deren Überwachung mittels dynamischer Hüllkurventechnik und sofortigem Stopp der Maschine bei Hüllkurvenüberschreitungen. Jeder erkannte oder vermeintliche Fehler, wie auch Zufallschwankungen in den Sensorsignalen, führen zu einem mehr oder weniger langen Maschinenstillstand, der die Produktivität der Anlage verschlechtert. Oft neigen die Maschinenbediener dann zu unnötig groben Hüllgrenzen, um einfach "Ruhe" zu haben. Dadurch steigt natürlich wieder die Ausschussrate durch verschenkte Überwachungsgenauigkeit.

Sinnvoll ist daher eine automatische Sortierung von Fehlteilen und "verdächtigten" Teilen über geeignete Sortierklappen, während die Maschine weiterläuft. Erkannte Fehler werden dazu sicher ausgeschleust und können sich nicht mit den bisher gefertigten Gutteilen vermischen. Die Hüllkurven bleiben genügend fein eingestellt ohne unnötige Maschinenstopps. Erst bei mehrfachem Auftreten eines Fehlers hintereinander wird die Maschine abgeschaltet.

Moderne Prozessüberwachungssysteme bieten vielfältige Einstellmöglichkeiten für eine maschinenangepasste Ansteuerung der Sortierweiche inkl. einer Funktionskontrolle über die Abfrage von Endlagenschaltern an der Weiche.

Falsch bzw. nicht optimal eingestellte Werkzeuge beim Gewindewalzen mit Flachbacken sind eine der Hauptursachen für schlechte Gewindequalität und schnellen Werkzeugverschleiss. Nur erfahrene Maschineneinsteller erzielen beim Einrichten perfekte Ergebnisse. Spurfehler ergeben sich dann, wenn die beiden Gewindewalzbacken nicht korrekt zueinander eingestellt sind. Nur bei exakt eingestellten Walzbacken laufen die von den beiden Backenhälften gewalzten Gewindeprofile sauber ineinander. Bei schlechter Werkzeugeinstellung wird das von der einen Walzbacke geformte Gewindeprofil von der anderen Backe jeweils etwas seitlich verschoben. Diese Spurfehler (Überwalzungen) schwächen das Gewinde und sind daher nicht zulässig. Zudem steigt die seitliche Belastung auf das Profil der Werkzeuge und senkt so die Lebensdauer zum Teil drastisch.

Mit einer automatischen Spurlagenkontrolle machen Sensoren und eine zugeschnittene Auswertesoftware im Überwachungssystem sofort sichtbar, ob die Spurung der beiden Walzbacken zueinander stimmt, oder ob Nachstellbedarf vorliegt. Die Messung erfolgt bei Produktionsgeschwindigkeit und bildet so die Bedingungen der Produktion reell ab. Oft sind nur minimalste Korrekturen der Spurlage zur Erzielung höchster Standzeiten nötig, die mit reinem Fingerspitzengefühl kaum erreichbar sind.

Für alle gängigen und geeigneten Walzmaschinen der verschiedenen Hersteller haben wir praxiserprobte Lösungen verfügbar.

Stempel in Umform- oder Stanzwerkzeugen dienen dazu, eine bestimmte Kontur in das zu verarbeitetende Material zu formen, ein Loch zu stanzen, eine Prägung einzubringen, das Material zu ziehen oder zu biegen. Die erzeugten Konturen sind in der Regel funktionsrelevant, so dass Stempelbrüche oder Ausbrüche immer zu fehlerhaften Teilen führen, die es bei der Produktion möglichst umgehend zu erkennen gilt.

Mit intelligent platzierten Sensoren für z. B. Presskraft oder Körperschall können viele Stempelbrüche direkt beim erstmaligen Auftreten erkannt werden.

Fertigungsprozesse können sich nicht nur plötzlich verändern wie beispielsweise bei einem Werkzeugbruch, sondern auch allmählich durch Verschleisseffekte, schleichende Maschinenstörungen, Veränderungen der Materialfestigkeit oder der Schmierverhältnisse. Nicht immer liegen dabei Fehler vor, aber man sollte die Entwicklung im Auge behalten. Eine Trendüberwachung misst und kontrolliert, wie die Prozesssignale sich über die Zeit verändern, und ob Grenzwerte überschritten werden. Einfach einstellbare obere und untere Trendgrenzen sorgen dafür, dass der Prozess sich nicht über das erlaubte Maß vom Startniveau entfernen kann. Moderne Prozessüberwachungssysteme verfügen über die Trendüberwachung und zeigen die Messergebnisse in einer übersichtlichen Grafik an.

Die Trendüberwachung schränkt eine mögliche Drift ein und sichert den Produktionsprozesses zusätzlich ab gegen ungewolltes „Wegwandern".

Produktionsmaschinen wie insbesondere Pressen sind für bestimmte Maximalbelastungen ausgelegt. Werden diese Grenzen überschritten, besteht die Gefahr von Überlastungsschäden an verschiedenen Maschinenbauteilen. Im Extremfall kann die Maschine gar zerstört werden.

Zur Überlastsicherung werden meistens sogenannte Dehnungssensoren auf dem Maschinenkörper angebracht, mit denen die Längung des Maschinenkörpers unter den Arbeitskräften erfasst wird. Über Referenzsensoren werden die Messketten in der Maschine kalibriert. Einstellbare Grenzwerte sorgen dafür, dass Maschine und natürlich auch die eingebauten Werkzeuge vor Überlastungen geschützt werden.

Die Überlastsicherung ist in modernen Prozessüberwachungssystemen als Ergänzung zur Überwachung der einzelnen Werkzeugstufen verfügbar. Die Anzeige der Maschinenbelastung und der eingestellten Grenzwerte erfolgen dabei auf übersichtlichen Grafikdarstellungen. Auf Wunsch werden aufgetretene Überlastungen im System protokolliert.

Eine der wichtigsten Funktionen beim Stanzen vom Coil ist der korrekte Vorschub des Streifenmaterials zwischen 2 Arbeitshüben. Wird der Streifen nicht weit genug vorgeschoben, sind die beim folgenden Hub gestanzten Teile meist Schrott. Gerade bei schnell laufenden Maschinen ist dazu die verfügbare Zeit für den Vorschub knapp bemessen; der Vorschub muss fertig sein, bevor das Werkzeug wieder zusammenfährt. Daher sind in den meisten Stanzwerkzeugen an den geeigneten Stellen Sensoren wie Lichtschranken oder Induktoren angebracht zur Prüfung, ob der Streifen ausreichend weit vorgeschoben wurde. Die Abfrage kann z. B. an der vorderen Schnittkante des Streifens erfolgen oder an einer eingebrachten Referenzkante im Streifen. Massgebend für die Prüfgenauigkeit ist, dass die Position der Sensors möglichst genau auf die Abfragekante eingestellt ist. Für besonders genaue Vorschubkontrollen sind etwa analog arbeitende Lichtschranken erhältlich, die abhängig vom Abdeckgrad des Lichtstrahls ein analoges, proportionales Messsignal liefern.

Die Verarbeitung von Binärsensoren und eine komfortable Bedienung und Einstellung der Abfragen und Abfragezeitpunkte über Touch-Screen Bildschirme sind heute Bestandteil von modernen Stanzüberwachungssystemen.

Als Werkzeugsicherung bezeichnet man in der Stanztechnik die Abfrage von wichtigen Funktionen im Stanzwerkzeug mittels binärer Sensoren. Solche Sensoren sind zum Beispiel Lichtschranken, die prüfen, ob im Stanzstreifen an einer bestimmten Stelle ein Loch vorhanden ist. In diesem Fall hat die Lichtschranke Durchgang und meldet "ok". Fehlt das Loch, weil vielleicht der Stempel abgebrochen ist, geht die Signalabfrage auf Störung und stoppt die Maschine. Lichtschranken lassen sich auch zur Vorschubkontrolle verwenden. Dann wird an geeigneter Stelle abgefragt, ob der Materialstreifen vor Beginn des nächsten Hubs auch vorgeschoben wurde.

Andere typische Sensoren sind Initiatoren bzw. Näherungsgeber, die auf die Anwesenheit von Metall reagieren. Sie werden zum Beispiel verwendet für die Abfrage, ob nach dem Arbeitshub der Presse auch fertige Stanzteile das Werkzeug verlassen haben (Auswurfkontrolle). Ist das nicht der Fall, liegen die Teile noch im Werkzeug und können beim nächsten Hub zu größeren Schäden führen. Daher muss die Maschine sofort  gestoppt werden.

Moderne Überwachungssysteme bieten umfangreiche Abfragevarianten für die verschiedenen Kontrollen und Sensortypen, die sich einfach und unkompliziert über die Touch-Screens einstellen lassen.

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