27. JULI 2016

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Gratwanderung ade


SENSORIK - Die Gratsonde: das erste industrietaugliche Messsystem zur automatischen Gratprüfung im Fertigungsprozess.

Bei der zerspanenden Bearbeitung von Metallteilen, zum Beispiel beim Bohren, Fräsen und Schleifen, entsteht oft ein Grat, der die Funktionsfähigkeit des Endprodukts wesentlich beeinträchtigen kann und deshalb entfernt werden muss. Natürlich geschieht solches auch unter Aspekten der Arbeitssicherheit und der Optik. Die Gratentstehung lässt sich bei der Metallbearbeitung nie ganz vermeiden und hängt von verschiedenen Parametern ab, zum Beispiel von der Beschaffenheit des Werkzeuges oder der Werkstücklegierung. Und sie kann sich während der Serienfertigung von Teilen verändern, beispielsweise durch Werkzeugbruch oder wenn sich das Werkzeug dem Ende seiner Standzeit nähert.

Aus diesen Gründen werden viele Teile grundsätzlich zu hundert Prozent entgratet. Zusätzlich muss bei qualitätsrelevanten Teilen oft eine aufwändige visuelle beziehungsweise manuelle Kontrolle durchgeführt werden. Bei innen liegenden Bohrungen und Bohrungsverschneidungen war man dabei bisher auf optische Endoskope angewiesen - eine Methode, die nicht nur umständlich ist und die Vorreinigung der zu kontrollierenden Teile verlangt. Obenrein ist sie durch die Subjektivität des Betrachters fehlerbehaftet. Sämtliche bekannten Verfahren zur Grat-Kontrolle sind zudem nicht in automatisierte Produktionslinien integrierbar. Keines der bis dato bekannten Messsysteme funktioniert unter den extremen Betriebsund Umgebungsbedingungen der Metallbearbeitung.

Um diese grundsätzlichen Probleme zu lösen, und die damit verbundenen Kosten zu reduzieren, gründete Ende 1999 die Automobilindustrie den Arbeitskreis »Gratminimierung«, in den 2001 Balluff als Sensorikspezialist aufgenommen wurde. Es sollte ein Messsystem entwickelt werden, das der genannten Aufgabenstellung in vollem Umfang gerecht wird. Im Benchmarktest erwies sich, dass optische Verfahren, wie etwa die Bildverarbeitung, für die Gratprüfung während der Produktion ungeeignet sind, weil auch dabei dem Prüf- ein Reinigungsprozess der Werkstücke vorgeschaltet werden muss. Im Gegensatz dazu zeigt sich die Gratprüfung mit den induktiven Sonden von Balluff von den Kühl- und Schmiermittelresten der vorhergehenden Bearbeitung unbeeinflusst. Dies erspart die Reinigung und damit Zeit und Kosten.

Gleichzeitig sollte in diesem Industriearbeitskreis erstmals auch ein Normenentwurf für die Gratbeurteilung erstellt werden, denn der Begriff »gratfrei« war bisher überhaupt noch nicht eindeutig definiert. Der Normenentwurf dazu durchläuft zur Zeit die einschlägigen Verfahren.

Die Automobilindustrie plant, die erarbeiteten Standards in ihre werksinternen Fertigungsvorschriften zu integrieren. Für die Beurteilung der Standards gemäß des Normenentwurfs ist die Gratsonde geradezu prädestiniert, zum Beispiel bei Ausgangsprüfungen der Zulieferer und Eingangsprüfungen im Werk. In einem Folgeschritt ist die internationale Normung geplant.

Die endoskopisch geformte Sonde von Balluff besteht aus einer sehr robusten Edelstahlröhre, in der die Sensorelemente untergebracht sind, und einem Edelstahlflansch zur Montage. Die Sonde wird in die Bohrung eingeführt und induziert Wirbelströme, die durch die Gratgeometrie beeinflusst werden. Diese elektromagnetische Beeinflussung liefert ein von der Gratausbildung abhängiges Ausgangssignal, mit dessen Hilfe sich die Grate eindeutig erkennen lassen, und das in der Auswerteelektronik bewertet wird.

Die konditionierten Signale von 0 V bis 10 V garantieren dabei eine hohe Störsicherheit bei der Übertragung. Durch die Integration mehrerer aktiver Messköpfe lassen sich Zusatzfunktionen realisieren, beispielsweise für beidseitige Messungen oder das Erkennen von Sackbohrungen. Die entsprechenden Referenzwerte können im Rechner hinterlegt sein.

Miniaturisierung als Schlüssel zum Erfolg
Die Sonde hat einen Durchmesser von 6,5 Millimetern und kann durch Balluff in verschiedenen Längen realisiert werden. Für die Zukunft ist eine Ausführung mit nur drei Millimetern Durchmesser geplant, die sich auch für die Kontrolle kleinerer Bohrungen eignet.

Die kleinen in der Sonde integrierten induktiven Messköpfe leisten Beachtliches. Da bei diesen Sensoren elektronische, elektrotechnische und mechanische Komponenten eine Rolle spielen, kommt man schnell an die Grenzen der Physik.

Alle Tests in der Automobilindustrie sind mittlerweile erfolgreich absolviert; die Messsonde ist robust aufgebaut, und die Messergebnisse werden durch Öl, Schmiermittel oder Schmutz nicht beeinträchtigt. Der Integration in die Produktionslinien steht damit nichts mehr im Wege, zumal auch kurze Taktzeiten unproblematisch sind.

Bei Verfahrgeschwindigkeiten bis fünf Meter pro Sekunde wurde die Sonde mit positivem Ergebnis getestet. Zusätzlich kann im Sondenkopf eine Temperaturüberwachung integriert sein; zum Beispiel um die Kühlmitteltemperatur zu überwachen oder Temperatureinflüsse zu kompensieren. Ein Sicherheitssignal schützt bei Kollisionen, zum Beispiel wenn die Sonde beim Einführen die Bohrungswand touchiert.

Anwendungsmöglichkeiten für die induktive Gratsonde gibt es viele: Sie eignet sich beispielsweise, um Ausgangsprüfungen bei Zulieferern und Eingangsprüfungen vor der Weiterverarbeitung nach den gleichen Standards durchzuführen.

Integriert in die laufende Produktion ermöglicht sie eine hundertprozentige Qualitätskontrolle. Veränderungen in der Gratbildung, die schon durch sehr geringfügige Änderungen der Legierung entstehen können, lassen sich beispielsweise zuverlässig erkennen.

Direkte Integration in den Produktionsprozess
Gleichzeitig kann die Sonde für eine Trendanalyse verwendet werden, etwa um den Werkzeugverschleiß zu erkennen. Durch eine solche statistische Prozesskontrolle lassen sich die Standzeiten der Werkzeuge optimieren, was zu zusätzlichen Kosteneinsparungen führen kann.

In Zukunft soll in die Sonde ein berührungsloses Energie- und Datentransfersystem integriert werden. Dann lässt sie sich genauso einfach wie ein Werkzeug benutzen, also ohne Kabelverbindung.

Neben der Graterkennung und -vermessung kann das robuste Sensorsystem aber auch zu allgemeinen Kanten- und Geometriemesszwecken verwendet werden, zu Durchmesser- oder Fasenkontrollen von Bohrungen an metallischen Werkstücken und so weiter.

Die praxisorientierte, weltweit zum Patent angemeldete Lösung wurde im vergangenen Jahr bereits mit zwei Innovationspreisen ausgezeichnet: mit dem 1. Preis des AutoTec Award 2003 für innovative Automobiltechnologie und in den USA mit dem R&D100 Award selected by R&D Magazin »as one of the Most Technologically Significant New Products of the Year 2003«.

Ausgabe:
aut 04/2004
Unternehmen:

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