Um die Wirtschaftlichkeit von Schleifmaschinen zu erhöhen und Spindelschäden zu vermeiden sollten Schleifprozessüberwachung, Betriebs-
auswuchten, vollauto­matisches Auswuchten und In-Prozess-Messsteuerung Hand in Hand gehen. DITTEL bietet zukunftsweisende Lösungen.

Stetig steigende Anforderungen an den Schleifprozess haben in den letzten Jahren zur Einführung neuer Technologien geführt. Voraussetzung für die Ausnutzung von Leistungs-
reserven mit immer größer werdenden Schnittgeschwindigkeiten ist der Einsatz geeigneter Sensorik zur Erfassung von Grenzwerten während des Schleifens und Abrichtens. Dadurch wird es möglich, vor Überschreitung von Toleranzen oder vor der Entartung des Prozesses Gegen-
maßnahmen einzuleiten, ohne dass der Maschinenbediener eingreifen muss.

Bewährt haben sich Acoustic-Emission-Sensoren (AE-Sensoren), die anderen herkömmlichen Sensoren gegenüber entscheidende Vorteile bieten: Sie sind hochempfindlich, überlastsicher, kühlmittelresistent, temperaturstabil, robust und wasserdicht. Die Integration der Sensoren in die Maschine ist unkompliziert und so  haben sich   AE-Sensoren für die Schleifprozessbeurteilung und für die Schleifprozesssteuerung durchgesetzt. Auch, weil sie preisgünstiger sind als viele Sensoren, die auf einem anderen physikalischen Messprinzip basieren und für die gleiche Anwendung eingesetzt werden könnten.

Die Acoustic Emission (AE) ist ein sehr dynamisches Signal mit einem hohen Anteil an Prozess-
kennwerten. Entscheidend für die Qualität der aufgenommenen Signale ist die Montage des Sensors in unmittelbarer Nähe zum Entstehungsort der AE, das heißt so nah wie möglich am Schleif- oder Abrichtprozess.

Überlagernde Störgeräusche

Neben dem reinen Zerspanprozess werden in der Maschine eine Vielzahl von Störgeräuschen generiert, die sich der ursprünglich reinen Zerspanungsemission überlagern. Lagergeräusche und elektromagnetische Wellen, beispielsweise durch pulsbreitenmodulierte Antriebsregelungen, machen den Sensoren schwer zu schaffen. Auch Erdschleifen durch schlecht geerdete Maschinenbauteile können eine Auswertung von Sensorsignalen erschweren. So entwickelte DITTEL seine AE-Sensoren bezüglich Störbeeinflussbarkeit so weiter, dass sie auch im schwierigen Umfeld eingesetzt werden können. Die Beachtung der EMV-Regeln ist auch bei aktiven AE-Sensoren notwendig, um prozesssichere Auswertesignale zu erhalten. Springender Punkt: Die Acoustic Emission muss bereits auf der drehenden Welle verstärkt werden, damit sie resistenter gegen EMV-Störeinflüsse wird.
Herkömmlich werden stationäre AE-Sensoren (S-Sensoren) auf dem Spindelgehäuse montiert. AE-Signale müssen deshalb von der Entstehung zwischen Werkstück und Schleifscheibe bis zur Aufnahme im Sensor durch die Schleifscheibe, den Flansch, die Spindel und die Lagerung wandern.

Unüberhörbare Lagersignale

Die Lagerung wirkt dabei wie ein Filter, der Signale  stark dämpft - höherfrequente stärker als die niederfrequenten. Zusätzlich erzeugt das Lager durch Überrollfrequenzen und Käfigrauschen selbst hohe Störsignale. Daher entwickelte DITTEL bereits 1990 den so genannten M-Sensor, der AE-Signale auf der drehenden Welle der Spindel aufnehmen kann.  Dort haben sie einen großen Störabstand und bleiben von Lagergeräuschen weitestgehend verschont. Eine induktive kontaktlose Signalübertragung sorgt für eine optimale Übertragung auf den statischen Empfänger. Diese Transmission von dem drehenden Aufnehmer auf den feststehenden Empfänger mit Verstärker ist kühlmittelresistent und drehzahlunabhängig.

Ein gutes AE-Signal zeichnet sich nicht durch eine hohe Amplitude, sondern durch den Störsignalabstand aus. Jeder Sensor erfüllt hierbei seinen eigenen Nutzen: Der S-Sensor ist geeignet zur Montage auf stehenden Werkstücken oder Abrichtwerkzeugen, wie zum Beispiel Abrichtfliesen oder Einkorndiamanten.

Mit M-Sensoren sind automatisierte Abrichtprozesse möglich. Auf die Stirnseite der Abrichtscheibe ist ein M-Sensor appliziert und der dazugehörige Empfänger wird in etwa 1 mm Abstand auf einen Halter montiert. Die Abrichteinheit fährt mäanderförmig zur, in diesem Fall, CBN-Schleifscheibe. Auf dem Bildschirm sieht man etwas Grundrauschen.

Bei besonders kritischen Anwendungen oder Bedarf an sehr hoher Signalqualität werden R-Sensoren (Ring-) benutzt, die kundenspezifisch gefertigt, das heißt auf die Konstruktion der Maschine angepasst werden. Die Prozesssignale müssen von der Entstehung bis zur Aufnahme durch den R-Sensor den kürzesten Weg  zurücklegen. Außerdem ist der R-Sensor, durch die größere Aufnahmefläche für die AE-Signale, allen anderen in der Empfindlichkeit überlegen. Für extreme Anforderungen  wird der Sensor direkt in die Werkstückaufnahme integriert und die Übertragung der Signale erfolgt ringförmig.

Erste Berührung beim Abrichten

Bei der ersten Berührung der Abrichtrolle mit der Schleifscheibe erhält man eine peakförmige Erhöhung des Signals, das an die Maschinensteuerung weitergegeben wird. Diese reduziert ihrerseits den Vorschub auf 1 µm. Ist ein durchgehendes Signal während des Abrichtens der kompletten Scheibenbreite vorhanden, wird der Abrichtprozess beendet. Typische Abrichtbeträge bei Einsatz von CBN-Schleifscheiben sind 2 bis 5 µm. Um das realisieren zu können, muss eine erste Berührung von 1 µm detektierbar sein, was dieses System unter Berücksichtigung oben erwähnter Voraussetzungen auch leistet. Bei dieser Betrachtung ist zu beachten, dass es keine genaue Definition der ersten Berührung gibt. Es ist unerheblich, ob es sich um das erste oder um die ersten zehn Scheibenkörner handelt.

Ein AE-Sensor-System für schnelllaufende Spindeln ist der Micro-M-Sensor von DITTEL. Er ist bis auf 140.000 1/min ausgelegt. Führende Spindel-
hersteller setzen den Micro-M-Sensor zur Luft-
schleifüberbrückung und zur Abrichtüberwachung bereits ein.

Durch die laufende Erhöhung der Schnittgeschwindigkeiten - somit der Schleif-
scheibendrehzahlen - bekommt das Auswuchten einen immer größeren Stellenwert. Um die bewegte Masse klein zu halten und Störkonturen zu minimieren, werden Spindeln immer kleiner. Vollautomatisches Auswuchten wird dadurch nahezu unmöglich. So entstand die Idee, die Schleifscheiben auf der Maschine vorzuwuchten.

Das Vorwuchten ist sehr bedienerfreundlich und einfach zu handhaben, denn die Unwucht wird bereits auf der Maschine gemessen. Wuchtwaage oder Stroboskoplampe werden nicht mehr benötigt. Eine Anzeige gibt an, auf welche Positionen die Nutensteine zu verschieben sind.  Ein weiterer Vorteil: Die Spindel fährt mit sehr kleiner Unwucht bis zur Enddrehzahl hoch, die Lebensdauer der Spindel verlängert sich dadurch. Die Wuchtqualität wird auch dadurch verbessert, dass durch die geringere Wuchtkapazität des Wuchtkopfes - bei gleicher Schrittweite der Wuchtgewichtsmotoren - ein feineres Dosieren und Verhindern von Überkompensieren erreicht werden.

Prozessüberwachung und Fernbedienung

Werden die Wuchtköpfe mit einem AE-Sensor ausgerüstet kann über die Elektronik-Einheiten AE6000 und M6000 eine optimale  Prozessüberwachung erfolgen. Die Abmessungen der Wuchtköpfe bleibt dabei unverändert. Der Datenaustausch erfolgt über eine bidirektionale Übertragungsstrecke. Das rotierende Teil der Signalübertragung ist der Empfänger für die Energie der Wuchtmotoren und die Steuerbefehle und der Sender für die Acoustic Emission. Es ist auch möglich, den Empfänger direkt an den Wuchtkopf anzubauen und die Signale kontaktlos am schleifscheibenseitigen Spindelende zu übertragen. Der Vorteil des kombinierten Systems ist, dass sich die Abmessungen des Wuchtkopfes und der Signalübertragungseinheit beim Einbau eines AE-Sensors nicht ändern und der Aufnehmer an einer sehr exponierten Stelle eingebaut ist. Diese Position lässt auf sehr gute Signal-Störabstände schließen.

Die Schnittstelle zur Maschinensteuerung

Zur Fernbedienung und Anzeige auf dem Maschinendisplay bietet DITTEL diverse Möglichkeiten: Beim DS6000 (DITTEL SYSTEM 6000)  beispielsweise, werden die Auswucht-, AE- und Messsteuersignale auf dem Maschinenbildschirm oder auf einer Fernbedienung dargestellt.

Die Aufzeichnungen auf dem Bildschirm können auf jedem PC geladen und ausgedruckt werden. Mit der Software DSCC (DITTEL SYSTEM CONTROL CENTER) lassen sich alle PC- und Geräte-
einstellungen in eine XML-Datei speichern und über die Schnittestellen RS232, Ethernet und USB auf andere Maschinen übertragen. Dies ermöglicht eine zeitnahe Serieninbetriebnahme, ebenso wie die problemlose Wiederherstellung des Auslieferzustandes.

Alle Geräte arbeiten autark, sind kaskadierbar und für Simultanbearbeitung geeignet. Die Elektronik-Einheit kann im Schaltschrank untergebracht sein und mittels Fernbedienung bedient werden.

Auch die Movomatic-In-Process-Messsteuerungen für hochgenaue Durchmesser- und Position-
messungen können über DSCC visualisiert und bedient werden. Somit steht für 4 Anwendungen eine leicht handhabbare einheitliche Bedien-Software zur Verfügung.

Verfasser: Adalbert Sporer, Vertrieb DITTEL