Ziel des Projektes ist die Entwicklung eines Überwachungssystems zur Bruchprävention bei Tastköpfen. Das Monitoring-System ist für die Werkstück-Positionsbestimmung in CNC-Werkzeugmaschinen (Bruchprävention) vorgesehen.

Bild Bruchprävention: Funktionsmuster (WESOMA GmbH, Weimar)

Bruchprävention Funktionsmuster (WESOMA GmbH, Weimar)

Entwicklung eines Überwachungssystems zur Tastkopf-Bruchprävention

Tastkopfschäden durch Bildsensorüberwachung vermeiden

Der Forschungsauftrag

CNC (Computerized Numerical Control) – Werkzeugmaschinen sind hochproduktive spanende Fertigungsmaschinen für die hochpräzise Herstellung von Werkstücken mit komplexen Geometrien. Beispiele sind Dreh- oder Fräsmaschinen für rotationssymetrische Geometrien, Fräsmaschinen für Freiformflächen sowie multifunktionale CNC-Bearbeitungszentren.

Die Lagebestimmung aller variablen Festkörperkonturen im Raum (Einrichtbetrieb) erfolgt bei CNC -Werkzeugmaschinen durch Tastköpfe, die mittels berührender Messung alle vom Maschinenbediener eingebrachten Konturen erfassen.

Dieser Teilprozess birgt ein hohes Kollisions- und Schadensrisiko – insbesondere für die kostenintensiven Komponenten Tastkopf und Hauptspindel – da die Lagekoordinaten der eingebrachten und fixierten Festkörperkonturen der Maschinensteuerung noch nicht bekannt sind.

Ein industrietaugliches Überwachungssystem schaffen

Die Projektbeschreibung

Auf Anregung der WESOMA GmbH in Weimar löst das Forschungsprojekt die Aufgabe, ein industrietaugliches Überwachungssystems für CNC-Werkzeugmaschinen zur Bruchprävention bei Tastköpfen während der Werkstück-Positionsbestimmung zu entwickeln. Eine Verfahrensentwicklung der Berechnung bzw. Detektion verbotener (Schutz-)Bereiche bei der Annäherung von beweglichen und fixen kollisionsfähigen Maschinenkomponenten im Arbeitsraum der CNC-Maschine war hierzu notwendig.

Der Lösungsansatz der Bruchprävention geht von der Existenz zweier kollisionsfähiger Komponenten im Arbeitsraum der CNC-Werkzeugmaschine aus, der feststehenden (=fixen) Geometrie des Werkstückes mit allen Spannvorrichtungen sowie der beweglichen Geometrie der Hauptspindel mit eingesetztem Tastkopf.

Die Aufgabe des Systems für die Erkennung der Kollisionsgefahr besteht in der Überwachung eines hinreichend großen Schutzraumes um das Werkstück und die ausreichend frühzeitige Erkennung des Eindringens von Hauptspindel bzw. Tastkopf, verbunden mit der sofortigen Auslösung eines Stopp-Signales bei Verletzung des Schutzraumes.

Antastprozess mit zwei Kameras überwachen

Die Projektrealisation

Der verfolgte Lösungsweg besteht in der Realisierung eines bildsensorgestützten Monitoringsystems, welches aus zwei Kameras besteht. Während der Drehtisch mit Werkstück rotiert, dokumentiert die erste Kamera eine Bildfolge, auf deren Basis ein 3D-Modell der Szene erstellt wird.

Im Verlauf des Antastprozesses werden mit beiden Kameras fortwährend Bilder erzeugt, die insbesondere die Lage der sich bewegenden Hauptspindel mit Tastkopf bestimmen und dessen Position zum Werkstück ermitteln. Nähert sich die Hauptspindel dem Schutzbereich des Werkstücks, wird in jedem Fall eine Warnung ausgegeben. Unterschreitet der Abstand der Hauptspindel zum Werkstück eine kritische Grenze, so wird ein Notaus bewirkt. Das System erkennt automatisch, wenn sich lediglich die Tastnadel dem Werkstück nähert und löst in diesem Fall keinen Maschinenstopp aus, da hier der vorgesehene Antastprozess läuft.

Bruchprävention: Kantendetektion im Antastprozess (Tests bei der WESOMA GmbH)

Bruchprävention: Kantendetektion im Antastprozess (Tests bei der WESOMA GmbH)

Komplexität von Werkstücken bei der Metallverarbeitung berücksichtigen

Das Anforderungsprofil

Besondere Anforderungen im Projekt resultieren aus glänzenden Werkstücken, die für die metallbearbeitende Industrie charakteristisch sind. Die Werkstücke sind in ihrer geometrischen Gestalt zum Teil sehr komplex, so dass die Berechnung der 3D-Geometrie rechenaufwendig ist. Darüber hinaus muss sowohl die Genauigkeit des Geometriemodells als auch die Präzision der Positionsbestimmung des Tastkopfes den hohen Anforderungen des Projektpartners genügen.


Ansprechpartner

Dipl.-Math. Joachim Schmidt
+49 (0) 3643 8684-182
+49 (0) 3643 8684-113
“j.schmidtiab-weimar.de“

Projektpartner

►WESOMA GmbH, Weimar