Werkzeugsicherung, Prozeßüberwachung

Stanzwerkzeuge effektiv und kostengünstig überwachen

Systeme zur Werkzeugsicherung und Preßkraftüberwachung gehören seit Jahren zum Ausrüstungsstandard in der Stanztechnik. Über die Messung der Preßkraft werden Maschine und Werkzeug vor Überlastung geschützt. Anderen Störungen im Prozeßablauf setzt man beispielsweise das Abfragen des Vorschubs oder eine Auswurfkontrolle entgegen. Zur Erkennung kleinerer Fehler werden mitunter Abstandssensoren am Werkzeug angebracht, die im Störfall eine Verkippung des Stößels messen sollen.

08. Januar 2004
Übersichtlich dargestellt sind die Preßkräfte der einzelnen Meßstellen und die Gesamtbelastung der Maschine.
Bild 1: Werkzeugsicherung, Prozeßüberwachung (Übersichtlich dargestellt sind die Preßkräfte der einzelnen Meßstellen und die Gesamtbelastung der Maschine.)

Matrizenrisse, wandernde Butzen oder Abstumpfen und Bruch kleinerer Stempel werden mit diesen Meßtechniken in der Regel nicht erfaßt. Über die Jahre hat man sich an diesen Leistungsstandard gewöhnt und mit den systemimmanenten Unzulänglichkeiten abgefunden. Doch die Forderung nach der „Null-Fehler-Produktion“ duldet keine Unzulänglichkeiten und verlangt nach einer umfassenderen Prozeßüberwachung, die auch kleinere Fehler zuverlässig erkennt. Häufig genügt dazu bereits das „Anzapfen“ vorhandener Preßkraftsensoren, um mit modernen Auswertetechniken die Überwachungsqualität während des Stanzprozesses zu verbessern.

Grenzen der Grundabsicherung einer Stanzmaschine

Zwei Überwachungstechniken finden sich heute an jeder Stanzmaschine: Zum einen werden die maximalen Preßkräfte mit Sensoren im Ständer der Maschine gemessen, und führen bei Überschreiten einer einstellbaren Überlastgrenze zum Abschalten der Presse. Zum anderen wird mit Binärsensoren wie Lichtschranke oder Induktivtaster abgefragt, ob der Stanzstreifen ordnungsgemäß vorgeschoben und ob überhaupt gestanzte Teile ausgeworfen wurden. Im Störfall wird die Maschine ebenfalls sofort gestoppt.

In der Praxis kommt es dennoch zu Fehlstanzungen, die von den genannten Meßtechniken nicht erfaßt werden. Dies ist dann der Fall, wenn beispielsweise „wandernde Butzen“ auftreten, kleine Stempel brechen oder andere filigrane Werkzeugpartien ihren Dienst versagen. Während die Binärsensoren bei Stanzfehlern noch reproduzierbare Ergebnisse liefern, ist die klassische Preßkraftmeßung in ihrer Leistung weniger eindeutig. Eine grobe Überlastung der Maschine wird erkannt, da Maximalgrenze überschritten wird. Kleinere Prozeßfehler werden nicht entdeckt, weil sie sich in der Regel nicht im Signalmaximum bemerkbar machen, oder die Signalgüte selbst für eindeutige Fehlererkennung nicht ausreicht.

Die mangelnde Signalgüte läßt sich einfach anhand des Einbauortes der üblichen Preßkraftsensoren erklären. Die im Pressengestell, Stößel oder in einer gemeinsamen Werkzeugdruckplatte installierten Preßkraftsensoren empfangen immer Mischsignale. Sie bilden das gesamte Spektrum der Stanzoperationen ab, welches auf sie einwirkt. So erklärt sich die Tatsache, daß werkzeugferne Preßkraftsensoren zwar gravierende Prozeßstörungen wie Doppelblech erkennen, nicht aber den Bruch beziehungsweise Teilbruch von kleinen Stempeln. Die Messung der Gesamtpreßkraft ist in diesen Fällen zu weit entfernt vom Ort des Geschehens und registriert den Fehler nicht. Es wird lediglich die maximale Preßkraft angezeigt und überwacht, während viele Störungen beim Stanzen sich nur im Verlauf der Preßkraftkurve ablesen lassen, nicht aber in ihrem Maximum.

Hüllkurventechnik verbessert Fehlererkennung - bei jedem Werkzeug!

Moderne Stanzüberwachungssysteme überwachen die Preßkräfte nicht nur auf den Maximalwert, sondern unterziehen den Verlauf der Preßkraft noch einer detaillierten Hüllkurvenauswertung. Damit wird auch aus bereits vorhandenen Sensoren ein Vielfaches an Informationen gewonnen mit dem Ergebnis einer deutlich verbesserten Fehlererkennung. Bei ausreichender Signalgüte werden Fehler jetzt mit Hüllkurventechnik eindeutig und zuverlässig detektiert. Diese feinfühlige Überwachung arbeitet bei jedem aufgespannten Werkzeug, da hierfür maschinenfest installierte Sensoren „angezapft“ werden.

Das Überwachungssystem zeigt die Preßkräfte der angeschlossenen Sensoren in einer übersichtlichen Grafik. Auf einen Blick ist erkennbar, wie die Verteilung der Preßkräfte auf den Maschinenständer ist und ob und wo die zulässigen Werte überschritten werden. Bis zu vier Meßstellen sowie die Summenkraft aus den Einzelsensoren werden winkelgradgenau ermittelt und mit separaten Grenzwerten versehen.

Durch einfachen Knopfdruck läßt sich der Bildschirm umschalten auf die parallel laufende Überwachung der Hüllkurven. Hier wird der Kraftverlauf mit den sehr fein einstellbaren Hüllgrenzen kontrolliert. Jede Über- oder Unterschreitung der Grenzen weist auf Störungen im Stanzprozeß hin, auch wenn die maximale Preßkraft gleich geblieben sein sollte. Gerade die für das Stanzen typischen „Kraftgebirge“ können mit der Hüllkurventechnik optimal überwacht werden und erlauben die Erkennung kleinerer Prozeßfehler.

Körperschallsensoren gegen wandernde Butzen

Als weiteres Modul der Grundabsicherung des Stanzprozesses gewinnt die Körperschallüberwachung zunehmend an Bedeutung und gilt als sehr feinfühlige Meßtechnik. Der Körperschallsensor mißt das „Klangbild“ des zusammenfahrenden Werkzeuges. Durch das veränderte „Klangbild“ bei Prozeßstörungen können typische Stanzfehler erkannt werden wie Stempelbruch, Matrizenriß, aufsteigenden Stanzschrott oder das Phänomen der „wandernden Butzen“. Ein unsauberes Auseinanderfahren des Werkzeuges im kritischen Moment des Stempelrückzuges ist mit dieser Methode ebenfalls überwachbar.

Körperschallsensoren werden in der Regel werkzeugnah installiert. Denn auch für sie gilt: je näher ein Sensor am eigentlichen Stanz- oder Umformvorgang installiert ist, desto aussagekräftiger das Signal. Aufgrund ihres einfachen Anbringens mit nur einer M8-Schraube von außen beispielsweise an der Führungsplatte des Werkzeuges gehören sie dennoch zur Grundabsicherung der Maschine. Sie lassen sich schnell von Werkzeug zu Werkzeug umsetzen, oder können dank der günstigen Sensorkosten auch am Werkzeug verbleiben und per Schnellsteckverbindung angeschlossen werden.

„Meßaktives Werkzeug“ zur Erkennung von Kleinstfehlern

Eine weiter verfeinerte Meßtechnik besteht darin, Sensoren ins Werkzeug selbst zu integrieren und zu überwachen. Neben den gebräuchlichen Lichtschranken etwa für Teilevorschub werden Kraftmeßzellen oder Körperschallsensoren direkt über der kritischen Werkzeugpartie plaziert. Das Prinzip des „meßaktiven Werkzeuges“ ist nach heutigem Stand der Technik die präziseste analoge Meßtechnik, da die Sensorik speziell auf störanfällige Werkzeugbereiche konzentriert ist. Die günstigen Sensorpreise erlauben auch hier das Ausrüsten der Werkzeuge auf breiter Front.

Einrichthilfe durch die Visualisierung der Lastverteilung

Häufig herrscht beim Aufspannen der Stanzwerkzeuge Unsicherheit darüber, ob sich bei Produktion eine gleichmäßige Belastung von Maschine und Stößel einstellt. Ungleiche Lastverteilungen wirken sich verschleißfördernd auf die Maschinenführungen aus und beeinflussen aufgrund von Stößelkippung in der Regel die Qualität der gestanzten Teile.

Das Stanzüberwachungssystem leistet wertvolle Unterstützung beim Einrichten der Werkzeuge. In einer Bildschirmdarstellung lassen sich die einzelnen Preßkraftkurven in beliebiger Kombination miteinander und als Summenkurven vergleichen. Direkt ist abzulesen, ob und auf welcher Seite die Maschine einseitig belastet wird. Ungünstige Aufspannungen des Werkzeugs sind so schnell und präzise korrigierbar.

Einmal für gut befundene Einstellungen lassen sich unter der jeweiligen Werkzeugnummer im Überwachungsgerät ablegen. Die abgespeicherten Signalverläufe helfen beim schnellen Einrichten der Werkzeuge im Wiederholfall. Die Systeme speichern chronologisch die aufgetretenen Prozeßstörungen, werten sie in Form einer Störstatistik aus und helfen so bei der Schwachstellenanalyse und Optimierung des Stanzprozesses.

Zusammenfassung

Moderne Stanzüberwachungssysteme arbeiten wirtschaftlich, wenn alle auf einer Maschine verwendeten Werkzeuge überwacht werden können. Dazu nutzen die Systeme zur Grundabsicherung des Stanzprozesses die maschinenfest installierten Preßkraftsensoren und werten die gemessenen Signale zusätzlich mit intelligenter Hüllkurventechnik aus. Zur Erkennung kleinerer Prozeßfehler wie „wandernde Butzen“ oder den Bruch von filigranen Stempeln wird der vorhandene Standard erweitert um Körperschallsensoren oder werkzeugintegrierte Einzelstempelmessung. Die Weiterentwicklungen der bewährten dynamischen Hüllkurventechnik bieten eine mittlerweile vollständig automatische Optimierung der Überwachungsparameter und ermöglichen optimale Einstellungen unabhängig vom Erfahrungsstand der Maschinenbediener. Beinahe selbstverständlich erscheint dazu die Tatsache, daß die Überwachungsgeräte vernetzbar sind und sich zum Datenlieferant für das betriebliche Controlling und die technische Analyse der Prozesse im Rahmen von MDE/BDE entwickelt haben.

Erschienen in Ausgabe: 11/2003