Positionsmesssensor sorgt für energiesparende Elektrospannsysteme

Effizienter ohne Hydraulik

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Energieeffiziente Maschinen und Anlagen sind die Herausforderung des kommenden Jahrzehnts. Dabei gelingen dem Werkzeugmaschinenbau maßgebliche Einsparungen, wenn er weitgehend auf zentral versorgende Hydrauliksysteme verzichten kann. Möglich machen dies neuartige, berührungslos wirkende Positionsmesssensoren. Sie sind in der Lage die axial-wirkende Spannbewegungen rotierender Spannfuttersysteme in eine elektrische Weginformation zu übersetzen.

Exklusiv in kem Der Autor Michael Bozek ist Produktmanager Sensoren im Geschäftsbereich Fabrikautomation der Pepperl+Fuchs GmbH, Mannheim

Blue Competence lautet die Nachhaltigkeitsinitiative des VDMA, der sich der Einsparung wertvoller Ressourcen bei Maschinen und Anlagen verschrieben hat. Im Bereich des Werkzeugmaschinenbaus wurde vor allem die zentrale Hydraulikversorgung für Spann- und Zuführeinrichtungen als maßgeblicher Energiefresser identifiziert. So benötigt die ständige Bereitstellung des notwendigen Systemdrucks gut 10 % des gesamten Energiebedarfs eines Bearbeitungszentrums.
Grundstein für hydraulikfreie Spannsysteme
Die Röhm GmbH, Sontheim, nahm sich der Herausforderung an, dieses schlummernde Optimierungspotenzial zu heben. Auf dem Weg zu elektromechanischen Spannmitteln integrierte der Spanntechnikspezialist als erster Hersteller induktive Positionsmesssensoren in seine Drehfutterspannzylinder und legte damit den Grundstein für hydraulikfreie Spannsysteme.
Während ein klassisches Kraftspannfutter ganz ohne Rückmeldung, allein über den Druckverlauf im Hydrauliksystem die notwenige Spannkraft erzeugt, lieferten Spannzylinder mit induktiven Näherungsschaltern bisher schon eine höhere Betriebssicherheit. Dabei werden auf physikalisch-getrenntem Weg beide Endlagenpositionen – komplett geschlossen und komplett geöffnet – an die Maschinensteuerung zurück gemeldet. Diese Art der Positionsrückmeldung gewinnt noch weiter an Sicherheit und Komfort, wenn die beiden binären Näherungsschalter durch einen analog arbeitenden Positionsmesssensor ersetzt werden. Dieser erzeugt proportional zum Spannweg des Futters ein elektrisches Strom- oder Spannungssignal. So lässt sich nicht nur der rotationsbedingte bedingte Spannkraftverlust überwachen, vielmehr können schon vor Beginn der Bearbeitung auch Späne und ungewünschte Blockaden im Spannfutter erkannt werden.
Positionsmesssystem besteht aus ganzer Reihe von Spulen
Möglich machte dies erst ein neuartiges, induktives Positionsmesssystem von Pepperl+Fuchs. Dieses PMI-System besteht, anders als konventionell-induktive Näherungsschalter, aus einer ganzen Reihe von Spulen. Diese emittiert entlang der senitiven Fläche ein alternierendes, elektromagnetisches Feld. Wird nun die Spulenleiste von einem Stahltarget oder einem ringförmigen Kragen am Spannzylinder überfahren, so werden die Spulen nacheinander bedämpft, was zu einem partiellen Einbruch des magnetischen Feldes führt. Der integrierte Mikrokontroller errechnet aus dem resultierenden Bedämpfungsbild die exakte Position des Betätigungselements und generiert ein auf den Ursprungspunkt bezogenes Ausgangssignal. Dieses Signal steht als Strom- (4 bis 20 mA) oder Spannungssignal (0 bis 10 V) zur Weiterverarbeitung zur Verfügung.
Neben der Ausgabe eines Analogwertes bieten spezielle Sensortypen eine zusätzliche Nutzung binärer Schaltsignale. So kombiniert der Sensor beispielsweise die Funktion einer analogen Spannwegüberwachung mit der ursprünglichen Grenzwertabschaltung. Die binären „Grenzschalter“ werden mit Hilfe der Sensorsoftware generiert und lassen sich per Teach-in an die gewünschte Position verschieben. Diese Mehrfachfunktion liefert insgesamt drei unabhängige Positionsinformationen und spart dadurch mechanische Aufnahmen oder Halterungen an dem Maschinenelement. Das ermöglicht äußerst kompakte Konstruktionen nicht nur für Spannfutter, sondern für jedwede Anwendung mit elektromechanischer Positionsrückmeldung.
Positionssignal + Spannantrieb = Elektrospannsystem
Im Falle des Kraftspannfutters von Röhm liefert der analoge Positionsmesssensor neben den Endlagen des Spannsystems die genaue Position des Arbeitspunktes. Kombiniert man nun das Positionssignal mit einem elektrischen Spannantrieb, so entsteht ein hochmodernes Elektrospannsystem. Bei solchen Elektrospannern wird von der Maschinensteuerung die Soll-Spannkraft vorgegeben und mit Hilfe eines Elektromotors auf die Zugstange des Spannsystems übertragen. Verliert nun das Spannsystem durch steigende Drehzahl im Betrieb an Spannkraft, wirkt sich das in Form einer veränderten, axialen Spannposition aus. Diese wird vom PMI-Sensor erfasst und als Regelgröße an den Spannantrieb übermittelt. Der anlaufende Spannmotor betätigt die Zugstange und kompensiert so die Futterspannung. Es entsteht ein Regelkreis, der selbst bei schnell und häufig wechselnden Drehzahlen stets die optimale Spannkraft aufbringt.
Diese feinfühlige Regelung bietet gleich zwei Vorteile: Zum einen schont es das Werkstück, da nur die mindestnotwendige Spannkraft eingeleitet wird. Zum anderen aber benötigt der Elektrospanner deutlich weniger Energie, da der Spannmotor nur bei Bedarf bzw. bei drohendem Spannkraftverlust kurzzeitig in Betrieb gesetzt wird. In Stillstandzeiten der Maschine hingegen verbraucht das Spannfutter keinerlei Energie.
Um die Hälfte reduzierte Werkstückspannzeiten
Der Elektrospanner von Röhm steht exemplarisch für eine ganze Reihe von hydraulikfreien Spannmodulen im Werkzeugmaschinenbau. Gemäß der zu spannenden Werkstückdurchmesser, ermöglichen sie die elektronische Vorwahl der Spannfutteröffnung. Die so optimierten Spannwege reduzieren die Werkstückspannzeiten um bis zu 50 % im Vergleich zu konventionell-hydraulischen Systemen. Mit solchen neuen Optionen verringern Elektrospannsysteme die Netto-Span-zu-Span-Zeiten um bis zu 5 % – und sie liefern einen spürbaren Produktivitätszuwachs der Anlage.
Neben diesen harten, ökonomischen Vorteilen unterstützt die „verbaute Intelligenz“ des Sensors auch den technologischen Fortschritt bei Werkzeugmaschinen. Im Sinne einer kontinuierlichen Zustandsüberwachung zeigt das elektronische Spannsystem auch schleichenden Verschleiß zeitnahe an. Dies ermöglicht neue, präventive Instandsetzungsstrategien und erhöht die Betriebssicherheit des gesamten Zerspanungsprozesses.
Halle 7A, Stand 338 Pepperl+Fuchs, Tel.: 0621 776-1111, E-Mail: fa-info@de.pepperl-fuchs.com
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