Intelligentes Trennschleifwerkzeug
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im ersten Förderzeitraum wurde eine Messstrecke entwickelt, die die Überwachung der axialen Beschleunigung eines Trennschleifwerkzeugs während des Prozesses ermöglicht. Die axiale Beschleunigung des Werkzeugs ist die Hauptursache für das Entstehen von Schnittverlauf und die Reduzierung der Plattenqualität. Bisher eingesetzte Messsysteme zur Überwachung einer Trennschleifscheibe scheitern an den Randbedingungen des Prozesses. Folglich wurde eine Messstrecke speziell für die Überwachung des Trennschleifprozesses ausgelegt. Die entwickelte Messstrecke besteht aus drei wesentlichen Komponenten. Dies sind ein piezoelektrischer Sensor zur Erfassung der axialen Beschleunigung des Trennschleifwerkzeugs, eine elektronische Verschaltung zur Messdatenverarbeitung und ein Funkmodul zur drahtlosen Übertragung der Messdaten an eine Auswerteeinheit. Zur Auswahl von Sensorelementen und zur Bestimmung der Sensorpositionen wurde das Verhalten des Trennschleifwerkzeugs in Simulationen untersucht. Auf Basis von Simulationen wurde der Bereich zur Integration der Sensoren eingegrenzt. Am Laborversuchsstand konnte nachgewiesen werden, dass durch die Integration eines Piezoelementes im Trennschleifwerkzeug eine zuverlässige Messung der Beschleunigung (Frequenz (ƒ), Amplitude (x)) möglich ist. Zur Verarbeitung des Messsignals wurde eine elektronische Schaltung ausgelegt. Diese besteht aus analogen und digitalen Bauelementen. Das von dem Piezoelement gelieferte Signal wird zunächst gedämpft und gefiltert. Das gefilterte Signal wird von einem A/D-Wandler digitalisiert und anschließend vom Mikrocontroller vorverarbeitet, um die Datenmenge zu reduzieren. Die vorverarbeiteten Daten werden über ein Funkmodul an eine Auswerteeinheit übertragen. Das Funkmodul basiert auf dem ZigBee IEEE 802.15.4 Standard. Die entwickelte Messstrecke wurde in die Trennschleifmaschine integriert. Die Piezoelemente sind in das Trennschleifblatt integriert und werden durch eine Epoxidharzschicht vor den Umgebungseinflüssen geschützt. Durch die Integration der Messschaltung in ein Gehäuse ist gewährleistet, dass die Umgebungsbedingungen, wie z. B. Kühlwasser und Schleifschlamm, keine Beschädigung an den elektronischen Bauelementen verursachen. Anschließend wurde die Messstrecke während des Trennschleifprozesses eingesetzt. Hierbei wurden unterschiedliche Versuchsreihen durchgeführt. Das Werkzeug wurde frei rotierend bei unterschiedlichen Schnittgeschwindigkeiten bis zu 90 m/s sowie in Sandstein und in Granit untersucht. Bei allen durchgeführten Versuchen lieferte die Messstrecke zuverlässige Ergebnisse. Auf Basis der durch die Trennschleifversuche gewonnenen Messdaten konnten stabile Arbeitsbereiche des Trennschleifwerkzeugs ermittelt werden. Des Weiteren wurde auf Basis der Stabilitätsgrenzen eine Möglichkeit zur Regelung des Trennschleifprozesses aufgezeigt und untersucht. Da sich im Rahmen der Untersuchungen gezeigt hat, dass eine Variation der Vorschubgeschwindigkeit vorteilhafter ist, wurde ein Trennschleifprozess-Regelkreis ausgelegt, der durch Variation der Vorschubgeschwindigkeit eine Einflussnahme auf das Schwingungsverhalten des Werkzeugs während des Prozesses ermöglicht. Für die Umsetzung des Regelkreises wurden software- und hardwareseitige Modifikationen an der Maschinensteuerung vorgenommen. In Trennschleifversuchen konnte nachgewiesen werden, dass durch die Regelung Einfluss auf die axialen Beschleunigungen des Trennschleifwerkzeugs genommen werden kann. Allerdings konnte abschließend noch keine stabile Regelung des Trennschleifprozesses für alle Gesamtschnitttiefen nachgewiesen werden. Hierzu sind weiterführende Arbeiten zur Verbesserung der Regelung durch eine differenziertere Auslegung des Regelkreises notwendig. Beispielsweise war aufgrund der Begrenzung der Vorschubgeschwindigkeitsachse nicht immer ein Eingreifen in den Prozess möglich. Bei den Versuchen zeigte sich darüber hinaus, dass vor allem die Gesamtschnitttiefe in zukünftigen Modellen zur Auslegung des Regelkreises einfließen sollte, da diese dazu beitragen kann, den Prozess weiter zu optimieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Schwingungsüberwachung am Trennschleifblatt mittels Piezosensoren. In: dihw - Diamant Hochleistungswerkzeuge, o. Jg. (2010), H 2, S. 28-35
Overmeyer, L.; Astitouh M.; Tönshoff H. K.
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Sensor-integrated tools for grinding process monitoring. In: Proceedings of the 1st International Conference on Stone and Concrete Machining (ICSCM), Editors: Denkena, B.; Bach, F.-W.; Tillmann, W.; Theisen, W., PZH, Produktionstechnisches Zentrum GmbH, Garbsen 2011, pp.71-78
Astitouh, M.; Overmeyer, L.; Tönshoff, H. K.
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Überwachungssystem für einen Trennschleifprozess. In: dihw – Diamant Hochleistungswerkzeuge, o. Jg. (2011), H. 2, S. 36-43
Astitouh, M.; Overmeyer, L.; Tönshoff, H. K.
