Digitale Fertigung mit intelligenten Sensoren

Sick ermöglicht smarte Werkzeugmaschinen

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Die smarte Fabrik wird in immer mehr Branchen zur Realität – auch in der Werkzeugmaschinenindustrie. Maßgebliche technologische Wegbereiter der Entwicklung sind intelligente Sensoren, die Daten nicht nur sammeln, sondern auch interpretieren und kommunizieren können. Das Portfolio der Smart Sensor Solutions von Sick bietet darüber hinaus die Möglichkeit, Automatisierungsfunktionen – sogenannte Smart Tasks – dezentral auszuführen.

Boerge Wegner, Technical Industry Manager Machine Tool, Global Industry Center Factory Automation der Sick AG, Waldkirch

Inhaltsverzeichnis

1. Smart Sensor Solutions
2. Mehrwerte für Werkzeugmaschinen
3. Signalauswertung im Sensor
4. Smart Sensors eröffnen disruptive Perspektiven

Die Spannwegüberwachung von Mehrbacken-Spannfuttern, die Werkzeug-Positionskontrolle in mehrstufigen Stanzwerken oder die Prüfung der korrekten Aufnahme von Werkstücken in definierte Bearbeitungspositionen sind nur einige Beispiele, in denen intelligente Sensoren von Sick mit Smart-Task-Funktionalität unterschiedliche Prüf- und Automatisierungsfunktionen im Sensor ausführen können. Basis hierfür sind – aufbauend auf bewährten Sensortechnologien mit Best-in-Class-Detektionsvermögen – in die Sensoren integrierte Logikfunktionen zur Signalverarbeitung, die es erlauben, definierte Aufgaben autonom und dezentral auszuführen, wodurch Automatisierungssysteme und -netzwerke von Werkzeugmaschinen im Sinne von Edge Computing wirkungsvoll entlastet werden können.

Bereits die Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit von Sensoren können entscheidende Auswirkungen auf die Inbetriebnahme und den Betrieb von Maschinen haben. So können Anwender schon bei der Integration und Erstinbetriebnahme der Sensoren verschiedene Parameter-Einstellungen visualisieren, testen und optimieren. Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene Sensor-Parameter-Sets auftrags- oder formatspezifisch im Automatisierungssystem zu hinterlegen und im laufenden Betrieb ohne Zeitverlust in den smarten Sensor zu laden. Die flexible und simultane Einstellung beliebig vieler Sensoren direkt aus der Steuerung durch den Download von Parametern spart Zeit, vermeidet Fehler und ist jederzeit dokumentierbar.

Während des laufenden Betriebs von Werkzeugmaschinen überwachen sich die smarten Sensoren selbst, aber auch den Prozess – und zeigen eigenständig eine vorliegende oder zu erwartende Funktionsbeeinträchtigung an. Analyse-Tools zur aktuellen Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) wie auch zur vorausschauenden Wartung (Predictive Maintenance) können diese Informationen nutzen und beispielsweise Serviceintervalle entsprechend optimieren. Gleichzeitig sorgen die Sensoren für eine gute Performance und Verfügbarkeit von Maschinen – ein wichtiges Kriterium insbesondere bei einer starken Auslastung sowie bei hohen Durchsatzleistungen.

Smart Sensor Solutions

Smart werden sie – und das ist das Alleinstellungsmerkmal der Smart Sensor Solutions von Sick – durch die bereits erwähnten, umfassende Möglichkeiten zur Eigen- und Prozessdiagnose sowie in besonderem Maße durch direkt in die Sensoren integrierte Logikfunktionen zur Signalverarbeitung. Die Vorteile smarter Sensoren für die digitale Fertigung bilden sich dabei je nach Anforderung und Aufgabenstellung in bis zu vier Dimensionen ab:

Das Enhanced-Sensing-Merkmal der Smart Sensor Solutions stellt bei Bedarf eine besondere Detektionsleistung zur Verfügung. So bieten die induktiven Näherungsschalter IMB, wie sie in CNC-Bearbeitungszentren, Werkzeugwechslern und im Werkstückhandling eingesetzt werden, eine besonders hohe Kühl- und Schmiermittelbeständigkeit. Lichtschranken wie die Produktfamilie W16 erreichen ihrerseits durch ihre TwinEye-Technology eine hohe Funktionssicherheit, da die Detektion mit Hilfe zweier logisch verknüpfter Empfangselemente im Sensor erfolgt. Nur wenn beide „Eyes“ zur gleichen Bewertung kommen, wechselt der Sensor den Schaltzustand. Fehlschaltungen beispielsweise durch hochglänzende Metalloberflächen, welche das Licht in unterschiedliche Richtungen spiegeln, werden so sicher vermieden. Und bei der Überwachung von Kühl- und Schmiermitteln in Werkzeugmaschinen misst der Füllstandssensor CFP Cubic nicht nur die Füllhöhen Wasser- oder Öl-basierter Medien, sondern stellt zudem auch Temperaturinformationen zur Verfügung – die sich ohne konstruktiven Mehraufwand sowie ohne Mehrkosten für die Prozessüberwachung nutzen lassen.

Mehrwerte für Werkzeugmaschinen

Die effiziente Kommunikation als zweite Dimension smarter Sensoren zeigt sich bei der digitalen Übertragung analoger Werte. Sie basiert auf dem bidirektionalen Kommunikationsstandard IO-Link und erfolgt über Standard-M12-Kabel parallel zur üblichen I/O-Kommunikation in der Werkzeugmaschine. Bei der analogen Positionskontrolle, beispielsweise der Spannwegüberwachung von Mehrbacken-Spannfuttern mit magnetischen Zylindersensoren der Produktfamilie MPS, oder der Werkzeug-Positionskontrolle mit den induktiven Näherungssensoren IMC spart die Datenübertragung über IO-Link den Einsatz entsprechender Analogkarten im Automatisierungssystem. Darüber hinaus kann die effiziente Kommunikation einen Inbetriebnahmeprozess wesentlich beschleunigen – beispielsweise dann, wenn mehrere IMCs zur genauen Positionskontrolle eines Pressen-Werkzeugs eingesetzt werden: Die zeitraubende, manuelle Feinjustage der einzelnen Schalter entfällt und die genauen Abstandswerte der Näherungssensoren im Soll-Zustand werden simultan von der Steuerung eingelesen sowie hinterlegt.

Die Diagnose-Funktionalität dient zum einen der Selbstüberwachung des Sensors. Zum anderen kontrolliert er eigenständig die Qualität und Robustheit seiner Signale. Sensoren wie der bereits vorgestellte CFP Cubic oder auch rotative Motorfeedback-Systeme in Achsantrieben, die neben der Messgröße, für die sie primär entwickelt wurden, zusätzliche weitere Mess- oder Prozessgrößen erfassen können, liegen im Trend – zumal sie die Zusatzfunktion ohne Zusatzkosten bereitstellen, beispielsweise für Big Data-basierte Predictive Maintenance-Systeme. Auch Sensoren wie der induktive Näherungssensor IQC mit seinen bis zu vier einzelnen Schaltpunkten oder Schaltfenstern können zu Diagnosezwecken eingesetzt werden: Sie sind in der Lage, sowohl Abstände zu messen, als auch i. O. oder n. i. O. zu interpretieren und so bei der Inline-Qualitätskontrolle Toleranzfehler beispielsweise in formenden Prozessen zu erkennen.

Signalauswertung im Sensor

Darüber hinaus bildet die dezentrale Rechenkapazität smarter Sensoren – kombiniert mit ihrer flexiblen Programmierbarkeit – das Fundament einer ganzen Reihe von Smart Tasks, die Werkzeugmaschinen noch flexibler, dynamischer und effizienter machen. Eine dieser typischen Funktionalitäten ist die Hochgeschwindigkeitszählung. So kann man mit induktiven und optoelektronischen Sensoren Drehzahlen erfassen und sie kontrollieren oder die Drehrichtungen erkennen. Die Signalauswertung findet in den Sensoren statt – zentrale Zählermodule sind nicht erforderlich. An die Steuerung ausgegeben werden keine Impulse, sondern direkt weiterverarbeitungsfähige Drehzahl-, oder Geschwindigkeitswerte. Smart Tasks wie die Zeit- und Längenmessung, die dezentrale Entprellung von Sensorsignalen oder Time-Stamp-Funktionen spielen bei Werkzeugmaschinen eine eher untergeordnete Rolle – ganz im Gegensatz zu Themen wie die Werkstückpositionierung durch µm-genaue Abstandsmessungen, die Überwachung von Breite, Bahnkantenposition und Oberflächenaussparungen beim Auf- und Abwickeln von Stahl- oder Aluminiumcoils sowie anderen Bahnmaterialien oder die Kontrolle der Werkstückspannung. All diese Funktionen können Smart-Task-fähige, intelligente Sensor eigenständig ausführen – und sich hierzu auch direkt vernetzen, um Teilapplikationen ohne umfangreiche SPS-Kommunikation autark, schnell, effizient und kostengünstig zu lösen. Edge Computing wird hier quasi wörtlich genommen, da die Auswertung direkt im Feld stattfindet.

Smart Sensors eröffnen disruptive Perspektiven

Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit – das Nutzenpotenzial von smarten Sensoren – ist einerseits inkrementeller Natur, ausgerichtet auf einen schrittweisen Effizienzgewinn für bestehende Aufgabenstellungen, wie der Parameterdownload für schnelles Umrüsten und den einfachen Gerätetausch, die Auftragsverwaltung sowie Condition Monitoring. Spätestens mit den Smart Tasks hat der Innovationsgrad der Smart Sensor Solutions andererseits aber auch eine „radikale“ Komponente: Mit ihrer dezentralen Intelligenz sind sie in der Lage, neue, höherwertigere Detektionsinformationen zu generieren, sich zu vernetzen und definierte Smart Tasks autark auszuführen. All dies macht die Smart Sensor Solutions von Sick zu einer besonders zukunftsrelevanten Technologie – mit dem Potenzial disruptiver Perspektiven für die weiter fortschreitende Digitalisierung der Fertigung.

Generell sind Sensoren die Sinnesorgane von Maschinen – im Kontext der digitalisierten Fertigung sind sie zugleich Erstkontakt und Bindeglied zur Industrie 4.0. Wo es früher um das bloße Sammeln von Daten und um einfache Entscheidungen ging, ermöglicht Sensorintelligenz heute auch eine Aufbereitung, Weiterverarbeitung und Interpretation von Daten. Sensoren „fühlen“ also nicht mehr nur, sondern fangen im Rahmen der Digitalisierung auch an zu „denken“. Dadurch verwandeln sie Daten in wertvolle Informationen. Diese Intelligenz smarter Sensoren wird ergänzt um die Möglichkeit, diese Informationen zu kommunizieren, das heißt sie mit der Steuerung einer Werkzeugmaschine oder einer Cloud-basierten Anwendung austauschen zu können. So können die Informationen beispielsweise in entsprechenden Systemen ihren Beitrag zur Mustererkennung für Predictive Maintenance leisten. ik

www.sick.com

SICK AG
Erwin-Sick-Str. 1
79183 Waldkirch

+49 7681202348

+49 7681-202-3863

info@sick.de

Vorstand: Dr. Robert Bauer

Details zu den Smart Sensors von Sick:

hier.pro/LKzQI

Messe EMO Hannover 2019: Halle 9, Stand F32

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