smartTOOL – Wirkstellennahe Erfassung der Prozessdaten

In der modernen Fertigung, vor allem in der Zerspanungsindustrie und anderen Bereichen der Produktionstechnik, werden immer effizientere und präzisere Prozesse erforderlich. Im Produktionsprozess ergeben sich Herausforderungen wie Abweichungen in der Produktqualität, Verschleiß von Werkzeugen oder unerwartete Maschinenstillstände. Die Werkzeuge werden häufig manuell oder durch externe Sensoren überwacht, was zu Verzögerungen oder ungenauen Daten führen kann. Dadurch besteht ein Risiko für Produktionsausfälle, erhöhten Materialverschleiß und Maschinenlaufzeiten, die oft nicht optimal sind. Durch Digitalisierung entstehen neue Möglichkeiten, um Fertigungsprozesse zu optimieren und die Produktivität und Wirtschaftlichkeit zu steigern. 

smartTOOL bietet eine Lösung, die bei der Prozessüberwachung direkt an der Wirkstelle ansetzt. Der intelligente Werkzeughalter smartTOOL wurde vom Fraunhofer IWU und Fraunhofer IIS im Rahmen des Fraunhofer Cluster of Excellence Cognitive Internet Technologies entwickelt. Der Werkzeughalter erfasst Echtzeitdaten während der Bearbeitung durch integrierte Sensoren, um Parameter wie Prozesskräfte, Temperatur und ungewollte Schwingungen oder Beschleunigungen direkt zu messen. Die Sensordaten ermöglicht Optimierungen und adaptive Bearbeitungsregelungen.

Im smartTOOL ist ein Bluetooth Low Energy (BLE)-Modul integriert und fungiert als Schnittstelle für die drahtlose Kommunikation. Die Daten werden an eine externe Auswerteeinheit mit grafischer Benutzeroberfläche übermittelt, wo Auswertealgorithmen Rückschlüsse auf den Zustand des Prozesses und des Werkzeugs sowie auf die Qualität des Bearbeitungsergebnissen ziehen.

Die für den Dauerbetrieb des smartTOOL benötigte elektrische Energie wird durch eine innovative Energy-Harvesting-Technologie bereitgestellt die die Eingriffe an der eigentlichen Werkzeugmaschine minimiert und so den Einsatz des sensorischen smartTOOL für alle Maschinen auch nachrüstbar als Retro-fit Lösung ermöglicht. Hierfür wird lediglich eine einfach konzipierte Komponente mit Permanentmagneten an der Spindelnase der Maschine angebracht. Durch die Rotation des Werkzeugs wird elektrische Energie erzeugt, welche den Funksender, die Sensorik sowie die Signalverarbeitungselektronik versorgt. 

Dank der wirkstellennahen Sensorintegration kann smartTOOL den hohen Anforderungen an die Messsensitivität, wie bei der Überwachung von Werkzeugverschleiß oder von Abweichungen der Bauteilgenauigkeit und -oberflächenqualität, gerecht werden. Kritische Störungen wie Kollisionen, Rattern oder Werkzeugbruch werden ebenfalls zuverlässig erkannt. 

Fast alle elektronischen Komponenten des Werkzeughalters sind in einem kompakten, universellen Segment zwischen Werkzeug- und Spindelschnittstelle untergebracht. Dadurch können diese beiden Geometrien flexibel gewählt und vielfältige, anwendungsspezifische Kombinationen realisiert werden. Da die gesamte Hardware in diesem universellen Sensorsegment integriert ist, weist das smartTOOL keine störenden Konturen auf. Die optimierte Geometrie gewährleistet zudem eine hohe statische und dynamische Steifigkeit. Somit kann das smartTOOL genauso wie herkömmliche Werkzeughalter problemlos eingesetzt werden.

Die leistungsfähige Datenübertragung ermöglicht sowohl eine Echtzeit-Prozessüberwachung als auch eine Offline-Diagnose. Die erfassten Daten dienen zunächst als Grundlage zur manuellen Optimierung des Bearbeitungsprozesses. Darüber hinaus kann das System mit der Maschinensteuerung gekoppelt werden, um eine adaptive Prozessregelung zu realisieren, was einen Schritt in Richtung kognitiver Produktion darstellt. Dabei werden aus den Sensorsignalen aussagekräftige Merkmale extrahiert und mittels spezifischer Algorithmen in Handlungsentscheidungen umgesetzt. Die Auswirkungen dieser Maßnahmen werden ebenfalls analysiert, wodurch eine automatische Anpassung der Prozessparameter möglich wird.

Durch die Implementierung von smartTOOL kann die gesamte Fertigung optimiert und die Wettbewerbsfähigkeit in einem zunehmend anspruchsvollen Marktumfeld gesteigert werden.

Unsere maßgeschneiderten Lösungen im Bereich der drahtlosen Kommunikation unterstützen Sie dabei, Ihre Betriebseffizienz zu steigern und gleichzeitig die Anforderungen der Industrie 4.0 zu erfüllen.