Werkzeugverschleiß ist ein unerwünschter Störeffekt, der sich auf die Prozesssicherheit und auf die Fertigungsgüte auswirkt, u.a. lassen sich bis zu 40% der Stillstandszeiten einer Werkzeugmaschine (WZM) auf kritisches Werkzeugversagen zurückführen. Weiterhin ist kritischer Verschleiß eine der Hauptursachen für die Überschreitung der Fertigungstoleranzen. Die Eingriffszeit, ab der kritischer Verschleiß auftritt, wird maßgeblich durch die Prozessparameter sowie die Werkzeug- und Materialauswahl beeinflusst. Für KMUs mit einer hohen Prozessvielfalt kann die Standzeit daher meist nicht abgeschätzt und nur direkt gemessen werden. Hierfür werden externe Geräte, wie Einmessgeräte oder Mikroskope, verwendet. Es entstehen dabei hohe Nebenzeiten für die Werkzeughandhabung, die manuelle Messung und Auswertung.
Werkzeugzustand-Bewertung unter 30sec
Das System zur Verschleißüberwachung besteht aus einem in die WZM integriertem Kamerasystem und einem Edge Computer für die Softwareverarbeitung. Das System bestimmt und bewertet automatisiert den Werkzeugzustand in unter 30 Sekunden. Der Edge Computer ist über Ethernet und OPC UA direkt mit der Maschinensteuerung verbunden. Das Kamerasystem ist per USB an den Edge Computer angeschlossen und im Innenraum eines 5-Achs-Fräsbearbeitungszentrums des Typs HSC30 der DMG Mori am IFW verbaut. Das Kamerasystem ist durch ein wasserdichtes Gehäuse, eine Saphirglasscheibe und einer Abblaseinheit vor den Umgebungsbedienungen im inneren der WZM geschützt. Durch die Abblaseinheit, die automatisch durch den Programmcode auf der WZM aktiviert werden kann, werden Kühlschmierstoff und Späne von der Linse entfernt. Zur Werkzeugausleuchtung sind LEDs in der Kamera verbaut, die einzeln angesteuert werden können. Dadurch werden konstante Belichtungsbedingungen für Werkzeuge mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften, z.B. durch Beschichtungen, ermöglicht. Durch die Montage des Kamerasystems am rotationsfähigem Maschinentisch, ist darüber hinaus nur ein Kamerasystem erforderlich, um die Stirn-, Frei- und Spanflächenansicht des Schaftwerkzeugs zu betrachten. Das Kamerasystem verfügt über einen 5MP Farbsensor und ein Makroobjektiv, sodass ein Abbildungsmaßstab von 3,3µm/Pixel erreicht wird. Der Werkzeugverschleiß kann dadurch in Messgrößen, wie die Verschleißmarkenbreite VB, überführt werden.
Automatisierte Verschleißüberwachung
Die Verschleißmessung wird auf der WZM im Programmcode (NC-Code) als Unterprogramm aufgerufen und gestartet. Die Kommunikation zwischen der WZM und dem System zur Verschleißmessung erfolgt über OPC UA. Zunächst liest der Edge Computer die Werkzeugeigenschaften aus der Maschinensteuerung aus. Wesentlich sind hierbei die Werkzeuglänge, -radius und -schneidenanzahl. Auf dieser Grundlage berechnet die Software die Werkzeugpositionen, die für die Bildaufnahmen angefahren werden müssen. Hierbei erfolgt zunächst die Aufnahme der Stirnflächenansicht des Werkzeugs. Bei Werkzeugen mit Radius 3mm reicht der Blickwinkel aufgrund der hohen Vergrößerung nicht aus und es müssen mehrere Einzelbilder aufgenommen werden. Diese werden auf Grundlage der Verfahrwege der WZM zusammengesetzt und die Nahtbereiche überblendet. Im Anschluss werden die Winkelpositionen der Schneiden durch ein Modell des maschinellen Lernens (ML) erkannt. Die Winkelpositionen werden daraufhin für die Frei- und Spanflächenansicht des Werkzeugs verwendet, um die Schneiden optimal vor der Kamera auszurichten. Für beiden Ansichten erfolgt die Ausrichtung durch werkzeugspezifische Winkelversätze. Alle Schneidenbilder werden im Anschluss durch ein ML-Modell und eine Berechnungsvorschrift bewertet. Das ML-Modell segmentiert dabei die verschlissene Fläche und bestimmt außerdem die Verschleißform. In der nachfolgenden Berechnung werden die segmentierten Flächen im Bild durch die µm/Pixel-Beziehung in reale Verschleißmessgrößen überführt.
Fazit & Ausblick
Das aktuelle System ermöglicht bereits eine erste Verschleißüberwachung für die Stirn- und Freifläche. Es wird aber noch nicht zwischen verschiedenen Verschleißformen unterschieden. Weiterhin ist die Erkennung des ML-Modells noch nicht robust. Im weiteren Projektverlauf wird daher der Datensatz zum Anlernen des Modells um die Spanflächenansicht, mehrere Werkzeuge, Verschleißformen und Verschleißausprägungen erweitert. Ziel ist ein generalisiertes Modell, welches für beliebige Schaftfräser und Verschleißformen eine robuste Erkennung ermöglicht. Dieses Überwachungskonzept ermöglicht eine Optimierung der Prozessparameter, um besonders ungünstige Verschleißformen zu vermeiden, und bietet die Möglichkeit verschleißformspezifische Einsatzgrenzen festzulegen.
