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01 Das Bearbeitungszentrum DMU 60 Evo kann dank der Masi68-Pt100-Module noch genauer arbeiten

Wenn es auf Nuancen ankommt

02 Jeweils zwei Module mit vier Steckplätzen erfassen jetzt die Pt100-Sensoren – hier am Spindelstock einer DMU 60 Evo

03 Pt100-Sensor am X-Schlitten der DMU 60 Evo

04 Modul im Bereich der Kühlmittel einer HSC Maschine

Bei der Fertigung von Dreh- und Frästeilen sind maximale Konturgenauigkeit und Oberflächengüte im μm-Bereich gefragt. Deshalb müssen moderne Bearbeitungszentren von thermischen Umgebungseinflüssen weitestgehend freigemacht werden. Bei Deckel Maho kompensiert die CNC-Steuerung Temperaturschwankungen wirtschaftlich und exakt mithilfe der Module Masi68-Pt100 von Murrelektronik .

Schwankungen der Umgebungstemperatur, der Heizung, der Klimatisierung, der Sonneneinstrahlung und der Werkstücktemperatur, zum Beispiel der Materiallager im Winter, beeinflussen die temperaturbedingte Ausdehnung von Metallen, also der Werkstücke und der Bearbeitungsmaschine selbst. Innerhalb von Bearbeitungszentren wirken sich beispielsweise die Abwärme der Bearbeitungsspindel, der Servomotoren, der Kugelgewindeantriebe, der Synchron- und Torquemotoren sowie die Temperaturschwankungen von Kühl- und Schmiermitteln negativ auf die Genauigkeit des Werkstücks aus. Allerdings erfordern hochpräzise Werkstücke unter anderem für die Medizintechnik, die Automobilindustrie oder die Raumfahrt eine hohe Wiederholgenauigkeit bei geringen Toleranzen, unabhängig solcher thermischer Einflüsse.

Hoher Aufwand durch geschirmte Leitungen
Um höchsten Ansprüchen in puncto Präzision zu genügen, kompensiert Deckel Maho in seinen Bearbeitungszentren (Bild 1) die thermisch bedingten Materialausdehnungen. Dafür wurden an thermisch besonders bedeutsamen Stellen (Hot Spots) in der Maschine hochgenaue Pt100-Sensoren (Klasse A) installiert, die die lokale Temperatur erfassen. Bisher führte Deckel Maho die Messwerte der Pt100-Sensoren über geschirmte Sensorleitungen direkt in den Schaltschrank und wertete diese dort über Remote-IO-Module aus. Zwei Pt100-Sensoren erfassten die Temperatur direkt am Spindelstock. Dort ist durch das Anfahren und Abbremsen des Spindelantriebs ein besonders hoher Energieaufwand und eine entsprechende Freisetzung von Wärme festzustellen. Diese Lösung erforderte es, geschirmte Leitungen bis in den Schaltschrank zu führen, um die Messwerte vor EMV-Einflüssen zu bewahren. Da räumliche Distanzen von mehr als 10 m oder 12 m zu überbrücken sind – zum Teil durch Schleppketten – war diese aufwendige Lösung mit einem hohen Installations- und Kostenaufwand in der Montage verbunden. Lange Signalwege und entsprechend teure, geschirmte Sensorleitungen waren den erfahrenen Elektrokonstrukteuren von Deckel Maho ein Dorn im Auge. Auf der Suche nach einer innovativen Lösung wurden sie bei Murrelektronik fündig: Das Masi68-Pt100-Modul für die dezentrale und hochpräzise Messwerterfassung reduziert den Aufwand erheblich (Bild 2).

Einfache Datenübertragung mit Pt100-Modulen
Jetzt werden die Messwerte an den vierkanaligen AS-Interface-Pt100-Modulen gesammelt und via AS-Interface an die Anlagensteuerung weitergeleitet. Die wertet die Messwerte dann mit einer komplexen Software aus und korrigiert die Bearbeitungswerkzeuge in Abhängigkeit der ermittelten Temperaturänderungen. Die Masi68-Module integriert Deckel Maho direkt in das bereits existierende AS-Interface-Bussystem. Sie werden dezentral und unmittelbar in der Nähe der Messpunkte angebracht. Da sie über eine Buserweiterung verfügen, kann man die Busleitung von Modul zu Modul weiterschleifen. Somit entfallen nicht nur die aufwendigen Analog-Komponenten im Schaltschrank, was dort eine erhebliche Platz- und Kostenersparnis bedeutet, auch die langen, geschirmten Leitungen in den Schaltschrank müssen nicht mehr installiert werden. Der Anschluss der Pt100-Sensoren erfolgt über kurze, geschirmte Leitungen direkt an die AS-Interface-Module (Bild 3). Diese verarbeiten das Sensorsignal mit einer Auflösung von 16 Bit und geben sie in hoher Qualität an die CNC-Steuerung weiter.

Der Maschinenbauer setzt in seinen Bearbeitungszentren zumeist jeweils zwei Module mit vier Steckplätzen ein. Somit stehen acht Pt100-Eingänge zur Verfügung, deutlich mehr als bei der vorherigen Lösung. Die Messpunkte befinden sich nicht mehr nur am Spindelstock, sondern auch am NC-Rundtisch sowie (in X- und Y-Richtung) im Maschinenbett – und somit in den rauesten industriellen Bereichen der Maschine. Noch mehr Messstellen sorgen natürlich für eine noch exaktere Basis zur Berechnung der Korrekturmaße für die Temperaturkompensation. Die erfahrenen Elektrokonstrukteure haben je nach Typ des Bearbeitungszentrums weitere wichtige Messpunkte ermittelt, um die Präzision der Frästeile zu erhöhen. Die Tatsache, dass deutlich mehr Messpunkte kostengünstig integriert werden können, erlaubt es auch, die Temperaturschwankungen der Kühl- und Schmiermedien über Temperaturfühler zu erfassen und entsprechend zu kompensieren (Bild 4).

EMV-Schutz für bessere Messergebnisse
Ein wesentlicher Faktor für die Erfassung optimaler Messwerte ist, EMV-Einflüsse so gering wie möglich zu halten. Deshalb verwendet Deckel Maho bei extremen Umgebungsbedingungen, beispielsweise in der Nähe von Synchron- und Torquemotoren sowie Motorleitungen, spezielle geschirmte und nach der AS-Interface-Spezifikation 3.0 ausgeführte Rundleitungen. Diese sind umspritzt und vorkonfektioniert, was eine einfache, robuste und fehlerfreie Installation ermöglicht. Die Masi68-Pt100-Module sind intern galvanisch von der AS-Interface-Versorgungsspannung entkoppelt und haben einen Funktionserdeanschluss für ableitende Massebänder. Alle Sensoranschlüsse sind zudem mit geerdeten Metallbuchsen versehen, was zu einer deutlich höheren Störfestigkeit der Module gegenüber EMV-Einflüssen führt. Zudem verwendet Deckel Maho Pt100-Temperaturfühler in Vier-Draht-Technik, sodass die Leitungseinflüsse bis zur Messstelle kompensiert werden können. Der maximale Messstrom von gerade einmal 1 mA reduziert die Verlustleistung und damit die Eigenerwärmung der Module sowie der Messfühler auf ein Minimum. Diese Maßnahmen tragen dazu bei, dass die Messwerte von verfälschenden, systembedingten Einflüssen verschont bleiben. Von der mechanischen Seite überzeugen die Pt100- Feldbusmodule durch ihren hochwertigen Vollverguss, die Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie die hohe Medienbeständigkeit der eingesetzten Materialien gegenüber Schmierölen und Kühlschmierstoffen. Sie sind damit für den Einsatz in rauer industrieller Umgebung, wie sie in Werkzeugmaschinen üblich ist, hervorragend geeignet. Die Masi-Analogmodule kommen in den Bearbeitungszentren der Baureihen DMU 40, 60, 80, 100 Evo sowie DMF zum Einsatz, da die Kunden dieser Anlagen die hohe Präzision besonders zu schätzen wissen. (no)

Features der Masi68-Pt100-Module
・ präzise Kalibrierung nach der Fertigung
・ 16-Bit-Auflösung
・ Umstellbar vom Standard-Pt100- in den Klimamodus
・ Kanäle sind einzeln abschaltbar
・ Peripheriefehler werden bei Unter- oder Überschreitung sowie bei Sensorkurzschluss oder Überlast gemeldet
・ Durch Kalibrierkennlinien werden geringere Toleranzen über den gesamten Messbereich eingehalten
・ Der AS-Interface-Busanschluss erfolgt mit M12-Rundsteckverbindern in Schutzart IP68
・ Geeignet für den Anschluss von Pt100-Sensoren in Zwei-, Drei- und Vier-Leiter-Anschlusstechnik

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Autoren:
Ralf-Dieter Kaulisch ist Produktmanager AS-Interface bei Murrelektronik GmbH in Oppenweiler. ralf-dieter.kaulisch@murrelektronik.de

Alexander Hornauer ist im Corporate Marketing bei Murrelektronik GmbH in Oppenweiler tätig. alexander.hornauer@murrelektronik.de