Kalibrierstation, in der die Rollierrolle gegen das Kraft-Messgerät mit Kabel fährt.

Bilder: Ehr

Kraftverlauf während eines typischen Rolliervorgangs.

Rollierwerkzeug mit Messuhr. Setzt die Rolle auf das Werkstück auf, geben die Federstähle etwas nach..

„Kraft auf Anschlag versus Funkmesswerte“ ergibt eine weitere Kalibrierkurve.

Rollier-Messdaten via Funk

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Das Rollieren ist ein Verfahren, bei dem das Gefüge metallischer Oberflächen unter hohem Druck verformt und verdichtet wird. Sie werden dabei geglättet und verfestigt. Für dieses Feinst-Bearbeitungsverfahren wird eine Rolle – oder werden auch mehrere Rollen – senkrecht zur Laufrichtung mit einer Kraft beaufschlagt. Das Ergebnis sind spiegelglatte Flächen mit verbesserter Verschleißfestigkeit. Bei einrolligen Werkzeugen ist die Aufnahme der Rolle mit der Werkzeugaufnahme über zwei Federstähle verbunden. Setzt das Werkzeug auf das Werkstück auf, so verbiegen sich die Federstähle etwas. Dieses Verbiegen kann an einer Messuhr abgelesen werden und ist ein Maß der Rollierkraft. Wird das Rollierwerkzeug in einer Drehmaschine eingesetzt, so lässt sich die Messuhr nicht mehr ablesen, da die umher spritzende Kühl- und Schmieremulsion die Sicht verdeckt. Eine direkte Kontrolle des Rolliervorgangs ist damit nicht möglich.
Die Ehr GmbH in Pforzheim wurde betraut, eine Lösung für die Übertragung der Rollierkraft-Daten zu finden. Nach Analyse der Aufgabenstellung entschied sich der technische Geschäftsführer für den Ersatz der Messuhr durch einen wegabhängigen Widerstand. Klaus Werner Hammes resümiert: „Tests hatten ergeben, dass wegabhängige Widerstände für diesen Fall hinsichtlich Messwertauflösung und linearem Verhalten besser geeignet sind als Dehnungs-Messstreifen.“ Der Widerstandswert werde hundertmal pro Sekunde mit einer 10-Bit-Auflösung ausgelesen. Für die Messwert-Aufnahme, -Vorverarbeitung, -Speicherung und -Ausgabe habe Ehr eine Elektronik entwickelt, die auf das Rollierwerkzeug aufgesetzt wird.
Was Hammes lapidar als Elektronik bezeichnet, hat es wirklich in sich: Eine Mikro-Controller-Einheit wurde so programmiert, dass die Messwert-Aufnahme und Speicherung erst beginnt, wenn das einsatzbereite Werkzeug anfängt zu rollieren. Das heißt: Wenn die Kraftwerte einen definierten Offset überschreiten. Danach überwacht der Mikro-Controller, ob sich die Kraftwerte innerhalb eines Toleranzbereichs aufhalten. Ist dies nicht der Fall, so wird ein Nicht-in-Ordnung-Signal gesetzt. Um den Rollierprozess online verfolgen zu können, wird schon während der Messaufnahme jeder zehnte Messwert übermittelt. Erst nach Beendigung des Prozesses werden alle Daten übertragen, da sonst die Messwertaufnahme durch den Funkprozess behindert werden würde.

Für die Funkübertragung der Messwerte ist ein sogenanntes Zig-Bee-Modul Teil der Elektronik. Zig-Bee – das Protokoll IEEE-802.15.4 - ist ein Funknetz-Standard, der es ermöglicht Geräte auf Strecken zwischen 10 und 100 m interaktiv zu verbinden. Einsatzgebiete sind hauptsächlich wartungsarme Funksensoren oder Geräte mit beschränkter Energieversorgung wie Batterien, deren Austausch nur mit großem Aufwand möglich ist. Die komplette Elektronik inklusive Batterie befindet sich in einer Aluminium-Box, die auf das Rollierwerkzeug montiert wird. Für die Abdichtung der Box wird ein spezielles Silikon eingesetzt, dass dem aggressiven Schmier- und Kühlmittel innerhalb der Drehmaschine stand hält. Die Batterie ist so ausgelegt, dass sie für mindestens einen Dreischichtbetrieb ausrecht, also für 24 Stunden. Dauertests haben eine Standzeit über 48 Stunden belegt.
Die gefunkten Daten werden von einem IPC entgegen genommen, der ebenfalls mit einem Zig-Bee-Modul bestückt ist. Über eine intuitive, grafische Oberfläche (iGUI) kann der Rollierprozess beobachtet und Einstellungen wie etwa die Toleranzgrenzen können eingegeben werden. Letztendlich werden alle Daten eines Prozesses nachvollziehbar abgespeichert, so dass eine 100-%-Qualitätskontrolle sicher gestellt ist.
Über die iGUI können mehrere Rollierwerkzeuge gleichzeitig beobachtet und verwaltet werden. Dies ist auch nötig, da ein Werkstück in großen Drehmaschinen an mehreren Stellen gleichzeitig bearbeitet werden kann und auch mehrere Drehmaschinen zu einem Zentrum zusammen gestellt werden können. Prinzipiell könnten beliebig viele Werkzeuge gleichzeitig ausgelesen werden. In der Praxis zeigte sich aber, dass maximal zehn Werkzeuge ausreichend sind.
Die Grafik auf Seite 35 zeigt ein typisches Beispiel für den Kraftverlauf beim Rollieren: Das Werkzeug setzt auf das Werkstück auf, die Kraft nimmt zu und schwankt innerhalb des tolerierten Bereichs. Danach nimmt die Kraft wieder ab, da das Werkzeug wieder abgesetzt wird. Die relativ großen Kraftschwankungen im Toleranzbereich können verschiedene Ursachen haben, die sich auch kumulierend auswirken können. Dies können Inhomogenitäten im Werkstückgefüge aber auch tänzelnde Bewegungen des Rollierrads sein. Da das Rollierrad an Blattfedern aufgehängt ist, kann es unter Einwirkung der großen Kräfte von mehreren 1000 N auf das sich drehende Werkstück hin und her pendeln.

Die von dem Rollierwerkzeug gefunkten Messwerte sind noch keine Kraftwerte, sondern erst mal nur ein Maß für die ausgeübte Kraft. Kraftwerte erhält man nach einer Kalibration. Dazu wird ein Werkzeug langsam gegen einen Anschlag gefahren und werden drei Messwerte aufgenommen: der Zustellweg, die Kraft auf den Anschlag über eine Kraftmessdose und die gefunkten Messwerte des Werkzeuges. Daraus ergibt sich eine Kalibrierkurve, bei der die Kraft über dem Zustellweg aufgetragen ist. Letzterer ist wichtig für den Bediener der Drehmaschine, da er über den Zustellweg die Höhe der Rollierkraft einstellt. Aus dem Wertepaar „Kraft auf Anschlag versus Funkmesswerte“ ergibt sich eine weitere Kalibrierkurve, die für den IPC zur Darstellung der Messwertewichtig ist. Da die gefunkten Messdaten Einheiten-frei sind, dient diese Kalibrierkurve zur Umrechnung in Kraftdaten. Die Kalibrationen müssen für jedes Werkzeug separat und in regelmäßigen Abständen durchgeführt werden. Durch die Funkübertragung der Rollierkraft-Messdaten aus einer widrigen Umgebung konnte erstmalig der Rollierprozess beobachtet und qualitativ sowie quantitativ bewertet werden. Damit sind nun Rückschlüsse auf den und Verbesserungen dieses Prozesses möglich. Auch mögliche Bedienerfehler beim Rüst- oder Einstellvorgang werden jetzt aufgedeckt. Insgesamt ist nun eine 100%-Kontrolle und Nachverfolgbarkeit dieses Prozesses möglich. Natürlich ist ein ähnlicher Funkeinsatz auch für gänzlich andere Anwendungen denkbar, bei denen Kabeldurchführungen ein Problem darstellen.