Ziel der Entwicklung

Die Zielstellung des Vorhabens besteht in der Integration eines optischen 3-D-Messsystems in Verbindung mit einem Handlingsystem (Roboter) in bzw. an ein Bearbeitungszentrum zur automatischen In-Prozess-Messung der Schneidkantengeometrie an Zerspanwerkzeugen vor und unmittelbar nach dem Einsatz, um eine gleichbleibend hohe Fertigungsqualität bei maximaler Nutzung der Werkzeugstandzeit und Reduzierung der Rüstzeiten erreichen zu können. Um diese Zielstellung zu erreichen, sollen weitere Sensoren mit eingebunden werden, die während des Bearbeitungsprozesses relevante Prozesskenngrößen wie die wirkenden Kräfte, Beschleunigungen, Schwingungen, Dreh- und Biegemomente und Temperaturänderungen in sensiblen Wirkstellenbereichen echtzeitnah erfassen.
In das optische 3-D-Messsystem, basierend auf den Prinzipien der Fokusvariation und der konfokalen Mikroskopie, soll im ersten Schritt des Vorhabens eine steuerbare Schwenk-Drehvorrichtung mit einer automatisierten Spannvorrichtung integriert werden, welche über die SPS-Steuerung des Messsystems angesprochen werden soll. Über einen Rechner (Leitrechner) ist sowohl die zentrale Steuerung des Roboters als auch die des Messsystems über eine TCP/IP-Schnittstelle vorgesehen.
In die automatisierte Spannvorrichtung der Schwenk-Drehvorrichtung des optischen Messsystems soll das Werkzeug mit einer HSK-63 Aufnahme vom Handlingsystem (Roboter) „eingesetzt“ werden. Zur Feinjustierung der Übergabeposition ist der Einsatz eines Positions- und Kamerasensors geplant. Der Roboter soll das Werkzeug in die HSK-Aufnahme des Messgerätes einsetzen können, wenn beide Sensoren die Übergabeposition bestätigen. Danach wird sich die Messung der einzelnen Schneidkantenbereiche des Zerspanwerkzeugs unter Nutzung der beiden Messprinzipien (Fokusvariation, konfokale Mikroskopie) anschließen. Mithilfe der Schwenk-Drehvorrichtung am optischen Messsystem soll die Positionierung der einzelnen zu messenden Schneidkantenbereiche des Zerspanwerkzeugs unter dem ausgewählten Objektiv, in Abhängigkeit des zu erfassenden Objektbereiches, erfolgen. Die automatische Auswahl von mehreren Objektiven mit unterschiedlichen Vergrößerungen soll die Möglichkeit eröffnen, den jeweils zu erfassenden Schneidkantenbereich des Zerspanwerkzeugs möglichst optimal und unter Berücksichtigung der geforderten Messunsicherheit für die Bestimmung der Schneidkantenkenngrößen aufnehmen zu können.
Der in bzw. an das Bearbeitungszentrum zu integrierende Roboter soll die Verbindung zwischen dem Werkzeugmagazin der Maschine und der automatisierten Spannvorrichtung der Schwenk-Drehvorrichtung des optischen Messsystems zum Handling der zu prüfenden Zerspanwerkzeuge herstellen. Um den Einfluss der Medien (u.a. Kühlschmierstoffe, Späne) im Innenraum der Maschine auf das optische Messsystem zu verhindern, ist eine Kapselung/Einhausung des Messsystems vorgesehen, welche nur für die kurze Zeit der Übergabe und Übernahme des Werkzeugs vom Roboter zur Werkzeugaufnahme und umgekehrt freigegeben wird. Unter Einsatz von Druckluft soll außerdem dafür gesorgt werden, dass die optischen Elemente des Messsystems frei von Schmutz- und Emulsionspartikeln bleiben. Über eine aktive Dämpfung des Messsystems soll bei einer Frequenz von 5 Hz eine Dämpfung von 90% und bei einer Frequenz von 10 Hz eine Dämpfung von 98% erreicht werden. Das Messsystem und die Werkzeugmaschine werden über einen entsprechenden mechanischen Aufbau so miteinander verbunden, dass keine schwingungsseitige Beeinflussung durch die Werkzeugmaschine auf das optische Messsystem erfolgen kann.
Die HSK-Aufnahme mit dem zu prüfenden Werkzeug entnimmt der Roboter aus dem Werkzeugmagazin des Bearbeitungszentrums und übergibt diese an die Schwenk-Drehvorrichtung des Messsystems zur Messung der einzelnen Schneidkantenbereiche des Werkzeugs. Nach Abschluss aller Messungen gibt die automatisierte Spannvorrichtung die HSK-63 Aufnahme mit dem Werkzeug wieder frei, sodass die HSK-Aufnahme mit dem geprüften Zerspanwerkzeug mittels des Roboters wieder an das Werkzeugmagazin in der Maschine übergeben werden kann.
Ein weiteres Ziel des Vorhabens besteht in der Entwicklung von Auswertealgorithmen und
-verfahren zur Berechnung der relevanten Kenngrößen für die messtechnische Charakterisierung der Schneidkante basierend auf den erfassten Bilddaten unter Anwendung der beiden im Messsystem zur Anwendung kommenden Messprinzipien. Für die Berechnungen der Kenngrößen sollen ausschließlich die Bereiche der Schneidkante herangezogen werden, die während der Bearbeitung im Eingriff sein werden bzw. waren. Auf Basis der erzielten Ergebnisse sollen Aussagen zum Schneidkantenradius in Abhängigkeit der Bereichsposition wie auch des k-Faktors, Formmerkmale und der Schneidkantenschartigkeit gewonnen werden.

Vorteile und Lösungen

Das angestrebte Ziel – eine automatisierte und prozessnahe Qualitätskontrolle von Zerspanwerkzeugen – wurde durch die Kombination mehrerer technischer Lösungen erreicht, die ineinandergreifen und gemeinsam ein leistungsfähiges Gesamtsystem bilden.
Kern des Lösungsansatzes ist die direkte Integration eines optischen 3D-Messsystems in ein Bearbeitungszentrum. Dadurch wird es möglich, Werkzeuge nicht nur vor ihrem Einsatz, sondern auch unmittelbar danach zu vermessen – also genau dann, wenn ihr Zustand für die Fertigungsqualität entscheidend ist. Ergänzend dazu wurde ein Handlingsystem in Form eines Roboters eingebunden, der den automatischen Transport der Werkzeuge zwischen Werkzeugmagazin und Messsystem übernimmt. Dieser automatisierte Ablauf ersetzt manuelle Eingriffe und reduziert so Stillstandzeiten der Maschine deutlich.
Ein wichtiger Entwicklungsschritt bestand darin, das Messsystem so anzupassen, dass es Werkzeuge selbstständig und präzise aufnehmen kann. Hierzu wurde eine kombinierte Schwenk-Drehvorrichtung mit automatisierter Spanntechnik integriert. Diese sorgt dafür, dass das Werkzeug in verschiedene Positionen gebracht werden kann, sodass alle relevanten Schneidkantenbereiche optimal erfasst werden. Unterstützt wird dieser Prozess durch Kamera- und Positionssensoren, die eine exakte Übergabe des Werkzeugs vom Roboter an das Messsystem sicherstellen.
Für die eigentliche Messung kommen zwei optische Verfahren zum Einsatz, die besonders hochauflösende 3D-Daten liefern. Um unterschiedlich große oder feine Bereiche der Schneidkante zuverlässig erfassen zu können, wurde mit einem Satz an automatisch einwechselbaren Objektiven gearbeitet, was sowohl Übersichtsmessungen als auch Detailanalysen ermöglicht.
Parallel dazu wurde das System um weitere Sensorik ergänzt, die während der Bearbeitung wichtige Prozessdaten wie Kräfte, Schwingungen oder Temperaturen erfasst. Diese Daten liefern zusätzliche Informationen über die Belastung des Werkzeugs im Einsatz und helfen, Verschleiß besser zu verstehen und einzuordnen.
Ein weiterer zentraler Aspekt der Umsetzung war der Schutz des empfindlichen Messsystems vor den rauen Bedingungen innerhalb der Fertigungshalle. Dies wird durch Druckluft und spezielle Dämpfungselemente erreicht, welche sowohl Verschmutzungen als auch störende Vibrationen minimieren. So bleibt die Messgenauigkeit auch im Produktionsumfeld erhalten.
Die Steuerung aller Komponenten erfolgt über ein zentrales Rechnersystem, das Roboter und Messtechnik miteinander vernetzt. Dadurch können alle Abläufe koordiniert und automatisiert durchgeführt werden. Nach der Messung wird das Werkzeug automatisch wieder in die Maschine zurückgeführt und steht sofort wieder für den Einsatz bereit.
Abschließend wurden spezielle Auswerteverfahren entwickelt, um aus den aufgenommenen Bilddaten aussagekräftige Kennwerte zu berechnen. Diese beschreiben unter anderem die Form und Schärfe der Schneidkante sowie deren Verschleißzustand. Dabei werden gezielt nur die Bereiche analysiert, die tatsächlich im Einsatz sind oder waren, um möglichst praxisnahe Ergebnisse zu erhalten.
Insgesamt konnte das Ziel durch die enge Verzahnung von Messtechnik, Automatisierung, Sensorik und intelligenter Datenauswertung erreicht werden. Das Ergebnis ist ein System, das die Fertigungsqualität stabilisiert, die Werkzeugnutzung optimiert und gleichzeitig die Effizienz der Produktion steigert.

Zielgruppe und Zielmarkt

Die entwickelte Lösung richtet sich an mehrere wirtschaftlich bedeutende Zielgruppen im In- und Ausland. Im Fokus stehen insbesondere Hersteller von Werkzeugmaschinen sowie deren Anwender, etwa Unternehmen der Präzisionsfertigung und Produzenten von Zerspanwerkzeugen. Diese Branchen sind in hohem Maße auf stabile Prozesse und gleichbleibende Qualität angewiesen. Darüber hinaus zählen auch Hersteller optischer 3D-Messsysteme sowie Anbieter von Robotik- und Automatisierungslösungen zu den relevanten Zielgruppen, da sie die entwickelten Technologien in ihre eigenen Produkte integrieren oder weiterentwickeln können. Aufgrund der globalen Verbreitung moderner Fertigungstechnologien bestehen sowohl auf dem europäischen als auch auf dem internationalen Markt – insbesondere in industriestarken Regionen in Asien und Nordamerika – vielversprechende Einsatzmöglichkeiten.
Anwender profitieren in mehrfacher Hinsicht von der Entwicklung. Durch die direkte Integration der Messlösung in die Werkzeugmaschine wird eine automatisierte Qualitätskontrolle ohne Produktionsunterbrechung ermöglicht. Dies führt zu einer konstant hohen Fertigungsqualität, einer besseren Ausnutzung der Werkzeugstandzeit sowie zu reduzierten Rüst- und Stillstandzeiten. Gleichzeitig erlaubt die Kombination aus Messdaten und zusätzlichen Prozessinformationen (z. B. Kräfte, Schwingungen oder Temperaturen) eine genauere Bewertung des Werkzeugzustands und damit eine optimierte Prozesssteuerung. Insgesamt steigert dies die Effizienz, reduziert Ausschuss und senkt langfristig die Produktionskosten.
Der Transfer der Forschungs- und Entwicklungsergebnisse in die industrielle Anwendung erfolgt über mehrere aufeinander abgestimmte Maßnahmen. Bereits während der Projektlaufzeit wurden potenzielle Anwender und Industriepartner aktiv eingebunden, um deren Anforderungen frühzeitig zu berücksichtigen. Erste Ergebnisse wurden gezielt kommuniziert, beispielsweise auf Fachveranstaltungen wie der Schmalkalder Werkzeugtagung sowie über Netzwerke und Cluster wie „FerMeTh“, „ThZM – Thüringer Zentrum für Maschinenbau“ und die „Zuse-Gemeinschaft“. Ergänzt wird dies durch wissenschaftliche Veröffentlichungen und die direkte Ansprache interessierter Unternehmen. Ziel ist es, frühzeitig geeignete Partner für die Weiterentwicklung, Integration und Vermarktung der Lösung zu gewinnen. Perspektivisch kann die Technologie sowohl als integrierte Funktion in neuen Werkzeugmaschinen als auch als nachrüstbare Zusatzlösung angeboten werden.
Für die eigene Einrichtung ergeben sich daraus mehrere wirtschaftliche Effekte. Zum einen werden Einnahmen aus der Verwertung der entwickelten Systeme erwartet, wobei ein marktgerechter Preis unterhalb individueller Sonderlösungen angesetzt wird. Zum anderen eröffnen sich zusätzliche Geschäftsfelder im Dienstleistungsbereich, etwa durch automatisierte Werkzeugtests, Vergleichsuntersuchungen und anwendungsnahe Forschungsprojekte. Ebenso bedeutend ist der Zugewinn an Know-how, der die Position der Einrichtung als industrienaher Forschungspartner nachhaltig stärkt.
Ein wesentliches Anwendungsbeispiel liegt in der automatisierten Überwachung von Zerspanwerkzeugen direkt im Fertigungsprozess. Hier kann das System genutzt werden, um den Verschleißzustand von Werkzeugen präzise zu erfassen und rechtzeitig Maßnahmen einzuleiten. Darüber hinaus eignet sich die Lösung für standardisierte Werkzeugtests unter realen Bearbeitungsbedingungen. In Kombination mit weiteren Untersuchungsmethoden, etwa zur Beschichtungs- oder Materialanalyse, ermöglicht sie eine ganzheitliche Bewertung und den Vergleich unterschiedlicher Werkzeuge und Bearbeitungsstrategien. Dies ist insbesondere für die Entwicklung neuer, leistungsfähiger Werkzeuge von großer Bedeutung.
Trotz des hohen Nutzens können externe Faktoren wie volatile Lieferketten, steigende Kosten oder geopolitische Unsicherheiten die Markteinführung beeinflussen. Auch Investitionszurückhaltung und Fachkräftemangel stellen Herausforderungen dar. Dennoch bietet die entwickelte Lösung durch ihre Flexibilität, Integrationsfähigkeit und den klaren wirtschaftlichen Mehrwert eine sehr gute Ausgangsbasis für eine erfolgreiche nationale und internationale Verwertung.