Ein Konzept zur Regelung der GRX-X Multifunktionsdüse
Nachfolgend beschreiben wir ein Konzept, wie die vom Team Grindaix entwickelte GRX-X Multifunktionsdüse mit wenigen Komponenten praxisgerecht innerhalb einer Schleifmaschine angesteuert und geregelt werden kann. Mit der geregelten Multifunktionsdüse können die Produktivitätsgrenzen des Schleifprozesses hinsichtlich einer thermisch schädigungsfreien Bearbeitung erweitert werden.
Die Multifunktionsdüse besteht aus drei Einzel-Düsen (s. Abbildung 1). Der Kühldüse zum Kühlen der Schleifscheibe, der Reinigungsdüse um den Schleifscheibenbelag von Zusetzungen und Abrieben zu reinigen und dem Liquid-Air Spoiler GRX-LAS. Der Liquid Air Spoiler GRX-LAS leitet das Luftpolster, das bei einer schnell drehenden Schleifscheibe entsteht, von der Schleifscheibe ab und verbessert damit die Kühlmittelzufuhr der Kontaktstelle.
Abbildung 1: Grindaix GRX-X Multifunktionsdüse
Alle drei Düsen werden über eine HMI auf Basis einer gesonderten Softwarelösung individuell und in Abhängigkeit vom aktuellen Schleifprozess angesteuert. Der Bediener trägt in der Benutzeroberfläche die gewünschten Kühlschmierstoffversorgungsparameter, einer jeden zu betreibenden Düsenkammer, gesondert und zyklusbezogen ein. Die Software steuert und regelt eigenständig auf der Basis dieser Parameter die Kühlschmierstoffzufuhr der jeweiligen Düsenelemente im Schleifprozess.
Abbildung 2: Grindaix Tool zur Steuerung der Multifunktionsdüse
Darüber hinaus werden die im Zusammenhang mit der Multifunktionsdüse erhobenen Prozessdaten, angezeigt und aufgezeichnet. Die aufgezeichneten Prozessdaten können dann bspw. exportiert oder anderen Systemen zur Verfügung gestellt werden.
Regelung der Kühldüse (Nadeldüse)
Ziel ist es, dass die schleifwerkzeugbezogene Normalkraft einen Grenzwert (vom Bediener einstellbar, s. Abbildung 3) nicht überschreitet. Ausschlaggebend hierfür ist der Volumenstrom des Kühlschmiermittels an der Kühldüse. Bei der Kühldüse wird der Volumenstrom mit Hilfe eines Druckregelventils geregelt. Überschreitet die Normalkraft den eingestellten Grenzwert, ist dies gleichbedeutend mit dem Auftritt eines „Aquaplaning-Effektes“ zwischen Schleifwerkzeug und Bauteiloberfläche. In diesem Fall wird der Volumenstrom an der Nadeldüse durch die Regelung gesenkt.
Abbildung 3: Regelung Kühldüse
Steuerung der Reinigungsdüse
Für die Reinigungsdüse ist als Eingangssignal und Regelgröße die Wirkleistung des Schleifscheibenantriebes ausschlaggebend. Setzt sich die Schleifscheibe mit zunehmender Schleifdauer zu, steigt die Wirkleistung der Motorspindel an. Überschreitet die Wirkleistung einen Grenzwert, so wird dem, durch Einschalten der Reinigungsdüse entgegengewirkt. Die mit Spänen zugesetzten Porenräume der Schleifscheibenbindung werden dadurch freigespült, die Reibung im Zerspanungsprozess reduziert und die Wirkleistung sinkt. Das Einschalten der Reinigungsdüse kann hierbei z.B. in zwei Stufen erfolgen (s. Abbildung 4).
Steigt die Wirkleistung über den bei der ersten Stufe eingestellten Grenzwert, dann wird das erste Ventil geöffnet und der Kühlschmierstoff strömt durch die Reinigungsdüse. Sollte dies nicht ausreichend sein und die Wirkleistung steigt weiter, dann wird zusätzlich die zweite Stufe aktiviert um den Reinigungseffekt zu erhöhen. Die zugehörige Druckversorgung der Reinigungsdüsen basiert auf den spezifischen Düsenkennlinie der Firma Grindaix.
Abbildung 4: Zweistufige Steuerung der Reinigungsdüse
Steuerung Liquid Airspoiler GRX-LAS
Der Liquid Air Spoiler soll mit Hilfe eines Kühlschmierstoffstrahls das Luftpolster an der Schleifscheibe durchbrechen und von der Schleifscheibenoberfläche radial ableiten. Das Luftpolster entsteht nur ab einer gewissen Drehzahl bei einer sich drehenden Schleifscheibe. Die Drehzahl einer Schleifscheibe wird über die geforderte Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit gesteuert. Somit ist die entscheidende Größe zur Regelung des Liquid Air Spoilers die Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit vs oder die Schleifspindeldrehzahl ns bei bekanntem Schleifscheibendurchmesser dsi zur Zeit t=i.
Der Bediener kann in einer Steuerungssoftware exakt die gewünschte Schleifscheibenumfangsgeschwindigkeit wählen, ab deren Erreichen die Düse zur Ableitung des Luftpolsters automatisch eingeschaltet wird (s. Abbildung 5).
Auch bei dieser Düse wird der gewünschte Volumenstrom mit Hilfe eines Ventils eingestellt. Im späteren Verlauf kann über die Regelgröße Drehzahl der Schleifscheibe, eine Kennlinie der Luftpolsterdüse dazu genutzt werden, die korrekte Kühlschmierstoffmenge und den zugehörig korrekten Kühlschmierstoffdruck für eine entsprechend anforderungsgerechte Luftpolsterableitung einzustellen. Dabei wird die Drehzahl einer frequenzgeregelten Pumpe im entsprechenden Verhältnis zur Druck/Mengenförderung geregelt.
Abbildung 5: Steuerung des Liquid Air Spoilers GRX-LAS
Abbildung 6: Messwerte der Multifunktionsdüse
Anzeige und Aufzeichnung der Prozessparameter
Um dem Bediener die aktuellen Prozessparameter anzuzeigen, werden die Düsen mit einer entsprechend anforderungsgerechten Sensorik ausgestattet. Die Kühldüse erhält hierzu den hoch präzisen GRX-Q mit dem gleichzeitig der anliegende KSS-Druck, der KSS-Volumenstrom und die KSS-Temperatur nahezu verschleißfrei gemessen werden kann.
Um zusätzlich noch die Austrittsgeschwindigkeiten vom Kühlschmierstoff an den Düsen anzuzeigen, wird für jede Düse die Grindaix-Düsenkennlinie hinterlegt. Anhand dieser kann die Software die exakte Austrittsgeschwindigkeit des Kühlmittels in jeder Kammer der Multifunktionsdüse, als ein mögliches Äquivalent zur Wirkungsweise berechnen.
Die Reinigungs- und Luftpolster Düse erhalten jeweils einen eigenen Drucksensor im Zulauf der Düse. Somit können die wichtigsten Systemparameter zeitgleich erfasst werden. Alle Messwerte werden dann in einer Bedienoberfläche dargestellt und gleichzeitig aufgezeichnet (s. Abbildung 6).
Der Systemaufbau
Das folgende Bild (s. Abbildung 7) zeigt eine Übersicht der Komponenten, Signale und deren Zusammenspiel des Konzepts.
Abbildung 7: Systemkomponenten
Die im Rahmen dieses Magazinbeitrages vorgestellten Inhalte sind rein konzeptionell und können je nach Anwendungsfall unterschiedlich ausfallen. Es handelt sich bei der softwarebasierten Regelung nicht um ein kaufbares Produkt. Die softwarebasierte Regelung wird in den meisten Fällen von den Maschinenherstellern umgesetzt.
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