Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen sind inzwischen zum Standardequipment in mechanischen Fertigungswerkstätten geworden; in typischen kleinen CNC-Bearbeitungszentren beläuft sich die Anzahl der Werkzeuge oft auf mehrere Tausend Stück, und einschließlich der zugehörigen Zubehörteile beträgt die Gesamtmenge sogar über zehntausend Stück – bei einer Vielzahl von Typen und Varianten. Mit dem sprunghaften Anstieg sowohl der Zahl als auch der Vielfalt der Werkzeuge stehen in den Produktionsbereichen standardisierte wie auch kundenspezifische Werkzeuge verschiedenster Bauarten und Ausführungen nebeneinander, sodass große Mengen an Werkzeugen häufig zwischen dem Werkzeuglager und den Maschinen sowie zwischen den einzelnen Maschinenausrüstungen hin- und herbewegt und ausgetauscht werden. Derzeit erfolgt in den meisten inländischen Fertigungswerkstätten die Werkzeugverwaltung noch weitgehend manuell und mittels papierbasierter Barcodes. Papierbarcodes neigen jedoch unter ölig-schmutzigen Bedingungen leicht zu Beschädigung und Verschmutzung, und die Lebensdauer der Werkzeuge kann nur noch aufgrund von Erfahrungswerten eingeschätzt werden. Mangelt es an geeigneten Werkzeugen, kommt es häufig zu Stillständen in den Fertigungsprozessen, und die Maschinenbediener müssen erhebliche Zeit mit der Suche nach den benötigten Werkzeugen verbringen. Angesichts der stetigen Zunahme der Typen und neuer Produkte bei numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen reicht das bestehende Werkzeugmanagementkonzept zunehmend nicht mehr aus; daher wird nun die Funkfrequenzidentifikationstechnologie (RFID) eingeführt.

　　RFID ist eine in den 1990er Jahren entstandene berührungslose automatische Identifikationstechnologie, die sich durch schnelles Scannen, geringe Abmessungen, hohe Schmutzbeständigkeit und Langlebigkeit, Wiederverwendbarkeit, Durchdringungsfähigkeit sowie barrierefreies Lesen und eine große Datenspeicherkapazität bei gleichzeitig hoher Sicherheit auszeichnet. Daher weist sie ein enormes Anwendungspotenzial in den Bereichen Produktionsdatenerfassung, -überwachung und -übertragung auf. In diesem Beitrag wird auf der Grundlage der Funkfrequenztechnologie ein RFID-Chip im Schaft von Werkzeugen angebracht, um die Erfassung und Verwaltung von Werkzeuginformationen zu ermöglichen und damit die gesamten Produktionskosten zu senken.

   +

　　1 Aktueller Stand und Bedarf in der Werkzeugmanagementbranche

　　Experten im In- und Ausland, die sich mit der Forschung zur Werkzeugverwaltung befassen, haben zahlreiche Softwarelösungen für die Werkzeugverwaltung entwickelt; dennoch können diese nicht alle Anforderungen an die Werkzeugverwaltung erfüllen. Die bestehende Werkzeugverwaltung weist folgende Probleme auf:

　　① Es ist nicht möglich, die Aufzeichnungen und Daten über den gesamten Lebenszyklus des Werkzeugs zu analysieren; es werden lediglich zu bestimmten Zeitpunkten Informationen über das Werkzeug erfasst und überwacht, wobei keine Daten aus der Phase vor der Bearbeitung verfügbar sind.

　　② Das traditionelle Werkzeugmanagement weist einen Mangel an M2M-(Machine-to-Machine-)Informationsaustausch auf und kann daher keine integrierte Verwaltung realisieren;

　　③ Die bestehenden Werkzeugmanagementkonzepte zielen ausschließlich auf die Erfüllung der Produktionsanforderungen ab und berücksichtigen nicht die Kostenüberlegungen über den gesamten Lebenszyklus des Werkzeugs.

　　Um die oben genannten Probleme zu lösen und das Ziel einer stärkeren Intelligenz und Automatisierung in der Fertigungsindustrie zu erreichen, ist es dringend erforderlich, neue technische Verfahren zur Verwaltung von Werkzeuginformationen einzuführen. Balluff bietet eine intelligente Verwaltung der im Bearbeitungszentrum eingesetzten Werkzeuge: Die Werkzeugparameter werden an das Bearbeitungszentrum übermittelt, wodurch das Werkzeug in den Werkzeugmagazin des Zentrums integriert wird und vom Bearbeitungsprogramm abgerufen werden kann. Nach Abschluss der Bearbeitung wird die Produktionszeit des Werkzeugs in das RFID-Tag des Werkzeugs geschrieben, wodurch eine Echtzeit-Erfassung von Werkzeugdaten sowie eine lückenlose Verfolgung des Werkzeugzustands ermöglicht werden.

2 Erfassung und Einstellung der Parameter des Werkzeuginformationsmanagementsystems

　　Ein Werkzeuginformationsmanagementsystem bezeichnet ein System, das auf der Kommunikation zwischen den Maschinen und Anlagen innerhalb einer Fertigungseinheit – wie CNC-Werkzeugmaschinen, Werkzeugaufspannvorrichtungen und RFID-Lesegeräte – sowie auf der Nutzung von Funkfrequenztechnologie basiert. Dabei werden CNC-Systeme und RFID-Lesegeräte über serielle Schnittstellen miteinander verbunden, um die Informationsüberwachung und das Datenmanagement von Werkzeugen während ihres gesamten Lebenszyklus zu realisieren. Der gesamte Lebenszyklus eines Werkzeugs umfasst in der Regel Planung, Beschaffung, Kennzeichnung, Einlagerung, Ausleihe, Montage, Einsatz, Rückgabe, Nachschleifen und Entsorgung.

　　Voraussetzung für das Werkzeugmanagement an der Werkzeugmaschine ist, dass die Werkzeuge bereits zu Werkzeuggruppen zusammengefasst und mittels einer Werkzeugausrichtvorrichtung ausgerichtet wurden. Um die jeweiligen Funktionalitäten der Werkzeuge zu gewährleisten, muss die Werkzeugmaschine eine Initialisierung des Werkzeugmagazins durchführen und die Bearbeitungszeit der Werkzeuge in den RFID-Chip des Werkzeughalters schreiben. Da die Lese- und Schreibreichweite von Hochfrequenz-RFID relativ kurz ist, ist es beim Lesen und Schreiben des RFID-Chips im Werkzeughalter erforderlich, die Antenne mithilfe einer pneumatischen Vorrichtung nahe an das RFID-Etikett zu bringen.

　　(1) Initialisierung des Werkzeugmagazins der Werkzeugmaschine

　　Um die intelligente Übertragung von CNC-Werkzeuginformationen zu realisieren, ist zunächst eine CNC-Maschine erforderlich. Um sicherzustellen, dass das Werkzeug beim Einlegen in die Maschine automatisch in das Werkzeugmagazin eingeführt wird und die Werkzeugparameter aus dem RFID-Tag in das Werkzeugmagazin der Maschine eingelesen werden, muss das Werkzeugmagazin der Maschine initialisiert werden; der genaue Ablauf ist nachstehend beschrieben:

　　①Bei einem Werkzeugwechsel an der Werkzeugmaschine ist es erforderlich, dass die Maschinensteuerung den Werkzeugrevolver um eine volle Umdrehung dreht (siehe Abbildung 2), um alle Werkzeuge erneut in den Werkzeugmagazin der Maschine zu initialisieren;

　　②Für jedes Werkzeug ist folgender Ablauf durchzuführen: Die CNC steuert mittels Steuerbefehl den Zylinder, um den RFID-Lesekopf anzuheben; sobald der Zylinder seine Endposition erreicht hat, erfasst die CNC den Zustand des Induktionsschalters und aktiviert den RFID-Leser/Schreiber; der Zylinder bleibt für 500 ms in dieser Position, woraufhin die CNC über die serielle Schnittstelle den RFID-Leser/Schreiber ansteuert, um das RFID-Chip auf dem Werkzeughalter auszulesen; anschließend wird der Zylinder wieder eingefahren; nachdem die CNC den Ansprechpunkt des magnetischen Induktionsschalters des Zylinders erkannt hat, wird das Werkzeug weiter betrieben.

　　③ Erforderliche Steuerfunktion: Auf der CNC-Bedienoberfläche ist ein Knopf zu installieren; bei jedem Betätigen dieses Knopfes dreht sich die Werkzeugspindel automatisch um eine volle Umdrehung, um sicherzustellen, dass bei jedem Werkzeugwechsel eine vollständige Umdrehung erfolgt und das Werkzeugmagazin der Maschine initialisiert wird. Das direkte Einsetzen eines Werkzeugs in den Werkzeughalter des Werkzeugmagazins der Maschine ist nicht zulässig.

　　(2) Aufzeichnung der Werkzeugproduktionszeit

　　Beim Auswechseln (oder Gruppieren) von Werkzeugen wird die Produktionsmenge (Bearbeitungszeit) des Werkzeugs in das Werkzeugmanagementsystem eingetragen. Der Vorgang, bei dem die Bearbeitungszeit der Werkzeugmaschine in den RFID-Chip des Werkzeughalters geschrieben wird, erfolgt wie folgt:

　　① Vor dem Entfernen der Werkzeuge aus der Werkzeugmaschine oder nach dem Zusammenstellen der Werkzeuge erfasst die Maschine die eingesetzten Werkzeuge und schreibt die Bearbeitungszeit jedes Werkzeugs nacheinander in den Drehkopf ein;

　　② Der Zylinder bleibt für 500 ms im Zustand; anschließend steuert die CNC über die serielle Schnittstelle das RFID-Lesegerät und führt einen Schreibvorgang auf dem RFID-Chip des Werkzeughalters durch.

　　③ Der Zylinder wird zurückgezogen; nachdem die CNC-Überprüfung bestätigt hat, dass der magnetische Induktionsschalter des Zylinders in der richtigen Position ist, setzt die Frässcheibe ihre Drehbewegung fort.

　　Um den reibungslosen Ablauf des oben beschriebenen Verfahrens zu gewährleisten, ist es erforderlich, auf der CNC-Bedienoberfläche einen zusätzlichen Knopf zu integrieren. Vor dem Entfernen eines Werkzeugs oder nach dem Zusammenstellen einer Werkzeuggruppe ist dieser Knopf einmal zu betätigen, damit die Maschine eine vollständige Umdrehung ausführt und die Einsatzzeit des Werkzeugs erfasst wird; auf diese Weise wird die Lebensdauerkontrolle des Werkzeugs abschließend realisiert. Bei der Durchführung der im Verfahren vorgesehenen Schritte ist zudem auf die Einhaltung der Betriebsvorschriften zu achten.

　　(3) Speicherung von Werkzeugdaten im RFID-Chip

　　Der Werkzeugcode ist eine wichtige Information zur eindeutigen Identifizierung eines Werkzeugs; er wird in das RFID-System geschrieben, sodass jedes Werkzeug über seinen Code verwaltet werden kann. Bei der Erstellung der entsprechenden Programmierungen können anhand der Spezifikationen und des Typs des Werkzeugs dessen Nenn-Durchmesser, Nenn-Länge sowie die zugehörigen Programmparameter festgelegt werden; anschließend werden je nach den tatsächlichen Bedingungen die entsprechenden Durchmesser- und Längenkompensationen vorgenommen. Da dasselbe Werkzeug auf unterschiedlichen Bearbeitungsmaschinen eingesetzt werden kann und dieselbe Maschine auch verschiedene Produkte bearbeiten kann, können während der Bearbeitung gelegentlich unerwartete Störungen auftreten; daher müssen während des Bearbeitungsprozesses die oben genannten Bearbeitungsinformationen angezeigt werden. Mittels programmgesteuerter Anzeige können im laufenden Bearbeitungsablauf dynamisch Berichte ausgegeben werden, die den Werkzeugcode, das bearbeitete Produkt, die Produktmenge, Störungsinformationen sowie weitere im RFID-Record gespeicherte Daten wie Werkzeugcode, Werkzeuglebensdauer und bisherige Einsatzzeit des Werkzeugs enthalten.

　 　3 Aufbau des Hardware-Systems und Softwareentwicklung

　　Die Hardware besteht aus elektronischen Etiketten (RFID), Antennen, Lesegeräten sowie entsprechenden Datenschnittstellen. RFID-Etiketten dienen als Datenträger und setzen sich aus einem Chip und Kopplungselementen zusammen; jedes RFID-Etikett verfügt über eine eindeutige elektronische Kennung. Die RFID-Antenne ist die Antwortantenne des RFID-Etiketts und überträgt mittels Kommunikationsinduktion die drahtlosen Funkfrequenzsignale zwischen dem Etikett und dem Steuergerät. Das Lesegerät ist das Gerät, mit dem Informationen auf RFID-Etiketten gelesen oder in sie geschrieben werden können.

　　 Zusammenfassung

　　Durch die Installation von RFID-Tags an Werkzeugen zur lebenszyklusweiten Identifizierung und zum Lesen/Schreiben von Informationen sowie durch die Anbringung von RFID-Lesegeräten an Hauptmaschinen wie CNC-Werkzeugmaschinen als Schnittstelle für den Informationsaustausch zwischen den RFID-Tags und den zentralen Steuerungssystemen wird das RFID-Tag als Informationsträger genutzt, um den Informationsaustausch zwischen Werkzeugen und Maschinen sowie zwischen verschiedenen Maschinen zu ermöglichen – mit dem Ziel, die Lebensdauer der Werkzeuge prädiktiv zu prognostizieren. Diese neue Lösung ermöglicht ein umfassendes Werkzeuglebenszyklusmanagement, senkt die Werkzeugbestände um 20 %, reduziert die Werkzeugkosten um 10 %, verkürzt die Vorbereitungszeit um 15 %, steigert die Anlageneffizienz um 10 %, verkürzt die Lieferzeiten um 10 % und senkt die Gesamtkosten um mehr als 15 %.