Advertisement

Production Engineering

, Volume 6, Issue 6, pp 631–642 | Cite as

Steps towards a protection system for machine tool main spindles against crash-caused damages

  • E. AbeleEmail author
  • C. Brecher
  • S. C. Gsell
  • A. Hassis
  • D. Korff
Machine Tool

Abstract

High productivity and availability of machining centers can only be achieved by avoiding unplanned machine downtimes. Machine failures induced by wear can be coped with by implementing preventive and condition-based maintenance strategies so that downtimes are as short as possible. In contrast, machine damages caused by collisions cannot be avoided by these strategies, but only fixed afterwards by reactive maintenance, leading to high repair costs and long machine downtimes. This article presents a new approach for the avoidance of damages to the main spindle unit caused by collisions in machining centers. The mechanical components of this protection system enable the controlled reversible decoupling of the main spindle from the machine structure in case of exceedance of an adjustable force limit. Decoupling leads to a reduction of the whole machine stiffness, resulting in the decrease of the acting collision force. Consequently, all machine components in the collision’s force flux are protected against overload and damage. Once a collision occurred, a general method is shown, where the spindle and its collision objects are separated automatically by the machine’s numerical control. Due to the reversible decoupling mechanism of the protection system, the described retreat strategy eases the handling after a collision for the machine operator.

Keywords

Machine tools Main spindle units Collision protection Downtime reduction 

Notes

Acknowledgments

We extend our sincere thanks to the Federal Ministry of Economics and Technology (BMWi) and to the AiF—Otto von Guericke e.V. for their generous support of the work described in this paper. Its development was accomplished in cooperation with Jakob Antriebstechnik GmbH, Kleinwallstadt.

References

  1. 1.
    Gebeshuber R (2008) Der formen- und Werkzeugbau im Wandel der Zeit—Entwicklung und Innovationen inkl. Praxis-Fallbeispiel: “Vom Einzelfertiger zum Weltmarktführer”. Verlag Dr. MüllerGoogle Scholar
  2. 2.
    Abele E, Reinhart G (2011) Zukunft der Produktion—Herausforderungen, Forschungsfelder, Chancen. Carl Hanser, MunichCrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    Abele E, Dervisopoulos M, Kreis M (2006) Beeinflussbarkeit von Lebenszykluskosten durch Wissensaustausch—Produzieren mit Blick auf die Lebenszykluskosten. wt Werkstattstechnik online, 96 (7/8):447–454Google Scholar
  4. 4.
    Metzele M (2008) Zustandsorientierte Instandhaltung von schnelllaufenden Werkzeugmaschinen-Hauptspindeln. Dissertation, RWTH Aachen UniversityGoogle Scholar
  5. 5.
    Abele E, Korff D (2011) Avoidance of collision caused spindle damages—challenges, methods and solutions for high dynamic machine tools. Ann CIRP 60(1):425–428CrossRefGoogle Scholar
  6. 6.
    Rehling S (2009) Technologische Erweiterung der simulation von NC-Fertigungsprozessen. Dissertation, Leibniz University HannoverGoogle Scholar
  7. 7.
    Dietrich B (2007) Maschinenintegrierte Bauteillageerkennung zur Kollisionsprävention mittels skalierbarer Mehrkamerabildverarbeitung. Dissertation, RWTH Aachen UniversityGoogle Scholar
  8. 8.
    Altintas Y, Brecher C, Weck M, Witt S (2005) Virtual machine tool. Ann CIRP 54(2):115–138CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    Siart U (2011) Spindelkollisionsschutz auf Radarbasis. Conference paper, Ott-Spanntechnik GmbH Technologietagung, LengenwangGoogle Scholar
  10. 10.
    Dennig H-J (2009) Entwicklung einer schnell schaltenden Bremse und Kupplung für Linearbewegungen zum Überlastschutz in Werkzeugmaschinen. Dissertation, University StuttgartGoogle Scholar
  11. 11.
    Byrne G, O’Donnell GE (2007) An integrated force sensor solution for process monitoring of drilling operations. Ann CIRP 56(1):89–92CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    Ebeling W (2002) Wirksamer schutz vor Kollisionen. Werkstatt Betrieb 135(10):58–59Google Scholar
  13. 13.
    Brecher C, Rudolf T (2006) Kontakterkennungsbasierte kollisionsüberwachung—sicher produzieren durch kollisionsschutzsysteme. Conference paper, simulationstechnik in der produktion, ABS-Treffen 2005, DüsseldorfGoogle Scholar
  14. 14.
    Rudolf T, Brecher C, Possel-Dölken F (2007) Contact-based collision detection—a new approach to avoid hard collisions in machine tools. Conference paper, international conference on smart machining systems, GaithersburgGoogle Scholar
  15. 15.
    Chr. Mayr GmbH + Co. KG (2011) EAS axial—Überlastsicherung für lineare Bewegungen. CatalogueGoogle Scholar
  16. 16.
    Maschinenfabrik Berthold Hermle AG (2011) C20—the dynamic, product description. CatalogueGoogle Scholar
  17. 17.
    Weck M, Brecher C (2006) Werkzeugmaschinen 3—mechatronische systeme, vorschubantriebe, prozessdiagnose, 6th edn. Springer, BerlinGoogle Scholar
  18. 18.
    Tüllmann U (1999) Das Verhalten axial verspannter, schnelldrehender Schrägkugellager. Dissertation, RWTH Aachen UniversityGoogle Scholar
  19. 19.
    Schaeffler Technologies GmbH & Co. KG (2011) Hochgenauigkeitslager—high precision bearings. CatalogueGoogle Scholar
  20. 20.
    DIN ISO 76 (2009) Wälzlager—statische tragzahlen. DIN Deutsches Institut für Normung e.V.Google Scholar
  21. 21.
    Brändlein J, Eschmann P, Hasbargen L, Weigand K (1995) Die Wälzlagerpraxis, 3rd edn. Vereinigte Fachverlage, MainzGoogle Scholar
  22. 22.
    Harris TA, Kotzalas MN (2007) Essential concepts of bearing technology, 5th edn. CRC Press, Boca Raton, FLGoogle Scholar
  23. 23.
    Rombach M, Hollstein T (1995) Untersuchungen zum mechanischen Verhalten von Siliciumnitrid in einem Kugel-Platte-Kontakt. Materialwissenschaften Werkstofftechnik 26(4):276–282CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    Strutzke A (2008) CNC-Werkzeugmaschinen mit Kollisionskontrolle. Metav J 2008:60–63Google Scholar
  25. 25.
    da Silva VD (2005) Mechanics and strength of materials. Springer, BerlinGoogle Scholar

Copyright information

© German Academic Society for Production Engineering (WGP) 2012

Authors and Affiliations

  • E. Abele
    • 1
    Email author
  • C. Brecher
    • 2
  • S. C. Gsell
    • 2
  • A. Hassis
    • 2
  • D. Korff
    • 1
  1. 1.Institute of Production Management, Technology and Machine Tools (PTW)Technische Universität DarmstadtDarmstadtGermany
  2. 2.Chair of Machine ToolsLaboratory for Machine Tools and Production Engineering (WZL) of RWTH Aachen UniversityAachenGermany

Personalised recommendations