Werkzeugwechsler an CNC-Bearbeitungszentren: Fehlerbilder und Frühzeichen
Ein Werkzeugwechsler kündigt Probleme oft an: durch längere oder schwankende Wechselzeiten, einzelne Störmeldungen und veränderte Antriebslast. Wer diese Zeichen sammelt, findet die Ursache meist vor dem Stillstand.
Ein Werkzeugwechsler arbeitet tausendfach dieselbe Bewegungsfolge ab. Wenn er ausfällt, steht die Maschine, oft mitten im Programm und nicht selten mit einem Werkzeug, das weder richtig in der Spindel noch im Greifer sitzt. Viele Ausfälle haben aber eine Vorgeschichte: einzelne Störmeldungen, die nach Quittieren verschwinden, eine Wechselzeit, die langsam länger wird, ein Geräusch, das vorher nicht da war. Dieser Artikel beschreibt den Aufbau von Werkzeugwechslern an CNC-Bearbeitungszentren, die typischen Fehlerbilder und die Frühzeichen, die Sie mit einfachen Mitteln beobachten können.
Stand unseres Systems
Die Überwachung von Werkzeugwechslern ist bei uns geplant. Sie ist heute nicht Teil unseres Angebots, und wir verkaufen sie auch nicht als solche. Dieser Artikel ist ein Fachbeitrag. Überwacht wird heute die Spindel mit ihren Lagern.
Wie Werkzeugmagazin und Wechsler aufgebaut sind
Das System besteht aus zwei Teilen, die zusammenspielen müssen.
Das Werkzeugmagazin hält die Werkzeuge bereit. Verbreitet sind Teller- oder Scheibenmagazine, Kettenmagazine für größere Werkzeuganzahlen und Regal- oder Kassettenmagazine. Ein Antrieb positioniert den gewünschten Platz an die Übergabestelle. Je nach Bauart kommt dazu eine Schwenk- oder Kippbewegung des Werkzeugplatzes.
Der Wechsler bringt das Werkzeug vom Magazin in die Spindel. Zwei Grundformen sind verbreitet:
- Doppelgreifer: Ein Greiferarm fasst gleichzeitig das alte Werkzeug in der Spindel und das neue an der Übergabestelle, zieht beide ab, dreht um 180 Grad und setzt sie wieder ein. Den Bewegungsablauf erzeugt häufig ein Nocken- oder Kurvengetriebe, das von einem Motor angetrieben wird. Die Kurve legt Hub und Drehung mechanisch fest.
- Pick-up-Prinzip: Die Spindel fährt selbst an den Magazinplatz, legt das alte Werkzeug ab und nimmt das neue auf. Es gibt keinen eigenen Greiferarm, dafür übernehmen Achsen und Magazin die Bewegung.
Die Antriebe sind je nach Hersteller und Baujahr unterschiedlich. Es gibt Wechsler mit Servomotor, deren Bewegung die Steuerung wie eine Achse regelt, Varianten mit Asynchron- oder Getriebemotor und Endschaltern sowie pneumatisch oder hydraulisch betätigte Bewegungen. Welche Variante Ihre Maschine hat, steht in der Dokumentation des Maschinenherstellers. Davon hängt ab, welche Signale überhaupt zur Verfügung stehen.
Zum Wechsel gehört auch die Spindelseite: Das Spannsystem in der Spindel hält das Werkzeug mit Federkraft, meist über ein Tellerfederpaket. Zum Lösen drückt ein hydraulischer oder pneumatischer Lösezylinder dagegen. Während des Wechsels reinigt Blasluft den Kegel. Viele Maschinen prüfen danach über eine Luftdruckabfrage, ob das Werkzeug plan anliegt.
Der Wechselzyklus Schritt für Schritt
Für die Fehlersuche hilft es, den Wechsel als Kette einzelner Schritte zu sehen. Jeder Schritt hat eine Bedingung, die erfüllt sein muss, bevor der nächste beginnt. Meist überwacht die Steuerung das über Endschalter, Sensoren und Zeitgrenzen.
Typische Fehlerbilder am Werkzeugwechsler
Die folgenden Fehlerbilder sind an vielen Bauarten zu finden. Welches an Ihrer Maschine häufig ist, zeigt am besten die eigene Störungshistorie.
| Fehlerbild | Mögliche Ursachen | Frühzeichen |
|---|---|---|
| Werkzeug wird nicht sicher gegriffen oder fällt | Verschleiß der Greiferfinger, ermüdete Federn oder Verriegelung, falsche Ausrichtung des Werkzeugs | Gelegentliche Störungen beim Greifen, sichtbare Spuren an Greifer oder Werkzeugaufnahme |
| Magazin findet den Platz nicht oder fährt nach | Spiel im Antrieb, gelockerte Kette, verschmutzte oder verstellte Positionsschalter | Positionierstörungen, Nachpositionieren, Geräusche beim Anhalten |
| Wechsel bleibt in einem Schritt hängen | Endschalter verschmutzt oder verstellt, Kabelbruch, schwergängige Mechanik | Einzelne Zeitüberschreitungen, die nach Quittieren nicht wiederkehren |
| Werkzeug sitzt nicht plan in der Spindel | Späne am Kegel, schwache Blasluft, verschlissener Kegel, nachlassende Spannkraft | Meldungen der Plananlagekontrolle, Rundlauffehler, schlechtere Oberflächen |
| Werkzeug lässt sich nicht lösen | Druckproblem am Lösezylinder, Verschleiß im Spannsatz | Längere Löse- und Spannzeiten, Druckmeldungen |
| Schwergängiger oder lauter Wechsel | Schmiermangel im Kurvengetriebe, Lagerverschleiß, Fremdkörper | Neues Geräusch, steigende Antriebslast, längere Bewegungszeit |
Ein Teil dieser Fehlerbilder betrifft streng genommen die Spindel: Spannkraft, Kegel und Plananlage. In der Praxis werden sie aber als „Werkzeugwechslerproblem“ gemeldet, weil sie beim Wechsel auffallen. Bei der Ursachensuche lohnt es sich, beide Seiten zu betrachten.
Wechselzeit als einfacher Indikator
Das einfachste Frühzeichen ist die Dauer. Ein gesunder Wechsler arbeitet sehr gleichmäßig, weil Kurvengetriebe und Steuerungsablauf fest vorgegeben sind. Wird ein Schritt schwergängig, muss ein Druck länger aufgebaut werden oder ein Schalter spricht verzögert an, dauert der Wechsel länger. Oft schwankt die Dauer auch zuerst stärker, bevor sie im Mittel steigt.
Für eine aussagekräftige Beobachtung sollten Sie zwei Dinge trennen:
- Gesamtzeit von Span zu Span: enthält Achsbewegungen, Spindelhochlauf und Programmlogik. Sie ist für die Produktion wichtig, für die Diagnose aber zu grob.
- Zeit des eigentlichen Wechsels: vom Beginn bis zum Ende der Wechselbewegung, möglichst je Schritt. Hier zeigt sich eine mechanische Veränderung am deutlichsten.
Ein Vergleich ist nur fair, wenn die Bedingungen gleich sind. Schwere und lange Werkzeuge brauchen je nach Maschine eine langsamere Bewegung, und der Weg im Magazin hängt davon ab, welcher Platz gerade geholt wird. Sinnvoll ist deshalb ein Vergleich innerhalb vergleichbarer Wechsel, zum Beispiel getrennt nach Werkzeuggruppe oder nur für die Wechselbewegung ohne Magazinsuche.
Die Zeitpunkte lassen sich auf verschiedene Weise gewinnen: aus Signalen der SPS der Maschine, aus dem Werkzeugwechselbefehl im Programmablauf oder aus Zustandsänderungen, die die Steuerung über eine Schnittstelle meldet. Welche Signale an Ihrer Maschine verfügbar sind, klären Sie am besten mit dem Maschinenhersteller oder mit einem Blick in die Schnittstellendokumentation.
Motorstrom pro Wechselzyklus als Prinzip
Wird der Wechsler von einem geregelten Motor angetrieben, enthält dessen Strom während eines Wechsels ein Abbild der Mechanik. Der Strom ist näherungsweise proportional zum Drehmoment. Steigt die Reibung im Kurvengetriebe, etwa durch Schmiermangel, oder klemmt eine Bewegung, braucht der Motor in diesem Abschnitt mehr Moment.
Das Prinzip ist einfach: Man zeichnet für jeden Wechsel den Stromverlauf über die Zeit oder über den Drehwinkel des Antriebs auf und vergleicht ihn mit dem Verlauf eines gesunden Wechsels. Aussagekräftig sind die Spitzenwerte beim Anlauf, der Mittelwert in den gleichförmigen Abschnitten und die Form des Verlaufs. Eine Veränderung, die sich über viele Wechsel aufbaut, ist ein Hinweis. Ein einzelner Ausreißer ist es noch nicht.
In der Praxis gibt es zwei Hürden. Erstens ist ein Wechsel kurz. Standard-Schnittstellen wie OPC UA liefern Werte in Abständen von Zehntel- bis ganzen Sekunden. Damit erfassen Sie bestenfalls wenige Punkte pro Wechsel. Für einen echten Stromverlauf braucht man die Trace-Funktion der Steuerung oder eine eigene Messung. Zweitens hat nicht jeder Wechsler einen Antrieb, dessen Strom die Steuerung kennt. Bei Pneumatik oder einfachen Motoren mit Endschaltern bleiben Zeiten, Drücke und Schalterzustände die verfügbaren Signale.
Wartung, Schmierung und Alarmhistorie
Die meisten Wechslerprobleme lassen sich mit konsequenter Wartung verhindern oder früh finden. Die Intervalle und Schmierstoffe gibt der Maschinenhersteller vor. Unabhängig von der Bauart haben sich diese Punkte bewährt:
- Schmierung: Kurvengetriebe, Führungen von Greifer und Magazin und Kettenantriebe nach Herstellervorgabe schmieren. Füllstände von Getrieben prüfen.
- Sauberkeit: Späne und Kühlschmierstoffreste an Greifern, Magazinplätzen und Endschaltern entfernen. Verschmutzte Schalter sind eine häufige Ursache für sporadische Störungen.
- Greifer: Greiferfinger, Federn und Verriegelungen auf Verschleiß und Spiel sichtprüfen.
- Pneumatik und Hydraulik: Versorgungsdruck, Wartungseinheit, Filter und Leckagen prüfen. Blasluft am Spindelkegel auf Funktion kontrollieren.
- Spannsystem der Spindel: Spannkraft mit einem Spannkraftmessgerät regelmäßig messen und den Wert dokumentieren. Kegel und Werkzeugaufnahmen sauber und unbeschädigt halten.
- Übergabeposition: Nach einer Kollision oder einem Eingriff die Ausrichtung von Spindelorientierung und Wechselposition prüfen lassen.
Eine unterschätzte Quelle ist die Alarmhistorie der Steuerung. Störmeldungen des Wechslers werden oft quittiert und vergessen. Wer sie regelmäßig auswertet, sieht Muster: dieselbe Zeitüberschreitung im selben Schritt, gehäuft bei einem bestimmten Magazinplatz oder nach dem Wochenende. Ein Alarm, der von einmal im Monat auf mehrmals pro Woche steigt, ist ein Frühzeichen, auch wenn jeder einzelne harmlos aussieht. SINUMERIK und HEIDENHAIN TNC führen dazu Alarm- und Fehlerprotokolle, die sich an der Steuerung einsehen und teilweise exportieren lassen. Notieren Sie dazu, was nach einer Störung getan wurde. Erst die Kombination aus Meldung und Maßnahme macht die Historie nützlich.
Was wir heute anbieten
Wir haben den Werkzeugwechsler auf unserer Liste, weil die Signale dafür in vielen Fällen grundsätzlich vorhanden sind: Zeitpunkte, Zustände und Störmeldungen aus der Steuerung, bei geregelten Antrieben auch die Last. Wir bieten die Überwachung aber erst an, wenn wir an echten Maschinen gezeigt haben, dass die Bewertung zuverlässig ist. Bis dahin ist sie nicht Teil unseres Angebots. Unser Zugriff auf die Steuerung bleibt in jedem Fall rein lesend.
Heute überwachen wir die Spindel und ihre Lager. Wie wir dabei vorgehen, steht im Leitfaden zur Spindelüberwachung. Wie sich Störungen an einzelnen Baugruppen auf die Verfügbarkeit auswirken, behandelt der Artikel über die Hauptursachen einer niedrigen OEE. Den aktuellen Leistungsumfang finden Sie auf der Seite Leistung für CNC-Fräszentren.
Häufige Fragen
Warum bleibt der Werkzeugwechsler meiner CNC-Maschine hängen?
Häufige Ursachen sind verschmutzte oder verstellte Endschalter, zu geringer Luft- oder Hydraulikdruck, Schmiermangel im Getriebe und Spiel in Magazin oder Greifer. Die Störmeldung der Steuerung nennt meist den Schritt, in dem der Wechsel stehen bleibt. Das grenzt die Suche stark ein.
Woran erkenne ich, dass der Werkzeugwechsler bald ausfällt?
Typische Frühzeichen sind länger werdende oder stärker schwankende Wechselzeiten, sich häufende Störmeldungen im selben Schritt, neue Geräusche und eine steigende Antriebslast. Einzelne Ereignisse sagen wenig. Aussagekräftig ist die Veränderung über viele Wechsel.
Wie oft muss ein Werkzeugwechsler geschmiert werden?
Das legt der Maschinenhersteller in der Wartungsanleitung fest, abhängig von Bauart und Einsatz. Halten Sie sich an diese Vorgaben und an die vorgeschriebenen Schmierstoffe. Bei hoher Wechselzahl kann ein kürzeres Intervall sinnvoll sein. Das sollten Sie mit dem Hersteller abstimmen.
Warum sitzt das Werkzeug nach dem Wechsel nicht plan in der Spindel?
Häufig liegen Späne oder Schmutz auf dem Kegel, die Blasluft ist zu schwach oder Kegel und Werkzeugaufnahme sind beschädigt. Auch nachlassende Spannkraft kann die Ursache sein. Eine Spannkraftmessung und die Prüfung der Blasluft schaffen Klarheit.
Überwacht Forbach & Partners den Werkzeugwechsler?
Nein, heute nicht. Die Überwachung von Werkzeugwechslern ist geplant, aber nicht Teil des Angebots. Heute überwachen wir Spindel und Spindellager.
Über den Autor
Sascha P. Forbach ist Gründer von Forbach & Partners und Software-Architekt der Spindelüberwachung. Seit zwölf Jahren berät er produzierende Betriebe zu Prozessqualität und Anlagenverfügbarkeit. Mehr über uns