20.08.2018

EU-Forschungsprojekt für smarte Linearachsen

Die Kunst der Selbstoptimierung

Das EU-Forschungsprojekt SelSus fokussiert Wege und Lösungen, um Maschinenausfälle vorherzusagen bevor sie auftreten. In diesem Rahmen hat das Unternehmen IEF-Werner einen Prototyp gebaut, in dem eine intelligente Zahnriemenachse ihren Zustand und ihre Leistung permanent selbst überwacht und den Verschleiß analysiert. Über eine Cloudanbindung kommuniziert sie zudem mit anderen Komponenten und kann so bei Gefahr eines Ausfalls die Produktion am Laufen halten.


Plötzliche Maschinenstillstände in der Produktion sind für Firmen ein Albtraum und je länger eine solche Störung dauert, desto teurer wird es am Ende. Dabei handelt es sich bei den Auslösern meist um relativ kleine Defekte oder Verschleißerscheinungen, die jedoch nicht rechtzeitig erkannt werden. Was wäre nun, wenn sie eigenständig ihren Status überwachen, Probleme und Schwachstellen erkennen und den zuständigen Mitarbeiter rechtzeitig informieren würde? Und noch besser: wenn sie Auswirkungen der Probleme selbst beheben oder mit anderen Komponenten kommunizieren könnte? Die Produktion würde ohne teure Maschinenstillstände weiterlaufen und Servicetechniker könnten Wartungsmaßnahmen frühzeitig einplanen. Der Verschleiß ließe sich verringern, die Lebenszeit der Bauteile somit deutlich verlängern. Genau mit diesem Thema hat sich IEF Werner im Rahmen des Forschungsprojekts SelSus beschäftigt, das vom Fraunhofer IPA geleitet wurde. Das Projekt läuft unter der Bezeichnung 'Health Monitoring and Life-Long Capability Management for Self-Sustaining Manufacturing Systems', was die Fähigkeit von Maschinen und Komponenten beschreibt, sich selbst zu überwachen, zu optimieren und damit die Produktion aufrecht zu erhalten. Wissenschaftler arbeiteten dazu gemeinsam mit Industriepartnern an einer Lösung, die mithilfe von intelligenter Software und Sensornetzen frühzeitig Schwachstellen und Verschleißerscheinungen erkennt und damit Ausfälle vorhersagen kann.

Die intelligente Einheit

Mit der Fähigkeit, sich selbst zu optimieren, erfüllen die Komponenten in Fertigungslinien keine isolierte Aufgabe mehr. Sie sind vielmehr ein dynamischer, vielseitiger und spezialisierter Bestandteil eines Gebildes intelligenter Arbeitszellen. Im Rahmen des Projekts werden diese logischen Einheiten SelComps genannt: Sie sammeln, speichern und analysieren Prozessdaten. Somit sind sie in der Lage, als autonom agierende Systeme ohne Einfluss von außen ihren eigenen Zustand und die eigene Leistung zu bewerten und den Grad ihrer Abnutzung zu erkennen. Doch wie lassen sich solche Komponenten konstruieren? Um das herauszufinden, hat das Unternehmen aus einer Zahnriemenachse seine eigene SelComp entwickelt und diese in einem Demonstrator verbaut. Der Zahnriemen ermöglicht bei dieser Komponente hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bei kurzen Taktzeiten. Für den Aufbau eines kollaborativen Demonstrators wurde die Achse auf ein stabiles Gestell montiert, auf dem auch eine Schweißeinheit des Partners HWH integriert ist.

Hohe Anforderungen führen zu Verschleiß

Durch unterschiedliche Belastungen, die z.B. durch schnelles Anfahren und Stoppen auftreten, kann es auf den Kontaktflächen der Schlitten und der Führungsbahnen oder in den Antriebslagern zu abrasivem, adhäsivem oder zu Ermüdungsverschleiß kommen. Die Genauigkeit nimmt immer weiter ab und die Gefahr eines Ausfalls steigt. Damit die Achse stets im optimalen Zustand fahren kann, galt es, genau die Stellen festzumachen, an denen Verschleiß auftritt. Die Entwickler verbauten zunächst zusätzliche Sensoren. Damit konnten unter anderem kritische Stellen in den Motor- und Führungswagenlagern identifiziert werden. Nach umfangreichen Tests stellten die Techniker fest: Die erforderlichen Informationen lassen sich nicht nur mit weiteren Sensoren sammeln. Einfacher und vor allem kosteneffizienter gelingt dies durch indirekte Bestimmung auf Basis bekannter Daten, wie z.B. dem Motorstrom.

Alles hängt zusammen

Nun galt es, ein leistungsfähiges Modell zu entwickeln, das aus den permanent gesammelten Daten die praktische Lebensdauer der Zahnriemenachse berechnet. Um diese Aufgabe zu lösen, wurde mit dem ICT-Provider Hugin Expert zusammegearbeitet. Das Unternehmen aus Dänemark hat sich auf Bayes'sche Netze spezialisiert - ein mathematisches Verfahren, mit dem sich die Wahrscheinlichkeit berechnen lässt, mit der ein bestimmtes Ereignis oder ein Zustand eintreten wird. Diese Methode bezieht mehrere Variablen und die mit ihnen verbundenen Möglichkeiten mit ein, z.B., dass ein bestimmtes stark beanspruchtes Kabel demnächst bricht. Um diese Datenflut sicher zu verarbeiten, hat IEF-Werner sie im Rahmen des Projekts in die SelSus-Cloud geschickt. Die Werte, die das SelComp mit diesem Modell errechnet, stimmen laut dem Anbieter mit einer Genauigkeit von ±10 Prozent. Ist diese Technik in die Zahnriemenachse integriert, zeigt das Display an der Steuerung dem Anwender die Lebenszeit der Komponente an und schlägt den nächsten Wartungstermin vor.

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Wissen, was der andere denkt

Die intelligente Zahnriemenachse soll nicht nur auf ihren eigenen Zustand reagieren, sondern auch auf die externe Schweißeinheit. Im Testaufbau arbeiten die beiden SelComps: Zuerst positioniert die Linearachse die Schweißplatte, dann erfolgt der Schweißprozess. Vor Prozessstart registrieren sich beide Komponenten mit Daten wie Typbezeichnung, Herstellungsdatum, Hub oder auch mit ihrer Seriennummer. Im laufenden Betrieb kommen dann die dynamischen Daten hinzu. Mit diesen Informationen kann die Zahnriemenachse autonom auf die Schweißeinheit reagieren und Steuerparameter so anpassen, dass die Produktion hinsichtlich Wirtschaftlichkeit am bestmöglichen Punkt agiert. In der Fertigung ist die Zahnriemenachse auf schnellste Zykluszeiten ausgelegt. Das heißt: Sie fährt mit Maximalgeschwindigkeit zum Übergabepunkt und bremst ab. Ohne Informationen der Schweißeinheit fährt sie mit derselben Geschwindigkeit zurück zum Ausgangspunkt. Diesen Vorgang wiederholt sie permanent. Weil keine Schweißung erfolgt, steht die Produktion still. Dazu kommt: Das ständige Anfahren und Stoppen bei höchster Dynamik beschleunigt den Grad der Abnutzung. Kommuniziert die Zahnriemenachse nun aber mit der Schweisssteuerung, kann sie schon bei leicht erhöhter Temperatur der Elektrode in einen entschleunigten Modus wechseln. Es kommt somit zu keiner Überhitzung, beide Komponenten nutzen sich deutlich langsamer ab, die Produktion wird nicht unterbrochen. Die SelComps verbessern damit eigenständig ihren Betrieb. Anwender können die Wartungen rechtzeitig einplanen und sind damit sicher vor plötzlichen Ausfällen. Betriebe stärken somit ihre Wettbewerbsfähigkeit. Noch befindet sich IEF-Werner mit dieser Entwicklung im Prototypenbau, das Ziel sei es aber, diese Lösung optional für alle Linearachsen anzubieten.

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