Zahnriemenachse Intelligente Zahnriemenachse überwacht sich selbst

Der Automatisierungsspezialist IEF-Werner hat eine intelligente Zahnriemenachse gebaut, die ihren Zustand und ihre Leistung permanent selbst überwacht und auf dieser Grundlage vorausschauend den Verschleiß analysiert. Über eine Cloud-Anbindung kommuniziert sie zudem mit anderen Komponenten.

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Das scheuen Techniker und Instandhalter wie der Teufel das Weihwasser: plötzliche Maschinenstillstände in der Produktion. Denn je länger eine Störung dauert, desto teurer wird es am Ende. „Meist sind relativ kleine Defekte oder Verschleißerscheinungen die Ursache“, erklärt Ulrich Moser, Marketingleiter bei der IEF-Werner GmbH aus Furtwangen im Schwarzwald. „Werden diese nicht rechtzeitig erkannt, steigt der Grad der Abnutzung, die Maschine oder Komponente arbeitet nicht mehr präzise. Irgendwann fällt sie komplett aus.“

Selbst überwachend und optimierend

Doch was wäre, wenn Maschinen oder Komponenten eigenständig ihren eignen Status überwachen, Probleme und Schwachstellen erkennen und die zuständigen Mitarbeiter rechtzeitig informieren würde? Oder wenn sie Auswirkungen der Probleme selbst beheben oder mit anderen Komponenten kommunizieren könnten?

„Mit diesem Thema haben wir uns im Rahmen des von der EU mit knapp 5,4 Millionen Euro geförderten Forschungsprojekts Selsus beschäftigt, das vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart geleitet wurde“, erklärt Ulrich Moser. Das Projekt „Health Monitoring and Life-Long Capability Management for Self-Sustaining Manufacturing Systems“ beschreibt die Fähigkeit von Maschinen und Komponenten, sich selbst zu überwachen, zu optimieren und damit die Produktion aufrechtzuerhalten. Die IPA-Wissenschaftler arbeiteten dazu gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wissenschaft an einer Technologie, die mithilfe von intelligenter Software und Sensor-Netzwerken frühzeitig Schwachstellen und Verschleißerscheinungen erkennt und damit Ausfälle vorhersagen kann.

Autonom agierende Systeme

„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“, so Ulrich Moser. Im Rahmen des Projekts werden diese logischen Einheiten Selcomps genannt: Selcomps sammeln, speichern und analysieren Prozessdaten. So können sie als autonom agierende Systeme ohne Einfluss von außen ihren eigenen Zustand und die eigene Leistung bewerten und den Grad ihrer Abnutzung erkennen.

Wie lassen sich solche Komponenten konstruieren? „Um das herauszufinden, haben wir aus einer Zahnriemenachse unsere eigene Selcomp entwickelt und diese in einem Demonstrator verbaut“, berichtet Ulrich Moser. IEF-Werner hat sich bewusst für die Lineareinheit entschieden, weil sie sich in zahlreichen Handhabungsaufgaben bewährt hat. Von einem Servomotor angetrieben, arbeitet sie effizient und kostengünstig, so der Hersteller. Die integrierte Führung lässt sich auch in leicht verschmutzter Umgebung einsetzen, und die Führungselemente arbeiten bis 10.000 Kilometer nahezu wartungsfrei. Der Zahnriemen ermöglicht bei dieser Komponente hohe Beschleunigungen und Geschwindigkeiten bei kurzen Taktzeiten.

Reichlich mit Sensoren ausgestattet

Für den Aufbau eines kollaborativen Demonstrators wurde die Achse auf ein stabiles Gestell montiert auf dem auch eine intelligente Schweißeinheit des Partners HWH integriert ist. Die HWH-Selcomp besteht aus Schweiß-Steuerung und -Zange – mit Sensoren für Temperatur-, Strom-, Spannungs- und Kraftmessungen. Das somit exemplarisch aufgebaute Szenario stellt den weitläufig auftretenden Anwendungsfall eines bewegten Bauteils in Zusammenarbeit mit einem Fertigungsprozess dar.

„Die vom Hersteller angegebenen Daten zur Lebensdauer eines Maschinenbauteils sind meist nur Richtwerte, die im Lauf ihres Einsatzes stark variieren können“, erläutert Ulrich Moser. Durch unterschiedliche Belastungen, die zum Beispiel 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 wir unter anderem kritische Stellen in den Motor- und Führungswagenlagern identifizieren“, so Moser.

Informationen auch indirekt bestimmen

Nach umfangreichen Tests stellten die IEF-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.

Nun galt es, ein leistungsfähiges Modell zu entwickeln, das aus den permanent gesammelten Daten die praktische Lebensdauer der Zahnriemenachse berechnet. „Ein paar Algorithmen zu programmieren, genügte hier nicht“, betont Ulrich Moser. „Um diese Aufgabe zu lösen, arbeiteten wir deshalb eng mit dem ICT-Provider Hugin Expert zusammen.“ Das dänische Unternehmen 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, zum Beispiel, ob ein bestimmtes stark beanspruchtes Kabel demnächst bricht.

Um die damit verbundene Datenflut sicher zu verarbeiten, hat IEF-Werner die Daten im Rahmen des Projekts in die Selsus-Cloud geschickt. „Die Werte, die unser Selcomp mit diesem Modell errechnet, stimmen mit einer Genauigkeit von ± 10 %“, freut sich Ulrich Moser. Ist diese Technologie 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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