Condition-Monitoring Sicherheitsklemmsystem permanent überwachen

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Im Rahmen eines Forschungsprojekts entwickelt Hema gemeinsam mit Partnern aus der Wissenschaft ein Condition-Monitoring-Konzept für sein Sicherheitsklemmsystem Roto Clamp. Erste Meilensteine wurden bereits erreicht.

Die Hema Maschinen- und Apparateschutz GmbH ist ein alter Hase in der Maschinensicherheit: Das Unternehmen fertigt seit mehr als vier Jahrzehnten entsprechende Komponenten,darunter Schutzsysteme und Sicht- sowie Klemm- und Bremssysteme. Besonders letztere sind ständigen mechanischen Belastungen ausgesetzt – und sollten daher regelmäßig überprüft werden. Da es sich bei den Klemmsystemen jedoch um eine geschlossene Einheit handelt und sie zudem fest in der Maschine verbaut werden, ist eine Sichtprüfung ohne den kompletten Ausbau der Komponenten unmöglich.

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Die Lösung wäre eine automatische Überwachung der Klemmsysteme aus der Ferne. Um seinen Kunden diese Option künftig bieten zu können, entwickelt Hema unter dem Namen Roto Guard zurzeit ein digitales Condition-Monitoring-System für sein rotatorisches Sicherheitsklemmsystem Roto Clamp.

Bei Roto Clamp handelt es sich um ein pneumatisches Klemmsystem mit hohen Haltemomenten. Es übertrifft hydraulische Systeme sowohl hinsichtlich Wirksamkeit als auch Effizienz, da die Systemkosten deutlich geringer sind. Das Klemmsystem ist zudem Fail-Safe, weil die gesicherte Welle bei einem Ausfall der Pneumatik sofort und mit großer Kraft fixiert wird. Möglich wird dies durch das pneumatische Funktionsprinzip des Klemmsystems, das auf einem Federspeicher beruht.

Klemmsysteme

Ungewollte Bewegungen in Werkzeugmaschinen verhindern

Roto-Clamp-Klemmsysteme eignen sich ideal für rotatorische Positionsklemmungen in Dreh- und Schwenkachsen von Werkzeugmaschinen.

Auffälligkeiten frühzeitig erkannen

Die pneumatischen Klemmsysteme sind im Betrieb hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, die langfristig das Funktionsverhalten beeinflussen können. Veränderungen am Klemmsystem kündigen sich durch eine Veränderung messbarer Kenngrößen im Voraus an.

Das Roto-Guard-Projekt hat es sich deshalb zum Ziel gesetzt, eine integrierte intelligente Sensoreinheit zu entwickeln, mit der die Funktion und die Wechselwirkungen des Sicherheitsklemmsystems kontinuierlich überwacht werden können. In Echtzeit gewonnene Messwerte und daraus abgeleitete Statusinformationen und Handlungsempfehlungen sollen dem Nutzer dann jederzeit zur Verfügung stehen. So kann er bei auffälligen Messwerten frühzeitig eine Überprüfung des Klemmsystems veranlassen und einen ungeplanten Maschinenstillstand verhindern, der durch einen plötzlichen Ausfall der Komponente eintreten würde.

Der Mehrwert eines solchen Systems zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) beschränkt sich aber nicht auf die Vermeidung von Havariefällen. Es ermöglicht auch die Weitergabe des umfangreichen Wissens über das Funktionsverhalten der Klemmsysteme an den Kunden. So könnten in der Datenverarbeitung implementierte Algorithmen die Optimierung des dynamischen Zustellverhaltens oder die effektivere Nutzung der pneumatischen Klemmkrafterhöhung (Boost-Funktion) ermöglichen.

Kooperation mit der Wissenschaft

Bei dem Projekt „RotoGuard“ arbeiten die Maschinenschutzspezialisten eng mit dem Fachbereich Mess- und Sensortechnik der TU Darmstadt und der Core Sensing GmbH zusammen – das Unternehmen produziert ebenfalls in Darmstadt miniaturisierte Sensoreinheiten, die sich in mechanische Komponenten integrieren lassen.

Schutzabdeckung

Wo Faltenbälge zum Einsatz kommen

Gemeinsam wollen die Projektpartner ein neuartiges, integriertes Datenerfassungssystem entwickeln, das Betriebsdaten des Klemmsystems in Echtzeit sammelt, interpretiert und Nutzerempfehlungen oder Betriebswarnungen ausgibt. Zudem soll das Sensormodul über eine autarke Energieversorgung verfügen und die erfassten Daten drahtlos übertragen. Mit dem Forschungsprojekt soll eine praxistaugliche Implementierung eines durchgängigen KI-basierten Condition-Monitoring-Konzeptes erzielt werden.

Die passende Messtechnik steht bereit

Einige Meilensteine hat das Roto-Guard-Projekt bereits erreicht. So ist die Entwicklung des messtechnischen Konzeptes für die Funktionserprobung des Prototyps mittlerweile abgeschlossen. Als primäre zu erfassende Messgröße wurde der pneumatische Druck festgelegt. Darüber hinaus soll das Condition-Monitoring-System auch die Ableitung des Schaltzustands die Auslenkung des Federblechs messen sowie über die Temperaturerfassung und deren mögliche Veränderung Bremsvorgänge aufzeigen.

In den vergangenen Monaten hat das Projektteam bereits einzelne Sensoren ausgewählt, die später diese Aufgabe übernehmen sollen. Die komplette Sensorik für die Funktionsprüfung am Prototyp ist damit jetzt einsatzbereit.

Erste Testreihen in Vorbereitung

Das Projektteam führte außerdem eine CAD-Bauraumanalyse durch, um zu prüfen, wie die vorgesehene Sensorik optimal in die kompakte mechanische Struktur des Klemmsystems eingebracht werden kann. Im Anschluss daran wurden die Sensorkomponenten beschafft, getestet und hinsichtlich der Auswerteelektronik an die Anforderungen der Anwendung angepasst. Da diese in einem ersten Prototyp noch außerhalb angebracht wird, plante man zusätzliche Ausfräsungen und Bohrungen in der Deckscheibe ein, über die sämtliche Kabel nach außen geführt werden.

Für die Kalibrierung und Charakterisierung des Roto-Guard-Prototyps steht ein neuer, leistungsfähiger Roto-Clamp-Prüfstand zur Verfügung.

Finalisierung des Demonstrators

Das Integrationskonzept für die Sensorik ist also bereits abgeschlossen und ein Demonstrator steht ebenfalls bereit. Im nächsten Schritt werden Funktionsprüfungen des Roto-Guard-Systems unter Last auf im Teststand sowie innerhalb einer Werkzeugmaschine stattfinden. Die dabei gewonnenen Daten liefern dann die Grundlage für unterschiedliche Modelle zur Zustandsüberwachung der pneumatischen Klemmsysteme.

* Dr. Wolfram Kleuver ist Geschäftsführer der Hema Maschinen- und Apparateschutz GmbH

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