EU-Forschungsprojekt Selsus

IEF-Werner entwickelt selbstoptimierende Linearachse

IEF-Werner hat für das EU-Forschungsprojekt Selsus einen Demonstrator gebaut, in dem eine intelligente Zahnriemenachse ihren Zustand und ihre Leistung permanent selbst überwacht und den Verschleiß analysiert. Über eine Cloud-Anbindung kommuniziert sie zudem mit anderen Komponenten und kann so bei Gefahr eines Ausfalls die Produktion am Laufen halten.

IEF-Werner hat einen Prototyp gebaut, in dem eine intelligente Zahnriemenachse ihren Zustand und ihre Leistung permanent selbst überwacht und Verschleiß analysiert. Über eine Cloud-Anbindung kommuniziert sie mit einer Schweißeinheit. Das Ziel: Auch bei Gefahr eines Ausfalls die Produktion am Laufen halten. (Bild: IEF-Werner)

Plötzliche Maschinenstillstände in der Produktion sind für Firmen ein Albtraum. Je länger die Störung dauert, desto teurer wird es am Ende. Zudem beeinträchtigt dies die Liefertreue der Hersteller und senkt ihre Wettbewerbsfähigkeit. „Dabei handelt es sich meist um relativ kleine Defekte oder Verschleißerscheinungen“, erklärt Ulrich Moser, Marketingleiter bei IEF-Werner aus Furtwangen im Schwarzwald. „Werden diese jedoch nicht rechtzeitig erkannt, steigt der Grad der Abnutzung, die Maschine oder Komponente arbeitet nicht mehr präzise. Irgendwann fällt sie komplett aus.“

Was wäre nun, wenn sie eigenständig ihren Status überwachen, Probleme und Schwachstellen erkennen und den zuständigen Mitarbeiter rechtzeitig informieren würde? Oder 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 der Automatisierungsspezialist im Rahmen des EU-Forschungsprojekts Selsus beschäftigt, das vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart geleitet wurde.

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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 gewissermaßen selbst zu überwachen, zu optimieren und damit die Produktion aufrecht zu erhalten. 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. Selsus wurde dabei von der Europäischen Kommission mit knapp 5,4 Millionen Euro gefördert.

Selcomp – 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“, erläutert Ulrich Moser. 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, haben wir aus einer Zahnriemenachse unsere eigene Selcomp entwickelt und diese in einem Demonstrator verbaut“, so Moser. IEF-Werner habe sich bewusst für die Lineareinheit entschieden, weil sie sich in zahlreichen Handhabungsaufgaben bewährt habe. Von einem Servomotor angetrieben, arbeitet sie effizient und kostengünstig. 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. 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.

Hohe Anforderungen führen zu Verschleiß

„Die vom Hersteller angegebenen Daten zur Lebensdauer eines Maschinenbauteils sind meist nur Richtwerte, die im Lauf ihres Einsatzes stark variieren können“, erläutert 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“, beschreibt Moser. 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 dem Motorstrom.

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, arbeiteten wir deshalb eng mit dem ICT-Provider Hugin Expert zusammen“, so Moser. 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, zum Beispiel, dass ein bestimmtes stark beanspruchtes Kabel demnächst bricht.

Zuerst positioniert die Linearachse die Schweißplatte, dann erfolgt der Schweißprozess. Die Kommunikation der beiden Einheiten geschieht kabellos über eine Cloud-Lösung. (Bild: IEF-Werner)

Um diese Datenflut sicher zu verarbeiten, hat IEF-Werner sie im Rahmen des Projekts in die Selsus-Cloud geschickt. „Die Werte, die unser Selcomp mit diesem Modell errechnet, stimmen mit einer Genauigkeit von plus/minus zehn Prozent“, 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.

Selcomps zusammengeschlatet

IEF-Werner ging bei diesem Projekt noch einen Schritt weiter: 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. „Wir haben beide Einheiten kabellos mittels Webservice Representational State Transfer (REST) zusammengeschaltet und auch die Daten der Schweißeinheit in die Selsus-Cloud geschickt“, sagt Moser. 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 optimalen Punkt agiert.

„Anwendern bieten wir mit unserer neu entwickelten Technologie viele praktische Vorteile“, sagt Ulrich Moser. „Aber das Wichtigste: Halten sie sich an die von der Zahnriemenachse empfohlenen Servicemaßnahmen, garantieren wir unseren Kunden eine um bis zu 30 Prozent höhere Lebensdauer der Komponente.“ Noch ist die Entwicklung im Prototypenbau. „Unser Ziel ist es aber, diese zukunftsweisende Lösung optional für alle unsere Linearachsen anzubieten“, so Moser. as 

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