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Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert

Lebensdauerabschätzung optimiert Maschinenverfügbarkeit
Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert

Ausfallzeiten auf ein Minimum reduziert
Messwerte wie Strom, Beschleunigungs- und Kraftsignale, Temperaturen und Verlagerungen fließen in eine Software-unterstützte Datenanalyse ein (Grafik: WZL)
Eine der Grundvoraussetzungen dafür, auf dem internationalen Markt bestehen zu können, sind Produktionsmaschinen, die hoch verfügbar und ausfallsicher sind. Der Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen am WZL der RWTH Aachen arbeitet an richtungsweisenden Konzepten.

Wolfgang Fili ist Journalist in Köln fachjournalist@fili.net

Jeder Maschinenausfall kostet Geld. Minimieren lassen sich diese teuren Totzeiten zum einen durch robust konstruierte Bauteile, andererseits aber auch durch innovative Überwachungs- und Diagnosestrategien. Dazu müssen leistungsfähige, möglichst Platz sparende Hardwarekomponenten zur Verfügung gestellt werden. Außerdem ist die Entwicklung von Methoden erforderlich, anhand derer sich die verfügbaren Messsignale effektiv nutzen lassen. Das Ziel ist eine präventive und laufend aktualisierte Lebensdauervorhersage für die Bauteile der Produktionsmaschinen.
Am Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen am WZL der RWTH Aachen wird insoweit unterschieden zwischen aktiven und passiven Maßnahmen. So sind Beschichtungen, neue Lagerkinematiken und eine verbesserte dynamische Stabilität passive Beiträge zum Vermeiden von Ausfallzeiten. Aktive Maßnahmen sind demgegenüber die Integration von Sensorik in einzelne Komponenten der Maschine, die Auswertung steuerungsinterner Signale sowie die Nutzung moderner Simulationstechniken. Sie können künftig helfen, kritische Maschinenzustände und drohendes Bauteilversagen vorherzusagen. Innerhalb des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Rahmenkonzepts „Forschung für die Produktion von morgen“ arbeitet das WZL intensiv an diesem Thema.
So können Messwerte wie Strom, Beschleunigungs- und Kraftsignale, Temperaturen und Verlagerungen, die im Idealfall direkt an den Komponenten erfasst werden, in eine Software-unterstützte Analyse einfließen. Zur Ergänzung dieser Daten werden ebenfalls steuerungsinterne Kennwerte wie Drehmoment und Drehzahl genutzt, so dass sich ein umfassendes Bild der Situation ergibt.
Analyseprogramme für die Maschinenelemente und -struktur bereiten die so ermittelten Daten auf und nutzen sie zur kontinuierlichen Berechnung von Lebensdauer-relevanten Kenndaten. Auf diese Weise soll in Zukunft eine Lebensdauerabschätzung für einzelne Maschinenelemente während des Fertigungsprozesses ermöglicht werden. Die Instandhaltung soll dadurch besser planbar werden.
Neben der Erfassung und der Auswertung der Messsignale muss die technische Realisierung von Datenfluss und -verwaltung gewährleistet sein. Dies lässt sich unter anderem an der Überwachung der Hauptspindel aufzeigen. Sie gehört zu den Schlüsselkomponenten der Maschinen-Instandhaltung.
Die hier mit spindelinternen Sensoren ermittelten Signale werden während der Bearbeitung mitgeloggt. Bisher verfügbare Systeme erfordern externe Zusatzgeräte zum Erfassen und Verstärken der Messsignale. In dem Vorhaben „Intelligente Spindeleinheit“ entwickelte, minituarisierte Datenlogger können hingegen direkt am Gehäuse der Spindel montiert werden. Das Gerät lässt sich frei programmieren und ermöglicht somit die Definition von Schwellwerten für Schwingungen, Lagertemperaturen oder Lasten, die bei Überschreiten abgespeichert werden. Dadurch wird einerseits die notwendige Peripherie reduziert, andererseits durch die kurzen Wege zwischen Signalerfassung und -auswertung die Gefahr einer Messwertverfälschung durch Störsignale minimiert.
Die über die Profibus-Anbindung an die Steuerung übermittelten Signale könnten so zur Regelung der Lagervorspannung oder zur Verlagerungskompensation genutzt werden. Die Messdaten werden gespeichert und für Diagnoseverfahren zur Verfügung gestellt. Ergänzt wird das Messwertspektrum durch steuerungsinterne Informationen wie Motorstrom, Drehzahl und Drehmoment.
Eine Visualisierung auf der Bedienoberfläche der Steuerung ist zunächst nicht erforderlich. Der Maschinennutzer sollte erst dann informiert werden, wenn durch die Auswertesoftware ein für die Funktion der Maschine bedrohlicher Bauteilzustand eintritt. In diesem Fall kann die Störungshistorie für das betreffende Maschinenelement – beispielsweise ein Lager der Hauptspindel – abgerufen und das weitere Vorgehen geplant werden.
Waren die bisher vorgestellten Konzepte auf die Einzelmaschine beschränkt, müssen auch solche Konzepte herausgestellt werden, die den Maschinenhersteller in die Diagnose und Instandhaltung einbeziehen. Dazu müssen Konzepte zur Verfügung gestellt werden, die eine Datenübertragung und auch Maschinenüberwachung und -diagnose über nicht ortsgebundene Medien wie das Internet ermöglichen.
Grundlage für die Nutzung der webbasierten Datenübertragung und -auswertung ist das Erfassen der Daten. Diese so genannten E-Dienste setzen voraus, dass die Steuerung in der Lage ist, Maschinen- und Prozessdaten in Echtzeit aufzuzeichnen. Dazu wurden „Tracefunktionen“ (Monitore) entwickelt, die Daten in den Bereichen Bedienung, Interpolation, Lageregelung, Antrieb und SPS aufzeichnen können.
Diese Funktionen werden Zustandsmonitore genannt. Als Beispiele sind Soll-/Istpositionen, Soll-/Ist-Geschwindigkeiten, Bedienschritte, Antriebsströme, SPS-Variable und Zustände zu nennen.
Wichtig bei internetbasierten Dienstleistungen ist die IT-Sicherheit. Aus diesem Grund fungiert die Steuerung als Client und der Rechner auf der Internetseite als Server. Somit kann nur die Steuerung oder der Bediener eine Internetkommunikation aufbauen. Die Steuerung befindet sich hinter der Firewall und ist somit im Internet nicht „sichtbar“. Daneben verfügt die Steuerung über Funktionen, verschiedene Jobs, die von ihr erwartet werden, lokal zu managen. Schließlich kann die Steuerung im Offline-Zustand Daten lokal verarbeiten und speichern bis zum Upload an den Server. Nachdem die erfassten Rohdaten von den Steuerungen auf den Server geladen wurden, erfolgt dort die Datenverarbeitung. Die Software-Applikationen auf den Servern werden E-Dienste genannt.
Maschinenhersteller werden einbezogen in die Instandhaltung
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