Durch die Digitalisierung der industriellen Produktion eröffnen sich im Maschinenbau enorme ­Potenziale – beispielsweise die permanente Überwachung zentraler Anlagenkomponenten. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsprojekts von Industrie und Wissenschaft entstand ein Condition-Monitoring-Konzept für spezielle rotatorische Sicherheitsklemmsysteme.

Hema fertigt seit mehr als vier Jahrzehnten Komponenten für Werkzeug- und Produktionsmaschinen. Hierzu zählen neben Schutzsystemen, wie beispielsweise Faltenbälge, Dachabdeckungen und Sicherheitsscheiben, auch Klemm- und Bremssysteme. Anders als beispielsweise Faltenbälge, die im Sichtbereich der Maschine liegen und deren Zustand jederzeit begutachtet werden kann, werden Klemmsysteme in den Anlagen verbaut. Zudem sind Klemmsysteme geschlossene Einheiten, sodass eine direkte Sichtprüfung nicht möglich ist. Dennoch sollten alle Komponenten, die ständigen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, regelmäßig auf Verschleiß respektive Beschädigung überprüft werden.

Die Lösung für diese Problematik ist eine permanente digitale Überwachung der Klemmsysteme aus der Ferne. Hema arbeitetet hierzu an der Entwicklung des digitalen Condition-Monitoring-Systems RotoGuard für sein rotatorisches Sicherheitsklemmsystem RotoClamp. Das pneumatische Klemmsystem bietet hohe Haltemomente und ist für rotatorische Positionsklemmungen in Dreh- und Schwenkachsen von Werkzeugmaschinen konzipiert. Hier sorgt das Fail-Safe-Funktionsprinzip des Systems bei einem Ausfall der Pneumatik dafür, dass die Wellen sofort und mit großer Kraft fixiert werden. Möglich wird dies durch das pneumatische Funktionsprinzip, das auf einem Federspeicher beruht.

Intelligente Sensoreinheit überwacht Funktion und Wechselwirkungen des Sicherheitsklemmsystems

Pneumatische Klemmsysteme sind im Betrieb hohen mechanischen Belastungen und somit Verschleiß ausgesetzt. Dieser Verschleiß lässt sich durch eine Veränderung messbarer Kenngrößen erkennen. Das RotoGuard-Projekt hat es sich 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 jederzeit zur Verfügung stehen. Bei auffälligen Messwerten kann dann präventiv eine Überprüfung des Klemmsystems veranlasst und ein möglicher Maschinenstillstand verhindert werden, der ansonsten durch einen plötzlichen Ausfall des pneumatischen Klemmsystems eintreten würde.

Der Mehrwert eines Condition-Monitoring-Systems beschränkt sich aber nicht nur auf die Vermeidung von Havariefällen. Es ermöglicht auch die Weitergabe des 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.

Ziel des Forschungsprojektes: ­Implementierung eines durchgängig KI-basierten Condition-Monitoring-Konzepts 

Bei dem Projekt RotoGuard arbeitet Hema eng mit dem Fachbereich Mess- und Sensortechnik der TU Darmstadt sowie dem Unternehmen Core Sensing zusammen. Letztere produzieren miniaturisierte Sensoreinheiten, die sich in mechanische Komponenten integrieren lassen. Ziel des Forschungsprojekts ist die praxistaugliche Implementierung eines durchgängigen KI-basierten Condition-Monitoring-Konzepts. Dieses soll die Betriebsdaten des Klemmsystems in Echtzeit sammeln, interpretieren und Nutzerempfehlungen oder Betriebswarnungen ausgeben. Des Weiteren ist eine autarke Energieversorgung des Sensormoduls sowie die drahtlose Übertragung der erfassten Daten geplant.

Erste Projektetappen erreicht 

Erste Meilensteine hat das RotoGuard-Projekt bereits erreicht. So ist die Entwicklung des messtechnischen Konzepts für die Funktionserprobung des Prototyps mittlerweile abgeschlossen. Als primär zu erfassende Messgröße wurde der pneumatische Druck definiert. Zudem soll das Condition-Monitoring-System auch die Auslenkung des Federblechs messen sowie über die Temperaturerfassung und deren mögliche Veränderung Klemmvorgänge aufzeigen. 
Des Weiteren hat das Projektteam bereits einzelne Sensoren ausgewählt, die später diese Aufgaben übernehmen sollen. Die komplette Sensorik für die Funktionsprüfung am Prototyp ist damit jetzt einsatzbereit. Im Rahmen einer CAD-Bauraumanalyse wurde ermittelt, 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 werden, plante man zusätzliche Ausfräsungen und Bohrungen in der Deckscheibe ein, über die sämtliche Kabel nach außen geführt werden. Die Kalibrierung und Charakterisierung der RotoGuard-Prototypen erfolgt an einem speziell aufgebauten Prüfstand. An diesem können zahlreiche Testwerte ermittelt werden und daraus abzuleitende Algorithmen weiteren Aufschluss auf das Verhalten der Klemmsysteme geben.

Bevorstehende Projektphasen

Das erste Konzept für die Sensorik wurde umgesetzt und ein Demonstrator fertiggestellt. An diesem sollen weitere Testreihen erfolgen und umfangreiche Daten über das Verhalten der Sensorik gesammelt werden. Des Weiteren sind Funktionsprüfungen des Klemmsystems unter Last im Teststand geplant. Die dabei gewonnenen Daten liefern dann die Grundlage für unterschiedliche Modelle zur Zustandsüberwachung der pneumatischen Klemmsysteme.