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Freitag, 15. Dezember 2017

Automation

Digital „verzahnt“

Von Carmen Klingler-Deiseroth | 20. April 2017 | Ausgabe 16

Klassische Elemente wie Wälzlager werden überwacht. Die Digitalisierung hält Einzug.

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Foto: Deutsche Messe AG

Mechanik im Fokus: Integrierte Sensoren erfassen Zustände.

Geht es nach den Prognosen des Branchenverbands VDMA, kann die deutsche Antriebstechnik für 2017 ein Produktionsplus von 2 % erwarten. Im Vergleich dazu ist für den Maschinen- und Anlagenbau ein Wachstum von 1 % prognostiziert.

Antriebstechnik auf der Hannover Messe

Für zusätzliche Wachstumspotenziale in der Antriebstechnik stehen inzwischen innovative Sensoren bereit. Gleichzeitig schwindet die traditionelle Trennung zwischen Mechanik, Elektrik und Software. Das ist die Basis für integrierte Industrie-4.0-Konzepte, die genauere Rückschlüsse auf Prozesse und Maschinenzustände zulässt.

Anforderungen nach mehr Präzision muss der Maschinenbau mit seinen Produktionsmaschinen nachkommen. Dort eingesetzte konventionelle Messsysteme stoßen laut Dirk Haft, Vorstandsmitglied der Wittenstein AG, allerdings an ihre Grenzen, wenn Messungen im Nanometerbereich gefordert sind. Zudem würden sich oft unvermeidbare systematische Fehler überlagern, z. B. bei der Längenmessung. Auch Maschinenfehler wie Verschleiß in den Lagern und Führungen sowie die temperaturbedingte Dehnung des Messsystems beeinflussen das Ergebnis. All das gelte es zu berücksichtigen.

Der Präzisionsmaschinenbau ist laut Antriebshersteller Wittenstein aus Igersheim schon auf dem Weg in die Nanowelt. „In einer steigenden Anzahl von Branchen und Produkten wird eine Präzision im Submikrometerbereich gefordert“, bekräftigt Haft. So sind z. B. für das kompakt bauende Galaxie-Antriebssystem des Unternehmens höchste Teilungsgenauigkeiten und kleinste Toleranzen erforderlich.

Mit einem interferometrischen Messsystem will Wittenstein das hinbekommen. Maschinenbedingte Einflüsse auf das Messergebnis lassen sich damit laut dem Unternehmen von vornherein ausschließen. Ein solches System hat das Tochterunternehmen Attocube Systems entwickelt. Der Sensor IDS3010 arbeitet berührungslos und erfasst Positionen nach Herstellerangaben hochpräzise. Geschwindigkeiten und Beschleunigungen sowie Vibrationen werden sehr nahe am Objekt gemessen. Eine Auflösung von einem Pikometer (10-12 m) will das Unternehmen damit erreichen können.

Anders ausgedrückt: „Mit dieser Technologie kann man in jeder Mikrosekunde messen, wo sich ein Objekt auf ein Milliardstel Millimeter genau befindet, wie schnell es sich bewegt und wie stark es schwingt“, verdeutlicht Khaled Karraï, Forschungsdirektor bei Attocube Systems. Laut dem Grundlagenforscher und Quantenphysiker ist dafür nur ein Sensor nötig. Dieser scannt die Bewegungssignale mit einer Messbandbreite von bis zu 10 MHz. Mithilfe verschiedener mathematischer Operationen wie Ableitungen und Fourier-Transformationen ließen sich die gewünschten Größen aus dem Messsignal ableiten.

Eine solche Vorgehensweise ist dem Maschinenbauer noch fremd, räumt Wittenstein-Vorstand Haft ein, der gleichzeitig Attocube-Aufsichtsratsvorsitzender ist. Für den promovierten Physiker geht es nun darum „in großen Datenmengen von digitalisierten Antrieben physikalische Signale zu suchen, eine Mustererkennung zu entwickeln, mit diesen Daten ein Machine Learning zu betreiben.“ Optionen dazu will Wittenstein auf der Hannover Messe 2017 präsentieren.

Einen anderen Weg geht dagegen Wälzlagerspezialist Schaeffler aus Schweinfurt/Herzogenaurach. Das Unternehmen stellt auf der Messe eine Sensorkombination für die Maschinen- und Prozessüberwachung vor, die den Weg in die digitale Transformation ebenen soll. Die Basis dafür liefert das flexibel konfigurierbare FAG VarioSense-Lager – eine Kombination aus einem Standard-Wälzlager und einem Sensorcluster. Die am Lager gemessenen Belastungen und Verlagerungen lassen dabei Rückschlüsse auf die aktuelle Verschleißsituation zu.

Die Besonderheit des Konzepts: Der Anwender kann Anzahl und Kombination unterschiedlicher Sensoren oder Messgrößen je nach Anwendung individuell festlegen. Messgrößen wie Temperatur, Drehzahl, Anzahl der Umdrehungen beziehungsweise Position, Schwingungssignale für Trendaussagen oder die maximale radiale Wellenverlagerung mit einer Auflösung von 1 µm stehen ihm dafür zur Auswahl. Das ringförmige Gehäuse des Sensorclusters ist so ausgelegt, dass sich im Nachhinein auch andere Messgrößen integrieren lassen. Dabei ist es mit 7 mm Bauhöhe nur etwa so groß wie ein Radialwellendichtring.

Auch in diesem Fall können daraus weitere Informationen abgeleitet werden. Aus den Messwerten wie der radialen Wellenverlagerung am Lager lassen sich z. B. rechnerisch bekannte Zusammenhänge wie die radiale Lagerkraft am Sensorlager bestimmen.

Für weitere Funktionen hat Schaeffler Algorithmen in seiner Berechnungssoftware BearinX hinterlegt, die über die Cloud des Unternehmens bereitgestellt werden. Dort können die Daten gesammelt werden, um daraus anschließend Kräfte und Verlagerungen an den übrigen Lagern und Maschinenelementen wie zum Beispiel Verzahnungen und Drehmoment zu bestimmen. Auch die Restgebrauchsdauer von Maschinenelementen wie Wälzlager, Verzahnungen und mehr lassen sich laut Schaeffler aus den Daten gewinnen.

Diese führen letztendlich zu konkreten Handlungsempfehlungen – z. B. wann das Lager auszutauschen ist oder wie lange es noch unter welchen Bedingungen betrieben werden kann.

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