Multisensorsystem zur Spindeldiagnose und Crash-Detektion in Werkzeug-maschinen sowie Einbindung in Industrie 4.0 Prozesse MSSpinCrash
Die Industrie 4.0 ermöglicht zukünftig eine wesentlich effizientere und flexiblere Bedienung von individuellen Kundenwünschen und wachsender Variantenvielfalt auf hohem Qualitäts¬niveau. Voraussetzung ist jedoch die Echtzeit-Verfügbarkeit aller für den Produktionsprozess relevanten Informationen durch die Vernetzung der Produktions¬instanzen und die Fähigkeit, aus den Daten den zu jedem Zeitpunkt optimalen Wertschöpfungsfluss abzuleiten. Als wich¬tige Grundlage für die in Industrie 4.0 angestrebte flexible und individualisierte Produktion bilden Sensoren die „Sinnesorgane“ für Maschinen bzw. die aus verketteten Maschinen aufgebauten Produktionsprozesse. In Kombination mit übergeordneten Monitoring- bzw. Signalverarbeitungssystemen können aus den in Echtzeit von Sensoren zur Verfügung gestellten Informationen dynamische, sich selbst organisierende unternehmensüber¬greifende Wertschöpfungs-Netzwerke realisiert werden, die sich nach verschiedenen Kriterien wie z.B. Kosten, Ressourcenverfügbarkeit und -verbrauch, usw. optimieren lassen. Die Einbindung von mit rotierenden Spindeln ausgestatteten Werkzeugmaschinen in Industrie 4.0 Prozesse und wirkungsvolle Vermeidung von Maschinenschäden scheitert oft an der unzureichenden Funktionalität und „Intelligenz“ der in die Spindel-Aktoren integrierten Sensoren. Konkret werden die mit Drehgeber-Sensoren erfassten Inkremental- oder Absolut¬signale bzw. Temperatur- und Vibrations-Messdaten aktuell online erfasst und gespeichert. Die Analyse dieser Messdaten bezüglich Betriebsbelastung, Drehzahlverteilung und Belastungsspitzen, usw. erfolgt oft manuell oder automatisiert mit großem Zeitversatz. Die von Industrie 4.0 geforderte Echtzeit-Vernetzung von Spindel-basierten Werkzeugmaschinen mit vor- oder nachgelagerten Prozessschritten bzw. übergeordneten Kommunikations- und Steuerungsprozessen ist mit den verfügbaren, den Stand der Technik charakterisierenden Sensoren nicht möglich.
Gesamtziel des MSSpinCrash-FuE-Projekts ist die Entwicklung von neuen, mikrotechnisch realisierten „intelligenten“ Multisensorsystemen sowie eines für die Integration in Industrie 4.0 Prozesse geeigneten Condition-Monitoring-Systems zur Erfassung und Analyse von kritischen Spindel- bzw. Maschinensituationen sowie Initiierung von „Not-Aus“ Aktionen zur Vermeidung von kapitalen Maschinenschäden in kritischen Situationen in „harter“ Echtzeit.
In Zusammenarbeit zwischen den Partnern AMAC und ZfM ist die Entwicklung eines miniaturisierten MEMS-Crash-Sensorsystems für die frühzeitige Erkennung und Einleitung von Aktionen bei Spindel Crash-Ereignissen in „harter“ Echtzeit in einem Zeitfenster < 1 ms geplant. Der MEMS-Crashsensor basiert auf einem Beschleunigungs-/Körperschall-Messverfahren. Der MEMS-Beschleunigungssensor detektiert Vibrationen voraussichtlich in drei Raumdimensionen, die durch den bei einem Crash auftretenden Stoß in der Spindel bzw. Werkzeugmaschine induziert werden. Als Lösungsansatz wird ein Sensorsystem entwickelt und in MEMS-Techno¬logie realisiert, das präzise Messdaten über Beschleunigungen bis mindestens 50 g mit einer Frequenz von bis zu 20 kHz sowie Körperschall bis 50 kHz im Werkzeug, der Werkzeughalterung oder in der Spindel detektiert. Signale mit niedrigen Frequenzen und großen Amplituden sollen gezielt vom Sensor ausgeblendet werden, um den Verstärker¬eingang nicht zu übersteuern. Eine weitere Aufgabe besteht in der Untersuchung von Montage-Positionen für das kombinierte, in MEMS-Technologie hergestellte Beschleuni¬gungs-/Körperschall-Sensorsystem. Um geeignete Messsignale zu erhalten, müssen die Sensoren möglichst nah am Entstehungsort des Crashs platziert werden, da die Über-gänge zwischen zwei Körpern zu starken Dämpfungen des Schalls führen und dadurch wie Filter wirken können. Aufgrund der für die Unterscheidung von Crash- und “normalen“ Bearbeitungsprozessen, wie z.B. Schruppen, erforderlichen hohen Mess¬genauigkeit und Messgeschwindigkeit müssen die MEMS-Sensoren speziell für die geplante Aufgabenstellung konzipiert und entwickelt werden.
Konzept des Sensorsystems
2D-Beschleunigungssensor
