Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Komplexe Regelungsstrategie ermöglicht Schleifen am Prozess-Optimum

19.01.2009
Um Schleifmaschinen an ihrem wirtschaftlichen Optimum betreiben zu können, ist die dynamische Anpassung an die Prozessbedingungen nötig. Eine Option, das zu realisieren, ist die Erweiterung der traditionellen Prozessdatenerfassungssysteme mit modernen Regelkreiskonzepten. Dadurch wird es möglich, Schleif-, aber auch Polier- und Läppmaschinen an der schwankenden Stabilitätsgrenze zu betreiben.

Moderne Schleif-, Polier- und Läppmaschinen können über lange Zeit bei ständig wechselnden Anforderungen und Umgebungsbedingungen nur dynamisch an ihrem wirtschaftlichen Optimum betrieben werden. Dazu werden hochleistungsfähige Datenerfassungssysteme mit Verfahren der numerischen Optimierung, Statistik und Mustererkennung kombiniert. Traditionelle Prozessdatenerfassungssysteme (PDR) können mit modernen Regelkreiskonzepten erweitert werden, um auf einer übergeordneten Ebene in die Maschinensteuerung optimierend und ressourcenschonend einzugreifen.

Belastungsprofile werden durch Versuchsreihen ermittelt

Beim Feinschleifen, Läppen und Polieren mit Planetenkinematik werden Werkstücke mit höchsten Anforderungen an Ebenheit, Planparallelität und Dickentoleranz im Chargenprozess gefertigt. Die Ausgestaltung der Maschine erlaubt dabei sowohl epizykloidische als auch hypozykloidische Relativbewegungen der Werkstücke gegenüber den Werkzeugen. Für das Erreichen der geforderten Qualitäten ist außer einem soliden Maschinenbau auch eine ausgereifte Steuerungstechnik notwendig, die die Planetenkinematik abbildet.

Bei gegebenen Maschineneinstellungen lassen sich die resultierenden Belastungsprofile für die Schleifwerkzeuge nur selten intuitiv vorhersagen. In der Praxis werden diese Einstellungen im Rahmen aufwändiger Versuchsreihen mit dem Ziel angepasst, möglichst wirtschaftliche Ergebnisse erreichen zu können.

Die Ergebnisse dieser manuellen Optimierungen sind Rezepte, die von der Maschinensteuerung dann im Serienbetrieb permanent unverändert abgearbeitet werden sollen. Die Prozessergebnisse wie Werkstückqualität und Werkzeugverschleiß hängen in der Praxis jedoch erheblich auch von ständig schwankenden Umgebungseinflüssen ab. Selbst der aktuelle zeitliche Verlauf der Größen, wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur, kann die Wirtschaftlichkeit erkennbar beeinflussen.

Wirtschaftliches Potenzial bleibt ungenutzt

Daher werden heutzutage die Rezepte mit hinreichenden Reserven versehen, um unter möglichst allen denkbaren Umständen die Werkstückqualität sicherzustellen. Naturgemäß lässt diese Vorgehensweise jedoch aus wirtschaftlicher Sicht Ressourcen ungenutzt und die Schleifmaschine fährt die vorgegebenen Prozesse nicht an der wirtschaftlicheren, jedoch zeitlich schwankenden Stabilitätsgrenze der Prozesse.

In aktuellen Maschinen werden bereits heute diverse Regelungskonzepte integriert, beispielsweise die Regelung der Abtragsrate über die Prozesslast. Für diese Art der Maschinensteuerung sind diverse Sensoriken in die modernen Schleifmaschinen integriert, die Kräfte, Drehmomente, Temperaturen oder Durchflussmengen erfassen und gegebenenfalls auch einregeln. Die zugehörigen Istwerte können schließlich als Zeitreihen in einem PDR-System hinterlegt werden und stehen dort für eine manuelle Analyse zur Verfügung.

Neue Regelung System Data Care führt zusätzliche Informationen zusammen

Mit dem neuen System Data Care von Peter Wolters wurde nun erstmalig die Basis geschaffen, automatisiert komplexere Regelungsstrategien für Schleif-, Polier- und Läppmaschinen mit Planetenkinematik zu entwickeln. Dabei werden zusätzliche Informationen berücksichtigt, die üblicherweise sonst separat zusammengeführt werden müssten und bisweilen nur schwer zugänglich sind.

Als Tochter der Novellus Systems, eines Systemzulieferers für die Halbleiterindustrie, wurden von Peter Wolters in Data Care die Anforderungen sowohl aus den Bereichen der Automobilzulieferindustrie als auch der Halbleiterindustrie zusammengeführt.

Zusatzinformationen werden beim Schleifen berückstichtigt

Das so entstandene System ermöglicht neben den üblichen Funktionen eines PDR-Systems, also der Echtzeitdatenaufzeichnung, auch die Verwaltung sogenannter Metadaten. Diese ermöglichen es, zu jeder prozessierten Charge unter anderem Informationen über das verwendete Werkzeug (zum Beispiel den Schleifbelag) oder die bearbeiteten Werkstücke (zum Beispiel deren Material und Abmessungen) zu hinterlegen.

Diese Informationspflege kann bis auf die einzelnen Werkstücke einer Charge heruntergebrochen werden, was noch Jahre später eine eindeutige Werkstückverfolgung erlaubt. Eine Funktion, die schon allein aus Gründen ständig größer werdender Produkthaftungsrisiken in den unterschiedlichen Industrien zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Skalen ermöglichen eine wirtschaftliche Optimierung

Vor allem aber wird es nun möglich, durch die ebenfalls in Data Care hinterlegbaren wirtschaftlichen Skalenfaktoren eine wirtschaftliche Prozessoptimierung zu gewährleisten. Es können damit für jedes einzelne Werkstück die angefallenen Herstellkosten nachgehalten werden und unterschiedliche Prozessläufe bezüglich ihrer Wirtschaftlichkeit verglichen werden. Hierdurch können nun nicht nur sehr einfach die wirtschaftlich optimalen Prozessläufe im Rahmen der Prozessentwicklung identifiziert werden, sondern auch laufende Prozesse hinsichtlich ihrer ökonomischen Güte analysiert werden.

Über den zusätzlich in Data Care verfügbaren Rückschreibkanal in Richtung der Maschinensteuerung können diese Analysen durch Kombinationen der Informationen aus mehreren Sensoren genutzt werden, um den Schleifprozess erheblich dichter an der wirtschaftlichen Stabilitätsgrenze zu halten. Solche direkten Eingriffe im Rahmen von Rezeptvariationen erfordern allerdings eine sehr hohe Datendichte bei gleichzeitig minimiertem Speicherplatzbedarf.

In Data Care werden dafür die Messwerte unterschiedlicher Sensoren mit angepassten Abtastintervallen aufgezeichnet. So werden zum Beispiel Drehzahlen, Drehmomente und Prozesslasten der Feinschleifmaschinen im Millisekunden-Zeitraster abgelegt, die Temperaturen und Durchflussmengen hingegen im Sekundenraster. Für diese Form der angepassten Abtastung werden derzeit fünf unterschiedliche Abtastraten im System verwendet, so dass selbst bei kontinuierlicher Datenaufzeichnung zwei Jahre auf einer gewöhnlichen PC-Festplatte hinterlegt werden können.

Eigener PC für jede Werkzeugmaschine kommuniziert direkt mit der Maschinensteuerung

Um diese Performance in allen Anwendungsfällen gewährleisten zu können und eine ausreichende Verfügbarkeit des Systems sicherzustellen, wird für das System Data Care jede Werkzeugmaschine mit einem eigenen dedizierten PC versehen, der über eine direkte physikalische Verbindung mit der Maschinensteuerung kommuniziert. Auf diesem PC können bereits einfache Zeitreihenanalysen vorgenommen und die Metadaten zu den Prozessläufen gepflegt werden. Diese Metadaten können auch von nachgeschalteten Messgeräten stammen und somit die Prozessergebnisse hinsichtlich zum Beispiel der erzielten Werkstückqualität wie Dickentoleranz, Oberflächengüte, Ebenheit und Parallelität in das System einbringen.

Mehrere Schleifmaschinen können nun über eine gewöhnliche Ethernet-Netzwerkstruktur an einen übergeordneten Rechner, den Zellenrechner, angebunden werden, auf dem dann auch maschinenübergreifende Vergleiche entstehen können. Diese Funktionalität ermöglicht im Störungsfall eine schnelle Fehleridentifikation, die die Maschinenverfügbarkeit deutlich verbessern kann. So konnte kürzlich exemplarisch im Rahmen einer Feldstudie mit Hilfe dieses Systems die Einstellung eines Heizkühlaggregates sehr schnell optimiert werden.

Die Identifikation des Aggregates als kritische Komponente war erst durch den Einsatz von Data Care möglich geworden. Dies reduzierte die Kosten des Serviceeinsatzes erheblich.

Mehrere Schleifmaschinen über Ethernet angesteuert

Auf der Ebene des übergeordneten Rechners stehen zukünftig sehr viele unterschiedliche Funktionen zur Verfügung, die bei einfachen Zeitreihenanalysen anfangen und über deskriptive statistische Methoden bis zu umfangreichen Musterkennungen reichen werden. Der modulare Aufbau des Systems erlaubt es, laufend neue Funktionalitäten nachzurüsten und spezielle, kundenspezifische Analysefunktionen zu implementieren. So können zum Beispiel nachrüstbare Softsensoren Prozessgrößen schätzen, die nicht direkt durch die Messtechnik der Maschinen erfassbar sind.

Auch können kundenspezifische Standardrezepte vom System vorgeschlagen werden, ohne dass Peter Wolters dazu Einsicht in das Prozesswissen der Anwender zu erlangen braucht. Dabei werden aus den historischen Daten des erfassten Maschinenparks auf der Ebene des Zellenrechners nach wirtschaftlicher Bewertung durch numerische Verfahren der Mustererkennung Rezepte ermittelt, die dem Erfahrungsschatz des Maschinenparks entnommen wurden. Damit wird die gesammelte Prozesserfahrung einer Schleifmaschine in wirtschaftlich bewerteter Weise für den Anwender einfach und übersichtlich nutzbar.

Dr. Ingo Grotkopp ist Leiter der Mechatronik bei der Peter Wolters GmbH in 24768 Rendsburg.

Ingo Grotkopp | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/articles/167318/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht Gewicht von Robomotion-Greifer um 60 Prozent reduziert
31.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

nachricht Assistenzsysteme für die Blechumformung
28.07.2017 | Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Platz 2 für Helikopter-Designstudie aus Stade - Carbontechnologie-Studenten der PFH erfolgreich

Bereits lange vor dem Studienabschluss haben vier Studenten des PFH Hansecampus Stade ihr ingenieurwissenschaftliches Können eindrucksvoll unter Beweis gestellt: Malte Blask, Hagen Hagens, Nick Neubert und Rouven Weg haben bei einem internationalen Wettbewerb der American Helicopter Society (AHS International) den zweiten Platz belegt. Ihre Aufgabe war es, eine Designstudie für ein helikopterähnliches Fluggerät zu entwickeln, das 24 Stunden an einem Punkt in der Luft fliegen kann.

Die vier Kommilitonen sind im Studiengang Verbundwerkstoffe/Composites am Hansecampus Stade der PFH Private Hochschule Göttingen eingeschrieben. Seit elf...

Im Focus: Wissenschaftler entdecken seltene Ordnung von Elektronen in einem supraleitenden Kristall

In einem Artikel der aktuellen Ausgabe des Forschungsmagazins „Nature“ berichten Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe in Dresden von der Entdeckung eines seltenen Materiezustandes, bei dem sich die Elektronen in einem Kristall gemeinsam in einer Richtung bewegen. Diese Entdeckung berührt eine der offenen Fragestellungen im Bereich der Festkörperphysik: Was passiert, wenn sich Elektronen gemeinsam im Kollektiv verhalten, in sogenannten „stark korrelierten Elektronensystemen“, und wie „einigen sich“ die Elektronen auf ein gemeinsames Verhalten?

In den meisten Metallen beeinflussen sich Elektronen gegenseitig nur wenig und leiten Wärme und elektrischen Strom weitgehend unabhängig voneinander durch das...

Im Focus: Wie ein Bakterium von Methanol leben kann

Bei einem Bakterium, das Methanol als Nährstoff nutzen kann, identifizierten ETH-Forscher alle dafür benötigten Gene. Die Erkenntnis hilft, diesen Rohstoff für die Biotechnologie besser nutzbar zu machen.

Viele Chemiker erforschen derzeit, wie man aus den kleinen Kohlenstoffverbindungen Methan und Methanol grössere Moleküle herstellt. Denn Methan kommt auf der...

Im Focus: Topologische Quantenzustände einfach aufspüren

Durch gezieltes Aufheizen von Quantenmaterie können exotische Materiezustände aufgespürt werden. Zu diesem überraschenden Ergebnis kommen Theoretische Physiker um Nathan Goldman (Brüssel) und Peter Zoller (Innsbruck) in einer aktuellen Arbeit im Fachmagazin Science Advances. Sie liefern damit ein universell einsetzbares Werkzeug für die Suche nach topologischen Quantenzuständen.

In der Physik existieren gewisse Größen nur als ganzzahlige Vielfache elementarer und unteilbarer Bestandteile. Wie das antike Konzept des Atoms bezeugt, ist...

Im Focus: Unterwasserroboter soll nach einem Jahr in der arktischen Tiefsee auftauchen

Am Dienstag, den 22. August wird das Forschungsschiff Polarstern im norwegischen Tromsø zu einer besonderen Expedition in die Arktis starten: Der autonome Unterwasserroboter TRAMPER soll nach einem Jahr Einsatzzeit am arktischen Tiefseeboden auftauchen. Dieses Gerät und weitere robotische Systeme, die Tiefsee- und Weltraumforscher im Rahmen der Helmholtz-Allianz ROBEX gemeinsam entwickelt haben, werden nun knapp drei Wochen lang unter Realbedingungen getestet. ROBEX hat das Ziel, neue Technologien für die Erkundung schwer erreichbarer Gebiete mit extremen Umweltbedingungen zu entwickeln.

„Auftauchen wird der TRAMPER“, sagt Dr. Frank Wenzhöfer vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) selbstbewusst. Der...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungen

6. Leichtbau-Tagung: Großserienfähiger Leichtbau im Automobil

23.08.2017 | Veranstaltungen

International führende Informatiker in Paderborn

21.08.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Turbulente Bewegungen in der Atmosphäre eines fernen Sterns

23.08.2017 | Physik Astronomie

DFG unterstützt Kongresse und Tagungen - Oktober 2017

23.08.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Mit Algen Arthritis behandeln

23.08.2017 | Biowissenschaften Chemie