Komplexe Regelungsstrategie ermöglicht Schleifen am Prozess-Optimum

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.