Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Wirtschaftliche und zuverlässige Zustandsüberwachung

Ungeplante Instandsetzungsmaßnahmen machen derzeit einen Anteil von etwa 15 % der gesamten Lebenszykluskosten einer Werkzeugmaschine aus. Optimal wäre eine planbare, zustandsbasierte, wirtschaftliche Instandhaltungsstrategie. Zustandsüberwachungssysteme sind in der Regel Einzellösungen, die aufwendig parametriert werden müssen und spezielle Anwendungen überwachen können. Insbesondere kleine und mittelständige Unternehmen (KMU) mit relativ häufig wechselndem Anforderungsspektrum an Maschinen und Überwachungssysteme brauchen flexiblere Lösungen. Die wesentlichen technischen Problemstellungen bestehen dabei einerseits in der Datenverarbeitung- und Speicherung bei der Nutzung von Überwachungssystemen im industriellen Umfeld. Andererseits fallen bei der Speicherung, abhängig von Abtastrate und Anzahl aufgezeichneter Sensordaten, teilweise erhebliche Datenmengen an, die bewältigt werden müssen. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, ein anwenderfreundliches und zuverlässiges Zustandsüberwachungssystem für Kugelgewindetriebe in Werkzeugmaschinen zu entwickeln, das sich autonom parametriert und selbstständig an die Nutzungsbedingungen der Maschine anpasst. Dazu sollen zunächst adaptive Testzyklen zur Zustandserfassung definiert werden. Es wird eine automatischen Merkmalsextraktion entwickelt, die selbstständig die relevanten Informationen aus den Sensordaten bereitstellen soll und damit zu einer systemimmanenten Datenreduktion führt. Ein auf einfachen Ansatzfunktionen basierendes Zustandsüberwachungssystem wird entwickelt. Ebenso erfolgt die Umsetzung einer Adaptionsstrategie des Systems an das spezifische Nutzungsverhalten der Komponente beim Anwender. Als Ergebnis soll ein Zustandsüberwachungssystem zur Verfügung stehen, das Maschinenkomponenten zuverlässig mit minimalem Parametrieraufwand, und damit erheblich wirtschaftlicher als derzeit verfügbare Systeme, überwachen kann. Insbesondere KMU können von der flexiblen Überwachungsstrategie profitieren.

Ergebniszusammenfassung:

In dem durchgeführten Forschungsvorhaben wurde erfolgreich eine neuartige Zustandsüberwachungsmethode entwickelt und erforscht. Die Zustandsüberwachungsmethode ermöglicht die Identifikation des Vorspannungszustands von Kugelgewindetrieben von Werkzeugmaschinen. Dabei wurden sämtliche industriellen Anforderungen, bezogen auf Wirtschaftlichkeit und spätere Umsetzbarkeit, berücksichtigt und eingehalten. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Zustandsüberwachungsmethode für verschiedene konstante Randbedingungen, wie der Dimensionierung der Masse von dem Maschinentisch oder des Spindelschlittens sowie der Prüfgeschwindigkeit, anwendbar ist. Weiterhin konnte aufgezeigt werden, dass kostentreibende steuerungsexterne Sensorik, wie Beschleunigungssensoren, nicht für die Vorspannungsüberwachung benötigt werden. Notwendige Investitions- und Integrationskosten infolge benötigter Messhardware oder Sensorik entfallen. Eine Übertragung in die Industrie ist durch den Verzicht von zusätzlicher kostentreibender steuerungsexterner Sensorik und der Integrierbarkeit der Zustandsüberwachungsmethode in die Steuerung der Werkzeugmaschine sichergestellt. Der benötigte Speicherplatz der aufgezeichneten Signale kann durch freiverfügbare verlustfreie oder verlustbehaftete Datenkompressionsverfahren um bis zu mehr als 90 % reduziert werden. Entsprechend sinken die Bevorratungskosten der Signale. Gerade für kleine und mittlere Unternehmen ist somit eine Integration der Zustandsüberwachungsmethode in bestehende Werkzeugmaschinen (Nachrüstung) und zukünftige Werkzeugmaschinen mit vertretbarem finanziellen und personellen Aufwand möglich.