antriebstechnik 10/2021

02 01 KLEMMELEMENTE FÜR

02 01 KLEMMELEMENTE FÜR ROTATORISCHE POSITIONSKLEMMUNGEN NUTZEN Ausgangsbasis für das Forschungsvorhaben „RotoGuard – Zustandsüberwachung für pneumatisch aktuierte Sicherheitsklemmelemente im Werkzeugmaschinenbau“ sind die bewährten Roto- Clamp-Klemmelemente von Hema. Sie eignen sich ideal für rotatorische Positionsklemmungen in Achsen, Tischen und Schwenkköpfen von Werkzeugmaschinen. Da das Klemmsystem nach dem Fail-safe-Prinzip arbeitet, klemmt es Achsen auch bei einem Energieausfall schnell und mit großer Kraft. RotoClamp zeichnet sich durch hohe Klemmmomente bei relativ niedrigen Betriebsdrücken aus. Möglich wird dies durch das pneumatische Funktionsprinzip des Klemmsystems, das auf einem verspannten Federspeicher beruht. Für das RotoGuard-Projekt stellen das Funktionsprinzip und die kompakte Bauform der Klemmsysteme sowie der meist sehr anspruchsvolle Einbau in den hochpräzisen Funktionsbaugruppen moderner Werkzeugmaschinen eine Herausforderung dar. DATEN BEOBACHTEN, AUSFÄLLE VERMEIDEN Die wesentlichen Aufgaben von Klemmsystemen in Werkzeugmaschinen erstrecken sich meist auf zwei für Funktion und Betrieb der Maschinen bedeutsame Aspekte. Zum einen leisten Klemmsysteme häufig wesentliche Anteile zur erreichbaren Bearbeitungspräzision, denn angefahrene Bearbeitungspositionen müssen auch bei hohen dynamischen Bearbeitungskräften sehr genau erhalten bleiben. Zum anderen stellen Klemmsysteme in Bearbeitungsmaschinen meist ein unentbehrliches Element der funktionalen Sicherheit dar. Fehler und Ausfälle dieser Komponenten haben also mit hoher Wahrscheinlichkeit schwere Folgen. Die intensiven Kontrollen der Klemmsysteme im Rahmen von Qualitätssicherung und Wartung können aber immer nur den Zustand während des konkreten Prüfzeitpunktes abbilden. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein Großteil der möglichen Fehlerbilder nicht plötzlich auftritt, sondern sich durch Veränderung messbarer Systemgrößen über einen längeren Zeitraum ankündigt. Das Projekt RotoGuard setzt genau an dieser Stelle an. Die Funktion und die Wechselwirkungen des Sicherheitsklemmsystems sollen zukünftig durch eine integrierte intelligente Sensoreinheit überwacht werden. In Echtzeit gewonnene Messwerte und daraus abgeleitete Statusinformationen und Handlungsempfehlungen stehen dem Nutzer jederzeit zur Verfügung. Der erhebliche Mehrwert eines solchen Systems zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) beschränkt sich dabei keinesfalls allein auf die Vermeidung von Havariefällen. Es erschließt auch Möglichkeiten, das umfangreiche Wissen über das Funktionsverhalten der Klemmsysteme an den Kunden weiterzugeben. So könnten in der Datenverarbeitung implementierte Algorithmen die Optimierung des dynamischen Zustellverhaltens oder die effektivere Nutzung der pneumatischen Klemmkrafterhöhung (Boost-Funktion) ermöglichen. SENSORIK FÜR KLEMMSYSTEME ERFORDERT ERHEBLICHE MINIATURISIERUNG Auf dieses Gebiet hat sich die Core Sensing GmbH aus Darmstadt spezialisiert und entwickelt miniaturisierte Sensoreinheiten für die Integration in mechanische Komponenten. Die Sensoren sollen diese und die nachgelagerten Prozesse überwachen und Fehler frühzeitig erkennen. Dazu wird die benötigte Messkette inkl. Datenauswertung und -interpretation integriert und ins robuste Bauteilinnere gebracht. Die Projektpartner wollen den Verbau der elektronischen Komponenten nebst Sensorik im Klemmsystem weitgehend ohne Änderung der äußeren Bauteilkontur ermöglichen, so dass ein Serieneinsatz ohne Änderungen der Maschinenkonstruktionen möglich wird. Die bestehenden Lösungen sind jedoch bislang nur für rotierende mechanische Bauteile wie Antriebswellen ausgelegt und müssen für Klemmsysteme erheblich angepasst und deutlich miniaturisiert werden. Zudem erweitert sich die Zahl der zu betrachtenden physikalischen Messgrößen. Auch die gewonnenen Rohdaten bereits in der Komponente zu verarbeiten und zu interpretieren, stellt eine technologische Herausforderung dar. Als wichtige Voraussetzung für eine spätere Umsetzung im industriellen Maßstab soll zudem in der finalen RotoGuard-Version bewusst auf Messverfahren verzichtet werden, die später eine aufwändige Implementierung und Kalibrierung erfordern. Als Schnittstellen sind sowohl ein Gateway für die direkte Verbindung zur Prozesssteuerung als auch eine Cloud-Anbindung für die zentrale Überwachung des Maschinenparks vorgesehen. ENTSCHEIDENDE MESSWERTE FÜR ZUSTANDSERFASSUNG IDENTIFIZIEREN Kern des gemeinsamen Projektes wird es sein, für die bislang rein mechanische Komponente der Sicherheitsklemmsysteme eine ZUM PROJEKT Dieses Projekt (HA-Projekt-Nr.: 1197/21-198) wird im Rahmen der Innovationsförderung Hessen aus Mitteln der LOEWE – Landes-Offensive zur Entwicklung Wissenschaftlich-ökonomischer Exzellenz, Förderlinie 3: KMU-Verbundvorhaben gefördert. 44 antriebstechnik 2021/10 www.antriebstechnik.de

SPECIAL: SMARTE ANTRIEBE IN PRODUKTION UND MONTAGE 03 DIE IDEE 01 Die eingesetzten Sicherheitsklemmelemente eignen sich für rotatorische Positionsklemmungen in Achsen, Tischen und Schwenkköpfen von Werkzeugmaschinen und sind in zahlreichen Größen verfügbar 02 Klemmsysteme im Verbau für Rund- und Schwenkachsen eines Bearbeitungszentrums 03 Eine schematische Darstellung zeigt den Forschungsansatz der projektbezogenen Zusammenarbeit kompakte und weitgehend autarke Sensoreinheit zu entwickeln, um relevante Messgrößen zum Funktionsverhalten in Echtzeit aufnehmen und interpretieren zu können. Zudem muss eine sichere Übertragung der aufgenommenen Daten und die Energieversorgung der Sensoreinheit gewährleistet werden. Im Rahmen des Verbundprojektes werden dazu erstmals die primären Messgrößen wie Klemmmoment und -kraft unter Kompensation von Störgrößen hochgenau mit Messaufnehmern erfasst, digitalisiert und in Relation mit den aktuellen Zuständen des Klemmsystems gebracht. Im nächsten Schritt werden diese mit den sekundären Messgrößen Druck, Volumenstrom und Temperatur in Verbindung verglichen, um so deren Aussagekraft bzgl. des Systemverhaltens zu evaluieren. Ziel ist eine Reduktion der benötigten Messgrößen, um den Systemzustand mit ausreichender Präzision für die weitere Verarbeitung zu erfassen. Ein praxistaugliches Condition Monitoring benötigt darüber hinaus die automatisierte Verarbeitung und Interpretation der Messdaten zu konkreten, nutzerrelevanten Informationen und standardisierte Schnittstellen. So können Funktionsprobleme oder -einschränkungen künftig bereits in Frühphasen ihrer Entstehung festgestellt und Abhilfemaßnahmen geplant und eingeleitet werden. Fotos: Aufmacher: Hema Maschinen- und Apparateschutz, core sensing; 01-03: Hema Maschinen- und Apparateschutz www.hema-group.com/de „Digitalisierung und Künstliche Intelligenz bieten zahlreiche Ansätze für Predictive Maintenance- Konzepte in Werkzeugmaschinen. Die Spezialisten der Hema Group wollen mit dem Projekt RotoGuard diese Potenziale heben. Gemeinsam mit den Experten für industrielle Datenerfassung und -auswertung von Core Sensing aus Darmstadt und den Wissenschaftlern des Fachgebiets für Mess- und Sensortechnik der TU Darmstadt soll ein neuartiges integriertes Datenerfassungssystem für pneumatische Klemmsysteme entwickelt werden, das Betriebsdaten in Echtzeit erfasst, interpretiert und Nutzerempfehlungen oder Betriebswarnungen ausgibt.“ Dr. Lukas Heidrich, Leiter Technik und Entwicklung, Hema Maschinenund Apparateschutz, Seligenstadt Ihr Partner für maßgeschneiderte Antriebslösungen » Kundenspezifische Servomotoren » auch mit Hohlwelle, Luft- und Wasserkühlung » Linearaktuatoren bis 60 kN » Linearmotoren und Direktantriebe » Planetenrollengewindetriebe und Kugelumlaufspindeln » Servoregler Moog GmbH • Niederlassung Griesheim Wiesenstraße 6 • 64347 Griesheim • +49 6155 797421-0 • info.vsm@moog.com www.moog-servo.de www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/10 45