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Instandhaltung

Zustandsüberwachung mit Mikrotechnik

Intelligenz im Metall revolutioniert die Zustands- und Prozessüberwachung im Maschinen- und Anlagenbau

28.09.2006 | Redakteur: Dietmar Kuhn

Die wachsenden Anforderungen des Marktes an Leistungsfähigkeit, Flexibilität und nicht zuletzt Verfügbarkeit von Industrieanlagen erfordern eine permanente Weiterentwicklung und den Einsatz...

Die wachsenden Anforderungen des Marktes an Leistungsfähigkeit, Flexibilität und nicht zuletzt Verfügbarkeit von Industrieanlagen erfordern eine permanente Weiterentwicklung und den Einsatz modernster Technologien. Der Einzug der Mikrosystemtechnik zur Lösung der zahlreichen Aufgaben ist auch hier unaufhaltsam. Die Mikrosystemtechnik bietet gerade im Bereich der Mess-, Steuer- und Regelungstechnik neue Möglichkeiten zur Integration lokaler Intelligenz in Produktionsanlagen. Diese Intelligenz im Metall erlaubt eine kontinuierliche Überwachung des Betriebszustandes der Anlagen und ermög-licht so eine rechtzeitige Auswechselung von Komponenten, bei denen sich ein Ausfall ankündigt. Intelligente Mikrosystemesteigern die ProduktivitätDarüber hinaus können auch laufende Produktionsprozesse mit Hilfe intelligenter Mikrosysteme online überwacht werden, womit eine frühzeitige Erkennung von Prozessfehlern und damit eine Verminderung der Zahl von Ausschussteilen ermöglicht wird. Letztendlich lassen sich durch den Einsatz intelligenter, mikrotechnischer Überwachungssysteme sowohl Produktivität als auch Verfügbarkeit von Industrieanlagen erhöhen und damit Betriebskosten sowie Kosten für Wartung und Instandhaltung deutlich senken.Die typische Aufgabenstellung für intelligente Zustands- und Prozessüberwachungssysteme ist in Bild 1 gezeigt.An einem linear bewegten Bauteil oder einem rotierenden Maschinenteil möchte man wichtige Parameter wie Temperatur, Druck, Kraft oder Beschleunigung online während des Betriebes messen. Die Überwachung der Messgrößen erfordert eine drahtlose Technik, da die Anbringung von Kabeln oder Schleifringen sowie der Einsatz von Batterien nicht möglich oder vom Anwender nicht erwünscht ist.Beim Lösungsansatz von pro-micron wird die Energie zum Betrieb des Überwachungssystems induktiv durch eine entsprechende Spulenanordnung eingebracht. Die metallische Umgebung einer Werkzeugmaschine stellt dabei besondere Anforderungen an die Ausgestaltung der induktiven Energieeinkopplung. Materialien, Geometrien und Abschirmungen müssen geeignet auswählt werden, um Wirbelstromverluste zu minimieren und um genügend Energie für den Betrieb von Sensorik und Elektronik sowie zur drahtlosen Signalübertragung zur Verfügung stellen zu können. Vorzugsweise lassen sich die Sensordaten über das bereits vorhandene und für die Energieeinkopplung eingesetzte, induktiv gekoppelte Spulenpaar drahtlos von der rotierenden Welle an die feststehende Empfangsseite übertragen. Alternativ kann man zur Übertragung der Signale auf bekannte Funktechniken zurückgreifen. Bild 2 zeigt das Prinzip der induktiven Anordnung. Die Vorteile der modernen Mikrosystemtechnik liegen auf der Hand. Ein Mikrosystem baut sehr klein und die auf die einzelnen Bauteile wirkenden Kräfte sind aufgrund der geringen Massen trotz der hohen Beschleunigungen gering, so dass sich Mikrosysteme extrem robust aufbauen lassen. Aufgrund ihrer geringen Baugröße lassen sich Mikrosysteme ferner sehr einfach in die zu überwachenden Maschinenteile integrieren, so dass sie so gut wie keinen Einfluss auf die intrinsischen Eigenschaften der Bauteile, wie beispielsweise deren Steifigkeit oder das Dynamikverhalten haben. Auch der Energieverbrauch der miniaturisierten Überwachungssysteme ist gering, so dass die zur Energieeinkopplung benötigten Spulen nur wenig Bauraum benötigen. Bild 3 zeigt Beispiele, wie kompakt sich Mikrosysteme aufbauen lassen. Oben mittig dargestellt ist ein miniaturisierter Sensorstift zur Druckmessung, links unten ein Sensormodul zur Bestimmung von Wegen und Abständen im µm-Bereich und rechts unten die intelligente Schraube, welche als komplettes Mikrosystem einen Sensorchip, die Elektronik zur Signalaufnahme und -verarbeitung sowie ein Modul zur Übertragung der Daten an eine Kontrolleinheit (drahtlos oder mit Kabel) enthält. Platinfühler - die Nerven für TemperaturmessungDie oben beschriebene Technik wird eingesetzt bei einer Werkzeug-Maschinenspindel zum Online-Monitoring der Temperatur an exponierten Stellen im Bereich des Lagers. Als Sensoren werden Platinfühler verwendet, welche die Messung der Temperatur auf der rotierenden Spindelwelle am Lagerinnenring im Bereich von 0 bis 200°C mit einer Genauigkeit von +/- 1°C erlauben. Die komplette rotorseitige Elektronik sowie sämtliche Transponderkomponenten sind in einem Ring untergebracht, der am hinteren Spindelende im Bereich des Drehgebersensors integriert wird. Dieser Transponder-ring besteht aus einem frei programmierbaren Mikrocontroller, der über ein Transponder-Frontend bei einer Trägerfrequenz von 125 kHz mit der statorseitigen Lesespule und deren Elektronik kommunizieren kann. Die Energieversorgung der Rotor-elektronik erfolgt ebenfalls über dieses RF-Frontend. Die Messwerterfassung wird mit zwei Dual-Slope-AD-Wandlern realisiert. Jedem ADC ist ein 4-fach Multiplexer nachgeschaltet, so dass insgesamt bis zu acht resistive Sensorelemente ausgewertet werden können. Die digitalisierten Daten werden amplitudenmoduliert an die Lesespule übermittelt. Die Datenschnittstelle zur weiteren Peripherie wird kundenspezifisch realisiert (RS 232, USB, AS-i, Profi-Bus). Bei dem für die Temperaturüberwachung konzipierten Überwachungssystem können zehn Messwerte pro Sekunde mit 14 bit Auflösung übertragen werden. Bild 4 zeigt die Komponenten des Transpondersystems bei einer Anwendung (Bestimmung der Schnittkräfte während der Bearbeitung), bei der der Transponderring aufgebracht ist auf einen SK-40-Werkzeugschaft mit eingespanntem Planmesserkopf zum Planfräsen von Bauteilen.Mikrosysteme lassen sichanwendungsbezogen anpassenDas vorgestellte Mikrosystem zur Prozess- und Zustandsüberwachung kann den jeweiligen Anforderungen des Kunden und natürlich auch den Aufgaben angepasst werden, insbesondere in Bezug auf die Sensorik, die hinsichtlich der jeweiligen Messaufgabe ausgewählt wird. Hier kommen beispielsweise die in Bild 3 gezeigten Sensormodule zum Einsatz. An ausgewählten Stellen können so lokale Intelligenz ins Metall eingebracht, mit den Möglichkeiten der modernen Mikrosystemtechnik kombiniert sowie neuartige und innovative Anwendungen geschaffen werden, die gleichzeitig so robust sind, dass sie den harten Anforderungen des Maschinen- und Anlagenbaus gerecht werden. MM

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