Kollisionskontrolle von Werkzeugmaschinen und Bauteilen

5G-Schallemissionssensor zur Überwachung von Werkzeugverschleiß und Werkzeugbruch. Der Sensor ist direkt am Werkstück angebracht und erfasst kontinuierlich ein Signal (siehe Wasser-falldiagramm) und sendet ein Frequenzspektrum an ein KI-Modell, das die Daten im Hinblick auf den Werkzeugverschleiß klassifiziert.

© Fraunhofer IPT

Fertigungsprozesse wie das Fräsen hochkomplexer Bauteile zu beherrschen bedeutet vor allem, schnell Abweichungen in der Bewegung des Werkzeugs erkennen und innerhalb weniger Millisekunden reagieren zu können. Dies kann mit maschinenintegrierter Sensorik in Verbindung mit 5G erreicht werden, da dieser Mobilfunkstandard in der Lage ist die gewonnenen Daten schnell und zuverlässig zu übertragen. So kann die Werkzeugmaschine auf Veränderungen im Prozess reagieren, bevor ein Bauteil beschädigt wird. Für diese dafür notwendige, sehr reaktionsschnelle Verbindung – die sogenannte ‚Ultra Reliable and Low Latency Communication‘ (URLLC) – erarbeitet das 3rd Generation Partnership Project (3GPP), eine weltweite Kooperation für die Standardisierung von Mobilfunktechnologien, einen neuen Standard für zukünftige 5G-Produkte.

Niels König ist Abteilungsleiter Produktionsmesstechnik beim Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT in Aachen.

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Um künftig noch schneller und zuverlässiger auf Veränderungen im Produktionsprozess reagieren zu können, erproben das Fraunhofer IPT und der Mobilfunkausrüster Ericsson die URLLC-Funktionen am Anwendungsfall der Kollisionsdetektion. Ericsson liefert dem Fraunhofer IPT dafür ein modulares 5G-Testsystem, das den geforderten URLLC-Funktionen in diesem Anwendungsfall gerecht wird. Das Testsystem arbeitet im Millimeter-Wellenlängenbereich (mmWave), einem 5G-Spektrum mit Frequenzen zwischen 24 und 28 GHz, das bei der Bundesnetzagentur ab sofort beantragt werden kann. Im Gegensatz zu stationären 5G-Systemen des Frequenzbereichs von 3,7 bis 3,8 GHz sind 5G-Systeme im Millimeter-Wellenlängenbereich in der Produktion neu und bisher kaum erprobt. Der größere Spektralbereich erlaubt jedoch höhere Datenraten von mehr als 10 Gbit/s und Latenzen <1 ms, sodass sich vor allem zeitkritische Anwendungen zuverlässig umsetzen lassen.

Praveen Mohanram ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Digitale Infrastrukturen beim Fraunhofer IPT in Aachen.

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Bei der Kollisionsdetektion erkennt ein Körperschallsensor, der direkt am Werkstück angebracht oder in die Maschinenspindel integriert ist, eine Kollision des Werkzeugs innerhalb weniger Millisekunden, sodass die Maschine rechtzeitig gestoppt werden kann, bevor ein größerer Schaden am Bauteil oder der Maschine entstehen kann. Im Falle einer Kollision von Maschine und Bauteil werden starke Schallemissionsstöße erzeugt, die der Sensor detektiert. Der Frequenzbereich der Schallemissionsstöße unterscheidet sich dabei von der herkömmlichen Werkzeugbruch-Erkennung: Der Frequenzbereich und die Ausschläge sind höher, da das Werkzeug mit dem Bauteil tatsächlich kollidiert. 

Der intelligente Körperschallsensor erkennt Schallemissionen im Bereich von 
1 bis 900 kHz. Er ist mit einer Sensorplattform verbunden, die über eine integrierte Signalkonditionierung verfügt und die Schallemissionen erfassen sowie das Frequenzspektrum berechnen kann. Die Plattform läuft mit einer Abtastfrequenz von 1 MHz und generiert alle paar Millisekunden ein Datenpaket mit Frequenzspektren, das zur Datenanalyse an ein in die Cloud integriertes KI-Modell gesendet wird. Dieses wiederum klassifiziert die Daten im Hinblick auf Werkzeugverschleiß.

Um die so entstehenden hohen Datenraten von über 12 Mbit/s zu bewältigen und eine zuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz für ein rechtzeitiges Eingreifen und eine genaue Abschätzung des Werkzeugverschleißes zu gewährleisten, setzt das System auf 5G-Kommunikation. Dank hoher Datenraten bis zu 10 Gibt/s und Latenzen <1 ms eignet sich der neue Mobilfunkstandard dazu, Fertigungsprozesse mobiler, flexibler und adaptiver als bisher zu gestalten, die Qualität von Bauteilen zu verbessern, Kosten zu senken und so die Produktivität zu erhöhen. Mit dem 5G-Testsystem werden die detektierten Schallemissionsstöße an ein in die Cloud integriertes KI-Modell gesendet, um den Prozess innerhalb weniger Millisekunden rechtzeitig zu stoppen. Die Prozesskontrolle mittels eines Schallemissionssensors ist dabei nur eine von vielen Möglichkeiten, den Maschinenprozess zu kontrollieren. Dabei muss die bestehende Infrastruktur nicht verändert werden, sie ist flexibel und skalierbar.