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Für die Kalibrierung und Charakterisierung des Roto Guard-Prototyps steht ein neuer, leistungsfähiger Roto Clamp Prüfstand zur Verfügung.
Foto: Anja Schuetrumpf
Für die Kalibrierung und Charakterisierung des Roto Guard-Prototyps steht ein neuer, leistungsfähiger Roto Clamp Prüfstand zur Verfügung.

Maschinen-/Konstruktionselemente

Condition Monitoring für Sicherheitsklemmelemente

Forschungsprojekt: Hema entwickelt vorausschauendes Wartungskonzept für pneumatisch betriebene Roto Clamp-Klemmsysteme.

Die Digitalisierung durchdringt immer mehr Lebensbereiche und bietet auch dem Maschinenbau enorme Möglichkeiten – beispielsweise die permanente Überwachung zentraler Anlagen-Komponenten. Genau hier setzt ein Forschungsprojekt der Hema Maschinen- und Apparateschutz GmbH an: Das Unternehmen entwickelt gemeinsam mit Partnern aus der Wissenschaft ein Condition Monitoring-Konzept für sein Sicherheitsklemmsystem Roto Clamp. Erste Meilensteine wurden bereits erreicht.

Hema fertigt seit mehr als vier Jahrzehnten Komponenten für die Maschinensicherheit. Zum Produktportfolio gehören neben Schutzsystemen auch Sicht- sowie Klemm- und Bremssysteme. Besonders letztere sind ständigen mechanischen Belastungen ausgesetzt und sollten daher regelmäßig überprüft werden. Da es sich bei den Klemmsystemen allerdings um eine geschlossene Einheit handelt und sie zudem fest in der Maschine verbaut werden, ist eine Sichtprüfung ohne den kompletten Ausbau der Komponenten nicht möglich.

Sichere Klemmung auch bei Druckluft-Ausfall

Die Lösung wäre eine automatische Überwachung der Klemmsysteme aus der Ferne. Um seinen Kunden diese Option künftig bieten zu können, entwickelt Hema unter dem Namen „Roto Guard“ zurzeit ein digitales Condition Monitoring-System für sein rotatorisches Sicherheitsklemmsystem Roto Clamp. Roto Clamp ist ein pneumatisches Klemmsystem mit hohen Haltemomenten und übertrifft hydraulische Systeme sowohl an Wirksamkeit als auch an Effizienz, da die Systemkosten deutlich niedriger sind. Das Klemmsystem ist zudem Fail-Safe, weil die Welle bei einem Ausfall der Pneumatik sofort und mit großer Kraft fixiert wird. Möglich wird dies durch das pneumatische Funktionsprinzip des Klemmsystems, das auf einem Federspeicher beruht.

Die Roto Clamp-Klemmsysteme eignen sich ideal für rotatorische Positionsklemmungen in Dreh- und Schwenkachsen von Werkzeugmaschinen.

Auffälligkeiten sollen frühzeitig erkannt werden

Die pneumatischen Klemmsysteme sind im Betrieb hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt, diese können langfristig das Funktionsverhalten beeinflussen. Veränderungen am Klemmsystem kündigen sich durch eine Veränderung messbarer Kenngrößen im Voraus an. Das Roto Guard-Projekt hat es sich deshalb zum Ziel gesetzt, eine integrierte intelligente Sensoreinheit zu entwickeln, mit der die Funktion und die Wechselwirkungen des Sicherheitsklemmsystems kontinuierlich überwacht werden können. In Echtzeit gewonnene Messwerte und daraus abgeleitete Statusinformationen und Handlungsempfehlungen sollen dem Nutzer dann jederzeit zur Verfügung stehen. So kann er bei auffälligen Messwerten frühzeitig eine Überprüfung des Klemmsystems veranlassen und einen ungeplanten Maschinenstillstand verhindern, der durch einen plötzlichen Ausfall der Komponente eintreten würde.

Der Mehrwert eines solchen Systems zur Zustandsüberwachung (Condition Monitoring) beschränkt sich aber nicht auf die Vermeidung von Havariefällen. Es ermöglicht auch die Weitergabe des umfangreichen Wissens über das Funktionsverhalten der Klemmsysteme an den Kunden. So könnten in der Datenverarbeitung implementierte Algorithmen die Optimierung des dynamischen Zustellverhaltens oder die effektivere Nutzung der pneumatischen Klemmkrafterhöhung (Boost-Funktion) ermöglichen.

Hema kooperiert mit der Wissenschaft

Bei dem Projekt „Roto Guard“ arbeiten die Maschinenschutzspezialisten eng mit dem Fachbereich Mess- und Sensortechnik der TU Darmstadt und der Core Sensing GmbH zusammen – das Unternehmen produziert ebenfalls in Darmstadt miniaturisierte Sensoreinheiten, die sich in mechanische Komponenten integrieren lassen.

Gemeinsam wollen die Projektpartner ein neuartiges, integriertes Datenerfassungssystem entwickeln, das Betriebsdaten des Klemmsystems in Echtzeit sammelt, interpretiert und Nutzerempfehlungen oder Betriebswarnungen ausgibt. Zudem soll das Sensormodul über eine autarke Energieversorgung verfügen und die erfassten Daten drahtlos übertragen. Mit dem Forschungsprojekt soll eine praxistaugliche Implementierung eines durchgängigen KI-basierten Condition-Monitoring-Konzeptes erzielt werden.

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Die passende Messtechnik steht bereit

Einige Meilensteine hat das Roto Guard-Projekt bereits erreicht. So ist die Entwicklung des messtechnischen Konzeptes für die Funktionserprobung des Prototypens mittlerweile abgeschlossen. Als primäre zu erfassende Messgröße wurde der pneumatische Druck festgelegt. Darüber hinaus soll das Condition Monitoring-System auch die Ableitung des Schaltzustands die Auslenkung des Federblechs messen sowie über die Temperaturerfassung und deren mögliche Veränderung Bremsvorgänge aufzeigen.

In den vergangenen Monaten hat das Projektteam bereits einzelne Sensoren ausgewählt, die später diese Aufgabe übernehmen sollen. Die komplette Sensorik für die Funktionsprüfung am Prototyp ist damit jetzt einsatzbereit.

Erste Testreihen in Vorbereitung

Das Projektteam führte außerdem eine CAD-Bauraumanalyse durch, um zu prüfen, wie die vorgesehene Sensorik optimal in die kompakte mechanische Struktur des Klemmsystems eingebracht werden kann. Im Anschluss daran wurden die Sensorkomponenten beschafft, getestet und hinsichtlich der Auswerteelektronik an die Anforderungen der Anwendung angepasst. Da diese in einem ersten Prototyp noch außerhalb angebracht wird, plante man zusätzliche Ausfräsungen und Bohrungen in der Deckscheibe ein, über die sämtliche Kabel nach außen geführt werden.

Für die Kalibrierung und Charakterisierung des Roto Guard-Prototyps steht ein neuer, leistungsfähiger Roto Clamp Prüfstand zur Verfügung.

Finalisierung des Demonstrators

Das Integrationskonzept für die Sensorik ist also bereits abgeschlossen und ein Demonstrator steht ebenfalls bereit. Im nächsten Schritt werden Funktionsprüfungen des Roto Guard-Systems unter Last auf im Teststand sowie innerhalb einer Werkzeugmaschine stattfinden. Die dabei gewonnenen Daten liefern dann die Grundlage für unterschiedliche Modelle zur Zustandsüberwachung der pneumatischen Klemmsysteme.

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