Smarte Getriebe in der Produktion für handfeste digitale Services

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Auf der Hannover Messe 2019 erblickten sie das Licht der Welt: Smarte Getriebe von Wittenstein mit integrierter Sensorik und passenden Schnittstellen, um deren Daten nutzbar zu machen. Was das bringt, zeigt sich heute, ein Jahr später, in handfesten digitalen Services. Von Jakob Ackermann

Die Glaskugel hat ausgedient – zumindest dort, wo sich Maschinenhersteller und -betreiber auf das Thema Digitalisierung einlassen. Beispielsweise erweitert Wittenstein mit neuen, digitalen Services den Lösungsraum, den smarte Getriebe vor einem Jahr eröffnet haben.

Smarte Getriebe als Möglichkeit für mehr Interlligenz im Antriebsstrang

Komponenten identifizieren, Sensordaten sammeln, speichern und übertragen, Schwellwerte überwachen sowie Histogramme und Historien erstellen – all dies sind grundlegende Möglichkeiten, um via Getriebe mit sogenanntem „Cynapse Feature“ mehr Intelligenz in den Antriebsstrang zu bringen.

Smarte Getriebe sind die Grundlage für neue Services, die aktuell entstehen, um dem Anwender Nutzen zu bringen. Sie laufen dabei nicht mehr auf der Komponente selbst, sondern auf vorhandener Infrastruktur der Maschine. Denn der Nutzen steigt, wenn der digitale Service auf weitere Datenquellen zugreift und beispielsweise die Sensordaten mit Informationen aus Maschine und Umgebung verheiratet. Dann kann der Service etwa Qualität und Verfügbarkeit der Anlagen sicherer vorhersagen.

Service sammelt und visualisiert Daten

Die Entwicklung smarter Konzepte durch die Maschinenbauer, aber auch die Digitalisierung der Bestandsmaschinen durch Betreiber ist in vollem Gang. Unternehmen möchten Fehler abstellen, Ausschuss reduzieren, Kosten senken und nachhaltig und energieeffizient produzieren.

Möchte der Anwender dies umsetzen, sollte er sich die smarten Getriebe mit Cynapse-Feature näher anschauen. Denn sie liefern wie eingangs angedeutet prozessrelevante Werte wie Temperatur, Vibration, Beschleunigung und Einbaulage und geben bei individuell einstellbaren Schwellwerten Warnhinweise aus.

Das ist in der Praxis manchmal schwierig: wer weiß schon, welche Vibrationsstärke „normal“ ist und wann ein Grenzwert zu setzen ist, der überhöhte Vibrationen meldet? Mit dem „Cynapse-Monitor“ steht ein Tool bereit, das dem Anwender die aufwändige Programmierung eigener Überwachungs-Apps und Visualisierungsoberflächen erspart. Neben der Komponenten-ID erfasst das Tool alle Werte, die die smarten Getriebe bereitstellen, und stellt sie für verschiedene Endgeräte in einem geeigneten Dashboard dar – also als zyklische und azyklische Sensordaten, Histogramme, Historien und Events.

Daraus ist beispielsweise sofort erkenntlich, welcher Temperaturbereich oder welche Vibrationen sich im Betrieb am Getriebe typischerweise ergeben. Der Betreiber kann den vorkonfigurierten, allgemeingültigen Schwellwert bei Bedarf durch einen eigenen, individuellen Schwellwert überschreiben, oder arbeitet zunächst mit den Standardwerten.

Durch den Einblick in das Betriebsverhalten der Antriebsachsen lassen sich Schäden am Getriebe vermeiden und Störungen im Prozess detektieren. Dieses Condition Monitoring hilft, Maschinen und Anlagen besser betreiben zu können.

Am besten allerdings wäre es, Fehler zu erkennen, bevor sie auftreten, Verschleiß zu bemerken, bevor er sich als Maschinenausfall bemerkbar machen kann oder auch Ausschuss zu vermeiden, bevor er produziert wird.

Finde den Fehler, bevor er auftritt!

Dafür hat der Antriebstechniker den digitalen Service „Anomalie-Erkennung“ entwickelt. Vorgehensweise ist, frühzeitig Abweichungen von Sollprozessen zu registrieren, die auf künftig Fehler hinweisen.

Predictive Quality in der Zahnträgerfertigung: Wittenstein nutzte die Anomalie-Erkennung früh in einem internen Projekt. Dabei fertigt eine Werkzeugmaschine die Zahnträger für das sogenannte Galaxie-Getriebe, eine Hochleistungs-Getriebegattung mit eigenständiger Wirkgeometrie, aus der sich die Bezeichnung ergibt. Die präzise Bearbeitung im µm-Bereich ist entscheidend für die einwandfreie Funktion dieser Antriebskomponente. Die Ausschussgefahr ist daher relativ hoch, wenn sich Parameter in der Teilebearbeitung schleichend ändern.

Diese Fehler werden oft erst am fertigen Teil sichtbar – nach unnötigem Verbrauch an Maschinenkapazität, Material, Energie und Zeit. Der Service „Predictive Quality“ führt automatisch eine Analyse der Vibrationsdaten durch, die es künftig ermöglicht, zu erkennen, wenn sich der Ist-Prozess zu weit vom Soll-Prozess entfernt. Bevor es zu Schlechtteilen kommt, können die Verantwortlichen durch geeignete Maßnahmen einschreiten und den drohenden Ausschuss vermeiden.

Perspektivisch ist zudem denkbar, auch eine genauere Aussage zu treffen, über welche Betriebsdauer hinweg ein einwandfreier Ist-Prozess in der mechanischen Bearbeitung gewährleistet ist.

Predictive Availabilty in der Abfüllung schnell verderblicher Produkte: Der Aspekt der vorhersehbaren Zeitspanne, in der ein Prozess so abläuft wie er soll, spielt in dem Use Case einer Abfüllmaschine die Hauptrolle. Denn dem Anwender geht es darum, leicht verderbliche Produkte durchgängig in einer Charge abfüllen zu können.

Unterbrechungen im Abfüllprozess zur und Instandsetzung von nur ein bis zwei Stunden würden dazu führen, dass das Abfüllprodukt verdirbt. Dies bedeutet: Verlust von Abfüllgut im Zuführbehältern und abgefüllten, unverschlossenen Flaschen sowie die Notwendigkeit, die Maschine zu reinigen, um folgende Chargen beim Abfüllen nicht durch verdorbene Produktreste zu kontaminieren.

Häufig verursachen unvorhergesehene Störungen des Antriebsriemens solche Maschinenstillstände – hervorgerufen durch Verschleiß oder falsche Einstellung der Riemenspannung.

In diesem Projekt setzt die Anomalie-Erkennung über Vibrationsmessungen am Riemenantrieb an und detektiert automatisch Veränderungen der Riemenspannung im Maschinenbetrieb. Mit Hilfe von Getrieben mit Cynapse-Feature konnten verschiedene Vibrationsmuster aufgenommen werden, die Rückschlüsse auf Veränderungen der Riemenspannung erlauben.

Dadurch ist es möglich, ungeplante Ausfälle während des Abfüllens einer Charge vorherzusehen. Ein Prozessstillstand durch einen unerwarteten Riemenverschleiß lässt sich in Zukunft vermeiden, indem vor dem Start einer neuen Charge, das Problem gelöst wird.

Smarte Getriebe und Smart Services helfen Herstellern und Betreibern

Mit seinen smarten Dienstleistungen auf Basis intelligenter Getriebe entwickelt der Antriebsspezialist ein Angebot, das in dieser Form bislang neu am Markt ist. Die Anomalie-Erkennung ist dabei aktuell eine besonders nachgefragte Dienstleistung, denn sie ermöglicht durch kombinierte Analyse von Maschinen- und Sensordaten ein deutlich früheres Erkennen möglicher Ausfälle als übliche Condition-Monitoring-Applikationen in der Antriebstechnik.

Das kann in vielen Anwendungen nützlich sein. Erfolgreich gelöst hat Wittenstein mit verschiedenen Unternehmen unter anderem einen Überlastschutz für Getriebe durch Auswertung von deren Telemetriedaten, eine thermische Prozessüberwachung durch automatisiertes Temperatur-Teach-In oder die Crash-Analyse an Maschinen und Robotern. Ein nächstes Projekt soll die Mangelschmierung in Zahnstangensystemen von Pressenanlagen verhindern.

Dabei profitieren künftig nicht nur die Betreiber der Maschinen, sondern auch deren Hersteller vom Einsatz intelligenter Getriebe in Verbindung mit digitalen Dienstleistungen. Denn diese können zum entscheidenden Differenzierungsmerkmal im Wettbewerb werden.

Jakob Ackermann ist Business Developer Digital Services, Digitalization Center der Wittenstein SE in Igersheim.