Aufrufe
vor 2 Wochen

INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2021

  • Text
  • Sammelmappe
  • Einsatz
  • Komponenten
  • Anforderungen
  • Produkte
  • Kameras
  • Unternehmen
  • Module
  • Automation
  • Industrielle
  • Sensoren
INDUSTRIELLE AUTOMATION 3/2021

SENSOR+TEST

SENSOR+TEST 2021 I MESSE 03 Aufbau des Getriebe-Schwingungs-Prüfstands, der im Rahmen des Kooperationsprojektes zwischen Sensitec und dem Institut für Produktentwicklung und Maschinenelemente (pmd) an der TU Darmstadt entwickelt wurde werden Detektion, Diagnose und Prognose von Schäden deutlich verkompliziert. Um solche Probleme zu vermeiden, sieht ein Ansatz vor, die Analyse im Winkel-Bereich statt im Zeit-Bereich durchzuführen. Im Winkel-Bereich haben alle zyklischen Phänomene, verursacht z. B. durch Schäden, einen direkten Bezug zur drehenden Komponente des zu untersuchenden Maschinenelements, und somit ist eine Abhängigkeit von Zeit und damit Geschwindigkeit nicht mehr vorhanden. Ein besonders vielversprechender Ansatz für die Umwandlung von Information im Winkel-Bereich nutzt die momentane Winkelgeschwindigkeit als Grundlage für ein Winkel-/Zeit-Funktion, was wiederum eine Wandlung von einer zeitbasierten Abtastung zu einer winkelba- Was uns in Zukunft beeinflusst... Der Wettbewerb in der Investitionsgüterindustrie wird derzeit durch viele Faktoren beeinflusst, u. a. durch die Globalisierung, Industrie 4.0 und zunehmenden Preisdruck. Maschinenbauer werden gezwungen, sich zu differenzieren, z. B. indem sie individuelle Pakete bestehend aus technischen Produkten und lebenszyklusorientierten Services, sog. Produkt-Service-Systemen (PSS) bieten. Gefragt sind daher zunehmend verfügbarkeitsorientierte PSS, bei denen der Maschinenbauer die Verfügbarkeit der Anlage oder des Produktes garantiert und damit einen Teil des Herstellungsrisikos des Kunden übernimmt. PSS können durch verschiedene Geschäftsmodelle angeboten werden. Allerdings sind viele Maschinenbauer weiterhin zurückhaltend darin, Garantien hinsichtlich der Maschinenverfügbarkeit anzubieten. Grund ist die fehlende Transparenz in Bezug auf den Maschinenzustand. Dies wiederum macht Vorhersagen bezüglich der verbleibenden Lebensdauer der Komponente schwierig. Intelligente Sensoren zur präzisen Zustandsüberwachung kritischer Maschinenkomponenten stellen daher eine entscheidende „enabling“ Technologie für zukünftige verfügbarkeitsorientierte Produkt-Service-Systeme dar. sierten Abtastung ermöglicht. Dazu nutzt man oft die schon vorhandenen, hochauflösenden Drehgeber oder Drehzahlsensoren (Bild 01) als Sensor. Dieses Verfahren wird als Instantaneous Angular Speed (IAS)-Erfassung benannt und zunehmend bei der Zustandsüberwachung von Wälzlagern und Zahnradgetrieben [3 - 5] eingesetzt. Die Messung der momentanen Winkelgeschwindigkeit ist für die Zustandsüberwachung oder Diagnose in Echtzeit von großer Bedeutung. Die Drehung einer Maschinenwelle ist ein Ergebnis des Gesamtbetriebs der Maschine und stellt damit Informationen über alle mechanischen und elektromagnetischen Prozesse, die zur Drehung beitragen, bereit. Jeder Defekt oder Ausfall hat theoretisch eine Auswirkung auf die Momentandrehzahl. Die Messung erfolgt typischerweise mit einem inkrementalen Drehgeber in Kombination mit einer Zählerkarte, um die Zeit zwischen steigenden Flanken des Gebersignals zu messen (Bild 02). So wird die Winkelinformation direkt erfasst. Auf dem MR-Effekt basierte Encoder weisen eine hohe Auflösung, eine hohe Winkelgenauigkeit und eine hohe Bandbreite für schnell rotierende Wellen auf. Untersuchungen an Stirnradgetrieben In einem Kooperationsprojekt zwischen Sensitec und dem Institut für Produktentwicklung und Maschinenelemente (pmd) an der Technischen Universität Darmstadt unter Leitung von Professor Eckhard Kirchner wurde die Zustandsüberwachung von Flankenschäden an Stirnradgetrieben mit MR-Sensoren bei Anwendung des IAS-Verfahrens untersucht [6]. Für die Messung der IAS wurde ein Getriebe-Schwingungsprüfstand verwendet (Bild 03). Als Antrieb (Arbeitsmaschine 2) diente ein 30 kW Drehstrom-Asynchronmotor, der auf ein Ausgangsdrehmoment von 96 Nm begrenzt wurde. Als Prüfling wurde ein modifiziertes Stirnradgetriebe eingesetzt. Zwischen Antrieb und Prüfling wurde ein Messflansch zur Drehmomentbestimmung sowie ein Telemetriesystem angebracht. Als Bremse (Arbeitsmaschine 1) diente ein weiterer Asynchronmotor. Im Projekt wurden unterschiedliche Ziele verfolgt: n Ein Vergleich von Sensoren basierend auf unterschiedlichen magnetoresistiven Effekten (AMR, GMR und TMR) 14 INDUSTRIELLE AUTOMATION 03/2021 www.industrielle-automation.net

MESSE I SENSOR+TEST 2021 04 Schematische Darstellung der Einbaupositionen von magnetoresistiven Sensoren n Eine Untersuchung von unterschiedlichen Einbauorten, um die ideale Messstelle zu identifizieren n Ein Vergleich der Empfindlichkeit zwischen „klassischen“ piezoresistiven Beschleunigungsaufnehmern und MR-Sensoren Wie aus Bild 04 zu entnehmen ist, wurden vier unterschiedliche Sensorarten sowohl antriebsseitig als auch lastseitig im modifizierten Getriebe integriert. Teilweise wurden die Zahnräder selbst als Maßverkörperung benutzt oder es wurden zusätzliche magnetische Polräder angebracht, um die Funktion eines lagerlosen Drehgebers nachzuempfinden. Zunächst erfolgten Messungen im 4-Quadranten-Betrieb am unbeschädigten Getriebe. Die Zahneingriffsfrequenzen waren eindeutig sichtbar im ausgewerteten IAS-Signal. Anschließend wurde Verbesserte Zustandsüberwachung von Anlagen kann komplett neue Geschäftsmodelle im Rahmen einer Industrie 4.0 ermöglichen Literaturhinweise: [1] Kölsch, P. et al: “A novel concept for the development of availability-oriented business models”, Procedia CIRP 64 (2017) pp. 340 – 344 [2] Schmitt, R. & Voigtmann, C.; “Sensor information as a service – component of networked production”, J. Sens. Sens. Syst., 7, 389–402, 2018 [3] Zhao, M.; Jia, X.; Lin, J.; Lei, Y. u. Lee, J.: Instantaneous speed jitter detection via encoder signal and its application for the diagnosis of planetary gearbox. Mechanical Systems and Signal Processing 98 (2018), S. 16–31 [4] Randall, R. B., Peng, D. u. Smith, W.: Using measured transmission error for diagnostics of gears. 2019 [5] Roy, S. K.; Mohanty, A. R. u. Kumar, C. S.: Fault detection in a multistage gearbox by time synchronous averaging of the instantaneous angular speed. Journal of Vibration and Control 22 (2016) 2, S. 468–480 [6] Martin, G. : MR-Sensorik für die Zustandsüberwachung von Flankenschäden in Stirnradgetrieben, Abschlussbericht zum Kooperationsprojekt, September 2020 [7] Slatter, R., Traute, J. & Lindemann, R.: Zustandsüberwachung von Profilschienenführungen mittels magnetoresistiven Sensoren, VDI-Tagung Gleit & Wälzlagerungen, Schweinfurt, Mai 2021 (noch nicht veröffentlicht) ein Schaden an mehreren Zahnflanken bewusst herbeigeführt, um zu sehen, ob die magnetoresistiven (MR-) Sensoren diese Beschädigung erkennen könnten. Die Messungen wurden wiederholt, und der lokale Zahnflankenschaden war im IAS-Spektrum deutlich erkennbar. Ein Vergleich mit den Signalen der Schwingungsaufnehmer zeigte, dass beide Messverfahren ähnliche Empfindlichkeit ausgewiesen haben. Ausblick Die positiven Ergebnisse deuten darauf hin, dass das IAS-Verfahren eine zumindest ebenbürtige Alternative zur Schwingungsüberwachung mittels Schwingungsaufnehmer und zudem robuster gegenüber Verzerrungen durch den Übertragungspfad ist. Die drei wesentlichen Ziele des Projektes konnten alle erfolgreich erreicht werden. Sensoren basierend auf allen drei gängigen MR-Prinzipien sind prinzipiell geeignet für die Erfassung des IAS-Signals. Einbauorte vergleichbar mit denen von üblichen lagerlosen oder konventionellen Drehgebern haben nutzbare Signale geliefert. Damit werden keine zusätzlichen Messstellen oder Sensoren benötigt, um Schwingungsanalysen durchzuführen. Last, but not least, haben die MR-Sensoren eine ähnliche Empfindlichkeit wie Schwingungsaufnehmer ausgewiesen. Weitere Untersuchungen sind geplant sowohl in einem weiteren Kooperationsprojekt zwischen Sensitec und der TU Darmstadt als auch innerhalb des BMBF-geförderten Projekts KI-PREDICT, mit Laufzeit bis Februar 2023, wo MR- Sensoren benutzt werden, um die Zustandsüberwachung von Profilschienenführungen zu ermöglichen [7]. Bilder: Aufmacher Shutterstock/Zapp2Photo, 01- 02 Sensitec, 03 - 04 pmd, TU Darmstadt VORBILDER ZUM LEUCHTEN BRINGEN Das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und nukleare Sicherheit verleiht den Deutschen Innovationspreis für Klima und Umwelt (IKU). Er würdigt das Engagement der deutschen Wirtschaft für Klima- und Umweltschutz. 21/06/2021 Bewerbungsschluss Veranstalter: Die Gewinner jeder Kategorie erhalten einen mit 25.000 Euro dotierten Innovationspreis für Klima und Umwelt. Auf einer festlichen Veranstaltung in Berlin werden die Projekte prämiert und der Öffentlichkeit vorgestellt. Ausgezeichnete Unternehmen können am europäischen Wettbewerb „European Business Awards for the Environment“ teilnehmen. Medienpartner: Weitere Informationen finden Sie unter www.iku-innovationspreis.de Telefon: +49 611 609390-11 Gefördert durch: Wissenschaftlicher Partner: www.sensitec.com www.industrielle-automation.net INDUSTRIELLE AUTOMATION 03/2021 15

AUSGABE