Netzwerkfähige Werkzeugmaschinen Smart Data aus Big Data mit Edge-Computing

Redakteur: Anne Richter

Erst eine smarte Null-Fehler-Strategie, die Störgrössen im Prozess erkennt und aktiv zu deren Beseitigung oder Kompensation beiträgt, sichert dauerhaft optimale Ergebnisse. Mit Edge-Computing verfolgt Heller das Ziel höchster Maschinenverfügbarkeit und Prozesskontrolle.

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Heller-4-Operation steht für einfache Bedienung sowie die Einbindung in die Wertschöpfungskette von z.B. ERP/CAD-CAM.
Heller-4-Operation steht für einfache Bedienung sowie die Einbindung in die Wertschöpfungskette von z.B. ERP/CAD-CAM.
(Bild: Heller)

Konzepte, die mithilfe der Digitalisierung Vorteile in der spanenden Fertigung erzielen sollen, beziehen ihre Basis allesamt aus Fertigungsdaten – also Informationsbausteinen, die neben ihrem zeitlichen Bezug einen bestimmten Zahlenwert besitzen und innerhalb des Prozesses generiert werden. Diese Daten laufen in der CNC-Steuerung zusammen, die als Taktgeber der laufenden Fertigungsoperation in ihren PLC-Zyklen die NC-Sätze des Programms abarbeitet. Prozessdaten werden so am laufenden Band generiert und schon derzeit für wichtige Überwachungsfunktionen wie die Heller Werkzeugüberlast und -bruchkontrolle genutzt. Das Auslösen des Not-Stopps, der Maschine und Werkstück bei einem Werkzeugbruch vor Beschädigung schützt, verhindert zwar das Schlimmste, die nachfolgende Produktionsunterbrechung bleibt aber unvermeidlich. «Wie wäre es, Störungen so frühzeitig zu erkennen, dass sie sich noch nicht auf den Fertigungsprozess negativ auswirken können?», benennt Bernd Zapf, Leiter der Abteilung Development New Business & Technology, einen der Punkte, der weit oben auf dem Wunschzettel von Verantwortlichen in der Fertigung, von Maschinenbetreibern und -herstellern steht. «Und dem Betreiber im nächsten Schritt die Möglichkeit an die Hand zu geben, diese Störungen zu vermeiden», baut Zapf die Vorstellung aus. Der Vergleich zum pilotierten Fahren, bei dem Subsysteme kontinuierlich Wegpunkte mit Fahrdaten, Karten- und anderen Sensorinformationen abgleichen, um im Bedarfsfall einzugreifen, kommt in den Sinn. «Industrie 4.0 liefert uns die Möglichkeiten, aus Werkzeugmaschinen, genauer gesagt aus deren elektronischen und elektrotechnischen Systemen, tiefere Einblicke in die Prozesszusammenhänge zu erhalten und daraus praktische Vorteile, die einen hohen Nutzwert im Fertigungsalltag haben, abzuleiten.»

Edge-Computer verleiht Werkzeugmaschine Netzwerkfähigkeiten

In der Praxis gilt es, zum einen der Maschine die Netzwerkfähigkeit zu verleihen, zum anderen den Datenverkehr sinnvoll und sicher zu organisieren. Nicht jeder Parameter muss ausgelesen und übertragen werden, nicht jede Information ist es wert, in der Cloud gespeichert zu werden. Dafür hat Heller zusammen mit Siemens einen Edge-Computer in Form einer kleinen grauen Box entwickelt, dem verschiedene Aufgaben zukommen: die Sinumerik-Edge. «Der Edge-Computer ist die derzeit sicherste Lösung, um einer Werkzeugmaschine Netzwerkfähigkeiten zu verleihen. Sowohl was die physische Ausführung betrifft, da die Eingangs- und Ausgangssignale in der Box technisch getrennt sind, als auch das Verschlüsselungs- und Identifizierungsmanagement, welches das Sicherheitsniveau regulärer Firmennetzwerke oftmals übertrifft», weiss Bernd Zapf klarzustellen. Über die Sinumerik-Edge werden die gewünschten Daten ausgeschleust, mit einem Zeitstempel versehen und vorverarbeitet. Der Anwender entscheidet, ob er die Werkzeugmaschine lediglich auf Leitstandebene in sein Firmennetzwerk einbinden möchte oder ob er der Anbindung an die Cloud-Umgebung der sogenannten Mindsphere stattgibt.

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Über die Cloud stellt Heller etwa verschiedene Zyklen bereit, die situativ zu einer besseren Anpassung der Bearbeitungsparameter der Werkzeugmaschine führen. Das können Parametersätze zur Schruppbearbeitung von Gusswerkstücken, bei denen besonders auf Werkzeugüberlast geachtet wird, Maschinenkompensation bei umgebungsbedingten Temperaturschwankungen, Neubestückung des Werkzeugmagazins nach Reihenfolge der am häufigsten gebrauchten Werkzeuge, Dynamisierung der Vorschubachsen in Abhängigkeit des realen Werkstückgewichts oder das auf der EMO 2017 präsentierte bildgebende Verfahren für die Darstellung von Werkstücktoleranzen in 3D sein. Im Hinblick auf ein Qualitätsniveau, das über verschiedene Fertigungsstandorte hinweg garantiert werden soll, sind so kooperierende Vergleiche möglich. So können Prozesse auf Partnermaschinen oder ganzen Fertigungsstrassen überwacht werden, und bei Abweichungen vorgegebener Toleranzfelder kann rechtzeitig gegengesteuert werden, bevor kostspieliger Ausschuss entsteht. Serienfertiger, die üblicherweise über Stichproben die Einhaltung der Qualitätsregeln prüfen, können kontinuierlich und damit lückenlos jedes produzierte Teil auf Masshaltigkeit prüfen und diese dokumentieren. Die kaskadierte Lösung der Vernetzung, ob lokal, im Firmennetzwerk (Private Cloud) oder über eine internetbasierte Verbindung zur Mindsphere, erlaubt Unternehmen mit unterschiedlichen Bedarfslagen, über den Schlüsselbaustein des Edge-Computers auf die Mehrwertdienste von Heller zuzugreifen.

Vorhersehbarkeit von Störungen oder Wartungsintervallen

Die Transformation der Daten in Informationen, die kundenseitig einen hohen Nutzwert besitzen, gelingt durch die Kombination mit dem Domänenwissen von Heller. Denn die Zusammenhänge innerhalb der Werkzeugmaschine weiss durch sein langjähriges Maschinen- und Funktionswissen niemand besser zu beurteilen als der Hersteller selbst. Die von der Sinumerik-Edge eingeholten Daten werden über ein hinterlegtes Modell geführt und so für den Nutzer in leicht interpretierbare, grafisch aufbereitete Trendverläufe, Werkstückabbildungen oder Handlungsanweisungen übersetzt. Auf den im Edge-Computer hinterlegten Modellen können Prozesseinflüsse von Maschineneinflüssen getrennt beobachtet und analysiert werden. Während die CNC-Steuerung nur von einem PLC-Satz zum nächsten springt, erlauben das Transformieren der vorverdichteten Daten im Edge-Computer und die anschliessende Übermittlung an die Cloud-Umgebung eine zeitlich unbegrenzte Speicherung. Ausserdem stehen die Kapazitäten der Maschinensteuerung komplett dem Bearbeitungsprozess zur Verfügung und werden nicht von der Datenverarbeitung gebremst. Werden auf diese Weise gewonnene Daten einer Langzeitbeobachtung unterzogen, die mithilfe hoher Rechenleistung und vielfältiger Algorithmen in der Cloud umfassender ausfallen kann als innerhalb der CNC-Maschinensteuerung, lässt sich die Verfügbarkeit deutlich steigern. Im Rahmen der Fehler- und Überwachungsdiagnose können so aktuelle Ereignisse in Bezug zu Aufzeichnungen aus der Vergangenheit gebracht werden, was die Vorhersehbarkeit von Störungen oder Wartungsintervallen (Predictive Maintenance) entscheidend verbessert.

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Absicherung für einen kollisionsfreien Arbeitsraum

Das Erlernen von Handlungsanweisungen für den Bediener sowie das Aufspüren von Zusammenhängen, beispielsweise wie Temperatur- und Reibungssituationen das Bearbeitungsergebnis beeinflussen, ist aufgrund fehlender Langzeitspeicher innerhalb der Maschine nur über die «externe Speicher- und Rechenstation» namens Cloud möglich. Sich anbahnende Überwachungsereignisse lassen sich präzise vorhersagen und verhindern so wirkungsvoll einen Maschinenausfall. Dies betrifft auch die Handlungsanweisungen, die vor dem Störfall getroffen werden, anstelle von Fehlermeldungen, die erst nach Eintritt des Ereignisses eigentlich zu spät informieren. „Der ungeplante Maschinenstillstand ist unter allen Umständen zu vermeiden“, betont Bernd Zapf. «Mit ‚Collision Avoidance‘ zeigen wir eine aktuelle Entwicklung, die im Wesentlichen aus zwei Komponenten besteht: einem Berechnungsalgorithmus, der schon vor der Maschinenbewegung mögliche Kollisionen überprüft und diese dann erst gar nicht anfährt. Zusätzlich kann die Funktion um eine Videokamera-basierte Überwachung ergänzt werden, mit der der Arbeitsraum auf das korrekte Werkstück und dessen Aufspannung als auch das Werkzeug überprüft werden. Damit ist sichergestellt, dass die Maschine mit dem richtigen Werkstück und Werkzeug ausgerüstet ist. Schäden, die durch ein im Magazin falsch einsortiertes Werkzeug entstünden, werden verhindert. Mit diesem Paket ist somit eine komplette Absicherung für einen kollisionsfreien Arbeitsraum gegeben», erklärt der Entwicklungsleiter. Die Gefahr eines kostspieligen Crashs zwischen Spindel und Werkstück wird so endgültig der Vergangenheit angehören. Anwender, die unter hohem Zeit- und Termindruck stehen, kann die Befürchtung, eine der häufigsten Ursachen für gravierende Schäden an Werkstück und Maschine zu erleiden, genommen werden.

Mit Heller4Industry stösst der Werkzeugmaschinenhersteller das Tor zu Industrie 4.0 weit auf. Die Kombination aus hochpräzisem Maschinenbau und leistungsfähigen IT-Werkzeugen eröffnet für Anwender in jeder Situation Potenziale, deren Nutzung nachweislich zu sicheren Prozessen und hohen Ausbringungsleistungen führt. Die Kommunikationsfähigkeit der Werkzeugmaschine, die durch Sinumerik-Edge erreicht wird, liefert den Schlüssel zu intelligenten Optimierungsmassnahmen – situativ, individuell, aktuell und vor allem eines: sicher. -ari- SMM

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