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Produktentwicklung mit sensorintegrierenden Maschinenelementen – Beherrschung der Unsicherheit von in-situ erfassten Daten im mechatronischen System

Ausgangslage

Im Kontext der fortschreitenden Digitalisierung des Maschinenbaus werden im Rahmen aktueller Forschung neue innovative Konzepte zur Sensorintegration entwickelt. Hierzu zählen unter anderem auch die sogenannten sensierenden Maschinenelemente (SME, engl. Sensing Machine Elements), die In-situ-Messungen unmittelbar im Prozess ermöglichen. Am Fachgebiet für Produktentwicklung und Maschinenelemente (pmd) der Technischen Universität Darmstadt liegt ein Forschungsschwerpunkt zurzeit auf der Erforschung der sensorischen Nutzung von Wälzlagern. Über die Messung der elektrischen Impedanz eines Wälzlagers während des Betriebs und geeigneter Auswertemodelle sollen Prozess- und Zustandsinformationen, wie z. B. die Drehzahl, die Lagerlast oder Lagerschädigungen, unmittelbar im Prozess erfasst werden können. Die Nutzung von SME verspricht dabei unter anderem einen geringen Integrationsaufwand durch die Nutzung bereits integrierter und standardisierter Maschinenelemente und reduzierte Unsicherheit durch eine hohe Prozessnähe.

Abbildung 1: Konzept der strukturintegrierten Energie- und Signalleitung (sEuSL) im Rahmen der sensorischen Nutzung eines Wälzlagers unter Berücksichtigung von Störströmen und Störeinflüssen

Um die genannten SME realisieren zu können, müssen die Sensorelemente mit der benötigten Energie versorgt und die generierten Sensorsignale vom Sensorelement hin zur Auswerteeinheit geleitet werden. Aufgrund der tiefen Integration in das übergeordnete technische System sowie oftmals auf rotierende Elemente wie Wellen und die Anforderung, möglichst geringe konstruktive Anpassungen durchführen zu müssen, bieten sich sogenannte strukturintegrierte Energie- und Signalleitungen (sEuSL) an, siehe Abbildung 1. Bei diesen werden die benötigte Energie sowie die elektrischen Signale über die bestehende Maschinenstruktur geleitet. Diese elektrischen Pfade sind in der Regel nicht eindeutig und gehen mit einer hohen Unsicherheit aufgrund parasitärer Ströme oder Störkapazitäten einher.

Projektziele

Im Rahmen des zwischen Mai 2020 und April 2023 durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekts mit dem Titel „Produktentwicklung mit sensorintegrierenden Maschinenelementen – Beherrschung der Unsicherheit von in-situ erfassten Daten im mechatronischen System“ und mit der Projektnummer 431606807 sollen die genannten sEuSL sowie die darauf wirkenden Störgrößen quantitativ beschrieben werden, um die Unsicherheit in diesem Kontext zu reduzieren.

Dabei sollen im Rahmen des Projekts folgende drei Themenkomplexe untersucht werden:

  1. Identifikation und Quantifizierung der Störgrößeneinflüsse auf die strukturintegrierte Energie- und Signalleitung (sEuSL) bei Einbindung sensierender Maschinenelemente (SME) in mechatronische Systeme
  2. Entwicklung von Modellen und Methoden für die Analyse mechatronischer Systeme mit SME zur quantitativen Bewertung der Störgrößeneinflüsse
  3. Entwicklung von Hinweisen und Richtlinien für die Gestaltung von sEuSL zur Absenkung der Störgrößenanfälligkeit

Vorgehensweise

Das Vorgehen innerhalb des Projekts ist in sechs Arbeitspakete unterteilt. In den experimentell geprägten Arbeitspaketen 1 bis 3 werden die elektrischen Eigenschaften von Maschinenelementen in Abhängigkeit mechanischer Größen, wie z. B. Kräften, Momenten und Drehzahlen, untersucht und quantitativ modelliert. In Arbeitspaket 4 werden darauf aufbauend externe Störeinflüsse auf die elektrischen Eigenschaften der betrachteten Maschinenelemente identifiziert und quantitativ beschrieben. In den abschließenden Arbeitspaketen 5 und 6 sollen die erarbeiteten Erkenntnisse in einem Gesamtsystem evaluiert werden. Weiterhin sollen in diesen Arbeitspaketen geeignete Methoden sowie Gestaltungshinweise für die spätere Anwendung entwickelt und initial validiert werden.