DE102017219549A1

DE102017219549A1 - Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage

Info

Publication number: DE102017219549A1
Application number: DE102017219549.5A
Authority: DE
Inventors: Christoph Kielhorn; Helmut Lippert; Markus Buschmann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-11-03
Filing date: 2017-11-03
Publication date: 2019-05-09
Also published as: WO2019086160A1; CN111356963A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage, die reproduzierbar wiederkehrende Prozesse durchführt, insbesondere einer taktgebundenen Fertigungsanlage. Um ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage zu schaffen, das einfach anwendbar und automatisierbar ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Wirkleistung P(t) von mehreren aufeinanderfolgenden wiederkehrenden Prozessen als Referenzdatensatz P_ref (t) registriert wird, und aus dem Referenzdatensatz P_ref (t) automatisch mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz P_ref, _para (t) gebildet wird, dessen Verlauf mit dem Ist-Verlauf der Wirkleistung P_ist (t) des laufenden Prozesses verglichen wird, so dass Abweichungen zwischen dem parametrierten Referenzdatensatz P_ref, _para (t) und dem Ist-Verlauf der Wirkleistung P_ist (t) einen Rückschluss auf den Zustand der Fertigungsanlage erlauben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage, die reproduzierbar wiederkehrende Prozesse durchführt, insbesondere einer taktgebundenen Fertigungsanlage.
Die Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage dient dazu, verschleißbedingte Fehler während des laufenden Prozesses festzustellen, bevor die Fehler im ungünstigsten Fall zu einem Ausfall der Fertigungsanlage oder zu Fehlproduktionen führen. In Abhängigkeit der Art der Fertigungsanlage stehen hierfür unterschiedliche Verfahren zur Verfügung, die an das zu bearbeitende Werkstück und an die zu erwartenden Verschleißerscheinungen angepasst sind.
Beispielsweise lassen sich mittels einer Schwingungsüberwachung Schäden und Verschleißerscheinungen an Wälzlagern, Zahnrädern, Wellen oder ähnlichen Bauteilen frühzeitig und zuverlässig durch die Veränderung des spezifischen Frequenzspektrums der jeweiligen Komponente ermitteln, wozu die Amplitude sowie die Frequenz und die auftretenden Beschleunigungen an den Komponenten der Anlage gemessen werden. Abweichungen dieser Messwerte von festgelegten Sollwerten deuten auf individuelle Abnutzungs- und Verschleißerscheinungen hin.
Ein weiteres bekanntes Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage ist eine Ölqualitätsmessung, wozu Verschleißpartikel im Schmierstoff festgestellt werden und die Viskosität des Schmierstoffs ermittelt wird.
Ferner können insbesondere bei Zerspanungswerkzeugen, wie beispielsweise Drehmeißel, Fräser, Verschleißerscheinungen durch eine Thermografie festgestellt werden, bei der die Temperatur der Fertigungsanlage flächenartig gemessen wird, weil die Zerspanung mit verschlissenen Werkzeugen eine erhöhte Reibung und mithin eine erhöhte Temperatur erzeugt.
Schließlich ist es bekannt, aus dem Energieverbrauch bzw. der Leistungsaufnahme einzelner Antriebe einer Fertigungsanlage den Zustand abzuschätzen. Dieses Verfahren setzt auf der Überlegung auf, dass ein etwaiger Verschleiß an Reibstellen zu einer Erhöhung der Reibung und mithin zu einer Erhöhung des Drehmoments und der Strom- bzw. Leistungsaufnahme führt. Beispielsweise erlaubt dieses Verfahren einen Rückschluss auf den Werkzeugverschleiß einer spanenden Werkzeugmaschine, weil bei konstanter Zustellung und Schnittgeschwindigkeit die Stromaufnahme des Hauptantriebs proportional zur Schnittkraft ist. Diese steigt mit zunehmendem Werkzeugverschleiß an, womit sich erforderliche Werkzeugwechsel anhand der Stromaufnahme feststellen lassen.
Mit bekannten Verfahren ist die Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage über die Überwachung der Energiedaten nur unter Hinzunahme weiterer Daten, insbesondere Sensordaten möglich, die mit den Energiedaten korreliert werden. Üblicherweise handelt es sich hierbei um die Temperatur, Drehzahl und/oder Verfahrgeschwindigkeit von Komponenten. Beispielsweise wird in DE 199 03 826 A1 ein System zur Überwachung einer Fertigungsanlage offenbart, bei dem aus diversen Sensoren unterschiedliche Prozesskenndaten aufgenommen und verarbeitet werden.
In vergleichbarer Weise schlägt auch DE 10 2010 043 651 A1 ein Verfahren zur Überwachung einer Anlage vor, bei dem neben Energieverbrauchswerten auch komponentenspezifische Zustandsdaten erhoben werden, die zusammen für eine Zustandsüberwachung auszuwerten sind.
Nachteilig an den bekannten Verfahren ist, dass die Verfahren jeweils auf spezielle Anwendungsfälle und auf spezielle Fertigungsanlagen ausgelegt sind, weshalb die Anwendung der Verfahren mit einem erheblichen Aufwand bei der Einstellung erforderlicher Parameter verbunden sind. Darüber hinaus ist für bekannte Verfahren eine umfangreiche Sensorik erforderlich, was sowohl bei der Installation als auch bei der Wartung einen hohen Arbeitsaufwand und mithin hohe Kosten erzeugt. Ferner lassen sich die bekannten Verfahren aufgrund der inkonsistenten und systemspezifischen Kenndaten nicht ohne Weiteres automatisieren, was den Arbeitsaufwand bei der Installation zudem erhöht.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage zu schaffen, das einfach anwendbar und automatisierbar ist. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass die Wirkleistung von mehreren aufeinanderfolgenden wiederkehrenden Prozessen als Referenzdatensatz registriert wird, und aus dem Referenzdatensatz automatisch mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz gebildet wird, dessen Verlauf mit dem Ist-Verlauf der Wirkleistung des laufenden Prozesses verglichen wird, so dass Abweichungen zwischen dem parametrierten Referenzdatensatz und dem Ist-Verlauf der Wirkleistung einen Rückschluss auf den Zustand der Fertigungsanlage erlauben. Die Wirkleistung ist dabei das Produkt aus dem Strom und der an der Fertigungsanlage anliegenden Spannung, so dass das Verfahren analog durch die Messung des Stroms anwendbar ist, sofern von einer konstanten Spannung an der Fertigungsanlage ausgegangen werden kann.
Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren zur Zustandsüberwachung erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine automatische Zustandsüberwachung, die ausschließlich auf der Messung der Wirkleistung und/oder des Stroms während des laufenden Prozesses basiert. Auf weitere Kenndaten durch andere Sensoren, insbesondere Messwerte von Temperaturen, Geschwindigkeiten, Beschleunigungen oder dergleichen kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verzichtet werden. Insofern lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne Weiteres an unterschiedlichen Fertigungsanlagen anwenden, ohne auf unterschiedliche Sensoranordnungen angepasst werden zu müssen. Mithin ist eine einfache Automatisierbarkeit des Verfahrens gegeben.
Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend sowie in den Unteransprüchen angegeben.
Es wurde bereits darauf hingewiesen, dass sich die vorliegende Erfindung insbesondere durch die Möglichkeit einer automatischen Parametrierung des Referenzdatensatzes auszeichnet. Hierzu ist nach einer ersten bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass anhand des Referenzdatensatzes eine Datenanalyse, eine Segmentierung, eine Klassifizierung der Segmente, eine Verfahrensauswahl und Parameterberechnung sowie eine Überprüfung des parametrierten Referenzdatensatzes durchgeführt wird. Auf die einzelnen Verfahrensschritte wird im Folgenden eingegangen.
Der Referenzdatensatz wird vorzugsweise über eine lange Zeitspanne, vorzugsweise über 24 Stunden aufgezeichnet, so dass während dieser Zeit etliche wiederkehrende Prozesse durchgeführt werden. Bei der Datenanalyse des Referenzdatensatzes werden mehrere Kennwerte bestimmt, insbesondere die Anzahl der wiederkehrenden Prozesse, die Anzahl der Takte, die mittlere Prozess- oder Taktzeit, die minimale Prozess- oder Taktdauer, die minimale und maximale Wirkleistung, die durchschnittliche Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten und/oder die Messwertauflösung, also die Genauigkeit, mit der die Werte gemessen werden. Bei der Prozess- oder Taktzeit handelt es sich um die Zeitspanne, die zwischen einem Taktanfang und dem darauffolgenden Taktanfang vergeht. Etwaige Transportzeiten eines Werkstücks (Standby-Zeit), das in die Fertigungsanlage ein- und ausfährt, sind in der Taktzeit bereits enthalten. Hiervon zu unterscheiden ist die Prozess- oder Taktdauer, die die Zeitspanne zwischen Taktanfang und Taktende darstellt. Die Transportzeiten der Werkstücke zwischen zwei Takten sind der Taktdauer daher nicht zuzuordnen.
Anhand der ermittelten Kennwerte erfolgt die Segmentierung des Referenzdatensatzes in Segmente, die einer Prozess- oder Taktdauer zuzuordnen sind. Jedes Segment beginnt dabei mit dem Beginn eines Taktes und endet mit dem Ende des Taktes. Im Falle von Takten, die beispielweise 55 s dauern und einer Transportzeit des Werkstücks von 5 s, erhält man unter der (theoretischen) Annahme einer ununterbrochenen Fertigung 1.440 Segmente für einen Referenzdatensatz mit einer Länge von 24 Stunden.
Die Segmente werden anschließend iterativ klassifiziert, indem die Segmente miteinander verglichen werden und im Falle signifikanter Unterschiede unterschiedlichen Klassen zugeordnet werden. Die signifikanten Unterschiede können durch zum Teil unterschiedliche Arbeitsschritte bedingt sein, die an Werkstücken in derselben Fertigungsanlage durchgeführt werden. Wie viele Klassen letztendlich gebildet werden müssen, ist insbesondere von dem zu überwachenden Prozess und den vorgebbaren Toleranzen abhängig.
Die anschließende Parameterberechnung erfolgt klassenweise. Das bedeutet, dass zur Parameterberechnung klassenweise auf alle Referenzdaten der Segmente mindestens ein Beschreibungsverfahren angewendet wird, so dass sich pro Klasse und Beschreibungsverfahren ein parametrierter Referenzdatensatz ergibt. Ein Beschreibungsverfahren ist dabei eine wählbare Vorschrift, mit der die Messwerte aller Segmente einer Klasse miteinander verknüpft werden. Beispielsweise sieht ein bevorzugtes Beschreibungsverfahren vor, aus allen Messwerten der Segmente zu einem Zeitpunkt den Mittelwert zu bilden und die Standardabweichung zu bestimmen. Der parametrierte Referenzdatensatz enthält in diesem Fall einen zeitlichen Verlauf der Mittelwerte aller Messwerte inklusive einer Hüllkurve von der Höhe der dreifachen Standardabweichung.
Nach der automatisierten Parametrierung des Referenzdatensatzes ist eine Überprüfung durchzuführen, ob der parametrierte Referenzdatensatz anwendbar ist und ob er den Referenzdatensatz hinreichend genau beschreibt, wozu er zunächst an dem ursprünglichen Referenzdatensatz getestet wird. Hierzu ist vorzugsweise vorgesehen, dass zur Überprüfung die parametrierten Referenzdatensätze auf den Referenzdatensatz angewendet werden, wobei die Überprüfung positiv abgeschlossen wird, wenn mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz dem Verlauf des Referenzdatensatzes bei jedem Takt ohne signifikanten Abweichungen entspricht. Demnach wird überprüft, ob jeder Abschnitt des Referenzdatensatzes dem Verlauf mindestens eines parametrierten Referenzdatensatzes entspricht, wobei etwaige Toleranzen einstellbar sind und beispielsweise durch die Hüllkurve vorgegeben werden können. Sollte sich der Verlauf des Referenzdatensatzes nicht durch die mehrfache Aneinanderreihung von parametrierten Referenzdatensätzen darstellen lassen, sind die parametrierten Referenzdatensätze zu verwerfen und die Parametrierung des Referenzdatensatzes ist mit anderen Vorgaben bzw. Parametern zu wiederholen.
Sobald ein parametrierter Referenzdatensatz vorliegt, der eine hinreichend genaue Beschreibung des Referenzdatensatzes liefert, kann der laufende Produktionsprozess mit dem parametrierten Referenzdatensatz überwacht werden, indem der zeitliche Verlauf der Energiedaten des laufenden Prozesses mit dem parametrierten Referenzdatensatz verglichen wird. Sollten die Energiedaten im Laufe der Zeit signifikante Abweichungen aufzeigen, die in den Daten des Referenzdatensatzes nicht wiederzufinden ist, deuten die Abweichungen auf Verschleißerscheinungen hin. Der Zeitpunkt innerhalb eines Taktes, bei dem die Abweichungen vorliegen, liefert bei der Fehlerdiagnose wertvolle Hinweise auf die Art der Verschleißerscheinung und welche Komponente der Fertigungsanlage betroffen ist.
Eine konkrete Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Abbildungen erläutert. Es zeigen:

1 einen schematischen Aufbau einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und
2 einen Verfahrensablauf bei der Parametrierung eines Referenzdatensatzes.

1 zeigt eine Fertigungsanlage 1 innerhalb einer Produktionslinie von Kraftfahrzeugen. Die dargestellte Fertigungsanlage 1 ist eine taktgebundene Fertigungsanlage 1, in der wiederholbare Fertigungsprozesse durchgeführt werden. Um den Zustand der Fertigungsanlage 1 während des laufenden Betriebs permanent überwachen zu können, ist die Fertigungsanlage 1 über eine Messleitung 2 mit einem Mikrocontroller 3 verbunden, der die Energiedaten der Fertigungsanlage 1 zunächst als Referenzdatensatz über einen Zeitraum von 24 Stunden mit einer Auflösung von einem Messwert pro Sekunde aufzeichnet und speichert. Die Parametrierung des Referenzdatensatzes erfolgt anschließend über einen Webserver auf einem geeigneten Computer 4, der die parametrierten Referenzdatensätze nach einer erfolgreich durchgeführten Überprüfung an den Mikrocontroller 3 zurückgibt. Die Überwachung des laufenden Prozesses bei der Fertigung erfolgt wiederum auf dem Mikrocontroller 3, der zur dauerhaften Speicherung die Messwerte an eine entsprechend eingerichtete Datenbank 5 weitergibt.
Die automatisierbare Parametrierung des aufgezeichneten Referenzdatensatzes ist schematisch in 2 dargestellt. Hierin wird von einem Referenzdatensatz P_ref(t) ausgegangen, der die Energiedaten einer taktgebundenen Fertigungsanlage in Abhängigkeit der Zeit zeigt. Der aufgezeichnete Referenzdatensatz P_ref(t) wird zunächst analysiert und es werden verschiedene Kenndaten ermittelt. Hierzu werden zunächst die Zeiten bestimmt, an denen ein Takt beginnt (T_an ) und an denen ein Takt endet (T_bn ), wozu davon ausgegangen werden kann, dass der Energieverbrauch während der Fertigung - also während eines Taktes - um ein Vielfaches höher als während der Standby-Zeit zwischen zwei Takten ist, bei denen das Werkstück aus der Fertigungsanlage herausfährt und ein neues Werkstück einfährt. Anhand der festgelegten Zeiten wird die Anzahl der Takte ermittelt, die während der Aufzeichnung des Referenzdatensatzes stattgefunden haben. Im dargestellten Referenzdatensatz P_ref(t) werden unter Berücksichtigung der ermittelten Werte fünf Takte aufgefunden, die bei der Segmentierung jeweils einem Segment zugeordnet werden, so dass sich im gezeigten Ausführungsbeispiel die Segmente S₁ ,..., S₅ ergeben.
Die identifizierten Segmente werden anschließend miteinander verglichen und im Falle signifikanter Differenzen unterschiedlichen Klassen zugeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel werden die Segmente S₁ , S₃ und S₅ der Klasse A zugeordnet und die Segmente S2 und S4 bilden Klasse B. Die Anzahl unterschiedlicher Klassen ist vor der Durchführung der Parametrierung nicht festgelegt und davon abhängig, wie stark der Energieverbrauch pro Segment von jeweils anderen Segmenten differiert.
In jeder Klasse werden die Messwerte aller Segmente über ein geeignetes Beschreibungsverfahren miteinander verknüpft, so dass sich ein resultierender zeitlicher Verlauf der Energiedaten inklusive einer Hüllkurve ergibt, die eine Art Toleranzbereich um den zeitlichen Verlauf der Energiedaten bildet. Pro Klasse und Beschreibungsverfahren entsteht so ein parametrierter Referenzdatensatz, wobei in 2 pro Klasse nur ein einziger parametrierter Referenzdatensatz gezeigt ist.
Die abschließende Überprüfung der ermittelten Datensätze ergibt, ob die Segmente S₁ ,..., S₅ vollständig von mindestens einem der parametrierten Referenzdatensätze beschrieben werden oder ob Abweichungen vorhanden sind. In diesem Fall müsste die Parametrierung erneut mit anderen Werten und ggf. mit einem anderen Beschreibungsverfahren wiederholt werden, bis ein geeigneter parametrierter Referenzdatensatz vorhanden ist, so dass sich der ursprüngliche Referenzdatensatz aus einer Aneinanderreihung verschiedener parametrierter Referenzdatensätze ergibt. Diese parametrierten Referenzdatensätze können anschließend für die laufende Überwachung des Fertigungsprozesses verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Fertigungsanlage
2: Messleitung
3: Mikrocontroller
4: Computer
5: Datenbank

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19903826 A1 [0007]
DE 102010043651 A1 [0008]

Claims

Verfahren zur Zustandsüberwachung einer Fertigungsanlage (1), die reproduzierbar wiederkehrende Prozesse durchführt, insbesondere einer taktgebundenen Fertigungsanlage (1), dadurch gekennzeichnet, dass a) die Wirkleistung P(t) von mehreren aufeinanderfolgenden wiederkehrenden Prozessen als Referenzdatensatz P_ref(t) registriert wird, und b) aus dem Referenzdatensatz P_ref (t) automatisch mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz P_ref, _para (t) gebildet wird, dessen Verlauf mit dem Ist-Verlauf der Wirkleistung P_ist (t) des laufenden Prozesses verglichen wird, so dass Abweichungen zwischen dem parametrierten Referenzdatensatz P_ref, _para (t) und dem Ist-Verlauf der Wirkleistung P_ist (t) einen Rückschluss auf den Zustand der Fertigungsanlage erlauben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen Parametrierung des Referenzdatensatzes P_ref (t) eine Datenanalyse des Referenzdatensatzes P_ref (t), eine Segmentierung, eine Klassifizierung der Segmente, eine Verfahrensauswahl und Parameterberechnung sowie eine Überprüfung des parametrierten Referenzdatensatzes P_ref, _para (t) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Datenanalyse des Referenzdatensatzes P_ref (t) mehrere Kennwerte bestimmt werden, insbesondere - die Anzahl N der wiederkehrenden Prozesse, insbesondere die Anzahl N der Takte, - die mittlere Prozess- oder Taktzeit T_Z, - die minimale Prozess- oder Taktdauer T_D, - die minimale und maximale Wirkleistung P_min und P_max, - die durchschnittliche Differenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messwerten und/oder - die Messwertauflösung.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Segmentierung die Abschnitte des Referenzdatensatzes P_ref (t) ermittelt werden, die einer Prozess- oder Taktdauer T_D und mithin einem Segment zuzuordnen sind.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelten Segmente miteinander verglichen werden und im Falle signifikanter Unterschiede unterschiedlichen Klassen zugeordnet werden.
Verfahren nach Anspruche 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Parameterberechnung klassenweise auf alle Referenzdaten der Segmente mindestens ein Beschreibungsverfahren angewendet wird, so dass sich pro Klasse und Beschreibungsverfahren ein parametrierter Referenzdatensatz P_ref, _para (t) ergibt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung eines Beschreibungsverfahrens eine Mittelwertbildung aller Messwerte der Segmente einer Klasse zu einem Zeitpunkt erfolgt und die Standardabweichung ermittelt wird, so dass der parametrierte Referenzdatensatz P_ref, _para (t) einen zeitlichen Verlauf der Mittelwerte aller Messwerte und eine Hüllkurve von der Höhe der dreifachen Standardabweichung enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überprüfung die parametrierten Referenzdatensätze P_ref, _para (t) auf den Referenzdatensatz P_ref (t) angewendet werden, wobei die Überprüfung positiv abgeschlossen wird, wenn mindestens ein parametrierter Referenzdatensatz P_ref, _para (t) dem Verlauf des Referenzdatensatzes P_ref (t) bei jedem Takt ohne signifikanten Abweichungen entspricht.