2019 stellte der Nürnberger Maschinenbauer GMN mit „IDEA-4S“ ein Konzept vor, um seine Spindelmodelle Industrie 4.0-fähig zu machen. Zwei Jahre später ist der Premiumlieferant für Hochleistungsspindeln mit seiner Entwicklung bereits deutlich weiter. IDEA-4S, die „Integrierte Datenerfassung und Auswertung für Spindeln“, kann Spindeln und Motoren zu Leistungssteigerungen und Performanceverbesserungen verhelfen. Die kleine Komponente sorgt so für die perfekte IIoT-Anbindung der Antriebskomponenten.
Interview mit Dr. Jens Falker, der seit Anfang 2020 Entwicklungsleiter Spindeltechnik bei der GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co. KG, Nürnberg ist. An der RWTH Aachen hat er Maschinenbau und Wirtschaftsingenieurwesen studiert und 2019 im Maschinenbau promoviert.
Frage 1:
Sie bieten IDEA-4S als Digitalisierungsbauteil für Spindeln und Motoren an. Was kann die Technologie?
Dr. Falker:
Wir liefern mit IDEA-4S ein Embedded System, welches sich problemlos in unterschiedliche Antriebskomponenten einbauen lässt. Es ist eine kompakte, leicht integrierbare Informationstechnologie, die Spindeln und Motoren in die Lage versetzt, relevante Informationen zu erheben, diese anzureichern und sie zu interpretieren. IDEA-4S ermittelt diese Daten auf einfache Weise und stellt sie mittels bidirektionaler Signale über eine digitale Schnittstelle für einen Austausch und die Kommunikation in Produktionsnetzwerken bereit.
Frage 2:
Was bietet IDEA-4S dem Anwender?
Dr. Falker:
Mit IDEA-4S lassen wir jeden Nutzer von unserer enormen Erfahrung als marktführender Hersteller von Hochleistungsspindeln teilhaben. Diese intelligente Lösung betrachtet und bewertet die Rohdaten mit unserem Fachblick und mit unserem Know-how. Wir von GMN können besser als jeder andere die Spindeldaten kontextualisieren. In IDEA-4S lassen wir das Wissen von mehreren Hunderttausend Spindeln und mehr als 100 Jahren Erfahrung als Spindelhersteller einfließen. Wir können sagen, welche Sensordaten wichtig sind, wir können die gewonnenen Signale miteinander in Zusammenhang stellen und interpretieren. Mit unserer Lösung bekommt der Kunde nicht eine Riesenmenge an Daten, sondern die für seine Spindel oder seinen Motor wichtigen.
Frage 3:
Ein Beispiel?
Dr. Falker:
IDEA-4S kann Ihnen beispielsweise auf Anhieb sagen, was unterschiedliche Anstiege von Kühltemperatur und Lagertemperatur bei bestimmten Drehzahlen bedeuten. Unser Embedded System gibt darüber hinaus sofort eine Antwort auf die Frage, ob und wie die Antriebseinheit hierauf reagieren sollte.
Langfristig bekommt der Kunde durch IDEA-4S also Hinweise, wie er seine Spindel und seinen Motor optimal nutzen kann. Dadurch werden Leistungssteigerungen und Performanceverbesserungen möglich.
Frage 4:
Vor zwei Jahren wurde IDEA-4S als zusätzliche Ausstattungsoption für GMN-Spindeln angekündigt. Was ist in der Zwischenzeit passiert?
Dr. Falker:
Durch den engen Austausch mit unseren Kunden haben wir die Anforderungen an unser System geschärft. In den vergangenen 24 Monaten konnten unsere Entwicklungsingenieure und -techniker so neue Innovationen beisteuern und umsetzen. Alle Neuerungen haben wir gleich in typischer Maschinentopologie und moderner Steuerungsarchitektur erprobt. Mittlerweile sind wir in verschiedenen Pilotprojekten mit ausgewählten Kunden aktiv und die Resonanz ist sehr gut. Konkrete Anwendungsbeispiele können wir in Kürze vorstellen.
Ein Vergleich der Funktionalität mit Marktanalysen rund um das Thema IIoT zeigt uns, dass bereits heute Kunden die mit IDEA-4S realisierbaren digitalen Dienste wünschen: 55% wollen Asset Tracking, 52% wollen manuelle Prozesse automatisieren und 45% wollen vorausschauende Wartung.
Bislang kommunizieren die meisten Spindeln ausschließlich unidirektional mit der Steuerung, also mit der nächsten Stufe der klassischen Automatisierungspyramide. Für eine vernetzte Fertigung und eine umfassende Automation müssen diese Spindeln zukünftig in der Lage sein, mit sämtlichen Ebenen eines Produktionsnetzwerks bidirektional zu kommunizieren. Dazu müssen sie IIoT-ready sein.
Das ist IDEA-4S: ein Embedded System, das sich unkompliziert in Antriebskomponenten und moderne Steuerungsarchitekturen integrieren lässt. Wir brauchen in der Antriebskomponente lediglich die Sensoren und ein wenig Platz für IDEA-4S – dann digitalisieren wir jede Spindel und jeden Motor.
Frage 5:
Können Sie die Technik von IDEA-4S beschreiben?
Dr. Falker:
IDEA-4S verarbeitet verschiedene Sensorsignale gleichzeitig. Dazu gehören die Lager-, und Kühlmitteltemperatur, Drehzahl, der Spannzustand und ab diesen Herbst auch Schwingungen und Verlagerungen.
Die Signale werden erfasst, ausgewertet und zyklisch als Prozesswerte übertragen: Wie hoch ist der aktuelle Wert, ist dieser in Ordnung, muss vor einer Abweichung gewarnt werden, liegt ein Fehler vor?
Zusätzliche azyklische Informationen wie das digitale Typenschild und Informationen zum Asset Management der Antriebskomponenten können manuell abgerufen und geschrieben werden. So erfahren Sie zum Beispiel, von wann bis wann eine Komponente in welcher Maschine bei welchem Kunden eingesetzt war und wie lange sie mit welcher Konfiguration gelaufen ist. Weiterhin erhalten sie statistische Werte zu Ihre Betriebsdaten.
Diese Informationen können über eine IO-Link-Schnittstelle direkt durch die Steuerung oder über ein IoT-Gateway weiterverarbeitet werden. Dabei stehen zukünftig Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 230,4 kBaud zur Verfügung.
Für die meisten Anwendungen kommt man damit zurecht. Lediglich bei hoch performanten Schwingungsdaten reichen die Übertragungsraten nicht aus. Hier bereitet unser System die Rohdaten vor der Weiterleitung auf und wertet sie bereits vorab aus. So können wir auch hier unser Know-How in die Bewertung der Daten einfließen lassen.
Zusätzlich zur Übertragung der Datenströme über die IO-Link-Schnittstelle werden Informationen über Drehzahl und Motortemperatur weiterhin konventionell direkt an der Maschinensteuerung zur Verfügung gestellt.
Frage 6:
Warum haben Sie sich für IO-Link als Schnittstelle entschieden?
Dr. Falker:
IO-Link bietet viele Vorteile: Zum einen lässt es sich unabhängig von Feldbussystemen und damit universell für alle Steuerungen einsetzen, zum anderen erlauben moderne IO-Link Master eine nahtlose Anbindung in IloT-Infrastrukturen ohne die Performance der Steuerung zu belasten. Außerdem ermöglicht IO-Link eine einfache Punkt-zu-Punkt-Kommunikation, Sie können Geräte problemlos ohne Werkzeug austauschen und es lässt sich dank vollständiger Gerätebeschreibung einfach implementieren. Außerdem genießt IO-Link eine hohe Akzeptanz, die Zahl der IO-Link-Knoten ist 2020 auf mehr als 21 Millionen gestiegen – und die Community wächst weiter.
Frage 7:
Können Sie die Vorteile noch einmal zusammenfassen?
Dr. Falker:
IDEA-4S macht Spindeln und Motoren IIoT-ready. Dadurch, dass es die in der Motorspindel vorhandenen Informationen sichtbar und nutzbar macht, legt es die Basis für die Digitalisierung der Maschine.
Das Digitale Typenschild unterstützt unsere Kunden bei der Verwaltung wertvoller Assets und die gewonnenen Daten bieten einen echten Mehrwert, denn unsere Lösung liefert die Basis um Prozesse zu optimieren. Die Performance verbessert sich, wovon auch die Gesamtanlageneffektivität profitiert. Sie haben geringere Kosten und eine höhere Fertigungsqualität.
Da wir eine von Steuerungs- und Drive-Herstellern unabhängige, leicht integrierbare Lösung anbieten, ist IDEA-4S außerdem fähig, die Inbetriebnahme einer Spindel an der Maschine zu beschleunigen. Sie haben nur eine genormte digitale Schnittstelle und nur ein Kabel und können mit Plug-and-Play sofort starten.
Die Identifikation der Spindel anhand des digitalen Typenschildes ermöglicht die automatisierte Verknüpfung mit Produktdaten, wie Datenblättern, Einstelldaten, Modelldaten und Prüfdaten, und vereinfacht so das tägliche Arbeiten mit der Spindel.
Frage 8:
Wohin geht die zukünftige Entwicklung?
Dr. Falker:
Kurzfristig werden wir sicherlich weitere Sensoren integrieren; so werden wir bis zur EMO noch eine Schwingungsmessung implementiert haben. Außerdem entwickeln und implementieren wir erweiterte Funktionalitäten zur Auswertung und Überwachung. Durch die enge Zusammenarbeit mit unseren Kunden rückt die Anbindung in IIoT-Lösungen in den Vordergrund.
Hier sehen wir die Grundlage für digitale Dienstleistungen rund um die Spindel wie umfassende Remote-Analysen oder Remote-Zugriffsmöglichkeiten. So können wir unsere Kunden im Serviceeinsatz schnellstmöglich unterstützten. Denn im Servicefall vereinfacht sich die Diagnose und Reklamationen können leichter geklärt werden. Das macht zum Beispiel neue Garantie-Modelle möglich.
Auf diese Weise wird IDEA-4S mittel- bis langfristig dazu beitragen, neue digitale Dienstleistungen zu etablieren. Denn wenn Sie das Nutzungsverhalten der Spindel und Motoren umfassend nachvollziehen und optimieren können, wird es möglich, Ausfälle weitestgehend zu vermeiden.
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