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Intelligente aandrijfcomponenten
kunnen klassieke metingen (soms al) voorbijstreven
Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine
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Meten op een machine kan met verschillende methodes. Na de opmars van de
gedistribueerde intelligentie in de procestechniek, beginnen nu ook
fabrikanten van aandrijfcomponenten locale ‘meetintelligentie’ in hun
producten in te bouwen. Deze tendens wordt gedreven door de gebruiker, die
verwacht – of eerder ‘eist’ - dat zijn machinebouwer haast empathisch
meedenkt en feitelijk het ontwikkelproces, het denkproces, op zich neemt.
Dat was wat bijvoorbeeld Optima Filling and Packaging Machines en een niet
nader genoemde Belgisch weefgetouwenfabrikant verwachtten van ‘hun’
machinebouwer Alpha Getriebebau.
Bij het Belgische Optima Filling and Packaging
Machines ging het om een project om lokale meetintelligente in
verpakkingsmachines te bouwen. Optima besloot meer dan een jaar geleden
een onderzoek te starten om de uit modulaire delen opgebouwde
verpakkingsmachines uit te rusten met meetapparatuur. Dit met het oog op
een nog betere kwaliteitscontrole en om een snellere opstart na een
processtoring mogelijk te maken. Aan de hand van de perskracht kan de
operator van dergelijke machine namelijk bepalen of het productieproces
nog constant is, maar dan moet hij wel over die gegevens beschikken. Is de
perskracht toegenomen en het aantal luiers in de verpakking gelijk
gebleven, dan is er in het proces iets aan de samenstelling van de luiers
veranderd. Om dit proces goed onder controle te krijgen werden 3
verschillende meetsystemen, een druktransmitter in de persplaat, een
strain gauge in een speciale koppeling en een nieuwe ‘intelligente‘
transmissiekast (Alpha TP 300 IQ), uitgeprobeerd. De intelligente
transmissiekast kwam op een aantal punten beter uit de verf dan de andere
methodes. Vooreerst was deze transmissiekast relatief eenvoudig onder de
machine te monteren, zonder veel extra installatiekosten. De andere twee
systemen dienden te worden gemonteerd, daar waar het product voorbij komt
wat een extra risico op storingen inhoudt. Daarenboven was extra
bekabeling en versterkers vereist waardoor de kostprijs ongeveer 2000,-
euro hoger lag dan met de Alpha TP 300 IQ.
Weefgetouwen
Een gelijkaardig verhaal is dat van de Duitse dochtermaatschappij van
een bekende – niet nader genoemde - Belgische weefgetouwenfabrikant. Hier
werd Wittenstein voor de uitdaging geplaatst de snelheid van een bestaand
weefgetouw te verhogen en tegelijkertijd de kosten te reduceren. Tot voor
kort werd de weeftafel aangedreven door een servo-aangedreven tandwielkast
met oliekoeling, de TPMA 050 van Alpha Getriebebau, die 20.000 cycli per
uur maakte. Om de productiecapaciteit van dit weefgetouw te kunnen
verhogen was het noodzakelijk om de machine technisch te optimaliseren
(snelheid opdrijven). Eerst werd in nauwe samenwerking met een Duitse
Hochschule besloten om in de vorm van een pilootproject het weefgetouw te
voorzien van speciale sensoren. Nadeel: bepaalde machinedelen moesten
worden veranderd en nieuwe mechanische delen moesten worden gebouwd om de
integratie van de sensoren mogelijk te maken. Daarna werd Wittenstein
uitgenodigd om een voorstel te maken op basis van drie belangrijke
parameters: het bereiken van de gewenste snelheid en het meten van het
koppel en de radiale kracht. Op basis van deze parameters werd de Alpha
TPMA 050 IQ voorgesteld: een combinatie van een hoogprecieze, planetaire
tandwielkast en een op de toepassing afgestemde Wittenstein Cybermotor. De
Alpha TPMA 050 IQ werd uitgerust met sensoren voor het meten van het
koppel, de temperatuur en de radiale kracht. Sinds gewerkt wordt met deze
oplossing kon een beter inzicht verkregen worden in het verloop van de
belasting, de snelheid en de acceleratie. Op basis van de uitgevoerde
analyses (Cymex – zie verder) kon de volledige transmissie worden
geoptimaliseerd conform de eisen van de applicatie. Zo is men onder meer
afgestapt van vloeistofkoeling naar luchtkoeling. Men wist een
kostenreductie van 16% te realiseren en een performanceverbetering van 50%
(van 20.000 cycli naar 30.000 cycli).
Intelligente kast
In beide gevallen was het de lokale intelligentie in de
aandrijf/transmissie-systemen die het verschil maakte. Volgens Alpha
Getriebebau is de tandwielkast de ideale locatie om intelligentie in een
machine in te brengen: het is het centrale deel van de machine waar alle
krachten op in werken en daarenboven situeert de kast zich mooi tussen de
motor (en zijn aansturing) en de rest van de productiemachine. Toch hebben
de fabrikanten van aandrijfsystemen zich in het verleden van hun minst
goede kant laten kennen: de operator beschikt nauwelijks over informatie
over de mechanische aspecten van ‘zijn’ machine. Vandaar, naar eigen
zeggen van Alpha, de ontwikkeling van de IQ-reeks. Deze reeks omvat in
principe alle modellen uit zijn productenpakket (Alpheno, SP+, TP+ of een
TPM model), met uitzondering van de tandwielkasten voor low
end-toepassingen en is uitgerust met één of meerdere sensoren.
De extern ingekochte sensoren worden bij de Alpha IQ door specialisten
ingebouwd. Afgestemd op de uiteindelijke applicatie zijn sensoren in te
bouwen voor het meten van toerental, koppel, kracht, temperatuur of een
combinatie hiervan. Ook is het mogelijk om intelligente afdichtingen in te
bouwen. Hoekmeet- en vibratiesensoren zijn momenteel nog in ontwikkeling.
Naar keuze is de Alpha IQ te verkrijgen met een RS 232-aansluiting, een
veldbus-aansluiting, een optisch signaal met behulp van LED-technologie,
een stroomsignaal van 0-20 mA of een spanningssignaal van 0-10 V. Alle
data worden real time gemeten en opgeslagen op een PC of controller. Met
behulp van de in eigen huis ontwikkelde software, de Cymex software suite,
kunnen alle data worden bewaakt en kan worden nagegaan of van te voren
ingestelde grenswaarden worden overschreden. Is dat het geval dan wordt
volautomatisch een alarmsignaal gegenereerd om bijvoorbeeld de motor stil
te zetten of een alarmlamp te activeren.
Drie concepten
Binnen de IQ reeks zijn er 3 concepten ontwikkeld: condition
monitoring, machine design & optimalisatie en dynamische
procescontrole-optimalisatie. Het concept ‘condition monitoring’ is
duidelijk en werd hierboven reeds beschreven. Wat machinedesign betreft
doet de intelligente tandwielkast dienst als meetinstrument bij de
ontwikkeling van de machine. Aan de hand van de gemeten krachten en
ondersteund door de Cymex softwaresuite is de machinebouwer in staat zijn
machine, de configuratie, te optimaliseren zodanig dat de
bedrijfszekerheid en de performance kan verhoogd worden. Door het real
time meten van de eerder genoemde parameters kan de machine als het ware
mechanisch gedebugged worden. Naast een hogere bedrijfszekerheid kan ook
worden gegarandeerd dat de componenten op de machine niet te klein of te
groot zijn: geen sprake meer van overkill. Het is zelfs mogelijk de
resterende levensduur van een machine te bepalen of te benaderen. Wat
dynamische procescontrole betreft is de ontwikkeling tijdelijk nog
toekomstmuziek. Bij dit concept beoogt men een dynamisch ingrijpen in de
regel- en besturingstechniek. Hiervoor heeft men echter de medewerking
nodig van de leveranciers van controllers en dergelijke. Het doel is op
basis van de gemeten waarden de parameters in het softwareprogramma
dynamisch aan te passen. <<
Kader 1:
Vertandingstechnologie
Alpha Getriebebau behoort tot de Wittenstein AG groep dat naast Alpha
Getriebebau nog 5 andere dochterondernemingen heeft. Allemaal zijn ze
gespecialiseerd in de ontwikkeling, productie en verkoop van hoogprecieze
aandrijf-, besturings- en regelcomponenten (motion control). Alpha
Getriebebau is als fabrikant bekend om zijn vertandingstechnologie en
hoognauwkeurige mechanische aandrijfsystemen. Het bedrijf komt de nieuwe
OEM-markt naar eigen zeggen tegemoet door ‘de ontwikkeling van nieuwe
inventieve producten en door een service die de nieuwe taken van de
machinebouwer moet ondersteunen’.
Kader 2:
Engineeringconcept ‘inspireert’ andere constructeurs tot plagiaat
Een andere nieuwe aandrijfcomponent die de machinebouwer in zijn nieuwe
taken moet bijstaan, is de Alpheno,een ‘personaliseerbare’ tandwielkast
voor high-end toepassingen. De kenmerken van deze tandwielkast zijn een
hoge vermogensdichtheid, een compacte uitvoering en een goede performance.
Alpha Getriebebau heeft er bij deze tandwielkast bewust voor gekozen om
een van de regel afwijkende verkoopstrategie te ontwikkelen en géén
technische catalogus te drukken. De fabricant ergert zich namelijk aan de
kopieën die her en der opduiken en aan het feit dat haar engineeringideëen
ook andere constructeurs blijken te ‘inspireren’. Allereerst wordt de
klant zo niet op het verkeerde been gezet door minder goede kopieën en hun
catalogus. Daarnaast wordt de machinebouwer persoonlijk bijgestaan in de
keuze van elke individuele tandwielkast. Hoewel in principe altijd wordt
uitgegaan van 5 basismodellen, is geen van de reeds geïnstalleerde Alpheno
planetaire tandwielkasten in het veld gelijk. In alle gevallen is het
maatwerk. <<
Les composants d’entraînement intelligents
peuvent (parfois) surpasser les mesures classiques
Hubert Lahaut, Control & Automation Magazine
La mesure sur une machine peut se faire de différentes façons. Après
l’avancée de l’intelligence distribuée dans la technique de processus, les
constructeurs de composants d’entraînement commencent maintenant à
intégrer également une ‘intelligence de mesure’ locale dans leurs
produits. Cette tendance est stimulée par l’utilisateur qui escompte – ou
‘exige’ plutôt – de la part de son constructeur de machines que celui-ci
l’aide à résoudre son problème de manière empathique et se charge ainsi du
processus de développement et de réflexion. Voilà d’ailleurs ce qu’Optima
Filling and Packaging Machines et un constructeur de métiers à tisser
belge non précisé attendaient de ‘leur’ constructeur de machines Alpha
Getriebebau.
Le projet de la société belge Optima Filling and
Packaging Machines consistait à intégrer une intelligence de mesure locale
dans les machines d’emballage. Optima avait décidé, il y a plus d’un an,
de démarrer une étude pour équiper les machines d’emballage modulaires
d’un équipement de mesure dans le but d’améliorer le contrôle de qualité
et de permettre un démarrage plus rapide après une interruption du
processus. L’opérateur d’une telle machine peut en effet définir, sur la
base de la force de compression, si le processus de production est encore
constant, à condition bien sûr de disposer de ces données. Si la force de
compression a augmenté alors que le nombre de langes dans l’emballage est
resté identique, cela signifie que la composition des langes a changé dans
le processus. Pour bien contrôler le processus, la société a testé trois
systèmes de mesure différents : un transmetteur de pression placé dans la
plaque de compression, un extensomètre installé dans un accouplement
spécifique et une nouvelle boîte de transmission ‘intelligente (Alpha TP
300 IQ). La boîte de transmission intelligente s’en sortait mieux à
certains égards que les deux autres méthodes. Elle se plaçait tout d’abord
très simplement sous la machine, sans requérir trop de frais
d’installation supplémentaires. Les deux autres systèmes devaient être
montés à un endroit de passage du produit, ce qui implique un risque
supplémentaire de panne. En outre, ils réclamaient un câblage
supplémentaire et des amplificateurs, ce qui portait leur coût à environ
2000 euros de plus que le système Alpha TP 300 IQ.
Métiers à tisser
L’histoire de la filiale allemande d’un célèbre constructeur de
métiers à tisser belge, non précisé, est similaire. Dans ce cas,
Wittenstein fut placé devant le défi d’augmenter la vitesse d’un métier à
tisser existant tout en réduisant les frais. Récemment encore, la table à
tisser était entraînée par une boîte d’engrenages à entraînement servo
avec refroidissement à l’huile, la TPMA 050 d’Alpha Getriebebau qui
réalisait 20.000 cycles par heure. Afin d’augmenter la capacité de
production de ce métier à tisser, il était nécessaire d’optimiser
techniquement la machine (augmenter la vitesse). Il fut tout d’abord
décidé, en étroite collaboration avec une haute école allemande, de doter
le métier à tisser, dans le cadre d’un projet pilote, de capteurs
spéciaux. L’inconvénient: cette solution nécessitait le changement de
certains composants de la machine et la construction de nouveaux
composants mécaniques afin de permettre l’intégration des capteurs.
Ensuite, Wittenstein fut invité à faire une proposition sur la base de
trois paramètres importants: l’obtention de la vitesse souhaitée et la
mesure du couple et de la force radiale. L’Alpha TPMA 050 IQ a été
présenté sur la base de ces paramètres: une combinaison d’une boîte
d’engrenages planétaires très précise et d’un Wittenstein Cybermotor
adapté à l’application. L’Alpha TPMA 050 IQ a été équipé de capteurs pour
mesurer le couple, la température et la force radiale. L’utilisation de
cette solution a permis de mieux comprendre l’évolution de la charge, de
la vitesse et de l’accélération. Sur la base des analyses réalisées (Cymex
– voir plus loin), la transmission complète a été optimisée conformément
aux exigences de l’application. On est par exemple passé d’un
refroidissement par liquide à un refroidissement par air. Une économie de
16 % a été réalisée et les performances ont été améliorées de 50 % (de
20.000 à 30.000 cycles).
Une boîte intelligente
Dans les deux cas, c’est l’intelligence locale dans les systèmes
d’entraînement / transmission qui faisait la différence. Selon Alpha
Getriebebau, la boîte d’engrenages est l’emplacement idéal pour intégrer
de l’intelligence dans une machine : c’est la partie centrale de la
machine sur laquelle travaillent toutes les forces. En outre, la boîte se
situe bien entre le moteur (et sa commande) et le reste de la machine de
production. Pourtant, les constructeurs de systèmes d’entraînement ne se
sont pour le moins pas fait connaître par leur bon côté dans le passé :
l’opérateur dispose à peine d’informations sur les aspects mécaniques de
‘sa’ machine. D’où le développement, selon les dires d’Alpha, de la série
IQ. Cette série comprend en principe tous les modèles de sa palette de
produits (Alpheno, SP+, TP+ ou un modèle TPM), à l’exception des boîtes
d’engrenages pour les applications bas de gamme, et est dotée d’un ou de
plusieurs capteurs. Les capteurs achetés en externe ont été intégrés dans
l’Alpha IQ par des spécialistes. Adaptés à l’application finale, ces
capteurs doivent être intégrés pour mesurer la vitesse, le couple, la
force, la température ou une combinaison de ces paramètres. Il est
également possible d’intégrer des garnitures intelligentes. Les capteurs
goniométriques et de vibrations sont encore en développement. L’Alpha IQ
peut être obtenu au choix avec une liaison RS- 232, une liaison de bus, un
signal optique réalisé avec la technologie de LED, un signal en courant de
0-20 mA ou un signal en tension de 0-10 V. Toutes les données sont
mesurées en temps réel et stockées dans un PC ou un contrôleur. A l’aide
du logiciel développé en interne, la suite logicielle Cymex, toutes les
données peuvent être surveillées et permettent de vérifier si les valeurs
limites paramétrées à l’avance ont été dépassées. Si c’est le cas, un
signal d’alarme est généré automatiquement afin d’arrêter par exemple le
moteur ou d’activer une signalisation d’alarme.
Trois concepts
Trois concepts ont été développés dans la série IQ : le condition
monitoring, le design et l’optimisation de la machine, et l’optimisation
du contrôle de processus dynamique. Le concept de ‘condition monitoring’
est clair et a déjà été décrit ci-dessus. En ce qui concerne le concept de
design de la machine, la boîte d’engrenage intelligente fait office
d’instrument de mesure lors du développement de la machine. A l’aide des
forces mesurées et de la suite logicielle Cymex, le constructeur de
machines est en mesure d’optimiser sa machine et sa configuration afin
d’en accroître la fiabilité et les performances. Grâce à la mesure en
temps réel des paramètres cités préalablement, la machine peut pour ainsi
dire être déboguée mécaniquement. Outre une plus grande fiabilité, il est
également possible de garantir la taille adéquate des composants de la
machine : il n’est plus question de surpuissance. Il est même possible de
définir ou d’estimer la longévité restante d’une machine. En ce qui
concerne le contrôle de processus dynamique, le développement relève pour
l’heure encore de projets futurs. Ce concept vise une intervention
dynamique dans la technique de régulation et de commande. Or, cela
nécessite la collaboration des fournisseurs de contrôleurs et autres.
L’objectif est d’adapter dynamiquement les paramètres dans le programme
logiciel sur la base des valeurs mesurées. <<
Cadre 1:
Technologie d’engrenage
Alpha Getriebebau fait partie du groupe Wittenstein AG qui compte 5 autres
filiales, en plus d’Alpha Getriebebau. Toutes sont spécialisées dans le
développement, la production et la vente de composants de précision
d’entraînement, de commande et de régulation (motion control). En tant que
constructeur, Alpha Getriebebau est connue pour sa technologie d’engrenage
et ses systèmes d’entraînement mécanique de précision. La société
rencontre, selon ses dires, les besoins du nouveau marché d’OEM ‘en
développant de nouveaux produits innovateurs et en offrant un service à
même de soutenir les nouvelles tâches du constructeur de machines’. <<
Cadre 2:
Le concept d’ingénierie ‘inspire’ d’autres constructeurs
Alpheno, une boîte d’engrenages ‘personnalisable’ pour applications haut
de gamme, est un autre nouveau composant d’entraînement qui doit assister
le constructeur de machines dans ses nouvelles tâches. Cette boîte
d’engrenages se caractérise par une grande densité de puissance, une
exécution compacte et de bonnes performances. Alpha Getriebebau a
sciemment choisi avec cette boîte d’engrenages de développer une stratégie
de vente s’écartant de la règle et de ne pas imprimer de catalogue
technique. Le fabricant s’irrite en effet des copies qui apparaissent
par-ci, par-là et du fait que ses idées d’ingénierie semblent aussi
‘inspirer’ d’autres constructeurs. Tout d’abord, le client n’est pas grugé
de la sorte par des copies de moins bonne facture et leur catalogue.
Ensuite, le constructeur de machines est assisté personnellement dans le
choix de chaque boîte d’engrenages individuelle. Bien que toutes partent
en principe de 5 modèles de base, aucune boîte d’engrenages planétaires
Alpheno déjà installée sur le terrain n’est identique. Il s’agit toujours
d’un travail sur mesure. <<
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