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Ein Beitrag zur Fehlerfrüh- und Fehlerdiagnose von elektromechanischen Antriebseinheiten in der Automatisierungstechnik
(2007) Hirschmann, Joachim; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
In elektromechanischen Antriebseinheiten sind die hoch belasteten Gleit- und Wälzkontakte die ausfallkritischen Elemente des mechanischen Teils des Antriebsstrangs. Dafür wird eine Fehlerfrühdiagnose zur Vorhersage einer sich anbahnenden Störung oder eines sich abzeichnenden Ausfalls in dieser Arbeit vorgestellt. Bei einem Ausfall wird aus der Vorgeschichte auf die Fehlerursache und die fehlerhafte Baugruppe bzw. das ausgefallene Maschinenelement geschlossen. Grundlage ist ein modellgestützter Ansatz, der durch die Verwendung von so genannten Minimalmodellen eine isolierte Ermittlung einzelner, den Fehler charakterisierende Merkmale erlaubt. Die Minimalmodelle basieren auf physikalischen Grundlagen und liefern bei bestimmten Betriebszuständen unmittelbar einzelne Merkmale zum Zeit- und Temperaturverhalten, die einzeln oder kombiniert, redundante Rückschlüsse auf Veränderungen in den tribologischen Systemen der elektromechanischen Antriebseinheiten erlauben. Die Modellansätze werden durch Versuche bestätigt. Nicht die absoluten Werte der Merkmalsgrößen werden für eine Fehlerfrühdiagnose herangezogen, sondern deren zeitlicher Verlauf. Aus den Trends lassen sich sichere Vorhersagen ableiten. Die als fehlerrelevant erkannten Merkmalsänderungen werden zu Symptomen, die unter Verwendung einer Regelbasis interpretiert werden. Ergebnis ist eine Aussage über den zu erwartenden Fehler, dessen Eintrittszeitpunkt und Ursache. Aus der Sicht des Anwenders ist die Auswertung nachvollziehbar, da die Verwendung von Minimalmodellen der Denkweise des Instandhalters entspricht. Dadurch ist es für den Instandhalter möglich, die Plausibilität der vom eingesetzten Regelinterpreter gezogenen Schlüsse nachzuvollziehen und zu überprüfen. Der Anwender wird angeregt, die Regelbasis durch seine gesammelten Erfahrungen zu ergänzen.
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Entwicklung eines ganzheitlichen Prognosemodells zur Kompensation von Varianzen in Prozessfolgen mittels Support Vektor Maschinen
(2007) Decker, Markus; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Der globale Wettbewerb und eine immer transparentere Marktsituation verlangen heute mehr denn je eine Ausschöpfung aller Potentiale über die gesamte Wertschöpfungskette in der Produktion. Die vorliegende Arbeit hat am Beispiel einer varianzbehafteten Prozessfolge aus dem Rapid Manufacturing gezeigt, dass die ganzheitliche Betrachtung technischer und betriebsorganisatorischer Kenngrößen deutliche Optimierungspotentiale eröffnet. Der Einsatz der Support Vektor Methode ermöglicht diese ganzheitliche Analyse und Bewertung des Ist-Zustands und erlaubt durch die direkte Generierung von Maßnahmen im Hinblick auf anvisierte Zielgrößen die Kompensation von Varianzen. In dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, welche zunächst mittels einer vektoriellen Darstellung ein ganzheitliches Monitoring aller betrachteter Zielgrößen erlaubt um anschließend die so entstandenen Merkmalsräume mit Hilfe eines Ansatzes aus der künstlichen Intelligenz analysieren und klassifizieren zu können. Auf Grund der sehr guten Prognosefähigkeit dieser Support Vektor Methode erlaubt dieser Ansatz eine auf die Ist-Situation angepasste und auf die Gesamtzielgrößen ausgerichtete Generierung von Maßnahmen. Die Entwicklung eines Kostenmodells komplettierte die ganzheitliche Betrachtungsweise. Eine beispielhafte Übertragung auf eine ausgewählte Prozessfolge aus dem Rapid Manufacturing zeigte hierbei die Funktionsweise und diente zur Verifikation.
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Hochgeschwindigkeitsverzinkung (HGV) geometrisch komplexer Bauteile
(2007) Janisch, Christoph; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Um die Qualität von Beschichtung zu steigern und die Fertigungskosten durch den Wegfall nicht wertschöpfender Prozessschritte zu senken, strebt man eine Integration der Oberflächenprozesse in die Fertigungslinie an. Dieses Konzept wird als FIO - Technik (Fertigungsintegrierte Oberflächentechnik) bezeichnet. Dafür sind schnelle Prozesse erforderlich, die an die Taktzeiten der vor- und nachgelagerten Prozesse anpassen sind. Heutzutage werden jedoch bei galvanischen Prozessen Badzeiten von bis zu einer Stunde benötigt. Daher müssen die einzelnen Oberflächenprozesse um ein vielfaches beschleunigt werden. In dieser Doktorarbeit wurden an Hand ausgewählter Zinkelektrolyte die grundlegenden Einflüsse und Zusammenhänge für die Hochgeschwindigkeitsabscheidung ermittelt. Dazu wurden in verschiedenen Beschichtungszellen der Einfluss der einzelnen Elektrolytparameter (Zink-, Leitsalz-, Säurekonzentration, Temperatur und pH-Wert) sowie der Strömung auf das Beschichtungsergebnis untersucht. Die so gewonnen Erkenntnisse wurden auf reale Bauteile übertragen. Dazu wurden der Bremssattel und das Common Rail als charakteristisches Beispiel ausgewählt, da bei diesen Bauteilen eine Integration der Oberflächenprozesse in die Fertigungslinie erstrebenswert ist. Mit Hilfe der numerischen Simulation von Potentialfeldern und der Stromdichteverteilung (ElSy-2D und PlatingMaster) am Bauteil sowie der Berechnung der hydrodynamischen Bedingungen (Fluent) konnte eine auf das Bauteil abgestimmte Auslegung der Versuchsreaktoren durchgeführt werden. So war es möglich die Beschichtungszeit für den Bremssattel als auch für das Common Rail um mehr als das Achtfache gegenüber dem konventionellen Prozess zu reduzieren. Die hier erarbeiteten Methoden lassen sich auch auf andere komplexe Bauteile übertragen. Die Anwendbarkeit dieser Methoden beschränkt sich dabei nicht nur auf die schnelle Verzinkung. Diese können auch bei der raschen Abscheidung anderer Metalle eingesetzt werden. Die Auswahl und die Optimierung eines geeigneten Beschichtungsverfahrens ist in vielen Fällen zeitaufwändig. Um für Bauteile beliebiger Geometrie möglichst rasch das richtige Beschichtungsverfahren zu finden, wurde eine so genannte Entscheidungsmatrix entwickelt. Dieser neuartige Ansatz zeigt eine Möglichkeit auf, wie man durch strukturiertes und systematisches Vorgehen ein den Anforderungen entsprechendes Verfahren schnellstmöglich findet. Wichtige Werkzeuge für die Entscheidungsmatrix sind die Elektrolytcharakterisierung und die numerische Simulation der Potentialfelder sowie der Strömungsbedingungen.
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Verfahren zur intraoperativen Tumordiagnostik am Beispiel der Thoraxchirurgie
(2007) Wößner, Stefan; Westkämper, Engelbert (Prof. Dr.-Ing. Prof. E.h. Dr.-Ing. E.h. Dr. h.c.)
Ziel der vorliegenden Arbeit war es, ein Verfahren zur intraoperativen Tumordiagnostik zu entwickeln, welches es dem Chirurgen während der Operation direkt erlaubt, Informationen über Gewebe in Echtzeit zu erhalten. Hierzu wurde auf Basis von Autofluoreszenz eine automatisierte Datenreduktion, -auswertung und –klassifizierung entwickelt, validiert und mittels eines Funktionsmusters realisiert. Ausgehend von der Analyse von Rahmenbedingungen einer Tumoroperation sowie von bestehenden Verfahren zur Tumordiagnostik wurden Anforderungen an ein solches Verfahren abgeleitet. Dabei wurden die Erkennungsleistung sowie die Dauer einer Messung als Hauptanforderungen identifiziert. Hieraus haben sich ergeben, dass die Fluoreszenzdiagnostik und speziell die Autofluoreszenzspektroskopie das größte Potential aufweist, jedoch ein Verfahren zur automatisierten Auswertung und Klassifizierung der Spektren sowie ein Sicherheitskonzept fehlt. Die automatisierte Auswertung wurde mit Hilfe von Methoden der multivariaten Statistik durchgeführt. Eine Datenreduktion mittels Hauptkomponentenanalyse sowie verschiedene Diskriminanzanalysen wurden herangezogen, um eine Zuordnung gemessener Autofluoreszenzspektren zu bekannten Trainingsgruppen durchzuführen und die großen Datenmengen nutzbar zu machen. Ebenso wurden die Risiken von Soft- und Hardware beleuchtet. Das Verfahren wurde anhand von Tumorproben aus dem Bereich der Thoraxchirurgie validiert und Parametersätze optimiert. Dabei zeigte sich, dass bei einer sehr kurzen Messdauer im Bereich von ca. 200ms sehr gute Ergebnisse von bis zu 89% Gesamtdetektionsrate bei einer Spezifität von bis zu 95% erreichbar waren. Anschließend erfolgte die Realisierung in Form eines Funktionsmusters sowie die Erprobung anhand von Proben eines Instituts für Pathologie aus allen Körperbereichen. Hierbei zeigte sich, dass Gesamtdetektionsraten von bis zu 75% bei einer Spezifität von 95% erreichbar waren und ein eigener Parametersatz für jede medizinische Disziplin Vorteile aufweist. Generell ergab sich eine gute Einsetzbarkeit im medizinischen Alltag, schnelle Anwendbarkeiten und Messdauern sowie mit bisherigen Verfahren vergleichbare Detektionsraten.