5G-basiertes Edge-Computing in der Blisk-Fertigung

Komplexe Fertigungsprozesse adaptiv zu regeln stellt die Industrie vor große Herausforderungen. Eine kontinuierlich wachsende Menge an Informationen gilt es, aus den relevanten Stellen des Fertigungsprozesses zu extrahieren. Kabelgebunden ist dies oft nur schwer erreichbar, insbesondere bei Fräsmaschinen mit Schwenk- und Drehtischen. Des Weiteren müssen relevante Messdaten zuverlässig und schnell übermittelt werden, um echtzeitfähige Prozessregelungen realisieren zu können. Mit dem 5G-Mobilfunkstandard steht eine Technologie zur Verfügung, die eine kabellose Übertragung mit hoher Verfügbarkeit und niedriger Latenz erzielt.
5G Edge-Computing-Device mit 
Vibrationssensor in einer 5-Achs-Fräsmaschine zur Blisk-Fertigung
5G Edge-Computing-Device mit Vibrationssensor in einer 5-Achs-Fräsmaschine zur Blisk-FertigungBild: Fraunhofer-Institut IPT

Im EFRE.NRW Förderprojekt 5GSens PRO am Fraunhofer IPT in Aachen wurde exemplarisch die Integration eines autarken 5G-basierten Edge-Computing-Devices zur adaptiven Regelung eines 5-Achs-Fräsprozesses für Turbomaschinen-Bauteile gezeigt. Die entwickelte Systemarchitektur berücksichtigt das intelligente Zusammenspiel verteilter Messdatenvorverarbeitung und zentralisierter Datennutzung und -speicherung im Company Netzwerk. Speziell bei der Herstellung von Blade Integrated Disks (Blisk) gilt es, wiederkehrende Resonanzfrequenzen des Werkstücks während der Fertigung zu erkennen und über die Regelung des Vorschubs zu unterdrücken. Andernfalls droht ein Ausschuss des Werkstücks aufgrund von Rattermarken auf der Werkstückoberfläche.

Basisinfrastruktur des Förderprojekts 5GSensPRO
Basisinfrastruktur des Förderprojekts 5GSensPROBild: meastream GmbH

Edge-Computing, 5G & Cloud-Infrastruktur

Die Grafik veranschaulicht die Zielarchitektur der eingesetzten 5G-basierten Kommunikationsstrecke. Das Edge-Computing-Device befindet sich zur Aufnahme und Vorverarbeitung von Messdaten nahe am Prozess. Es lässt sich dank integrierter Batterie vollkommen autark in jede Produktionsmaschine integrieren. Kabellos werden ‚veredelte‘ Messdaten über 5G an das Genior Modular (GEM) Prozessüberwachungssystem von Marposs Monitoring Solutions gesendet, welches die Steuerbefehle an die Maschine zurückführt. Zwischen Sender und Empfänger befindet sich die Edge-Cloud, welche unmittelbar mit dem 5G Core-Netzwerk verbunden ist. Die Cloud-Lösung dient als zentraler Broker und stellt die Direktverbindung zwischen Edge-Computing-Device und Prozessüberwachungssystem her. Des Weiteren dient die Edge-Cloud als administrative Schnittstelle zum Company Netzwerk. Hier ist auf Basis der gespeicherten Prozessinformationen die Möglichkeit für weiterführende komplexere Offline-Anwendungen gegeben, beispielsweise die Erstellung digitaler Zwillinge.

Finale Validierung des Projekts – erfolgreiche Regelung der Fräsmaschine auf Basis der 5G-Edge-Sensordaten
Finale Validierung des Projekts – erfolgreiche Regelung der Fräsmaschine auf Basis der 5G-Edge-Sensordaten – Bild: Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Aufgrund der Verfügbarkeit von 5G innerhalb des Firmennetzwerks lassen sich IoT-Endgeräte (wie Tablets oder Smartphones) als mobile Arbeitsplätze zur direkten Qualitätsüberwachung durch den Experten vor Ort oder via Remote-Zugriff einsetzen. In 5GSensPRO kam hierfür eine Augmented Reality Visualisierung (AR Viewer) des Projektpartners Oculavis zur Anwendung.

5G Edge-Computing-Device

Das 5G Edge-Computing-Device der Firma meastream ist ein universell einsetzbares Messsystem zur Aufzeichnung und Vorverarbeitung analoger Sensordaten. Durch Digitalfilter sowie spektrale Auswertealgorithmen können die für die adaptive Regelung der Blisk-Fertigung benötigten Informationen in Echtzeit effizient extrahiert werden. Weiterhin lassen sich prozessrelevante Umgebungsdaten (wie Temperatur, Druck, Luftfeuchtigkeit) mithilfe der On-Board-Sensorik oder über einen Gyroskop-Sensor aufzeichnen. Im Projekt wurde ein kompaktes Quectel 5G-Modem in das IP65-Gehäuse integriert und ein Batteriemanagementsystem mit externem Wechsel-Akku realisiert. Ein über eine IEPE-Schnittstelle angebundener Vibrationssensor übernimmt die Schwingungsmessung.

Seit 2019 besitzt das Fraunhofer IPT eine weitreichende 5G-Forschungsinfrastruktur und ist Teil des 5G Industry Campus Europe. Mit 5G ist eine kabellose, verlässliche und latenzarme Datenübertragung erreichbar. Zur Integration der dargestellten Edge-Computing-Architektur kommt gezielt die 5G-NR-NSA Spezifikation der 3GPP Standardisierungsgremien zur Anwendung. Sie erlaubt den Betrieb von 5G-Mobilfunk-Funktionen auf Basis von LTE-Netzen (4G) und ist damit besonders flexibel und weiträumig einsetzbar. Die durchschnittliche Latenzzeit der Funkstrecke von Edge-Device zur Prozessregelung im 5G-NR-NSA liegt bei unter 10ms: Es bietet somit die Möglichkeit für den Aufbau schneller Regelkreise.

Prozessregelung über GEM5G

Die Anbindung des adaptiven Regelkreises an die 5-Achs-Fräsmaschine erfolgt über das GEM Prozessüberwachungssystem. Der Regelalgorithmus zur Prozesssteuerung wurde extern in Matlab/ Simulink entwickelt und anschließend auf das GEM portiert.

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