Anomalieerkennung basierend auf digitalen Zwillingen zur Echtzeitüberwachung des Werkzeugzustands beim Zerspanen

Die Echtzeit-Überwachung des Werkzeugzustands (Tool Condition Monitoring, TCM) entwickelt sich zu einer Schlüsseltechnologie für die intelligente Fertigung. TCM kann die Maßgenauigkeit von Produkten verbessern, Maschinenstillstandszeiten minimieren und Ausschuss- sowie Nacharbeitskosten eliminieren. Digitale Zwillinge bieten neue Möglichkeiten für die Echtzeitüberwachung von Zerspanungsprozessen, die grundsätzlich Prozess- und Umgebungsänderungen berücksichtigen, das Verständnis der Verschleißmechanismen von Schneidwerkzeugen fördern und die Genauigkeit der Anomalieerkennung sowie die Ergebnisse der Fehlerdiagnose verbessern können. Die vorliegende Studie nutzt diese potenziellen Vorteile digitaler Zwillinge und schlägt ein neues auf digitalen Zwillingen basierendes Anomalieerkennungsframework für die Echtzeit-TCM im Zerspanen vor. Das Framework des digitalen Zwillings besteht aus drei Teilen: dem physischen Produkt, dem virtuellen Produkt und den Datenflussverbindungen. Innerhalb dieses Frameworks repräsentiert das „physische Produkt“ die Zerspanungsprozesse. Das „virtuelle Produkt“ umfasst ein datengetriebenes Echtzeitmodell, das die dynamische Beziehung zwischen den aus den Zerspanungsprozessen gemessenen Vibrationsdaten sowie die modellfrequenzbasierten Merkmale (Model Frequency Features, MFFs) für die Diagnostik zur Anomalieerkennung am Schneidwerkzeug darstellt. Die „Datenflussverbindungen“ umfassen Echtzeitmessungen der Vibrationsdaten und Signale der numerischen Steuerung (NC) der Werkzeugmaschine, die Echtzeitinformationen zur Maschinenwahrscheinlichkeit und verschiedenen Zerspanungsprozessen liefern. Die Neuheit liegt in der innovativen Integration von datengetriebener Echtzeitmodellierung, MFF-Extraktion sowie MFF- und NC-Signal-basierter Werkzeugverschleißdiagnostik. Dies ermöglicht erstmals die potenzielle Anwendung des Digital-Twin-Konzepts auf die TCM für komplexe dynamische Zerspanungsprozesse, was nach unserem Kenntnisstand bisher nie erreicht wurde. Umfassende Feldstudien haben die Wirksamkeit des vorgeschlagenen auf digitalen Zwillingen basierenden TCM-Frameworks und dessen potenzielle industrielle Anwendungen gezeigt.