Datenerfassung: Smart Factory, Automatisierung, Digital Twin und Rückverfolgbarkeit

Die Integration von Datenerfassungssystemen in vernetzte Produktionslinien erfordert drei technische Eigenschaften:deterministische Latenz, strukturierte output und konfigurierbare Datenschnittstellen. AT Sensors liefern Messergebnisse in weniger als 1 ms pro Scanlinie und sind damit kompatibel mit Hochgeschwindigkeits-Produktionslinien, die mit Förderbandgeschwindigkeiten von bis zu 3 m/s laufen. Infrarotkameras liefern kalibrierte Temperaturmatrizen bei Bildraten von 25 Hz bis 100 Hz und ermöglichen so die thermische Echtzeitüberwachung von wärmeempfindlichen Produktionsprozessen wie Schweißen, Gießen und der Montage von Batteriemodulen.

Datenerfassungssysteme für Smart Factories liefern zwei Arten von output:Primärmessdaten(geometrische Koordinaten, Temperaturwerte, Intensitätsbilder) undabgeleitete Auswertungsergebnisse(Fehlerklassifizierungen, Maßabweichungen, Temperaturgradienten). Beide output stehen über digitale Schnittstellen zur Verfügung und ermöglichen automatisierte Regelkreise, in denen das Messergebnis direkt eine Prozessmaßnahme auslöst – beispielsweise ein Ausschusssignal für ein fehlerhaftes Teil.

Die industrielle Datenerfassung erzeugt große Datenmengen. Ein einzelner3D-Laserprofilsensor AT Sensors 3D-Laserprofilsensor bei einer Abtastrate von 4 kHz bis zu 4.096 Messpunkte pro Scanlinie, was einem Datendurchsatz von 16 Millionen Messpunkten pro Sekunde entspricht. Infrarotkameras mit einer Auflösung von 640 × 512 Pixeln bei 50 Hz liefern 16,4 Millionen Temperaturwerte pro Sekunde. Smart-Factory-Architekturen verarbeiten diese Daten mithilfe von zwei Ansätzen:Edge-Verarbeitungdirekt am Sensor (On-Sensor-Verarbeitung) undcloudbasierte Verarbeitungfür statistische Auswertungen und langfristige Trendanalysen.

Bei der Inline-Datenerfassung wird das Messsystem direkt in die Produktionslinie integriert.Das Werkstück durchläuft die Messstation im Rahmen des normalen Produktionsablaufs, und der Sensor erfasst alle erforderlichen Daten innerhalb eines Maschinenzyklus. Bei der Offline-Messung hingegen wird das Werkstück aus dem Produktionsablauf genommen und an einer separaten Station gemessen. Die Inline-100-Prozent-Prüfung spart den Zeit- und Handhabungsaufwand der Offline-Messung ein und liefert Echtzeit-Rückmeldung zur Produktionsqualität.

Die AT Sensors Sensoren AT Sensors support Inline-Messkonfigurationen:statische Messung(das Werkstück hält kurz unter dem Sensor an) unddynamische Messung(das Werkstück bewegt sich kontinuierlich am Sensor vorbei). In dynamischen Konfigurationen synchronisiert der Sensor die Datenerfassung über ein Encoder-Signal mit der Fördergeschwindigkeit und stellt so sicher, dass jede Scanlinie einer definierten physikalischen Entfernung auf der Werkstückoberfläche entspricht. Infrarotkameras in Inline-Konfigurationen erfassen das vollständige Wärmebild eines Werkstücks oder einer Schweißnaht in einem einzigen Bild und ermöglichen so temperaturbasierte Qualitätsentscheidungen bei 100 % Durchsatz.

Eine 100-prozentige Prüfung bei voller Produktionsgeschwindigkeit erzeugt große Datenmengen, die strukturierte Speicher- und Auswertungsarchitekturen erfordern. Eine Produktionslinie mit einer Leistung von60 Teilen pro Minute, die jeweils von einem 3D-Laserprofilsensor geprüft werden, der eine Punktwolke mit 2 Millionen Punkten 3D-Laserprofilsensor , liefert 120 Millionen Messpunkte pro Minute. Effiziente Datenerfassungssysteme bewältigen dieses Volumen durch drei Strategien:Vorverarbeitung am Sensor(Reduzierung der Rohdaten auf relevante Merkmale),selektive Speicherung(Speicherung nur von nicht konformen Teilen oder statistischen Zusammenfassungen) undEchtzeit-Streamingan Edge-Auswertungssysteme. AT Sensors bieten konfigurierbare output , die es Ingenieuren ermöglichen, die Datenvollständigkeit gegen die Systembandbreite abzuwägen.

Infrarotkameras liefern thermische Messdaten, die der digitale Zwilling nutzt, um das Wärmeverhalten in Produktionsprozessen zu modellieren. Ein thermischer digitaler Zwilling eines Schweißprozesses erfasst bei jeder einzelnen Schweißnaht die Temperaturverteilung imSchweißbad,inder Wärmeeinflusszone und im umgebenden Grundwerkstoff. AT Sensors messen Temperaturwerte im Bereich von−20 °C bis 1.500 °C mit einer Messunsicherheit von weniger als 2 °C und bieten damit die erforderliche Präzision für zuverlässige thermische Zwillingsmodelle in Applikationen dem Schweißen von Karosserien, der Herstellung von Batteriemodulen und der Halbleiterverarbeitung.

Der digitale Zwilling nutzt thermische Messdaten für zwei Hauptfunktionen:die Echtzeit-Prozesssteuerung(Anpassung der Prozessparameter auf Grundlage gemessener Temperaturabweichungen) unddie prädiktive Analyse(Erkennung von Mustern, die Prozessausfällen vorausgehen). Beide Funktionen erfordern Datenerfassungssysteme mit geringer Latenz. AT Sensors liefern kalibrierte Temperaturdaten mit einer Frequenz von 50 Hz und einer Latenz von weniger als 20 ms, was eine thermische Regelung im Regelkreis in Echtzeit-Produktionsumgebungen ermöglicht.

Die Genauigkeit eines digitalen Zwillings hängt direkt von der Messfrequenz und der räumlichen Auflösung des Datenerfassungssystems ab.Ein digitaler Zwilling, der bei jeder Teilemessung mit voller Sensorauflösung aktualisiert wird, bildet den physischen Produktionsprozess mit hoher Genauigkeit ab. Ein Zwilling, der nur stündlich anhand statistischer Zusammenfassungen aktualisiert wird, spiegelt zwar den Produktionsdurchschnitt wider, lässt jedoch individuelle Teileschwankungen außer Acht. AT Sensors support Betriebsmodi, sodass Ingenieure die Aktualisierungsfrequenz und die Datenauflösung entsprechend den Anforderungen der jeweiligen Anwendung des digitalen Zwillings konfigurieren können.

Eine effektive Rückverfolgbarkeit erfordert die Verknüpfung der Messdaten jedes einzelnen Teils mit einer eindeutigen Teilekennung. AT Sensors support Identifizierungsmethoden:externe Triggersignalemit input dem Produktionsleitsystem,integriertes Lesen von Barcodes oder DataMatrix-Codes(über ein angeschlossenes Bildverarbeitungssystem) sowiedie manuelle Eingabe der Teilekennungüber die Sensor-API. Wenn die Teilekennung zum Zeitpunkt der Erfassung mit den Messdaten verknüpft wird, kann der vollständige Messverlauf jedes Teils allein anhand der Teilenummer aus der Qualitätsdatenbank abgerufen werden.

Das Produkthaftungsrecht im Automobilsektor (IATF 16949) schreibt vor, dass Qualitätsaufzeichnungenmindestens 15 Jahre nach Produktionsendeaufbewahrt werden müssen.Datenerfassungssysteme generieren in diesem Zeitraum große Datenmengen. Eine Produktionslinie, die jährlich 1 Million Teile prüft, von denen jedes einen 3D-Messdatensatz von 5 MB umfasst,sammelt jährlich 5 TB an Messdaten an. Effektive Rückverfolgbarkeitsarchitekturen gewährleisten die langfristige Aufbewahrung durch drei Strategien:Datenkomprimierung(Reduzierung von Rohpunktwolken auf Abweichungskarten und Toleranzergebnisse),hierarchische Speicherung(Hot Storage für aktuelle Daten, Cold Storage für archivierte Daten) undkryptografische Überprüfung der Datenintegrität(um sicherzustellen, dass gespeicherte Datensätze nicht verändert wurden). Die AT Sensors enthalten hashbasierte Integritätssignaturen, die es Prüfern ermöglichen, die Authentizität der gespeicherten Messdatensätze zu verifizieren.

Die Rückführbarkeit von Messungen im messtechnischen Sinne setzt voraus, dass jedes Messergebnis über einelückenlose Kette von Kalibrierungenmit einem nationalen oder internationalen Messstandard verknüpft ist.AT Sensors werden anhand rückführbarer standards kalibriert, und die Kalibrierzertifikate enthalten die Messunsicherheitswerte, die die Zuverlässigkeit jedes rückführbaren Messergebnisses definieren. Kalibrierdokumentation und Rekalibrierungsintervalle sind Teil des Messprotokolls und stellen sicher, dasssich die Rückführbarkeit nicht nur auf das gemessene Teil, sondern auch auf das Messgerät selbst erstreckt.