Die Entwicklung autonomer Landmaschinen schreitet voran, und um ihre Effizienz zu erhöhen, ist es entscheidend, dass diese Geräte nicht nur ihre Umgebung, sondern auch den eigenen Arbeitsprozess präzise erfassen können. In diesem Kontext hat das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) ein modulares Sensorsystem entwickelt, das speziell für die Nachrüstung bestehender Maschinen konzipiert ist. Dieses System, das im Rahmen des RUBIN-Bündnisses Feldschwarm® ÖkoSystem entstanden ist, ermöglicht eine umfassende Analyse der Belastungen, die an den einzelnen Werkzeugen und der strukturellen Basis der Maschinen auftreten.
Ein zentrales Problem bei der Nutzung breiter Bodenbearbeitungsgeräte ist die Notwendigkeit, lokale Belastungen an den einzelnen Werkzeugen zu messen, anstatt sich nur auf die Gesamtheit der Maschinenkraft zu verlassen. Die innovative Lösung des Fraunhofer IWU besteht aus einer kompakten Messmanschette, die direkt an den Werkzeugen montiert wird. Diese Manschette überträgt die Verformungen des Werkzeugs auf zwei separate Messkanäle, die die Kräfte sowohl in Fahrtrichtung als auch quer dazu erfassen. So können selbst kleinste Auffälligkeiten erfasst werden, die in der Gesamtbelastung des Geräts untergehen könnten.
Die Messdaten werden lokal verarbeitet und in Form eines kompakten Qualitätsindikators dargestellt, der Abweichungen vom Normalbetrieb und erhöhten dynamischen Belastungen sichtbar macht. Dies ermöglicht nicht nur eine präzise Analyse der aktuellen Arbeitsbedingungen, sondern auch eine frühzeitige Erkennung von Störungen. Die gesammelten Daten können sowohl kabelgebunden über den CAN FD-Bus als auch drahtlos über das Thread-Protokoll übertragen werden.
Experimente in der Bodenrinne der Technischen Universität Dresden haben gezeigt, dass simulierte Blockaden – wie das Verfangen eines Kunststoffnetzes zwischen den Werkzeugen – deutlich in den Sensorsignalen erkennbar sind. Diese Ergebnisse sind vielversprechend und sollen durch weitere Feldversuche validiert werden, um die Robustheit des Systems zu gewährleisten.
Ein weiterer Vorteil der entwickelten Sensorik ist ihre Flexibilität. Das Sensorsystem wurde als ein Ökosystem konzipiert, das mit verschiedenen Werkzeugtypen kompatibel ist. Unterschiedliche Messmanschetten können für verschiedene Werkzeuge wie Federzinken, Schare oder Eggenscheiben eingesetzt werden. Dies bedeutet, dass bestehende Maschinen nicht neu entwickelt werden müssen, sondern lediglich mit den neuen Sensoren nachgerüstet werden können. Martin Ettrichrätz, Experte für Sensorik am Fraunhofer IWU, hebt hervor, dass so die geeigneten Messstellen optimal genutzt werden können, ohne jedes Mal ein komplett neues System zu integrieren.
Zusätzlich zur Sensorik hat das Fraunhofer IWU ein digitales Verschleißmodell entwickelt, das die Veränderungen der Werkzeuggeometrie über die Einsatzstrecke hinweg abbildet. Dieses Modell kann optisch erfasste Verschleißzustände interpolieren und ermöglicht so eine digitale Beschreibung des Werkzeugzustands. Die Berücksichtigung des Werkzeugverschleißes bei der Datenanalyse verbessert die Interpretation der Messsignale erheblich, da Verschleiß die Geometrie und damit auch die Kräfte und die Sensorsignale beeinflusst.
Die Kombination von Sensorik und digitalem Verschleißmodell eröffnet neue Perspektiven für die Zustandsüberwachung, die vorausschauende Wartung und die Einschätzung der Restlebensdauer von Werkzeugen. Hersteller können aus den gewonnenen Daten wertvolle Erkenntnisse gewinnen, die dazu beitragen, verschleißfestere Konstruktionen zu entwickeln.
Autonome Maschinen benötigen mehr als nur visuelle und akustische Sensoren, um effektiv zu arbeiten. Die neu entwickelte Sensorik ergänzt die bestehende Umgebungserfassung durch einen „Tastsinn“, der Belastungsänderungen direkt am Werkzeug misst. Dr. Markus Werner, Projektleiter am Fraunhofer IWU, betont die Bedeutung dieser Technologie für autonome Maschinen: „Unsere Sensorik erfasst Veränderungen am einzelnen Werkzeug und ermöglicht es, Störungen frühzeitig zu identifizieren und entsprechende Maßnahmen zu ergreifen.“
Das Feldschwarm® ÖkoSystem zielt darauf ab, verschiedene Landmaschinen und Agrarroboter automatisiert im Arbeitsverbund einzusetzen. Dabei wird eine integrierte Hardware- und IT-Architektur entwickelt, die auch Aspekte wie teilautonome Steuerung und Cyber-Security berücksichtigt. Die am Fraunhofer IWU entwickelte Sensorlösung bietet eine entscheidende Grundlage für ein umfassendes digitales Monitoring des Werkzeugzustands und der Belastungen im Arbeitsprozess.
Das Forschungsprojekt wird im Rahmen des Programms RUBIN vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt gefördert
