DE102018100424A1

DE102018100424A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung und/oder Überwachung eines sich wiederholenden Prozessablaufs

Info

Publication number: DE102018100424A1
Application number: DE102018100424.9A
Authority: DE
Inventors: Ralf Duckeck; Alexander Metzger
Original assignee: L Schuler GmbH
Current assignee: L Schuler GmbH
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-07-11
Also published as: WO2019137760A1

Abstract

Die erfindungsgemäße Vorrichtung (28) und das erfindungsgemäße Verfahren sind zur Steuerung und/oder Überwachung eines Prozessablaufs in einer Maschine (10) zum Bearbeiten von Werkstücken (12) eingerichtet. Insbesondere ist der Prozessablauf derart, dass er sich periodisch bei jeder Bearbeitung eines Werkstücks (12) wiederholt, beispielsweise beim wiederholten Umformen eines Werkstücks (12). Ein Strom von Eingangssignalen (E) wird empfangen, der zumindest teilweise aus anfangs unbekannten Quellen stammt. Die Eingangssignale (E) werden einer Eingangsdatenerkennungseinheit (29) und einer System-Verarbeitungseinheit (38) übermittelt. In der Eingangsdatenerkennungseinheit (29) werden diejenigen Eingangssignale (E) extrahiert, die den zeitlichen Verlauf des Prozessablaufs in der Maschine bei der Bearbeitung des Werkstücks (12) beschreiben. Solche Eingangssignale werden als Prozessablaufsignale (P) bezeichnet, auf deren Basis ein Prozessablaufdatensatz (DP) in einem vorgegebenen Format erzeugt wird. Durch einen Big-Data-Vergleich des Prozessablaufdatensatzes (DP) mit vorgegebenen Vergleichsdaten (C) wird prädiktiv festgelegt, wie die Steuerung des Prozessablaufes ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt optimiert werden kann. Hierzu wird eine aktuelle Verarbeitungsschrittfolge (FA) ermittelt. Diese aktuelle Verarbeitungsschrittfolge (FA) wird an die System-Verarbeitungseinheit (38) übermittelt und beschreibt, welche der Eingangssignale (E) verwendet und wie diese Eingangssignale (E) verknüpft bzw. verarbeitet werden, um daraus wenigstens ein Echtzeitausgangssignal (A) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung und/oder Überwachung eines Prozessablaufs in einer Maschine zum Bearbeiten von Werkstücken, wobei sich der Prozessablauf vorzugsweise innerhalb einer Periodendauer zeitlich wiederholt. Die Maschine ist insbesondere zum Umformen von formhaltigen Ausgangsteilen eingerichtet und kann beispielsweise durch eine Presse gebildet sein.
Heutzutage wird der Prozessablauf bei der Bearbeitung von Werkstücken durch eine Maschinensteuerung gesteuert oder geregelt. Die Maschinen werden nach dem Aufstellen an Umgebungs- und Einsatzbedingungen angepasst, damit sie abhängig von diesen Bedingungen Teile mit der geforderten Qualität (beispielsweise Oberflächengüte, Maßhaltigkeit, usw.) erzeugen. Ändern sich die Umgebungs- und Einsatzbedingungen oder andere den Prozessablauf beeinflussende Parameter, kann eine Anpassung der Steuerung erforderlich sein. Die Maschinensteuerungen müssen außerdem auf den jeweiligen Maschinentyp angepasst werden, um die gewünschten Ergebnisse zu erhalten.
Eine Maschinensteuerung sollte daher flexibel auf Änderungen von Einflussparametern reagieren kann. Ein Ansatz, um diese Anforderung zu erfüllen, ist das Messen von Einflussparametern und das Berücksichtigen möglichst vieler Einflussparameter in der Maschinensteuerung. Allerdings erfordert dieses Konzept einen hohen Aufwand und muss für jeden Maschinentyp anwendungsspezifisch nach seiner Implementiert werden.
Um die Flexibilität eines Automatisierungssystems zu verbessern, schlägt EP 2 902 857 A1 vor, Funktionen innerhalb des industriellen Automatisierungssystems durch Web-Anwendungen verfügbar zu machen, die nutzerseitig (Web-Client) während des Prozessablaufs verknüpft und an einer entsprechenden Schnittstelle bereitgestellt werden. Dadurch soll eine flexible Integration von Diensten und Funktionen ohne individuellen Programmieraufwand erreicht werden. Eine Interaktion zwischen Anwendungskomponenten des Automatisierungssystems kann beispielsweise durch Datenereignisse bzw. durch eine Benutzeraktion ausgelöst werden.
Allgemein sind aus dem Stand der Technik auch lernende bzw. sich anpassende Systeme bekannt, die das Benutzerverhalten berücksichtigen. DE 10 2009 028 637 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur benutzerbezogenen Einstellung eines Fahrerinformationssystems. Die Einstellungen berücksichtigen historische Daten aus dem früheren Verhalten des Benutzers sowie aktuelle Informationen. Durch die Benutzung des Fahrerinformationssystems werden mit der Zeit immer mehr historische Daten bereitgestellt, so dass Präferenzen des Benutzers berücksichtigt und eine Anpassung an den Nutzer vorgenommen werden kann.
CN 103863087 A beschreibt ein Hybridfahrzeug mit einer Vorhersagesteuerung, um Energie sparen zu können. Dabei werden regenerative Bremsvorgänge, Schaltvorgänge, Lastzustände usw. berücksichtigt, um in Echtzeit eine möglichst energiesparenden Fahrbetrieb zu erreichen.
In der Informationstechnologie werden lernende bzw. sich anpassende Systeme häufig für Internetsuchmaschinen verwendet. Dabei werden die Suchbegriffe, die Trefferliste und die Auswahl von einzelnen Treffern durch den Benutzer erfasst und zukünftig bei der Anzeige von Suchergebnissen berücksichtigt. Ein solches System ist beispielsweise aus US 2016/0042296 A1 bekannt. US 2016/0038836 A1 betrifft ein Computerspiel, bei dem ein Benutzer Strukturen errichten kann, die innerhalb einer Einflusszone anderer existierende Strukturen beeinflussen, so dass die einzelnen Strukturen nicht unabhängig voneinander sind.
Bei Informationssystemen, Spielen oder dergleichen ist häufig eine Erkennung der Eingangsdaten, insbesondere Spracherkennung erforderlich. US 2017/0286462 A1 beschreibt eine Einrichtung zur Analyse von Eingangsdaten. Die Eingangsdaten werden zunächst in einem Modul in Teildatenmengen unterteilt und im Hinblick auf ihre Qualität bewertet. Die Qualität jeder Teildatenmenge wird kommentiert und gemeinsam mit der Teildatenmenge an ein Analysemodul weitergegeben. Das Analysemodul analysiert die empfangenen Teildatenmengen, um die Betriebscharakteristik eines Systems zu bewerten.
EP 0 464 327 A2 beschreibt ein neuronales Netz zur Mustererkennung. Das Netzwerk wird trainiert, um vorgegebene Muster erkennen zu können. Während des Betriebs verbessert sich die Leistungsfähigkeit des neuronalen Netzes bei der Mustererkennung. Solche Muster können beispielsweise Videodaten bzw. Bilddaten sein.
DE 10 2007 034 031 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Ähnlichkeit von Dateien, beispielsweise Musikdateien. Dabei werden Eigenschaften der Musikdateien mit anderen Referenzdateien verglichen, so dass sich Deskriptoren erzeugen lassen, wie etwa „Rock“ oder „Pop“ oder „Klassik“ usw. zu jeder Musikdatei zuordnen lassen. Weitere Verfahren zur maschinellen Erkennung von Daten sind in US 2016/0019458 A1 , US 9,477,654 B2 oder CN 106713205 A beschrieben.
Zur Verbesserung von Bild- oder Spracherkennung durch Auswertung mit neuronalen Netzen schlägt WO 2016/210014 A1 vor, einen Field Programmable Gate Array (FPGA) oder anderen parallelen Prozessor zu verwenden und durch die Parallelverarbeitung eine beschleunigte Verarbeitung der eingehenden Datenströme zu erreichen. Ausgehend hiervon kann es als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung eines Prozessablaufs in einer Maschine zum Bearbeiten von Werkstücken anzugeben, der eine schnelle Steuerung und einen flexiblen Einsatz der Steuerung bei unterschiedlichen Maschinen oder Maschinentypen ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruches /15 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Steuerung und/oder Überwachung eines Prozessablaufs und vorzugsweise eines sich wiederholenden Prozessablaufs in einer Maschine zum Bearbeiten von Werkstücken. Bei der Maschine kann es sich beispielsweise um eine Maschine zum Umformen - z.B. Tiefziehen und/oder Fließpressen und/oder Abstreckgleitziehen und/oder Stanzen und/oder Schneiden und/oder Prägen - handeln. Der Prozessablauf wiederholt sich insbesondere zyklisch und kann eine vorgegebene Periodendauer aufweisen, beispielsweise das Umformen von Werkstücken in einer Presse oder einer Umformvorrichtung.
Zunächst wird ein Eingangssignalstrom aus mehreren Eingangssignalen empfangen. Zumindest teilweise ist die Quelle von einem oder mehreren Eingangssignalen des Eingangssignalstroms unbekannt, so dass zunächst unbekannt ist, um was für ein Eingangssignal es sich handelt. In der Praxis können zu jedem Zeitpunkt, beispielsweise bis zu 200 oder 300 Eingangssignale aus mehreren Quellen empfangen werden. Die Eingangssignale können analog und/oder digital sein.
Die Eingangssignale werden sowohl zu einer Eingangsdatenerkennungseinheit als auch zu einer System-Verarbeitungseinheit übermittelt. Bei der Übermittlung der Eingangssignale an die System-Verarbeitungseinheit kann eine Filterung oder Vorverarbeitung entfallen, um die Eingangssignale der System-Verarbeitungseinheit schnell und ohne Zeitverzögerung bereitzustellen.
In der Eingangsdatenerkennungseinheit werden die Eingangssignale analysiert. Aus dem Eingangssignalstrom werden solche Eingangssignale ermittelt, die sich zeitlich ändern und somit während des Prozessablaufs nicht stationär oder quasi-stationär sind, und die als Prozessablaufsignale identifiziert werden. Die Prozessablaufsignale sind insbesondere solche Eingangssignale, die sich bei periodisch ablaufenden Prozessen innerhalb einer Periodendauer zeitlich ändern. Die Prozessablaufsignale beschreiben den zeitlichen Verlauf der Bearbeitung des Werkstücks in der Maschine. Beispielsweise können Prozessablaufsignale bei einer Presse oder Umformmaschine die Position des Stößels, ein Motorstrom eines Antriebsmotors für den Stößel oder für ein Ziehkissen, eine Temperatur des Antriebsmotors, eine Press oder Umformkraft, Schwingungen oder Vibrationen beschreibende Signale, usw. sein. Keine Prozessablaufsignale sind beispielsweise Benutzereingaben, für die Bearbeitung des Werkstücks vorgegebene Sollwerte oder ähnliches. Eingangssignale, die insbesondere nicht einen bestimmten Prozessablauf beschreiben, sondern für mehrere Prozessabläufe gültig sind, sind keine Prozessablaufsignale.
Anhand der Prozessablaufsignale wird ein Prozessablaufdatensatz erzeugt. Der Prozessablaufdatensatz hat insbesondere ein vorgegebenes Format und kann beispielsweise ein eine Matrix mit wenigstens einer Zeile und/oder wenigstens einer Spalte und mit einer Mehrzahl von Matrixelementen sein.
Im Anschluss an die Erzeugung des Prozessablaufdatensatzes wird geprüft, ob dieser identifizierbar ist. Ein identifizierbarer Prozessablaufdatensatz liegt vor, wenn der Prozessablaufdatensatz einem vorhandenen Musterdatensatz entspricht oder ähnlich ist zu einem vorhandenen Musterdatensatz. Enthält der Prozessablaufdatensatz ein oder mehrere Matrixelemente, die die Zuordnung zu einem Musterdatensatz verhindern, liegt kein identifizierbarer Musterdatensatz vor.
Wenn festgestellt wurde, dass ein identifizierbarer Prozessablaufdatensatz vorliegt, wird diesem identifizierten Prozessablaufdatensatz eine aktuelle Verarbeitungsschrittfolge zugeordnet. Hierzu kann der Prozessablaufdatensatz mit vorliegenden Vergleichsdaten bzw. Vergleichsdatensätzen verglichen werden. Wird durch Vergleich mit den Vergleichsdaten beispielsweise erkannt, dass eine ähnliche oder identische Situation des Prozessablaufs bekannt ist und für diese Situation eine Verarbeitungsschrittfolge vorliegt, wird diese Verarbeitungsschrittfolge als aktuelle Verarbeitungsschrittfolge ausgewählt und dem identifizierten Prozessablaufdatensatz zugeordnet. Diese Zuordnung der Verarbeitungsschrittfolge als aktuelle Verarbeitungsschrittfolge kann auch auf Basis des Musterdatensatzes erfolgen, anhand dem der Prozessablaufdatensatz identifiziert wurde. Den Musterdatensätzen kann jeweils eine Verarbeitungsschrittfolge zugeordnet sein und nach bzw. durch die Identifikation kann auch die Zuordnung der Verarbeitungsschrittfolge erfolgen.
Die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge wird anschließend an die System-Verarbeitungseinheit übermittelt. Die System-Verarbeitungseinheit erzeugt wenigstens ein Echtzeitausgangssignal, das zur beispielsweise Steuerung des Prozessablaufes verwendet werden kann. Das Echtzeitausgangssignal wird durch die Verarbeitung von einem oder mehreren der anliegenden Eingangssignale erzeugt, wobei die Verarbeitung dieses wenigstens einen Eingangssignals anhand der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge in der System-Verarbeitungseinheit erfolgt. Die Verarbeitungsschrittfolge gibt mithin die Verarbeitung von wenigstens einem Eingangssignal und/oder Verknüpfung von mehreren Eingangssignalen vor. Die Eingangssignale werden durch die Verarbeitungsschrittfolge zur Erzeugung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals verwendet. Es versteht sich, dass dabei nicht alle Eingangssignale berücksichtigt werden müssen.
Die zur Erzeugung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals verwendete Verarbeitungsschrittfolge kann somit bereits während des Prozessablaufs dynamisch angepasst werden, beispielsweise um den Prozess der Bearbeitung des Werkstücks basierend auf der aktuellen Situation prädiktiv zu steuern und/oder ein dazu geeignetes Echtzeitausgangssignal zu erzeugen, das zur Überwachung gespeichert wird, so dass eine möglichst erfolgversprechende bzw. optimale Einstellung bzw. Steuerung und/oder Überwachung des Prozessablaufs erreicht ist.
Die Anpassung der Verarbeitungsschrittfolge erfolgt in Echtzeit bzw. quasi in Echtzeit. Durch die erfindungsgemäße Verarbeitung und Auswertung der Eingangssignale kann die Verarbeitungsschrittfolge in der System-Verarbeitungseinheit innerhalb weniger Millisekunden aktualisiert werden, beispielsweise zumindest alle 100 Millisekunden oder zumindest alle 50 Millisekunden oder zumindest alle 20 Millisekunden oder alle 6 bis 10 Millisekunden oder weniger. Die vorzugsweise unmittelbar an die System-Verarbeitungseinheit übermittelten Eingangssignale werden auf Basis der jeweils aktuellen Verarbeitungsschrittfolge verarbeitet und/oder verknüpft, um das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal zu erzeugen. Aufgrund dieser Verarbeitung in Echtzeit oder quasi in Echtzeit wird das erzeugte Ausgangssignal als Echtzeitausgangssignal bezeichnet. Dadurch kann auch eine Anpassung der Steuerung und des Prozessablaufs der Maschine in Echtzeit bzw. quasi in Echtzeit an sich ändernde Umgebungsbedingungen oder Einflussparameter erfolgen. Eine Anpassung erfolgt nicht erst dann, wenn festgestellt wurde, dass ein oder mehrere bearbeitete Werkstücke nicht den Vorgaben oder einem optimalen Ergebnis entsprechen. Vielmehr kann die Anpassung dynamisch bereits während des Prozessablaufs bei der Bearbeitung eines Werkstücks ausgeführt werden. Wenn sich dieser Prozessablauf periodisch wiederholt, kann die Anpassung einmal oder mehrmals innerhalb dieser Periodendauer erfolgen, sofern es auf Basis der ausgewerteten Prozessablaufsignale erforderlich ist. Das derart dynamisch prädiktiv angepasste Echtzeitausgangssignal kann unmittelbar zu einer prädiktiven Anpassung der Maschinensteuerung verwendet werden und/oder gespeichert und zur Auswertung bzw. Überwachung der Maschine über einen längeren Zeitraum (mehrere bzw. eine Vielzahl von Periodendauern) verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise in der Maschinensteuerung integriert bzw. implementiert sein. Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens können auch auf externe Speicher- und/oder Recheneinheiten ausgelagert sein, die mit der Maschinensteuerung kommunikationsverbunden sind, beispielsweise über ein Netzwerk.
Vorzugsweise weisen die Eingangssignale sowohl digitale, als auch analoge Eingangssignale auf.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Eingangssignale durch die Eingangsdatenerkennungseinheit vor dem Identifizieren der Prozessablaufsignale in einer Vorverarbeitungseinheit unter Verwendung von vorgegebenen Eingangssignalmustern vorverarbeitet werden. Bei der Vorverarbeitung durch die Vorverarbeitungseinheit werden beispielsweise Duplikate von mehrfach empfangenen identischen Eingangsdaten gelöscht. Eingangssignale, die kein erkennbares Eingangssignal liefern, können beispielsweise durch die Default- bzw. Vorgabewerte ersetzt werden, um eine weitere Verarbeitung zu ermöglichen. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Eingangssignale zeitweise undefiniert sind und deswegen Lücken enthalten. Solche Lücken können ebenfalls mit Default- oder Vorgabewerten aufgefüllt werden. Dazu kann beispielsweise ein Verglich mit Eingangssignalmustern in einer Datenbank ausgeführt, werden, um die Identität oder Ähnlichkeit eines Eingangssignals mit einem Eingangssignalmuster zu ermitteln. Kann ein identisches oder ausreichend ähnliches Eingangssignalmuster ermittelt werden ist es möglich, Lücken im Eingangssignal erforderlichenfalls zu ergänzen. Die zum Vergleich verwendeten Eingangssignalmuster auch durch eine Bedienperson vordefiniert bzw. ausgewählt und festgelegt werden.
Die Eingangssignalmuster können während des Betriebs der Maschine ergänzt und/oder aktualisiert werden, um die Vergleichsbasis bei der Vorverarbeitung zu verbessern. Dieser Vorgang kann automatisiert und/oder durch eine Bedienperson erfolgen.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn die Vorverarbeitungseinheit dazu eingerichtet ist, eine Kommentierung der vorverarbeiteten Eingangssignale zu erzeugen. Dabei kann beispielsweise die Qualität oder Güte eines Eingangssignals bzw. vorbearbeiteten Eingangssignals charakterisiert werden. Die Kommentierung kann in einem einfachen Fall lediglich zwischen zwei Gütewerten oder Qualitätswerten unterscheiden, beispielsweise „gut“ oder „schlecht“. Die Anzahl der Gütewerte oder Qualitätswerte kann prinzipiell beliebig gewählt werden, so dass auch eine Mehrzahl von Qualitätsstufen durch die Kommentierung definiert und gemeinsam mit dem betreffenden vorbearbeiteten Eingangssignal übermittelt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann der Gütewert oder Qualitätswert eines oder mehrerer Eingangssignale an eine Auswerteeinrichtung und/oder eine Bedienperson übermittelt werden. Daraus kann beispielsweise eine Handlungsempfehlung abgeleitet werden, wie etwa das Austauschen eines Sensors, das Prüfen einer Übertragungsverbindung, usw.
Die vorbearbeiteten Eingangssignale können bei einem Ausführungsbeispiel auch zum Aktualisieren einer die Eingangssignalmuster aufweisenden Datenbank verwendet werden. Bevorzugt werden nur solche vorbearbeiteten Eingangssignale in der Datenbank als Eingangssignalmuster hinterlegt, die einen ausreichend hohen Gütewert und mithin eine ausreichend hohe Qualität aufweisen.
Es ist bevorzugt, wenn das Identifizieren der Prozessablaufsignale im Frequenzbereich erfolgt. Die Eingangssignale können beispielsweise durch eine Transformation, insbesondere eine schnelle Fouriertransformation (FFT) oder eine andere geeignete Transformation in den Frequenzbereich transferiert und dort mit Spektralmustern verglichen werden. Anhand des Vergleichs mit den Spektralmustern kann erkannt werden, ob es sich um ein den Prozessablauf beschreibendes, sich zeitlich änderndes Signal handelt oder nicht.
Es ist außerdem vorteilhaft, wenn vor oder beim Erzeugen und beispielsweise während des Identifizierens der Prozessablaufsignale im Frequenzbereich, eine zeitliche Synchronisierung der Prozessablaufsignale durchgeführt wird. Beispielsweise kann durch den Vergleich im Frequenzbereich eine zeitliche Verschiebung zwischen zwei Signalen dadurch erkannt werden, dass sich die Phasen der Spektren im Frequenzbereich unterscheiden. Stimmt die Phasenlage bzw. Phasenverschiebung der transformierten Prozessablaufsignale mit den Spektralmustern überein, ist die Zeitsynchronisation der Prozessablaufsignale korrekt. Im anderen Fall kann anhand einer Abweichung der Phasenlage eines oder mehrerer Prozessablaufsignale im Frequenzbereich kann die zeitliche Abweichung bestimmt und eine Korrektur zur Zeitsynchronisation der Prozessablaufsignale durchgeführt werden. Dadurch kann ein Prozessablaufdatensatz erhalten werden, bei dem die einzelnen zeitabhängigen Prozessablaufsignale, die Bestandteil des Prozessablaufdatensatzes sind, zeitlich miteinander synchronisiert sind. Zeitliche Abweichungen durch Messverzögerungen, Übertragungsverzögerungen, Verzögerungen bei der Weiterverarbeitung eines Sensorsignals usw. können dadurch eliminiert werden.
Vorzugsweise werden zusätzliche Musterdatensätze und damit verknüpfte Verarbeitungsschrittfolgen während des Betriebs der Maschine erstellt und/oder von einer externen Lernplattform übermittelt und gespeichert. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung können trainiert werden bzw. Erfahrungen aus dem Betrieb der Maschine nutzen, um zusätzliche, bislang unbekannte Situationen und verbesserte bzw. optimierte Verarbeitungsschrittfolgen hierzu zu generieren und für den weiteren Betrieb bereitzustellen.
Es ist vorteilhaft, wenn bei Vorliegen eines nicht identifizierbaren Prozessablaufdatensatzes die bisherige Verarbeitungsschrittfolge weiterverwendet wird oder eine für diesen Fall vordefinierte Vorgabe-Verarbeitungsschrittfolge in der System-Verarbeitungseinheit verwendet wird. Kann ein Prozessablaufdatensatz nicht identifiziert werden, wird dem Prozessablaufdatensatz in diesem aktuellen Zyklustakt jedenfalls keine aktuelle Verarbeitungsschrittfolge zugeordnet und in der System-Verarbeitungseinheit verwendet.
Wurde ein Prozessablaufdatensatz nicht identifiziert, kann dieser mit der dazugehörigen, tatsächlich verwendeten Verarbeitungsschrittfolge abgespeichert werden. Anschließend kann abgefragt werden, ob das bearbeitete Werkstück den Qualitätsvorgaben entspricht. Ist dies der Fall, kann der noch nicht identifizierbare Prozessablaufdatensatz mit der zugeordneten Verarbeitungsschrittfolge als Musterdatensatz und/oder Vergleichsdatensatz gespeichert und zukünftig verwendet werden. Dadurch kann die Steuerung mit zunehmender Betriebsdauer immer weiter verbessert werden.
Die System-Verarbeitungseinheit ist bevorzugt dazu eingerichtet, das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal in einem vorgegebenen Zyklustakt zu aktualisieren. Der Zyklustakt ist vorzugsweise um eine oder mehrere Größenordnungen kleiner als eine Periodendauer, wenn der Prozessablauf sich periodisch wiederholt. Der Zyklustakt kann kleiner sein als 100 Millisekunden, als 50 Millisekunden, als 20 Millisekunden oder als 10 Millisekunden. Bei einem Ausführungsbeispiel beträgt der Zyklustakt 6 Millisekunden oder weniger.
Die System-Verarbeitungseinheit ist dazu eingerichtet, das Echtzeitausgangssignal auf Basis der Verarbeitungsschrittfolge zu ermitteln, indem ein Eingangssignal oder mehrere Eingangssignale durch Signalverarbeitungsblöcke bearbeitet werden. Die Signalverarbeitungsblöcke können beispielsweise matrixförmig angeordnet sein. Die Signalverarbeitungsblöcke können jeweils eine logische Verknüpfung und/oder eine Rechenvorschrift enthalten.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die System-Verarbeitungseinheit außerdem dazu eingerichtet, zumindest einen Teil der Eingangsdaten und/oder der Verarbeitungsschrittfolgen und/oder das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal jedes Zyklustaktes als historische Daten zu speichern. Hierfür kann die System-Verarbeitungseinheit Auswertungsblöcke aufweisen, die vorzugsweise matrixförmig angeordnet sind. Das Verfahren bzw. die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, die gespeicherten historischen Daten mit anderen gespeicherten historischen Vergleichsdaten zu vergleichen und daraus wenigstens ein Überwachungsausgangssignal zu erzeugen. Dieses Überwachungsausgangssignal dient nicht zur Echtzeitanpassung des Prozessablaufes, sondern zur Anpassung der Steuerung der Maschine bzw. zur Anpassung der Vorrichtung. Das Überwachungsausgangssignal basiert insbesondere auf Vergleichsergebnissen, die nach der Bearbeitung von einem oder mehreren Werkstücken vorliegen. Das wenigstens eine Überwachungsausgangssignal kann beispielsweise beschreibend sein für einen Verschleißzustand und/oder einen Reparaturbedarf und/oder einen Wartungsbedarf der Maschine, usw. Beispielsweise kann durch das wenigstens eine Überwachungsausgangssignal angegeben werden: die erwartete Lebensdauer der Maschine oder einer Maschinenkomponente und/oder ob eine Maschinenkomponente gewartet werden muss, beispielsweise ob ein Lager geschmiert werden muss, und/oder ob eine Maschinenkomponente ausgetauscht werden muss, usw. Das wenigstens eine Überwachungsausgangssignal kann alternativ oder zusätzlich auch anzeigen, ob eine Anpassung von eingestellten Randbedingungen erforderlich ist, die nicht nur den aktuellen, sondern mehrere oder alle Prozessabläufe betreffen. Wenn sich beispielsweise herausstellt, dass sich die Periodendauer für die Bearbeitung jeweils eines Werkstücks sehr kurz gewählt wurde, so dass der Ausschussanteil an bearbeiteten Werkstücken sehr hoch ist, kann die Periodendauer vergrößert werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren verwenden Komponenten zur Big-Data-Analyse und Verarbeitung. Beispielsweise kann das Identifizieren von Prozessablaufsignalen basierend auf Maschinenerkennungsverfahren der Big-Data-Analyse erfolgen. Auch die Analyse der gespeicherten historischen Daten und der Vergleich mit historischen Vergleichsdaten kann auf Big-Data-Analyseverfahren beruhen.
Die System-Verarbeitungseinheit kann einen oder mehrere parallel arbeitende Prozessoreinheiten, wie etwa ein oder mehrere Field Programmable Gate Arrays (FPGA) aufweisen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 eine schematisierte, blockschaltbildähnliche Darstellung einer Maschine mit einer Steuereinheit,
2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung eines Prozessablaufs, das bzw. die Bestandteil der System-Verarbeitungseinheit aus 1 sein kann,
3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrensteils zur Erzeugung wenigstens eines Überwachungsausgangssignals basierend auf gesammelten historischen Daten,
4 die Verwendung von matrixförmig angeordneten Signalverarbeitungsblöcken und deren Verknüpfung durch eine Verarbeitungsschrittfolge in der Signalverarbeitungseinheit aus 2 und
5 die Verwendung von matrixförmig angeordneten Auswertungsblöcken zur Erfassung von historischen Daten in der Signalverarbeitungseinheit aus 2.

1 zeigt beispielhaft schematisch eine Maschine 10, die beispielsgemäß als Umformvorrichtung bzw. Presse 11 ausgestaltet ist. Die Presse 11 ist beispielsgemäß zum Tiefziehen ausgestaltet. Sie kann alternativ zum Stanzen, Abstreckgleitziehen, Fließpressen, Schmieden oder Prägen verwendet werden. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Maschinen 10 oder Pressen 11, bei denen sich ein Prozessablauf, während dessen ein Werkstück 12 bearbeitet wird, wiederholt. Jeder vollständige Prozessablauf zur Bearbeitung eines Werkstücks 12 erfolgt innerhalb einer Periodendauer.
Die in 1 dargestellte Presse 11 weist einen Pressenantrieb 13 mit einem Antriebsmotor 14 und einer Kopplungseinrichtung 15 auf. Die Kopplungseinrichtung 15 koppelt den Antriebsmotor 14 mit einem Pressenstößel 16, um eine Rotationsbewegung des Antriebsmotors 14 in eine Hubbewegung des Pressenstößels 16 umzusetzen. Die Kopplungseinrichtung 15 kann als Exzentereinrichtung und/oder Kniehebeleinrichtung ausgebildet sein.
Eine Steuereinrichtung 17 ist zur Steuerung des Antriebsmotors 14 der Presse 11 eingerichtet. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 17 wenigstens ein Echtzeitausgangssignal A erzeugen, das zum Beispiel zur Steuerung des Prozessablaufs der Maschine 10 bzw. der Presse 11 eingerichtet ist. Die Steuerung des Prozessablaufes kann in Echtzeit erfolgen.
Zur Erzeugung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals A werden der Steuereinrichtung 17 Eingangssignale E übermittelt. In 1 sind beispielhaft lediglich einige wenige Eingangssignale E veranschaulicht. In der Praxis können gleichzeitig bis zu 200 oder 300 Eingangssignale E an die Steuereinrichtung 17 übermittelt werden. Zumindest teilweise ist die Quelle eines Eingangssignals E und damit deren Bedeutung oder Inhalt zunächst unbekannt.
Bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel ist dem Antriebsmotor 14 ein Temperatursensor 18 zur Erzeugung eines zeitabhängigen Temperatursignals T(t) sowie ein Stromsensor 19 zur Erzeugung eines zeitabhängigen Motorstromsignals I(t) zugeordnet. Das Temperatursignals T(t) und das Motorstromsignal I(t) werden der Steuereinrichtung 17 als Eingangssignale E übermittelt. Außerdem ist beim Ausführungsbeispiel ein Winkelsensor 20 vorhanden, der den Drehwinkel einer vom Antriebsmotor 14 angetriebenen Welle der Kopplungseinrichtung 15 erfasst und ein zeitabhängiges Drehwinkelsignal ω(t) erzeugt. Ein Positionssensor 21 erfasst die aktuelle Position des Pressenstößels 16 in Hubrichtung und erzeugt ein zeitabhängiges Positionssignal Z(t). Das Drehwinkelsignal ω(t) und das Positionssignal Z(t) werden der Steuereinrichtung 17 als Eingangssignale E übermittelt.
Die Maschine 10 bzw. die Presse 11 verfügt außerdem über eine Bedieneinrichtung 22 mit einer Schnittstelle zum Eingeben und Ausgeben von Informationen durch bzw. an eine Bedienperson. Über die Bedieneinrichtung 22 werden entsprechende Eingaben der Bedienperson als ein oder mehrere der Eingangssignale E der Steuereinrichtung 17 zur Verfügung gestellt. Die Bedieneingaben können Texteingaben und/oder Spracheingaben und/oder Eingaben durch Aktivieren oder Auswählen von Tasten oder Knöpfen an der Bedieneinrichtung 22 sein. Die Anzahl n der Eingangssignale E von der Bedieneinrichtung 22 ist beliebig. Über die Bedieneinrichtung 22 können gleichzeitig mehrere Eingangssignale E an die Steuereinrichtung 17 übermittelt werden.
Die Steuereinrichtung 17 kann über wenigstens eine Leitung oder eine Busleitung bzw. über ein Netzwerk mit einem externen System 23 verbunden sein, über das zusätzliche Eingangssignale E an die Steuereinrichtung 17 übermittelt werden. Beispielsgemäß ist die Anzahl der gleichzeitig übermittelten Eingangssignale E mit m angegeben. Das externe System 23 kann beispielsweise wenigstens eine weitere Maschine 10 oder eine übergeordnete Steuerung oder eine Leitstelle sein, mittels der mehrere Maschinen 10 gesteuert und/oder überwacht werden.
Die an der Steuereinrichtung 17 anliegenden Eingangssignale E sind unterschiedlich und können zeitabhängig oder zeitinvariant bzw. quasi-stationär sein. Einige oder alle der zeitabhängigen Eingangssignale E beschreiben den Prozessablauf während der Bearbeitung eines Werkstücks 12 und charakterisieren den aktuellen Ablauf des Bearbeitungsprozesses des aktuellen Werkstücks 12. Diese zeitabhängigen, den Prozessablauf beschreibenden Eingangssignale E werden als Prozessablaufsignale P bezeichnet. Es ist der Steuereinrichtung 17 zumindest bei der Inbetriebnahme der Maschine 10 bzw. der Presse 11 nicht oder nicht vollständig bekannt, welche der Eingangssignale E die Prozessablaufsignale P darstellen und welche Eingangssignale E anderer Art sind.
Teil der Steuereinrichtung 17 ist eine Vorrichtung 28 zur Steuerung des Prozessablaufs in der Maschine 10 bzw. der Presse 11. Ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der Vorrichtung 28 ist in 2 veranschaulicht. Die Vorrichtung 28 ist dazu eingerichtet, ein entsprechendes Verfahren zur Steuerung des Prozessablaufes der Maschine 10 bzw. der Presse 11 auszuführen.
Die empfangenen Eingangssignale E bzw. der Strom aus Eingangssignalen E wird an einer Eingangsdatenerkennungseinheit 29 übermittelt. Der Strom von Eingangssignalen E wird zunächst einer Vorbearbeitungseinheit 30 übermittelt. Die Vorbearbeitungseinheit 30 ist dazu eingerichtet, die Qualität der einzelnen Eingangssignale E zu prüfen und gegebenenfalls herzustellen, sofern es möglich ist. Hierzu werden der Vorbearbeitungseinheit 30 Eingangssignalmuster EM einer ersten Datenbank 31 zur Verfügung gestellt. Die Eingangssignalmuster EM werden mit den empfangenen Eingangssignalen E verglichen, so dass Fehler bzw. Störungen eines Eingangssignals E identifiziert werden können. Beispielsweise können Dubletten von mehrfach empfangenen Eingangssignalen gelöscht werden, so dass das Eingangssignal nur einmal weiter übermittelt wird. Lücken durch Sensorfehler oder Übertragungsfehler oder dergleichen können mit Default- bzw. Vorgabewerten aufgefüllt werden, die sich aus den Eingangssignalmustern EM ergeben können. Die Vorbearbeitungseinheit 30 erzeugt auf diese Weise aus den Eingangssignalen E vorbearbeitete Eingangssignale EV, die an einen Identifikationsblock 32 übermittelt werden. Die Vorbearbeitungseinheit 30 kann jedem übermittelten vorbearbeiteten Eingangssignal EV eine Kommentierung zuordnen und gemeinsam mit dem jeweiligen vorbearbeiteten Eingangssignal EV übermitteln. Die Kommentierung kann die Qualität des empfangenen Eingangssignals E bzw. des daraus erzeugten vorbearbeiteten Eingangssignals EV beschreiben. Die Anzahl der unterscheidbaren Qualitäts- oder Gütestufen kann variieren.
Im Identifikationsblock 32 werden die während des Prozessablaufs, insbesondere innerhalb der Periodendauer zur Bearbeitung eines Werkstücks zeitlich variierenden Eingangssignale E, die die Prozessablaufsignale P bilden, identifiziert. Das Identifizieren erfolgt vorzugsweise durch eine Beurteilung bzw. Analyse der Eingangsdaten im Frequenzbereich. Insbesondere können die Eingangssignale durch eine Fouriertransformation, vorzugsweise eine schnelle Fouriertransformation (FFT) in den Frequenzbereich transformiert und dort mit bekannten Spektren S verglichen werden. Solche bekannten Spektren S können in einer zweiten Datenbank 33 abgelegt und dem Identifikationsblock 32 zur Verfügung gestellt werden.
Neben der Identifikation der Prozessablaufsignale P kann in dem Identifikationsblock 32 auch eine zeitliche Synchronisierung der einzelnen Prozessablaufsignale P miteinander erfolgen. Beispielsweise ergibt sich durch eine Zeitverschiebung im Zeitbereich eine Phasenverschiebung im Frequenzbereich eines transformierten Prozessablaufsignals.
Durch Vergleich mit den bekannten Spektralmustern bzw. Spektren S bzw. anderen korrelierten transformierten Prozessablaufsignalen P kann eine durch Messen, Übertragen, Berechnen oder dergleichen erfolgte Zeitverzögerung ermittelt und die Zeitsynchronität der Prozessablaufsignale P wiederhergestellt werden. Damit wird erreicht, dass der tatsächliche zeitliche Zusammenhang der einzelnen Prozessablaufsignale P hergestellt wird.
Aus den einzelnen Prozessablaufsignalen P erzeugt der Identifikationsblock einen Prozessablaufdatensatz DP und übermittelt den Prozessablaufdatensatz DP an einen Erkennungsblock 34. Im Erkennungsblock 34 wird der empfangene Prozessablaufdatensatz DP mit in der zweiten Datenbank 33 abgespeicherten Datensatzmustern DM oder anderen Vorlagen verglichen und festgestellt, ob der Prozessablaufdatensatz DP identisch oder ähnlich ist mit einem Musterdatensatz DM. Ein Prozessablaufdatensatz DP ist identifizierbar, wenn er einem Musterdatensatz DM entspricht oder einem Musterdatensatz DM ähnlich ist. Für die Bewertung der Ähnlichkeit zwischen einem Prozessablaufdatensatz DP und einem Musterdatensatz DM können bekannte mathematische Verfahren verwendet werden, um einen Ähnlichkeitswert zu erhalten. Dieser Ähnlichkeitswert kann dahingehend beurteilt werden, ob er zumindest einem Schwellenwert entspricht, so dass eine ausreichende Ähnlichkeit vorliegt (Abfrageblock 35). Ist eine Identität oder ausreichende Ähnlichkeit gegeben (Verzweigung OK aus dem Abfrageblock 35), wird das Verfahren in einem Ablaufermittlungsblock 36 einer Vorhersageeinheit 37 fortgesetzt. In diesem Fall konnte der Prozessablaufdatensatz durch den Erkennungsblock 34 identifiziert werden.
Der Erkennungsblock 34 führt einen Vergleich des Prozessablaufdatensatzes DP mit den vorhandenen Musterdatensätzen DM unter Verwendung eines Big-Data-Analyseverfahrens durch, da hier in sehr kurzer Zeit eine große Menge von Daten verarbeitet werden müssen. Durch die lernende Struktur kann die Menge an zur Verfügung stehenden vorhandenen Musterdatensätzen DM mit zunehmender Betriebsdauer der Maschine ebenfalls zunehmen.
Ist jedoch keine Identität und keine ausreichende Ähnlichkeit gegeben, wird aus dem Abfrageblock 35 ein Blockiersignal B erzeugt und an eine System-Verarbeitungseinheit 38 übermittelt (Verzweigung NOK aus dem Abfrageblock 35).
Die Vorhersageeinheit 37 weist außerdem eine dritte Datenbank 42 auf. In der dritten Datenbank 42 werden für identifizierbare Prozessablaufdatensätze DP jeweils zugeordnete Verarbeitungsschrittfolgen F abgelegt. Der Ablaufermittlungsblock 36 wählt die dem aktuell vorliegenden identifizierten Prozessablaufdatensatz DP zugeordnete Verarbeitungsschrittfolge F als aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA aus. Die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA kann dann von der System-Verarbeitungseinheit 38 und beispielsgemäß einem Frame-Manager 43 der System-Verarbeitungseinheit 38 von der dritten Datenbank 42 abgerufen werden. In der dritten Datenbank 42 sind entsprechende Vergleichsdaten abgelegt, mittels denen ein identifizierter Prozessablaufdatensatz DP jeweils einer zugeordneten Verarbeitungsschrittfolge FA zugeordnet werden kann, die dann von der System-Verarbeitungseinheit 38 abgerufen werden kann oder an die System-Verarbeitungseinheit 38 übermittelt werden kann.
Die Vergleichsdaten C oder Vergleichsdatensätze können während des Betriebs der Vorrichtung 28 bzw. der Maschine 10 aktualisiert werden. Es ist auch möglich, Vergleichsdaten C von einer Lernplattform 44 an die dritte Datenbank 42 zu übermitteln.
Der System-Verarbeitungseinheit 38 stehen somit die Eingangssignale E sowie die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA zur Verfügung. Über die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA wird die Verarbeitung und/oder Verknüpfung von einem oder mehreren der anliegenden Eingangssignale E vorgegeben. Hierfür werden sowohl die Eingangssignale E, als auch die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA an eine Signalverarbeitungseinheit 44 der System-Verarbeitungseinheit 38 übermittelt. Die Signalverarbeitungseinheit 44 verknüpft zumindest einen Teil der Eingangssignale E entsprechend der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge FA bzw. verarbeitet zumindest einen Teil der anliegenden Eingangssignale E und erzeugt dadurch wenigstens ein Echtzeitausgangssignal A. Beispielsweise kann ein Echtzeitausgangssignal A dazu verwendet werden, den Antriebsmotor 14 der Maschine 10 bzw. der Presse 11 anzusteuern. Wenn eine Maschine mehrere Aktuatoren und/oder Antriebe aufweist, kann entsprechend für jeden Aktuator bzw. Antrieb oder andere aktive Einheiten jeweils ein Echtzeitausgangssignal A erzeugt werden. Die Anzahl der Echtzeitausgangssignale A hängt somit von der Anzahl der Freiheitsgrade bzw. Einstellmöglichkeiten einer Maschine 10 ab und kann abhängig von der Art der Maschine 10 variieren.
In einem zweiten Abfrageblock 45 wird geprüft, ob der Zyklustakt in der Signalverarbeitungseinheit 44 beendet und auf Basis der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge FA wenigstens ein Echtzeitausgangssignal A erzeugt wurde. Ist dies der Fall (Verzweigung OK aus Abfrageblock 45), wird der Abschluss des Zyklustaktes mittels eines Informationsblocks 46 dem Ablaufermittlungsblock 36 mitgeteilt, so dass in der Eingangsdatenerkennungseinheit 29 für den nächsten Zyklustakt der System-Verarbeitungseinheit 38 eine weitere aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA bestimmt werden kann.
Die Aktualisierung bzw. ggf. Änderung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals A erfolgt entsprechend dem Zyklustakt in regelmäßigen Zeitabständen von einigen Millisekunden. Innerhalb eines Zyklustaktes ist das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal A konstant.
Wird im zweiten Abfrageblock 45 festgestellt, dass die Analyse im aktuellen Zyklustakt noch nicht abgeschlossen wurde (Verzweigung NOK aus dem zweiten Abfrageblock 45), wird das Erzeugen des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals A durch die Signalverarbeitungseinheit 44 fortgesetzt.
Wenn im ersten Abfrageblock 35 festgestellt wurde, dass kein identifizierbarer Prozessablaufdatensatz DP vorhanden ist (Verzweigung NOK aus dem ersten Abfrageblock 35), wird das Blockiersignal B generiert, das dafür sorgt, dass in dem aktuellen Zyklustakt entweder die zuletzt verwendete Verarbeitungsschrittfolge F weiterhin verwendet wird oder dass eine vordefinierte Vorgabe-Verarbeitungsschrittfolge im aktuellen Zyklustakt verwendet wird. Außerdem kann das Blockiersignal B an einen Ausnahmezustandsblock 47 übermittelt werden. Dem Ausnahmezustandsblock 47 können außerdem die Eingangssignale E übermittelt werden. Alternativ dazu ist es auch möglich, dem Ausnahmezustandsblock 47 den Prozessablaufdatensatz DP zu übermitteln, der nicht identifiziert werden konnte. Der Ausnahmezustandsblock 47 kann die Daten abspeichern und an eine Bedienperson oder ein Messsystem eine Abfrage ausgeben, ob das hergestellte bzw. bearbeitete Werkstück den Vorgaben entspricht. Auf Basis einer entsprechenden Antwort können in dem Ausnahmezustandsblock 47 neue Vergleichsdaten C und eine oder mehrere zugeordnete Verarbeitungsschrittfolgen F erzeugt werden, die eine ausreichende bzw. gute Qualität des bearbeiteten Werkstücks sicherstellen. Beispielsweise kann die Vorgabe-Verarbeitungsschrittfolge oder die zuletzt verwendete Verarbeitungsschrittfolge F, die während des Zyklustaktes verwendet wurde, während dem der nicht identifizierbare Prozessablaufdatensatz DP, als neuer Musterdatensatz DM in der zweiten Datenbank 33 abgespeichert werden. Damit ist dieser Prozessablaufdatensatz DP zukünftig identifizierbar. In den Vergleichsdaten C kann eine Verknüpfung zwischen diesem Prozessablaufdatensatz DP und einer Verarbeitungsschrittfolge F hinterlegt werden.
Auf diese Weise wird eine lernende Vorrichtung 28 bzw. ein lernendes Verfahren bereitgestellt.
Das Verfahren und die Vorrichtung zur Erzeugung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals A ist prädiktiv. In der Vorhersageeinheit 37 wird auf Basis des aktuell identifizierten Prozessablaufdatensatzes DP, der die aktuelle Situation des Prozessablaufs in der Maschine 10 beschreibt, eine für diese Situation am besten geeignete Ablaufsteuerung in Form der ausgewählten Verarbeitungsschrittfolge F ermittelt. Diese ausgewählte Verarbeitungsschrittfolge F wird als aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA in der System-Verarbeitungseinheit 38 zur Steuerung des Prozessablaufes in Kombination mit einem oder mehreren Eingangssignalen E verwendet. Somit wird durch das Verfahren und die Vorrichtung 28 nicht auf eine festgestellte Abweichung reagiert, sondern es wird vielmehr anhand verfügbarer Daten, insbesondere historischer Daten oder über eine Lernplattform 44 trainierte Daten entschieden, welche Steuerung im Hinblick auf die aktuelle Situation am geeignetsten ist, um den weiteren Prozessablauf bereits während der Bearbeitung des Werkstücks zu beeinflussen und Fehler bzw. Mängel am Werkstück 12 zu vermeiden.
Die Vorrichtung 28 bzw. das Verfahren sind adaptiv für unterschiedliche Maschinen 10 oder unterschiedliche Pressen 11. Unabhängig davon, welche Art von Eingangssignalen E empfangen werden, passt sich die Vorrichtung 28 mittels der Eingangsdatenerkennungseinheit 29 an die jeweiligen Gegebenheiten an. Durch das Extrahieren der Prozessablaufsignale P kann die anschließende Ermittlung der geeigneten aktuellen Verarbeitungsschrittfolge FA auf eine Teilmenge und insbesondere eine kleine Teilmenge der anliegenden Eingangssignale E beschränkt werden. Dadurch lässt sich eine schnelle Ermittlung der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge FA erreichen. Die Vorrichtung 28 bzw. das damit ausgeführte Verfahren ist somit echtzeitfähig.
In den 4 und 5 ist jeweils ein Bestandteil der Signalverarbeitungseinheit 44 veranschaulicht. Die Signalverarbeitungseinheit 44 weist beispielsgemäß matrixförmig angeordnete Signalverarbeitungsblöcke 55 (4) sowie matrixförmig angeordnete Auswertungsblöcke 56 auf. Die Signalverarbeitungsblöcke 55 sind dazu eingerichtet, aus zumindest einem Teil der anliegenden Eingangssignale E durch eine dynamisch änderbare Verknüpfung zwischen den einzelnen Signalverarbeitungsblöcken 55 das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal A zu ermitteln. Spätestens mit Ablauf einer vorgegebenen Zyklustaktdauer liegt in einer letzten Stufe der Matrix der Signalverarbeitungsblöcke 55 das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal A an, wie es stark vereinfacht und schematisch in 4 gezeigt ist. Die Verknüpfung der einzelnen Signalverarbeitungsblöcke 55 wird durch die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA vorgegeben. Lediglich beispielhaft ist die Kombination von ausgewählten Signalverarbeitungsblöcken 55 zur Ermittlung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals A veranschaulicht. Die Signalverarbeitungsblöcke 55 sind in der Matrix entsprechend ihrer Position mit Sij bezeichnet, wobei i = 1 bis N die Anzahl der Spalten und j = 1 bis K die Anzahl der Zeilen der Matrix angibt.
In 4 ist beispielhaft im ersten Berechnungsschritt der Steuersignalblock S12, in einem darauffolgenden Berechnungsschritt der Steuersignalblock S21, dann der Steuersignalblock S3N usw. ausgewählt. In jedem Steuersignalblock wird eine Bearbeitung oder Verknüpfung eines oder mehrerer Eingangssignale oder Überwachungsausgangssignale eines anderen Steuersignalblocks ermittelt. Beispielsweise können zunächst zwei Eingangssignale miteinander multipliziert und anschließend das Ergebnis dieser Multiplikation im nächsten Schritt mit einem weiteren Eingangssignal summiert werden, usw. Die Matrix der Signalverarbeitungsblöcke 55 kann in der Vorrichtung 28 durch ein oder mehrere Field Programmable Gate Arrays (FPGA) gebildet sein.
In 5 sind Auswertungsblöcke 56 der Signalverarbeitungseinheit 44 dargestellt, die ebenfalls durch ein oder mehrere FPGAs oder zumindest von einem Teil der verfügbaren Funktionsblöcke eines FPGAs gebildet werden können. Die Auswertungsblöcke 56 akquirieren in jedem Schritt Daten, um diese Daten als historische Daten abzuspeichern. Diese Datenakquise ist unabhängig von der Verarbeitungsschrittfolge. Als historische Daten können die anliegenden Eingangsdaten, das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal A, die verwendete Verarbeitungsschrittfolge F bzw. die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA abgespeichert werden. Die Signalverarbeitungseinheit 44 kann zur Auswertung der akquirierten historischen Daten nach dem Herstellen bzw. Bearbeiten eines Werkstücks oder mehrerer Werkstücke durch die Auswertungsblöcke 56 das in 3 gezeigte beispielhafte Verfahren zur Auswertung ausgeführt werden. In einem Pufferspeicher 57 werden die Eingangsdaten gepuffert und für eine ausreichend lange Zeitdauer bereitgestellt. Die gepufferten Eingangsdaten werden in einem Signalvorverarbeitungsblock 58 vorverarbeitet, beispielsweise komprimiert und/oder mit bekannten Signalen verglichen, die in einer vierten Datenbank 59 abgespeichert sind. Durch den Signalvorverarbeitungsblock 58 können die Eingangssignale auch in ein vorgegebenes Format überführt werden. Der Signalvorverarbeitungsblock 58 überträgt einen historischen Datensatz DH an einen Vergleichsblock 60. Dem Vergleichsblock 60 können zusätzlich auch zumindest ein Teil der Eingangssignale E unmittelbar übermittelt werden. Anhand des historischen Datensatzes DH und/oder der Eingangssignale E vergleicht der Vergleichsblock 60 die akquirierten Daten (Eingangsdaten E, historischer Datensatz DH) mit einem historischen Vergleichsdatensatz VH aus der vierten Datenbank 59. In einem dritten Abfrageblock 61 wird abgefragt, ob der Vergleich im Vergleichsblock 60 ergeben hat, dass der historische Datensatz DH und/oder die Eingangssignale E identifiziert werden können (Verzweigung OK aus dem dritten Abfrageblock 61), so dass über einen Ausgabeblock 62 wenigstens ein Überwachungsausgangssignal Q und beispielsgemäß ein erstes Überwachungsausgangssignal Q1 erzeugt werden kann. Wenn keine identifizierbaren historischen Daten vorliegen (Verzweigung NOK aus dem dritten Abfrageblock 61), wird über einen Ausnahmefallblock 63 vorzugsweise unter Berücksichtigung der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge FA ein zweites Überwachungsausgangssignal Q2 erzeugt.
Das erste Überwachungsausgangssignal Q1 kann auf Basis des Vergleichs im Vergleichsblock 60 eine Information ausgeben, die den Zustand der Maschine 10 oder von Komponenten der Maschine 10 beschreibt. Beispielsweise kann ein Wartungsbedarf, ein Verschleißzustand oder ein Instandsetzungsbedarf ausgegeben werden.
Das zweite Überwachungsausgangssignal Q2 kann anzeigen, dass der Vergleich im Vergleichsblock 60 keine verwertbaren Informationen ergeben hat.
Die akquirierten Eingangssignale E und/oder die erzeugten historischen Datensätze DH können als historische Vergleichsdatensätze VH in der vierten Datenbank 59 zur zukünftigen Verwendung abgelegt werden. In diese Datenbank 59 können auch historische Daten von identischen oder vergleichbaren Maschinen 10 und/oder von der Lernplattform 44 gespeichert werden.
Das wenigstens eine Überwachungsausgangssignal Q dient nicht dazu, innerhalb des Prozessablaufs während der Bearbeitung eines Werkstücks 12 eine Veränderung an der Steuerung und mithin am Prozessablauf zu bewirken. Das wenigstens eine Überwachungsausgangssignal Q ist sozusagen eine mittelfristige bis langfristige Information, die alternativ oder zusätzlich zu dem wenigstens einen Echtzeitausgangssignal A bereitgestellt und aus den historischen Daten gewonnen wird, die die in dem Überwachungszeitraum ermittelten Echtzeitausgangssignale A enthalten.
Ähnlich wie im Erkennungsblock 34 verwendet der Vergleichsblock 60 Big-Data-Analysemethoden, um die verfügbaren aktuellen Daten mit abgespeicherten Daten zu vergleichen und ein Vergleichsergebnis zu erzeugen. Durch diese an sich bekannten Methoden können große Datenmengen verarbeitet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 28 und das erfindungsgemäße Verfahren sind zur Steuerung und/oder Überwachung eines Prozessablaufs in einer Maschine 10 zum Bearbeiten von Werkstücken 12 eingerichtet. Insbesondere ist der Prozessablauf derart, dass er sich periodisch bei jeder Bearbeitung eines Werkstücks 12 wiederholt, beispielsweise beim wiederholten Umformen eines Werkstücks 12. Ein Strom von Eingangssignalen E wird empfangen, der zumindest teilweise aus anfangs unbekannten Quellen stammt. Die Eingangssignale E werden einer Eingangsdatenerkennungseinheit 29 und einer System-Verarbeitungseinheit 38 übermittelt. In der Eingangsdatenerkennungseinheit 29 werden diejenigen Eingangssignale E extrahiert, die den zeitlichen Verlauf des Prozessablaufs in der Maschine bei der Bearbeitung des Werkstücks 12 beschreiben. Solche Eingangssignale werden als Prozessablaufsignale P bezeichnet, auf deren Basis ein Prozessablaufdatensatz DP in einem vorgegebenen Format erzeugt wird. Durch einen Big-Data-Vergleich des Prozessablaufdatensatzes DP mit vorgegebenen Vergleichsdaten C wird prädiktiv festgelegt, wie die Steuerung des Prozessablaufes ausgehend vom aktuellen Zeitpunkt optimiert werden kann. Hierzu wird eine aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA ermittelt. Diese aktuelle Verarbeitungsschrittfolge FA wird an die System-Verarbeitungseinheit 38 übermittelt und beschreibt, welche der Eingangssignale E verwendet und wie diese Eingangssignale E verknüpft bzw. verarbeitet werden, um daraus wenigstens ein Echtzeitausgangssignal A zu erzeugen, das unmittelbar zur Beeinflussung der Steuerung der Maschine 10 verwendet werden kann und/oder gespeichert und zur Auswertung bzw. Überwachung der Maschine 10 in einem längeren Überwachungszeitraum verwendet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Maschine
11: Presse
12: Werkstück
13: Pressenantrieb
14: Antriebsmotor
15: Kopplungseinrichtung
16: Pressenstößel
17: Steuereinrichtung
18: Temperatursensor
19: Stromsensor
20: Winkelsensor
21: Positionssensor
22: Bedieneinrichtung
23: externes System
28: Vorrichtung
29: Eingangsdatenerkennungseinheit
30: Vorbearbeitungseinheit
31: erste Datenbank
32: Identifikationsblock
33: zweite Datenbank
34: Erkennungsblock
35: erster Abfrageblock
36: Ablaufermittlungsblock
37: Vorhersageeinheit
38: System-Verarbeitungseinheit
42: dritte Datenbank
43: Framemanager
44: Signalverarbeitungseinheit
45: zweiten Abfrageblock
46: Informationsblocks
47: Ausnahmezustandsblock
55: Signalverarbeitungsblöcke
56: Auswertungsblöcke
57: Pufferspeicher
58: Signalvorverarbeitungsblock
59: vierte Datenbank
60: Vergleichsblock
61: dritten Abfrageblock
62: Ausgabeblock
63: Ausnahmefallblock
ω(t): Drehwinkelsignal
A: Echtzeitausgangssignal
B: Blockiersignal
C: Vergleichsdaten
DH: historischer Datensatz
DP: Prozessablaufdatensatz
DM: Musterdatensatz
E: Eingangssignal
EM: Eingangssignalmuster
EV: vorbearbeitete Eingangssignale
F: Verarbeitungsschrittfolge
FA: aktuelle Verarbeitungsschrittfolge
I(t): Motorstromsignal
P: Prozessablaufsignal
Q: Überwachungsausgangssignal
Q1: erstes Überwachungsausgangssignal
Q2: zweites Überwachungsausgangssignal
S: Spektrum
T(t): Temperatursignal
V: Vergleichsdaten
VH: historischer Vergleichsdatensatz
Z(t): Positionssignal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2902857 A1 [0004]
DE 102009028637 A1 [0005]
CN 103863087 A [0006]
US 2016/0042296 A1 [0007]
US 2016/0038836 A1 [0007]
US 2017/0286462 A1 [0008]
EP 0464327 A2 [0009]
DE 102007034031 A1 [0010]
US 2016/0019458 A1 [0010]
US 9477654 B2 [0010]
CN 106713205 A [0010]
WO 2016/210014 A1 [0011]

Claims

Verfahren zur Steuerung und/oder Überwachung eines Prozessablaufs in einer Maschine zum Bearbeiten eines Werkstücks (12), mit folgenden Schritten: - Empfangen von mehreren Eingangssignalen (E) aus zumindest teilweise unbekannten Quellen, - Übermitteln der Eingangssignale (E) zu einer Eingangsdatenerkennungseinheit (29) und zu einer System-Verarbeitungseinheit (38), - Analyse der Eingangssignale (E) durch die Eingangsdatenerkennungseinheit (29) und Identifizieren mehrerer in den Eingangssignalen (E) vorhandenen, sich zeitlich ändernden, den Prozessablauf in der Maschine beschreibenden Prozessablaufsignale (P), - Erzeugen wenigstens eines Prozessablaufdatensatzes (DP) anhand der Prozessablaufsignale (P), - Prüfen, ob der Prozessablaufdatensatz (DP) identifizierbar ist, wobei der Prozessablaufdatensatz (DP) identifizierbar ist, wenn er einem Musterdatensatz (DM) entspricht oder ähnelt, - Zuordnen des identifizierten Prozessablaufdatensatzes (DP) zu einer aktuellen Verarbeitungsschrittfolge (FA) durch Vergleich des identifizierten Prozessablaufdatensatzes (DP) mit vorgegebenen Vergleichsdaten (C), - Übermitteln der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge (FA) an die System-Verarbeitungseinheit (38) und - Erzeugen wenigstens eines Echtzeitausgangssignals (A) aus einem oder mehreren der Eingangssignale (E) mittels der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge (FA) in der System-Verarbeitungseinheit (38).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Prozessablauf mit einer Periodendauer zeitlich wiederholt und dass sich die Prozessablaufsignale (P) innerhalb der Periodendauer ändern.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangssignale (E) durch die Eingangsdatenerkennungseinheit (29) vor dem Identifizieren der Prozessablaufsignale (P) in einer Vorbearbeitungseinheit (30) unter Verwendung von vorgegebenen Eingangssignalmustern (EM) vorbearbeitet werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorbearbeitungseinheit (30) eine Kommentierung der vorbearbeiteten Eingangssignale (E) erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbearbeiteten Eingangssignale (E) zum Aktualisieren einer die Eingangssignalmuster (EM) aufweisenden Datenbank (31) verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Identifizieren der Prozessablaufsignale (P) mittels einer Analyse im Frequenzbereich erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor oder beim Erzeugen wenigstens eines Prozessablaufdatensatzes (DP) eine zeitliche Synchronisierung der Prozessablaufsignale (P) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche Musterdatensätze (DM) und damit verknüpfte Verarbeitungsschrittfolgen (F) während des Betriebs der Maschine erstellt und/oder von einer externen Lernplattform (44) übermittelt und gespeichert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen eines nicht identifizierbaren Prozessablaufdatensatzes (DP) die bisherige Verarbeitungsschrittfolge (F) oder eine Vorgabe-Verarbeitungsschrittfolge in der System-Verarbeitungseinheit (38) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass abgefragt wird, ob das bearbeitete Werkstück (12) den Qualitätsvorgaben entspricht.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das bearbeitete Werkstück (12) den Qualitätsvorgaben entspricht, der nicht identifizierbare Prozessablaufdatensatz (DP) als Musterdatensatz (DM) abgespeichert und mit der bei der Bearbeitung des Werkstück (12) verwendeten Verarbeitungsschrittfolge (F) verknüpft wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die System-Verarbeitungseinheit (38) das wenigstens eine Echtzeitausgangssignal (A) in einem vorgegebenen Zyklustakt aktualisiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die System-Verarbeitungseinheit (38) zumindest einen Teil der Eingangssignale (E) und/oder bei der Erzeugung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals (A) verwendeten Verarbeitungsschrittfolgen (F) und/oder das jeweils wenigstens eine erzeugte Echtzeitausgangssignals (A) als historischen Daten speichert.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die System-Verarbeitungseinheit (38) gespeicherten historische Daten mit anderen gespeicherten historischen Vergleichsdaten verglichen und daraus wenigstens ein Überwachungsausgangssignal (Q) erzeugt wird.
Vorrichtung zur Steuerung und/oder Überwachung eines Prozessablaufs in einer Maschine (10) zum Bearbeiten von Werkstücken (12), mit einer Eingangsdatenerkennungseinheit (29), einer Vorhersageeinheit (37) und einer System-Verarbeitungseinheit (38), wobei die Eingangsdatenerkennungseinheit (29) und die System-Verarbeitungseinheit (38) jeweils dazu eingerichtet sind, mehrere Eingangssignale (E) aus zumindest teilweise unbekannten Quellen zu empfangen, wobei die Eingangsdatenerkennungseinheit (29) dazu eingerichtet ist, die Eingangssignale (E) zu analysieren und mehrere in den Eingangssignalen (E) vorhandene, sich zeitlich ändernde, den Prozessablauf in der Maschine beschreibende Prozessablaufsignale (P) zu identifizieren, wobei die Eingangsdatenerkennungseinheit (29) dazu eingerichtet ist, wenigstens einen Prozessablaufdatensatz (DP) anhand der Prozessablaufsignale (P) zu erzeugen und an die Vorhersageeinheit (37) zu übermitteln, wobei die Eingangsdatenerkennungseinheit (29) zur Prüfung eingerichtet ist, ob der Prozessablaufdatensatz (DP) identifizierbar ist, wobei der Prozessablaufdatensatz (DP) identifizierbar ist, wenn er einem vorgegebenen Musterdatensatz (DM) entspricht oder ähnelt, wobei die Vorhersageeinheit (37) dazu eingerichtet ist, den identifizierten Prozessablaufdatensatz (DP) einer aktuellen Verarbeitungsschrittfolge (FA) durch Vergleich des identifizierten Prozessablaufdatensatzes (DP) mit vorgegebenen Vergleichsdaten zuzuordnen, und die aktuelle Verarbeitungsschrittfolge (FA) an die System-Verarbeitungseinheit (38) zu übermitteln, und wobei die System-Verarbeitungseinheit (38) dazu eingerichtet ist, wenigstens ein Echtzeitausgangssignal (A) aus einem oder mehreren der Eingangssignale (E) mittels der aktuellen Verarbeitungsschrittfolge (FA) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die System-Verarbeitungseinheit (38) matrixförmig angeordnete Signalverarbeitungsblöcke (55) aufweist, wobei die Verarbeitungsschrittfolge (F) die Verknüpfung zwischen den Funktionsblöcken (55) vorgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die System-Verarbeitungseinheit (38) matrixförmig angeordnete Auswertungsblöcke (56) aufweist, die dazu eingerichtet sind, zumindest einen Teil der Eingangsdaten (E) und/oder bei der Erzeugung des wenigstens einen Echtzeitausgangssignals (A) verwendeten Verarbeitungsschrittfolgen (F) und/oder das jeweils wenigstens eine erzeugte Echtzeitausgangssignal (A) als historische Daten (DH) zu speichern.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungsblöcke (56) dazu eingerichtet sind, gespeicherte historische Daten mit anderen gespeicherten historischen Vergleichsdaten zu vergleichen und daraus wenigstens ein Überwachungsausgangssignal (Q) zu erzeugen.