Entwicklung einer Nachrüstsensorik für autonome Landmaschinen am Fraunhofer IWU
Im Rahmen des RUBIN-Bündnisses Feldschwarm® ÖkoSystem hat das Fraunhofer-Institut für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU) ein modulares Sensorsystem entwickelt, das sich zur Nachrüstung an Landmaschinen eignet. Ziel ist es, autonome Geräte in die Lage zu versetzen, nicht nur ihre Umgebung, sondern auch den laufenden Arbeitsprozess präzise zu überwachen. Das Sensorsystem erfasst Belastungen sowohl an einzelnen Werkzeugen als auch an der Tragstruktur der Maschine.
Sensorik zur Erfassung von Belastungen an Werkzeugen
Während heute ein Fahrer erkennt, ob ein Werkzeug blockiert oder übermäßig belastet wird, soll dies künftig die Maschine selbst übernehmen. Insbesondere bei breiten Bodenbearbeitungsgeräten ist eine Messung an der Gesamtmaschine nicht ausreichend. Das Fraunhofer IWU entwickelte daher eine kompakte, zweiteilige Messmanschette, die direkt am Werkzeugstiel angebracht wird. Diese erfasst Verformungen in zwei Richtungen – längs und quer zur Fahrtrichtung – und lässt sich problemlos an Standardwerkzeugen nachrüsten.
Vorteile der werkzeugnahen Messung
- Die Messmanschette erfasst Belastungen an jedem einzelnen Stiel, wodurch lokale Auffälligkeiten erkannt werden, die bei einer Gesamtbetrachtung verborgen bleiben.
- Die Sensorelektronik verarbeitet die Daten lokal und berechnet einen Qualitätsindikator, der Abweichungen vom Normalbetrieb sowie dynamische Belastungsspitzen anzeigt.
- Die Übertragung der Messergebnisse erfolgt entweder kabelgebunden über CAN FD oder drahtlos via Thread.
Praktische Erprobung und Ergebnisse
In Versuchen an der Professur für Agrarsystemtechnik der TU Dresden wurde eine Blockade simuliert, indem ein Kunststoffnetz im Boden vergraben wurde, das sich zwischen den Werkzeugen verfing. Diese Störung führte zu klar erkennbaren Veränderungen in den Sensorsignalen. Die Auswertung der Daten ermöglicht die Erkennung von Prozessstörungen unter realen Einsatzbedingungen und über mehrere Werkzeuge hinweg. Weitere Feldtests sind geplant, um die Ergebnisse zu validieren und zu erweitern.
Modulares Ökosystem für verschiedene Werkzeugtypen
Das Sensorsystem ist als flexibles Ökosystem konzipiert, das unterschiedliche Messmanschetten für verschiedene Werkzeuge wie Federzinken, Schare oder Eggenscheiben umfasst. Zusätzlich können Messbolzen in die Tragstruktur oder Gelenke des Werkzeugrahmens integriert werden. Martin Ettrichrätz vom Fraunhofer IWU hebt hervor, dass so für jede Anwendung die passende Messstelle genutzt werden kann, ohne ein komplett neues System entwickeln zu müssen.
Integration von Sensorik und digitalem Verschleißmodell
Ergänzend zur Sensorik wurde ein digitales Verschleißmodell entwickelt, das die Veränderung der Werkzeuggeometrie über den Einsatzzeitraum abbildet. Dieses Modell interpoliert zwischen optisch erfassten Verschleißzuständen und ermöglicht eine digitale Beschreibung des Werkzeugzustands. Die Kombination von Sensorik und Verschleißmodell erlaubt eine verbesserte Interpretation der Messdaten, da Verschleiß die Kraftverteilung und damit die Sensorsignale beeinflusst.
Diese Verbindung eröffnet neue Möglichkeiten für Positionskorrekturen, zustandsorientierte Wartung und die Abschätzung der Restlebensdauer. Zudem liefert das Verschleißmodell Herstellern wertvolle Informationen zur Optimierung der Werkzeuge hinsichtlich ihrer Verschleißfestigkeit.
Erweiterte Selbstwahrnehmung autonomer Maschinen
Kameras, Radar und andere Umgebungssensoren erfassen die äußere Umgebung der Maschine. Die werkzeugnahe Sensorik ergänzt diese Wahrnehmung um einen „Tastsinn“ für den Arbeitsprozess, indem sie Belastungsänderungen direkt am Werkzeug misst. Dr. Markus Werner, Projektleiter am Fraunhofer IWU, betont die Bedeutung belastbarer Prozessinformationen für autonome und hochautomatisierte Maschinen, um Störungen frühzeitig zu erkennen und angemessen zu reagieren.
Feldschwarm® ÖkoSystem: Vernetzung von Maschinen und digitalen Technologien
Das Feldschwarm® ÖkoSystem verfolgt das Ziel, verschiedene Landmaschinen und Agrarroboter automatisiert und koordiniert im Verbund einzusetzen. Das RUBIN-Bündnis entwickelt hierfür eine übergreifende Hardware- und IT-Architektur, die unter anderem teilautonome Steuerung, Fernüberwachung, Künstliche Intelligenz und Cyber-Security umfasst. Die am Fraunhofer IWU entwickelte Sensorik ergänzt diesen Ansatz um eine wichtige Komponente: die digitale Erfassung des Zustands und der Belastung der unmittelbar arbeitenden Werkzeuge.
Förderung
Das Forschungsprojekt Feldschwarm® ÖkoSystem wird im Rahmen des Programms RUBIN – Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) gefördert.
Kontakt für wissenschaftliche Rückfragen
Dr. Markus Werner
Fraunhofer IWU
Reichenhainer Straße 88
09126 Chemnitz
Telefon: +49 172 2927326
E-Mail: markus.werner@iwu.fraunhofer.de
