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DiE GEArEnGinE® – strAtEGiE stAtt
WAhLLOsEM DAtEnsAMMELn

Allzu oft wird bei der Umsetzung von Industrie-4.0-Ansätzen in der Verzahnungsindustrie ein Technology-First-Ansatz gewählt, bei dem ohne tiefere Kenntnisse
der Prozesse Daten zunächst einfach nur gesammelt werden. Ein individueller
Kundennutzen entsteht jedoch nur dann, wenn diese Daten von vornherein fürzielgerichtete Fragestellungen miteinander in Bezug gebracht werden. Informationen über den Zustand der Produktionsmittel wie Werkzeuge, Spannmittel undMaschinen müssen ebenso wie die spezifischen Prozessparameter mit dem gefertigten Bauteil zu einem einzigen, konsistenten Datenbestand verknüpft sein.

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arum schwankt die
Qualität der gefertigten Zahnräder immer
wieder? Warum ist die
Produktivität in zwei
verschiedenen Werken trotz identischer
Ausstattung unterschiedlich? Warum sindmanche Zahnräder geräuschlich auffällig
und andere nicht?
Diese Fragen aus dem Alltag der Getriebefertigung kennen sicherlich viele. Obwohl
modernste CNC-Maschinen mit verschiedensten Sensoren in der Halle stehen,fehlt es offensichtlich an handhabbaren
Lösungsstrategien, um schnelle Antworten darauf zu finden. Dabei sind immer
irgendwo Daten vorhanden. Nur wo mansie findet und wie man sie zueinander inBeziehung setzt, ist unklar. So ist es heute
immer noch durchaus üblich, eine vollständige Datensammlung entlang des Herstellprozesses manuell mit Bleistift und Papieraufzunehmen. Erst mit diesen aufwendig
gewonnenen Informationen lässt sich danndie Frage nach den Auffälligkeiten wissenschaftlich klären – wobei das ein beliebtes
Thema für Bachelor- und Masterarbeiten
ist. In aller Regel ergibt sich am Ende dieser Arbeiten eine technisch valide Begrün-dung für die Ursachen der wie auch immer
gearteten Auffälligkeit, die sich auf dieser
Grundlage auch beheben lässt.

GearEngine®: Daten miteinander verknüpfen
Die Herausforderung liegt also nicht im Datensammeln selbst, sondern in der sinnvollen Verknüpfung und Nutzbarmachung dervorhandenen Informationen. Dieser Gedanke war die Geburtsstunde der GearEngine®.
Diese ist nicht eine neue Industrie-4.0-Plattform, die irgendetwas sammelt, sondern
der Weg von Klingelnberg, Auslegung, Fertigung und Qualitätskreisläufe von Zahnrädern in die digitale Welt zu überführen (sieheAbb.1). Mit der intelligenten Integration allerDaten in der GearEngine® wird diese zu einerPlattform, die Anwender bei allen übergeordneten Aufgaben und Untersuchungen in
der Fertigung unterstützt.

Kompakt
Daten- und Prozessmanagement
vom Feinsten
Moderne CNC-Maschinen erheben eine Vielzahl an Daten.
Die Herausforderung liegt aberin der Vollständigkeit der Erfassung und in der Verknüpfung
all dieser Informationen. Esgeht dabei um die Nachvollziehbarkeit und Optimierungdes gesamten Prozesses. DieGearEngine® von Klingelnbergübernimmt diese Aufgabe undschafft so die optimale Grundlage für Industrie-4.0-Prozesse.

Die GearEngine® übernimmt dabei gleich
mehrere Aufgaben, und zwar als:
Verwaltungswerkzeug für Auslegungsund Fertigungsdaten eines Zahnrads
Kommunikationsschnittstelle aller
beteiligten Maschinen
Zentrale Schnittstelle für die vorhan-Device Communication

Abb. 1: Das Konzept
der GearEngine®

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GESAMTSYSTEM GEARENGINE® UND
SOFTWARE/APPS
GearEngine ist die Plattform, die die u. a. über folgende Apps/Software erhobenen Daten miteinander verknüpft und auswertet:®

Gear Designer:
Durch eine Herstellsimulation werden Werkzeuggeometrie, Herstellkinematik und damit die herstellbare Zahnflankenform bestimmt.
Gear Corrector:
Abweichungen zwischen der herstellbaren Geometrie und den gemessenen
Werten werden angezeigt, können analysiert werden und Korrekturen für dieHerstellkinematik, bei Bedarf auch für die Werkzeuggeometrie, können berechnet und der Fertigungsmaschine zur Verfügung gestellt werden.
Gear M-Tracer:
Fingerprints des dynamischen Verhaltens der Werkzeugmaschine werden verwaltet und somit untereinander für Predictive Maintenance nutzbar gemacht.
Gear P-Tracer:
Filtert aus dem Datenbestand der GearEngine® die Herstellhistorie für jedes
Bauteil heraus.
SmartTooling:
Bildet alle Produktionsmittel digital ab, macht sie so einer Analyse und Bewertung zugänglich und ermöglicht digitales Werkzeugmanagement.
Pulsar:Durch Herstellsimulation werden die Geometrie des Werkzeuges und die Maschinenkinematik für den Entgratprozess berechnet.
KOMET:
Dient der fertigungsnahen Berechnung von Soll-Daten, der Bewertung vonErgebnissen von Topographiemessungen und darauf basierend der Berechnung
von Korrekturen der Herstellkinematik und bei Bedarf der Werkzeuggeometriefür den Herstellprozess Kegelrad.
Meteorit:
Wird genutzt, um Soll-Daten für das Vermessen von Stabmessern bereitzustellen, Messergebnisse auszuwerten und Korrekturen für die Messerschleifkinematik zu bestimmen.
KIMoS:Die Auslegungssoftware unterstützt alle Schritte innerhalb der Kegelradverzahnungsauslegung und -optimierung und schafft die Basis für die Closed LoopFertigung von Kegelradverzahnungen.

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dene IT-Infrastruktur des Anwenders
Informationsquelle für digitale Zwillinge
der gefertigten Zahnräder
Informationsbasis der Produktionsmittel
Die GearEngine® integriert in der vorhandenen IT-Infrastruktur einer Zahnradfertigung
alle beteiligten Systeme und wird so zum
digitalen Schleusenwärter des Data-Lakes
aller erzeugten Informationen. In einer derart gebündelten Informationsbasis steckt ein
hohes, sofort nutzbares Potenzial.

Miteinander sprechen.
Oder: automatischkommunizieren
Die Arbeitsabläufe in der Zahnradfertigung
unterliegen klaren Qualitätsregelkreisen.
Damit diese überhaupt in der Praxis gelebt
werden können, müssen die Maschinenbediener sich untereinander abstimmen. Eingutes Beispiel dafür ist der seit vielen Jahren
etablierte Closed Loop-Prozess: Ein Zahnrad wird nach der Bearbeitung vermessen.
Solange alles innerhalb der vorgegebenen
Toleranzen ist, wird niemand den Prozess
verändern. Bei einem Trend oder gar bei
Messwerten außerhalb der Toleranz muss inden Prozess eingegriffen werden. Der qualitätsverantwortliche Fachmann an der Messmaschine muss dem Maschinenbediener
mitteilen, dass eine Korrektur vorhanden ist
und dass er diese anwenden soll. Tut er esnicht, wird der Qualitätsregelkreis unterbrochen. Wie diese Kommunikation stattfindet, liegt allein an den beteiligten Personen.
Hier zeigt sich das Potenzial der GearEngine®
als Kommunikationsschnittstelle: Mit ihr
ist dieser wichtige Informationsaustauschgesichert. Sobald der Fachmann an derMessmaschine eine Korrektur durchführen
lassen will, überträgt die GearEngine® dieseInformation an die entsprechende Verzahnmaschine. Das ist die wesentliche Voraussetzung eines teil- oder vollautomatisierten
Workflows in der Fertigung. Sobald dieSteuerung der Verzahnmaschine weiß, dass

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eine Korrektur geladen werden soll, kannentweder der Bediener durch einen Hinweis
darauf aufmerksam gemacht werden –oder die Korrektur wird vor der Bearbeitungdes nächsten Bauteils automatisch geladen(siehe Abb. 2).
Diese Kommunikationsschnittstelle schafft
wesentliche Voraussetzungen für einen automatisierten Workflow. So wird es in naher
Zukunft möglich sein, die Entscheidung, ob
eine Korrektur anzuwenden ist oder nicht,
mittels Algorithmen mit künstlicher Intelligenz (KI) zu treffen – und sie dann auch automatisch an der jeweiligen Bearbeitungsmaschine zu laden. Die für KI erforderliche
Wissensbasis ist bereits in der GearEngine®
vorhanden.

Was alles die Qualität
beeinflusst …
Wer hat es nicht schon erlebt, dass sichohne erkennbaren Grund die Standlänge
der Fräswerkzeuge bei der Weichbearbeitung dramatisch verschlechtern, ohne dassjemand an den Prozessparametern etwas
verändert hat? Und wer kennt nicht dieheimliche Befürchtung, dass vielleicht derRüstprozess einer der Gründe für einennicht stabilen Prozess sein könnte? Fragennach den Gründen für Auffälligkeiten oder
Qualitätsschwankungen in der Fertigung
lassen sich nur dann beantworten, wenn

Abb. 3: Fertigungsprozess und Quality-Gates

Korrigieren!

Korrigieren!

Abb. 2: Bedienerkommunikation und integrierte Kommunikation

genügend Informationen verfügbar sind.
Denn es gibt extrem viele Parameter, dieeinen Einfluss auf die Qualität eines Zahnrades haben. Am Ende einer derartigen
Zahnrad-Anamnese findet sich immer eineindeutiger technischer Auslöser für denEffekt. Oft genug sind die entdeckten Ursachen dann so trivial, dass sich unweigerlich die Frage stellt, weshalb die Lösung
nicht früher gefunden wurde. Doch bleiben Ideen allzu oft im Gestrüpp fragmentarischer und nicht zusammenhängender
Daten hängen – und dann sieht beim besten Willen niemand mehr den Wald vor
lauter Bäumen.

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Diese Daten verwaltet
die GearEngine®
Um dem Wirrwarr wahlloser Annahmen
und Vermutungen zu entkommen, braucht
es verlässliche Daten, die sich miteinander
verknüpfen lassen. Die GearEngine® verwaltet dazu drei unterschiedliche Klassen vonDaten:
Daten, die die Geometrie des Zahnrades
beschreiben
Daten, die die Produktionsmittel
beschreibenDaten, die die gefertigten Zahnräderbeschreiben

Zum Ersten …
Der erste Datentopf beschreibt die Geometrie des Bauteils entlang seiner gesamten Prozesskette. Der Prozess beginnt
mit dem Drehteil. Dieses wird durch ein
3D-CAD-Modell definiert, bei dem die Aufmaße für die spätere Hartfeinbearbeitungdes Radkörpers bereits enthalten sind. Dernächste Schritt ist das Weichverzahnen.
Hier wird die Beschreibung des Verzahnwerkzeugs und der Kinematik gespeichert,
um die gewollte Zahnform zu erzeugen.
Auch das Aufmaß für die spätere Hartfeinbearbeitung der Zahnflanken ist in der geometrischen Beschreibung der Zahnflanken

Abb. 4: Analyse und Korrektur mittels Gear Corrector

bereits enthalten. Für das anschließende
Hartdrehen oder Schleifen des Radkörpers
nach der Wärmebehandlung gibt es wiederum ein 3D-CAD-Modell, das nun die endgültige Radkörpergeometrie enthält. Fürdie Feinbearbeitung der Zahnflanken durch
Schleifen wird in dieser ersten Datenkategorie der GearEngine® die Geometrie desWerkzeugs bzw. die Abrichtkinematik unddie Kinematik der Schleifmaschine verwaltet. Für Hartfeinbearbeitungsprozesse, diekeine geometrische Prozesssicherheit wie
beispielsweise das Kegelradläppen aufweisen, wird nur die Endgeometrie der Flanken
ohne Werkzeuggeometrie und Maschinenkinematik geführt. Somit existiert im ersten
Datengrundstock der GearEngine® entlang
der gesamten Prozesskette ein jeweiliger digitaler Soll-Zwilling für das Zahnrad.

… zum Zweiten …
Die zweite Klasse an GearEngine®-Datenbeschreibt die Produktionsmittel. Dazuzählen Werkzeuge, Spannaufnahmen undBearbeitungsmaschinen. Zu den Werkzeugen gehören Messerköpfe, Schleifscheiben,Wälzfräser und Abrichtrollen. Spannaufnahmen werden hier mit all ihren Einzelkomponenten verwaltet. Ein echter digitaler Zwilling der Bearbeitungsmaschine, aus dem
das statische und dynamische Verhalten
dieser Maschine abgeleitet werden kann, istheute weder in der Praxis noch in der Wissenschaft möglich. Deshalb beschränkt sichdie digitale Beschreibung der Maschine auf
die Daten der dynamischen Fingerprints, auf
Ergebnisse von Kreisformtests und ähnlichemaschinenspezifische Informationen.
In dieser zweiten Klasse der GearEngine®-Daten findet nun die erste Verknüpfung statt. So werden die Werkzeuge unddie Spannaufnahmen einer Zeichnungsnummer und damit einem bestimmten
Bauteiltyp zugewiesen. Neben den geometrischen Daten der Produktionsmittel werden hier auch die Daten des Rüstprozessesverwaltet. So erfasst die GearEngine® beispielsweise den Rundlauf am Prüfdorn einer

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Spannaufnahme. Der erfahrene Praktiker
weiß, dass Rundlauffehler sowohl aus derSpannaufnahme an sich als auch aus einem
nicht sorgfältigen Rüsten der Spannaufnahme an der Maschine herrühren können. Um
das später voneinander trennen zu können,
sind erfassbare Daten des Rüstprozesses
ebenfalls mit einbezogen.

… und zum Dritten!
Findet man in der ersten Datenklasse dendigitalen Soll-Zwilling des Zahnrad-Typs,
so lassen sich in der dritten Klasse derGearEngine®-Daten die Produktionsdaten
von jedem real gefertigten Zahnrad verwalten. Die unabdingbare Voraussetzung
dazu ist die individuelle Bauteilidentifizierung jedes Zahnrades mittels entsprechender Codierungsverfahren. Sobald ein bisdahin noch unbekanntes Bauteil erstmals
im Bearbeitungsprozess auftaucht, legt dieGearEngine® eine digitale Akte von diesem
Bauteil an. Die GearEngine® stellt für jede
am Herstellprozess beteiligte Bearbeitungs-,
Prüf- oder Testmaschine einen Speicherort
für Prozessparameter oder Prüfergebnisse
bereit, die dann in der jeweiligen Bauteilakte gespeichert werden. Somit lässt sich deraktuelle Bearbeitungszustand in Echtzeit
abfragen. Eine Messmaschine beispielsweise erkennt dann nicht nur die richtige
Zeichnungsnummer des Zahnrads, sondernauch, ob die Soll-Daten für die Weich- oderHartbearbeitung zu verwenden sind. Eventuelle Korrekturen für eine Bearbeitungsmaschine werden durch die Informationen inder Bauteilakte dann auch immer der richtigen Maschine zugewiesen. Denn es ist jabekannt, von welcher Maschine das jeweilige Zahnrad bearbeitet wurde.

Fazit
Mit der GearEngine® entfallen händischeEingaben für die Qualitätsregelkreise, wodurch die Prozesssicherheit stark zunimmt.
Außerdem entsteht so die größtmögliche
Transparenz in der Fertigung und der Qualitätssicherung. Weil die Daten der Auslegung

Mit der GearEngine® verliert die
Ursachenforschung ein für alle Mal
ihren Schrecken.
mit den Daten der Produktionsmittel und
mit den Daten des Produktionsprozesses
verknüpft sind, ist es mit der GearEngine®
erstmals möglich, bei jedem Zahnrad herauszufinden, mit welchem Spannmittel, mitwelchem Werkzeug, auf welchen Maschinen und mit welchen Prozessparametern esgefertigt wurde.
Damit verliert die Ursachenforschung mit
der GearEngine® ein für alle Mal ihren
Schrecken. Denn es wird auch in Zukunft
immer wieder Auffälligkeiten und Qualitätsschwankungen in der Zahnradproduktion
geben. Doch statt mit größtem technischen
Sachverstand Zahnrad-Anamnese entlang
der gesamten Prozesskette betreiben zu
müssen, lässt sich mit der GearEngine® die
integrierte Datenbasis verwenden, um gleiche Muster bei auffälligen Zahnrädern herauszufinden. Dazu eignen sich die modernen Methoden der Künstlichen Intelligenz,
wie sie bei Big Data Analytics verwendet
werden. Sobald diese Muster vorliegen, ist
es ein Leichtes, die Ursache der Auffälligkeit zu finden und diese dann auch nachhaltig abzustellen.

Kompakt
Ursachenforschungleicht gemacht
Die GearEngine® löst aufwendige Zahnrad-Anamnesen entlang
der gesamten Prozesskette ab,um Muster und Auffälligkeiten bei Zahnrädern zu finden.
Qualitätsregelkreise lassen sichautomatisieren, die Prozesssicherheit und Transparenz in derFertigung erreichen das zurzeitmaximal mögliche Maß.

Dr.-Ing. Hartmuth Müller
Head of Technology & Innovation,
KLINGELNBERG GmbH