Entwicklung einer antriebsbasierten Zustandsdiagnose für komplexe mechatronische Antriebsstränge in der Medizintechnik

Fachbereich: Mechatronische Systeme & elektrische Antriebe

Themengebiet

  • Mechatronische Systeme
  • Elektrische Antriebssysteme
  • Condition Monitoring
  • Systemidentifikation
  • Signalverarbeitung 
Bild 1: Prototyp des verwendeten Angiographie-C-Bogen

Projektbeschreibung:

Das Voranschreiten des digitalen Zeitalters und die Transformation zur Industrie 4.0 führen zu einer deutlichen Zunahme des Grades an Automatisierung im Bereich der Informations- und Entscheidungsprozesse. Mit deren Hilfe können Prozessabläufe optimiert, deren Qualität gesteigert und erheblich verbessert werden.  Als Fundament der Datenerhebung wird jedoch eine große Sammlung an belastbaren Informationen vorausgesetzt. Entscheidend hierfür sind wiederum Messdaten, welche im Rahmen des Condition Monitorings sowie unter Anwendung verschiedenster Methodiken zur Zustandsdiagnose generiert werden.

Eine Vielzahl von mechatronischen Systemen wird mit Hilfe von Vorschubantrieben und einer definierten Bahnanweisung verfahren. In diesem Tätigkeitsumfeld hat sich vor allem in der modernen Industrie die Zustandsüberwachung von physikalischen Maschinendaten und -signalen etabliert. Der Einsatz eines solchen Verfahrens und dessen Anwendung im industriellen Umfeld, vor allem mit Fokus auf eine spezifische Produktgruppe, stellt für den Anwender jedoch immer noch eine große Herausforderung dar.

Speziell an komplexen medizinischen Geräten sollen messtechnische Verfahren zur Bewertung der mechatronischen Eigenschaften sowie der Güte der Antriebsstränge im Rahmen des MedTechCM-Forschungsprojektes erprobt und analysiert werden. Die Grundlage der Datenerhebung soll sowohl auf elektrischen als auch auf mechanischen Zustandsgrößen basieren, welche sich in den Signalverläufen der interner Antriebs- und Regelkreisparameter widerspiegeln.

Projektziele:

Das Projekt fokussiert sich auf die Untersuchung diverser messtechnischer Verfahren zur Zustandsdiagnose an einem komplexen medizinischen Gerät. Der zu untersuchende Prototyp besteht dabei aus mehreren geschlossenen Antriebssystemen, welche sich wiederum aus mehreren gekoppelten mechanischen Übertragungsgliedern zusammensetzen. Dem strukturellen Aufbau liegt ein kollektiver Wirkzusammenhang der einzelnen Systembestandteile zugrunde.  Insbesondere im Bereich des Condition Monitorings in der Medizintechnik resultiert hieraus ein enormes Entwicklungspotential.

Die Hauptanwendung dieser Methode besteht darin, das mechatronische Verhalten einer medizinischen Anlage durch kontinuierliche und periodische Aufzeichnung von Messwertaufnahmen beurteilen zu können. Hierbei profitiert man insbesondere davon, dass sich Funktionsstörungen, meist verursacht durch Dissipationseffekte und Kraftumsetzungen, an mechanischen und elektronischen Komponenten über eine definierte Zeitspanne bemerkbar machen. Die Anforderungen an solche Messverfahren sind maßgebliche durch den Faktor der Überwachbarkeit bestimmt. Dies resultiert in der Anforderung, dass die Detektion und Bewertung des Systemzustandes fundiert bzw. fehlerfrei an das vorhandene mechatronische System angepasst werden muss. Die Grundlage der Datenerhebung sowie die Gewinnung von Datensätzen mit hohem Informationsgehalt sollen mithilfe von elektrischen und mechanischen Zustandsgrößen realisiert werden, welche direkt als physikalische Signalverläufe aus internen Antriebs- und Regelkreisparametern stammen.

In den vergangenen Jahrzenten hat die Überwachung und Diagnose von Prozessen sowie die Sammlung von Daten jeglicher Art im industriellen Umfeld immer mehr an Bedeutung gewonnen. In diesem Zusammenhang wurde bereits eine Vielzahl von Ansätzen zur Analyse und Diagnose von Prozess- und Maschinenzuständen publiziert. In Zuge dieses Projektes soll auf Basis der eingesetzten Methoden ein mechatronisches Referenzmodell eines komplexen Antriebsstranges erstellt werden, um Rückschlüsse auf dessen mechatronische Eigenschaften und Güte ziehen zu können.

Der Einsatz bzw. die Erweiterung bereits bekannter klassischer Detektionsverfahren und deren Anwendungsmöglichkeiten, mit konkretem Bezug auf ein medizinisches Gerät, stößt allerdings an Grenzen und bringt offen Fragen mit sich, welche ebenfalls thematisiert werden sollen.

Projektpartner:

Das Forschungsprojekt wird am Institut „ELSYS“ der Technischen Hochschule Nürnberg in Rahmen eines Promotionsvorhabens durchgeführt. Industrieller Partner ist das Medizintechnikunternehmen die „Siemens Healthineers AG“.

Name Kontakt
Thorsten Riedl Thorsten Riedl
Johannes Germishuizen Johannes Germishuizen
Prof. Dr. (PhD)

Bearbeitungsstand: 05.2025