Erschienen am: 10.07.2017, Ausgabe SPS-MAGAZIN 7 2017

Mechatronisierung einer Rohrziehmaschine

Auf dem Weg zur Rohrfertigung 4.0

Ein Transferprojekt von it's OWL und dem Fraunhofer IEM hat zum Ziel, eine Rohrziehmaschine zu mechatronisieren und mit aktueller Messtechnik und Sensorik auszurüsten. Ziel war es, mit größtmöglicher Transparenz anhand einer prozesskettenübergreifenden Datenanalyse den aktuellen Betriebszustand der Anlage zu erfassen und beispielsweise den Verschleiß von Komponenten im Sinn der vorbeugenden Instandhaltung frühzeitig zu erkennen.


Zum Fertigungsprogramm von Poppe + Potthoff gehören unterschiedliche nahtlose kaltgezogene Präzisionsrohre, die zumeist in kleineren Losgrößen kundenspezifisch hergestellt werden.
Bild: Poppe + Potthoff GmbH

Das Unternehmen Poppe + Potthoff beschäftigt sich mit maßhaltigen Präzisionsstahlrohren. Zum Fertigungsprogramm gehören u.a. Rund-, Profil-, Ring-, Kapillar- und Kettenrohre. Allen gemeinsam ist die hohe Qualität und Maßhaltigkeit der Rohre, die oft in anspruchsvollen Anwendungen zum Einsatz kommen - z.B. in Einspritzleitungen von Motoren.

Präzision beim Ziehen

Der entscheidende Produktionsschritt in der Fertigung nahtloser Präzisionsrohre ist das Ziehen, bei dem Brammen durch eine ringförmige Matrize geführt und zu Rohren umgeformt werden. Das Unternehmen ist in der Lage, allein durch diesen Prozess Rohre in ISO-Toleranzklasse H9 zu erzeugen. Bei Rohren mit einem Außendurchmesser von 5 bis 60mm ließen sich die Maßtoleranzen kürzlich sogar bis zur Klasse H8 reduzieren. Grund dafür ist ein gezieltes Monitoring der Werkzeuge und Ziehprozesse, das eine maßgenauere Fertigung erlaubt. Die Erzielung noch engerer Toleranzen ist zwar aufwendig, aber im Vergleich zu anderen Verfahren preislich interessant. Für die Kunden ergeben sich daraus große Vorteile, da bisher notwendige Nachbearbeitungsschritte entfallen. Die höhere Präzision ist auch auf die Ergebnisse des it's OWL-Projektes InveRse zurückzuführen, bei dem Poppe + Potthoff zusammen mit dem Fraunhofer Institut für Entwurfstechnik Mechatronik IEM eine Ziehanlage für nahtlose kaltgezogene Präzisionsstahlrohre mess- und steuerungstechnisch auf den neuesten Stand gebracht hat. Ziel dabei war die Mechatronisierung der Anlage.

Erster Schritt: Erfassung des Ist-Zustandes

Am Beginn des Projektes stand eine Systemanalyse zur Ermittlung des Ausgangszustandes und der Potenziale zur Verbesserung. Daraus wurde eine Umsetzungsempfehlung entwickelt, mit der die ermittelten Verbesserungspotenziale schrittweise erschlossen werden sollen. Drittens schließlich sollen die empfohlenen Maßnahmen exemplarisch an einer Demonstratoranlage implementiert werden. Als langfristiges Ziel definierten die Projektbeteiligten, die prozess- und qualitätsrelevanten Daten zu erfassen, um die Prozesssicherheit und Produktivität zu erhöhen, Ausschussquoten zu reduzieren und die Einflussfaktoren auf das Prozessergebnis genau zu ermitteln und zu steuern.

Prozessübergreifende Datenanalyse

Eine umfassende Potenziallandkarte ergab insgesamt 83 Potenziale zur Verbesserung, wobei die Experten auch die wechselseitigen Abhängigkeiten der Parameter und der Potenziale betrachteten. Die Potenziale, die erschlossen werden sollten, wurden in eine Zeitachse gebracht und werden nun, Schritt für Schritt, bis 2018 abgearbeitet. Ziel ist es, am Ende des Projektes in der Anlagensteuerung sowie dezentral an jedem netzwerkfähigen Rechner oder mobilen Endgerät die wichtigsten Daten über Anlagenzustände und Prozesseinstellungen zu visualisieren und auszuwerten sowie regelungstechnisch einzugreifen. Eine zeitnahe, quasi-online Reaktion auf ungewollte Systemzustände, wie Störungen und Stillstände, soll sich so ermöglichen und z.B. ein sich anbahnender Verschleiß durch vorbeugende Instandhaltung beheben lassen. Zu den Maßnahmen, die in der Umsetzplanung festgehalten sind, gehören z.B. die Installation einer neuen Steuerung und einer neuen Mensch/Maschine-Schnittstelle, die Erfassung typischer Unregelmäßigkeiten wie Rappler und Schlepper sowie die prozessbegleitende Erfassung von Durchmesser und Geradheit der Rohre während des Ziehprozesses.

Implementierung am Demonstrator

Ein Demonstrator in der Rohrfabrik dient dem Nachweis der Wirksamkeit der vorgeschlagenen Maßnahmen und auch ihrer kontinuierlichen Verbesserung. Im Vorfeld wurden diverse Sensoren und Messgeräte beschafft und über eine gemeinsame Steuerung verbunden. In 24 Versuchsreihen mit unterschiedlichen Ziehkernen, -ringen und -geschwindigkeiten wurden typische Fehlerbilder provoziert und die Messreihen ausgewertet. Diese Versuche führten u.a. zu einem besseren Verständnis der Prozessfehler und ihrer Ursachen - ein wichtiger erster Schritt für die Behebung bzw. Reduzierung dieser Fehler.

Industrie 4.0 im Rohrwerk

Die dahinter stehende SPS-, Datenbank-, Analyse- und Front-End-Technik beinhaltet - im Sinne von Industrie 4.0 - zudem eine Verknüpfung der Prozess- und Qualitätsdaten aus der Produktion mit den Auftrags- und Planungsdaten aus den ERP-Systemen. Dadurch ist eine systematische, anlagenübergreifende Prozessanalyse auf Basis von Online-Soll- und -Ist-Daten möglich. Für Poppe + Potthoff ist dieser Weg zur intelligenten Fabrik auch deshalb von großer Bedeutung, weil das Unternehmen mit hoher Flexibilität eine große Varianz an kundenspezifischen Präzisionsrohren in meist kleinen bis mittleren Stückzahlen fertigt. Nach Einschätzung und den bisherigen Erfahrungen des Unternehmens wird die Umsetzung dieses Transferprojektes einen erheblichen Beitrag zur Reduktion von ungeplanten Stillständen und zur Steigerung der Prozesssicherheit, Produktivität und Produktqualität leisten - im Sinn des unternehmensweiten Projekts 'Rohrwerk der Zukunft'.

Weiteres Projekt: Die selbstlernende Richtmaschine

Inzwischen hat Poppe + Potthoff sich zusammen mit dem Fraunhofer IEM für ein weiteres it's OWL-Transferprojekt qualifiziert. Dabei steht die Entwicklung und Inbetriebnahme eines Online-Geradheitsmessgeräts im Mittelpunkt. Auf dessen Basis werden Data-Mining-Verfahren und eine Auswertungslogik die Richtmaschine zu einer lernenden und sich selbst verbessernden Anlage machen. Im Ergebnis sollen Geradheiten mit einer Toleranz von weniger als 0,5 auf 1.000mm Rohrlänge ermöglicht werden.