Industrie 4.0
11.11.2015

Forschung in die Praxis überführt

Im Spitzencluster „it’s OWL“ erforschen Unternehmen, Hoch­schulen, Forschungseinrichtungen und Organisationen neue Technologien für die Industrie 4.0. In Transferprojekten werden kleinen und mittelständischen Unternehmen die gewonnenen Erkenntnisse zur Verfügung gestellt und diese dort erprobt. Mit welchen Ergebnissen dies geschieht, zeigen die Beispiele Elha und Düspohl.

Für Elha ging es in dem Transferprojekt um die virtuelle Inbetriebnahme seiner „XL Fertigungssysteme“, also maßgeschneiderte Sondermaschinen für die spanabhebende Fertigung (Bild: Elha)

Der Spitzencluster „it’s OWL“ wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 40 Mio. € von insgesamt ca. 90 Mio. € Gesamtinvest bis Juni 2017 gefördert. Für Technologietransfer-Aktivitäten sind ca. 5 Mio. € vorgesehen. 120 fokussierte Transferprojekte mit mittelständischen Firmen aus der Region Ostwestfalen-Lippe sollen insgesamt in der Laufzeit des Spitzenclusters durchgeführt werden. Dabei geht es beispielsweise um selbstkorrigierende Fertigung, Mensch-Maschine-Interaktion, intelligente Vernetzung, Energieeffizienz und ganzheitliche Produktentwicklung (Systems Engineering). Die erste Tranche mit 39 Transferprojekten ist abgeschlossen. In diesen konnten kleine und mittelständische Unternehmen, unter anderem aus dem Maschinenbau, wichtige Ergebnisse und Erkenntnisse gewinnen.

Virtuelle Inbetriebnahme eines Fertigungszentrums

Ein Beispiel ist die Elha-Maschinenbau Liemke KG, ein familiengeführtes Unternehmen mit rund 240 Mitarbeitern. Im Geschäftsbereich „XL Fertigungssysteme“ werden maßgeschneiderte Sondermaschinen für die spanabhebende Fertigung meist großformatiger Werkstücke, wie Großwälzlager, realisiert. Hier stellen die steigende Anlagenkomplexität, zunehmende Variantenvielfalt und somit die Komplexität der Fertigungssysteme sowie die Forderung nach einem möglichst schnellen Markteintritt Elha vor Herausforderungen. Ihr Ziel ist es deshalb, komplexe Fertigungsanlagen sicher und rasch zu planen und ohne zeitraubende Iterationsschleifen in Betrieb zu nehmen. Ein Lösungsansatz wird dabei in der virtuellen Inbetriebnahme (VIBN) gesehen.

Zielsetzung: Vor diesem Hintergrund ist Elha in dem Transferprojekt „Virtuelle Inbetriebnahme eines Fertigungszentrums“ mit zwei Zielsetzungen an den Start gegangen: Eine den Anforderungen von Elha entsprechende Vorgehensweise im Sinn des Systems Engineering für die virtuelle Inbetriebnahme von Fertigungszentren ausarbeiten. Und eine Methode entwickeln, mit der einzelne Baugruppen bereits frühzeitig in Betrieb genommen werden können. Forschungspartner war dabei das Heinz-Nixdorf-Institut der Universität Paderborn. Die Projektlaufzeit betrug sieben Monate, das Projektvolumen lag bei rund 105.000 €.

Projektablauf: Der Projektverlauf umfasste eine Analyse der aktuellen Situation in Bezug auf VIBN und die Anforderungsaufnahme. Danach folgte die Auswahl eines geeigneten Tools für das Systems Engineering und die Erstellung von Partial-Modellen. Dazu fand eine Markt- und Nutzwertanalyse verschiedener Software­plattformen für VIBN statt. Im weiteren Umsetzungsprozess wurden geeignete Testfall-Checklisten erstellt und ein Beispielsystem realisiert.

Die zentralen Fragen im Zusammenhang mit dem VIBN waren: Wie kann die VIBN bei den gestellten Anforderungen effektiv durchgeführt werden? Was soll bei der VIBN getestet werden?
Die Beantwortung der ersten Frage führte über die Nutzwertanalyse, die in sechs Schritte unterteilt ist:

•    Schritt 1: Analyse der aktuellen VIBN-Situation bei Elha,
•    Schritt 2: Aufnahme der gestellten Anforderungen an die VIBN,
•    Schritt 3: Kategorisierung der Anforderungen (zum Beispiel Feldbusschnittstelle),
•    Schritt 4: Gewichtung der Anforderungen (Wert 0 bis 4),
•    Schritt 5: Bewertung der Anforderungen für die VIBN-Softwareplattformen (Werte 0 bis 4),
•    Schritt 6: abschließende Bewertung der Ergebnisse.

Nach der Nutzwertanalyse entschied man sich für ISG-Virtuos als Werkzeug für die virtuelle Inbetriebnahme. Die wesentlichen Eigenschaften, die zu dessen Wahl führten, sind die deterministische Echtzeit (<1 ms), die Möglichkeit des Imports von 3D-CAD-Daten und Elek­trokonfigurationen, des Einsatzes aller gängigen Steuerungssysteme durch direkte Verwendung von Feldbussystemen (Profibus, Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, CANopen usw.), der dynamischen Veränderung der Werkstück- bzw. Teilegeometrie, eine große Wissens­basis im Werkzeugmaschinenbau, moderate Kosten sowie gute Referenzen.

Die Antwort auf die zweite Frage nach dem „Was“ führte über die Testfall-Checklisten. Deren Erstellung erfolgte in drei Schritten:

•    Schritt 1: „Quality Function Deployment“ (quantitative Anforderungen und Funktionen über das „House of Quality“ definieren),
•    Schritt 2: Produktmerkmale sortieren,
•    Schritt 3: Durchführung der virtuellen Inbetriebnahme.

Resümee: Im Ergebnis konnte der Zeitraum für die reale Inbetriebnahme an der Maschine bei dem Projekt erheblich reduziert werden. Daraus ergibt sich eine Reduzierung von Projektlaufzeit bzw. Projektarbeitszeit pro Maschine. Außerdem wurde die VIBN-Effektivität gesteigert: Vor dem Projekt fanden etwa 40 % der Software-Inbetriebnahme im Büro statt, nach dem Projekt etwa 80 % bis 90 %. Außerdem ist mit der VIBN eine einfache Fehlersimulation möglich. Zudem traten neue Ansätze für eine funktions­orientierte Entwicklung auf den Plan. Es fand eine praktische Umsetzung des Systems Engineerings statt.


Ausblick: Für die Zukunft plant das Unternehmen, VIBN mit allen für Elha-relevanten CNC-Steuerungen (Siemens, Bosch, Beckhoff, Heidenhain) durchzuführen. Dabei werden die bereits erstellten Modelle und Analysedokumente (Bibliothek) wiederverwendet. Der Einsatz des House of Quality für die Definition von Anforderungen und Funktionen ist ebenfalls geplant. Zudem ist die VIBN für Werkzeugmaschinen- und robotergestützte Automatisierungs- bzw. Werkzeug-Wechsel-Lösungen angedacht. Und auch das Heinz-Nixdorf-Institut hat sich dafür ausgesprochen, ISG-Virtuos in weiteren Projekten einzusetzen. Darüber hinaus ist die Integration der hydraulischen Simulation von Antriebsmodellen und dynamischen Maschineneigenschaften geplant. Und außerdem soll die Inbetriebnahmezeit im Büro auf mehr als 90 % gesteigert werden.

Systems Engineering einer Profilummantelungsanlage

Ein weiteres Firmenbeispiel aus dem „it’s OWL“-Technologietransfer ist die Düspohl Maschinenbau GmbH. Sie beschäftigt 38 Mitarbeiter und ihr Schwerpunkt liegt bei Anlagen für die Profilummantelung und die Flächenkaschierung. Im Bereich der Profilummantelung wird das Unternehmen mit diversen Anforderungen konfrontiert. So steigt beispielsweise die Variantenvielfalt an Dekoren und Profilgeometrien stetig an: Ein Folienlieferant im Kunst­stofffensterbereich liefert heute rund 120 verschiedene Dekore. Der Fenstersystemhersteller, der die Profile fertigt, verfügt dann noch einmal über eine Bandbreite von rund 800 verschiedenen Profilen. Parallel wird die Losgröße der einzelnen Aufträge bei Düspohl immer kleiner und die Qualität ist massiv von der Erfahrung der Mitarbeiter abhängig.

Düspohl ist bei dem Transferprojekt mit dem Ziel gestartet, seine Profilummantelungsanlage Robowrap vollständig zu automatisieren, sodass eine selbstoptimierende Produktion möglich wird (Bild: Düspohl)

 

Ziel des Maschinenbauers ist nun die vollständige Automatisierung seiner Anlage, sodass eine selbstoptimierende Produktion möglich wird. Als wichtige Punkte werden dabei angegeben, in der Rüstphase die Einrüstzeit einer Anlage zu minimieren, und in der Betriebsphase die initiale Konfiguration der Anlage beizubehalten, um eine gleichbleibend gute Qualität zu gewährleisten. Dabei bedeutet die umfassende Entwicklung einer selbst­optimierenden Anlage ein enormes Investitionsvolumen. Deshalb hat man sich für die schrittweise Automatisierung von Teilaspekten in bestehenden Produktionsan­lagen entschieden.
Zielsetzung: Vor diesem Hintergrund ist Düspohl in dem Transferprojekt „Systems Engineering einer Profil­ummantelungsanlage“ mit folgenden Zielen angetreten: Am Beispiel der Profilummantelungsanlage Robowrap zunächst eine Analyse des bestehenden Systems und eine Priorisierung der relevanten Teilaspekte durchführen. Abschließend die Automatisierung des Teilaspekts mit der höchsten Priorität umsetzen. Dass Projekt wurde gemeinsam mit der Universität Bielefeld (Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (Citect), AG Kognitronik & Sensorik) durchgeführt. Die Projektlaufzeit betrug sechs Monate, das Projektvolumen lag bei rund 82.000.

Ausgangssituation: Die Profilummantelungsanlage Robowrap wies bereits einen hohen Automatisierungsgrad auf:
•    die Ummantelungsrollen werden in einem Rollenmagazin verwaltet und durch einen Linienlaser vor jedem Einsatz vermessen,
•    die Positionierung der Ummantelungsrollen an dem Profil erfolgt mit Industrierobotern,
•    die Profilführungen mit Stellantrieben richten sich bei Formatänderungen automatisch ein,
•    Zeilenkameras stellen einen parallelen Verlauf der Folie zur Klebstoffdüse sicher,
•    die initiale Profilkonfiguration wird semi-automatisch erstellt,
•    alle bereits automatisierten Komponenten sind über eine grafische Oberfläche steuerbar,
•    Konfigurationen können gespeichert und bei Bedarf abgerufen werden.

Für einen vollautomatischen Betrieb mussten nun also weitere Teilaspekte automatisiert werden. Die Proble­matik dabei: Die Teilaspekte mit der höchsten Priorität ­erkennen und entsprechende Lösungsstrategien entwickeln.

Dazu wurde die Robowrap-Anlage in vier Teilkomponenten und ihre jeweilige Funktionen gegliedert: In der Einlaufzone wird das einlaufende Profil zentriert, Primer- und Klebstoff aufgetragen, die Folie zur Klebstoffdüse zentriert und das Ganze erwärmt. In der nachfolgenden Ummantelungszone erfolgt das Aufnehmen und Ablegen der Ummantelungsrollen, die Positionierung der Rollen am Profil und das Verfahren der Roboter. Die Rollenmagazine sorgen dabei für das Verfahren des Kettenmagazins sowie die Vermessung der Rollen im Magazin. Die Teilkomponente Steuerung umfasst einerseits die SPS zur Steuerung der Anlage und andererseits den Algorithmus zur Ermittlung der optimalen Rollenkonfiguration.

Im nächsten Schritt wurden die Parameter der Teilaspektanalyse festgelegt. Dabei wurde ihr jeweiliger prozentualer zeitlicher Anteil am Gesamtprozess betrachtet, die zeitliche und qualitative Auswirkung auf andere Teilsysteme und den Gesamtprozess, der zeitliche und somit auch finanzielle Entwicklungsaufwand, der initiale Kostenfaktor anzuschaffender bzw. zu konstruierender Komponenten sowie die Folgekosten während des Betriebs (zum Beispiel Wartung). Hinzu kam dabei noch die Analyse der Abhängigkeiten zwischen den einzelnen Teilaspekten. Daraus wurde dann im nächsten Schritt der Handlungsbedarf abgeleitet.

Von entscheidender Bedeutung ist dabei die präzise Ausrichtung der Komponenten zueinander, also einlaufendes Profil zum Primerkopf, Folie zur Klebstoffdüse sowie mit Klebstoff versehene Folie zum Profil. Nur wenn diese Aspekte erfüllt sind, kann die Folie auf dem Profil haften und ist in Soll-Position. Anschließend muss das Profil zentriert durch die Ummantelungszone geführt werden. Nur dann können die berechneten Positionen der Andruckrollen am Profil von den Robotern korrekt angefahren und somit das Profil fehlerfrei ummantelt werden.

Ergebnisse der Analyse: Für eine selbstoptimierende Anlage muss eine Vielzahl von Parametern überwacht werden. Dazu zählt zum einen die Positionierung von Profil, Primerkopf, Klebstoffdüse, Folie, Ummantelungszone und Robotern zueinander. Zum anderen die Kon­trolle von Primer-und Kleberauftrag, dann die Maße des Profils und zu guter Letzt die Identifizierung und Vermessung der Andruckrollen in den Magazinen.

Lösung: Als Lösungsansatz wurde ein rekonfigurierbares Bildverarbeitungssystem für alle Vermessungsaufgaben gewählt und ein entsprechendes Konzept erarbeitet. Die Realisierung hätte jedoch den Rahmen des Projekts gesprengt.

Ergebnis: Als Resümee wurde deshalb am Projektende gezogen, dass Teilaspekte der Robowrap analysiert, der Handlungsbedarf für die fortschreitende Automatisierung der Anlage abgeleitet und ein Messsystem konzipiert wurden.

Ausblick: In einem Folgeprojekt soll nun das rekonfigurierbare Bildverarbeitungssystem entwickelt werden.

Gewinnbringende Zusammenarbeit für alle Beteiligten

Die beiden Beispiele zeigen, wie wichtig der Forschungstransfer in den Maschinenbau ist, um daraus weiteren Handlungsbedarf abzuleiten. Beide Unternehmen lobten die Zusammenarbeit mit den Forschungseinrichtungen und stuften sie als gewinnbringend für ihr Unternehmen ein. Es sind jeweils Folgeprojekte geplant. „Unser Technologietransfer aus der Forschung in die Unternehmen ist sehr erfolgreich. Das unterstreichen die große Resonanz und die positiven Rückmeldungen aus der Wirtschaft. In den Transferprojekten können KMU neue Basistechnologien schnell und einfach nutzen. Damit leisten wir einen wichtigen Beitrag, den heimischen Mittelstand fit für die Digitalisierung in der Produktion (Industrie 4.0) zu machen. Zudem erhalten die Forschungseinrichtungen Impulse aus der Praxis und finden neue Kooperationspartner in der Wirtschaft“, sagte Dr.-Ing. Roman Dumitrescu, Geschäftsführer „it’s OWL“ Clustermanagement GmbH, auf dem „it’s OWL“-Transfertag am 18. August in Gütersloh.
Interessierte Unternehmen mit Sitz in Ost-Westfalen-Lippe können sich übrigens noch bis zum 31. Januar 2016 für neue Transferprojekte bewerben: www.its-owl.de/transfer.

Autor: Inge Hübner


www.its-owl.de

www.elha.de

www.hni.uni-paderborn.de

www.duespohl.de

www.uni-bielefeld.de

 

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