Fertigungsautomatisierung

1. Allgemeines

Automatisierung heißt Einen Vorgang mit technischen Mitteln so einzurichten, daß der Mensch weder ständig noch in einem erzwungenen Rhythmus für den Ablauf des Vorganges tätig zu werden braucht.

Automatisierung in der Fertigungstechnik oder Fertigungsautomation:

Automatisierung heißt in der Fertigungstechnik, die Konzipierung flexibler Fertigungsmittel.

Ein entscheidender Bestandteil des Fertigungsvorganges ist die unmittelbare Entwicklung auf das zu gestaltende Material.

Dazu gehören:

Die entsprechenden Technischen Einrichtungen, wie die Werkzeuge oder auch andere Wirkmedien, die sich mit dem Werkstück vereinigen.

Weiterhin ist auch Energie erforderlich in entsprechender Menge und Form.

Die Gestaltung des Werkstückes bedeutet, Informationen über die gewünschte Gestalt, Art und die Beeinflussung des Fertigungsvorganges in geeigneter Weise weiter zu leiten.

2. Sondermaschinen

Ein Vergleich der steuerbaren Bewegung und der Größe des Arbeitsraumes einer gegebenen Werkzeugmaschine mit dem tatsächlichen Bedarf für die Fertigung eines bestimmten Werkstückes zeigt meist ein Überangebot der Maschine. Bei großen Stückzahlen fällt dieses Mißverhältnis immer mehr ins Gewicht: Der Einsatz einer auf das Werkstück ausgerichteten Werkzeugmaschine, einer Einzweckmaschine bietet sich an.

Fallen an dem Werkstück mehrere Verfahren an, sind also mehrere Einzweckmaschinen nacheinander erforderlich. Werden diese sinnvoll miteinander verkettet, ergibt sich eine Sondermaschine.

Sondermaschinen sind also Werkzeugmaschinen, die für ein bestimmtes Werkstück aus mehreren miteinander verketteten Einzelwerkmaschinen zusammengestellt werden.

Um das Anpassen der Fertigung an ein gegebenes Werkstück zu erleichtern, werden genormte Baueinheiten angeboten: Die Sondermaschine wird dann nach dem Baukastenprinzip zusammengestellt.

Für die Aneinanderreihung der Einzweckmaschine spielt neben der Anzahl der erforderlichen Bearbeitungsvorgänge die Größe des Werkstückes eine wesentliche Rolle.

Kleine Werkstücke können meist durch einen Rundschalttisch oder einen Schiebeschalttisch oder eine Kombination aus beiden positioniert werden. Es ergibt sich eine Maschine mit mehreren Bearbeitungsstationen, jeder Station ist eine Bearbeitung zugeordnet.

Lassen die Größenverhältnisse des Werkstückes zu, daß je Station mehrere Werkzeugbewegungen durchgeführt werden, ergibt sich eine Mehrwegmaschine.

Vorteil ist der geringe Platzbedarf. Nachteil ist die starre Verkettung, d. h. es ist keine Zwischenspeicherung möglich, die Taktzeiten müssen genau vorher bestimmt werden. Störungen, z. B. durch Werkzeugbruch, setzen die ganze Maschine still.

3. Flexible Fertigung

Sondermaschinen, Verkettung von Einzweck- oder Mehrzweckmaschinen und Transferstraßen sind wirtschaftlich nur vertretbar, wenn große Stückzahlen hergestellt werden können und die Produktion über längere Zeit gesichert ist.

Für Produktänderung, Veränderung der Marktlage, .. geht die Tendenz zu kleineren Stückzahlen bei gleichzeitig stärkerer Berücksichtigung der Kundenwünsche und zu möglichst kurzen Lieferzeiten. Dies läßt sich nur durch Flexibilität der Produktion erreichen.

Flexible Fertigung bedeutet leichte Umrüstbarkeit der Fertigungseinrichtungen auf die Herstellung eines anderen Werkstückes.

Verschiedene Stufen der Flexibilität lassen sich mit numerisch gesteuerten Maschinen, Be- und Entladeeinrichtungen, Werkzeugwechseleinrichtungen, Werkstückspeichersystemen, Transportsystemen, realisieren.

Die Steuerung und die Überwachung der Fertigung durch integrierte Rechnersystem muß so flexibel sein, daß unterschiedliche Werkstücke in beliebiger Folge gefertigt werden können.

3.1 Bearbeitungszentren

Der Übergang von der manuell bedienten Maschine zum Bearbeitungszentrum ist die erste Stufe zur Automatisierung.

Ein Bearbeitungszentrum z.B. Bohr- und  Fräszentrum, besteht aus einer CNC-Maschine mit mindestens drei gesteuerten Achsen (X,Y,Z) und einer weiteren gesteuerten Drehachse (A, B oder C) und einem Werkzeugwechselsystem zusammen.

Damit können Werkstücke an mehreren Seiten in einer Aufspannung bearbeitet werden, z. B. durch Fräsen, Bohren, Ausdrehen, .

Ist das Bearbeitungszentrum aus einer CNC-Drehmaschine mit gesondert angetriebenen Werkzeugen (z. B. Fräser) und einem Werkzeugwechselsystem aufgebaut, so spricht man von einem Drehzentrum. Darauf werden Werkstücke in einer Aufspannung gedreht, gebohrt und gefräst.

3.2 Flexible Fertigungszelle

Eine Fertigungszelle besteht aus einem oder mehreren gleichartigen Bearbeitungszentren mit erweiterter Werkzeug-Speicherkapazität, automatischer und/oder manueller Werkstückversorgung. Die Späneentsorgung ist automatisiert. Ein Leitrechner koordiniert die Steuerungsaufgaben. Eine Fertigungszelle eignet sich für die automatische Bearbeitung von Klein- und Mittelserien

	flexible Fertigungszelle

3.3 Flexible Fertigungsinsel

Eine Fertigungsinsel entsteht durch die rechnergeführte Verknüpfung von , sich hinsichtlich der Fertigungsverfahren ergänzender, (hochautomatisierter) Bearbeitungszentren.

Ein Hauptrechner führt je einen Leitrechner für

den DNC-Betrieb der Bearbeitungszentren einschließlich der erweiterten Werkzeugversorgung,

den Werkstücktransport, und

die Werkstückhandhabung

Fertigungsinseln eignen sich besonders für die Komplettbearbeitung von Teilefamilien im Bereich der Mittel- bis Großserienfertigung.

3.4 Flexibles Fertigungssystem

Fertigungssysteme werden aus Fertigungszellen und Fertigungsinseln sowie aus Einzelmaschinen oder/und Handarbeitsplätzen aufgebaut. Ein Rechnersystem steuert den Auftragsablauf, die übergeordnete Werkstück-, Werkzeug- und Betriebsmittelversorgung.

Die automatische Bearbeitungsfolge erfordert eine weitgehende Selbstüberwachung der einzelnen Systemkomponenten. Das Einsatzgebiet liegt im Bereich der (Mittel- bis) Großserienfertigung mit unterschiedlichen Teilefamilien und unterschiedlichen Fertigungsverfahren.

Dabei können unterschiedliche Werkstücke auf einzelnen Maschinen bei wechselnder Losgröße bearbeitet werden. Fertigungssystem übernehmen mehr und mehr die Funktion von Transferstraßen bei gleichzeitig höherer Flexibilität.

Jede Stufe der Fertigungsautomatisierung hat in Bezug auf Losgröße, Produktivität und Flexibilität ihr Einsatzgebiet.

4. Werkstücktransport, Werkzeugtransport

Der Automatisierung der Fertigungseinrichtungen wird durch den Automatisierungsgrad der Transport- und der Handhabungseinrichtungen beeinflußt.

Bei Rollenbahnen erfolgt der Transport der Paletten zu den Fertigungseinrichtungen durch Reibschluß der angetriebenen Rollen.

Der Kettenförderer ist ein Transportband, das sich besonders zum Transport kleiner Massen eignet. Er wird zur Verkettung von Fertigungs- und Montageeinrichtungen eingesetzt.

Schienengeführte Transportwagen haben hohe Tragfähigkeit, erreichen hohe Fahrgeschwindigkeiten und sind wenig störanfällig. Sie erlauben schnelles und exaktes Andocken an der Übergabestation. Die Übergabe der Paletten ist senkrecht zur Fließrichtung meist nach beiden Seiten möglich.

Induktiv gesteuerte Flurförderer sind fahrerlose Fahrzeuge mit vielseitigem Einsatzbereich bei hoher Flexibilität. Durch Codierung der Fahrzeuge ist festgelegt, welche Fertigungseinrichtung beschickt werden soll. Die Fahrzeuge werden induktiv über im Werkstattboden eingelassene Leitungen geführt. Genaues Andocken an der Übergabestation wird durch mechanische Führungen sichergestellt. Gerüste für Transportkomponenten entfallen, Fahrstraßen müssen freigehalten werden.

4.2 Verkettung von Fertigungseinrichtungen

Eine selbsttätig arbeitende Fertigungslinie wird Fertigungskette genannt. Kennzeichen einer Fertigungskette sind der selbsttätige Ablauf verschiedener Fertigungsvorgänge am gleichen Werkstück bei gleichbleibender Arbeitsgüte und die Befreiung des Menschen von ständiger, zeitabhängiger, körperlicher und geistiger Tätigkeit.

Eine automatisch arbeitende Fertigungskette wird gegliedert in:

Transporteinrichtungen

Handhabungseinrichtungen

Bearbeitungseinrichtungen

Meß- und Überwachungseinrichtungen

Steuer- und Regeleinrichtungen

!!! Das langsamste Glied einer Fertigungskette bestimmt deren Taktzeit !!!

4.2.1 Lose Verkettung

Bei der losen Verkettung sind Zubringeinrichtungen und Bearbeitungseinrichtungen voneinander unabhängig und steuern sich selbst. Die Steuerung der Fertigungseinrichtung erfolgt durch Signale, die von durchlaufenden Werkstücken oder von der vorhergehenden Fertigungseinrichtung ausgehen. Die Verkettung übernehmen Werkstückzubringeeinheiten.

4.2.2 Starre Verkettung

Bei der starren Verkettung sind die einzelnen Fertigungseinrichtungen innerhalb der Kette in ihrem Handhabungskreislauf abhängig. In den Bearbeitungskreisläufen können sie jedoch abhängig oder unabhängig voneinander sein.

Alle Fertigungseinrichtungen der Kette werden gemeinsam gesteuert. Durch Ausfall einer Fertigungseinrichtung wird meistens die gesamte Kette stillgesetzt (kleine Puffer). Die an verschiedenen Störstellen anfallenden Störzeiten addieren sich.

Unterschiedliche Fertigungseinrichtungen und Verfahren können nur gekoppelt werden, wenn sie gut aufeinander abgestimmt sind. Die Verkopplung erfolgt häufig durch Roboter und Handhabungsgeräte.

Die Vollausbildung einer starren Verkettung ist eine Transferstraße .

4.2.3 Flexible Verkettung

Bei flexibler Verkettung müssen leistungsfähige Werkstück- /Werkzeugtransportsysteme bereitgestellt werden.

Die Aufgabe eines Werkstück-/Werkzeugtransportsystemes in einer flexiblen Fertigung sind Transportieren, Erkennen und Handhaben.

Die zu bearbeitenden Werkstücke und erforderlichen Werkzeuge müssen vom Rüstplatz zu den Maschinen und wieder zurück zum Abspannen bzw. Demontieren  transportiert werden.

Ziele der automatischen Werkstück-/Werkzeugversorgung sind:

schnelle Anpassung auf den momentanen Bedarf verschiedener Teile

einschieben von Zusatzaufträgen

bessere Auslastung der Maschinen

Verkürzung der Durchlaufzeiten der Werkstücke

schnellerer Durchlauf der Spannvorrichtungen

Wegfall von Zwischenlagern

bedarfsgerechte Bestückung mit Werkzeugen

Erkennung und Ersatz verbrauchter Werkzeuge

vorausschauende Umbestückung der Werkzeugmaschine

4.3 Werkstückzuordnung

Die Werkstückzuordnung legt fest, wie die einzelnen Werkstücke die Fertigungseinrichtung durchlaufen müssen.

Bei der Mengenfertigung erfolgt die Zuordnung der Werkstücke in festgelegter Reihenfolge durch speziell ausgelegte Zubringeeinrichtungen. Bei flexibler Fertigung wird die Zuordnung der Werkstücke durch Rechner gesteuert. Der Rechner kennt zu jeder Zeit Position, Lage und Anzahl der Werkstücke. Zur Erkennung der Werkstücke ist eine Codierung möglich.

4.4 Werkzeugbereitstellung

Um einen reibungslosen, automatischen Werkzeugkreislauf und eine lückenlose Werkzeugversorgung sicherzustellen, müssen bisher überwiegend manuell ausgeführte Tätigkeiten weitergehend automatisiert werden, z. B. Werkzeuge anfordern, lagern, aufbereiten, ausgeben, transportieren, kontrollieren, in Maschine einsetzen und wieder herausnehmen, demontieren, wiederaufbereiten.

Aufgabe der Werkzeugverwaltung ist es, die richtigen Werkzeuge zum richtigen Zeitpunkt, mit allen erforderlichen Daten, der richtigen Maschine zuzuordnen.

Beim automatischen Werkzeugtausch werden verschlissene oder nicht mehr benötigte Werkzeuge dem Werkzeugmagazin der Maschine entnommen und durch neue Werkzeuge aus einem zentralen Werkzeuglager ersetzt.

4.5 Werkzeugüberwachung

Automatischer Werkzeugwechsel erfordert Werkzeugüberwachung. Die Überwachung kann durch Kontrolle der Prozeßdaten und durch Vergleich mit einem Musterstück erfolgen.

Verfahren zur Werkzeugüberwachung:

Messung der Schnittkräfte während der Bearbeitung durch DMS.

Messung der Leistungsaufnahme (Strommessung)

Messung der Verformung am Werkzeug und der Maschine bzw. Aufspannvorrichtung.

Durch die Kombination der genannten Verfahren kann ein AC-System (adaptive control) entstehen. Über Abtaster und Sensoren werden die momentanen Schnittdaten an den Adaptive Controller geliefert und entsprechend der Sollwerte der Regeldifferenz minimiert. Das AC-System ergibt durch rechnergesteuerte Regelung eine Schnittwertoptimierung. Nachteilig sind die hohen Kosten für ein AC-System.