Flexible Fertigungssysteme - iwf.tu- · PDF file• automatischer Werkzeugwechsel mit Werkzeugspeicher, mind. 3 CNC-gesteuerte Achsen, mind. 2 verschiedene Fertigungsverfahren (z.B

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Flexible Fertigungssysteme SS 2008 – Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine II - VL 9

9. Vorlesung

Flexible Fertigungssysteme

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Inhalt der Vorlesung

• Einleitung

• Einteilung von Fertigungssystemen

• Werkzeugsysteme

• Werkstückflusssysteme

• Steuerung

• Realisierung von flexiblen Fertigungssystemen

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Einleitung Einteilung Werkzeugsysteme Werkstückfluss-systeme Steuerung Realisierung

Herausforderungen des Marktes an Nutzer von Werkzeugmaschinen

• Zunahme der Variantenvielfalt durch zunehmende Kundenorientierung

• Zunahme der Produktkomplexität

• Abnahme der Produktlebenszeit

• Abnahme der geforderten Lieferzeit

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Einleitung Einteilung Werkzeugsysteme Werkstückfluss-systeme Steuerung Realisierung

Flexibilitäterhöhen

Flexible Fertigungs-systeme

Geschwindigkeitenerhöhen

High Speed Cutting(HSC)

WegeZiele

Genauigkeitenerhöhen

Ultra- und Hoch-präzisionsbearbeitung

Werkstoffspektrumerweitern Hartbearbeitung

Ressourcenver-brauch minimieren

Trockenbearbeitung, Mikrobearbeitung

FertigungssystemWerkzeugmaschine

Entwicklungstrends

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Einleitung Einteilung Werkzeugsysteme Steuerung RealisierungWerkstückfluss-systeme

Einteilung von Fertigungssystemen nach dem Automatisierungsgrad

Automatisiertes Fertigungssystemflexibel: Automatisiertes flexibles Fertigungssystem (AFFS), starr: Transferstraße• automatischer Werkstück- und ggf. Werkzeugfluss im gesamten System• zentrale Datenverwaltung im Fertigungsleitrechner

Zelle• automatischer Werkstückwechsel mit Werkstückspeicher

Zentrum• automatischer Werkzeugwechsel mit Werkzeugspeicher, mind. 3 CNC-gesteuerte Achsen,

mind. 2 verschiedene Fertigungsverfahren (z.B. Bohren/Fräsen)

Automat, mechanisch gesteuertNC-Maschine, mikroprozessorgesteuert• automatische Ablaufsteuerung der einzelnen Maschinenfunktionen

Maschine• Erzeugung von Schnitt- und Vorschubbewegung• Erzeugung der Prozesskräfte

Einzelmaschinen

Mehr-maschinen-

systeme

Quelle: Weck: Werkzeugmaschinen – Fertigungssysteme Bd. 1

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Einteilung von Fertigungssystemen nach dem Grad der Flexibilität

umrüstbareTransfer-straße

Transferstraße

Einzelmaschinen

Starre Mehrmaschinen-systeme

Flexible Mehrmaschinen-systeme

integriertesstarres

Fertigungssystem flexibleTransfer-straße

Einzweckmaschine

umrüstbareEinzweckmaschine

flexiblesFertigungs-system flexible

Fertigungs-zelle Bearbeitungs-

zentrum numerisch gesteu.Universal-maschine manuelle

Universalmaschine

Quelle: Weck: Werkzeugmaschinen – Fertigungssysteme Bd. 1

Flexibilität

Pro

dukt

ivitä

t

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Ein Einzweck – Fertigungssystem ist ein automatisiertes Fertigungssystem, das für die Fertigung nur eines bestimmten Produktes konstruiert wurde und nicht ohne weiteres auf die Fertigung anderer Produkte umgestellt werden kann.

Ein Flexibles Fertigungssystem ist ein automatisiertes Fertigungssystem, das dazu geeignet ist, mit einem Minimum manueller Eingriffe eine Gruppe oder Familie von Komponenten zu fertigen. Das System ist gewöhnlich so konstruiert, dass es wirtschaftlich kleine und mittlere Stückzahlen einer Familie von Komponenten kleiner und gemischter Losgrößen fertigt. Die Flexibilität wird normalerweise auf die Teilefamilie beschränkt sein, für die es konstruiert wurde.

Quelle: Tuffentsammer, K.: Die automatisierten Fertigungssysteme In: tz für Metallbearbeitung 79 (1985) Nr. 8

Begriffe

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Flexibilität

Das Attribut flexibel kennzeichnet ein System, das verglichen miteinem anderen System bezüglich eines oder mehrerer Merkmaleeine größere Funktionalität aufweist. Dieses Mehr an Funktion kannquantitativer oder qualitativer Art sein. Man unterscheidet:

• Produkt-Flexibilität,

• Ablauf-Flexibilität,

• Verfahrens-Flexibilität,

• Mengen-Flexibilität,

• Funktions-Flexibilität,

• Geometrie-Flexibilität.


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Komponenten und Schnittstellen eines flexiblen Fertigungssystems

Informationssystem

Werkstückflusssystem

Handhabungssystem

Transportsystem

Speicherungssystem

Werkzeugsystem

Handhabungssystem

Transportsystem

Speicherungssystem

Bearbeitungssystem

Maschine 1

Ver- und Entsorgungs-systeme

Werkstückmess-und Prüfsysteme

WerkzeugeVorrichtungs- und Spannsysteme

Rohteile / Fertigteile

Rüstmittel Hilfsstoffe / Späne

Maschine 2

Maschine 3

Maschine …

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Werkzeugvor-einstellgerät

Zellensteuerung

Transportsteuerungfür Werkstück- und Werkzeugversorgung

Bestückungsplatzmit Werkzeug-wechselkassette

Wechselbereichfür Werkzeugkassette

Paltettenwechsler

Bearbeitungszentrum

Schienenfahrzeug fürWerkstück- und Werkzeugtransport

Speicherplatz fürWerkstückpalettenund Werkzeug-wechselkassetten

Werkzeug-kassettenmagazin

Werkstück-spannplatz

Beispiel eines flexiblen Fertigungssystems

Quelle: Firma Fritz Werner

Palettenwechsler

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Automatisierte Werkzeugmaschine

Automatisierte Werkzeugmaschinen können verwendet werden, um eine oder eine Anzahl von unterschiedlichen Bearbeitungsoperationen an einem Typ oder einer begrenzten Zahl von Typen von Werkstücken durchzuführen.

Man unterscheidet:

• Automatisierte Werkzeugmaschinen ohne NC-Steuerung (z.B. mit Kurvensteuerung),

• NC- oder CNC-Werkzeugmaschinen.


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Fertigungssysteme

Gliederung der Werkzeugmaschinen nach dem Entwurf der DIN 69651

Holzbearbeitung Metallbearbeitung Bearbeitung anderer Werkstoffe

Fertigungs-anlagen zum

Urformen

Fertigungs-anlagen zum Umformen


Trennen


Fügen

Fertigungs-anlagen zum Beschichten

Fertigungsanlagen zum Stoffeigen-schaftsändern

WZM zum Umformen

WZM zum Trennen

WZM zum Fügen

WZM für mehrere Verfahren

Mehrmaschinen-systeme

PressenHämmerWalzmaschinenBiegemaschinenZiehmaschinenMaschinen zum Umformen mit

Wirkmedien oderWirkenergie

Zerteilende WZM

ScherenSchneipressen

Spanende WZM geom. best. SchneideDrehmaschinenBohrmaschinenFräsmaschinenHobelmschinenRäummaschinenSägemaschinenFeilmaschinenBürstmaschinenMaschinen zumMeißeln u. Schaben

Spanende WZM geom. unbestest.

Schneide

Schleifmaschine (rot.)Bandschleifmasch.Hubschleifmasch.HonmaschinenLäppmaschinenStrahlmaschinenGleitspanmaschinenPoliermaschinen

Abtragende WZM

Chem. AbtragenElektr. Abtragen (EDM)Elektro-chem. AbtragenStrahlverfahren –

Laserbearbeitung

Werkzeugmaschinen nach DIN 69651

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Bauformen von Bohr- und Fräsmaschinen mit horizontaler Bearbeitungsachse

Konsole Bett

eins

zwei

dreiA

nzah

l der

Ach

sen

im W

erkz

eugt

räge

r

Quelle: Weck: Werkzeugmaschinen, Band 2

Konsolständerbauweise

BohrwerkbauweiseFahrständerbauweise

Kreuzbettbauweise

Kreuztischbauweise

Konsolbettbauweise

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Konsole Bett Portal

eins

zwei

dreiA

nzah

l der

Ach

sen

im W

erkz

eugt

räge

r

Konsolständerbauweise Kreuztischbauweise

Fahrständerbauweise

Tischbauweise

Gantrybauweise

Bauformen von Bohr- und Fräsmaschinen mit vertikaler Bearbeitungsachse

Quelle: Weck: Werkzeugmaschinen, Band 2

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Beispiele konventioneller nicht automatisierter Werkzeugmaschinen

Leit- und Zugspindeldrehmaschine Stirnfräsmaschine

Drehmaschinen-futter

Werkzeug-schlitten ReitstockLeitspindel

Zugspindel

MaschinenbettSchloßkasten GestellGetriebekasten

Auffangwanne

Schalthebel fürDrehzahlen

Quelle: WEILER Werkzeugmaschinen GmbH

SchwenkbarerFräskopf

Werkstück

Kreuztisch

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Beispiele automatisierter Werkzeugmaschinen

Numerisch gesteuerteSchrägbettdrehmaschine

CNC-Universal-Fräsmaschinein Kreuzschlittenbauweise

Werkzeugrevolver

Planschlitten

Quelle: INDEX-Werke GmbH & Co. KG

Hauptspindel Gegenspindel

Quelle: GILDEMEISTER AG

Werkzeugwechsler

Schwenkrundtisch

Hauptspindel

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Bearbeitungszentrum

Ein Bearbeitungszentrum ist eine NC- (meist CNC-) Werkzeugmaschine,die zur Ausführung von mindestens zwei Bearbeitungsoperationen undzu automatischem Werkzeugwechsel aus einem Magazin oder einerähnlichen Speichervorrichtung entsprechend dem Bearbeitungsprogrammgeeignet ist.

Eine NC-Drehmaschine mit Vorrichtungen zum automatischen Werkzeugwechsel, angetriebenen Werkzeugen in einem Mehrfachrevolver sowie der Möglichkeit zur numerischen Positionierungund Bewegung der Hauptspindel kann als Drehzentrum bezeichnetwerden.

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Beispiel: Bearbeitungszentrum

Quelle: GILDEMEISTER AG

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Einleitung Grundlagen Werkzeugsysteme Steuerung RealisierungWerkstückfluss-systeme

Quelle: Friedl, Dittrich, Wiechmann: Automatisierter Werkzeugfluß in flexiblen Fertigungssystemen. ZwF 85 (1990)

Anforderungen an Werkzeugsysteme

• Vermeidung von Maschinenstillständen wegen fehlender Werkzeuge,

• Senkung der Werkzeugkosten durch Mehrfachnutzung von Werkzeugen und volle Ausnutzung der Werkzeugstandzeit,

• Entlastung des Bedienpersonals durch Wegfall manueller Bedieneingriffe beim Werkzeugtausch.

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Magazinbauformen

Quelle: Weck: Werkzeugmaschinen Bd. 1

Zahl

der

Wer

kzeu

gebe

nen

Zahl

der

Bew

egun

gsac

hsen

Lage der Werkzeuge zur Rotationsachseder Magazine

axial radial tangential

Scheibe Stern Scheibe

Turm Trommel Turm

KetteKette

Magazine mit beweglichen Werkzeugplätzen

>1

1

>1

1

1

1

Magazine mit stationären Werkzeugplätzen

Leiste

Geometrische Anordnung(Zahl der Koordinatenachsen)

Kassette Regal

eins zwei drei

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Beispiele: Magazinbauformen


ScheibenmagazinQuelle: INDEX-Werke GmbH & Co. KG

Kettenmagazin

Kassettenmagazin

Quelle: MIKSCH GmbH

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WWWTWT WWWTWT

Einzelkomponenten und Abläufe in einem Werkzeugversorgungssystem


Lager-bereich

MaschinennaherBereich

Transport-bereich

Spindelnaher Bereich

Zentral-lager

Transport-lager

Puffer-speicher

Tauscher Maschinen-magazin

Wechsler Spindel

WT/MT

WT MTWV

WAR: Werkzeug - An- und Rückstellbewegung

WW: Werkzeug - Wechsel

WV: Werkzeug - Vorwahl

WT: Werkzeug - Austausch

MT: Magazin - Austausch

TR: Werkzeug- oder Magazin-Transport

MT WAR

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Bearbeitungszelle

Eine automatisierte Bearbeitungszelle ist eine untereinanderverbundene Anordnung einer oder mehrerer Werkzeugmaschinen,Messmaschinen und Werkstückbe- und -entladeeinrichtungen zurautomatischen Durchführung eines oder aller spanenden (oder umformenden oder fügenden) Bearbeitungsvorgänge, diebei der Fertigung eines Erzeugnisses erforderlich sind.Man unterscheidet:

• Einzweck-Bearbeitungszellen,• Flexible Bearbeitungszellen.

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Beispiel: Flexible Drehzelle


AchsanordnungWerkstückpalette

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TransportAutomatische Verkettung der Fertigungssysteme

Bsp.:• Stetigförderer• Unstetigförderer

LagerAutomatische Speicherung zwischen den Bearbeitungs-vorgängen sowie am Systemein-bzw. ausgang

HandhabungAutomatische Verkettung von Transport-, Lager-und Bearbeitungs-einheiten

Bsp.:• Standgeräte• Anbaugeräte• Portalgeräte

Werkstückflusssysteme

Quelle: Süssenguth, W.; Öhler, P.: Lösungen für den Werkstücktransport in flexiblen Fertigungssystemen. ZwF82 (1987)7, Carl Hanser Verlag

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Teilfunktionen des Handhabens nach VDI 2860Handhaben

Speichern Menge verändern Sichern

Teilen

Vereinigen

Drehen

Verschieben

Halten

Lösen

Prüfen

GeordnetesSpeichern

TeilgeordnetesSpeichern

Abteilen

Zuteilen

Verzweigen

Zusammenführen

Sortieren

Schwenken

Orientieren

Positionieren

Führen

Weitergeben

Spannen

Entspannen

Anwesenheit prüfen

Identität prüfen

Form prüfen

Größe prüfen

Farbe prüfenGewicht prüfen

Position prüfen

Orientierung prüfen

Messen

ZählenOrientierung messen

Position messen

(Fördern) *)UngeordnetesSpeichern *) *) Keine eigentliche Handlungsfunktion, jedoch zur

vollständigen Beschreibung von Funktionsfolgen erforderlich

Ele

men

tar-

funk

tione

nZu

sam

men

gese

tzte

Fun

ktio

nen

ergä

nzen

deFu

nktio

nen

Bewegen Kontrollieren

Ordnen

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Informations- und Materialfluss einer flexiblen Fertigungszelle


Leitrechner

FlexibleFertigungs-zelle

Werkstückbereitstellung

DNC DNC

Vorrichtungs-lager

Fertigteil-lager

Rohteil-lager

Werkzeug-aufarbeitung

Werkzeug-bereitstellung

Werkzeug-einstellung

Werkzeug-lager

Rüststation

Zellen-rechner Org.

term.Einr.term.

Pool

BDE

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Beispiele: Bearbeitungszentrum mit automatischem Materialfluss

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Anordnungsvarianten von Palettenspeichern für Bearbeitungszentren


Palettenpool mit 8 Speicherplätzen

Linear-Palettenspeicher mitPalettenwagen undPalettenverschiebestation

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Beispiele: Werkstückversorgung


Rüstplatz Werkstücktransport

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Beispiele: Werkstückversorgung

Quelle: Bosch Rexroth AG

Rüstplatz

WerkstücktransportHauptzeitparalleles Rüsten


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Steuerungsstruktur von flexiblen Fertigungssystemen• Steuerungsebene• Zellenrechnerebene• Leitrechnerebene

Hierarchie-stufen

• Die Informationsgewinnung und-verarbeitung muss in jeder Ebeneso unabhängig wie möglich sein.

Grundsätze der Ebenen-struktur

• Die zwischen den Ebenenausgetauschten Daten sollengering gehalten werden.

• Schnittstellen müssen inhaltlich undphysikalisch klar festgelegt sein.

Quelle: Waller, S.:Lokale Netzwerke und Rechnerhierarchie in CIM-Konzepten. VDI-Bericht 611, Düsseldorf: VDI-Verlag, 1986

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Dispositive Aufgaben

Aufgaben eines FFS-Leitrechners


• Maschinenbelegungs-planung

• Planung manueller Tätigkeiten (Umrüsten)

Organisatorische Aufgaben

• Führen des Systemabbildes• Vergabe von Arbeitsvor-gängen

• Umdisposition beiStörungen

Operative Aufgaben

• Ableiten von Transport- und Bearbeitungsvorgängen

• Führungen der Transport-und Lagerbilder

Überwachungsfunktionen

• Überwachung der Prozessabläufe

• Erfassen und Protokollieren von Betriebsdaten

• Statistische Auswertung

Verwaltungsfunktionen

• Auftragsverwaltung• NC-Programmverwaltung• Werkstückdatenverwaltung• Werkzeugdatenverwaltung• Dateienverwaltung

Gerätesteuerung

• Senden / Empfangen von NC-Daten

• Transportbefehle• NC-Start• Statusmeldungen

Bedienpersonal

• Rüst- und Spann-anweisungen

• Systemzustandsab-frage / -anzeige

• Dateneingabe bei Störungen• Test- / Wartungsbetrieb

Übergeordneter Rechner

• Auftragsübernahme• Auftragsrückmeldung• Übernahme vonNC-Programmen

Kommunikationsaufgaben

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Funktionen der Steuerung eines flexiblen Fertigungssystems

Werkzeugmanagement• Werkzeugdatenverwaltung

und -übertragung• Bedarfsermittlung• Werkzeugflusssteuerung

Auftragsverwaltung und Feinplanung• Auftragseinlastung• Auftragsmixbildung• Belegungsplanung• Umdisposition

Ablaufsteuerung• Steuern der Auftrags-

abwicklung• Auftragsverfolgung

und -überwachung

Zellenmanagement• Beauftragung und

Überwachung der Bearbeitung

• Koordination der Abläufe• Ressourcenmanagement

DNC• NC-Programmverwaltung• Übertragung von

Werkzeugdaten, NC-Programmen etc.

• Starten von NC-Programmen• Rückmeldungen

Qualitätssicherung• Ausführung von

Qualitätsregelkreisen• Integration der

Messeinrichtungen

BDE / MDE• Erfassung der IST-Daten• Verdichtung /Auswertung

der Daten / Performance-analyse

• Zeiterfassung / Personal

Prozessvisualisierung• Anzeige des

Anlagenzustandes• Störmeldungen• Steuerbefehle

Materialflusssteuerung• Abwicklung von

Transportaufträgen• Bestands- /

Materialverwaltung

Instandhaltung, Diagnose• vorbeugende Instandhaltung• Planung der Instandhaltung• Fehlererkennung und

-behebung• Teleservice


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Schritte zur Realisierung eines flexiblen Fertigungssystems

• Definition der Ziele:

• Projektstudie:

• Projektplanung:

• Systemauslegung:

• Angebotserstellung und -prüfung

• Verkürzung der Durchlaufzeit,• Reduzierung der Umlauf- und Lagerbestände,

• geringer Zeitbedarf bei der Einführung neuer Produkte.

• Abgrenzung des Teilespektrums,• Mengenbedarf erfassen,• Maschinenkapazität erfassen,• Präzisierung der Projektziele.

• Lösungssuche,

• Netzplantechnik,• Lösungskataloge,• analytische Berechnungsverfahren,• Verfahren der Investitionsrechnung,• Simulation

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Kriterien für die Bildung von Teilefamilien

Geometriedaten Fertigungstechnologiedaten Auftragsdaten

• Abmessung• Form• Charakteristische Formelemente

• Fertigungstoleranzen

• Fertigungsverfahren• geforderte Eigenschaften• Materialwerte• Bearbeitungswerte• Spannart

• Losgröße• Fertigungszeiten• Fertigungstermin• Änderungshäufigkeit

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Einflussgrößen auf die Investitions-rechnung für flexible Fertigungs-systeme

• Flexibel automatisierte Fertigung, z.B.:

- Automatische Werk-stück-, Werkzeug- und Informationsversorgung

- rüstzeitfreier Auftragswechsel

- Aufsichtsarmer Betrieb durch selbstständige Ablaufsteuerung und Prozessüberwachung

• Reduzierung der Umlauf-und Lagerbestände

• Geringerer Fertigungs-steuerungsaufwand

• Automatisierte Qualitäts-sicherung

Rationalisierungseffekte

• Kürzere Lieferzeiten

- Schnelleres Reagieren auf Bedarfsschwan-kungen

- Schnellere Einführungneuer Projekte

- Qualitätssteigerung

Marktorientierte Vorteile

• Kürzere Lieferzeiten

- Schnelleres Reagieren auf Bedarfsschwan-kungen

- Schnellere Einführungneuer Projekte

- Qualitätssteigerung

Anpassbarkeit anneue Fertigungsaufgaben

Umsatz- und Ertragssteigerung

Kostenreduzierung Kostenreduzierung

Rentabilität der Investition

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Simulation flexibler FertigungssystemeBeschreibung

Werkstückdaten:• Bearbeitungszeiten• Arbeitspläne• Werkzeugdaten• Einsatzzeiten• Standzeiten

Systemstruktur Strategien:• Einlastungsstrategien• Rüststrategien• Transportstrategien

• Kapazitätsauslastung• Werkstückträgerbedarf• Werkzeugbedarf• Personalbedarf• Einlastungsreihenfolge• Optimale Strategien

Simulationsergebnisse

KapazitätsauslastungWerkstückträger-

bedarf

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Beschreibungssystem

Integriertes Modell

Simulation Kostenrechnung CAD-Generierung

Quelle: Spur, Stöferle; Handbuch der Fertigungstechnik Bd. 6

Beispiel eines Planungssystems

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Quelle: Spur, Stöferle; Handbuch der Fertigungstechnik Bd. 6

Layout eines flexiblen Fertigungssystems

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