Werkzeugmaschinen Automation

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Letzter Autor: Veikko, , 14.643 Zeichen
🎓 Werkzeugmaschinen Automation ist die automatische Beschickung von Werkzeugmaschinen mit Werkstücken. In diesem Zusammenhang wird auch sehr häufig von Maschinenbeschickung, Maschinenbeladung, Maschinenautomation, CNC Automation oder Werkzeugmaschinenautomatisierung gesprochen.



In Zeiten von Industrie 4.0 wird auf die Automatisierung von Werkzeugmaschinen gesetzt. Automatisiert werden unterschiedlichste Maschinen wie

Funktion

Bei der Werkzeugmaschinen Automation geht es darum eine Werkzeugmaschine automatisch mit zu bearbeitenden Werkstücken zu versorgen und die fertig bearbeiteten Bauteile nach dem Bearbeitungsprozess automatisch zu entnehmen. In der Regel müssen die Rohteile sowie die Fertigteile bevorratet werden um eine gewisse Anlagenautonomie zu erreichen, dazu kommen sehr häufig sogenannte Palettiersysteme / Traystapler zum Einsatz. Teilweise ist dies auch nicht erforderlich, falls es sich um eine verkettete Automatisierung handelt, in diesem Fall kommen die Rohteile direkt aus einem Vorprozess werden automatisch der Werkzeugmaschine zugeführt und danach direkt dem nächsten Bearbeitungsschritt zugeführt.

Der Hauptprozess dabei ist der Werkstückfluss, das Einlegen von Rohteilen und das Entnehmen von Fertigteilen. Im Rahmen der Implementierung von Automatisierungstechnik werden dabei sehr oft auch noch weitere zusätzliche Prozesse in die Automatisierung mit einbezogen. Immer häufiger kommen in diesem Bereich Industrieroboter als zentrales Handhabungs- und Bearbeitungssystem bzw. zur Verkettung zum Einsatz.

Das automatische Beschicken der Maschine führt zur bestmöglichen Auslastung, da die Nebenzeiten minimiert werden. Dies führt zu einer höheren Produktivität und damit erlaub damit eine Reduzierung der Stückkosten in der Produktion und Herstellung von zum Beispiel Drehteilen oder Frästeilen.

Anforderungen Werkzeugmaschinen Automation

Automatische Be- und Entladung einer Drehmaschine mit Kickarmroboter

Bei der Gestaltung und Realisierung einer Werkzeugmaschinen Automation müssen die vorhergehenden und nachfolgenden Bearbeitungsschritte im Herstellungsprozess im Bezug auf Werkstückbereitstellung und Werkstückzustand des Produktes berücksichtigt werden.

Die mögliche Nutzung von Nebenzeitungen zur Integration wertschöpfungserhöhender Zusatzprozesse muss betrachtet werden.

Die kürzestmögliche Span-zu-Span-Zeit wird durch optimale Vorbereitung der Werkstückposition und Optimierung der Verfahrwege des Roboters erreicht.

Gleichzeitig muss die Zugänglichkeit der Maschine für die manuelle Beschickung zwischenzeitliche Kleinserien und zum Umrüsten der Maschine bestmöglich gewährleistet werden. Rüstzeiten und Variantenwechsel müssen optimiert werden.

Maßnahmen zur Verschleppung von Kühlschmiermittel (KSS) sowie von Verschmutzungen und Spänen müssen getroffen werden.

Der Werkstückspeicher, oftmals als Palettiersystem ausgeführt, muss auf eine sinnvolle Losgröße und unter Berücksichtigung von Werkzeugverschleiß ausgelegt werden.

Durch Prüf- oder Messeinrichtungen und die Auswahl geeigneter Zyklen muss Ausschuss durch Werkzeugverschleiß oder Werkzeugbruch minimiert werden.

Der Einlegevorgang in Futter, Spannzangen, Werkstückvorrichtungen muss genau betrachtet und für ein prozesssicheres automatisches Einlegen optimiert werden. Schwierigkeiten, die dabei zu Überwinden sind, sind sehr enge Toleranzen bzw. Futter mit minimalster Luft, zurückgebliebene Späne aus dem Bearbeitungsprozess des zuvor bearbeiteten Teils oder Ungenauigkeiten der Rohteile, die am Werkstückanschlag ausgeglichen werden müssen.

Vor allen Dingen bei Bearbeitungsprozessen mit hohem Zerspanungsgrad, wie es häufig beim drehen oder fräsen der Fall ist müssen Späne als Störquelle bedacht werden und deren Beseitigung mit in die Überlegungen einbezogen und bereits bei der Konstruktion bedacht werden ebenso wie die mögliche Verschleppung von Kühlschmiermittel (KSS).

Eine entsprechende Software auf der Bedieneinheit der Gesamtanlage kommuniziert über eine Schnittstelle mit der CNC-Steuerung der Bearbeitungsmaschine und sorgt für die Darstellung und Speicherung von relevanten Daten. Häufig kommen auch Inline-Messeinrichtungen zum Einsatz, deren Daten aus den Messungen direkt als Korrekturwert in der CNC im Ablaufprogramm verarbeitet werden.

Prozesskette der Automation

Kette der Einzelprozesse einer Werkzeugmaschinenautomation
Kette der Einzelprozesse einer Werkzeugmaschinen Automation

Die Prozesskette bei der Automatisierung der Herstellung und der Bearbeitung von Metallteilen beinhaltet unterschiedliche Teilprozesse. Je nach Qualitätsanforderungen, Kundenanforderungen, Investitionsvolumen und gewünschtem Automatisierungsgrad kann der gesamte Prozess oder Teilbereiche automatisiert werden: Rohteile zuführen - Rohteile positionieren - Rohteile kontrollieren - Rohteileteile fein positionieren - Fertigteil(e) entnehmen - Fertigteil(e) nachbearbeiten - Vorreinigen - Prüfaufgaben: taktil, elektrisch, optisch - Messen - Reinigen - Kennzeichnen - Ablegen - Palettieren - Verpacken - Etikettieren.

Rohteilzuführung, Rohteilbereitstellung und Rohteilvorbereitung

Das Rohmaterial aus dem die Fertigteile eines Bearbeitungsprozesses in einer Werkzeugmaschine gefertigt werden kann auch ganz unterschiedliche Weise in die Maschine gelangen. Es kann z.B. als Stangenmaterial in eine Drehmaschine mit speziellen Ladern eingelegt werden. Es können relativ grobe Gußteile sein mit entsprechend verschmutzter und oder korrodierter Oberfläche, es können aber auch bereits sehr aufwändig vorbearbeitete Teile sein, die der letzten Bearbeitung einer Bearbeitungskette zugeführt werden müssen und in denen bereits eine sehr hohe Wertschöpfung steckt und die entsprechend vorsichtig behandelt werden müssen.

Um die Rohteile in die Werkzeugmaschine einzulegen, müssen sie zuvor entsprechen im Greifer des Roboters, der die Beladung übernimmt positioniert werden. Werden die Werkstücke in Werkstückträgern oder Paletten positioniert bereitgestellt geschieht dies mit dem Greifvorgang, ansonsten muss eine vorherige Positionierung erfolgen. Dies kann z.B. eine spezielle Bauteilzuführung übernehmen (Teileförderer oder Feeder), ebenso (insbesondere bei längeren Bearbeitungszeiten) kann der Bediener die Bauteile händisch in entsprechende Vorrichtungen setzen, aus denen sie der Roboter entnimmt.

Rohteilzuführung und -bereitstellung mit Rohteilkontrolle vor der Bearbeitung bei der Automatisierung einer Verzahnungsmaschine

Eventuell müssen vor dem Einlegen in die Maschine noch Merkmale oder Eigenschaften kontrolliert werden (zum Beispiel auf richtige Orientierung oder richtige Bauteilvariante) und sehr oft müssen die Werkstücke noch feiner bzw. genauer positioniert oder orientiert werden. Dazu werden häufig einfache Vorrichtungen, in die das Bauteil nochmals ablegt wird, sich selbst unter Nutzung der Schwerkraft orientiert und danach neu gegriffen wird. Ebenso kann natürlich auch die Ausrichtung unter Nutzung von Sensorik oder eines Bildverarbeitungssystems erfolgen.

Werkstückentnahme, Nachbearbeitung und Prüfung

Industrieroboter mit werkstückspezifischem Doppelgreifer beim Be- und Entladen einer Drehmaschine

Nach der Bearbeitung erfolgt die Entnahme des bearbeiteten Werkstückes durch den Roboter. Daran schliessen sich oft noch Nachbearbeitungen an, die von dem Automatisierungssystem übernommen werden. Das können z.B. Bürstvorgänge sein, die einen Grat an einer Kante brechen sollen, aber auch Entgratvorgänge, die der Roboter ausführt, um die Bearbeitungszeit der Maschine zu reduzieren und diese Tätigkeit in den Aufgabenbereich der Automation zu verlagern. Dazu kommen häufig Bohr- und Senkwerkzeuge, aber auch speziell für die Roboterbearbeitung ausgelegte Frässpindeln. Um die Verschleppung von Kühlschmiermittel in die Automationsanlage zu vermeiden bzw. um Späne grob zu entfernen, erfolgt jetzt häufig eine erste grobe Vorreinigung der bearbeiteten Werkstücke mittels Druckluft oder speziellem Reinigungsmedium.

Prüfen, Messen, Reinigen und Kennzeichnen

Im nächsten Schritt folgen dann unter Umständen noch Prüf- und Messaufgaben eine finale Reinigung und eine Kennzeichnung. Beim Prüfen und Messen kann es von einem sehr einfachen Prüfen auf wesentliche Merkmale zum Beispiel mittels einfacher, optischer, taktiler oder elektrischer Sensorik bis hin zu einer sehr genauen und aufwändigen Messung, deren Ergebnis unter Umständen auch als Korrekturwert für die folgenden Bearbeitungen an die Maschine zurückgegeben wird. Häufig werden Mess- und Prüfteile auch über spezielle Schubladen an den Bediener ausgegeben, der dann die Messungen vornimmt und so die Beschaffenheit der Teile innerhalb der Toleranz prüft und bestätigt. Im Rahmen der Statistischen Prozesslenkung werden über sogenannte SPC-Ausgaben die bearbeiteten Teile zyklisch ausgegeben.

Nach erfolgter Prüfung oder Messung werden häufig der Teile noch als iO-geprüft gekennzeichnet bzw. müssen generell gekennzeichnet werden. Das kann ein einfacher Punkt sein, kann aber auch ein mittels Kennzeichnungslaser aufgebrachter Data-Matrix-Code sein, oder ein mittels Nadelpräger aufgebrachter Schriftzug.

Palettieren und Verpacken

Fertigteile werden in Kundentransportverpackungen verpackt, die in einem Palettiersystem bereitgestellt werden

Nachdem die Fertigteile entnommen sind und alle Zusatzprozesse durchlaufen haben, werden sie entweder in einem Werkstückträger oder Teilespeicher abgelegt, von wo sie manuell entnommen werden. Falls keine weiteren Bearbeitungen mehr erfolgen, schließt sich hier auch sehr häufig das Palettieren und Verpacken in die Versandverpackung an sowie die Kennzeichnung der Verpackungseinheit zum Beispiel durch Aufbringen eines Etiketts, was in der Regel von einem Drucker mit Informationen aus dem ERP-System bedruckt umd vom Roboter automatisch aufgebracht wird.

Schnittstellen zu Werkzeugmaschinen

Zum automatischen Be- und Entladen von Werkzeugmaschinen müssen Automatisierungssystem und Maschine miteinander kommunizieren. Dies geschieht über eine sogenannte Automationsschnittstelle, die jedoch hinsichtlich ihrer Signale nicht genormt oder vereinheitlicht ist. Es kommen unterschiedlichste Protokolle zum Einsatz. Bei älteren Maschinen, an denen eine Automation nachgerüstet wird häufig noch digitale Ein- und Ausgänge, ansonsten Profibus oder Profinet. An dieser Stelle ist es wichtig mit einem erfahrenen und flexiblen Automatisierer zu arbeiten, der die Abklärung der Schnittstelle mit dem Maschinenhersteller übernimmt und sich gegebenenfalls anpassen kann. Neben den eigentlichen Signalen, die für die automatische Be- und Entladung erforderlich sind, müssen auch die Sicherheitssignale wie Not-Aus und u.U. Türsicherheitskreis in sicherer Technik verknüpft werden.

Verkettung von Bearbeitungsmaschinen

Wagenwechsel bei einem Palettiersystem
Wagenwechsel bei einem Palettiersystem

Vom Rohteil (z.B. Schmiedeteil oder Stangenware) bis zu einem Fertigteil werden in der zerspanenden Bearbeitung meist mehrere Arbeitsschritte durchlaufen in denen das Material auf unterschiedlichste Art zerspanend oder umformend bearbeitet wird. Wenn diese Bearbeitungsschritte innerhalb einer Fabrik bzw. Halle durchlaufen, ist man in der Automatisierung bestrebt neben dem Be- und Entladen der Maschinen auch den Werkstücktransport bzw. die interne Logistik so automatisiert wie möglich zu gestalten. Im Idealfall sind die Bearbeitungszeiten der einzelnen Bearbeitungsprozesse annähernd gleich lang und die Maschinen stehen nahe beieinander. Dann besteht die Möglichkeit Maschinen fix zu verketten. Das bedeutet, dass das Fertigteil der einen Bearbeitung direkt als Rohteil in den nächsten Bearbeitungsschritt gelangt. Der Vorteil dabei sind direkte aufeinander folgende Bearbeitungsschritte mit einem Eingang für Rohteile in die Fertigungslinie und einem Ausgang für Fertigteile. Das klingt verlockend, ist aber in den allermeisten Fällen nicht darstellbar bzw. birgt Risiken und Schwierigkeiten. So können auf einzelnen Maschinen Leerlaufzeiten entstehen, wenn sie auf vorhergehende Bearbeitungen warten. Wie in jeder Kette ist diese nur so stark, wie ihr schwächstes Glied, das bedeutet im Produktionsfall, wie die langsamste Maschine in der Kette und im Falle eines Ausfalles eines Fertigungsgliedes ist die Kette gerissen und es wird überhaupt nicht produziert. Außerdem gibt es viele Gründe, dass Maschinen unterschiedlichster Bearbeitungsverfahren nicht nacheinander angeordnet werden können.

Um die Vorteile einer verketteten Bearbeitung nutzen zu können und die Nachteile einer starren Verkettung zu elimieren wird sehr häufig ein internes, automatisierungsgerechtes Logistikkonzept genutzt. Teile werden vom ersten bis zum letzten Schritt in Werkstückträgern bevorratet, aus denen sie automatisch entnommen und der Bearbeitung zugeführt werden können und in die sie nach erfolgter Bearbeitung wieder abgelegt werden können. Diese Werkstückträger oder Trays oder Körbe, werden im Stapel auf sogenannten Palettenwagen oder Bodenrollern innerhalb der Fertigung von eine Bearbeitung zu nächsten transportiert und dort von Palettiersystemen oder Traystaplern einem Handlingssystem zur Beladung in die Bearbeitungsmaschine zur Verfügung gestellt. Auf den Wagen können sie auch zwischengelagert werden und sie können flexibel, je nach verfügbarer Maschinenkapazität einer jeweils freien Maschine zugeführt werden. Dabei spielen auch Rüstkonzepte eine Rolle.

Die Palettenwagen bzw. Bodenroller werden auch immer häufiger von FTS (fahrerlosen Transportsystemen) bzw. AGV (Automated guide Vehicle) zwischen den Bearbeitungschritten transportiert.