Heyligensteadt CNC Drehmaschinen

Heyligensteadt

Automatisierung von Drehmaschinen *
Höhere Wirtschaftlichkeit durch gesenkte Fertigungskosten infolge kürzerer Durchlauf- und Stückzeíten u. dgi. verbunden mit besserer Produktqualität und höherer Flexibilität sind Forderungen bei der Beschaffung von Werkzeugmaschinen mit hohem Automatisierungsgrad. Te nach angestrebtem Automatisie-rungsgrad können diese Forderungen jedoch nur unterschiedlich berücksichtigt werden. Die teilweise gegensätzlichen Forderungen führen bei der Suche nach dem optimalen Ferligungsprozes zu Zielkonjlikten. Vor dem Hintergrund der langfrístigen Ertragssicherung sollte aber ein Fertigungsvorgang mit möglichst niedrigen Kosten für die herzustellenden Produkte angestrebt werden. Studien über die effektive Nutzung der Maschinenzeiten habenergeben, daβerhebliche Reserven vor handen sind. Wirtschaftlichkeitsrechnungen zeigen, daβ nur durch mehrschichtgen Betrieb und möglichst bediener- bzw. überwachungsarm eіn wirtschaftlicher Einsatz von hochautomatisierten Werkzeugmaschinen erreichbar ist. 

1 Betriebsarten flexíbler CNC-Drehmaschinen
Die Forderung nach bediener- oder überwachungsarmen,
mehrschichtigen Betieb ist verstandlich, wenn man berück-sichtigt, dass das Investitionsvolumen einer flexiblen Werkzeugmaschine nahezu doppelt so hoch ist, wie das fűr eіne normale CNC-Werkzeugmaschine. Die effektiven Schnittzeiten und die Nebenzeíten sind, wenn überhaupt, nur unwesentlich kürzer. Dies führt dazu, dass nur das Reduzieren der Rüstzeiten und Personalkosten bei sonst unverändertem einschichtigen Einsatz der Werkzeugmaschine die Stückkosten so senken müβte, dass zumindest eine Kostengleichheit zur normalen CNC-Drehmaschine erreicht wird. Dies ist nur in ganz seltenen Ausnahmen erreichbar. Der mehrschichtige bedienerarme Einsatz und die Änderung des Fertigungsvorgangs mit dem Ziel des Reduzierens der Durchlaufzeit sind dann die wesentlichen Voraussetzungen der Wirtschaftlichkeit. Híerzu ist anzumerken, dass in die heutige Investitionsrechnung das Reduzieren der Durchlaufzeit und damit das Vermindern des Umlaufvermögens in den seltensten Fällen eingehen, nicht zuletzt wegen der sehr schwiengen Quantifizierbarkeit der Einsparung. Der bedienungsarme Mehrschicht-Betrieb erfordert eine hochautomatisierte CNC-Werkzeugmaschine und einen entsprechenden Vorrat gleicher Werkstücke іn der Maschine, so dass ein automatisches Umrüsten nicht notwendig ist. Bei kleineren Losgröβen bzw. Teilefamilien und bzw. oder kurzen Hauptzeiten ist ein vollflexibler Betieb, der automatisches Umrüsten einschliest, erforderlich. Beіm überwachungs- und bedienungsarmen Betrieb ist zu berücksichtigen, dass in der Praxis zum Verringern des Maschinenausfalls die Werkstück-bearbeitung nur bei etwa 70 bis 80 % der sonst üblichen Schnittwerte erfolgt.

1.1 Mehrmaschinen-Bedienung
Eine Mehrmaschínen-Bedienung ist nur bei grossem Werkstück- und Werkzeugvorrat möglich und wenn das Be- und Entladen der Maschine automatisch erfolgen. Unter diesen Voraussetzungen kann die Maschine eine gewisse Zeit bei indirekter Aufsicht produzieren. Durch den Eínsatz von Werkstück- und Werkzeug-Meβeinchtungen mit nachgeschalteten automatischen Korrek-turmöglichkeiten sowie Sensoren zum sofortigen Abschalten der Maschine bei Störungen kann die Beaufsichtigung noch weiter reduziert werden. Auch ein Wechsel von abgenutzten gegen neue Werkzeuge kann in Abhängigkeit von Losgröβen und Bearbeítungsaufgabe erforderlich werden. Dartiber hinaus ist kurzzeitiges Einrichten und Umrüsten von grosser Bedeutung. Beim Zerspanen ist auf kurze Späne zu achten, damit Störungen durch Fliesspane vermieden werden. Dies ist
eine Anforderung, die sich bei allen automatischen Betriebsarten stellt. Eine Mehrmaschinen-Bedienung wird bereits häufig realisiert, insbesondere bei grossen Losgröβen. Sie ist für den Einsatz flexibler Fertigungszellen und -systeme eine der zu realisierenden Mindestforderungen, um die Personalkosten zu senken. 

1.2 Pausen- und Abschaltbetrieb
Beim Pausen- und Abschaltbetieb arbeitet die Maschine unbeaufsichtigt in der Pause oder nach Schichtende weiter, bis der Vorrat an Rohlingen aufgebraucht ist oder eine Störung
das Stillsetzen der Maschine bewirkt. Voraussetzung für diesen Betrieb ist, dass bei auftretenden Störungen die Maschine durch eingebaute Sensoren abgeschaltet wird. Auch hier ist wie bei der Mehrmaschinen-Bedienung eіп Umrüsten der Maschine einschlieβlich Peripherie іn kürzester Zeit gefordert.

1.3 Bedíenuпgsarmer Betrieb
Der bedienungsarme Betrieb kann in allen drei Schichten
stattfinden. Ausser den unter Mehrmaschinen-Bedienung und
Abschaltbetrieb genannten Voraussetzungen ist hier eine wesentliche Erweiterung des Werkstück- und Werkzeugvorrats
notwendig. Standzeitkontrolle und Störungsüberwachung
sind dabei unumgänglich. Durch weitgehende Absicherung
werden Störungen auf ein Minimum reduziert. Das Umrüsten
der Maschinen erfolgt manuell.

1.4 Uberwachungsarmer Betrieb
Im Gegensatz zum bedienungsarmen Betrieb erfolgt das Umrüsten beim überwachungsarmen Betrieb vollkommen automatisch. Das Bedienungspersonal wird nur im Störungsfall und zur Wartung benötigt, so dass nur noch überwachende Aufgaben wahrzunehmen sind. Die Steuerung der flexiblen Drehzelle oder des Fertigungs-systems erfolgt durch einen Zellen- bzw. Leitrechner. Der Befehl zum Umrüsten wird vom Leitrechner gegeben, nachdem durch eine Paletten- oder Werkstück-Erkennungsstation ein neues Werkstück erkannt wurde. Beim gegenwartigen Stand der Technik ist dies möglich, erfordert aber erhebliche Mehr-aufwendungen für den Futterbacken-Wechsel, den Greifer-wechsel und das Umrüsten einer u. U. eingesetzten automatischen Werkstück-Meβeinnchtung. Die Mehraufwendungen für den absolut überwachungsarmen Betrieb sind gegen über dem bedienungsarmen Betrieb
ganz erheblich. Die Ersparnis dagegen ist gegenwartig relativ klein. 

2 Bausteine zur Automatisierung
Zur Automatisierung von Drehmaschinen stehen folgende
Bausteine zur Verfügung, die einzeln oder kombiniert angewendet werden können: zusatzliche Technologien, Werkstück-Handhabung, Greifer-Handhabung, Spannzeuge, Meβ-einrichtungen, Sensonk für Überwachungen, DNC-Steuerungen (Leitrechner). Zur Verdeutlichung werden die einzelnen Bausteine und deren Vananten nachstehend kurz erlautert. 

2.1 Zusätzliche Technologien
Um die Genauigkeit (Bearbeiten in einer Aufspannung) zu erhöhen, die Rüstkosten zu senken (z. B. Drehen und Fräsen in einer Aufspannung) und ganz allgemein zur Kostensenkung
(statt einer Frasmaschine ist nur ein Frasaggregat erforderlich,
Bild 1), erfolgt sehr häufig die Integration des Bohrens und
Frasens in die Drehmaschine. Hierbei sind radiale und axiale
Bearbeitungen möglich. Durch die gesteuerte C-Achse lassen
sich komplexe Frasarbeiten durchführen. Die Antriebsleistung der marktüblichen Frasaggregate liegt bei 6 bis 10 kW. Die Mehraufwendungen sind relativ klein, das Rationalisierungspotential kann je nach Werkstück aber ganz erheblich sein.

2.2 Werkstück-Handhabung
Beim Handhaben der Werkstücke wird zwischen Systemen an
Maschinen, Systemen zwischen Maschinen und vorgeschalteten Werkstückspeichern unterschieden. Zu den Systemen an den Maschinen zählen integierte Beschickungssysteme, Portalsysteme, Sonderanlagen und lndustrieroboter. Kettenförderer, Paletten und Flurförderer sind Systeme zwischen den Maschinen. Schüttgutbunker und Palettenspeicher dienen als Werkstückspeicher.

2.2.1 Systeme an Maschinen
Sowohl in die Maschine integierte Systeme als auch separate
Systeme (wie Portallader und Industrieroboter) sind einsetzbar. Eіn Beispiel für eіn integiertes System ist eine Ladeeinrichtung an einer dreispindligen CNC-Futter-Drehmaschine (Bild 2). Die Rohlinge werden hierbei in einem Überflur-Förderer (z. B. Elevator) dem angebauten Magazin zugeführt. Das Laden und Entladen erfolgen bei rotierenden Arbeits-spindeln. Die fertigen Werkstücke werden über eіne Auffangrinne abgeführt. Für die komplexen Werkstück-Handhabungen werden CNC-Drehmaschinen mit Be- und Entlade-Einrichtungen in Portalbauweise ausgestattet, die mit konventioneller oder NC-Steuerung einsetzbar sind. Unterschieden wird zwischen Längs- und Querportalen in Ein- oder Doppelträger-Ausführung, sog. V-, H- oder Senkrecht-Stöβeln in der Laufkatze sowie Parallel-, Winkel- und Sondergreifern (Bild 3). Die Auswahl aus einem Baukasten wird nach Werkstückgeometie und -form vorgenommen. Der Einsatz von Industrierobotern an CNC Schragbett-Drehmaschinen ist nachteilig. Bild 4 zeigt, dass der Bediener
keine Möglichkeit hat, den Bearbeitungsablauf zu beobachten. Nachteilig sind weiterhin der erhebliche Platzbedarf und
die beschränkte Ladekapazität.

2.2.2 Systeme zwischen Maschinen
Zum Werkstücktransport und dem Verketten von Maschinen
gibt es Verkettungseínihtungen, die schrittweise taktende
oder aufreihende Funktionen haben bzw. als externe Speicher
ausgeführt sind. Als Beispiel hierfür seien Kettentische, Friktionsrollen mit Paletten und die Paletten-Takteinheiten mit Paletten-Stapelung genannt. In flexiblen Fertigungssystemen kommen haufig gleis- und fahrerlose Flurförderer für den Werkstücktransport (Bild 5) zum Einsatz.

2.2.3 Werkstückspeicher
Für die Fertigung von Werkstücken einfacherer Form in groβen Senen (z. B. Muffen, Ringe) kann ein Schittgut-B eingesetzt werden. Der Speicher ist platzsparend ausgeführt
und verfügt übeг eine Schwenkeinrichtung zur Aufnahme des
Werkstückcontainers oberhalb des eigentlichen Bunker-Elevators. Das System kann zum Beschicken von Einzelmaschinen bzw. von ganzen Maschinengruppen eingesetzt werden. Die Paletten-Takteinheit ist für das Stapeln von Einzelpaletten (sog. Europaletten 800 x 1200 mm) vorgesehen. Mit dem System sind die zur Zeit auf dem Markt bekannten Palettensysteme zu takten bzw. zu stapeln (Bild 6). Die Einheit selbst besitzt zwei NC-Achsen sowie die Transport- und Aufnahmevorrichtung für die Einzelpalette. Das zulassige Gewicht pro Palette (einschlieslich Werkstücke) betragt 250 kg. Die jeweilige Werkstückbelegung auf den Paletten selbst wird durch die Werkstückform bzw. -gröβe vorgegeben. Das System ist als einzelne Komponente auch für den Einsatz an anderen Maschinen innerhalb von Fertigungsinseln konzipiert. 

2.3 Greifzeug-Handhabung
Der Greiferkopf- und Greiferzangen-Wechsel ist notwendig,
wenn innerhalb des überwachungsarmen Betriebs - d. h. der
Bearbeitung ohne Bedienungsmann - umgerüstet werden
muss und die vorhandenen Greifer für das neue Werkstück
nicht angewendet werden können. Der Wechsel wird über eіnen Leitrechner, durch die Werkzeug- oder Paletten-Erkennung aktiviert.

Dieser Automatisierungsbaustein berührt aber die derzeitigen Grenzen der flexiblen Automatisierung іm bedienerarmen Betrieb. Als noch die sog. „Geisterschicht", d. h. der absolut vollständige automatische Betrieb angestrebt wurde, war
dieser Baustein notwendig. Beim bedienerarmen Betrieb ist
ein manueller Umrüstanteil möglich, so dass dieser Baustein
derzeitig in der Praxis selten realisiert wird. Durch den Einsatz flexibler Parallelgreifer und eine entsprechende Zusammenfassung zu Werkstückfamilien, die sowohl Greifer-Spannbereiche als auch Spannzeug-Bereiche berücksichtigen, wird versucht, einen Wechsel während des überwachungsarmen Betriebs zu veгmeіden. 

2.4 Wechseln der Spannzeuge
2.4.1 Futterbacken-Wechsel
Als Komponente der Handhabungstechnik ist insbesondere
im Zusammenhang mit flexiblen Anlagen auch das automatische Wechseln der Futterbacken (Bіld 7) zu nennen. Die Wechseleinheit benötigt eіne Ladeeinichtung, bzw. die vorhandene Werkstück-Ladeeinichtung kann genutzt werden,
wenn ein Zusatzgreifer angewendet wird. Das automatische Wechseln der Futterbacken hat sich im praktischen Einsatz bewährt. Eіne Wirtschaftlichkeit ergibt sich jedoch nur dann, wenn dieser Vorgang haufig durchgeführt werden muss.

2.4.2 Spannzeugwechsel
An seine Grenzen stöβt das Wechseln der Spannbacken dann, wenn ein für das vorhandene Spannzeug artfremdes Werkstück gespannt werden muss. Dann genügt ein Backen-Wechsel alleіn nicht mehr, sondern es muss das komplette Spannzeug gewechselt werden. Das automatische Wechseln des Spannzeugs ist aufgrund der Abmessungen und des Gewichts nur mit einem Ladesystem möglich. Eine vorhandene Werkstück-Ladeeinrichtung kann dafür ebenfalls genutzt werden. Für den Futterwechsel und den Backenwechsel gelten auch die Anmerkungen des  Kapitels zur Greifzeug-Handhabung.

2.5 Werkzeug-Handhabung
Ein ausreichender Werkzeugvorrat mit Ersatzwerkzeugen
kann entweder schon mit dem Trommel-Werkzeugspeicher
erreicht werden oder mit dem automatischen Wechseln von
Werkzeugköpfen aus einem Magazin z. B. mit zwölf verschiedenen Schneiden-Geometen, denen bis zu zehn Ersatzwerkzeuge für das Aussen- und das Innendrehen zugeordnet sind. Der Werkzeugwechsel erfolgt dann, wenn andere Schneiden-Geometrien gebraucht werden, bei Standzeit-Ende oder Werkzeugbruch durch rasches Weiterschalten auf das nächste Werkzeug. Beіm automatischen Werkzeugkopf-Wechsel wird der schnellschaltende Trommel-Werkzeugspeicher beibehalten.
Gewechselt wird bei Standzeit-Ende, Werkzeugbruch und
beіm Umrüsten. Zeitlich vorteilhaft ist der Werkzeugwechsel
während eines Werkstück-Ladewechsels durchzuführen. Flexible Werkzeugköpfe der Systeme Multiflex (Krupp), Block
Tool (Sandvik) [1], FTS (Hertel) [2] oder ABS (Komet) [3]
u. dgi. kommen zum Einsatz (Bild 8). Die Weiterentwicklung der Werkzeugwechsler führte zu einem System, das einen abgearbeiteten Werkzeugkopf vom Grundhalter im Trommel-Werkzeugspeicher und zugleich einen neuen Werkzeugkopf aus dem Magazin entnehmen kann. Durch anschliessendes Schwenken um 1800 werden die Werkzeugköpfe gegeneinander ausgetauscht (Bild 9). Die Z-Achse Ladeeinrichtung, Mehrmaschinen-Bedienung mit Portal-
Ladeeinrichtung, Abschaltbetrieb und Mehrmaschinen-Bedienung mit integierter Ladeeinrichtung, Abschaltbetrieb
und Mehrmaschinen-Bedíenung mit Portal-Ladeeinrichtung
und bedienungsarmer Betrieb auf eine Wirtschaftlichkeit zu
untersuchen und die günstigste Lösung zu ermitteln. Der
überwachungsarme Betrieb wird nicht betrachtet, da der dafür notwendige Aufwand für den Greiferwechsel, die flexible
Meβeinrichtung, den Spannzeug- bzw. Backenwechsel und
den übergeordneten Leitrechner erheblich über dem Aufwand für den bedienungsarmen Betrieb liegen und - wie bereits erwahnt - die zusatzliche Personalkostenersparnis recht
niedrig ist. Dies soll aber nicht aussagen, dass nicht einzelne
der genannten Eínrichtungen, z. B. ein Futterbacken-Wechsler
bei relativ kleinen Losgröβen, eine technisch sinnvolle Erganzung für den bedienungsarmen Betrieb darstellen. Die Wirtschaftlichkeitsrechnung erfordert ein eindeutiges
Definieren der Randbedingungen: Anzahl der Arbeitsschichten, die Plan-Beschäftigung in Stunden, die Losgrőβe, den Auslastungsgrad und die Bearbeitungszeiten, die Programmier- und Organisationskosten u. dgi. TabelІe 1 zeigt die Stückkosten, die bei einem zu drehenden Kugellager-Innenring von 370 mm AuBendurchmesser іm Zwei-Schicht-Betrieb ermittelt wurden. Der Stückkosten-Vergleich zeigt, dass der übliche CNC-Betrieb die höchsten Stückkosten verursacht. Die Mehrmaschinen-Bedienung bringt auch noch keine wesentliche Kostensenkung. Erst die Nutzung der Pausen und insbesondere die Wieterfertigung in der dritten Schicht bringen einen entscheidenden Kostenvorteil. Der bedienungsarme Betrieb ist hier nicht die kostengünstigste Lösung. Dies resultiert daraus, dass die Bearbeitungszeit rd. 21 min betrug, und der Werkstück-Teilevorrat beіm Abschaltbetrieb ausreichte, um die dritte Schicht komplett
durchzuarbeiten. Dieses Beispiel zeigt auch den bekannten Zusammenhang (Stckkostendegression), dass zwischen den Stückkosten auf der Basis von 20 bis zu 1000 Werkstücken pгo Los nur ein minimaler Unterschied besteht. Dieser Zusammenhang verdeutlicht die Tatsache, dass flexible Fertigungszellen auch bei kleinen Losgröβen wirtschaftlich eingesetzt werden können.Voraussetzung dafür ist natürlich eine Vollauslastung der Maschine. Programmierkosten wurden hierbei nicht berücksichtigt. Dieser Vergleich zeigt die Mőglichkeiten der Automatisierung auf.