Was ist ein flexibles Fertigungssystem? Arten, Merkmale und Aufbau

Die herkömmliche Automatisierung für große Stückzahlen ist unflexibel. Sie bietet zwar eine hervorragende Produktivität für einige wenige, gleichbleibende Produkte, kann jedoch nicht effizient auf kleine Chargen und eine große Produktvielfalt reagieren. Um diesem Bedarf gerecht zu werden, wurden flexible Automatisierungsanlagen und Fertigungssysteme entwickelt.

Flexible Produktionsanlagen

Zur Grundausstattung eines flexiblen Fertigungssystems gehören CNC-Werkzeugmaschinen, Roboter, fahrerlose Transportfahrzeuge und automatisierte Lager.

Eine CNC-Maschine wird von einem Computer oder einer speziellen elektronischen Steuerung gesteuert. Die Bearbeitungsabfolge, die Prozessparameter und die Maschinenbewegungen werden in einem NC-Programm kodiert und in die CNC eingegeben, die die Maschine automatisch steuert. Oft wird ein Positionsrückkopplungskreis hinzugefügt, um ein geschlossenes Regelkreis-System zu bilden und die Genauigkeit zu verbessern. Erfahrene Anwender benötigen dennoch Kenntnisse in den Bereichen Prozessplanung, Auswahl der Schnittparameter, korrekte Werkzeug- und Spannvorrichtungsauswahl, Werkzeugvermessung, Maschinenkenntnisse sowie Programmierfähigkeiten.

1. Klassifizierung nach Verfahren

1. Allgemeines zu CNC-Maschinen. CNC-Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bohrmaschinen, Bohrwerke, Schleifmaschinen, Zahnformfräsmaschinen und Zahnradwälzfräsmaschinen führen dieselben grundlegenden Bearbeitungsvorgänge aus wie ihre herkömmlichen Pendants, fertigen jedoch automatisch komplexe Formen.
2. Bearbeitungszentren mit automatischem Werkzeugwechsel. Ein Bearbeitungszentrum verfügt über ein Magazin für etwa 10 bis 100 Werkzeuge sowie einen automatischen Werkzeugwechsler. Nach einmaliger Einrichtung kann es das Werkstück automatisch fräsen oder drehen, bohren und reiben.
3. Mehrachsige CNC-Maschinen. Diese Maschinen steuern eine größere Anzahl von Achsen, in der Regel drei bis fünf.

2. Klassifizierung nach Werkzeugbahn

1. Punkt-zu-Punkt-Steuerung. Die Steuerung bewegt sich präzise von einer Position zur nächsten, ohne während der Bewegung zu unterbrechen. Typische Beispiele hierfür sind Koordinatenbohrmaschinen und CNC-Bohrmaschinen.
2. Lineare Punkt-zu-Punkt-Steuerung. Die Steuerung regelt sowohl die Position des Endpunkts als auch die gerade Bahn zwischen den Punkten, in der Regel entlang einer Maschinenachse. Das Schneiden kann entlang einer Koordinatenachse erfolgen, und es stehen weitere Zusatzfunktionen zur Verfügung.
3. Konturregelung. Bei der Kontinuierlichen Bahnsteuerung werden zwei oder mehr Achsen koordiniert und Geschwindigkeit sowie Position während des gesamten Schneidvorgangs geregelt, wodurch komplexe Formen möglich sind. Zu den typischen Maschinen zählen Drehmaschinen vom Typ CNC, Schleifmaschinen, Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren.

Ein Konturbearbeitungszentrum wie das FHN100T umfasst in der Regel X-, Y- und Z-Achsen-Verfahreinheiten, einen Drehtisch für die Mehrseitenbearbeitung, einen automatischen Werkzeugwechsler (ATC) und eine CNC-Steuerung.

Das Steuerungssystem nutzt eine Ablaufsteuerung in Verbindung mit Berührungserkennung, Verwaltungsfunktionen und adaptiven Funktionen. Mit T-Codes werden Werkzeuge ausgewählt, S-Codes steuern die Spindeldrehzahl, und der Drehtisch sorgt für die Indexierung.

Berührungssensor-Funktionen können ein Werkzeug automatisch auf den Spindel-Bezugspunkt zentrieren, einen Werkzeugbruch erkennen und die Maschine anhalten, die Leerlaufzeit verkürzen, indem sie mit dem doppelten Schnittvorschub bis zum Kontakt fahren, die X/Y/Z-Bezugsebenen korrigieren, um thermische Abweichungen und Abweichungen in der Werkstückgröße auszugleichen, sowie den Bohrungsdurchmesser messen, damit das System das Werkzeug automatisch anpassen kann.

Die Verwaltungsfunktionen vergleichen die voreingestellte Standzeit mit der tatsächlichen Nutzung, setzen automatisch ein Ersatzwerkzeug ein und überwachen Betriebsdaten zur Fehlerdiagnose.

Bei der adaptiven Regelung (AC) werden Detektoren an den Achsenvorschub- und Spindelmotoren eingesetzt, um die Belastung zu überwachen. Eine Belastung innerhalb des festgelegten Bereichs ist normal. Fällt sie unter diesen Bereich, kann der Vorschub erhöht werden, um die Zykluszeit zu verkürzen; steigt sie über diesen Bereich hinaus, wird der Vorschub verringert, um das Werkzeug zu schützen.

Flexible Fertigungssysteme: Merkmale, Arten und Aufbau

Ein flexibles Fertigungssystem (FMS) vereint ein Informations- und Steuerungssystem, Materiallagerung und -handhabung sowie eine Gruppe von CNC-Maschinen. Auf der Grundlage der Gruppentechnologie definiert es Prozesse für eine Werkstückfamilie, wählt kompatible Maschinen und Logistiklösungen aus und nutzt computergesteuerte Abläufe, um verschiedene Teile effizient in Chargen zu produzieren und dabei den Produktmix an veränderte Nachfrage anzupassen.

Merkmale und Anwendungsbereich

Ein FMS umfasst in der Regel mehrere CNC-Maschinen und Bearbeitungszentren sowie automatische Be- und Entladevorgänge, Lagerung und Materialtransport unter zentraler Computersteuerung. Im Vergleich zur starren Automatisierung bietet es folgende Vorteile:

• Hohe Flexibilität bei verwandten Bauteilen mit unterschiedlichen Prozessanforderungen.
• Hoher Automatisierungsgrad, einschließlich unbeaufsichtigtem Betrieb.
• Hohe Anlagenauslastung, da Rüst- und sonstige Nebenzeiten reduziert werden.
• Hohe Produktivität.
• Geringere direkte Arbeitskosten und eine verbesserte Wirtschaftlichkeit.

Ein FMS kann sowohl Einzel- und Kleinserienfertigung als auch die gemischte Produktion mittlerer und großer Stückzahlen unterstützen und dabei Flexibilität, Qualität und Effizienz vereinen.

Arten von FMS

1. Flexible Fertigungszelle (FMC). Eine computergesteuerte CNC-Maschine oder ein Bearbeitungszentrum wird mit einem runden oder ovalen Palettenförderer oder einem Industrieroboter kombiniert. Sie kann Werkstücke ohne Unterbrechung wechseln und bildet die Grundeinheit eines größeren FMS.
2. Flexibles Fertigungssystem. Zwei oder mehr CNC-Maschinen, Bearbeitungszentren oder Fertigungszellen werden durch schienengeführte oder autonome Fahrzeuge bzw. Roboter, automatische Paletten- oder Roboterbeladung, automatisierte Lagerung sowie integrierte computergestützte Planung, Terminierung und Überwachung miteinander verbunden.
3. Flexible Fertigungslinie. Mehrere Bearbeitungszentren oder CNC-Maschinen, von denen einige teilweise spezialisiert sind, sind in der Reihenfolge der Bearbeitungsschritte angeordnet. Die Linie verfügt zwar über einen Produktionstakt, lässt sich jedoch schnell an Produktwechsel anpassen und behält ihre FMS-Funktionalität bei.

Systemaufbau und Steuerung

Ein FMS umfasst Logistik- und Informationssysteme, die jeweils aus mehreren Teilsystemen bestehen. Die wichtigsten Bearbeitungsanlagen sind in der Regel zwei bis sechs vertikale oder horizontale Fräs-Bohr-Zentren und Drehzentren. Förderbänder, geführte oder autonome Fahrzeuge sowie Industrieroboter können lineare, ringförmige oder vernetzte Transfersysteme bilden. Für die Lagerung können ein automatisiertes Hochregallager mit Regalbediengerät oder eine Bodenlagerung mit Palettenstationen zum Einsatz kommen.

Eine Palette dient als transportable Vorrichtung. Sie trägt die Teilehalterung und das Werkstück als eine Einheit, wird vom Handhabungssystem bewegt und automatisch auf dem Maschinentisch positioniert und festgeklemmt. Palettenstationen können zudem zur Zwischenlagerung und als Puffer dienen. In separaten Lagern können Rohlinge, Fertigteile, Werkzeuge und Vorrichtungen aufbewahrt werden. Je nach Bedarf können Reinigungs-, Entgratungs-, Mess- und Prüfstationen integriert werden.

Das Steuerungssystem verbindet mehrere Computer und Gerätesteuerungen über ein Netzwerk in einer hierarchischen Architektur. Seine Aufgaben umfassen vier Bereiche:

1. Prozessplanung. Prozesse anhand der Produktanforderungen definieren und dynamisch an Änderungen im Zeitplan anpassen.
2. Produktionsplanung und -terminierung. Sorgen Sie für eine ausgewogene Produktion und eine hohe Anlagenauslastung.
3. Steuerung von Arbeitsplätzen und Anlagen. Koordinieren Sie Werkzeugmaschinen, Materialtransport und -lagerung, Messmaschinen, Reinigungsgeräte, Roboter und andere Anlagen.
4. Zustandsüberwachung und Qualitätssicherung. Das System überwachen und steuern, damit es sicher, zuverlässig, ordnungsgemäß und in gleichbleibender Qualität funktioniert.