Autonome Produktion

Mit der Aneignung einer Werktechnik erweiterte der Mensch seine natürlichen körperlichen and geistigen Kräfte. Er entwickelte unter Nutzung seiner handwerklichen Befähigung Kunstfertigkeiten zur Erzeugungvon Gebrauchsgütern and zur baulichen Gestaltung seiner Lebenswelt.

Dieser Beitrag enthät einige Gedanken zur jüngsten Vergangenheit and voraussichtlichen Zukunft der Produktion. Manfred Weck war genau so wie ich in die letzten 40 Jahre Entwicklung der Produktionstechnik in Wissenschaft and Wirtschaft involviert, so dass es sicher interessant ist, einige Eindrücke daraus festzuhalten. Jede Generation ist vermutlich der Ansicht, dass gerade in ihrer aktiven Zeit nennenswerte Änderungen stattgefunden haben. Wit können das mit einiger Berechtigung für uns sagen, denn es gab nicht nur eine kontinuierliche Fortentwicklung, sondern es gab auch Paradigmenwechsel, ermöglicht vor allem durch die rasante Entwicklung der Informationstechnik and ihren Eingang auch in Produkte and Prozesse der Produktionsunternehmen.

Manufacturing technology has made significant progress in terms of accuracy; precision, and productivity since machine tools adopted numerical control technology around 50 years ago. Because machine tools have become much more autonomous, tasks can be achieved with far less worker intervention, thereby relieving the factory workers from much of their physical and mental stresses. In order to continue to improve the reliability and autonomy of the production system as a whole, it is necessary to make further improvements to the autonomy of machine tools, because the machine tools play a central role in production systems.

The pioneering scalar chatter stability models were introduced by (1957), and (1958) almost at the same period but independent of each other. Tlusty proposed the following chatter stability expression: 1$$ a_{lim} = \frac{{ - 1}} {{2K_s G_0 (\omega )}} $$ where a_lim is the critical depth of cut without chatter, K_s[N/m2] is the cutting coefficient representing the hardness of the material and the tool geometry influence, and G_o[m/N] is the negative real part of the frequency response function of the structure oriented in the direction of chip thickness. Tobias’s (Tobias and Fiswick 1958; Tobias 1965) model is similar except that he considered the cutting coefficient as a complex number with dependency on effective cutting speed and chip thickness. Tobias also introduced the stability lobes (Tobias and Fiswick 1958) which show the stable spindle speed and depth of cut combinations using the phase relationship between the vibration waves left on the cut surface and natural modes of the structure. The basic chatter theory presented by Tlusty and lobes introduced by Tobias had a fundamental impact in guiding the design of machine tools and the selection of productive cutting conditions. Although the theory was based on orthogonal cutting conditions, where the machining system is continuous without time varying dynamics, researchers and engineers used it with great success by simple adjustments based on intuitions and experience. (Merritt 1965) reformulated the orthogonal chatter theory based on Nyquist’s Stability law. Tlusty (Koenigsberger and Tlusty 1967) introduced orientation of the cutting forces, average number of teeth in cut and flexibilities in the direction of chip which allowed application of the staler chatter theory to practical turning, milling and shaping operations.

Den sicheren Ablauf eines Fertigungsprozesses zu garantieren, ist eine der wichtigsten Anforderungen an autonome Fertigungssysteme. Aus diesem Grund ist die Prozessuberwachung eine zentrale Automatisierungsfunktion. Konkrete Ziele der Fertigungsprozessüberwachung sind insbesondere die Sicherstellung der Werkstückqualität, wie z. B. die Gewährleistung einer bestimmten Oberflächengüte oder Form- and Maßhaltigkeit, and die Senkung der Fertigungskosten, z.B. höhere Mengenleistung, weniger Ausschuss, geringere Stillstandzeiten oder die Ausdehnung der Betriebszeiten (Golz at al. 1995).

Schleifen ist ein komplexes Fertigungsverfahren, bei dem vielfältige Faktoren Einfluss auf das Arbeitsergebnis nehmen. Neben den Prozessparametern, der Schleifscheibenspezifikation oder dem dynamischen Verhalten der Werkzeugmaschine, zeigt eine Vielzahl von Größen, insbesondere die Veränderung der Schleifscheibentopographie, eine meist unerwünschte Wirkung auf das Schleifergebnis. Um dennoch die notwendige Prozesssicherheit gewährleisten zu können, werden Schleifprozesse oftmals unterhalb ihrer optimalen Leistungsfähigkeit eingestellt, wodurch Potenziale zur Zeit- and Kostenersparnis ungenutzt bleiben. In-Prozess-Messtechniken erlauben zwar die Überwachung der erzeugten Werkstückgeometrie, nicht jedoch die Erfassung des momentanen Prozesszustands and damit auch dessen Einfluss auf die Bauteilrandzone. Bislang läst sich die durch thermische Einwirkung verursachte Beeinflussung der Werkstückrandschicht nur durch aufwändige Post-Prozess-Analyseverfahren ermitteln. Die Verfahren der In-Prozess-Messung von Schleifkräften und Spindelleistungen ermöglichen zwar für einige Fälle eine indirekte Beurteilung der Randzonenbeeinflussung, die integrierende Wirkung, die allen diesen Messprinzipien zugrunde liegt, erlaubt dennoch keine sicheren Aussagen über die eventuell lokal vorliegenden Randzonenschädigungen. Die in den letzten Jahren entwickelten mikromagnetischen oder fotothermischen Sensoren bieten zwar den Vorteil einer schnellen and zuverlässigen Erfassung der vorliegenden Bauteilqualität, sind jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass ein Korrektureingriff erst nach Prozessende möglich ist (Karpuschewski 2001).

Die Situation der Produktions- and Fertigungstechnik ist heute geprägt von kleinen and mittleren Losgroßen bei zunehmender Variantenvielfalt. Gleichzeitig unterliegen die Produkte stetig steigenden Qualitätsanforderungen, verbunden mit wachsenden Ansprüchen an die wirtschaftliche Fertigung. Diese Bedingungen erfordern wiederum zunehmend komplexere and mit hoher Präzision ablaufende Produktionsprozesse, die austechnologischen and wirtschaftlichen Gründen über einen hohen Automatisierungsgrad verfügen, gleichzeitig aber auch einen hohen Grad an Flexibilität aufweisen müssen. Mit dieser Entwicklung einher geht die Forderung Hach autonomen Produktionsanlagen, die in der Lage sind, komplexe Produktionsprozesse mit einem maximalen Grad an Selbstständigkeit über einen längeren Zeitraum zuverlässig and störungsfrei durchzuführen.

Sieht man sich heute zuhause einen Film an oder genießt Musik über die Hifi-Anlage, werden meist unscheinbare Kunststoffscheiben verwendet, auf denen die Daten in digitaler Form gespeichert sind. Mit bloßem Auge unterscheiden sich die verschiedenen Datenträger nicht sonderlich voneinander — vom bunten Aufdruck einmal abgesehen. Betrachtet man eine solche CD oder DVD jedoch einmal unter einem Mikroskop, so stellt man fest, dass sie winzige Strukturen — sog. „pits“ and „lands“ -beinhaltet, welche die Daten enthalten. Die einfache “Scheibe„, die für uns einen gewöhnlichen Gegenstand darstellt, ist ein Präzisionsbauteil, welches höchste Ansprüche an die Produktion stellt.

Zwei Entwicklungen haben im vergangenen Jahrzehnt weltweit die Marktund Wettbewerbsstrukturen dramatisch verändert, zum einen die Globalisierung, zum anderen die Informationstechnologie. Durch das Motto „Jeder weiß, erfährt and kann alles“ hat sich in unserem Wirtschaftsleben eine Dynamik aufgebaut, die alle Bereiche in einen steten Wandel versetzt, wodurch sich ein ständig ändernder, verschärfter Wettbewerb ergibt. Für die Unternehmen zählen daher die Kostenreduzierung, die Ausnutzung neuer technologischer Möglichkeiten Bowie die Erhöhung der Anpassungsfähigkeiten and Anpassungsgeschwindigkeiten an die wechselnden Kundenanforderungen noch mehr als vorher zu den prioritären Aspekten aller strategischen Überlegungen. Dies führt zu unterschiedlichen Anforderungsspektren an das eigene Hans, aber ebenso an die Zulieferanten and ganz besonders bei den produzierenden Unternehmen an die Hersteller von Fertigungseinrichtungen.

Wäzfräsen zylindrischer Verzahnungen ist ein altes, leistungsfähiges Verzahnverfahren. Seine Leistungsfähigkeit wurde bis heute nahezu stetig weiterentwickelt. Ein Aspekt der Leistungsfähigkeit des Verfahrens ist die Verzahngeschwindigkeit. Sie gibt an, wie groß die Summe aller Zahnlängen eines Rades ist, die im Vollschnittbereich je Minute erzeugt wird. Sie entspricht damit der Vorschubgeschwindigkeit in Richtung der Zahnlfcke beim Profilfräsen des betrachteten Werkstückes.

Schrägverzahnte Stirnräder haben gegenüber geradverzahnten ein günstigeres Schwingungsanregungsverhalten and eine nach dem Rechenverfahren der DIN 399o T2 (DIN3990 1987a) höhere Grübchentragfähigkeit. Stirnradverzahnungen werden meist schrägverzahnt ausgefährt. In der Praxis and in Prüfstands-Untersuchungen an einsatzgehärteten Zahnrädern wird die höhere Tragfähigkeit der Schrägverzahnung jedoch nicht ohne weiteres belegt. Insbesondere wird die Grübchentragfähigkeit nach DIN 3990 T2 in neueren experimentellen Untersuchungen (Döbereiner 1998; Haslinger 1991; Simon 1984) an den schrägverzahnten Prüfradvarianten nicht erreicht. Die Dimensionierungvon Schrägverzahnungen nach DIN 3990 T2 wird damit in Frage gestellt.

Bis vor einigen Jahren war die Welt der Spiralkegelräder in zwei Lager aufgeteilt, die kontinuierlich teilenden and die einzelteilenden Systeme. Neben der geschichtlichen Entwicklung ist das Werkzeugsystem der offensichtliche Unterschied der beiden Herstellmethoden.

Die Unternehmen and ihre Produkte and Dienstleistungen werden immer stärker durch die sich schnell and grundlegend verandernden Märkte geprägt. Die Ansprüche der Kunden bzgl. Funktionalität, Produktqualität and Performance steigen kontinuierlich an. Wer im Wettbewerb bestehen will, sollte aber nicht nur auf die Kundenwünsche eingehen, sondern auch den technischen Fortschritt nutzen, um innovative Produkte zu entwickeln oder um these schnell an die wandelnden Anforderungen des Marktes anzupassen.

Seit Anbeginn der automatisierten Fertigung steht die Prozessüberwachung auf der Wunschliste der Betriebsingenieure and viel Entwicklungsschweiß ist für die Lösung dieser Aufgabe bereits geflossen. Dennoch fehlt es auch heute noch in der Breite an praxisreifen Einrichtungen, obwohl die Prozessüberwachung sich zu einem wichtigen Faktor für die Wirtschaftlichkeit der Produktion entwickeln lässt (Klocke 2001). Nicht nur die fortschreitende Automatisierung fordert weitere Unabhängigkeit vom Maschinenbediener, sondern auch die Entwicklung Better Technologien macht eine erweiterte Prozessüberwachung notwendig.

Die zunehmende Globalisierung der Märkte führt unter den Unternehmen zu einer verschärften Wettbewerbssituation mit steigendm Kostendruck bei gleichzeitig immer kürzer werdenden Innovationszyklen. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit zu hoch automatisierten Fertigungsprozessen bei gleichzeitig sehr hohen Anlagenverfügbarkeiten. Doch nicht nur die zunehmende Globalisierung stellt die Unternehmen vor immer größere Herausforderungen. Durch die steigenden Anforderungen der Kunden sind die Unternehmen mehr and mehr gezwungen, ihre Produkte an kundenindividuelle Anforderungen anzupassen Bowie die Produktqualität und-funktionalitat laufend anzupassen.

Die hochindustrialisierten Länder Zentraleuropas sind dadurch gekennzeichnet, dass die Entwicklung, die Herstellung, die Anwendung Bowie der weltweite Export von Produktionseinrichtungen and Produktionsgütern einen hohen Anteil am Volkseinkommen ausmachen (Statistisches Bundesamt 2001).

The requirements for higher dimensional and geometrical accuracy of machined products are increasing recently in many fields of precision machining. There are many factors which influence the machining accuracy. Above all, the machining error due to the thermal deformation of machine tool is recognized as one of the most serious problems to be solved in order to assure high quality of products. The thermal deformation of machine tool is influenced by many factors such as the structure of machine tool, the thermal conditions in the environment, the cutting conditions and so on. In general it is not possible to detect the thermal deformation directly at the tool center point (TCP) between moving tool and workpiece because of the existence of chips and cooling lubricant. In addition it is difficult to compensate the thermal deformation which is unsteady and not repeatable by the use of a conventional CNC controller which is designed to generate the feed commands exactly according to the given program. An open-architecture CNC controller provides one solution to solve this problem, since it can accommodate the real time compensation of the cutter path (Altintas 1992; Mitsuishi et al. 1997; Yamazaki et al. 1997). The user can implement his own control and compensation rules in order to improve the performance of machine tool.

In der Technik entwickelt sich Fortschritt in einem kontinuierlichen Prozess. Die Produktionstechnik macht da keine Ausnahme und es ist nicht zu erkennen, dass die logische Folge von Erkenntnisgewinn aus erprobten Technologien als Grundlage für neue Verfahren durch fundamentale oder revolutionäre Entwicklungen abgelöst werden sollte.

Moderne Fertigungsaufgaben bestehen aus einer Vielzahl von komplexen Funktionen and Abläufen, wie z. B. der Prozessplanung, der Prozessüberwachung and auch der Qualitätsüberwachung and -regelung. Durch den Einsatz von prozessnaher Mess- and Regelungstechnik laufen einige dieser Funktionen schon teilbzw. in wenigen Fällen auch vollautomatisiert ab. Überwiegend Bind jedoch nach wie vor viele Routineaufgaben durch den Maschinenbenutzer auszuftühren.

Die enormen Fortschritte in der Mikroelektronik, Mikrotechnik, Nanotechnik, Optik, Werkstofftechnik Bowie in der Präzisionstechnik stellen erhöhte Anforderungen an die Nanomess- and Nanopositioniertechnik. Die Nanomess- and Nanopositioniertechnik liefert technologische Ausrüstungen, welche die Positionierung, Messung, Antastung, Bearbeitung and Manipulation von Objekten mit Nanometerpräzision ermöglichen. An die technologischen Ausrüstungen werden Forderungen nach immer großeren Bewegungsbereichen mit extremen Genauigkeiten and hohen Positioniergeschwindigkeiten, wobei neuartige Tastsysteme and Nanotools einzubinden sind, gestellt. Zu den modernen Tastsystemen gehören die Rasterkraft- and Tunnelmikroskope, die allerdings nur Messbereiche von maximal 100 μm × 100μm × 15μm bei atomarer Auflösung besitzen. Es besteht jedoch bereits ein Bedarf nach grßeren Messbereichen (mm, cm). Das betrifft insbesondere solche Technologien and Techniken, die in Abb. 1 aufgeftihrt sind.

Die Feinwerktechnik hat in der technischen Tradition unseres Landes eine große Bedeutung. Noch Ende der sechziger Jahre des vorigen Jahrhunderts hatten wit eine große Zahl feinwerktechnisch orientierter Unternehmen, die für unsere Volkswirtschaft einen wichtigen Beitrag leisteten. In meinem Beitrag zur Festschrift anlässlich der Emeritierung unseres Kollegen Manfred Weck möchte ich die Historie der Feinwerktechnik kurz betrachten and vor allem darstellen, warum wit zurzeit eine Renaissance der Feinwerktechnik, der Mikrotechnik in Deutschland haben, den Stand der einzelnen Fertigungsverfahren darstellen and der Frage nachgehen, wie die zukünftige Entwicklung sein sollte.

Professor Weck hat als Leiter der Abteilung Produktionsmaschinen am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie seit 1980 den Fortschritt der Ultrapräzisionstechnik maßgeblich geprägt and vorangetrieben. Neben verschiedenen Maschinen- and Komponentenentwicklungen sind unter seiner Führung technologische and messtechnische Untersuchungen durchgeführt worden. Mit der Gründung der Forschungsgemeinschaft Ultrapräzisionstechnik gelang es ihm, einen Rahmen zu initüeren, um die gezielte Zusammenarbeit zwischen Industrie and Forschung auf dem Gebiet der Ultrapräzisionstechnik zu forcieren. Weir über die Grenzen Aachens hinaus hat er weiterhin zur Gründung der European Society of Precision Engineering (euspen) beigetragen and stand ihr jahre vor. Dem europäischen Maschinenbau konnte er durch sein Engagement and Fachwissen eine renommierte Stellung bei den japanischen and amerikanischen Pendants, der JSPE and der ASPE, verschaffen.

The growth of the ultra precision technologies, precision engineering, micro engineering and now engineering nanotechnology is, naturally, closely related to the development of ultra precision machine tools (UPMTs). Among the first ultra precision machine tools to appear on the world stage were diamond turning machines at the U.S. defence laboratories of Lawrence Livermore and Oak Ridge in the late 1960s. These early machines were based on the beds of jig boring machines with hand scraped and lapped prismatic guideways, incorporating high quality lapped leadscrews typical of jig borers and jig grinding machines of that era.

Right now and right here, in every imaginable product, something important is happening due to the effect of the currently-called nano and microtechnologies: “A big revolution of the negligible dimensions”.

Die Mikroreaktionstechnik stellt einen neuartigen Ansatz der Prozessintensivierung in der chemischen Verfahrenstechnik, der kombinatorischen Chemie Bowie der Erprobung Better Reaktionswege dar. Aufgrund ihrer sehr kleinen charakteristischen Abmessungen ermöglichen mikroreaktionstechnische Bauelemente einen extrem schnellen Wärme- und Stoffaustausch and somit die sehr präzise Einstellung definierter Prozessbedingungen and Verweilzeiten. Sie bieten damit die besten Voraussetzungen für eine Prozessoptimierung hinsichtlich Selektivität and Ausbeute. Kurze Reaktionszeiten Bowie kleinste Reaktionsvolumina erlauben eine rasche Steuerung and Regelung der Prozesse and führen zu einem hohen Maß an inhärenter ABlagensicherheit. Durch das Konzept des „Numbering-Up“, des parallelen Betriebs vieler identischer Mikrokomponenten and —systeme, lassen sich Laborergebnisse schneller, kostengünstiger and mit geringerem Risiko als mit einer der Nachfrage angepassten Produktion ermitteln, als dies über den klassischen Wegeines oft mehrstufigen Scale-Up-Prozesses der Anlagen möglich ist. Je Bach den Anforderungen an die Flexibilität and Funktionalität der Systeme sind modulare oder integrierte Lösungen möglich, für deren Realisierunginzwischen eine Vielzahl erprobter Fertigungstechniken zur Verfügung steht. Mikrofertigungsverfahren wie unterschiedliche Nass-und Trockenätztechniken, mechanische Ultrapräzisionsbearbeitung, die LIGA-Technik, Funkenerosion oder Laser-Mikromaterialbearbeitung ermöglichen die Herstellung mikroreaktionstechnischer Komponenten aus einer großen Vielfalt unterschiedlicher Werkstoffe sowohl im Prototypen-Maßstab als auch in der kostengünstigen Massenfertigung. Inzwischen haben viele Unternehmen der chemischen Industrie die Bedeutung der Mikroreaktionstechnik erkannt and einzelne setzen sie bereits für die Entwicklung and Produktion von Fein- and Spezialchemikalien ein. Bis zu einer Umsetzung der zahlreichen viel versprechenden Forschungsergebnisse, die die Mikroreaktionstechnik bereits heute aufweisen karm, hin zu ihrer kommerziellen Anwendung auf breiter Ebene and damit zu einer Erneuerung der nach wie vor sehr traditionell geprägten Denkweisen in der Verfahrenstechnik muss jedoch noch ein hohes Maß an Überzeugungsarbeit geleistet werden.

Planung, Konstruktion, Teilefertigung and Montage sind in der heutigen Produktion meist räumlich and zeitlich verteilt, was zu organisatorischen and technischen Reibungsverlusten ffihren kann (Otto and Geiger 1998). Im Bereich der Fertigung and Montage sind oftmals lange Prozessketten erforderlich, in denen technische Produkte auf verschiedenen Fertigungsanlagen bearbeitet werden. Dies erfordert einen hohen logistischen Aufwand an Spann-, Handhabungs- Bowie Transportvorrichtungen, die potenzielle Fehlerquellen darstellen and somit ein wesentliches Hemmnis für eine wettbewerbsfähige Produktion bilden. Durch die Anwendung innovativer Verfahren und Methoden in Planung, Fertigung and Montage lassen sich Prozessketten zur Herstellung hochwertiger Produkte unter Beibehaltung oder Verbesserung des Qualitätsstandards verkürzen. Dadurch werden gleichzeitig Produktentwicklungszeiten and Produktionskosten verringert. Pine ganzheitliche Optimierung von Prozessketten erfordert Betrachtungsweisen, die fiber die Analyse isolierter Einzelprozesse hinausgehen. Durch den Einsatz innovativer Technologien and durch eine Verkürzung der Prozessketten lassen sich autonome, flexible Fertigungszellen entwickeln, die zu einer optimierten Produktqualität bei gleichzeitig fehlertoleranter and robuster Auslegung der Fertigung führen.

Das Wälzlager zählt zu den am häufigsten in Werkzeugmaschinen vorzufindenden Maschinenelementen. Nicht nur als Spindellager hat es sich gegenüber anderen Lagerungen wie Gleitlager oder elektromagnetische Lager größtenteils durchgesetzt (Weck 2002), da es den besten Kompromiss bzgl. Steifigkeit, Reibung, Drehzahleignung, konstruktiver Aufwand and Preis darstellt.

Über die letzten Jahrzehnte hat sich die automatische Montage von Werkstücken zu Baugruppen weir entwickelt. Man finder einen hohen Automatisierungsgrad dort, wo die Variantenvielfalt gering, die Handhabungs- and Fügeoperationen nicht sonderlich komplex and die Stückzahlen groß sind. Sind clagegen die zu montierenden Teile so beschaffen, class zur Lösung der Aufgabe der technische Aufwand für die automatische Montageeinrichtung sehr hoch getrieben werden müsste, dann bietet sich als Alternative die manuelle Montage an. Der vom Fraunhofer-Institut für Produktionsanlagen and Konstruktionstechnik (IPK), Berlin, and vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik and Automatisierung (IPA), Stuttgart, entwickelte Arbeitsplatz team@work, ein Arbeitsplatz für einen Werker (Abb. I), der durch einen Industrieroboter in den Operationen unterstützt wird and clessen Arbeitsräume überlappen, versucht die Vorteile beider Vorgehensweisen zu verbinden.

Autonome Produktionszellen (APZ) stellen ein noch junges, zelluläres computergestütztes Produktionskonzept der Zukunft dar and befinden sich im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 368 derzeit noch im Entwicklungsstadium (Pfeifer et al. 2000). Dabei sollen APZ in die Lage versetzt werden, komplexe Bearbeitungsprozesse mit einem maximalen Grad an Selbständigkeit über einen längeren Zeitraum hinweg zuverlässig and störungsfrei durchzuführen, um geänderten Marktanforderungen and individuellen Kundenwünschen gerecht zu werden. Dieser grundlegend neue Ansatz für die Konstruktion and Auslegung von hoch automatisierten Produktionsanlagen stellt neue Ansprüche an übergreifende Steuerungs- and Planungsaufgaben, aber auch an spezielle Teilfunktionalitäten an der Maschine. Dem daraus resultierenden Automatisierungsproblem soll durch eine gesteigerte Autonomie begegnet werden. Autonomie umfasst dabei (Pfeifer u. Sack 2001): (1) verstärkte Integration von Teilfunktionalitäten, (2) Störungstoleranz durch intelligente Sensorik and Aktorik and (3) ein benutzerzentriertes Systemdesign. Bezogen auf das zugrunde liegende Konzept von APZ wird die Rolle des Menschen als flexibler Regler, der über ausgezeichnete Problemlöse-, Lern- and Kommunikationsfähigkeiten verfügt, innerhalb eines zu steuernden Arbeitssystems ausdrücklich betont (vgl. Rasmussen 2000). In diesem Zusammenhang soll der Mensch durch neuartige and innovative Benutzungsschnittstellen der virtuellen Realität unterstützt werden, die ihm eine effektive and effiziente Aufgabenbewältigung ermöglichen. Die Kombination mit einer Sprachein- and -ausgabemöglichkeit ermöglicht ein schnelles and intuitives Benutzungskonzept. Dies wird durch die Forschungsarbeiten von Weck u. (2001) eindrucksvoll belegt. Die dabei gewonnen Erkenntnisse liefern einen wichtigen Beitrag zur Gestaltung von Maschinensteuerungsoberflächen in der flexiblen Fertigung. Bezogen auf das Paradigma der überwachenden Prozessregelung in hochautomatisierten Fertigungs- and Produktionssystemen bildet somit die Benutzungsschnittstelle das vermittelnde Glied zwischen Mensch and Prozess. Die Art and Weise der Interaktion wird dabei wesentlich von der Qualität der Benutzungsschnittstelle beeinflusst.

Die hohe Komplexität von Maschinen and Anlagen in der automatisierten Produktion erfordert geeignete Maßnahmen and Systeme zur Sicherstellung ihrer Verfügbarkeit. Das rechtzeitige Erkennen von kritischen Anlagen- and Prozesszuständen muss durch entsprechende Überwachungs- and Diagnosesysteme gewährleistet werden. Aufgabe dieser Systeme ist es, basierend auf der Erfassung des Ist-Zustands and dessen Analyse, Aussagen über den Zustand des Prozesses oder der Maschine zu generieren. Durch Anwendung geeigneter Überwachungsstrategien können Veränderungen dieser Zustände erkannt and klassifiziert werden. Ziel ist des frühzeitige Erkennen von sich anbahnenden oder auftretenden Störungen, um durch präventive Maßnahmen oder Störungsbehebung weiteren Maschinenschaden, Ausschuss oder Stillstandszeiten zu vermeiden. Die Fähigkeit zur Prozessüberwachung and Maschinendiagnose ist aus Anwendersicht eine der Hauptforderungen an künftige Generationen von Produktionsmaschinen. Hierfür sind integrierte Diagnose- und Überwachungsfunktionen bereitzustellen, die in der Maschinenabnahme, im Betrieb and im Störfall genutzt werden können.

Die meisten Werkstücke befinden sich während der Herstellung in einer definierten Lage. Diese wird jedoch nach der Bearbeitung aufgrund der Kosten für die Magazinierung meist wieder aufgegeben and die Teile werden als Schüttgut transportiert. Die Werkstücke müssen folglich wieder aus dem ungeordneten Zustand in jene Orientierung and Position gebracht werden, die vom nachfolgenden Prozess benötigt wird (Warneke 1992). Dies ist die Aufgabe der Zuführtechnik. Speziell für Hochgeschwindigkeitsmontageanlagen mit Leistungen fiber 150 Stück/min steht derzeit jedoch häufig keine geeignete Zuführtechnologie zur Verfügung. Diese Lücke soll durch ein neu entwickeltes Verfahren geschlossen werden. Die aerodynamische Zuftihrtechnik nutzt Luftströmungen, um die Werkstücke zu vereinzeln and in eine definierte Orientierung zu bringen. Bin einfaches Beispiel hierfür ist ein Luftkissen, auf dem sich Werkstücke verhalten wie ein Schiff auf dem Wasser and sich mit dem Schwerpunkt nach unten orientieren. Neben diesem Verfahren werden am Institut für Fabrikanlagen and Logistik weitere Wirkprinzipien entwickelt, die unterschiedliche Werkstückmerkmale zur Vereinzelung oder Orientierung nutzen. Die aerodynamischen Verfahren zeichnen sich durch hohe Geschwindigkeit, geringe Störanfälligkeit and hohe Flexibilität aus.

Die Konstruktion als optimale Gestaltung funktionsbezogener Eigenschaften zu begreifen ist ebenso wichtig wie alt. Das Zitat von J. Leupold aus dem Jahr 1724 (Spur 1991) 1st von ungebrochener Aktualität: xxxblockquotexxx„... Sollen alle Künste and Maschinen, ... in einen deutlichen Riß, nach allen nötigen Stellungen, Teilen and besonderen Stücken, nach akkuratem Maßstab gezeichnet, and soviel als möglich, deutlich beschrieben, and nach der Theorie berechnet werden. Will bei jeder Maschine, so genau als möglich, die Kraft berechnen, and was hingegen vor Effekt erfolget, oder was die Maschine jetzo tut, and nach denen Prinzipüs oder Theorie tun sollte. Woraus alsdann zu ersehen sein wird, wie weir die Maschine das ihre tut, ob wie viel dahero zu verbessern übrig ist. Hierbei sollen alle mechanischen and physikalischen Fundamente and Ursachen, so wohl des Effekts als der Felder, durch Experimenta and Risse deutlich erklähret werden, die Berechnung, sowohl geometrisch als mechanisch, oder wie es am allerdeutlichsten fället, Anweisung getan werden, wo und wie man einige Uerbesserungen hoffet...“

High-speed machine tools ask for small settling times and overshoots of the tool motions, and hence light-weight moving parts and high-performance control systems. To obtain such high performance, the classical rule of thumb that the control bandwidth should be less than half of the first structural eigenfrequency of the machine cannot be adhered to anymore. Moreover a direct coupling between the dynamics of the motion controller and the structure has to be considered in the control design. A concurrent design of both structure and controller therefore seems to be the most natural design method, in contrast to the classical sequential design approach where the controller is designed starting from a finalized structural design. Such a concurrent design method demands for a virtual prototyping environment (Bianchi et al. 1996; Van Brussel 1996) that incorporates both structure and control system optimisation in a completely integrated manner.

Die über 100 Jahre währende Fortschreibung der automobilen Entwicklung — als Folge des nach wie vor global steigenden Mobilitätsdranges — erfordert Kraftfahrzeuge, die so ausgestattet sind, dass das indivicluelle Fahren auf den frei gewählten, teilweise recht unterschiedlich ausgebauten Fahrstrecken den hohen Fahransprüchen gerecht wird. Die Fahreigenschaften der betrachteten Fahrzeuge werden daher nicht nur nach einfachen Sicherheits-und Komfortkriterien, sondern auch bzgl. weiterreichender Performance- und Handlingeigenschaften beurteilt.

The ultimate outcome of engineering is the creation of engineered systems. Engineered systems are designed to perform a certain set of desired functions. Machine tools, software systems that run manufacturing systems, space shuttles, computers, and automobiles are examples of systems that are designed to fulfill certain functions. Even human beings creating these engineered products are systems; consisting of small systems such as neurons and large systems such as brains. What is common about all these systems is that they all perform a set of functions using physical entities or elements. In the past, systems have been created by trial-and-error, and lots of testing to refine the system and eliminate malfunctions. They improved the design learning from failures. Nature has had billions of years to eliminate the things that do not work. Our goal is to create engineered systems based on theories and methodologies so that the long-time consuming and costly processes can be reduced.

The need and rationale for reconfigurable manufacturing systems are driven by the changing manufacturing environment characterized by aggressive competition on a global scale, and a pressure to increase productivity. Because of this global competition manufacturers are facing market conditions characterized by (i) short windows of opportunity for introduction of new products whose lifetime will be shorter, and (ii) large fluctuations in product demand. The consequent requirement from the manufacturing system is that the system should be designed for a rapid change in terms of its functionality (new products) and throughput capacity (changing demand) (Koren et al. 1999).

Zu den prägenden Entwicklungen in der Produktion gehören der Taylorismus and die Lean Production (Shingo 1992, Ohno 1993). Ursache der Lean Production war der Wunsch Hach individuelleren Produkten Bowie die erheblich erweiterte Flexibilität der Produktion. Hatte bis date die Beherrschung der Produktionstechnik and -abläufe in der industriellen Produktion den Hauptanteil an der wettbewerbsrelevanten Differenzierung, so suchen Unternehmen den Erfolg heute stärker in Produkt-Markt-Innovationen als in der eigenen Wertschöpfung. Die eigene Produktion hat für Original Equipment Manufacturer relativ an Bedeutung verloren. Produktion wird vermehrt die Aufgabe von Komponentenlieferanten and Lohnfertigern. Die Lohnfertiger and -monteure stehen nun vor dem verschärften Dilemma zwischen hinreichender Spezialisierung and auskömmlicher qualitativer and quantitativer Auslastung. An der Schwelle zum 21. Jh. stellt sich die Frage, ob Produktionssysteme angesichts der Volatilität der Märkte nicht abermals vor einer grundlegenden Umwälzung stehen. Konkreter: Muss die Antwort auf die Diskontinuität der Märkte mehr Autonomie and eine Emanzipation der Produktion sein?

Entwicklung, Produktion and Vertrieb — aus diesem operativen Dreiklang besteht im Allgemeinen ein Unternehmen. Produktion ist, wie hieran zu sehen ist, einerseits nur ein Unternehmensbestandteil, andererseits jedoch ein sehr wichtiges Glied in der gesamten Wertschöpfungskette auch hinsichtlich der strategischen Ausrichtung eines Unternehmens.

Dieser Beitrag beschäftigt sich mit spanenden Fertigungssystemen für die Großserie, wie sie vorzugsweise in der Motoren-, Getriebe- and Fahrwerksfertigung der Automobilindustrie and von deren Zulieferern eingesetzt werden. Er soll aus Sicht eines Anlagenherstellers einige Erfahrungen beschreiben, Entwicklungstendenzen aufzeigen and versuchen, der Hochschulforschung Anregungen für künftige Ziele zu geben.

Ur- oder Umformwerkzeuge für die Serlenfertiung können holle Werte darstellen. Die zur Karossericherstellung eines PKW notwendi en Tiefzich- and Stanzwerkzeme bedeuten eln Investment von mehreren Millionen Euro. Die Herstellkosten für das Spritzgusswerkzeug eines Stoßfängers betragen mehrere Hunderttausend Euro. Es ist daher verständlich, dass derartige Ur- oder Umformwerkzeuge nicht mehrfach vorgehalten werden, sondern dass sie im Falle eines Schadens oder unzulässigen Verschleißies repariert werden (Abb. 1).

Die Nutzungsdauer des Investitionsgutes Werkzeugmaschine ist heute sehr viel großer als der Lebenszyklus der damit gefertigten Produkte. Enorm ist die Erwartung an die Prozesssicherheit bei hohen Anforderungen an die Bearbeitungsqualitat, -geschwindigkeit and -genauigkeit. Zwingend wird dadurch eine Erhöhung der potentiellen Funktionalität der Maschine. Ein reine Addition zusätzlicher Komponenten schafft dabei einen zusätzlichen Funktionsvorrat, der aber nicht durchgängig benötigt wird and somit die Maschine unnötig verteuert. Besser geeignet ist das Konzept der Selbstoptimierung, d.h. Maschinen and Komponenten, deren wandelbare strukturelle Anordnung and/oder deren variablen strukturmechanischen Eigenschaften eine flexible Reaktion an sich ändernde Anforderungsprofile ermöglichen. Ziel ist eine kostensenkende Funktionsverdichtung bei einem gleichzeitigen Gewinn an Flexibilität and technologischer Qualität. Die Werkzeugmaschine soll in der Lage sein, selbstständig ihre Maschineneigenschaften in Abhängigkeit von der jeweiligen Bearbeitungsaufgabe optimal an die technologischen Parameter anzupassen.

Im Spannungsfeld des internationalen Wettbewerbs steigen die Anforderungen an Produktionsanlagen stetig hinsichtlich ihrer Effizienz. Sowohl die produktiven als auch die unproduktiven Anteile der Belegungszeit von Produktionseinrichtungen stehen dadurch im Fokus von permanenten Optimierungen. Obwohl heutige Produktionsmaschinen eine technische Verfügbarkeit von über 98% aufweisen, liegt die Effektivitat von Einzelmaschinen nicht selten unter 8o%, bei Mehrmaschinensystemen oft bei nur 50% (Uni-Hannover 2003). Da übliche Mehrmaschinensysteme im Wesentlichen aus Maschinen mit relativ hoher Einzelproduktivität bestehen, liegt die Vermutung nahe, dass die Art der Verkettung die Verluste verursacht.

Die stetig steigenden Anforderungen im Flugzeugbau stellen immer anspruchsvollere Aufgaben an die Bearbeitungstechnologien sowie die einzusetzenden Werkzeugmaschinen. Von der Flugzeugindustrie wird zudem in den nächsten zehn Jahren eine Verdoppelungder Passagier-Flugkilometer prognostiziert. Dieser Beitrag stellt die Anforderungen Bowie die einzelnen Entwicklungsschritte für eine neuartige Werkzeugmaschine mit Parallelkinematik zusammen, deren Entwicklung in enger Kooperation mit dem WZL der RWTH Aachen durchgeführt wurde.