Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 3

Dieses Kapitel leitet in den dritten Band der Reihe Werkzeugmaschinen Fertigugnssysteme ein. Grundlegende Begriffe der Mechatronik und Steuerungstechnik, die im Folgenden Verwendung finden, werden eingeführt. Ebenso wird die historische Entwicklung der Werkzeugmaschine beginnend vom mechanischen System über den Einzug elektronischer Steuerungen bis hin zur flexiblen Fertigungseinrichtung im Industrie 4.0-Kontext umrissen.

Zu den wichtigsten Elementen automatischer Fertigungseinrichtungen zählen Vorschubantriebe, die entsprechend den vorgegebenen Bewegungsanweisungen in Verbindung mit Werkzeugen die Kontur der Werkstücke erzeugen. Der Einsatz numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen ermöglicht die Vorgabe entsprechender Anweisungen in Form von NC-Daten. Die Steuerungseinheit der Maschine wertet die jeweiligen Signale aus und gibt sie über den Interpolator an die Antriebseinheit als Führungsgröße weiter. Sie ist die Stelleinrichtung für Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Ihr Motor führt eine Drehwinkeländerung mit vorgegebener Drehzahl aus, die durch die mechanischen Übertragungselemente in eine entsprechende Lageänderung des zu bewegenden Maschinenteils umgesetzt wird. Die Auswahl und Regelung der Umrichter von Vorschubachsen, die Auslegung von Motoren, Planung von Messsystemen zur Erfassung der Position und Orientierung von Maschinenteilen sowie der Einsatz mechanischer Übertragungselemente, wie Getriebe oder Kupplungen, bilden die Basis für die Umsetzung numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen.

In diesem Kapitel werden zunächst regelungstechnische Grundlagen eingeführt, dies betrifft die linearen zeitkontinuierlichen und zeitdiskreten Übertragungssysteme. Im Anschluss daran werden Möglichkeiten zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens erläutert. Dies sind Feedforward-Verfahren oder die Zustandsregelung. Des Weiteren wird die Regelungstechnik in einer Vorschubachse beleuchtet. Dies betrifft die Darstellung der Lageregelkreise und die Handhabung der wichtigsten Kenngrößen. Neben der Regelung hat auch das Übertragungsverhalten der Mechanik einen wesentlichen Einfluss auf die Bewegung der Vorschubachse. Das lineare und nichtlineare Verhalten der mechanischen und elektrischen Bauelemente wird daher ebenfalls beschrieben.

Dieses Kapitel befasst sich mit der Steuerung von Vorschubantrieben bei Werkzeugmaschinen. Im ersten Teil wird der generelle Aufbau von Bahnsteuerungen beschrieben. Moderne Steuerungen werden durch Computer realisiert, die in verschiedenen Modulen die Interpolation und Lageregelung durchführen und dem Werker eine geeignete Bedienschnittstelle zur Verfügung stellen. Im Anschluss werden dem Leser typische Bahnfehler und deren Zustandekommen nähergebracht, bevor Maßnahmen zu deren Reduzierung erläutert werden.

Dieses Kapitel befasst sich mit der Auslegung von Vorschubantrieben in Werkzeugmaschinen. Eine Einführung in die verschiedenen Antriebssysteme und die Darstellung des grundsätzlichen Vorgehens führen in das Kapitel ein. Im Anschluss werden die Auslegung der mechanischen Komponenten und des Antriebes im Detail erläutert. Nach einer kurzen Darstellung, nach welchen Kriterien die Auswahl der Messsysteme zu erfolgen hat, wird die Inbetriebnahme der Regelung eines Vorschubantriebes erklärt. Dabei wird zunächst die herkömmliche, manuelle Inbetriebnahme im Detail beschrieben, bevor kurz auf die alternative automatische Inbetriebnahme eingegangen wird, die immer häufiger Anwendung findet.

Neben der Bearbeitungsgeschwindigkeit und -genauigkeit ist die Nutzungszeit eines Fertigungssystems von besonderer wirtschaftlicher Bedeutung. Zur Sicherstellung einer hohen Nutzungszeit von Werkzeugmaschinen werden qualitätssichernde Aufgaben unter bestimmten zeitlichen Bedingungen durchgeführt. In Abhängigkeit des Einflusses auf die Funktion eines Fertigungsmittels und auf die Qualität der Produkte lassen sich unterschiedliche Strategien für die Prozessüberwachung anwenden. Grundlage der Prozessüberwachung ist eine geeignete Signalverarbeitung. Neben klassischen Ansätzen zur Einzelmerkmalsauswertung, wie der mitlaufenden Schwelle, wird der Einsatz neuronaler Netze für komplexe Überwachungsaufgaben und Messwertanalysen zunehmend relevanter. Entscheidend für die Umsetzung einer optimalen Prozessüberwachung ist eine geeignete Auswahl an Messsystemen und die Planung einer passenden Messanordnung. Neben typischen Messaufgaben werden auch ihre konkrete Umsetzung sowie die Möglichkeiten einer Kompensation von Prozessstörgrößen durch geeignete Regelungen beschrieben. Dabei erlaubt die Rückführung der Daten der Prozessüberwachung in Stellgrößen der Prozessregelung die Anpassung des Prozesses an veränderte Bedingungen und somit die Erhaltung der Stabilität des Prozesses.

Einen wesentlichen Beitrag zur Produktivität moderner Werkezugmaschinen leistet die Automatisierungstechnik. Durch die Kombination mechanischer Elemente mit intelligenter Steuerungstechnik ist der Automatisierungsgrad von Werkzeugmaschinen im Laufe des vergangenen Jahrhunderts stetig gestiegen. Diese Entwicklung führt zwingend zu immer komplexe Maschinenarchitekturen. So werden zahlreiche Sensoren zur Datenaufnahme, Steuerungshardware, Antriebs- und Speicherelemente sowie komplexere Softwarekomponenten integriert, was bereits früh im Entwicklungsprozess der Maschinen zu berücksichtigen ist. Außerdem bringt der automatisierte Fertigungsablauf einen großen Planungsaufwand mit sich, da eine Vorraussetzung die räumliche und zeitliche Koordination der Teilfunktionen ist. Die Beherrschung dieser Entwicklungs- und Planungsaufwände erlaubt allerdings die effiziente Maschinenautomation in vielen dieser Teilfunktionen, was beispielhaft in diesem Kapitel aufgezeigt wird.

Dieses Kapitel dient dem Verständnis der Realisierung von Bewegungs- und Steuerungsabläufen vor der Zeit der NC- Technik. Kennzeichen der mechanischen Steuerung ist, dass sowohl die Speicherung als auch die Initiierung und Ausführung des Arbeitsablaufs durch mechanische Elemente wie Nocken, Kurven, Hebel usw. erfolgt. Trotz der schnellen Entwicklung der elektronisch oder NC-gesteuerten Maschinen werden mechanische Steuerungen heute noch vor allem im Bereich der Drehautomaten wirtschaftlich angewendet, wo aufgrund der großen Werkstückzahlen kürzeste Taktzeiten erforderlich sind und mittlere bis längere Rüstzeiten in Kauf genommen werden können.

Mit der zunehmenden Automatisierung von Fertigungsprozessen ergeben sich auch höhere Anforderungen an die Informationsverarbeitung. Die Entwicklung der elektronischen Steuerungstechnik hat sich dabei auf unterschiedlichen Ebenen vollzogen. Zum einen wirkte sich dies im maschinen- bzw. prozessnahen Bereich durch leistungsfähige, miniaturisierte Steuerungskomponenten aus, zum anderen eröffnete die Entwicklung leistungsfähiger Datenverarbeitungsanlagen die Möglichkeit, die Steuerung der Fertigungsprozesse in den gesamten Informationsfluss eines Betriebes einzugliedern. Zum Informationsfluss höher integrierter Fertigungssysteme zählt die Übertragung der Steuerdaten an die Bearbeitungs- und Transporteinheiten. Von dort werden Betriebsdaten aufgenommen, gesammelt und ausgewertet, um den Fertigungsablauf zu überwachen und gemäß vorgegebener Strategien zu steuern. Allen Geräten zur digitalen Informationsverarbeitung ist gemeinsam, dass die zu verarbeitenden Daten in einer bestimmten Form definiert werden müssen. Die Darstellungsform der Daten orientiert sich an der Funktionsweise der Geräte, die haptsächlich auf den binären elektrischen Zuständen „Ein“ und „Aus“ basiert. Dieses Kapitel behandelt die Grundlagen der digitalen Informationsverarbeitung sowie der Informationsübertragung in der Automatisierungstechnik.

Angesichts der Komplexität heutiger Fertigungsprozesse und des hohen Automatisierungsgrades moderner Produktionsanlagen werden standardmäßig elektrische Steuerungen eingesetzt, um eine hohe Qualität und Effizienz des Fertigungsprozesses sicherzustellen. Die Aufgabe einer Steuerung ist es dabei, die Vielzahl von Signalen aus dem Prozess (Positions-, Geschwindigkeits-, Drehzahl-, Temperatur-, Füllstand-, Drucksignale etc.) einzulesen, die notwendigen Steuersignale entsprechend der logischen Verknüpfungen zu bestimmen und diese an die Stellglieder auszugeben. Der zu steuernde Prozess kann eine einfache Maschinenkomponente sein, wie ein Vorschubantrieb für einen Maschinentisch, aber auch ein gesamtes Fertigungssystem, wie ein Bearbeitungszentrum oder eine Transferstraße. In diesem Kapital werden die dazugehörigen elektrotechnischen Grundlagen im Detail erörtert. Neben verbindungsprogrammierten Steuerungen (VPS) werden speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS, PLC) vorgestellt und ihre Wirkungsweise anhand von Beispielen verdeutlicht. Im Werkzeugmaschinenbau haben die speicherprogrammierbaren Steuerungen eine besondere Bedeutung erlangt, weshalb nicht nur die unterschiedlichen Programmierverfahren ausführlich dargestellt werden, sondern auch die prinzipielle Vorgehensweise zur systematischen Entwicklung von komplexen SPS-Programmen geschildert wird.

Numerische Steuerungen (engl.: numerical control, kurz: NC) werden in der heutigen Produktion vorwiegend zur Steuerung von Maschinen jeglicher Art verwendet. Diese Art der Steuerung bietet eine wesentlich höhere Flexibilität als herkömmliche Ablaufsteuerungen und ist in der Lage, Steuerbefehle in Arbeits- und Bewegungsabläufe umzusetzen. Für ein Werkstück werden Art und Reihenfolge der Fertigungsschritte in einem NC-Programm festgelegt, das Steuerinformationen in Form von alphanumerischen Zeichen enthält. Der Austausch der auf typischen Datenträgern gespeicherten NC-Programme befähigt die NC zudem, den vorliegenden Prozess auf einer numerisch gesteuerten Maschine schnell auf ein anderes bzw. neues Produkt anzupassen. In modernen NC-Steuerungen müssen nicht nur logische Verknüpfungen, sondern auch komplexe Rechenoperationen durchgeführt werden. Die Realisierung des Kernstücks heutiger, moderner NC-Steuerungen erfolgt daher in Mikroprozessortechnik.

Der Führungsgrößenerzeugung bzw. Interpolation von NC-Steuerungen kommt mit der Verarbeitung von geometrischen Daten zur Realisierung eines Verfahrwegs bei der Fertigung eines Produkts eine zentrale Schlüsselrolle zu. Diese Schlüsselrolle definiert sich im Kern über die Generierung von vorgegebenen Lage-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten zur Bearbeitung von Werkstücken mit numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen bei Einhaltung vorgegebener Randbedingungen wie tolerierte Bahnabweichungen, maschinenkinematische Transformationen sowie Bahnkorrekturen. Des Weiteren werden Korrektur- und Überwachungsfunktionen in den heutigen Funktionsumfang mit eingeschlossen, wodurch eine echtzeitfähige Datenverarbeitung erforderlich ist.

Heutige autonome Fertigungs- und Montagezellen sowie flexible Fertigungssysteme bestehen vielfach aus numerisch gesteuerten Handhabungssystemen und Industrierobotern. Typische Aufgabenbereiche sind u. a. die Maschinenbeschickung und der Werkstücktransport. Des Weiteren werden sie oft für Montage-, Schweiß- und Schneidaufgaben eingesetzt. Nach einer allgemeinen Funktionsbeschreibung von Robotern und Robotersteuerungen werden unterschiedliche Typen von Roboterkinematiken und Einlegegeräten unterschiedlicher Anzahl von Freiheitsgraden vorgestellt. Die Grundlage bei der Bedienung und Programmierung dieser Systeme bildet die mathematische Beschreibung von Koordinatensystemen, Koordinatentransformationen und Algorithmen zur Bahnerzeugung, die im Folgenden näher erläutert werden. Anschließend werden die Verfahren zur Bedienung und Programmierung von Robotersystemen vorgestellt. Das Kapitel schließt mit einer umfangreichen Beschreibung heutiger Greifprinzipien und Greifsystemen ab.

Während einzelne Maschinen früher in sich geschlossene Fertigungssysteme darstellten, begann unter dem Stichwort „CIM“ (Computer Integrated Manufacturing) die Integration von Computern in Fertigungseinrichtungen und damit deren Vernetzung. Dieser Trend setzte sich weiter fort bis zur heutigen durchgehenden Integration und Vernetzung aller Unternehmensbereiche zu integrierten Informations- und Datenverarbeitungssystemen. Mit dem Ziel der Rationalisierung der Informationsverarbeitungsvorgänge und der einfachen Interaktion zwischen unterschiedlichen Systemen werden Maschinen, Automatisierungsgeräte und Computer hier untereinander vernetzt. Dies ermöglicht übergreifende Überwachungssysteme, zentrale Steuerungen und somit eine systemweite Optimierung der Fertigungsprozesse. In diesem Kapitel wird ein Modell für die CIM-Struktur in Unternehmen vorgestellt und die einzelnen Ebenen dieser Struktur, von der Unternehmensebene an der Spitze bis zur Prozessleitebene direkt in den Maschinen, werden im Detail betrachtet.

Die Leistungsfähigkeit moderner, automatisierter Werkzeugmaschinen und komplexer Fertigungsanlagen wird heute entscheidend durch elektrische, elektronische und Software-Komponenten bestimmt. Weiterhin sind die Anforderungen in der Automatisierungstechnik geprägt durch eine zuverlässige und aus Sicht der Unternehmen beherrschbare Prozessausführung, von langfristigen Entwicklungsprozessen, einer zunehmenden Interdisziplinarität sowie der kontinuierlichen Funktionserweiterung unter gleichzeitiger Berücksichtigung sicherheitsrelevanter Aspekte. In diesem Zusammenhang muss auch das Engineering, d. h. die Planungs- und Entwicklungsaufgabe für automatisierungstechnische Systeme, diesen Anforderungen nachkommen und in Form einer geeigneten Methodik umgesetzt werden. Wichtige Bestandteile, welche in diesem Kapitel vorgestellt werden, betreffen die Methodik des Engineerings, die Architekturmodellierung, das Systems Engineering, das Design, die Auslegung, die Implementierung und die Prüfung sowie die Elektrokonstruktion bei Werkzeugmaschinen.