Stetige Verbesserung des Produktionsprozesses, steigende Erwartungen des Kunden und die selbststeuernde Fabrik – Industrie 4.0 – sind die neuen Herausforderungen in der Automatisierungstechnik. Letztendlich geht es nicht nur darum, die Flexibilität, Genauigkeit, Taktzeiten und das Werkstückspektrum zu erhöhen. Eine weitere Anforderung liegt meist darin, die Produktionsfläche sowie den Ressourcenverbrauch zu minimieren. Um bereits im Vertriebsprozess belastbare Grenzwerte zu definieren, beschreitet Erhardt + Abt innovative Wege.
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Die selbststeuernde Fabrik im Industrie 4.0-Gedanken mit der Losgröße 1 und minimalem Personaleinsatz ist längst in aller Munde. Aus unterschiedlichen Rohlingen entstehen hochkomplexe Fertigteile, welche sich nur in Details unterscheiden. Die Anforderungen an Großverkettungen steigen mit diesem Trend immer weiter an. So wird bereits bei der Bauteilzuführung die Flexibilität erwartet, unterschiedliche Bauteile zu erkennen, abzugreifen und dem System zuzuführen. Speichersysteme und Pufferstrecken sind hierbei ein zwingender Bestandteil, um die Losgröße 1 gewährleisten zu können. Zusätzlich wird erwartet, dass über den Lebenszyklus der Verkettung weitere Prozesse und Bauteilvarianten einfach integriert werden können.
Unterschiedliche Bearbeitungs-, Prüf- und Montagestationen runden die Anforderungen an eine Großverkettung ab. Die steuerungstechnische Verknüpfung der einzelnen Stationen sowie der Materialfluss sind essenziell wichtig, um die geforderte Ausbringung zu gewährleisten. Zusätzlich muss die Teilerückverfolgbarkeit mit sämtlichen Prozessparametern durch den gesamten Prozess auch in Sondersituationen gewährleistet sein, um den Qualitätsansprüchen des Kunden gerecht zu werden.
Layout-Varianten
Der Prozess der Anlagenbeschreibung hat sich in den vergangenen Jahren stark gewandelt. So gab es früher eine mehrseitige Prozessbeschreibung, aus welcher sich ein Anlagenlayout ableiten ließ. Dieser Stand wurde längst von Handskizzen, 2D-Layouts bis hin zu 3D-Layouts überholt. Allerdings erfüllen 3D-Layouts die komplexen Anforderungen an den Projektierungsprozess von Großverkettungen nicht mehr gänzlich. Zusätzlich zu den unterschiedlichen zuvor beschriebenen Varianten ist es Entscheidungsträgern in größeren Runden nahezu unmöglich, die Gesamtheit der Anforderungen sowie des Ablaufs vollumfänglich zu erfassen. Um hier den Materialfluss und die einzelnen Prozesse anschaulich zu beschreiben, wird immer öfter auf Simulationen zurückgegriffen. Hier wird der Schwerpunkt nicht auf die exakten Bauteilgeometrien und Störkonturen gelegt, sondern vielmehr auf den Materialfluss, die Taktzeit und das Gesamtverhalten der Anlage. Darüber hinaus sind Aussagen über die technische Verfügbarkeit der Anlage möglich. Der hierdurch entstehende Mehrwert ermöglicht es, bereits im Vertriebsprozess die Eckdaten der Anlage im Vorfeld zu verifizieren.
Materialfluss versus Taktzeit
Im Projektverlauf werden für die unterschiedlichen Taktzeitermittlungen unterschiedliche Tools eingesetzt. So werden die Abläufe über Tools wie Process Simulate, Virtuos oder Simulationstools von Roboterherstellern abgebildet. Der große Nachteil dieser einzelnen Werkzeuge ist, dass das Layout bereits relativ detailliert sein sollte und jedes Tool auf einen Spezialfall ausgelegt ist. Da diese Detailtiefe im Vertriebsprozess nicht gegeben ist, wird hier ein neues Tool benötigt, welches eine einfache Simulation und Layoutanpassung zulässt.
Durch die Definition des Prozessablaufs können in der Simulation unterschiedliche Anordnungen relativ einfach untersucht werden. Erreichbarkeiten von Endpositionen sowie komplexe Verfahrbewegungen sind einfach simulierbar. Einzelsysteme können Achssystemen gegenübergestellt und die Unterschiede analysiert und bewertet werden. Der Materialfluss wird durch unterschiedliche Bypässe und die Anzahl der Werkstückträger im Umlauf optimiert.
Die einzelnen Bearbeitungsmaschinen sind mit ihren Bearbeitungs-Rüst- und Wechselzeiten integriert, wodurch eine ganzheitliche Betrachtung des Verbundes möglich ist. Die hier getroffenen Entscheidungen haben maßgebliche Auswirkungen auf den Prozess und die Performance der späteren Verkettung. Somit lassen sich bereits im Vertriebsprozess über die Betrachtung der Gesamtanlage attraktive Konzepte ausarbeiten, durch welche eine Kostenersparnis in der Projektumsetzung erzielt wird. Dies führt für beide Parteien zu einer besseren Planungssicherheit bei der tatsächlichen Projektrealisierung.
Sicherheitskonzept
Die Sicherheit von Maschinen gemäß der aktuellen Maschinenrichtlinie ist bei Großverkettungen in ihrer Gesamtheit ein wesentlicher Bestandteil der Projektierung. Sind die verbundenen Einzelmaschinen produktions- und sicherheitstechnisch verknüpft, gilt es, die Anforderungen der Richtlinie für die Gesamtheit zu beachten. Zusätzlich fordert die aktuelle Roboternorm die Safebereiche der Roboter, die Auswirkungen auf die Taktzeit haben, zu berücksichtigen. Neben Rüst- und Notfallstrategien ist besonders auf die Bedienersicherheit zu achten. Als Grundlage für das Sicherheits- und Steuerungskonzept werden bereits Zellen-, Sicherheits- und Bedienbereiche festgelegt.
Steuerungsstruktur
Bei der Betrachtung von Großverkettungen aus steuerungstechnischer Sicht ist neben den unterschiedlichen Kommunikationssystemen und Protokollen das Werkstück- und Werkzeugmanagement ein wichtiger Bestandteil. So müssen Roh- und Fertigteildaten mit den Schnitt- und Werkzeugparametern der Maschine just in sequence mit zugehörigen Robotergreifern koordiniert und bereitgestellt werden. Fertigungsaufträge müssen aus den übergeordneten Systemen bezogen und vollautomatisch auf die einzelnen Prozessschritte verteilt und gesteuert werden. Neben dem komplexen Werkstück- und Materialflussmanagement ist es erforderlich, die unterschiedlichen Betriebsarten zum Einrichten der Maschinen zu managen.
Fazit
Durch die Verwendung einer Simulation im Vertriebsprozess kann eine Großverkettung ganzheitlich vom Roh- zum Fertigteil betrachtet werden. Hierdurch ist die Entscheidungsfindung erheblich vereinfacht, da die Abläufe und Prozesse klar erkennbar sind. Über den Materialfluss lassen sich gezielt kritische Teilsysteme der Verkettung identifizieren und dementsprechend beheben. Dies führt mitunter dazu, dass Prozessschritte anders angeordnet werden, wodurch die Gesamtausbringung der Anlage gesteigert wird. So lassen sich bereits zu Beginn bei steigender Planungssicherheit das Risiko und die Kosten minimieren.
Erhardt + Abt Automatisierungstechnik GmbH
www.roboter.de
Der Autor
Christian Frank,
Vertrieb / Projektierung, Erhardt + Abt
Automatisierungstechnik GmbH.
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