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Software unterstützt Automation im Werkzeugbau

Durchgängiger Datenfluss spart Zeit und vermeidet Fehler
Software unterstützt Automation im Werkzeugbau

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Erst wurde die Elektrodenfertigung automatisiert, dann die Stahl- und Aluminiumbearbeitung – unterstützt von den Softwarehäusern Zwicker Systems und Sescoi erreicht Kegelmann Technik, Rodgau-Jügesheim, heute im Werkzeugbau einen durchgängigen Datenfluss vom Auftragseingang bis zum fertigen Bauteil. Unterm Strich bleiben ein deutliches Plus an Zeit und ein erhebliches Minus an Fehlerquellen.

Stephan Kegelmann verfolgt seit Jahren ein klares Ziel: Er will seinen Werkzeugbau so weit und so sinnvoll wie möglich automatisieren. Erst die Elektrodenfertigung, dann die Metallbearbeitung – Schritt für Schritt kommt er seinem Ziel näher. Beim Start seiner Werkzeugbau-Aktivitäten hatte er gegenüber vielen anderen Firmen der Branche einen Vorteil auf seiner Seite: Er konnte seinen Werkzeugbau – in dem heute etwa 45 Personen beschäftigt sind – „auf der grünen Wiese“ beginnen. So standen der Automatisierung zumindest keine alten Strukturen und Maschinen im Weg, und alle unternehmerischen Investitionen konnten zielgerichtet unternommen werden. „Wir setzten von Beginn an auf Nullpunktspannung, Palettensysteme und so weiter“, berichtet Kegelmann. „Vor zehn Jahren waren das noch Innovationen; heute sind diese Dinge beinahe Standard und für die Automatisierung unerlässlich.“

Immer einen Schritt voraus sein zu wollen, charakterisiert Stephan Kegelmann und sein Unternehmen. So interessierte er sich auch als einer der ersten für ein Jobmanagementsystem (JMS), das für einen reibungslosen Durchlauf im gesamten Werkzeugbau sorgt – ohne Stau, Papier, fehlende oder fehlerhafte Daten und doppelte Eingaben. 2004 entschieden sich Kegelmann und sein Automatisierungsteam für die Software Winstat Framework von Zwicker Systems. Dieses Unternehmen ist auf Fertigungsautomation spezialisiert und bietet mit Winstat Framework Softwarewerkzeuge für effizientes computergesteuertes Job- und Prozessmanagement. Damit lassen sich alle technischen Daten, Jobs und Objekte verwalten und für die Weiterverarbeitung zur Verfügung stellen. Zeitintensive und fehleranfällige Protokollierung und Prozessabwicklung auf Papier entfällt.
Flexibles Jobmanagement
Winstat Framework besteht aus einzelnen Modulen für die automatisierte Fertigungssteuerung. Es kann an vorhandene Unternehmensstrukturen angepasst werden und externe Module vollständig integrieren. Auch für Kegelmann galt es, bestehende Komponenten wie zum Beispiel die Senkerodier- und Messmaschine sowie die CAM-Software Work NC von Sescoi, Neu-Isenburg, einzubinden. Letztere nutzt das Unternehmen auch zum Ableiten der Elektroden aus dem CAD-System Catia, das im Allgemeinen für Konstruktionsaufgaben eingesetzt wird.
Das im CAD-Part von Work NC enthaltene Elektrodenmodul musste allerdings erst für Kegelmann angepasst und erweitert werden. „Wir wollten keine Kompromisse eingehen“, erläutert Stephan Kegelmann, „sondern mit wenigen Menüs und Eingaben vollautomatisiert arbeiten können. Dazu gehört, alle Informationen direkt aus dem CAD abzugreifen und daraus quasi auf Knopfdruck Schrupp- und Schlichtelektroden, Funkenspalt und alle andern Attribute herzuleiten. Auch die automatisierte Weitergabe an das Jobmanagementsystem musste auf die nachfolgenden Stationen abgestimmt werden. Unser Projektteam hat intensiv mit Sescoi daran gearbeitet und für alle Aufgaben eine Lösung gefunden. Das war eine hoch innovative Leistung von beiden Seiten.“
Seit Ende 2006 läuft der gesamte Elektrodenbereich bei Kegelmann Technik automatisch und komplett papierlos. Die Dokumentation wird per Mausklick generiert und lässt sich als HTML-Datei online aufrufen. Dafür stehen an allen Stationen Terminals zur Verfügung – zur Kontrolle, wie Stephan Kegelmann betont: „Der Maschinenbediener muss keine Daten mehr von der Zeichnung in die Maschine übertragen. Das alles läuft automatisch. So haben wir Fehleingaben auf ein Minimum reduziert, was zur Folge hat, dass auch unsere Mitarbeiter wesentlich relaxter sind und sich auf ihre Aufgaben konzentrieren können. War unsere Erodiermaschine früher der Flaschenhals in der Produktionskette, ist das heute ganz anders: Die Automatisierung hat uns mindestens 30 Prozent Kapazitätserweiterung gebracht.“
Nach dem Erfolg im Erodierbereich nahm Kegelmann Technik sofort das nächste Projekt in Angriff: das vollautomatisierte Fräsen von Aluminium und Stahl. Dazu musste das Robotersystem RS2 von Hermle-Leibinger Systemtechnik (HLS) in den Datenfluss integriert werden, das aus einem sechsachsigen Knickarmroboter mit 180 kg Tragkraft und zwei Hermle-Fünfachs-Fräsmaschinen besteht. Dabei handelt es sich um zwei Maschinen der C-Baureihe: eine C30 mit 40 000 und eine C40 mit 28 000 U/min. Bei beiden befinden sich drei Achsen im Werkzeug, wodurch eine werkstückunabhängige Dynamik geschaffen wird – eine ideale Voraussetzung für Eilgänge und Vorschübe bis 60 m/min. Ihre modifizierte Gantrybauweise vermeidet außerdem die Nachteile herkömmlicher Portalmaschinen.
Datenübertragung als Knackpunkt
Während bei der Elektrodenfertigung alle notwendigen Daten über das Elektrodenmodul von Work-NC-CAD ins JMS transportiert wurden, fehlt bei der Aluminium- und Stahlbearbeitung der Zwischenschritt über dieses Modul. Die Informationen müssen direkt aus Catia ins Zwicker Winstat übertragen werden. Das setzt eine gewisse Struktur auf CAD-Seite voraus, die erst geschaffen werden musste. Denn jedes einzelne Teil, ob Schieber, Einsatz oder Formplatte, muss zur Übergabe bereits als Datensatz separiert sein und über eine zugeordnete Nummer eindeutig identifiziert werden können.
Der Grundstein für diese Struktur wird bei Kegelmann bereits im ERP-System (Enterprise Resource Planning) gelegt: Ein Automatismus generiert zu jedem Auftrag eine sogenannte Vorlagen-Struktur, in der die wichtigsten Komponenten des zu fertigenden Formwerkzeugs vorhanden sind. Diese wird ans CAD-System übergeben, wo die einzelnen Elemente konstruiert und die Struktur nach Bedarf erweitert werden kann.
Das JMS übernimmt aus Catia sowohl die Struktur als auch sämtliche Konstruktionsdaten 1:1 und initiiert im Folgenden die NC-Programmierung: Work NC wird gestartet und konvertiert die Catia Daten ins WorkNC-eigene XDW-Format. Dann stehen alle Standards des CAM/CAD-Systems von Sescoi zur Verfügung. Der Work-NC-Programmierer bearbeitet das Bauteil in gewohnter Weise und erzeugt die Fräsprogramme. Die fertigen Programme werden wiederum im JMS gespeichert und stehen zum Abruf an der Maschine bereit.
Work NC übergibt nicht nur die reinen Werkzeugbahnen ans JMS, sondern auch alle Zusatzinformationen wie zum Beispiel Werkzeugdaten. Denn vor der Bearbeitung kontrolliert das JMS die vorhandenen Werkzeuge und gleicht die Informationen mit dem Bedarf ab.
Sollte für ein Bauteil ein Werkzeug fehlen, wird eine Fehlermeldung ausgegeben und diese Bearbeitung auf später verschoben. Diese Korrespondenz mit der Werkzeugverwaltung sorgt für höhere Prozesssicherheit, denn Stillstände durch fehlende Werkzeuge werden vermieden.
Rückblickend erscheint diese Entwicklung logisch. „Doch ganz so einfach war das nicht“, bemerkt Kegelmann. „Bei einer Pionierleistung wie dieser muss die Prozesskette durchdacht und die einzelnen Schnittstellen detailliert geplant werden. Ohne das partnerschaftliche Zusammenwirken unserer Fachleute mit denen von Zwicker Systems, Sescoi und HSL hätten wir nie ein so reibungslos funktionierendes System hinbekommen. Zum Teil sind wir auch erst während der Entwicklung auf sinnvolle Lösungen gestoßen, zum Beispiel beim Preset-Platz für die Werkstücke.“ Zunächst war geplant, eine separate Station zu installieren, in der die Rohlinge auf eine Palette gesetzt, eingemessen und mit einem Chip versehen werden. In diesen sollten dort Teilenummer, Nullpunkt und weitere Informationen eingespeist werden.
Inzwischen hat sich jedoch eine andere Lösung als vorteilhafter herauskristallisiert: Das Einmessen und Speichern der Ergebnisse auf dem Chip findet in der Maschine statt. Kegelmann erklärt: „Wir setzen den Rohling auf standardisierte Lochbilder in der Palette und lassen die Maschine bei standardisierten Teilen durch eine Zusatzfunktion in WorkNC automatisch den Nullpunkt bestimmen. Bei Sondergrößen – die nicht sehr häufig sind – messen wir manuell auf der Maschine ein.“ Auf den ersten Blick sieht das nicht sehr wirtschaftlich aus, denn während dieser Zeit kann die Maschine nicht produzieren. Aber: „Ein eigener Preset-Platz würde Kapital binden“, argumentiert der Firmenchef. „Wir müssten Hardware und Software pflegen und würden mehr personelle Kapazität benötigen als fürs gelegentliche manuelle Einmessen auf der Maschine. In einer automatisierten Fertigung, in der die Maschinen 24 Stunden täglich an sieben Tagen pro Woche laufen, spielen fünf Minuten Nullpunktbestimmung keine wesentliche Rolle.“
Automatikbetrieb ohne Kollisionen
Für einen weiteren Knackpunkt der automatisierten Fertigung – die sichere Kollisionsvermeidung – entstand im Gespräch mit Sescoi-Vertriebsleiter Werner Möller eine praktikable Lösung. Eine einfache Kollisionskontrolle, die Werkzeug- und Werkzeughalter berücksichtigt, bietet Work NC standardmäßig an. Doch in vielen Fällen der Fünfachssimultanbearbeitung oder der 3+2-Achsen-Bearbeitung ist es sinnvoll, auch mögliche Kollisionen zwischen Halter, Maschine und Schraubstock etc. zu berücksichtigen und diverse Endschalter in die Betrachtung einzubeziehen, um einen vorzeitigen Maschinenstopp zu vermeiden. Kegelmann weist darauf hin, dass man dazu „den postprozessierten Datensatz zur Kollisionsprüfung heranziehen muss. Über separate Software ist das sehr aufwändig, denn jede Änderung muss 1:1 mitvollzogen werden. Mir schwebte eher ein autonomes System vor, das sich bei Programm- oder Werkzeugänderungen immer wieder selbst mitändert.“
Möllers Idee war es, für diesen Zweck die in Work NC integrierte Software NC-Speed einzusetzen – eine Lösung der Formtec GmbH, Bottrop, zur Optimierung von NC-Programmen. Für jede von Work NC berechnete und postprozessierte Fräsbahn wird automatisch NC-Speed aufgerufen. Alle wesentlichen Parameter der Fräsbahn wie Werkzeugmaße, Bahnabstand, Z-Tiefenzustellung und Vorschubgeschwindigkeiten werden an NC-Speed übergeben. Die Software analysiert diese NC-Programme, ermittelt das vom Fräser zu zerspanende Materialvolumen und passt den Vorschub an die aktuelle Fräserbelastung an. Dadurch wird neben einer optimalen Maschinenausnutzung ein sicherer und stabiler Fräsprozess erreicht.
Dass sich die Daten nicht nur zur Fräsbahnoptimierung, sondern auch zur Kollisionsbetrachtung nutzen lassen, bestätigt Dr.-Ing. Joachim Friedhoff, Formtec- Geschäftsführer für Software-Entwicklung und Vertrieb. Gemeinsam wurden erste Ideen aufs Papier gebracht, und heute funktioniert das von Formtec entwickelte Kollisionsschutzmodul. Der postprozessierte Datensatz durchläuft NC-Speed in einem Batch-Betrieb und wird komplett auf Kollisionen mit der Maschine und auf Endschalter geprüft. Bei Kollisionsfreiheit gibt das JMS das NC-Programm frei. Andernfalls wird es zur Korrektur zurückgestellt.
Seit Herbst 2008 ist bei Kegelmann Technik diese automatisierte Stahl- und Aluminiumbearbeitung in Betrieb – und Stephan Kegelmann gedanklich schon wieder einen Schritt weiter: „Als Nächstes gehen wir die robotergestützte Verknüpfung von Elektrodenfräs-, Mess- und Erodiermaschinen an. Noch werden die gefrästen Elektroden von Hand in die Messmaschine und von dort in die Erodiermaschine gebracht. Das wird künftig automatisiert stattfinden. Schließlich werden die in unserer Hermle-Zelle gefrästen Paletten ebenfalls automatisch zum Erodieren gebracht – der finale Schritt zum vollkommen automatisierten Werkzeugbau.“
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