Automatisierung

Automatisierung – automatisierte Abläufe in der CNC-Fertigung

Die Automatisierung bezeichnet in der Fertigungstechnik die selbstständige Ausführung von Arbeits-, Steuerungs- und Produktionsabläufen durch Maschinen und technische Systeme. Ziel ist es, manuelle Eingriffe zu reduzieren, Prozesse reproduzierbar zu gestalten und Maschinen möglichst effizient einzusetzen.

In der CNC-Fertigung reicht die Automatisierung von einfachen Funktionen wie einem automatischen Werkzeugwechsel bis hin zu vollständig verketteten Fertigungszellen, in denen Werkstücke automatisch zugeführt, gespannt, bearbeitet, vermessen und wieder ausgeschleust werden.

Moderne Automatisierungssysteme ermöglichen dadurch eine hohe Produktivität, Prozesssicherheit und Wiederholgenauigkeit und können CNC-Maschinen über längere Zeiträume weitgehend selbstständig betreiben.

Automatisierung bei CNC-Maschinen

Bereits eine moderne CNC-Werkzeugmaschine verfügt über zahlreiche automatisierte Funktionen.

Die CNC-Steuerung koordiniert beispielsweise:

• Achsbewegungen
• Spindeldrehzahl
• Werkzeugwechsel
• Werkzeugkorrekturen
• Kühlschmierstoffversorgung
• Bearbeitungszyklen
• Messvorgänge
• Maschinenüberwachung

Der Bediener gibt das NC-Programm und die erforderlichen Prozessparameter vor. Die CNC-Steuerung führt anschließend die programmierten Bearbeitungsschritte automatisch aus.

Damit stellt bereits die CNC-Technik selbst eine wesentliche Form der Fertigungsautomatisierung dar.

Ziele der Automatisierung

Automatisierung dient nicht ausschließlich dazu, Personal einzusparen. In der industriellen Fertigung werden damit zahlreiche weitere Ziele verfolgt:

• höhere Maschinenlaufzeiten
• kürzere Nebenzeiten
• höhere Produktivität
• reproduzierbare Fertigungsprozesse
• gleichbleibende Qualität
• geringere Fehleranfälligkeit
• bessere Maschinenauslastung
• automatisierte Qualitätskontrolle
• Fertigung außerhalb regulärer Arbeitszeiten
• wirtschaftliche Produktion größerer Stückzahlen

Insbesondere teure CNC-Werkzeugmaschinen sollen möglichst viel Zeit tatsächlich zerspanen und möglichst wenig Zeit durch Be- und Entladevorgänge stillstehen.

Automatischer Werkzeugwechsel

Eine grundlegende Automatisierungsfunktion moderner Bearbeitungszentren ist der automatische Werkzeugwechsel.

Die Maschine verfügt über ein Werkzeugmagazin, in dem verschiedene Werkzeuge bereitgehalten werden.

Dazu können beispielsweise gehören:

• Schaftfräser
• Bohrer
• Gewindebohrer
• Reibahlen
• Planfräser
• Ausspindelwerkzeuge
• Messtaster

Fordert das CNC-Programm ein anderes Werkzeug an, fährt die Maschine automatisch in die entsprechende Wechselposition und tauscht das Werkzeug.

Dadurch können zahlreiche Bearbeitungsschritte ohne Eingriff des Maschinenbedieners durchgeführt werden.

Automatischer Werkstückwechsel

Der nächste Automatisierungsschritt besteht in der automatischen Zuführung beziehungsweise dem Wechsel der Werkstücke.

Dafür können unterschiedliche Systeme eingesetzt werden, beispielsweise:

• Roboter
• Portallader
• Palettenwechsler
• Stangenlader
• Werkstückspeicher
• Fördersysteme

Nach Abschluss einer Bearbeitung wird das fertige Werkstück entnommen und automatisch ein neues Rohteil eingelegt.

Anschließend kann unmittelbar der nächste Bearbeitungszyklus beginnen.

Roboter in der CNC-Fertigung

Industrieroboter werden häufig zur Automatisierung von CNC-Maschinen eingesetzt.

Ein Roboter kann beispielsweise:

1. ein Rohteil aus einem Werkstückspeicher entnehmen,
2. die Maschinentür öffnen beziehungsweise deren Öffnung abwarten,
3. das Spannmittel beladen,
4. das Werkstück positionieren,
5. den Bearbeitungsprozess starten,
6. nach der Bearbeitung das Fertigteil entnehmen,
7. das nächste Rohteil einsetzen.

Zusätzlich können Roboter weitere Aufgaben übernehmen, etwa:

• Reinigen von Werkstücken
• Entgraten
• Umspannen
• Vermessen
• Sortieren
• Kennzeichnen
• Verpacken

Damit kann aus einer einzelnen CNC-Maschine eine weitgehend automatisierte Fertigungszelle entstehen.

Palettenautomation

Bei Fräsmaschinen und Bearbeitungszentren werden häufig Palettensysteme eingesetzt.

Das Werkstück wird dabei außerhalb des eigentlichen Maschinenarbeitsraums auf einer Palette gespannt.

Nach Abschluss der Bearbeitung wird die Palette automatisch gegen eine vorbereitete Palette ausgetauscht.

Während die Maschine ein Werkstück bearbeitet, kann außerhalb der Maschine bereits das nächste Werkstück vorbereitet werden.

Dadurch werden die Stillstandszeiten der Werkzeugmaschine erheblich reduziert.

Palettenspeicher

Eine Erweiterung des einfachen Palettenwechslers ist ein Palettenspeicher.

Darin können mehrere vorbereitete Werkstücke beziehungsweise Aufspannungen bereitstehen.

Die Maschinensteuerung oder ein übergeordnetes Leitsystem entscheidet, welche Palette als Nächstes bearbeitet wird.

Dadurch können unterschiedliche Werkstücke nacheinander produziert werden, ohne dass nach jedem Werkstück ein Bedienereingriff erforderlich ist.

Automatisierung bei CNC-Drehmaschinen

CNC-Drehmaschinen eignen sich besonders gut für automatisierte Fertigungsprozesse.

Bei der Bearbeitung von Stangenmaterial kann beispielsweise ein Stangenlader eingesetzt werden.

Die Maschine zieht automatisch neues Material nach und fertigt nacheinander mehrere Werkstücke.

In Verbindung mit:

• Teilefänger
• Teileförderband
• Gegenspindel
• angetriebenen Werkzeugen
• automatischer Werkzeugüberwachung

können komplexe Drehteile weitgehend automatisch gefertigt werden.

Automatische Werkstückspannung

Damit ein Roboter oder Palettensystem eine CNC-Maschine automatisch beladen kann, müssen häufig auch die Spannmittel automatisiert werden.

Dafür werden beispielsweise eingesetzt:

• hydraulische Spannsysteme
• pneumatische Spannsysteme
• elektrische Spannsysteme
• Nullpunktspannsysteme
• automatische Spannfutter

Die Maschinensteuerung kann das Spannmittel öffnen und schließen sowie gegebenenfalls überwachen, ob das Werkstück korrekt gespannt wurde.

Eine sichere Spannüberwachung ist besonders wichtig, da ein falsch gespanntes Werkstück erhebliche Schäden verursachen kann.

Nullpunktspannsysteme

Nullpunktspannsysteme spielen bei der Automatisierung eine wichtige Rolle.

Werkstücke oder Vorrichtungen werden auf definierten Schnittstellen gespannt und können dadurch mit hoher Wiederholgenauigkeit in die Maschine eingesetzt werden.

Das reduziert:

• Rüstzeiten
• Ausrichtarbeiten
• manuelle Einstellvorgänge

und erleichtert den automatisierten Wechsel unterschiedlicher Werkstücke und Vorrichtungen.

Werkstückvermessung

Ein automatisierter Fertigungsprozess benötigt Möglichkeiten zur Kontrolle der gefertigten Werkstücke.

Hierfür können Messtaster in der CNC-Maschine eingesetzt werden.

Damit lassen sich beispielsweise automatisch bestimmen:

• Werkstückposition
• Werkstücknullpunkt
• Bohrungsdurchmesser
• Positionen von Flächen
• Werkstückhöhe
• bestimmte Fertigmaße

Die gemessenen Werte können von der CNC-Steuerung ausgewertet werden.

Automatische Korrektur von Maßabweichungen

Besonders interessant wird die Automatisierung, wenn Messergebnisse unmittelbar in den Fertigungsprozess zurückgeführt werden.

Angenommen, ein Durchmesser nähert sich aufgrund des Werkzeugverschleißes langsam der Toleranzgrenze.

Ein Messsystem kann die Abweichung erkennen. Abhängig von Maschine, Prozess und Programmierung kann anschließend eine Werkzeugkorrektur automatisch angepasst werden.

Damit entsteht ein geschlossener Prozess aus:

Bearbeiten → Messen → Auswerten → Korrigieren → Weiterbearbeiten

Dies erhöht die Prozesssicherheit bei längeren automatisierten Fertigungsläufen.

Werkzeugvermessung

Nicht nur das Werkstück, sondern auch die eingesetzten Werkzeuge können automatisch vermessen werden.

Werkzeugmesssysteme bestimmen beispielsweise:

• Werkzeuglänge
• Werkzeugradius beziehungsweise Durchmesser
• Werkzeugverschleiß
• Werkzeugbruch

Bei einem Werkzeugbruch kann die Maschine den Prozess stoppen oder – bei entsprechend eingerichteter Automatisierung – auf ein hinterlegtes Schwesterwerkzeug wechseln.

Dadurch lassen sich längere unbeaufsichtigte Produktionszeiten realisieren.

Werkzeugstandzeitüberwachung

CNC-Steuerungen können die Einsatzzeit beziehungsweise Belastung eines Werkzeugs überwachen.

Nach einer definierten Standzeit kann beispielsweise:

• eine Warnung ausgegeben,
• das Werkzeug gesperrt,
• ein Schwesterwerkzeug eingewechselt oder
• ein Bedienereingriff angefordert

werden.

Eine zuverlässige Werkzeugüberwachung ist für automatisierte Prozesse besonders wichtig, da ein verschlissenes oder gebrochenes Werkzeug ansonsten zahlreiche Ausschussteile produzieren könnte.

Sensorik in automatisierten Maschinen

Automatisierung benötigt Informationen über den aktuellen Zustand der Maschine und des Prozesses.

Dafür werden zahlreiche Sensoren eingesetzt.

Sie können beispielsweise überwachen:

• Werkstück vorhanden
• Spannmittel geschlossen
• Werkzeug vorhanden
• Maschinentür geschlossen
• Kühlmittelstand
• Schmierstoffversorgung
• Druckluftdruck
• Hydraulikdruck
• Temperatur
• Spindelbelastung
• Motorstrom

Erst durch diese Rückmeldungen kann ein automatisierter Prozess zuverlässig auf unterschiedliche Zustände reagieren.

SPS und CNC-Steuerung

Neben der eigentlichen CNC-Bahnsteuerung besitzt eine Werkzeugmaschine üblicherweise eine SPS – Speicherprogrammierbare Steuerung beziehungsweise entsprechende PLC-Funktionen.

Während die CNC-Steuerung insbesondere die Bearbeitungsbewegungen koordiniert, übernimmt die SPS zahlreiche logische Maschinenfunktionen.

Dazu gehören beispielsweise:

• Türen öffnen und schließen
• Spannmittel betätigen
• Pumpen einschalten
• Ventile steuern
• Sensoren auswerten
• Werkzeugwechsel koordinieren
• Sicherheitssignale verarbeiten

CNC und SPS arbeiten dabei eng zusammen.

Fertigungszelle

Werden CNC-Maschine, Roboter, Werkstückspeicher und weitere Komponenten miteinander verbunden, entsteht eine automatisierte Fertigungszelle.

Eine solche Zelle kann beispielsweise bestehen aus:

Werkstückspeicher → Roboter → CNC-Maschine → Messstation → Fertigteilspeicher

Der Roboter übernimmt dabei den Materialfluss zwischen den einzelnen Stationen.

Je nach Ausführung können mehrere Werkzeugmaschinen durch einen gemeinsamen Roboter bedient werden.

Flexible Fertigungssysteme

Eine weitergehende Form der Automatisierung sind flexible Fertigungssysteme.

Dabei werden mehrere Maschinen, Werkstückspeicher, Palettensysteme und Transportanlagen miteinander verknüpft.

Ein übergeordnetes System organisiert beispielsweise:

• Produktionsreihenfolge
• Maschinenbelegung
• Werkzeugverfügbarkeit
• Materialbereitstellung
• Palettenzuordnung
• Auftragsstatus

Dadurch können auch unterschiedliche Werkstücke weitgehend automatisiert produziert werden.

Mannlose Fertigung

Ein Ziel moderner CNC-Automatisierung ist die zeitweise mannlose beziehungsweise bedienerarme Fertigung.

Die Maschine produziert beispielsweise nachts oder am Wochenende weiter, obwohl kein Bediener dauerhaft an der Maschine steht.

Hierfür müssen die Prozesse besonders stabil ausgelegt sein.

Erforderlich sind unter anderem:

• zuverlässige Werkzeugüberwachung
• ausreichender Werkzeugvorrat
• automatische Werkstückzuführung
• sichere Spanntechnik
• ausreichende Kühlmittelversorgung
• Späneabfuhr
• Prozessüberwachung
• zuverlässige Störungserkennung

Eine automatisierte Maschine ist deshalb nur so zuverlässig wie der gesamte zugrunde liegende Fertigungsprozess.

Späneabfuhr

Bei längeren automatisierten Bearbeitungszeiten entstehen große Mengen an Spänen.

Diese müssen zuverlässig aus dem Arbeitsraum entfernt werden.

Dafür können beispielsweise verwendet werden:

• Späneförderer
• Kratzbandförderer
• Scharnierbandförderer
• Spülvorrichtungen
• automatische Späneentsorgung

Eine unzureichende Späneabfuhr kann selbst einen ansonsten stabilen automatisierten Prozess zum Stillstand bringen.

Prozessüberwachung

Ein automatisierter Prozess sollte Störungen möglichst selbstständig erkennen.

Überwacht werden können beispielsweise:

• Werkzeugbruch
• Überlastung
• fehlendes Werkstück
• falsche Werkstücklage
• Spannfehler
• Temperatur
• Vibrationen
• ungewöhnliche Spindellast

Bei einer erkannten Störung kann die Maschine beispielsweise den Prozess kontrolliert stoppen und eine Meldung ausgeben.

Moderne Systeme können Störmeldungen zusätzlich über ein Netzwerk an verantwortliche Personen weitergeben.

Vernetzung von CNC-Maschinen

Automatisierung endet nicht an der einzelnen Maschine.

Moderne Werkzeugmaschinen können in übergeordnete Produktionssysteme eingebunden werden.

Dabei können beispielsweise folgende Daten übertragen werden:

• Maschinenstatus
• laufender Auftrag
• Stückzahl
• Bearbeitungszeit
• Werkzeugzustand
• Störmeldungen
• Energieverbrauch
• Produktionsfortschritt

Solche Informationen ermöglichen eine zentrale Überwachung und Planung der Fertigung.

CAD/CAM und Automatisierung

Auch die Arbeitsvorbereitung kann teilweise automatisiert werden.

Ein typischer digitaler Prozess kann beispielsweise folgendermaßen aussehen:

CAD-Modell → CAM-Programmierung → Simulation → Postprozessor → CNC-Programm → Bearbeitung

Je besser diese einzelnen Systeme miteinander verbunden sind, desto geringer wird der Aufwand für manuelle Datenübertragung.

Eine vollständige Automatisierung erfordert jedoch zuverlässige und geprüfte Prozesse, insbesondere bei sicherheitsrelevanten Maschinenbewegungen.

Vorteile der CNC-Automatisierung

Eine sinnvoll ausgelegte Automatisierung bietet zahlreiche Vorteile:

• höhere Produktivität
• bessere Maschinenauslastung
• reduzierte Nebenzeiten
• gleichmäßigere Fertigungsqualität
• reproduzierbare Abläufe
• geringerer manueller Handhabungsaufwand
• längere mögliche Produktionszeiten
• bessere Prozessüberwachung
• wirtschaftliche Serienfertigung

Besonders bei wiederkehrenden Werkstücken können sich Investitionen in Automatisierung schnell auf die Stückkosten auswirken.

Grenzen der Automatisierung

Nicht jede Fertigungsaufgabe lässt sich wirtschaftlich vollständig automatisieren.

Eine Automatisierung verursacht zunächst zusätzliche Kosten für:

• Roboter
• Spanntechnik
• Sensorik
• Programmierung
• Sicherheitstechnik
• Werkstückspeicher
• Wartung
• Integration

Bei Einzelteilen oder häufig wechselnden, schwer vorhersehbaren Aufgaben kann eine aufwendige Automatisierung deshalb unwirtschaftlich sein.

Entscheidend ist nicht der maximal mögliche Automatisierungsgrad, sondern ein wirtschaftlich und technisch sinnvoller Automatisierungsgrad.

Automatisierung und Arbeitssicherheit

Automatisierte Maschinen und Roboter können erhebliche Kräfte und Geschwindigkeiten entwickeln.

Deshalb sind geeignete Schutzmaßnahmen erforderlich.

Dazu gehören abhängig von der Anlage beispielsweise:

• Maschinenverkleidungen
• Schutztüren
• Sicherheitsverriegelungen
• Lichtschranken
• Laserscanner
• Not-Halt-Systeme
• sichere Steuerungsfunktionen

Eine Automatisierung darf niemals dazu führen, dass vorhandene Sicherheitseinrichtungen umgangen werden.

Automatisierung und Fachpersonal

Ein hoher Automatisierungsgrad bedeutet nicht, dass kein Fachwissen mehr benötigt wird.

Vielmehr verschieben sich die Aufgaben.

Fachkräfte übernehmen beispielsweise:

• Prozessplanung
• CNC-Programmierung
• Robotereinrichtung
• Werkzeugauswahl
• Qualitätskontrolle
• Fehleranalyse
• Wartung
• Prozessoptimierung

Je komplexer eine automatisierte Fertigungsanlage wird, desto wichtiger ist das Verständnis des gesamten Produktionsprozesses.

Wirtschaftlichkeit

Ob sich eine Automatisierung lohnt, hängt von verschiedenen Faktoren ab:

• Stückzahl
• Bearbeitungszeit
• Rüstzeit
• Personalkosten
• Maschinenstundensatz
• Produktlebensdauer
• Investitionskosten
• Prozessstabilität
• erreichbare zusätzliche Maschinenlaufzeit

Eine einfache Automatisierung kann bereits wirtschaftlich sein, wenn sie beispielsweise verhindert, dass eine teure CNC-Maschine während jeder Werkstückentnahme längere Zeit stillsteht.

Fazit

Die Automatisierung in der CNC-Fertigung umfasst weit mehr als die automatische Ausführung eines NC-Programms. Sie reicht vom Werkzeugwechsel und der Werkstückvermessung über automatische Spannsysteme bis hin zu Robotern, Palettenspeichern und vollständig vernetzten Fertigungszellen.

Das zentrale Ziel besteht darin, Bearbeitungs- und Nebenprozesse zuverlässig miteinander zu verbinden und dadurch Maschinenlaufzeiten, Produktivität und Prozesssicherheit zu erhöhen.

Eine erfolgreiche CNC-Automatisierung setzt jedoch einen stabilen Zerspanungsprozess, zuverlässige Spanntechnik, geeignete Sensorik, Werkzeugüberwachung und eine sichere Maschinensteuerung voraus. Erst das Zusammenspiel dieser Komponenten ermöglicht eine wirtschaftliche und weitgehend selbstständig arbeitende Fertigung.