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Handhabungstechnik I
Handhabungstechnik I Die Handhabungstechnik ist ein wichtiger Baustein innerhalb der Fertigung und Montage. Aufgabengebiet und Funktionsumfang Handhabungstechnik sind beschrieben in der der VDI-Richtlinie 2860 Gemäß G äß dieser di Ri htli i ist Richtlinie i t Handhaben H dh b Das Schaffen - Definiertes Verändern V üb Vorübergehende h d Aufrechterhaltung A f h h l einer vorgegebenen räumlichen Anordnung von geometrisch bestimmten Körpern in einem B Bezugskoordinatensystem. k di t t Bei der Funktionsbeschreibung können weitere Bedingungen wie beispielsweise - Zeit Menge Bewegungsbahn vorgegeben sein. Bild 7.1 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungstechnik II Ausgehend von dieser Definition kann das Handhaben in die nachfolgenden Teilfunktionen untergliedert werden. - Speichern (Halten von Mengen) Mengen verändern Bewegen (Schaffen und Verändern einer definierten räumlichen Anordnung) Sichern (Aufrechterhalten einer definierten räumlichen Anordnung) K Kontrollieren lli Die räumliche Anordnung eines Körpers in einem Bezugskoordinatensystem ergibt sich aus seinen sechs h Freiheitsgraden F ih it d der d Bewegung: B - Drei translatorische Position - Drei rotatorische Orientierung Freiheitsgrade Freiheitsgrade für für die die Die Angabe erfolgt als Transformationsbeziehung zwischen einem körpereigenen Koordinatensystem und dem Bezugskoordinatensystem. Bild 7.2 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungstechnik III Vielfach ist es nicht möglich, den Bezug zwischen den Koordinatensystemen exakt zu beschreiben, da nicht alle Kenngrößen der Freiheitsgrade bekannt sind. sind Die Anzahl der bekannten Größen wird, nach Position und Orientierung unterteilt, als Ordnungszustand bezeichnet. Dieser gibt also an, wieviele Freiheitsgrade des Körpers hinsichtlich seiner i O i ti Orientierung/Position /P iti b ti bestimmt t sind. i d Eine Ei Übersicht der verschiedenen Ordnungsgrade und ihre Bedeutung ist in Bild 7.4 dargestellt. Zusammengefasst beschreiben Positionsgrad PG und Orientierungsgrad OG den Ordnungszustand OZ eines Objekts. Der Ordnungszustand wird dabei durch diese beiden Zahlen angegeben und wie folgt dargestellt: OZ = OG/PG Die folgenden beiden Beispiele zeigen Rundkörper die sich einmal ungeordnet im Raum befinden (OZ 0/0) und einmal auf einer Ebene abgelegt sind (OZ (0/1) Bild 7.3 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Ordnungskennzahlen in der Handhabung Positionierungsgrad PG Erläuterung Ursprung des körpereigenen Koordinatensystems in allen drei 3 Achsrichtungen x, y, z bzgl. des Basiskoordinatensystems bestimmt 2 Ursprung des körpereigenen Koordinatensystems in zwei von drei Achsrichtungen bzgl. des Basiskoordinatensystems bestimmt 1 Ursprung des körpereigenen Koordinatensystems in einer von drei Achsrichtungen bzgl. des Basiskoordinatensystems bestimmt 0 p g des Position des Ursprungs körpereigenen Koordinatensystems unbekannt. Orientierungsgrad OG Erläuterung Orientierung des starren Körpers in allen drei Rotationsachsen bestimmt 3 2 1 0 Orientierung des starren Körpers in zwei von drei Rotationsachsen bestimmt Orientierung des starren Körpers in einer von drei Rotationsachsen bestimmt Orientierung g des starren Körpers p unbekannt Bild 7.4 7 4 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungstechnik IV Das Handhaben ist eingeordnet in den Materialfluss, der neben den Handhabungsfunktionen für geometrisch bestimmte Körper auch Methoden für die Beschreibung geometrisch unbestimmter Objekte umfasst, wie nachfolgend dargestellt: Materialfluss bewirken Fördern VDI 2411 Lagern / Speichern VDI 2411 Handhaben VDI 2860 Geometrisch unbestimmte Objekte, wie beispielsweise Schüttgüter oder flüssige Medien, sind d d h gekennzeichnet, dadurch k i h t dass d zwar ihre ih Position P iti bestimmt sein kann, jedoch ist ihr Orientierungsgrad = 0. Diese Eigenschaft beschreibt den Unterschied zwischen den restlichen Funktionsbereichen des Materialflusses und dem Handhaben. Die Funktion des Transportes betrifft die O Ortsveränderung ä d (P i i ) von Gütern. (Position) Gü Di Die Handhabung hingegen ändert die Orientierung und Positionierung von Objekten im Bereich der Fertigungseinrichtungen. g g g Bild 7.5 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückmerkmale I Bei der Auswahl und Konzeption geeigneter Funktionsträger sind die spezifischen Merkmale der zu handhabenden Werkstücke von elementarer B d t Bedeutung. N b den Neben d Werkstückeigenschaften W k tü k i h ft ist i t dabei auch das Verhalten der Werkstücke entscheidend. Eine zusammenfassende Übersicht g Merkmale ist in Bild 7.7 dargestellt. g der wichtigsten Bei den geometrischen Werkstückeigenschaften interessiert vordergründig die Form, auch Verhaltenstyp yp g genannt. Um die Konzeption p geeigneter Handhabungseinrichtungen zu vereinfachen und eine effiziente Auslegung zu ermöglichen, werden die Werkstücke anhand ihrer Eigenschaften Verhaltensgruppen zugeordnet. zugeordnet Eine Verhaltensgruppe umfasst Werkstücke mit ähnlichem oder gleichem Werkstückverhalten, wobei ein Werkstück mit den charakteristischen Verhaltenseigenschaften als Repräsentant für die gesamte Gruppe ausgewählt wird. In den Bildern 7.8 und 7.9 ist eine Klassifizierung der Werkstücke anhand h d der d wesentlichen tli h G df Grundformen b beschrieben. Bild 7.6 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückmerkmale II Werkstückmerkmale Werkstückeigenschaften Werkstückverhalten Geometrische Werkstückdaten Kennzeichnende Formelemente Physikalische Eigenschaften Ruheverhalten Förderverhalten • Form (Verhaltenstyp) • Bohrung • Werkstoff • Standsicherheit • Gleitfähigkeit • Absatz, Bund • Schwerpunkt • Rollfähigkeit • Ausdehnungen Abmessungen • Sicke, Wulst • Steifigkeit • Stabile Orientierung • Ausschnitt • Bruchfestigkeit • Seitenverhältnisse • Schlitz • Masse • Nut, Einstich • Symmetrien • Fase • Oberflächenbeschaffenheit • Größenklassen • Haken • Temperatur • Ausklinkung • Bearbeitungszustand • Vorzugsorientierung • Stapelfähigkeit • Hängefähigkeit Bild 7.7 7 7 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik • Richtungsstabilität Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Geometriemerkmale I Werkstücktyp Beschreibung Kugelteile Kugelige Werkstücke bis zur angenäherten Kugelform, g g g z.B. Kugellagerkugeln Zylinderteile Zylindrische Werkstücke ohne Formabweichung, deren LängenDurchmesser Verhältnis Durchmesser-Verhältnis 0,5 ≤ L/D ≤ 30 beträgt, z.B. Bolzen, Wellen, Stangen Block- und klotzartige Massivwerkstücke mit prismatischer Werkstückform Werkstückform, z.B. Würfel, Dreikant, Vierkant Blockteile Flachteile Sie weisen eine vorwiegend zweidimensionale Werkstückausdehnung auf und treten immer in der flächigen Vorzugsorientierung auf Hohlteile Dünn- und dickwandige, nicht allseits geschlossene Hohlteile mit zylindrischer, prosmatischer, kegeliger oder daraus zusammengefasster Form, z.B. Distanzhülsen K Kegelform lf Werkstücke W k tü k mitit regulärer lä oder d allgemeiner Kegelform, z.B. Vollkegel, Kegelstumpf Bild 7.8 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Geometriemerkmale II Werkstücktyp Beschreibung Pyramidenform Werkstücke mit regulärer oder allgemeiner Pyramidenform, z.B. K il Doppelkeil Keil, D lk il Pilzteile Einfach ebgesetzte Werkstücke zylindrischer, prosmatischer oder kegeliger Geometrie, z.B. Schrauben, Niete Regelmäßige Formteile Werkstücke, die mehr als einmal abgesetzt sind oder Formabweichungen bei nicht gekrümmten Achsen besitzen, z.B. Kurbelwellen, Nockenwellen Unregelmäßige Werkstücke mit gekrümmten F Formteile t il und/oder d/ d sich i h kreuzenden k d Achsen und vorwiegend massiver Form, z.B. Press- und Schmiederohlinge Wirrgut Die Werkstücke verhaken oder verklemmen sich im Verband sofort miteinander, z.B. Sicherungsringe, Kolbenringe, Schraubenfedern Sonstige Bild 7.9 09/10 Handhabungstechnik Beispielsweise alle Materialien Materialien, die von der Rolle, Stange oder vom Stereifen gearbeitet werden können, z.B. Stahlband von Coil, gegurtete Werkstücke Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückmerkmale III Darüber D üb hi hinaus sind i d bei b i den d geometrischen ti h Eigenschaften die absoluten Abmessungen sowie mögliche Symmetrien der Werkstückkonstruktion von Bedeutung. g Weitere Eigenschaften werden in der Gruppe der kennzeichnenden Formelemente dargestellt. Diese Merkmale beschreiben charakteristische Eigenschaften, h ft di als die l Grundlage G dl fü das für d Od Ordnen d der Werkstücke herangezogen werden oder bei der Prüfung und Kontrolle von Bedeutung sind. Die physikalischen Eigenschaften stellen zusätz zusätzliche Unterscheidungsmerkmale dar, die als Entscheidungskriterien für die späteren Handhabungsfunktionen dienen. Besondere Anforderungen an di Handhabung die H dh b stellen t ll b i i l beispielsweise i bi biegeschlaffe oder zerbrechliche Teile. Von den physikalischen Eigenschaften ist für die Handhabungstechnik in erster Linie der verwendete Werkstoff von Bedeutung. In Kombination mit den geometrischen Randbedingungen ergeben sich daraus beispielweise Gewicht und Schwerpunkt des Objekts Auch Eigenschaften wie OberflächenObjekts. Oberflächen beschaffenheit und Festigkeit können daraus abgeleitet werden. Bild 7.11 beschreibt die wesentlichen Eigenschaften. Bild 7.10 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Ordnungsmerkmale eines Werkstücks Merkmal Erläuterung Hauptgeometrie Nebengeometrie Schwerpunktposition Vorzugsorientierung Werkstücktypen, geometrische Grundform kennzeichnende Formelemente bezogen auf die Hauptgeometrie am häufigsten auftretende Orientierungen Werkstoff Empfindlichkeit Oberflächenbeschaffenheit Masse g Verschmutzung Symmetrien Farbelemente Toleranzen Temperatur z.B. metallische oder nichtmetallisch z.B. polierte Oberflächen Reibung, Grad Gewicht Stanzöl, Korrosionsschutz, Staub, Späne p bezogen auf die Hauptgeometrie auf der Hauptgeometrie abweichende Farbgebung fertigungsbedingt z.B. Schmiedeerzeugnisse Bild 7.11 7 11 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückmerkmale IV Maßgebenden Einfluss auf den Handhabungsprozess stellt das Werkstückverhalten dar. Werkstückverhalten ist die Gesamtheit aller typischen Zustände eines oder mehrerer Werkstücke, Werkstücke die durch äußere Kräfte hervorgerufen werden. Dazu gehört auch die Schwerkraft (nach Hesse). Weitergehend g kann das Werkstückverhalten unterteilt werden in das Verhalten der Werkstücke im Ruhezustand sowie deren Eigenschaften im Bewegungsablauf. Aus dem Ruheverhalten eines Werkstücks ü können ö die Maßnahmen abgeleitet werden, die erforderlich sind, um die geforderte Orientierung eines Werkstücks im Speicher p beizubehalten. Charakteristische Größen sind dabei - Lagestabilität - Standsicherheit Sta ds c e e t - Stapelfähigkeit - Hängefähigkeit - Bearbeitungslage - Vorzugslage und daraus resultierend die Ordnungswahrscheinlichkeit des Objekts. Bild 7.12 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückmerkmale V Das Bewegungsverhalten ist neben dem Bewegen hingegen beim Ordnen von Objekten von Bedeutung. Werkstücke können anhand folgender charakteristischen h kt i ti h Ei Eigenschaften h ft und d den d d daraus resultierenden Bewegungsarten beurteilt werden: − Gleitfähigkeit − Rollfähigkeit R llfähi k it − Richtungsstabilität In den Bildern ab 7.15 wird das Werkstückverhalten d geometrischen der i h Grundformen G df d dargestellt. ll Abhängig von den Grundformen werden die Möglichkeiten des Ruheverhaltens einzelner Objekte sowie deren Ordnungsverhalten im Verband dargestellt. Die Speicherung im Verband ist dabei einerseits durch das ungeordnete g Verhalten im Haufwerk als auch durch die geordnete Anordnung in Speichereinrichtungen gekennzeichnet. Bei den vereinzelten Werkstücke sind dagegen die stabile t bil Orientierungslage O i ti l sowie i die di möglichen ö li h Bewegungsformen von Bedeutung. Bild 7.13 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückmerkmale VI Einzelne Bewegungsformen können dabei abhängig von den geometrischen Grundformen nur bedingt oder gar nicht ausgeführt werden. Neben den beschriebenen Bewegungsformen ist in der Handhabungstechnik noch die Kippbewegung von Bedeutung, die im Rahmen der Handhabungseinrichtungen i i ht näher äh erläutert lä t t wird. id Bei der Konzeption von Handhabungseinrichtungen ermöglicht die dargestellte Übersicht eine Vorauswahl anhand typisierter Einrichtungen für bestimmte Grundformen. Bild 7.14 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückverhalten geometrischer Grundformen I Werkstücktyp Beispiel Kugelteile Zylinderteile Blockteile Flachteile Hohlteile ungeordnet im Verband geordnet im Verband Bild 7.15 7 15 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückverhalten geometrischer Grundformen II Werkstücktyp in Ruhe Kugelteile Zylinderteile Blockteile Flachteile Hohlteile bedingt geeignet Fallbewegung ungeeignet Gleitbewegung u.U. realisierbar Rollbewegung nicht realisierbar Bild 7.16 7 16 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückverhalten geometrischer Grundformen III Werkstücktyp Kegel-/ Pilzteile Pyramidenteile Regelmäßige Formteile Unregelmäßige Formteile Wirrgut Sonstiges Beispiel ungeordnet im Verband geordnet im V b d Verband Bild 7.17 7 17 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Werkstückverhalten geometrischer Grundformen IV Werkstücktyp Kegel-/ Pilzteile Pyramidenteile Regelmäßige Formteile Unregelmäßige Formteile Wirrgut Sonstiges in Ruhe Fallbewegung Gleitbewegung Rollbewegung Bild 7.18 7 18 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungsfunktionen I Handhabungsvorgänge lassen sich in die bekannten Grundfunktionalitäten unterteilen. 5 Diese Grundfunktionalitäten wiederum lassen sich untergliedern in • Elementarfunktionen Diese sind gemäß der Richtlinie definiert als kleinste, sinnvoll nicht weiter unterteilbare Funktionen. • Zusammengesetzte Funktionen Aus einer Kombination von funktionen abgeleitete Funktionen Elementar- Diese Funktionen wurden durch den dritten Bereich d ergänzenden der ä d F kti Funktionen erweitert, it t bei b i denen d es sich im Sinne der Definition nicht um Handhabungsfunktionen handelt, die aber für deren Beschreibung g eine sinnvolle Ergänzung g g darstellen. Eine Übersicht dieser Funktionen ist in Bild 7.20 dargestellt. Bild 7.19 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Übersicht der Handhabungsfunktionen Handhaben VDI 2860 Speichern p Teilfunktionen geordnetes Speichern Zusammengesetzte Funktionen Ergänzende Funktionen teilgeordnetes Speichern Menge verändern Bewegen g Teilen Vereinigen Drehen Verschieben Halten Lösen Prüfen Abt il Abteilen S h Schwenken k S Spannen A Anwesenheit h it Zuteilen Orientieren Entspannen Identität Verzweigen Z Zusammenführen Sortieren Positionieren Form Od Ordnen G öß Größe Führen Farbe Weitergeben Gewicht P iti Position Orientierung Messen Zählen ungeordnetes Speichern Kontrollieren Fördern Bild 7.20 7 20 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Sichern Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungsmittel Die technische Umsetzung von Handhabungsvorgängen erfordert geeignete Handhabungsmittel. Dabei wird grundsätzlich unterschieden in: • Einzweckgeräte Einzweckgeräte, auch Handhabungseinrichtungen genannt, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens eine der Hauptfunktionen des Handhabens erfüllen, wobei der Gesamtumfang auch durch ergänzende Funktionen erweitert sein kann. Da technische Lösungsvarianten in der Regel mehr als eine der Funktionen beinhalten, werden diese Geräte gemäß ihrer Hauptfunktion einer der Handhabungsfunktionen abu gs u t o e zugeordnet. ugeo d et Bild d 7.22 zeigt e gt einer Übersicht der wesentlichen Handhabungseinrichtungen. • Universalgeräte g Universalgeräte bieten ein Höchstmaß an Flexibilität. Durch die Möglichkeit der flexiblen Programmgestaltung und Variation der verwendeten Werkzeuge lassen sie sich an unterunter schiedliche Handhabungsfunktionen anpassen. Bild 7.21 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Übersicht der Handhabungseinrichtungen Handhabungseinrichtungen Speichereinrichtungen Bunker Magazine Trommel Palette Einrichtungen zum Verändern von Menge, Position und Orientierung Zuführeinrichtungen Ketten- Schieber magazin Kontrolleinrichtungen Ordnungsein- Zuteilein- Greifer Spannvor- Kontrolleinrichtungen richtungen richtung richtungen Programmierbares Vibrationswen- Schleuse Handhabungsgerät delförderer Trichter Schacht- Pendelschrittmagazin förderer Spanneinrichtungen Backen- Backengreifer futter Prüftaster Schleppketten- Weiche förderer Vakuum- Elekrogreifer magnetspanner Photozelle Trommelbunker Abform- Zangengreifer spanner Fernsehsystem Bild 7.22 7 22 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Speichereinrichtungen I Die Aufgabe des Speicherns ist das Aufbewahren von Vorräten. Neben dem für den Materialfluss relevanten Speichern von Werk- und Hilfsstoffen werden im betrieblichen Ablauf noch Systeme zur Energie- und Informationsspeicherung integriert. In der industriellen Fertigung gibt es Speichersysteme für unterschiedliche Funktionsbereiche: • Beschickungsspeicher Diese stellen den Ausgangspunkt im Materialfluss dar und sind der ersten Arbeitsstation vorgelagert. vorgelagert • Zwischenspeicher dienen der Speicherung der Werkstücke zwischen einzelnen Bearbeitungsstationen • Ausgleichsspeicher Aufgabe dieses Speichertyps ist das zeitweise Ausgleichen von Taktunterschieden zwischen einzelnen Bearbeitungs. Bearbeitungs Werden diese Speicher auch zur Überbrückung von ungeplanten Maschinenstillstandszeiten konzipiert, so spricht man auch von Störungsspeichern. • Sammelspeicher S l i h Sammelspeicher dienen zur Vorratsbildung von Halbzeugen oder Fertigteilen, die gesammelt weiter transportiert p werden. Bild 7.23 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Speichereinrichtungen II Bei der Auslegung von Speichereinrichtungen müssen folgende Kriterien und Randbedingungen berücksichtigt werden: • • • • • • Größe, Form und Platzbedarf der Werkstücke Größe Gewicht Anlieferungs- bzw. Abholrhythmus V Verarbeitungsgeschwindigkeit b it h i di k it (Taktzeit) (T kt it) Wert der Werkstücke Aufwand und Platzbedarf für den Speicher Anhand des Ordnungszustands der Werkstücke werden drei verschiedene Arten des Speicherns unterschieden: • Geordnetes Speichern: In diesem Falle ist die Werkstückposition in allen Freiheitsgraden bestimmt: Ordnungszahl OZ = 3/3 • Teilgeordnetes Speichern: Position und Orientierung sind jeweils nur zum Teil bestimmt: 0/0 < Ordnungszahl OZ < 3/3 • Ungeordnetes Speichern: Beim ungeordneten Speichern sind weder Position noch Orientierung definiert. Es handelt sich hierbei um eine ergänzende Funktion. Bild 7.24 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Speichereinrichtungen III - Bunker Abhängig vom Ordnungszustand können Speichersysteme wie folgt unterschieden werden: • Bunker • Magazine In der Fertigung und Montage dienen diese Speichersysteme der Teilebereitstellung für die nachgelagerten h l t Arbeitsschritte. A b it h itt Bunker sind Einrichtungen zur ungeordneten Speicherung von Werkstücken. Obwohl das ungeordnete Speichern lediglich eine ergänzende Funktion im Sinne des Handhabens darstellt, ist diese Speicherform bei der Beschreibung von Handhabungseinrichtungen unerlässlich, da sie vielfach i lf h den d A Ausgangspunkt kt der d nachfolgenden hf l d Operationen darstellt. Bunkereinrichtungen lassen sich grundsätzlich unterteilen in • stillstehende Bunkereinrichtungen • bewegte Bunkereinrichtungen Diese können, können wie in Bild 7.26 7 26 dargestellt, dargestellt weiter unterschieden werden anhand der Ausführungsform, der Art des Werkstückaustrags und dem zugrundeliegenden Funktionsträger. Bild 7.25 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Übersicht über Bunkerausführungen Stillstehende Bunker Ausführungs- Werkstückf formen austrag t mit Ausfallöffnung mit bewegten Austragselementen Funktionsträger manuell von oben Gitterkorb Trommel durch Behälter mit Schwerkraft über senkrechten Klappenöffnung oder konischen Wänden umlaufende Bunker mit AustragsKetten oder elemente Bändern pendelnd Trichter mit bewegte AusHubrohr tragselemente Trichter Bunker mit Scheiben oder Rädern Trichter mit Hubschieber B Bewegte t B Bunker k mit feststehen- Schwerkraftrinne Trichter den Austragselementen Trommel mit bewegten Austragselementen Trommel mit pendelnder Schwerkraftrinne Bild 7.26 09/10 Handhabungstechnik Kraftimpuls oder zylindrischer Schwerkraft oder konischer Schwingkopf Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Scheibe Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Methoden für Bunkerzuführung Bunker der einfachsten Art sind beispielsweise Kisten oder Boxplatten. Die manuelle Entnahme der Werkstücke erfolgt von Hand oder mit speziellen i ll G if Greifzangen. D Das automatische t ti h Handhaben hingegen erfordert Bunker mit automatischem Entleeren. Der Nachteil bei diesen Bunkern ist die schwierige g Steuerung g der Austragsmenge und die Gefahr der Brückenbildung bei der Austragsöffnung. Es kommen deshalb oft Bunker mit Austragseing richtungen zur Anwendung, die die Funktionen des Bunkerns und Ordnens funktionell verbinden. Das Bunkern eignet sich in der Regel nur für unempfindliche Werkstücke. Man unterscheidet stillstehende und bewegte Bunker sowie Bunker mit Austragselementen. Bewegte Bunker und Bunker mit Austragselementen werden meist elektrisch angetrieben. Die Austragselemente müssen dem entsprechenden Werkstück angepasst werden. Bild 7.27 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Methoden für Bunkerzuführung Die technische Umsetzung des Werkstückaustrags erfolgt nach folgenden Methoden. • Schöpfen mit Schwenksegmenten, Flügelschienen oder ähnlichem • Gleiten entlang von Kanten und Anschlägen • Fallen in angepasste Profilöffnungen • Schwingend in Verbindung mit geeigneten Ausrichtelementen • Durch den Einsatz von Greifern oder Magneten In den nächsten Bildern sind einige exemplarische Bunkerzuführeinrichtungen dargestellt, mit denen eine (teil-)geordnete Entnahme erfolgt. Eine d t illi t detailliertere B Beschreibung h ib weiterer it B k Bunkerzuführeinrichtungen erfolgt bei den Zuführ- und Ordnungssystemen. Bild 7.28 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Verfahren zum Bunkeraustrag Rotierendes Flügelrad Austragen mit Flügelrad Bunker Teile Auslaufschiene Magnetscheibe Magnetische Werkstückmitnahme Bunker Mitnahme- und Sortierleiste Schrägförderer Auslaufschiene Förderer Mitnahme- und Sortierleiste Teile Bunker Teile Bild 7.29 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Bunker Antrieb Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine I Magazine übernehmen in der Handhabungstechnik die Funktion des geordneten Speicherns. Die gespeicherten Werkstücke können dabei sich b üh d abgelegt berührend b l t werden d oder d abgegrenzte b t Speicherplätze einnehmen. Die Werkstückaufnahmen in Magazinen sind in der Regel für einen bestimmten Werkstücktyp yp ausgelegt g g und lassen sich nur in Sonderfällen umrüsten. In Bild 7.31 sind verschiedene Ausführungsformen von Magazinen g aufgelistet. g Das wesentliche Unterscheidungskriterium stellt die Werkzeugeigenbewegung dar, anhand derer in passive Magazine für ruhende, sich nicht bewegende Werkstücke und in aktive Magazine mit bewegten Werkstücken, Werkstücken unterteilt wird. Magazine für unbewegte Werkstücke Bei diesem Magazintyp handelt es sich vorwiegend um Palettensysteme oder andere Behältnisse, in denen die Werkstücke kraft- und/oder formschlüssig gespeichert werden. Die kraftschlüssigen Systeme arbeiten größtenteils schwerkraftbasiert, jedoch kommen in Sonderanwendungen auch Magnet- oder Vakuumsysteme zum Einsatz. Bild 7.30 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Unterteilung von Magazinen nach Bewegungsformen Speicher für geordnete Werkstücke (Ordnungsgrad > 0) Mit Werkstückbewegung Ohne Werkstückbewegung Mit Antrieb Werkstückeigenbewegung • Trommelmagazin • Schachtmagazin • Einzelpalette • Kettenmagazin • Kanalmagazin • Stapelpalette • Werkstückgurte • Hängebzw. Gleitschiene • Schubladenpalette Bild 7.31 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Palette Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine II Im nachfolgenden Bild ist ein Palettenmagazin für die Speicherung integrierter Schaltkreise abgebildet. Dieser Palettenspeicher wird zur B Beschickung hi k von Montageautomaten M t t t i in d der Elektroindustrie eingesetzt. Magazine mit Werkstückbewegung Der Gruppe der bewegten Werkstücke kann nochmals unterteilt werden in Magaziniersysteme, innerhalb denen eine Eigenbewegung g g g der Werkstücke stattfindet und solchen, bei denen das Magazin über eine zusätzliche Antriebseinrichtung zum Bewegen der Werkstücke verfügt. Bild 7.32 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine III Magazine mit Werkstückeigenbewegung Die Werkstück bewegen sich aufgrund der Sch erkraft indem sie sich mittels einer FallSchwerkraft, Fall RollRoll oder Gleitbewegung an ihren Speicherplatz im Magazin bewegen. Die Magazine müssen konstruktiv derart ausgelegt g g werden, dass der g gewünschte Ordnungsgrad der Werkstücke gewährleistet ist. Die am weitesten verbreitete Gruppe stellen die Schachtmagazine dar. Diese Magazine zeichnen sich durch einen einfachen konstruktiven Aufbau aus. Um eine ungewollte Orientierungsänderung der Werkstücke während der Bewegung zu verhindern werden die Schachtmagazine in der verhindern, Regel an die Werkstückkontur angepasst. Die Beschickung der Schachtmagazine erfolgt vielfach manuell, wodurch eine zusätzliche Kontrollmöglichkeit ö li hk it gegeben b i t Nachfolgend ist. N hf l d sind i d einige i i Beispiele schematisch dargestellt. Bild 7.33 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine IV Formangepasste Schachtmagzine für exemplarische Werkstücktypen Universelles Schachtmagazin (Draufsicht) Bild 7.34 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine V Weitere Beispiele für Magazine, bei denen die Rollbzw. Gleitfähigkeit von Werkstücken ausgenutzt werden, gibt es in großer Anzahl. Beispielhaft werden d nachfolgend hf l d zweii Möglichkeiten Mö li hk it dargestellt. d t llt Auch bei diesen Systemen ist darauf zu achten, dass die Werkstückorientierung erhalten bleibt. Falsch orientierte Werkstücke können unter Anderem zu einem Verklemmen und daraus resultierender Blockade des Systems führen. Rollenbahn Bild 7.35 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Wendelrinne Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine VI Magazine mit Antriebsfunktion Dieser Magazintyp verfügt über die Möglichkeit, die einzelnen Speicherplätze zu bewegen. Sie verfügen über eine Antriebssteuerung, die in den übergeordneten Bewegungsablauf integriert ist. Ein wesentlicher Vorteil bei diesen Systemen liegt im vor- bzw. bzw nachgelagerten Funktionsbereich, Funktionsbereich da jeweils eine definierte Ein-/Ausgabeposition existiert, an die der entsprechende Speicherplatz bewegt wird. Speziell bei nachfolgenden Fertigungsoder d Montageanlagen M l k kann auff aufwändige f ä di H d Handhabungseinrichtungen zur flexiblen Entnahme an unterschiedlichen Speicherpositionen verzichtet werden. Beispiele hierfür sind die nachfolgend schematisch dargestellten Trommel- oder Scheibenmagazine. Ebenso existieren kombinierte Varianten, wie in Bild 7.32 unten dargestellt. Anstelle der direkten Anordnung der Werkstücke auf dem Scheibenmagazin sind bei dieser Ausführung die einzelnen Speicherplätze durch Schachtmagazine ersetzt. Dieser Karussellspeicher eignet sich durch sein großes Speichervolumen besonders für längere bedienerlose Bearbeitungsvorgänge. Bild 7.36 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine VII Scheibenmagazin Trommelmagazin Karussellspeicher mit Schachtmagazinen Bild 7.37 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Magazine VIII Erfordern die nachfolgenden Arbeitsschritte eine getaktete Zuführung, so sind neben Trommelmagazinen mit vereinzelten Werkstückspeichern auch Kettenmagazine oder bereits vorkonfektionierte Werkstückgurte geeignet. Werkstückgurt e stüc gu t in ebener Ausführung Werkstückgurt W k tü k t in Rollenform Letztere werden besonders zur Elektonikmontage b i der bei d Bestückung B tü k von Leiterplatten L it l tt eingesetzt. i t t Die benötigten Elektronikkomponenten werden dabei in äquidistanten Abständen auf ein Trägermaterial fixiert,, das meist in Rollenform vorliegt. g Bild 7.38 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Stapelmagazine Eine Sonderform der Magazinierung nehmen die Stapelmagazine ein. Sie werden zum teilgeordneten Speichern von meist flachen Werkstücken eingesetzt Die Vereinzelung erfolgt entweder an eingesetzt. der Unterseite des Magazins, wobei die einzelnen Werkstücke ausschließlich schwerkraftgesteuert zum Auslauf gelangen oder durch geeignete V i Vereinzeler, l wie i dies di i nachfolgenden im hf l d Bild dard gestellt ist. Die Beschickung von Stapelmagazinen erfolgt bei den Beschickungsspeichern meist manuell oder teilautomatisiert. Zur Vereinfachung des Beschickungsvorgangs werden die Werkstücke im praktischen Einsatzfall vielfach bereits teilgeordnet angeliefert. Bild 7.39 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatische Beschickung von Stapelspeichern Werden Stapelmagazine als Zwischenspeicher verwendet, so kommen auch automatisierte Lösungen zum Einsatz. In den dargestellten Varianten werden fl h Werkstücke flache W k tü k auff Standardpaletten St d d l tt gestapelt. t lt Die Werkstücke werden über Förderbänder zur Palette bewegt. Der letzte Bewegungsabschnitt erfolgt g durch Fallen bzw. Gleiten. Diese Methode ist für oberflächenempfindliche Werkstücke nicht geeignet. Bild 7.40 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Menge verändern I Eine weitere Grundfunktion der Handhabungstechnik ist das Verändern von Mengen. Analog zu der Speicherfunktion bezieht sich die Mengenveränderung ä d d b i auff geometrische dabei t i h bestimmte b ti t Körper, die zumindest teilgeordnet vorliegen. Hierfür stehen V fü Verfügung: zwei Elementarfunktionen zur • Teilen von Mengen Beim Teilen wird eine Menge von Objekten in verschiedene hi d T il Teilmengen aufgeteilt, f il d deren Größen nicht notwendigerweise definiert sein müssen. • Vereinigen V i i von Mengen M Das Vereinigen stellt die komplementäre Funktion des Teilens dar, bei der eine beliebige Anzahl von Teilmengen, Teilmengen die wiederum beliebige Größen annehmen können, zusammengeführt wird. Bild 7.41 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Menge verändern II Ausgehend von diesen Elementarfunktionen gibt es weitere zusammengesetzte beziehungsweise davon abgeleitete Funktionen, die der Hauptgruppe des Veränderns von Mengen zugerechnet werden: • Abteilen Unter Abteilen versteht man das Bilden von Teilmengen mit definierter Größe oder definierter Anzahl aus einer Menge. Besitzt die Zielmenge den Wert 1, so spricht man auch von Vereinzeln. • Zuteilen Das Zuteilen beinhaltet analog dem Abteilen das Bilden von Teilmengen definierter Größe. Darüber hinaus enthält das Zuteilen noch die Bewegung zu einem definierten Zielort. • Verzweigen / Zusammenführen Diese Funktionen dienen zum Auflösen oder Bilden von Mengenströmen aus Teilmengenströmen • Sortieren Sortieren ist das selektive Zuordnen und Teilen einer Menge verschiedener Objekte anhand bestimmter Merkmale. Bild 7.42 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Einrichtungen zum Verändern von Mengen I Die wesentlichen Einrichtungen zum Verändern von Mengen zählen zu der Gruppe der Zuteileinrichtungen. Aufgabe der Zuteiler ist es, aus einer meist kontinuierlichen Menge von Werkstücken Teilmengen mit definierter Anzahl abzugrenzen. Die häufigste R li i Realisierung stellt t llt dabei d b i die di Gruppe G d Vereinzeler der V i l dar. Die Auslegung von Zuteileinrichtungen wird maßgeblich von den Eigenschaften und dem Verhalten der Werkstücke, der verwendeten Speicherform sowie dem Bewegungsverlauf des aktiven Elements und der gewünschten Bewegungsfolge der Werkstücke beeinflusst. Anhand der zeitlichen und räumlichen Bewegungsfolge der Werkstücke nach dem Zuteilen können dabei drei Kategorien unterschieden werden (Bild 7.44). - Kontinuierliche Bewegung - Intermittierende bzw. getaktete Bewegung - Alternierende Bewegung Bild 7.43 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Bewegungsverlauf bei Zuteilern Bewegungsverlauf Symbol Rundteil Flachteil Trans slation geradlinige Bewegung in einer Richtung geradlinige Bewegung in beide Richtungen unterbrochene geradlinige Bewegung Rotation n Drehbewegung in einer Richtung Drehbewegung in beide Richtungen unterbrochene Drehbewegung Bild 7.44 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Einrichtungen zum Verändern von Mengen II Die Werkstückbewegung kann dabei durch den Einfluss der Schwerkraft oder durch zusätzliche Stell- oder Greifelemente erfolgen, wie in der nachfolgenden hf l d Übersicht Üb i ht dargestellt. d t llt Element Prinzip Bewegung Rückhalter Schieber Greifer Bild 7.45 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Zuteileinrichtungen I Vereinzeln durch Rückhalten Ein Beispiel für ein Vereinzelung mittels eines pneumatisch betriebenen Greifwerkzeugs als Rüchhaltesystem ist im folgenden Bild zu sehen: Das nachfolgende Bild zeigt ein weiteres Beispiel für die Zuteilung aus einem Stapelmagazin. Stapelmagazin Die Weiterbewegung der Flachpaletten erfolgt über eine Bandfördereinheit. Bild 7.46 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Zuteileinrichtungen II Schiebersysteme Schiebereinrichtungen gibt es in vielfältigen Variationen für unterschiedliche Werkstückgrößen und –typen. Abhängig vom Werkstücktyp kommen sowohl translatorisch arbeitende Schieber als auch rotatorische Ausführungen zum Einsatz. Translatorische T l t i h Schieber S hi b sind i d durch d h eine i alterlt nierende einachsige Bewegung gekennzeichnet. Ein Einsatzfall ist in Bild 7.48 am Beispiel einer Münzpresse p dargestellt. g Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal von Schiebersystemen stellt die Bewegungsrichtung der Werkstücke dar. In Bild 7.48 ist zusätzlich ein F kti Funktionsprinzip i i eines i t l t i h tranlatorischen S hi b Schiebers dargestellt, bei dem die Schieberrichtung quer zur eigentlichen Bewegungsrichtung der Werkstücke verläuft. Ein ähnliches Funktionsprinzip wird bei der daneben dargestellten Abbildung mit einer rotatorischen Schiebereinheit abgebildet. Bild 7.47 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Zuteileinrichtungen III Münzpresse mit Schieberzuteiler Schieber quer zur Bewegungsrichtung translatorisch Bild 7.48 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik rotatorisch Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Verzweigen, Zusammenführen, Sortieren Weitere zusammengesetzte Funktionen aus dem Bereich des Veränderns von Mengen sind das Verzweigen und das Zusammenführen. Innerhalb von Montage- und Fertigungsprozessen kommen Verzweigungseinrichtungen eine große Bedeutung zu. Wesentliche Ei Einsatzgebiete t bi t sind: i d • Aufteilung der Werkstücke an parallele Bearbeitungsstationen • Beschickung von parallel zum Hauptfluss angeordneten Ausgleichspeichern • Aufteilung in Transporteinheiten Das Sortieren beschreibt dabei einen Sonderfall des Verzweigens, bei dem die Aufteilung aufgrund unterschiedlicher Werkstückmerkmale durchgeführt wird, wie beispielsweise das Aussteuern fehlerhafter Werkstücke nach einer durchlaufenen Prüfstation. Analog den Verzweigungseinrichtungen werden Systeme benötigt, benötigt die in umgekehrter Weise parallele Werkstückströme vereinigen oder im Bedarfsfall Werkstücke aus Ausgleichsspeichern in den Werkstückfluss integrieren. Bild 7.49 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Verzweigungseinrichtungen I Erfolgt die Aufteilung nach einem festgelegten Verhältnis, so kann die Verzweigungseinrichtung rein mechanisch aufgebaut werden, wie im nachfolgenden hf l d B i i l Beispiel anhand h d einer i gleichmäßigen Aufteilung gezeigt wird. 100 % 50 % 25 % In den meisten Anwendungsfällen werden für d das V Verzweigen i elektronisch l kt i h gesteuerte t t SysS teme verwendet, die je nach Anwendungsfall über zusätzliche Sensorik verfügen. In Bild 7.51 werden zwei Einrichtungen g exemplarische p dargestellt. Bild 7.50 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Verzweigungseinrichtungen II Verzweigungssystem mit pneumatisch betätigten Weichen Kamerabasierte Weiche mit pneumatischer Umschaltung Bild 7.51 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungsfunktion Bewegen I Unter Bewegen im Sinne der Handhabungsfunktionen versteht man die Veränderung der räumlichen Anordnung von Körpern. Der B Bewegungsvorgang k kann d b i in dabei i zweii elementare l t Grundfunktionen unterteilt werden: • Drehen D Das D h Drehen b beschreibt h ibt eine i rotatorische t t i h Bewegung um eine Drehachse, die durch einen körpereigenen Bezugspunkt geht, dessen Position während des Drehvorgangs g g nicht verändert wird. • Verschieben Beim Verschieben wird der Körper entlang einer beliebigen Geraden im Raum bewegt. Bei dieser translatorischen Bewegung legt jeder körpereigene Punkt die gleiche Wegstrecke zurück. zurück Auf Basis dieser Elementarfunktionen gibt es weitere Funktionen, die aus diesen abgeleitet werden d können. kö Bild 7.52 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungsfunktion Bewegen II Zusammengesetzte Funktionen des Bewegens • Schwenken Das Schwenken stellt die einfachste Kombi Kombination der Elementarfunktionen dar. Ein Körper wird dabei um eine körperferne Achse gedreht. Während dieser Bewegung ändert sich analog d Drehbewegung der D hb di Orientierung die O i ti d des Kö Körpers. Durch die Drehbewegung wird zeitgleich ein körpereigener Bezugspunkt in seiner Position verändert, weshalb der Schwenkvorgang g g im Ergebnis eine zusätzliche Verschiebeoperation darstellt. • Orientieren Beim Orientieren wird ein Körper unabhängig von seinem Ausgangszustand in eine definierte Orientierung überführt. Die Position des Körpers wird dabei nicht betrachtet. betrachtet • Positionieren Analog dem Orientieren wird beim Positionieren dagegen der Körper in eine definierte Position bewegt, wobei die Orientierung nicht berücksichtigt wird. Bild 7.53 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungsfunktion Bewegen III • Ordnen Das Ordnen beinhaltet die Funktionen Orientieren und Positionieren. Der Körper wird i in eine i d fi i t definierte L Lage b ü li h eines bezüglich i Bezugskoordinatensystem gebracht. • Führen A Ausgehend h d von einem i geordneten d t Zustand Z t d wird id ein Körper in einen anderen geordneten Zustand überführt, indem er entlang einer definierten Bahn bewegt g wird. Der Ordnungszustand ist somit an jedem Bahnpunkt bekannt. • Weitergeben Das Weitergeben stellt eine Vereinfachung des Führens dar. Bei dieser Bewegungsart sind lediglich Anfangs- und Endzustand bekannt. Sind die Ordnungszustände sowohl zu Beginn als auch am Ende der Bewegung nicht exakt definiert, so wird von der ergänzenden Funktion des Fö d Förderns gesprochen. h Bild 7.54 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Bewegungseinrichtungen I Handhabungseinrichtungen für Bewegungsaufgaben gibt es in vielfältiger Ausführung, die neben den Bewegungsfunktionen auch weitere Handh b habungsaufgaben f b üb übernehmen. h Abhä i Abhängig vom Anwendungsfall kommen dabei angepasste Systeme oder universelle Bewegungseinrichtungen zum Einsatz. Bewegungseinrichtungen mit fester Hauptfunktion sind im Allgemeinen nur für eine Handhabungsfunktion ausgelegt. g g Das Bewegungsprogramm g g p g ist fester Bestandteil des Geräts und in der Regel nicht veränderbar. Derartige Geräte werden vorzugsweise in der Serienfertigung eingesetzt. Bewegungseinrichtungen mit variabler Hauptfunktion sind dagegen in der Lage, mehrere Funktionen auszuführen. Diese werden unterteilt in • • • Festprogrammierte Bewegungsautomaten Freiprogrammierbare Bewegungsautomaten Manuell gesteuerte Bewegungseinrichtungen Exemplarische Beispiele sind in Bild 7.56 dargestellt. Bild 7.55 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Bewegungseinrichtungen II Balancer Parallelkinematik in Hexapod-Ausführung Robotersystem für Schweißapplikation Einlegegerät mit Kurvensteuerung Bild 7.56 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Bewegungseinrichtungen III Für die automatische Teilebereitstellung an Fertigungs- und Montageanlagen sind geeignete Einrichtungen erforderlich, die diese Anlagen mit d dem M t i lfl Materialfluss oder d vorgelagerten l t S i h Speichereinheiten verbinden. Vielfach sind die Speicher integrierte Bestandteile der Zuführeinrichtungen. Neben N b d der S Speicherfunktion i h f kti b besitzen it di diese EinrichEi i h tungen auch vielfach Elemente zur Veränderung der Menge sowie Prüf- und Kontrolleinrichtungen. Eine wichtige Rolle bei der Zuführung ungeordneter Bauteile nehmen die Schwingförderer, vielfach auch Vibrationsförderer genannt, ein. Hierbei handelt es sich um Einrichtungen für stetige Förderprozesse mit denen anwendungsbezogen Schüttgüter oder auch kleinere Stückgüter bewegt werden können. Der Grundaufbau dieser elektromechanischen Transportsysteme besteht aus einem FederMasse-System, das über geeignete elektrische Stellgeräte in eine Schwingbewegung versetzt wird. Bild 7.57 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Schwingförderer I Das folgende Bild zeigt den schematischen Aufbau eines Schwingssystems mit magnetischer Erregung. Abhängig vom Anwendungsfall kommen auch h pneumatische ti h A ti b Antriebe, piezoelektrische i l kt i h Aktoren oder Schubkurbelantriebe zum Einsatz. 2 1 3 4 5 Werkstück Führung Federbefestigung Feder Magnet Bewegung Werkstück 7 Bewegung Rinne Bild 7.58 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Kontaktzeit Hubb bewegung 1 2 3 4 5 6 Flugzeit 6 Zeit 7 Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Schwingförderer II Die zu transportierenden Objekte befinden sich auf der Transportfläche des Vibrationsförderers, die zumeist als Förderrinne ausgebildet ist. Der Antrieb versetzt diese Förderrinne in Schwingungen, Schwingungen die abhängig vom Fördergut zwischen wenigen Hz und ca. 100 Hz betragen können. g g g, die im Im ersten Abschnitt der Schwingbewegung, Wesentlichen vorwärts gerichtet ist, werden die Objekte aufgrund der Reibungskräfte mit der Förderrinne beschleunigt. Dabei erfahren die Objekte aufgrund der wirkenden Reibungskräfte eine Beschleunigung, die ein Vielfaches der Erdbeschleunigung betragen kann. Im zweiten Abschnitt der Schwingbewegung wird die Förderrinne zunehmend abwärts bewegt. Überschreitet der vertikale Anteil der Beschleunigung die Erdbeschleunigung, so verlassen die Werkstücke vorrübergehend die Förderrinne Während sich die Förderrinne wieder Förderrinne. in Richtung ihres Ausgangspunktes bewegt, bewegen sich die Objekte aufgrund der Massenträgheit auf einer vorwärts gerichteten P b lb h bis Parabelbahn, bi sie i wieder i d auff der d Förderrinne Fö d i auftreffen. Diese Bewegungsart wird als Mikrowurf bezeichnet, da die Sprungweite in der Regel nur Bruchteile eines mm beträgt. g Bild 7.59 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Schwingförderer III Bei der Auswahl von Schwingförderern mit Mikrowurfprinzip müssen folgende Eigenschaften berücksichtigt werden: • • • • • Nicht geeignet für spröde oder abriebempfindliche Werkstoffe Nicht geeignet für haftende Werksstücke oder Wi t il Wirrteile Hoher Lärmpegel Resonanzkräfte müssen aufgenommen werden H h Transportgeschwindigkeit Hohe T h i di k i Beispiel: 0,2 mm*50 Hz = 10 mm/s Ist der vertikale Anteil bei der Abwärtsbeschleunigung i kl i kleiner 1 so besteht 1g, b t ht dauerhafter d h ft Kontakt K t kt von Transportobjekt und Förderrinne. Die Werkstücke verlassen in diesem Falle die Förderrinne nicht. Bei hinreichend g großer Beschleunigung g g kann dagegen eine Gleitbewegung entstehen, die auch als Gleitförderung bezeichnet wird. Die Nachteile des Mikrowurfs hinsichtlich Bruchfestigkeit und Geräuschpegel werden dadurch ebenso reduziert wie die positive Eigenschaft der hohen Transportgeschwindigkeit. Bild 7.60 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Schwingförderer IV Schwingförderer sind in der Lage, mittels einer zweidimensionalen Schwingbewegung einen linearen Werkstücktransport zu ermöglichen. Abhängig vom konstruktiven Aufbau kann der Bewegungsverlauf auch eine geringe Steigung beinhalten. Ein wesentlicher Einsatzfall von Schwingförder Schwingfördersystemen ist die Zuführung von Objekten kleiner Größe, die sich im ungeordneten Zustand in Bunkern befinden, an nachgelagerte Montageprozesse. Um U einen i optimalen ti l Ei Einsatz t von Schwingfördersystemen zu erzielen, werden diese speziell für einen bestimmten Werkstücktyp ausgelegt. g g Wesentliche Merkmale sind dabei die optimale Frequenz der Schwingung in Verbindung mit der Schwingungsamplitude, die im Wesentlichen abhängig sind von • Der Masse des Grundkörpers • • Der Masse des schwingenden Teils Der Werkstückmasse • • Den Eigenfrequenzen des Systems Den Einstellbereichen der elektrischen Antriebe Bild 7.61 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Ordnungsprinzipien I Die Aufgabe Di A f b des d Od Ordnens i t es, Werkstücke ist W k tü k in i definierter Position und mit definierter Orientierung bereitzustellen. Ordnungseinrichtungen gehören zu den anspruchsvollsten p Einrichtungen g innerhalb des Fertigungs- und Montageprozesses. Unter diesem Gesichtspunkt werden nachfolgende Handhabungseinrichtungen darauf ausgerichtet, existierende Ordnungen vorrangig beizubehalten. beizubehalten Für den Ordnungsvorgang können zwei unterschiedliche Prinzipien zum Einsatz kommen, wie in Bild 7.63 dargestellt. g • Auswahlprinzip • Zwangsprinzip Beim Auswahlprinzip p p erfolgt g eine Selektion der richtig orientierten Teile. Diejenigen Teile mit falscher Orientierung werden zurückgewiesen und in der Regel in den Bunker zurückgeführt. Dieses Verfahren wird auch als passives Ordnen bezeichnet. bezeichnet Zur Erhöhung der Effektivität von Ordnungseinrichtungen mit passiven Ordnungselementen ist es zweckmäßig, die Austragsorientierung gemäß der Vorzugsorientierung der Bauteile festzulegen, da die ausgetragene Stückzahl in großem Maße vom prozentualen Anteil der richtig orientierten Teile abhängt. Bild 7.62 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Ordnungsprinzipien II Zwangsprinzip Auswahlprinzip Bild 7.63 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Ordnungsprinzipien III Beim Zwangsprinzip dagegen erfolgt eine aktive Ausrichtung der Werkstücke. Falsch orientierte Werkstücke werden mit geeigneten Mitteln in die geforderte f d t Orientierung O i ti üb füh t Dabei überführt. D b i kommen k vorwiegend mechanische oder auch elektromagnetische Verfahren zum Einsatz. Dieses Verfahren wird auch als aktives Ordnen bezeichnet. Da bei diesem Ordnungsprinzip falsch orientierte Teile nicht zurückgewiesen sondern korrekt ausgerichtet werden, führt diese Vorgehensweise zu einer verbesserten Förderleistung der Systeme. Systeme Eine seltener angewandte Mischform stellt das passiv-aktive Ordnen dar. Bei diesem Verfahren werden Werkstücke in definierter falscher Orientierung getrennt gesammelt und weitergeführt. Systeme, die nach diesem Verfahren operieren, beinhalten somit zusätzlich die Handhabungsfunktion des Sortierens. Bild 7.64 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Ordnungseinrichtungen Eine vielfach verwendete Ordnungseinrichtung stellt der Vibrationswendelförderer dar. Dieser stellt im Aufbau eine Sonderform des Schwingförderers dar bei der die Förderrinne spiralförmig angeordnet dar, ist. Aufgrund dieser wendelförmigen Anordnung spricht man in diesem Falle von einem Vibrationswendelförderer. Vibrationswendelförderern werden vorwiegend zum Austragen von Schüttgütern wie Schrauben oder anderen Kleinteilen aus Bunkern eingesetzt. Um ein geordnetes Austragen zu ermöglichen, werden sie mit zusätzlich integrierten Ordnungssystemen ausgestattet. Aufbau von Vibrationswendelförderern Vibrationswendelförderer bestehen aus einem Bunker, der die Form eines nach außen abwärts gewölbten Topfes aufweist. aufweist An der Innenseite des Topfes ist die Förderrinne in Form einer Spirale wendelförmig angeordnet. Dieser Topf wird über räumlich angeordnete Federelemente mit dem Antrieb verbunden. Diese Aufhängung ermöglicht eine dreidimensionale Bewegung, bei der die Schwingbewegung eine zusätzliche Drehkomponente enthält. Bild 7.65 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Vibrationswendelförderer II Aufbau von Vibrationswendelförderern (Fortsetzung) Dieses Prinzip ermöglicht neben der Vorwärts Vorwärtsbewegung auch eine Beschleunigung der Werkstücke an den Rand, wodurch ein Verbleiben der Werkstücke in der Förderrinne gewährleistet wird. id Bild 7.67 zeigt den schematischen Aufbau eines Vibrationswendelfördereres. Bei Vibrationswendelförderern werden die Ordnungseinrichtungen meist mechanisch in die Förderrinne integriert. Derartige mechanische Ordnungseinrichtungen werden auch als Schikanen bezeichnet. Analog dem Ordnungsprinzip werden diese auch als aktive und passive Schikanen bezeichnet. Mechanische Schikanen wirken immer berührend, wobei für den Ordnungsvorgang charakteristische Werkstückmerkmale ausgenutzt werden. Ab Bild 7,68 7 68 werden d einige i i exemplarische l i h SchiS hi kanen vorgestellt, wie sie bei Vibrationswendelförderern zum Einsatz kommen. Bild 7.66 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Vibrationswendelförderer III Bild 7.67 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Passive Schikanen - Höhenabweiser Höhenabweiser, auch Abstreifer genannt, werden in einer definierten Höhe über der Förderrinne angebracht, die sich aus der Werkstückhöhe ergibt. B i der Bei d Auslegung A l i t zusätzlich ist ät li h die di Wurfhöhe W fhöh des d Mikrowurfs zu beachten. Sie werden meist eingesetzt, um gestapelte Flache Werkstücke auszusondern. Bei stehenden Werkstücken können sie sowohl eine passive Funktion als auch eine aktive Funktion einnehmen, indem diese in eine gewünschte Liegende Orientierung überführt werden. werden Das nachfolgende Bild zeigt einen Höhenabweiser in Form eines einfachen Winkels. Bild 7.68 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Passive Schikanen - Formabweiser Abhängig von der Form des Werkstücks können auch geeignete Schikanen eingesetzt werden, die formspezifische Merkmale des Werkstücks ausnutzen, t wie i nachfolgende hf l d dargestellt. d t llt In I dem d dargestellten Beispiel ist die Breite der Förderrinne derart konzipiert, dass der Schwerpunkt eines falsch orientierten Teils über die Förderrinne hinaus verschoben wird und diese in den Bunker zurückfällt. Bild 7.69 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Passive Schikanen - Schwerpunktkontrolle Weitere Beispiele für die Ausnutzung der Schwerpunktlage stellen die schräg verlaufenden Förderrinnen dar wie im Bild dargestellt. Schwerpunkt Gewichtskraft Schwerpunkt Gewichtskraft Bild 7.70 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Passive Schikanen - Überlauf Eine Methode zum Vereinzeln parallel liegender Werkstücke stellt die Überlaufschikane dar, bei der nur eine sequentielle Weitergabe möglich ist. Üb ähli Überzählige W k tü k werden Werkstücke d abgewiesen b i und d in den Bunker zurückbefördert. Bild 7.71 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Schikane - Ausklinkung Eine weitere Möglichkeit des passiven Ordnens stellen Ausklinkungen dar. Dabei handelt es sich um örtliche Verengungen der Förderrinne. In Abhä i k it von der Abhängigkeit d Werkstückform W k tü kf kö können sie i einerseits falsch orientierte Teile aussondern, andererseits werden parallel liegende Teile entsprechend p der Funktion der Überlaufschikane aussortiert. Im Bild sind verschiedene Ausklinkungsmuster dargestellt, die zu einem Aussortieren der oben rechts dargestellten Werkstücke führen, wenn diese mit abwärts gerichteter Öffnung die Schikane erreichen. Bild 7.72 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Aktive Schikanen - Formrinne Eine Möglichkeit für einen aktiven Ordnungsvorgang stellt die sogenannte Profilrinne dar. Diese ist gekennzeichnet durch einen sich kontinuierlich verändernden Querschnitt, Querschnitt in deren Verlauf sich die Werkstückorientierung verändert. Bei diesem Verfahren handelt es sich um werkstückspezifische Sonderapplikationen. Die nachfolgenden Abbild dungen zeigen i di die sich i h stetig t ti ä d d ändernde Orientierung an verschiedenen Punkten der Förderrinne. Bild 7.73 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Aktive Schikanen – Orientierungsänderung Eine Möglichkeit zur Orientierungsänderung stellt nachfolgendes Beispiel dar, bei dem zylindrische Werkstücke über eine Kippkante in eine stehende P iti Position üb füh t werden. überführt d M ß b d ist Maßgebend i t bei b i derartigen Schikanen, dass die Werkstücke in einer definierten Orientierung auf die Schikane auftreffen g um eine stabile und es sich bei der Zielorientierung Lage handelt, die beim Weitertransport nicht verlassen wird. Bild 7.74 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Aktive Schikanen – Orientierungsänderung Im folgenden Bild erreichen nur Teile mit der nach vorne gerichteten Verjüngung die Stützauflage und werden lagerichtig gedreht. Richtig orientierte Teile ki kippen d dagegen vorher h ab. b Bild 7.75 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Aktive Schikanen – zusätzliche Aktoren I Zum Orientieren von Werkstücken werden neben den rein mechanischen Lösungen auch weitere Hilfsmittel zur eingesetzt. Das folgende Bild zeigt eine i S hik Schikane mit it pneumatischer ti h U t tüt Unterstützung. Der Luftstrom erfasst dabei lediglich die falsch orientierten Werkstücke, die dadurch in den Bunker zurückgeworfen g werden. p p Neben den pneumatischen Lösungen gibt es noch eine Vielzahl weiterer Realisierungsvarianten, wie elektromagnetische arbeitende Systeme oder mechanische Aktoren. Bild 7.76 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Sensorunterstützte Ordnungssysteme Eine weitere Möglichkeit der Lageerkennung bieten sensorgestützte Systeme. Überwiegend kommen dabei optische Verfahren zum Einsatz. Die Verf h fahren werden d i der in d Regel R l in i Kombination K bi ti mitit einfachen mechanischen Ordnungssystemen eingesetzt, die bereits eine Vororientierung bzw. g der Objekte j vornehmen. Anstelle Vereinzelung weiterer mechanischer Ordnungsschikanen erfolgt die Erkennung von falsch orientierten Werkstücken oder Falschteilen auf Grundlage der Sensorinformationen. mationen Anhand der Prüfergebnisse der Sensorverarbeitung werden Ausblas- oder Abweisvorrichtungen gesteuert Diese Systeme sind für ein breites gesteuert. Werkstückspektrum einsetzbar, da bei einem Teilewechsel keine aufwändige mechanische Anpassung der Schikanen an werkstückspezifische Merkmale erfolgen muss. Neben Maßnahmen zur Vereinzelung erfolgen die weiteren Maßnahmen durch Auswahl geeigneter Auswertealgorithmen und durch entsprechende Positionierung der Sensorsysteme. Bild 7.77 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Sensorunterstützte Ordnungssysteme Optische Systeme verfügen über eine Vielzahl an Vorteilen: • Neben fehlerhaft orientierten Werkstücken können auch falsche Bauteile detektiert werden • Ebenso können unterschiedliche Bauteile detektiert und nachfolgend g sortiert werden • Die Systeme sind meist mit geringem mechanischem Aufwand an verwandte Werkstücke anpassbar. p • Die softwarebasierte Merkmalsextraktion erlaubt weitergehende Prüfmöglichkeiten und ermöglicht statistische Auswertungen Im nachfolgenden Bild ist ein Vibrationswendelförderer mit integriertem Bildverarbeitungssystem abgebildet. Bild 7.78 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Vibrationswendelförderer mit Kamera Quelle: Fa. MRW Bild 7.79 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Steilförderer mit Ordnungsfunktion Nachfolgend ist ein Bunkerzuführgerät mit integrierter Ordnungsfunktion abgebildet. Mittels geeigneter Mitnehmerleisten werden Werkstücke aus dem d B k Bunker entnommen. t D Der erreichbare i hb Ordnungsgrad ist maßgeblich von der Werkstückgeometrie abhängig. 1. Werkstück 2. Bunker 3. Füllstand 3 Füll t d 4. Ausgaberinne 5. Förderband Bild 7.80 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Schöpfradbunker mit Ordnungsfunktion Ein weiteres Beispiel für die geordnete Entnahme von Schraubenmuttern ist im nachfolgenden Beispiel dargestellt. Sind beim Bunkeraustrag die gewünschten Ordnungsfunktionen prinzipbedingt nicht realisierbar, so erfolgt vielfach eine Ordnungsmaßnahme durch den Einsatz von Schikanen in einer nachgeschaltete Förderrinne. Bild 7.81 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungseinrichtungen zum Sichern I Die Handhabungsfunktion des Sicherns dient dem Erhalten von definierten Objektzuständen, wobei das Sichern einer räumlichen Anordnung von Kö Körpern d dauerhaft h ft oder d l di li h vorübergehend lediglich üb h d sein kann. Das Sichern von Körpern kann durch • Kraftschluss • Stoffschluss • Formschluss erfolgen. Vielfach werden diese Wirkprinzipien auch kombiniert eingesetzt. Die Elementarfunktionen des Sicherns werden bezeichnet als: • Halten Halten ist das vorübergehende Sichern eines Körpers in einer bestimmten Position und Orientierung. • Lösen Lösen ist als Umkehrfunktion des Haltens definiert. Bild 7.82 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungseinrichtungen zum Sichern II Ausgehend von diesen Elementarfunktionen gibt es zwei abgeleitete Funktionen, die der Hauptgruppe des Sicherns zugerechnet werden: • Spannen Das Spannen entspricht einer Haltefunktion unter der Verwendung von Kraftschluss • Entspannen Das Entspannen ist entsprechend dem Lösen als Umkehrfunktion des Spannens p definiert. Die Handhabungseinrichtungen werden unterteilt in des Sichern • Spannvorrichtungen • Greifer Die Aufgabe von Spannvorrichtungen liegt in der Fixierung von Werkstücken für die Fertigung und Montage. Neben universellen Spannsystemen werden meist formangepasste Aufnahmen eingesetzt (siehe Kapitel 6). Bild 7.83 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungseinrichtungen zum Sichern III Greifereinrichtungen dienen als Verbindungselemente zwischen den eingesetzten Handhabungseinrichtungen und den zu haltenden Werkstücken. Neben universellen Greifern kommen vielfach Systeme zum Einsatz, die an die charakteristischen Werkstückmerkmale angepasst sind. Um der zunehmenden Flexibilität in automatisierten Anlagen Rechnung zu tragen, kommen im Bereich des Robotereinsatzes vermehrt automatisierte Greiferwechselsysteme zum Einsatz. Eine Übersicht Ei Üb i ht der d wichtigsten i hti t Wi k i i i Wirkprinzipien von Greifern ist nachfolgend dargestellt. Wirkprinzip Ausführung ArbeitsArbeits prinzip Haltekraft Bild 7.84 09/10 Handhabungstechnik mechanisch Winkelgreifer Parallelbackengreifer hoch sehr hoch Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungseinrichtungen zum Sichern IV Wirkprinzip Ausführung Arbeitsprinzip HalteHalte kraft Wirkprinzip Ausführung Arbeits Arbeitsprinzip Haltekraft Bild 7.85 09/10 Handhabungstechnik pneumatisch Saugpipette Flächensauggreifer gering mittel elektromagnetisch formschlüssig Magnetgreifer Nadelgreifer mittel gering Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Kontrollieren I Die Aufgabe des Kontrollierens ist es festzustellen, ob bestimmte Eigenschaften und Zustände entsprechend eines Erwartungshorizonts erfüllt sind. i d Die Di zugehörige hö i El Elementarfunktion t f kti wird i d als l Prüfen bezeichnet. Das Ergebnis einer Prüffunktion entspricht einem bi ä binären F kti Funktionswert, t der d b beschreibt, h ibt ob b das d Prüfergebnis den vorgegebenen Gütekriterien entspricht. Ein Prüfvorgang kann chronologisch Abschnitte eingeteilt werden: in drei • Informationsbeschaffung • Datenaufbereitung und Bewertung • Datenausgabe Im Rahmen der Handhabungsfunktionen enthalten die Aufgaben des Prüfens, die Anwesenheit eines Körpers nachzuweisen, seine Identität festzustellen oder dessen Position und Orientierung zu b ti bestimmen. Bild 7.86 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Kontrollieren II Die Prüfung der Identität kann unter anderem nach den folgenden Merkmalen erfolgen: • Farbe • Gewicht • Form • Größe Wird als Ergebnis eine quantitative Beschreibung des Zustands erwartet, so spricht man von der Funktion des Messens. Soll die Anzahl der Körper p bestimmt werden so spricht man vom Zählen. Mess- und Prüfeinrichtungen Die wesentlichen Bestandteile dieser Einrichtungen stellen die Elemente zur Informationsbeschaffung dar. Diese werden als Sensoren bezeichnet. Sensoren haben im Allgemeinen die Aufgabe, eine physikalische oder chemische Größe in ein Signal umzuwandeln, das anschließend weiterverarbeitet werden kann. In der Regel handelt es sich dabei um elektrische Signale, doch werden in Spezialfällen auch optische oder pneumatische Signale generiert. Bild 7.87 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Kontrollieren III Anhand des Arbeitsweise werden Sensorsysteme unterteilt in taktile und berührungslos arbeitende Systeme. Ein Beispiel für taktile Sensoren stellt die Gruppe der Prüftaster dar, während berührungslos arbeitende Sensoren vielfach auf induktiven oder k kapazitiven iti Wi k i i i beruhen. Wirkprinzipien b h Induktive und kapazitive Sensoren bieten im Vergleich zu mechanischen Schaltern neben dem berührungslosen Erkennen den Vorteil, Vorteil nahezu verschleißfrei zu arbeiten. Sie sind weitestgehend unempfindlich gegen Vibrationen, Staub und Feuchtigkeit. Induktive Sensoren erfassen berührungslos alle Metalle. Zudem sind damit hohe Schaltfrequenzen möglich. Eine weitere Gruppe der berührungslos arbeitenden Systeme stellen die optischen Sensoren dar. Neben einfachen Lichtschranken für die Anwesenheitskontrolle kommen dabei kamerabasierte Lösungen (Bild 7.89) mit integrier integrierter Bildverarbeitung bis hin zu dreidimensional messenden Lasersystemen zum Einsatz. Bild 7.88 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Kontrollieren IV 1. Kamera 2. Magnetisches Förderband 3. 3 4. 5. 6 6. Auswerfer Lichtschranke Lichtquelle P üf bj kt Prüfobjekt Bild 7.89 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Handhabungsablauf Die Beschreibung der Handhabungsaufgaben innerhalb von Fertigungs- und Montageprozessen erfolgt mittels festgelegter Symbole für jeden Aufgabenschritt Aufgabenschritt. Die verschiedenen Symbole werden anhand ihrer zeitlichen Abfolge mit Pfeilen verbunden. Die Handhabungsaufgaben werden dabei als Quadrate dargestellt, deren Bedeutungen i den in d folgenden f l d Bildern Bild abgebildet b bild t sind. i d Kontrollfunktionen werden zusätzlich mittels eines Dreiecksymbols innerhalb des Quadrats dargestellt. stellt Fertigungs- und Montageprozesse werden in Form von Kreisen dargestellt (ab Bild 7.91). Mittels dieser Symbolik lassen sich auch komplexe Aufgaben übersichtlich darstellen. Besteht eine gerätetechnische Verbindung von mehreren Funktionen, Funktionen so werden diese mittels einer gemeinsamen Umrahmung gekennzeichnet. Direkt aneinandergereihte Symbole beschreiben einen parallelen Vorgang. Bild 7.90 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Symbole der Handhabungstechnik I Geordnetes Speichern teilgeordnetes Speichern Teilen Vereinigen Zuteilen Verzweigen Bild 7.91 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik ungeordnetes Speichern Abteilen Zusammenführen Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Symbole der Handhabungstechnik II Sortieren Verschieben Drehen Orientieren Ordnen Bild 7.92 09/10 Handhabungstechnik Führen Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Schwenken Positionieren Weitergeben Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Symbole der Handhabungstechnik III Fördern Halten Spannen Entspannen Anwesenheit prüfen Bild 7.93 09/10 Handhabungstechnik Identität prüfen Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Lösen Prüfen Form prüfen Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Symbole der Handhabungstechnik IV Größe prüfen Position prüfen Position messen Bild 7.94 09/10 Handhabungstechnik Farbe prüfen Orientierung prüfen Orientierung messen Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Gewicht prüfen Messen Zählen Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Symbole der Handhabungstechnik V Handhaben Formgeben Kontrollieren Formändern Fertigungs Fertigungsschritt Behandeln Fügen Bild 7.95 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsgrad Der Anteil, den die automatisierten Funktionen an der Gesamtfunktion eines Produktionssystems haben, wird nach DIN 19 233 als Automatisierungsgrad bezeichnet. bezeichnet Erfolgt eine Erhöhung des Automatisierungsgrads durch schrittweise Automatisierung einzelner Funktionsbereiche, so können diese Schritte auch als Automatisierungsstufen bezeichnet werden. Bei der Auswahl einer geeigneten Automatisierungsstufe sind folgende Kriterien maßgebend: • Technische Umsetzbarkeit • Wirtschaftliche Überlegungen Daraus können analog den Betrachtungen bei der A l Auslegung und d G Gestaltung l von fl ibl flexiblen Fertigungssystemen die nachfolgenden Randbedingungen abgeleitet werden. Bild 7.96 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsgrad Auslegungs- und Gestaltungskriterien • die zu fertigende Stückzahl • die geforderte Anlagenflexibilität − Produktflexibilität − Mengenflexibilität − Anpassflexibilität − Erweiterungsflexibilität • der Fertigungs-/Montagevorgang • die Fertigungsg g / Montagemittel g • das Handhabungsgut • der Aufwand für die Realisierung der Automatisierungseinrichtungen g g • die Betriebs- und Unfallsicherheit. Ausgehend von einem Fertigungs- oder Montageprozess können die vor- bzw. nachgelagerten Handhabungsfunktionen zu einem unterschiedlichen Grad automatisiert ausgeführt werden. In der Regel kann der größte Rationalisierungseffekt durch eine Automatisierung derjenigen Funktionen erzielt werden, die dem Montagevorgang am Nächsten sind. Bild 7.97 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens I Die verschiedenen Automatisierungsstufen haben einen besonders großen Einfluss auf den Rationalisierungseffekt des Systems, da sie eine direkte Auswirkung auf die Auslastung der Maschinen haben. Dies soll im nachfolgenden Beispiel anhand der Bearbeitung eines Werkstücks dargestellt werden, das ausgehend von einer ungeordneten d t S i h Speicherung i im B k Bunker einer i Bearbeitungsmaschine zugeführt und nach der Bearbeitung für nachfolgende Schritte bereitgestellt werden soll. Die nachfolgende g Tabelle ((Bild 7.99)) zeigt eine Übersicht über sechs unterschiedliche Automatisierungsstufen für dieses Beispiel. Bild 7.98 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens II Funktion Ordnen Geordnetes Speichern Zuteilen Führen Fertigungs- / VerMontageschieben schritt Bedienungsperson 0 manuell manuell manuell manuell 1 manuell manuell manuell manuell 2 automatisch automatisch manuell manuell 3 manuell manuell manuell automatisch automatisch automatisch automatisch automatisch automatisch arbeitet taktfrei, Mehrmaschinenbedienung möglich automatisch automatisch nur Überwachung Stufe 4 manuell manuell automatisch 5 automatisch automatisch automatisch Bild 7.99 7 99 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik manuell löst Arbeitstakt aus und bestimmt die Fertigungsleistung oder arbeitet taktgebunden (Sicherheitsvorkehrungen notwendig) Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens III Stufe 0: Manuelle Handhabung Alle Handhabungsfunktionen werden manuell ausgeführt Die Taktzeit ist maßgeblich bestimmt ausgeführt. durch die Arbeitsgeschwindigkeit des Bedieners. Zur Beschleunigung der menschlichen Tätigkeit lassen sich aufgabenspezifische Hilfsmittel wie G if Greifzangen fü die für di Bunkerentnahme B k t h oder d auch h Balancer für die Handhabung größerer Werkstücke einsetzen. Auch eine ergonomische Arbeitsplatzgestaltung mit optimierter Anordnung der Werkstücke und günstig angebrachten Ablagepositionen ermöglichen eine signifikante Verbesserung. Da die menschliche Tätigkeit auch bei optimaler Arbeitsplatzgestaltung in der Regel langsamer ist als eine automatisierte Variante, führt dies zu vergleichsweise hohen Nebenzeiten im Verhältnis zur Hauptzeit. Bild 7.100 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens IV Stufe 1: Automatisiertes Ausgeben Eine wesentliche Verkürzung der Nebenzeit kann durch eine Automatisierung des Ausgebens erreicht werden. Der Bediener kann in diesem Fall bereits während des Bearbeitungsvorgangs mit der Zuführung des nächsten Werkstücks beginnen. Die technische Umsetzung der automatisierten Ausgabe gestaltet sich in der Regel einfacher als die Zuführung, da die Werkstücke entweder in geordneter Form durch Handhabungseinrichtungen entnommen werden, oder mit einfachen Mitteln ausgeworfen oder ausgeblasen werden können. Bild 7.101 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens V Stufe 2: Geordnete Werkstückbereitstellung und automatisiertes Ausgeben Eine weitere Optimierung kann durch eine verbes verbesserte Werkstückbereitstellung erreicht werden. Durch den Einsatz geeigneter Handhabungseinrichtungen kann der ungeordnet vorliegende W k tü k Werkstückvorrat t an griffgünstiger iff ü ti P iti geordnet Position d t bereitgestellt werden. Diese Automatisierungsstufe ist einerseits geeignet, wenn für die Zuführung zur Fertigungseinrichtung g g g die Fähigkeiten g der menschlichen Hand benötigt werden oder eine Sichtkontrolle notwendig ist. Andererseits kann die teilweise Automatisierung der Zuführung bei kurzen Hauptzeiten zu einer Verkürzung des manuellen Arbeitsschritts und daraus resultierend zu einer Verkürzung der Taktzeit führen. Bild 7.102 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens VI Stufe 3: Automatisiertes Ein- und Ausgeben In einer weiteren Automatisierungsstufe können die Bestückung der Fertigungseinrichtung und die Werkstückentnahme automatisiert erfolgen. Diese Stufe kommt in denjenigen Fällen zum Einsatz, bei denen sich beispielsweise das zu verarbeitende Stückgut nur schlecht ordnen oder magazinieren lässt, eine visuelle Kontrolle durch den Bediener erforderlich ist, die damit kombiniert werden kann oder bei denen das manuelle Handhaben aus Sicherheitsgründen nur außerhalb des Gefahrenbereichs der Maschine erfolgen kann. Während ä e d be bei de den b bisherigen s e ge Stu Stufen e de der mögliche ög c e Arbeitstakt durch den Bediener vorgegeben wurde und somit durch dessen Arbeitsgeschwindigkeit beeinflusst war, sind die nachfolgenden beiden Stufen dadurch gekennzeichnet, gekennzeichnet dass die Arbeit des Bedieners unabhängig vom Arbeitstakt der Fertigungseinrichtungen erfolgt. Bild 7.103 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens VII Stufe 4: Manuelles Magazinieren Im einem ersten Schritt der arbeitstaktfreien Bedienung erfolgt die Bereitstellung der Werkstücke in Magazinen. Die geordnete Bestückung der Magazine kann dabei wahlweise durch den Bediener, an vorgelagerten manuellen Arbeitsplätzen oder bereits Lieferantenseitig erfolgen. Abhängig vom Anteil der manuellen Tätigkeit des B di Bedieners i im V hält i Verhältnis zur Hauptzeit H t it der d Produktionseinrichtung kann sogar eine Mehrmaschinenbedienung möglich sein. Diese Methode stellt in vielen Fällen wirtschaftlich günstigste Alternative dar. die Anhand der nachfolgenden Beispiele wird diese Stufe näher erläutert. erläutert Bild 7.104 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens VIII Beispiel 1: Handhabungsfunktionsplan der automatisierten Funktionen 1 2 3 4 5 6 Links im Bild befindet sich ein Magazinschacht mit den zu bearbeitenden Werkstücken. Unter dem Magazin ist eine Schiebereinheit angebracht, die zum Vereinzeln (1) und zum Verschieben (2) bis zur Bearbeitungseinheit B b it i h it verantwortlich t tli h ist. i t Dort D t wird id das Werkstück gehalten (3) und bearbeitet (4), bevor es nach dem Lösen (5) beispielsweise in den nächsten Speicher p gefördert wird ((6)) . g Bild 7.105 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens IX Beispiel 2: Handhabungsfunktionsplan der automatisierten Funktionen 2 6 7 g werden die Werkstücke In dieser Konfiguration durch eine rotatorische Schiebereinheit zur Bearbeitungseinheit geführt (2). Anschließend werden sie in einen Speicher weitergeführt (6) und dort geordnet abgelegt (7). (7) Bild 7.106 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens X Stufe 5: Vollautomatisierte Variante In der höchsten Automatisierungsstufe werden alle Handhabungsfunktionen automatisiert ausgeführt. Diese eignet sich beispielsweise bei Werkstücken, die als Schüttgut in Bunkern bereitgestellt werden. Da bei vollautomatisierten Systemen die menschliche Kontrolle bei einzelnen Ablaufschritten entfällt, entfällt werden derartige Handhabungsabläufe an wichtigen Kontrollpunkten mit Überwachungseinrichtungen ausgestattet, wie es an nachfolgendem Beispiel dargestellt ist. Drehmaschine mit automatischen Handhabungsfunktionen Bild 7.107 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Automatisierungsstufen des Handhabens XI Nachfolgend ist der Handhabungsablauf des Systems dargestellt. Der linke Teil beschreibt den Bunker mit der integrierten Zuteileinrichtung. Diese überprüft die Orientierung der Werkstücke beispielsweise durch den Einsatz einer passiven Schikane. Abhängig vom Ergebnis erfolgt eine Verzweigung zum nächsten Arbeitsschritt oder zurück ü k in i d den B k Bunker. D Der nächste ä h t Bl k Block beschreibt die Zuführung zur Bearbeitungsmaschine mit der Vereinzelung der Werkstücke. Im nächsten Schritt werden die Werkstücke mit einer Handhabungseinrichtung gegriffen und der Bearbeitungsmaschine zugeführt. Anschließend erfolgt ein erneutes Umsetzen mit der Greifeinheit, die das Werkstück in der Ablaufrinne positioniert. positioniert Handhabungsfunktionsplan Bild 7.108 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Verkettung von Bearbeitungseinrichtungen I Bei Produktionssystemen, die aus mehreren räumlich getrennten Produktionseinrichtungen bestehen, ist die Verbindung der einzelnen Teilsysteme von grundlegender Bedeutung. Bedeutung Ausgehend von den bereits in Kapitel 6 beschriebenen Anlagekonzepten unterschiedlicher Fertigungssysteme werden die Systeme um zusätzliche Montageeinrichtungen für die Weiterverarbeitung der Teileproduktion erweitert. Anhand der Flexibilität der verwendeten Handhabungs- und Produktionseinrichtungen, sowie der zeitlichen und räumlichen Steuerung des Gesamtsystems werden verschiedene Arten der Verkettung unterschieden. unterschieden • • Feste Verkettung Flexible Verkettung Eine feste Ei f t Verkettung V k tt i t durch ist d h eine i vorgegebene b Reihenfolge der Fertigungs- oder Montageprozesse gekennzeichnet. Diese Verkettungsart wird auch als serielle Verkettung g bezeichnet. Bei der flexiblen Verkettung hingegen kann die Reihenfolge prinzipiell verändert werden. Bild 7.109 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Verkettung von Bearbeitungseinrichtungen II Die feste Verkettung kann wiederum in zwei Grundvarianten unterteilt werden. • Starre Verkettung • Lose Verkettung Diese Varianten unterscheiden sich maßgeblich durch die Integration von Werkstückspeichern zwischen den Bearbeitungsstationen und darin, darin ob eine zeitlich synchronisierte Bearbeitung an den unterschiedlichen Stationen erfolgt. Innerhalb eines Produktionssystems y können beide Varianten auch in Kombination realisiert werden. Die wesentlichen Merkmale einer starren Verkettung liegen darin, dass zwischen den B b i Bearbeitungsstationen i k i Zwischenspeicher keine Z i h i h zur Aufnahme bearbeiteter Werkstücke integriert sind und alle Bearbeitungsschritte und Handhabungsfunktionen in einem festgelegten g g Arbeitstakt synchron erfolgen. Bild 7.110 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Eigenschaften starr verketteter Systeme I Diese beiden Merkmale sind für die wesentlichen Eigenschaften dieser Verkettungsart verantwortlich. • Der Ausfall einer Station führt aufgrund des Fehlens von Zwischenpuffern elementar zum Stillstand der vor- und nachgelagerten Stationen und somit der gesamten Montageanlage. Die verschiedenen Stationen sind in ihrem Handlungsablauf voneinander abhängig. Wirkt sich das Störverhalten einzelner Stationen auf die Gesamtverfügbarkeit eines Produktionssystems t aus, so spricht i ht man auch h von Verkettungsverlusten. Die Gesamtverfügbarkeit der Anlage kann bei starr verketteten Systemen näherungsweise als das Produkt der Einzelverfügbarkeiten berechnet werden. Aus diesem Grund sollte die Anzahl der starr verketteten Montagestationen auff einen i sinnvollen i ll W t begrenzt Wert b t werden d (beispielsweise 20 Stationen innerhalb eines starr verketteten Montagebereichs). Ebenso können die absolut auftretenden Störzeiten der Einzelsysteme addiert werden. Bild 7.111 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Eigenschaften starr verketteter Systeme II • Das Fehlen von Zwischenpuffern ermöglicht eine kompakte und platzoptimale Anlagenstruktur. • Alle Operationen werden durch einen gemeinsamen Takt ausgelöst bzw. angesteuert. Die Weitergabe erfolgt taktgebunden. Die langsamste Einheit begrenzt den möglichen Takt Bei gemeinsamen Weitergabeeinrichtungen müssen die Einzelstationen in einem definierten Abstand aufgestellt werden. Die Kombination aus kompakter Anlagenstruktur und optimaler Taktvorgabe ermöglicht die kü kürzest mögliche ö li h Durchlaufzeit. D hl f i • • • • Starr verkettete Systeme eignen sich besonders für die Massenfertigung kleinerer Baugruppen mit geringem i M t Montageaufwand f d und d schneller h ll Taktzeit. T kt it Bei der technischen Realisierung starr verketteter Systeme kommen im Wesentlichen zwei Grundvarianten zum Einsatz: • Rundtransfersysteme • Längstransfersysteme Bild 7.112 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Beispiele starrer Verkettungen I Rundtransfersysteme (siehe auch Bild 6.46 ff) bestehen aus einer drehbaren Grundeinheit, mit einer endlichen Anzahl von kreisförmig angeordneten Werkstückaufnahmen In einem vorgegebenen Werkstückaufnahmen. Arbeitstakt wird die Grundeinheit jeweils eine Position weitergedreht. Vielfach erfolgt die Weitertaktung auch durch den Einsatz mechanischer K Kurvensteuerungen. t A jeder An j d Position P iti befindet b fi d t sich i h eine Bearbeitungsstation, die wahlweise eine Teilebearbeitung, eine Montageoperation oder eine Kontrollfunktion ausführen kann. Die Bearbeitungsstationen können wahlweise innerhalb oder außerhalb der Bewegungsbahn der Werkstückträger angeordnet werden. Das nachf l folgende d Bild zeigt i d den schematischen h i h A fb Aufbau eines Rundtransfersystems. Bild 7.113 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Beispiele starrer Verkettungen II Bei Längstransfersystemen (siehe auch Bild 6.107 ff) werden die einzelnen Bearbeitungsstationen entlang der umlaufenden Transporteinrichtungen angeordnet Abhängig von der Anlagenstruktur angeordnet. können die Stationen ein- oder beidseitig angebracht werden. Längentransfersysteme sind durch einen offenen Werkstückfluss gekennzeichnet, bei dem die Zuführung und Entnahme der Basiskomponenten an den beiden Enden erfolgen. Längstransfersysteme zeichnen sich durch eine gute Zugänglichkeit im Störungsfall aus und sind im Bedarfsfall erweiterbar. Bedingt durch die aufwändigen Transporteinrichtungen liegen die Herstell Herstellkosten jedoch ca. 10 – 20 % über vergleichbaren Rundtransfersystemen und haben einen höheren Platzbedarf. Bild 7.114 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Eigenschaften lose verketteter Systeme I Im Unterschied zur starren Verkettung werden bei der losen Verkettung die unterschiedlichen Bearbeitungsstationen und Handhabungseinrichtungen tu ge u unabhängig ab ä g g voneinander o e a de a angesteuert. gesteue t Die e Bearbeitung erfolgt in einem stationsbezogenen Arbeitstakt, wobei jeder Bearbeitungsvorgang separat ausgelöst wird. Die Ansteuerung kann nach unterschiedlichen Prinzipien erfolgen: • Durch ein übergeordnetes Leitsystem • Durch Informationen von Werkstückträgern • Durch vorgelagerte Handhabungseinrichtungen • Sensorgesteuerte Aktivierung bei Werkstückerkennung Die zeitliche Entkopplung der Einzelstationen erfolgt durch die Integration von Zwischenspeichern (Bild 7.116). Diese haben die Aufgabe, Teilkomponenten und Baugruppen von Bearbeitungsstationen oder vorgelagerten Handhabungseinrichtungen in deren Ausgabetakt aufzunehmen. Die gespeicherten Elemente werden anschließend im Verarbeitungstakt der nächsten Station wieder abgegeben. b b Di Aufgabe Die A f b von Zwischenspeichern Z i h i h ist es, auch bei zwischenzeitlichen Variationen des Bearbeitungstakts einzelner Stationen eine fortlaufende Produktion zu ermöglichen. g Bild 7.115 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Prinzip der losen Verkettung von Produktionssystemen Bild 7.116 7 116 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Eigenschaften lose verketteter Systeme II Neben prozessbedingten Unterschieden können unterschiedliche Bearbeitungstakte folgende Ursachen besitzen: • Technische T h i h Störungen Stö an Einzelstationen Ei l t ti Im Störungsfall einer Station oder ihrer Zuführsysteme erfolgt keine unmittelbare Stillsetzung der g gesamten Anlage. g Nachgelagerte g g Stationen werden aus dem Speicher bestückt, vorgelagerte Stationen können in den Speicher ausgeben. In diesem Falle werden die Speicher auch als Störungsspeicher bezeichnet. bezeichnet • Wechselnde Mitarbeiterperformance manuellen Bearbeitungsplätzen. bei Während Wäh d zur Vermeidung V id von Störungen Stö b i der bei d Ermittlung der Taktzeit von starr verketteten Systemen die maximale Bearbeitungszeit zugrunde g gelegt g g werden sollte,, kann bei losen Verkettungen in der Anlagenkonzeption die mittlere Zeit berücksichtigt werden. Eine weitere Ursache für den variierenden A b it t kt kann Arbeitstakt k b i i l beispielsweise i auch h durch d h die di bereits in der Automatisierungsstufe 4 beschriebene Mehrmaschinenbedienung verursacht werden. Bild 7.117 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Kombinierte Formen der Verkettung Lose verkettete Systeme sind dadurch gekennzeichnet, dass die Zwischenspeicher ausreichend groß dimensioniert sind einen Stillstand der Anlage aufgrund des Stillstands einzelner Stationen zu verhindern. In der Regel erfolgt die Auslegung von Zwischenspeichern weitestgehend auf der Basis von wirtschaftlichen Überlegungen. Sind die S i h Speicher nur zur Überbrückung Üb b ü k k kurzer Still Stillstandszeiten konzipiert, so spricht man von einer elastischen Verkettung. Werden innerhalb eines Fertigungs- oder Montagesystems sowohl Teilabschnitte mit starrer als auch mit loser Verkettung eingesetzt, so spricht man von einer kombinierten Verkettung. Eine kombinierte V k Verkettung b besteht h somit i aus einer i A i Aneinanderd reihung von verschiedenen Produktionsabschnitten mit fester Verkettung, die über Zwischenspeicher lose bzw. elastisch verkettet werden. Im nachfolgenden Bild 7.119 ist ein Beispiel für eine lose Verkettung mehrerer Rundtransferautomaten dargestellt. Eine weitere Organisationsform stellen die flexibel verketteten Produktionseinrichtungen dar, die an anderer Stelle näher erläutert werden. Bild 7.118 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Lose verkettete Rundtransfersysteme Bild 7.119 7 119 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Räumliche Verkettungsstrukturen Neben der zeitlichen Verkettung ist bei Produktionssystemen auch die räumliche Struktur des Materialflusses in Bezug auf die Arbeitsstationen von o g großer oße Bedeutung. edeutu g Ausgehend von der Hauptflussrichtung der Werkstücke kann unterschieden werden in • Innenverkette Systeme • Außenverkettete Systeme Bei innenverketteten Systemen erfolgt die Anordnung der Arbeitsstationen im Hauptfluss der Werkstücke. Bei außenverketteten Systemen sind die Stationen dagegen g g neben dem Hauptfluss p angeordnet. g Sie können dabei im Nebenschluss oder über eine Bypass-Struktur angebunden sein. Bild 7.120 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Strukturen von Zwischenspeichern I Zwischenspeicher zur Pufferung von Werkstücken innerhalb eines Produktionssystems können in verschiedenen Anordnungen implementiert werden, wobei zwei prinzipielle Realisierungsvarianten unterschieden werden: • Speicher mit bewegten Werkstücken Bei dieser Speicherform werden die Werkstücke sukzessive weiterbewegt. Beispiele hierfür sind: − Durchlauf- bzw. Hauptschlussspeicher Bei dieser Speicherform p werden die Werkstücke in der Zugangsreihenfolge wieder entnommen. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem FIFO-Speicher (first in – first out). Im einfachsten Fall kann hierfür eine ausreichend dimensionierte Transportstrecke zwischen verschiedenen Stationen verwendet werden, jedoch werden vielfach auch komplexere Anordnungen verwendet, wie im nachfolgenden Bild dargestellt. Der Wirkungsbereich eines Durchlaufspeichers beschränkt sich auf die beidseitig angrenzenden Arbeitsstationen. Bild 7.121 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Strukturen von Zwischenspeichern II Schematische Darstellung eines Durchflussspeichers − Umlaufspeicher Bei dieser Speicherform ist die Bearbeitungsreihenfolge prinzipiell nicht festgelegt. Bei automatisierten Systemen erfolgt die Zuordnung über die bereits bekannte Werkstückträgercodierung. Umlaufspeicher U l f i h enthalten th lt d den W k tü k Werkstückvorrat t für alle angeschlossenen Arbeitsstationen. Bild 7.122 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Strukturen von Zwischenspeichern III • Speicher mit ruhenden Werkstücken Bei diesen Anordnungsformen sind die gespeicherten Werkstücke prinzipiell im Ruhezustand und werden nur im Falle der WerkstückWerkstück zuführung- bzw. –entnahme bewegt. Beispiele hierfür sind: − RücklaufRücklauf bzw. bzw Nebenschlussspeicher Rücklaufspeicher werden als seitlich angeordnete Stichleitungen eines Transportsystems ausgeführt. g Die Entnahme erfolgt g in der umgeg kehrten Reihenfolge der Bestückung, weshalb sie auch als LIFO-Speicher (last in – first out) bezeichnet werden. Analog den Durchflussspeichern können die Stichleitungen auch komplexe Strukturen aufweisen. Dieser Speichertyp wird nur im Falle einer Unterbrechung g des Hauptflusses p aktiv. Bild 7.123 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Strukturen von Zwischenspeichern IV − Direktzugriffsspeicher Dem Namen entsprechend kann bei diesem Speichertyp wahlfrei auf die einzelnen Elemente im Speicher direkt zugegriffen werden. werden Für den Zugriff werden hierfür in der Regel freiprogrammierbare Handhabungseinrichtungen verwendet. Abhängig von den vor- und nachgelagerten Produktionseinrichtungen können die Handhabungssysteme auch zur Entnahme und B tü k Bestückung eingesetzt i t t werden. d Di BelegungsDie B l planung des Speichers wird durch ein übergeordnetes Leitsystem verwaltet. Bild 7.124 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern I Werden Zwischenspeicher in Form von Hauptoder Nebenschlussanordnung als Störungsspeicher verwendet, sind besondere Anforderungen zu beachten Beispielsweise sind Transportsysteme, beachten. Transportsysteme die im Arbeitstakt der Anlage weiterschalten, für diesen Fall ungeeignet, wie im nachfolgenden Bild dargestellt wird. Auftretende Störungen der vorgeschalteten h lt t St ti Station füh führen zu leeren l T Transportt plätzen und bewirken eine Arbeitsunterbrechung an der nächsten Station. Störungen an dieser Station hingegen g g verhindern ein Weiterschalten des Transportsystems, wodurch die vorhergehende Station keine Werkstücke mehr an die Transporteinrichtung übergeben kann. Derartige Systeme entsprechen in ihrer Funktionalität lediglich einer starren Verkettung. Bild 7.125 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern II Grundbedingung für den Einsatz als Störungsspeicher ist die Möglichkeit der Werkstücke, im Speicher zu den vorausgehenden Werkstücken aufzuschließen um somit die störungsbedingten aufzuschließen, Lücken im Werkstückfluss zu schließen. Eine mögliche Realisierung für eine Anordnung mit Hauptschlussspeicher ist nachfolgend dargestellt. Die maßgebliche Zielsetzung bei der Konzeption einer Produktionsanlage liegt in deren Wirtschaftlichkeit begründet, die über den gesamten Produktionszeitraum betrachtet werden muss. muss Ausgehend von der prognostizierten Stückzahl besteht das Optimum bei den minimalsten Kosten, die pro Werkstück realisiert werden können. Bild 7.126 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern III Bei der Konzeption der Speichergröße unterschiedliche Aspekte zu berücksichtigen: sind • Monetäre Randbedingungen Neben den Kosten für die Speichersysteme sind auch die erhöhte Kapitalbindung für die Halbfertigprodukte sowie die erhöhte Durchlaufzeit zu beachten. beachten • Verfügbarkeit Ein wesentliches Kriterium bei der Auslegung d Verkettungsart der V k tt t und d der d darin d i enthaltenen th lt Störungsspeicher für Systeme mit mehreren Arbeitsstationen ist die erreichbare Verfügbarkeit des Produktionssystems. y Verfügbarkeit, g Arbeitstakt und Betriebsdauer stellen die entscheidenden Kenngrößen bei der Berechnung der Produktionsrate dar. Beii der B d Berechnung B h d Verfügbarkeit der V fü b k it sind i d die di folgenden Punkte zu beachten. − Prognostizierte Störhäufigkeit Die Festlegung der Speichergröße wird maß maßgeblich durch die prognostizierte Störhäufigkeit der Anlagenkomponenten beeinflusst. Bild 7.127 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern IV Neben den eigentlichen Bearbeitungsstationen mit ihren Zuführ- und Entnahmevorrichtungen müssen auch Störquellen der Speichereinrichtungen berücksichtigt werden. werden − Dauer der störungsbedingten Unterbrechungen − Prognose über prozess prozess- und organisations organisationsbedingte Unterbrechungszeiten wie beispielsweise Umrüstvorgänge • Platzbedarf Lose verkettete Anlagen mit ausreichend dimensionierten Zwischenspeichern bieten ein Höchstmaß an Flexibilität hinsichtlich der A d Anordnung d der verschiedenen hi d B b i Bearbeitungsstationen. Diese Flexibilität sowie die Integration von Speichersystemen führen jedoch zu einem zusätzlichen Platzbedarf im Vergleich g mit starr verketteten Anlagen. Die dargestellten Aspekte verdeutlichen, dass die optimale Speicherauslegung von einer großen Anzahl an Eingangsparametern abhängig ist. Die Planung von Fertigungs- und Montageanlagen erfolgt deshalb in der Regel mit Hilfe computergestützter Planungssysteme. Bild 7.128 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern V Folgende grundlegenden Kenngrößen werden zur Berechnung der Verfügbarkeit herangezogen: • Die Störhäufigkeit einer Station • • Unter der Störungshäufigkeit si einer Station versteht man den prozentualen Anteil der Bearbeitungsvorgänge bzw. Bearbeitungstakte, die aufgrund einer Störung nicht korrekt abgeschlossen werden können. Die stationsbezogene mittlere Dauer für die Beseitigung einer Störung Tsi Den geplanten Arbeitstakt TAT Aus der Störungshäufigkeit si kann stationsbezogen g der Anteil der korrekt abgeschlossenen g Bearbeitungstakte ki berechnet werden: ki = 1 – si Bei einem starr verketteten System mit q Einzelstationen kann dieser Anteil an korrekt abgeschlossenen Arbeitstakten für das Gesamtsystem K als das Produkt dieser Werte berechnet werden. K = k1 * k2 * …*kq Bild 7.129 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern VI Die Verfügbarkeit V des Systems definiert den Anteil der störungsfreien Produktionszeit Tp in Bezug auf die hierfür benötigte Betriebsdauer TB. Im nachfolgenden Beispiel werden für eine Montageanlage, die aus 4 Einzelstationen besteht, die Verfügbarkeiten bei verschiedenen Verkettungsmaßnahmen berechnet : • Alternative 1: Starr verkettetes System • Alternative 2: Kombinierte Verkettung • Alternative 3: Lose Verkettung Darüber hinaus werden für die letzten beiden Alternativen sinnvolle Speichergrößen überschlägig ermittelt. ermittelt Zur Vereinfachung der Rechnung besitzen alle Stationen die gleiche Störhäufigkeit si = 0,5 %. Der Arbeitstakt beträgt TT = 10 s, die mittlere Dauer für die Störungsbeseitigung sei bei allen Stationen Ts = 100 s. Sonstige Unterbrechungszeiten sowie Störungen im TransportTransport und Speichersystem werden bei dieser Rechnung vernachlässigt. Bild 7.130 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern VII Alternative 1: Starr verkettetes System ki = 1-0,005 = 0,995 4 K = 0,995 , ≈ 0,98 , Die störungsfreie Produktionszeit kann bei n durchgeführten Arbeitstakten berechnet werden als Tp = n · K · TT Die gesamte Betriebsdauer hingegen berechnet sich als Summe dieser Zeit und der Zeit, die in diesem Zeitraum für Störungsbeseitigung aufgewendet werden musste. TSD = n · (1-K) · Ts Als Verfügbarkeit Al V fü b k i des d starr verketteten k S Systems ergibt sich: V= Tp Tp + TSD K ⋅ TT = K ⋅ TT + (1 − K ) ⋅ TS V ≈ 83,15 % Bild 7.131 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern VIII Alternative 2: Kombinierte Verkettung Bei dieser Alternative werden je zwei Stationen zu starr verketteten Teilsystemen gruppiert, die wiederum lose miteinander verkettet werden. werden Es gilt: K1 = K2 = 0,995 · 0,995 ≈ 0,99 Daraus können die Verfügbarkeiten der TeilTeil systeme berechnet werden: V1 = V2 ≈ 90,8% Dies entspricht Di t i ht bei b i einer i l losen V k tt Verkettung auch h der d Gesamtverfügbarkeit der Anlage. Alternative 3: Lose Verkettung Entsprechend den oben beschriebenen Grundlagen kann die Gesamtverfügbarkeit bei loser Verkettung der 4 Stationen berechnet werden zu V ≈ 95,2% 95 2% Berechnung der Mindestgröße des Speichers Bei der Bestimmung der erforderlichen Speichergröße zwischen zwei Teilsystemen muss gewährleistet sein, dass die Störung eines Teilsystems keine Auswirkungen auf die Produktion des anderen Systems hat. Bild 7.132 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern IX In einer vereinfachten Näherungsrechnung wird von folgenden Voraussetzungen ausgegangen: • Der Speicher besitzt ausreichend Teile, um während einer Störung des vorangestellten Systems die abnehmende Station zu versorgen. • Der Speicher besitzt genug Leerplätze, um im Falle einer Störung der abnehmenden Station die Werkstücke der vorhergehenden Station aufzunehmen. • Die verschiedenen Störungen sind gleich verteilt. Dies bedeutet, dass die Einzelstörungen lediglich anhand ihrer Häufigkeit , jedoch ohne stochastischen Einfluss angenommen werden. Die Mindestanzahl an Werkstücken ergibt sich somit aus der Addition der entsprechenden Werkstückzahlen für beide relevanten Stationen bzw. Systeme. Die benötigte Anzahl an Werkstücken kann aus dem vorgegebenen Systemtakt sowie den Zeiten für die Störungsbeseitigung berechnet werden. Anhand der oben dargestellten Beispiele werden nun die mindestens erforderlichen Speichergrößen ermittelt. Bild 7.133 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern X Alternative 1: Starre Verkettung ohne Puffer Alternative 2: Kombinierte Verkettung Bei einer annähernden Gleichverteilung g der Störungen kann die Zeit für die Stördauer der Teilsysteme näherungsweise als die Summe der Zeiten für die einzelnen Stationen angenommen werden. System 1: TSD1 = Ts1 + Ts2 = 200 s System 2: TSD2 = Ts3 + Ts4 = 200 s Bezogen g auf den g geplanten p Arbeitstakt ergibt g sich hieraus eine Speichergröße von S = (TSD1 + TSD2) / TT = 40 Werkstücke Alternative 3: Lose Verkettung Bei dieser Variante werden insgesamt 3 Zwischenspeicher benötigt, die jeweils folgende Größe aufweisen sollten: S1 = (Ts1 + Ts2) / TT S2 = (Ts2 + Ts3) / TT S3 = (Ts33 + Ts44) / TT Aufgrund der identischen Werte ergibt sich eine Speichergröße von jeweils 20 Werkstücken. Bild 7.134 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern XI Wie anhand der Beispiele erkennbar ist, steigt die Verfügbarkeit im dargestellten Beispiel bei einer ausreichenden Dimensionierung der Störungsspeicher stark an. an Es ist aber ebenso ersichtlich, ersichtlich dass die Verfügbarkeit in großem Maße vom Verhältnis des Arbeitstakts zur Störungsbeseitigungsdauer abhängt. Mit zunehmender Speichergröße öß nähert äh t sich i h die di Gesamtverfügbarkeit G t fü b k it dem d idealen Fall der losen Verkettung an. Da aus wirtschaftlichen Gründen eine optimale lose Verkettung g mit theoretisch unendlicher Speichergröße p g nicht sinnvoll ist, wird in der praktischen Umsetzung eine wirtschaftlich optimale Auslegung angestrebt. Die maßgeblichen Di ß bli h K Kostenfaktoren f k b i der bei d Konzeption eines Puffers können in drei Bereiche unterteilt werden, wie das Diagramm in Bild 7.136 verdeutlicht. • • Investitionskosten Pufferfüllkosten • Stillstandskosten Bild 7.135 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern XII Bild 7.136 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner Auslegung von Störungsspeichern XIII Die Investitionskosten bestehen aus einem Grundkostenanteil, der unabhängig von der Pufferkapazität erforderlich ist. In diesem Bereich sind beispielsweise die Kosten für Vorrichtungen, Hubstationen oder Steuerungstechnik enthalten. Dieser Kostenbereich wird ergänzt durch kapazitätsabhängige Komponenten wie Größe des Puffersystems oder Werkstückträger. Die Pufferfüllkosten ergeben sich aus dem in den Puffern durch Werkstücke g gebundenen Kapital. p Die Stillstandskosten entstehen durch ungenutzte Montagekapazitäten infolge von Störungsunterbrechungen, die nicht durch die Pufferkapazität abgefangen werden können. Bild 7.137 09/10 Handhabungstechnik Anwendungszentrum Großstrukturen in der Produktionstechnik Lehrstuhl Fertigungstechnik Automatisierung in Fertigung und Montage Prof. Wanner
