Design von Flexiblen Fertigungssystemen

Ein flexibles Fertigungssystem (FF-System; FFS) ist ein Produktionssystem, das aus einer Menge von ersetzenden und/oder ergänzenden numerisch gesteuerten Maschinen besteht, die durch ein automatisiertes Transportsystem miteinander verbunden werden. Das folgende Bild zeigt ein typisches FFS mit vier Bearbeitungszentren (Maschinen), einem Spannplatz, einem Transportsystem für die Paletten und mehreren zentralen Pufferplätzen. a

Sämtliche Vorgänge in dem FFS werden durch einen dedizierten Computer (FFS-Zellenrechner) zentral gesteuert, der oft in eine Rechnerhierarchie eingebettet ist. Das FFS ist in der Lage, Werkstücke eines bestimmten Werkstückspektrums in wahlfreier Reihenfolge ohne nennenswerte Verzögerungen durch Umrüstvorgänge zu bearbeiten. Dies wird möglich, weil in einem FFS eine gegebene Menge von voreingestellten Werkzeugen z.T. in einem zentralen Hintergrundmagazin mit kurzen Zugriffszeiten und z.T. in lokalen Werkzeugmagazinen an den Maschinen in direktem Zugriff verfügbar ist und die Werkstücke i.d.R. an separaten Spannplätzen auf speziellen Werkstückträgern (Paletten) fixiert werden, die eine schnelle Justierung der Werkstücke an den Bearbeitungsmaschinen ermöglichen. Der in der konventionellen Werkstattfertigung übliche zeitaufwendige Werkzeugwechsel (einschl. der erforderlichen Vorbereitung des Werkzeugs) wird durch weitgehende Automation der Werkzeugwechselvorgänge während der Maschinenhauptzeit durchgeführt. D.h. während die Bearbeitung an einem Werkstück mit einem bestimmten Werkzeug noch läuft, kann bereits das nächste Werkzeug mit einem speziellen Greifer aus dem Werkzeugmagazin entnommen werden und in kürzester Zeit nach Abschluß des Bearbeitungsvorgangs simultan gegen das vorhergehende Werkzeug ausgetauscht werden. Durch diesen Vorgang werden i.d.R. nur wenige Sekunden verbraucht, die im Fall eines Werkstückwechsels ohnehin für das Laden des notwendigen NC-Programms zur Steuerung der Maschine während der nächsten Bearbeitungsoperation benötigt werden.

In einem FFS werden üblicherweise Werkstücke mehrerer unterschiedlicher Produkttypen und Produktionsaufträge gleichzeitig bearbeitet. Die Werkstücke werden i.allg. mit Hilfe von durch die Werkstückgeometrie determinierten Spannelementen auf Paletten montiert. Jedes Werkstück ist durch seinen spezifischen Bearbeitungsfortschritt gekennzeichnet, der von der FFS-Steuerung individuell gespeichert und fortgeschrieben werden muß. Zwischenlagerungen der teilweise bearbeiteten Werkstücke erfolgen in zentralen Palettenspeichern (Zentralpuffern) oder - falls dies möglich ist - in lokalen Speicherplätzen an den Maschinen.

Jeder der CNC-Maschinen (Bearbeitungszentren) in dem FFS ist eine lokal in direktem Zugriff verfügbare Menge von (ca. 20-200) Werkzeugen zugeordnet, die z.B. in Werkzeugkassetten, Werkzeugtrommeln, Werkzeugscheiben oder in Werkzeugkettenmagazinen (Umlaufmagazinen) angeordnet sein können. Werden für die Bearbeitung eines Werkstücks Werkzeuge benötigt, die nicht im maschinennahen Werkzeugmagazin vorhanden sind, dann müssen sie dem Werkzeugmagazin von außen zugeführt werden. I.d.R. werden dabei nicht mehr benötigte Werkzeuge gegen die neuen Werkzeuge ausgetauscht. Der Werkzeugaustausch kann dabei ein einzelnes Werkzeug betreffen er kann aber auch in der Weise geschehen, daß ganze Kassetten oder Scheiben ausgewechselt werden, die mit einer im Hinblick auf die unmittelbar an der Maschine bevorstehenden Bearbeitungsvorgänge vorsortierten Werkzeugmenge bestückt sind. Der Austausch der Werkzeuge kann jeweils manuell oder durch automatische Werkzeugversorgungssysteme erfolgen.

Während eine Umstellung von einem Werkstückspektrum auf ein anderes bei Bearbeitungszentren mit Werkzeugkettenmagazinen oft mit einer (kurzen) Umrüstzeit verbunden ist, in der die Kette nicht zur Versorgung der Spindel an der Maschine zur Verfügung steht, sind Bearbeitungszentren mit Werkzeugkassetten oder auswechselbaren Werkzeugscheiben i.d.R. flexibler, da hier größtenteils hauptzeitparallel, d.h. während die Maschine noch an einem Werkstück arbeitet, Werkzeugteilmengen ausgetauscht werden können und damit die Maschine zur Bearbeitung des nächsten Werkstücks vorbereitet werden kann.

Bei Verwendung von Werkzeugkassetten sind einer Bearbeitungsmaschine eine oder mehrere austauschbare Werkzeugkassetten zugeordnet. Im Unterschied zum Werkzeugketten- oder Werkzeugscheibenmagazin ist für die Zuführung eines Werkzeugs zur Werkzeugspindel nicht die simultane Bewegung der gesamten Werkzeugmenge erforderlich. Vielmehr wird zur Beschickung der Werkzeugspindel mit Werkzeugen ein lokaler Transportmechanismus eingesetzt, der ein Werkzeug aus einer Kassette entnimmt und zur Übergabestelle eines Doppelgreifers transportiert, von wo aus die Werkzeuge der Spindel zugeführt werden. Bei geeigneter Steuerung können die Werkzeuge vor einem Werkstücktausch zur Vorbereitung des dabei notwendigen Werkzeugkassettenwechsels (Austausch der Differenzwerkzeuge zweier Werkstücke) vorsortiert werden.

In der Wissenschaft sind flexible Fertigungssysteme ein wenig aus der Mode gekommen. In der betrieblichen Praxis finden sich solche Systeme in großer Zahl.

Die Planung des Designs eines FFS ist eine komplexe Aufgabe, die sowohl nach technischen Kriterien als auch unter wirtschaftlichen Gesichtspunkte gelöst werden muß. Als Grundlage für die Investitionsentscheidung muß Klarheit darüber bestehen, wie hoch der mit einer FFS-Konfigurationsalternative erreichbare Output sein wird. Diese Frage kann mit Hilfe von Simulationsmodellen oder auch mit analytischen Wartschlangenmodellen beantwortet werden.

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Literatur

Günther, H.-O. und Tempelmeier, H. (2016). Produktion und Logistik - Supply Chain and Operations Management. 12. Aufl., Norderstedt: Books on Demand.
Tempelmeier, H. und H. Kuhn (1993). Flexible Manufacturing Systems - Decision Support for Design and Operation. New York: Wiley.