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23.10.1987 - 

CIM-fähige Werkzeugmaschinen sind Komplettbearbeitungs-Zentren:

Maschinenhersteller werden Systemanbieter

Monofunktionale Fräs-, Dreh- und Bohrmaschinen gehören bald der Vergangenheit an. Dieses Fazit zieht Fritz Krempel* aus einer Bestandsaufnahme zum Thema: "Werkzeugmaschinen im rechnerintegrierten Betrieb". Konsequenz des CIM-Gedankens sind Komplettbearbeitungs-Maschinen. Für die Hersteller heißt das außerdem: Sie dürfen nicht mehr nur Maschinen, sie müssen Systeme anbieten.

Werkzeugmaschinen zum Fräsen, Bohren, Drehen und Schleifen entsprechen in ihrem Grundaufbau meist nicht mehr den Anforderungen, die der CAM- oder gar der CIM-Gedanke an solche Systeme stellt. Die wichtigsten Gesichtspunkte sind dabei der Materialfluß, das Tool-Management, die elektronische Verknüpfung sowie " last but not least " die Entsorgung.

Nur wer die Peripherie für Werkstück, Werkzeug und Daten bis hin zu Programmierung und DNC-Betrieb beherrscht, kann die Grundkonzeption der Basis-Werkzeugmaschine sinnvoll anpassen. Maschinen, die diese Forderungen nicht erfüllen, können weder verkettet noch zu Fertigungszellen, Inseln oder gar zu flexiblen Systemen erweitert werden. Die CAM- oder CIM-fähige Werkzeugmaschine wird immer mehr zur Komplettbearbeitungsmaschine werden, so daß die klassischen Werkzeugmaschinen wie Fräs-, Bohr-, Dreh- und Schleif-, ja sogar Meßmaschinen, voraussichtlich verschwinden werden.

Neben den primär technischen, produktgebundenen Funktionen spielen die betriebswirtschaftlich planerischen, auftragsgebundenen, also die Verbindung von PPS zu CAD/CAM, eine wesentlichen Rolle. Dies alles führt zu einem Systemdenken, welches bei der Grundmaschine als Werkzeugmaschine beginnen muß. Etwas ketzerisch formuliert: "Was nützt mir CIM, wenn keine dreischichtige Späneabfuhr an der Werkzeugmaschine garantiert wird?" Wichtig ist aber auch, daß die Verfügbarkeit sehr hoch ist, damit solche teuren Investitionen sich auch vom wirtschaftlichen Standpunkt vertreten lassen.

Grundmaschine, flexible Zelle, flexible Insel, flexibles System ñ in dieser aufsteigenden Reihenfolge müssen Werkzeugmaschinen ausbaufähig sein. Dies gilt genauso für die elektronischen Steuerungen, die auch in Hierarchien aufgebaut sein müssen. Die Berücksichtigung des Materialflusses hat neben konstruktiven Veränderungen an der Grundmaschine auch Einfluß auf die Aufstellung der Maschinen, zum Beispiel in Linie oder in Meistereien.

Der Einfluß der Werkzeuge reicht von der Werkzeuglagerung über die Werkzeugvoreinstellung bis hin zum automatischen Werkzeugwechsel mit Codierung. Hingegen beeinflußt die Datenkopplung die Programmierung genauso wie die Schnittstellen der Steuerung. Die Betriebsdatenerfassung und die Maschinendaten-Erfassung wiederum üben Einfluß auf die Fehlererkennung aus. Dieses Systemdenken ñ die Zusammenfügung von Werkstück, Werkzeug und Programm ñ bestimmt die Auslegung der Grundmaschine.

Systemdenken bestimmt Auslegung der Maschine

Zu den Werkstücken gehört automatisch das Spannmittel hinzu. Die Versorgung mit Kühlmittel und die Entsorgung der Späne sind weitere konstruktive Auslegungspunkte. Die Maschine wird also in der ersten Ausbaustufe zur Zelle oder zur Komplettbearbeitungsmaschine. Automatischer Werkstückwechsel inklusive Spannmittel sowie automatischer Werkzeugwechsel und automatisches Einlesen oder Aufruf des neuen Werkstückbearbeitungsprogrammes in die CNC-Maschine sind neben der Entsorgung die Hauptsystemkomponenten einer flexiblen Zelle.

Die Fertigungsinsel besteht normalerweise aus zwei bis drei Maschinen, die beispielsweise über Shuttlewagen oder Roboter versorgt werden. Die Verkettungsfreundlichkeit spielt eine Hauptrolle bei der Auslegung der Grundmaschinen.

Ein flexibles Fertigungssystem stellt die höchsten Anforderungen an die Rechnerkopplung. Fertigungsleitrechner werden hierbei zwischen Host-Computer und Maschinensteuerungen geschaltet. Im Hallenrechner oder im Host werden die Aufträge verwaltet. Die Betriebsdaten-Erfassung meldet die entsprechenden Daten zurück. Hier findet das echte Zusammenspiel von PPS und CAD/CAM, in Richtung auf eine CIM-Lösung, statt.

Der Material- und Spannmittelfluß beginnt beim Rohteil- oder Vorrichtungslager und führt meist über Rüst- und Spannplätze zur Maschine. Preiswerter ist es, die Werkstücke beispielsweise in Magazinen oder Paletten geordnet an die Maschine zu bringen und universelle Spannmittel zu konstruieren. Die Trennung von Plattentransport und Be- oder Entladen mit geeigneten Handhabungsgeräten ist empfehlenswert. Eine hervorragende Idee ist es, über Adapter, die mehrfach verwendet werden können, die Spannmittel einfacher und universeller zu gestalten.

Beim Tool-Management spielen die Daten, die einem Werkzeug mitgegeben werden müssen, also Ident.-Nummer, Art, Sorte, Standzeit etc., sowie die Korrekturwerte eine wichtige Rolle. Hier geht die Tendenz weg von den Großmagazinen hin zum Palettentransport auch bei Werkzeugen. Schwesterwerkzeuge sind für den Fall eines Werkzeugbruchs ebenfalls einzuplanen.

Datenfluß so sicher wie Werkzeugwechsel

Neben dem Werkstückprogrammen sind alle diese Daten zwingend nötig, um ein System zu beherrschen. Der sogenannte Datenfluß muß so sicher sein wie der Materialfluß und der Werkzeugwechsel.

Um Vorrichtungen, Maschine und Werkstücke sauber zu halten, benötigt man größere Kühlmittelmengen als für die reine Werkzeugkühlung. Verschiedene Bearbeitungen erfordern verschiedenartige Kühlmittel, Kühlmittelmengen und -drücke. Die Filterung ist eine zwingende Notwendigkeit; sie ist unterschiedlich für Stahl, Guß oder Aluminium-Späne. Dasselbe gilt für die Entsorgung, angefangen von langen Spänen bis zu Staub. Für flexible Systeme, die beispielsweise Bearbeiten, Schleifen und Messen in einer einzigen Komplettbearbeitungsmaschine vereinen, ist dies eine sehr schwierig zu lösende konstruktive Aufgabe.

Zum Zweck der Kühlmittelversorgung und Späneentsorgung gibt es grundsätzlich entweder Einzelsysteme oder Zentralsysteme. Ebenfalls in Betracht gezogen werden müssen die Themen Spritzschutz beziehungsweise Komplettkapselung.

Werkstück- und Werkzeugwechsel gehören zur Grundausstattung einer Werkzeugmaschine. Die erweiterte Peripherie hingegen besteht aus Bausteinen, die sinnvollerweise hinzu kommen können, aber nicht müssen. Dazu gehört beispielsweise die Paletten- und Werkzeugcodierung, aber auch das Einmessen der Werkzeugschneiden in der Maschine.

Die Frage: "Messen in der Maschine oder Messen nach der Produktion?" ist ein abendfüllendes Thema Ob die Messungen mittels Taster, Laser, Luft oder auf andere Weise erfolgen, beeinflußt ebenfalls die Auslegung der Maschine. Voraussetzung ist allerdings zweierlei: kein Schmutz und kein Wärmegang. Absolute Meßgeräte sind immer besser als Vergleichsmeßgeräte.

Sensoren sind weitere Peripheriebausteine, die neben der Fehlersuche auch Werkzeugbruch oder Zerstörung von Bauteilen vermeiden helfen. Vorschub-, Schnittkraft-, Geräuschsensoren etc. müssen in die Maschine eingeplant werden, wenn sie mannlos betrieben werden soll.

Die CNC-Steuerungen haben eine integrierte SPS-Steuerung und Schnittstellen zu Leitrechnern, die für die Verknüpfung von Voreinstellgerät, Maschine, Handhabungseinrichtungen, Rüstplatz, Waschmaschine und Meßmaschine verantwortlich sind. Die organisatorischen Daten müssen verwaltet werden für Betriebsmittel, Werkzeuge, NC-Programme, DNC-Betrieb, MDE und Betriebsdatenerfassung.

Die Reihenfolge gehört zur Leitrechner-Ebene

Die Reihenfolge der Abarbeitung von Aufträgen und Ersatzstrategien gehört noch zur Leitrechner-Ebene. Darüber liegt die Planungsebene mit PPS- und CAD-/CAM-Verknüpfung. Werkstattebene, Fertigungsleitebene und Planungsebene müssen aufwärts und abwärts gekoppelt werden. Der Schlüssel zu CIM führt über die Rechnerkopplung.

Der technische, produktbezogene Datenfluß geht von der Zeichnung aus, die mit Hilfe von CAD erstellt wurde. Der Arbeitsplan sowie die Programmerstellung für die CNC-Maschine erfolgen über CAP. Die Fertigung kann auf einer CAM-Zelle laufen. CAQ, die Qualitätskontrolle, erfolgt oft während des Prozesses; damit ist die Kette geschlossen.

Der betriebswirtschaftliche, also auftragsbezogene Datenfluß beginnt bei der Angebotskalkulation und berührt dann die Auftragssteuerung mittels Teilestammdatei und Stücklisterauflösung. Die Arbeitspapiere ñ Material und Lohnscheine ñ kommen dann über das PPS. Letztendlich erfolgt der Einkauf, die Lagerhaltung bis hin zur Nachkalkulation und Inventur ebenfalls via PPS.

Die CIM-Fähigkeit besteht nun darin, diese zwei Datenflüsse miteinander sinnvoll zu verknüpfen. Dies wird am Beispiel der CAM-Inseln als Fertigungszellen deutlich: Diese Inseln sind rechnergekoppelt, so daß sie Anweisungen bekommen und Rückmeldungen geben können. In der CAM-Zelle fließen also die Datenflüsse PPS und CAD/CAM organisatorisch zusammen. Erst diese Vernetzung ist der Beginn einer CIM-Lösung. Der letzte Schritt ist dann die Anbindung von Unternehmensplanung, Marketing, Buchhaltung und Kostenrechnung.

Bei CIM-Einführung Teilestammdatei anlegen

Bei der CIM-Einführung muß zunächst eine Teilestammdatei ñ angefangen beim Numerierungs- und Klassifizierungssystem ñ angelegt werden. Dann folgen Stücklistenauflösung, Arbeitsplan und Arbeitspapiere. Ist beispielsweise eine IBM/36 vorhanden, so kann das PPS-System auf dieser Anlage laufen. Die CAD- und CAP-Arbeitsplätze, als PCs ausgeführt, werden als intelligente Terminals per Emulationsprogramm an die /36 angehängt. Hierdurch entsteht die erste Verbindung PPS ñ PC oder PPS ñ CAD/CAM. Die Einführung weiterer CIM-Inseln geschieht im Lager, im Einkauf oder in der Disposition.

In der Fertigung sind die einzelnen CAM-Inseln zu vernetzen; Voreinstellgerät, Programmiergerät und Handhabungsgerät werden über DNC-Betrieb verbunden. Der nächste Schritt ist die Verknüpfung vom Leitrechner zum Host-Computer. Eine weitere wichtige CIM-Insel ist BDE/MDE für den Datenrückfluß. Die Anbindung weiterer PPS Bausteine führt dann immer weiter hin zur CIM-Endlösung.

Die klassische Organisation eines Unternehmens wird in eine CIM-Organisation verwandelt. Es entstehen neue Aufgabenverteilungen. Kein System hat die Betriebslandschaft je so geändert, wie dies bei CIM der Fall sein wird; die Einführung der CNC-Maschine war dagegen eine leichte Aufgabe. Aber noch nie gab es auch solche Rationalisierungsmöglichkeiten wie bei CIM.

CIM-gerechte Werkzeugmaschinen sind Komplettbearbeitungszellen; sie sind flexibel, umrüstfreundlich und haben eine hohe Verfügbarkeit. Alle Daten können laufend verfolgt werden. Die Anbindung des Material- und des Werkzeugflusses an den Datenfluß bedeuten weitere Einsparungen.

Diese neuen Maschinen werden sich ständig ähnlicher werden. Hauptantriebe, Vorschubantriebe, Führungen und Meßsysteme sind hierbei dieselben. Der Maschinenbauer beschäftigt sich immer mehr mit der Peripherie und dem System. Dieses Systemdenken muß in die Konstruktion einfließen. Die Entwicklung systemvorbereitender Werkzeugmaschinen ist die große neue Herausforderung für die Maschinenhersteller.

Neben Maschinen sind Dienstleistungen anzubieten. Schlüsselfertige Systeme zu liefern, sollte das Bestreben der Werkzeugmachinenhersteller sein. Das Anwendungs-Knowhow in der Systemtechnik ist für den Verkauf von Werkzeugmaschinen zwingend vorzuschreiben.

Die Hersteller sollten CIM-fähige Systeme anbieten können. Sie müssen aber auch im eigenen Haus CIM einfuhren, da sonst das Know-how für den Verkauf fehlt. Nur wer selber PPS mit CAD/CAM verknüpft hat, kann solche Systemtechnik vorführen und vertreiben.

Die Schulung des Bedienungspersonals und der Servicetechniker beim Kunden ist genauso wichtig, wie den eigenen Service an die Systemtechnik heranzuführen. Diese Herausforderung an das CIM-fähige Produkt geht also parallel mit der eigenen kostengünstigen und schnellen Fertigung dank einer guten CIM-Organisation. Wer diesen Schritt nicht mitmacht, wird hoffnungslos veralten.

CIM dient der Existenzsicherung des Unternehmens. Datenverarbeitung und PCs werden die Arbeitswelt verändern, mehr als die CNC-Steuerungen die Werkzeugmaschinen beeinflußt haben. Gezwungenermaßen kehrt Ordnung und Systematik in die Herstellerfirmen ein. Eine Langzeitplanung für CIM wird hierbei ein Leitbild sein. Werkzeugmaschinenhersteller werden zu Systemanbietern.

*Fritz Krempel ist Technischer Leiter der Maschinenfabrik Ravensburg AG, Ravensburg.