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Automatisierung von Fertigungsprozessen

01. Was ist ein Automat?

Ein Automat (griechisch: sich selbst bewegend) ist ein System (Maschine, Einrichtung, Anlage), bei dem nach der Auslösung ein vorprogrammierter Prozess selbstständig abläuft.

02. Welche Zusammenhänge bestehen zwischen der menschlichen Tätigkeit und der Automatisierung in der Fertigung?

  1. Das Arbeitssystem umfasst folgende Elemente (→ vgl. A 2.1.3):

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  2. Um ein Betriebsmittel fertigungstechnisch nutzen zu können, müssen folgende Funktionen/Tätigkeiten ausgeführt werden:

    1. Information → Arbeitsplan, technische Zeichnung, Stückliste usw.

    2. Bedienung → Rüsten, Einspannen, Anstellen usw.

    3. Steuerung → Auslösen und Beenden, Abläufe gestalten usw.

    4. Materialver- und -entsorgung → Normteile, Bauteile, Baugruppen usw.

    5. Kontrolle → Überwachung der Maschine und der Fertigungsqualität

Ausgehend von den Zusammenhängen aus A. und B., lassen sich folgende Veränderungen beim Übergang von konventioneller zu flexibler, automatisierter Fertigung herleiten:

MerkmalKonventionelle FertigungFlexible, automatisierte Fertigung
Information
  • mündlich, schriftlich
  • Unterlagen in Papierform
  • für jeden Einzelfall
  • durchgängiger Informationsfluss
  • Verknüpfung der Daten
  • gemeinsame Datenbank
  • Einmal-Eingabe, Mehrfachnutzung
Fertigungskonzept
  • Einzelmaschinen
  • Bearbeitungszentren
  • Sondermaschinen
  • Fließfertigung
  • flexible Fertigungsanlagen durch Kombination anpassungsfähiger Maschinen und Montagezellen
  • flexibler, automatisierter Werkstück- und Werkzeugwechsel
Fertigungsablauf
  • Automation nur bei gleichen Teilen mit hoher Stückzahl
  • hohe Arbeitsteile
  • zum Teil repetitive Teilarbeit
  • automatisierter Fertigungsablauf
  • ohne manuelle Eingriffe werden Werkstücke in wählbarer Folge gefertigt
  • geringere Arbeitsteilung
Steuerung
  • Fertigungssteuerung durch eine verantwortliche Person
  • Fertigungssteuerung durch Prozessrechner (DNC-Rechner)
Materialversorgung
  • manueller Transport
  • manueller Wechsel von Werkstücken und Werkzeugen
  • flexibler, automatisierte Materialfluss (logistischer Prozess)
  • integrierte Systeme für Transport, Handhabung und Lagerung
Fertigungsüberwachung
  • Überwachung durch eine Person (Maschine/Anlage, Werkzeuge, Prüfmittel und Werkstückqualität)
  • sensorgesteuerte Fertigungs- und Anlagenüberwachung
  • automatische Prozessoptimierung
  • rechnergestützte Qualitätsüberwachung

03. Welche Vor- und Nachteile sind für den Mitarbeiter mit der Automation der Fertigung verbunden?

Automation der Fertigung
Vorteile für den Mitarbeiter, z. B.:Nachteile für den Mitarbeiter, z. B.:
  • laufende Aktualisierung des Wissens durch Anpassungsfortbildung
  • Gefahr der Entlassung bei fortschreitender Rationalisierung (Substitution des Faktors Arbeit durch den Faktor Kapital)
  • Verminderung der Unfallgefahren
  • Notwendigkeit des permanenten Lernens
  • zum Teil Zunahme inhaltsreicher und qualifizierter Tätigkeiten, z. B.
  • Maschinenprogrammierung
  • Programm- und Ablaufoptimierung
  • Planungsaufgaben
  • Probleme beim Wiedereintritt in die Arbeitswelt nach längerer Unterbrechung (fehlende Erfahrung mit neuen Fertigungstechniken)
  • Spezialisten werden gebraucht
  • steigende psychische Belastung aufgrund der Zunahme der Überwachungsaufgaben und der sich beschleunigenden Prozesse
  • weniger physische Belastung
  • sinkende Marktchancen für ungenügend ausgebildete Arbeitskräfte
  • weniger Routinearbeiten

04. Welche Vor- und Nachteile sind für den Betrieb mit der Automation der Fertigung verbunden?

Automation der Fertigung
Vorteile für den Betrieb, z. B.:Nachteile für den Betrieb, z. B.:
  • Erhöhung der Ausbringung
  • Tendenz zur Unflexibilität der Anlagen
  • Verbesserung der Produktivität
  • Krisenanfälligkeit bei Programmwechsel
  • konstante gleichbleibende Qualität der Produkte
  • Notwendigkeit der Vollbeschäftigung der Anlagen zur Senkung der fixen Stückkosten
  • sinkender Anteil der Lohnkosten

05. Wann ist der Einsatz automatisierter Fertigung wirtschaftlich sinnvoll?

  • Massenfertigung gleicher Teile

  • Großserienfertigung formähnlicher Teile

  • Mittelserienfertigung von Teilefamilien bei Komplettbearbeitung

  • Kleinserien bei großer Formvielfalt und Komplettbearbeitung.

06. Welcher Automatisierungsgrad ist wirtschaftlich?

Der Grad der Automatisierung einer Anlage lässt sich rechnerisch darstellen, indem die Zahl der automatisierten Funktionen der Anzahl aller Funktionen gegenüber gestellt wird:

$$Automatisierungsgrad = \frac{automatisierte\; Funktionen}{manuelle\; Funktionen + automatisierte\; Funktionen} * 100\; [\%]$$

Mit zunehmender Automatisierung steigen die Anlagenkosten überproportional, die Personalkosten nehmen degressiv ab. Der optimale Grad der Automatisierung ist im Minimum der Gesamtkosten pro Stück realisiert:

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07. Welcher Zusammenhang besteht zwischen Mechanisierung/Automatisierung und Steuerungstechnik?

  • Bei der Mechanisierung wird die Muskelarbeit des Menschen durch Vorrichtungen sowie durch pneumatische, hydraulische und elektrische Antriebe (Aktoren) substituiert.

  • Die Steuerungstechnik entlastet den Menschen von immer wiederkehrender Gedächtnisleistung. Es werden Weg- und Schaltinformationen gespeichert, verarbeitet und übertragen.

Die folgenden Komponenten sind Voraussetzung für die Einführung der Mechanisierung bzw. Automatisierung:

  • Steuerungen, die Weg- und Schaltinformationen für den Fertigungsprozess speichern, verarbeiten und übermitteln

  • Antriebe (Aktoren) zur Bewegung von Werkstücken und Werkzeugen im Fertigungsablauf

  • Sensoren zur permanenten Überwachung des Fertigungsprozesses

  • Hard- und Software zur Steuerung, Regelung und Simulation des Fertigungsprozesses.

08. Welche Einrichtungen an Maschinen und Fertigungssystemen sind automatisierbar?

Verdeutlicht man sich die Ausbaustufen der Automatisierung am Beispiel einer Werkzeugmaschine, so lassen sich folgende Einrichtungen und Prozesse automatisieren (vgl. auch unten: 2.6.2 Flexible Fertigungssysteme, FFS):

VorgangAutomatisierung
1. Bedienen der Maschine
  • Rüsten, Einspannen, Ausspannen usw.
  • Vor- und Rückwärtsbewegung des Werkzeugträgers
2. Zuführen der Rohteile
  • automatische Zuführung der Werkstücke und Weitertransport
3. Zuführen der Werkzeuge
  • automatische Zuführung der Werkzeuge; automatischer Werkzeugwechsel
4. Messen
  • automatische, integrierte Messsysteme
5. Steuern
  • Vernetzung der anfallenden Informationen über DNC- und Leitrechner; Automatisierung der Abläufe; dazu werden mechanische, pneumatische und hydraulische Steuerungselemente sowie elektrische Aktoren eingesetzt (vgl. ausführlich unter 1.1.3 Arbeitsmaschinen und 1.4.3 Energieversorgung).