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Automatisierte Montagesysteme

01. Welche Montagesysteme werden unterschieden?

Es werden drei Systemarten unterschieden:

  1. Manuelle Montagesysteme

  2. Teilautomatisierte Montagesysteme

  3. Vollautomatisierte Montagesysteme.

Der Einsatz dieser Systeme ist abhängig von den zu montierenden Stückzahlen pro Jahr, je Erzeugnis oder je Erzeugnisvariante und von der Anzahl der unterschiedlichen Varianten:

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02. Was ist ein Montagesystem?

Ein Montagesystem ist eine aus mindestens drei Komponenten bestehende technischorganisatorische Fertigungseinheit:

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Integrierte Überwachungs- und Prüfeinrichtungen (Taster, induktive und optische Sensoren, Kamerasysteme), Handhabungseinrichtungen (Industrieroboter) und Ausrüstungen zur Erhöhung der Prozesssicherheit (Datentransfer mit dem Montageobjekt) können weitere Komponenten eines Montagesystems sein.

  1. Der Arbeitsplatz kann aus einer produktneutralen Grundausstattung bestehen, die mit einer produktspezifischen Zusatzausrüstung für die jeweilige Montageaufgabe ergänzt wird. Die Teilebereitstellung erfolgt ebenfalls produktbezogen. Ein Montageplatz kann beispielsweise mit den Fügeeinrichtungen Schrauber, Einpress- oder Nietvorrichtung sowie mit Überwachungseinrichtungen ausgestattet sein.

    Einzweckarbeitsplätze bestehen aus einer speziellen Arbeitsplatzausrüstung, die auf eine ganz bestimmte Arbeitsaufgabe (z. B. Dichtprüfen innerhalb des Montageprozesses) ausgerichtet ist. Davon abweichende Tätigkeiten lassen sich an diesem Arbeitsplatz nicht ausführen.

  2. Die Verkettungsmittel (Transfereinrichtungen) verbinden mindestens zwei Arbeitsplätze oder Stationen miteinander. Sie ermöglichen den Transport der Objekte entsprechend dem erforderlichen Montageablauf direkt oder mittels eines Werkstückträgersystems. Ihre Anordnung kann z. B. linear (Montageband), kreisförmig (Rundtakttisch), horizontal oder vertikal umlaufend oder vertikal (Senkrechtförderer) sowie in mehreren Ebenen verlaufen. Für die Planung eines geeigneten Verkettungsmittels sind u. a. folgende Werkstückmerkmale relevant:

    • Gewicht und Abmessungen des Werkstücks

    • erforderliche Tragkraft auf eine bezogene Längeneinheit (Meter)

    • Fördergeschwindigkeit

    • Art und Anzahl der zu verkettenden Stationen

    • Notwendigkeit und Dimension von Puffern.

  3. Der Puffer ist ein in den Montageprozess integriertes, montagebedarfsorientiertes Materiallager (vgl. 3.1.3/24.).

03. Worin besteht das Ziel der Automatisierung? Welche Voraussetzungen müssen vorliegen?

Die Montage bestimmt letztendlich als „Schrittmacherprozess“ die Lieferfähigkeit zum Kunden. Nur mit möglichst kurzen Durchlaufzeiten, minimaler Materialpufferung und einem effektiven und prozesssicheren Montageablauf lassen sich die Kundenforderungen konkurrenzfähig erfüllen.

  • Ziel:

    Kontinuierlicher Fluss des Materials durch den Montageprozess; eine Fließfertigung „Stück für Stück“ nach dem Lean Production-Prinzip, auch One Piece Flow genannt.

  • Voraussetzungen:

    • Eliminierung der Verschwendung, z. B. kein Ausschuss, kein Werkzeugbruch, kein fehlendes Material

    • Reduzierung der Nebentätigkeiten, z. B. Rüstzeiten verringern.

04. Welche Faktoren sind bei der Automatisierung der Montage von Bedeutung?

  • Stückzahlen je Zeiteinheit oder Auftrag

  • Auftragsfolgen

  • Durchlaufzeiten

  • Produktionszeitraum des Erzeugnisses

  • Variantenvielfalt

  • Änderungsdynamik

  • montagegerechte Erzeugnisgliederung

  • automatisierungsgerechte Einzelteilkonstruktion

  • handhabungsgerechte Einzelteil- und Baugruppengestaltung.

05. Ist die Montage auch bei kleinen Stückzahlen und großer Vielfalt automatisierbar?

Prinzipiell ist jede Montage automatisierbar. Es ist in diesem Fall der Montageumfang, das Montagevolumen, bezogen auf eine Zeiteinheit und der Kundentakt zu betrachten. Entscheidend ist ein sich daraus ableitender, sinnvoller Automatisierungsgrad. Je kleiner die zu montierenden Stückzahlen und je größer die Erzeugnisvielfalt sind, desto flexibler müssen die Handhabungs- und Transfersysteme sein.

06. Was ist der Kundentakt?

Der Kundentakt ist eine Kennzahl zum Vergleich der tatsächlichen Produktionsmenge pro Schicht gegenüber der vom Kunden benötigten Produktionsmenge pro Schicht.

Beispiel

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8-Stunden-Schicht (ohne Pausen):

$$Kundentakt = \frac{Verfügbare\; Arbeitszeit\; (s)}{Erforderliche\; Stückzahl\; für\; den\; Kunden\; (Stk.)}$$

$$= \frac{28.800\; s}{500\; Stk.} = 57,6\; s/Stk.\; (Taktzeit)$$

Beträgt die tatsächliche Taktzeit beispielsweise 45 Sekunden, liegt bei gleichen Bedingungen (z. B. Auslastung der Schichtkapazität) eine Überproduktion von 140 Stück je Schicht vor.

07. Sollte in jedem Fall die Vollautomatisierung angestrebt werden? Welche Nachteile können damit verbunden sein?

Die theoretischen Betrachtungen enthalten nicht die realen Stückzahl-Schwankungen in Bezug auf die Laufzeit des Produktes. Automatische Montageanlagen sind auf eine bestimmte Stückzahlausbringung ausgelegt und durch ihre Konstruktion kaum optimierbar. Abweichungen von den der Anlagenkonzeption zugrunde liegenden Stückzahlen führen zwangsläufig zu einer Stückkostenerhöhung, daher ist eine Vollautomatisierung nur in wenigen Bereichen wirtschaftlich sinnvoll.

  • Nachteile der Vollautomatisierung:

    • Höchste Investitionskosten

    • maximale technische Komplexität der Arbeitsplätze

    • reduzierte Zuverlässigkeit der Anlage

    • komplizierte Beschickungs- und Transfertechnik (Roboter)

    • teures Betreuungspersonal

    • geringste Flexibilität bezüglich Kapazitätserhöhung und Produktvielfalt.

Vollautomatisierte Montageprozesse haben als höchste Automatisierungsstufe natürlich ihre gerechtfertigte Bedeutung. Jedoch sollte das Ziel Vollautomatisierung unter den genannten Aspekten sehr verantwortungsbewusst untersucht werden.

08. Welche Faktoren bestimmen die konstruktive Gestaltung automatischer Montagesysteme?

  • Komplexität der Montageobjekte

  • Maße, Toleranzen und Gewicht der Werkstücke und Baugruppen

  • erforderliche Fügetechnologie

  • Varianten- oder Produktvielfalt

  • erforderliche Montagekapazität.

09. Was ist an einem Montageplatz zu handhaben?

  • Das Werkstück wird an einen Ort oder in eine definierte Position gebracht.

  • Das Werkzeug wird zum Montageobjekt gebracht, positioniert und ggf. zur Arbeitsverrichtung in unterschiedlichen Richtungen und Ebenen bewegt.

10. Welche Grundstrukturen von Arbeitssystemen gibt es?

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Die Grundstrukturen kennzeichnen den Montagefluss, unabhängig davon, ob sich nur das Montageobjekt oder ob sich der Monteur und das Montageobjekt von Station zu Station bewegt.

11. Welche Grundprinzipien der Arbeitsteilung gibt es bei der Fließfertigung?

Die Arbeitsteilung beschränkt sich nicht nur auf die technische Seite der Automatisierung, sondern im Wesentlichen auf die Arbeitsinhalte der Mitarbeiter. Die Auslastung der Mitarbeiter (MA) hat gegenüber der Auslastung der Maschinen die größere Bedeutung.

Die Gestaltungssystematik erfolgt (nach Toyota) nach dem „Zwiebelschalenprinzip“:

Mitarbeiter) → Arbeitsinhalte) → Arbeitsabläufe) → erforderliche Technik)

Man unterscheidet folgende Prinzipien der Arbeitsteilung bei der Montage:

Prinzipien der ArbeitsteilungBeschreibung
1Teilung in getaktete TeilabläufeJeder Mitarbeiter arbeitet im Takt an einem Teilablauf und bewegt sich dabei zwischen verschiedenen Arbeitsstationen.
2Kreislauf
→ typisch: U-Form
Der Mitarbeiter führt alle Teilabläufe der nach, entsprechend dem Materialfluss, an den einzelnen Arbeitstationen aus – gefolgt vom nächsten Mitarbeiter („Hasenjagd“).
3GegenstromDer Mitarbeiter führt alle Teilabläufe entgegen dem Materialfluss aus – gefolgt vom nächsten Mitarbeiter.
4Mitarbeiter an Arbeitsstation
→ typisch: Linie
Der Mitarbeiter bleibt an der Arbeitsstation. Nur das Material fließt von Station zu Station.
5KombinationenKombination der Prinzipien innerhalb eines Kreislaufs.

12. Wodurch sind manuelle Montagesysteme gekennzeichnet?

Manuelle Montagesysteme können nicht verkettete oder lose verkettete Arbeitsplätze in Linien- oder Parallelanordnung sein. Die Montage erfolgt mittels handgeführter Werkzeuge. Die Verkettung kann z. B. eine nicht angetriebene Rutsche, Rollenbahn, Röllchenbahn oder Gleitebene sein. Die Weitergabe des Montageobjektes erfolgt manuell oder durch die leichte Neigung des Verkettungsmittels zum Folgearbeitsplatz durch das Gewicht des Objektes selbst.

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13. Was unterscheidet teilautomatisierte und manuelle Montagesysteme?

Bei teilautomatisierten Systemen erfolgt der Transport der Montageobjekte in loser oder starrer Verkettung in horizontaler Ebene mit angetriebenen Verkettungsmitteln. Weiterhin können in das System automatische oder halbautomatische Montageeinheiten und Prüfstationen integriert sein. Ein Anteil an manueller Tätigkeit ist aber weiterhin vorhanden.

Beispiel

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Halbautomatischer Rundtakttisch

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14. Was sind automatische Montagesysteme?

Die Montageobjekte werden auf automatischen Transfereinheiten zwischen den Montage- und Prüfstationen transportiert. Die Bestückung der Montagestationen, die Montage- und Prüfabläufe sowie die Entnahme der Montageobjekte aus den Stationen erfolgen ebenfalls automatisch.

Beispiel

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Vollautomatischer Rundtakttisch

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Typische, automatische Montagesysteme sind

  • Rundtransferautomaten

  • Längstransferautomaten

  • flexible automatische Montagelinie (Roboterlinie)

  • flexible Montagezelle (Roboterzelle)

  • Mischformen.

15. Worin ist die typische U-Form von Fließfertigungen begründet?

Montagesysteme in U-Form sollen möglichst kurze Kreisläufe und für die Mitarbeiter kurze Wege gewährleisten. Dazu sind Ausgangs- und Endprozesse möglichst nahe zueinander zu platzieren. Daraus resultiert ein kurze Durchlaufzeit des Montageprozesses und nur die unmittelbar notwendige Entfernungsüberbrückung für die Mitarbeiter. Dabei sollte die innere Systembreite 1,50 m nicht überschreiten und sich die Arbeitshöhen aller Stationen in einer Ebene befinden.

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16. Was ist ein Roboter?


>> 2.6.3

„Ein Roboter ist ein universell einsetzbarer Bewegungsautomat mit mehreren Achsen, dessen Bewegungen hinsichtlich Folge und Wegen bzw. Winkeln frei programmierbar und gegebenenfalls sensorgeführt sind“ (VDI-Richtlinie 2860).

Roboter sind also universell einsetzbare Automaten zum Ausführen unterschiedlicher Arbeitsaufgaben. Sie dienen zum Bewegen, Positionieren und Orientieren von Werkstücken und Werkzeugen in mehreren Achsen. Die Bewegungsabläufe sind programmgesteuert und variabel. Sie werden mittels Sensoren überwacht und ggf. korrigiert. An der letzten „Handachse“ befindet sich der Effektor, der die eigentliche Roboteroperation ausführt. Effektoren sind zum Beispiel Greifer, Schweißzangen, Messtaster und andere Fertigungsmittel.

Entsprechend ihres Einsatzgebietes unterscheidet man:

  • Industrieroboter

  • Serviceroboter

  • Geländeroboter.

17. Was ist ein Werkstückträger (WT)?

Werkstückträger (WT) sind bewegliche, wagenähnliche Einheiten eines Transfersystems, die mittels Verkettungseinrichtung bewegt werden. Sie dienen dem Transport sowie der speziellen und positionsbestimmenden Aufnahme von Einzelteilen, Baugruppen und Erzeugnissen. Werkstückträger können mittels Datenspeicher Daten des zu transportierenden Objektes (z. B. Stationsadressen, Artikelnummern, Prüfresultate) in einem begleitenden Datentransfer den Arbeitsstationen zur Identifizierung mitliefern.

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18. Wie erfolgt der Transport der Werkstückträger?

Bei den üblichen Werkstückträgersystemen sitzt der WT auf zwei seitlichen, umlaufenden Gurtbändern. Durch sein Gewicht und der daraus entstehenden Haftreibung erfolgt die Mitnahme des WT auf dem Transferband so lange, bis eine Stoppeinrichtung den WT anhält. Das Gurtband läuft unter dem WT weiter hindurch. In automatischen Montagestationen können die Werkstückträger von unten indexiert und genau positioniert werden. Bei vertikalen Werkstückträgersystemen erfolgt der Ebenenwechsel zur Rückführung der WT mittels Lift oder Hubeinrichtung.

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19. Wonach richtet sich die Gestaltung der Werkstückträger?

Für die Gestaltung der Werkstückträger sind bestimmte Einflussgrößen von Bedeutung:

  • Form, Kontur des Montageobjektes

  • definierte Position auf dem WT

  • Gewicht des Montageobjektes

  • Überstandsmaße von über den WT-Rand hinausragenden Teilen (Kollisionsgefahr)

  • Eigengewicht des WT, bedeutsam bei manueller Umsetzung oder Entnahme.

20. Was sind Ordnungselemente?

Ordnungselemente sind Bestandteile von Transfer- und Zuführsystemen zum Ordnen und Sortieren von Teilen und Baugruppen. Durch entsprechende Führungen (Schienen, Geländer, Rinnen) werden die Teile aus einer ungeordneten Menge in eine geordnete Reihenfolge und Lage gebracht (z. B. Vibrationsförderer, Flaschenvereinzelung zur Etikettierung).

Beispiel

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Reduzierung von vier Bahnen auf eine Bahn durch ein Ordnungselement

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