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Der Betriebsleiter 1-2/2020

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Der Betriebsleiter 1-2/2020

FERTIGUNGSTECHNIK

FERTIGUNGSTECHNIK Erfolgsfaktor Automatisierung MES-gesteuertes System zur vollautomatischen Be-/Entladung von Werkzeugmaschinen Werkzeugmaschinen, die mit menschlichem Bediener in Einzel- oder Mehrmaschinenbedienung 1- bis 2-schichtig pro Tag laufen: So sieht in vielen mittelständischen Betrieben der aktuelle Stand der Technik aus. Damit ist kaum ein Produktionssystem mannlos oder in 7/24 einsetzbar. Aufgrund der Herausforderungen bei sinkenden Losgrößen, steigender Produktvielfalt und Dynamik bezüglich Lieferterminen und Durchlaufzeiten sind neue Wege zur Erhöhung der Produktivität, Leistungs- und Wettbewerbsfähigkeit gefragt. Autoren: Prof. Dr.-Ing. Joachim Berlak, Geschäftsführer, und Michael Stangl M.Sc., Software Engineer und Senior Consultant, beide software4production GmbH; Luciano Baumgart M.Sc., Projektmanagement und Robotik, und Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Thomas Lorenscheit, Geschäftsführer, beide Lorenscheit Automatisierungstechnik GmbH ben den Anschaffungskosten bereits eine Herausforderung, eine geeignete Automatisierungslösung zu finden: Welches System kann was leisten? Wie hoch ist der initiale Aufwand für die Inbetriebnahme? Wie stehen Kosten und Nutzen im Verhältnis? Wo bekommt man überhaupt solch eine Lösung her? Fragen, auf die es nur für sich alleine stehende Antworten der jeweils spezialisierten Werkzeugmaschinenhersteller, Intralogistikanbieter oder Automatisierungsunternehmen gibt. Ganzheitliche Antworten fehlen oftmals, und Softwareunternehmen zur intelligenten Vernetzung der Komponenten sowie auch die entsprechenden Manufacturing-Execution-Systeme (MES) zur Echtzeitsteuerung des Pro- Eine Lösung bietet die teilweise oder komplette Automatisierung des Produktionssystems. Doch bisher profitieren davon eher Großunternehmen und Konzerne. Mittelständische Unternehmen hingegen setzt der technologische Fortschritt zusätzlich unter Druck: Denn für KMU ist es neduktionssystems werden oft nicht mit eingezogen. Es existieren also zumeist Teillösungen, die aufwändig vom Anwender oder Integrator in das bestehende Produktionssystem eingebunden werden müssen und dabei oft unflexibel sind. Vor diesem Hintergrund haben sich Experten der Lorenscheit Automatisierungstechnik GmbH aus Dahlenburg sowie der software4production GmbH aus München mit ihren Kompetenzen in Automatisierung und Digitalisierung zusammengetan und eine schlüsselfertige Automatisierungslösung für Produktionssysteme in der mittelständischen Einzel-/Klein- und Mittelserienfertigung entwickelt. Hierzu wurde u. a. ein MES-gesteuertes Flex-Load-System zur vollautomatischen Be-/Entladung von Werkzeugmaschinen mit Roh- und Fertigteilen, Werkzeugen sowie Spannmitteln realisiert. Diese Automatisierungslösung ist skalierbar, flexibel in Brownfield-Umgebungen integrierbar, kostengünstig in Anschaffung und Betrieb und somit mittelstandsgerecht. Schlüsselfertiges Gesamtsystem Das schlüsselfertige Gesamtsystem setzt sich aus folgenden Elementen zusammen: n ein Flex-Load-System (FLS) pro Werk- 16 Der Betriebsleiter 1-2/2020

FERTIGUNGSTECHNIK zeugmaschine bestehend aus einem Cobot von Universal Robots (UR) und zwei Dockingstationen für Racks, n mindestens ein mobiler Roboter MiR 200 von Mobile Industrial Robots mit je einem Nord Modules TM150 Liftsystem für Racks mit Schubladenmodulen, n mindestens ein manueller Rüstplatz mit einer Dockingstation für Racks, n ein LTE/Wifi-Router für die Vernetzung aller Elemente im Produktionssystem, n eine cloud-basierte (z. B. bei Amazon AWS) oder lokale Installation des MES (Schnittstellen zu einem übergeordneten ERP-System zur Übernahme von Kunden-/ Fertigungsaufträgen, Arbeitsplänen oder Materialstammdaten sind vorhanden. Alternativ ist auch ein kompletter Standalone-Betrieb möglich, weitergehende Schnittstellen zu allen angrenzenden Systemen werden ebenfalls unterstützt.), n ein oder mehrere Handheld(s) oder Datenbrille(n) für u. a. den Einrichter sowie n eine oder mehrere MES-Lizenzen zur Planung und Steuerung. Optimierter Rüstvorgang Die Automatisierungslösung ist skalierbar und flexibel in Brownfield-Umgebungen integrierbar Die Werkzeugmaschine wird zukünftig nicht mehr durch das Personal, sondern durch das FLS gerüstet. Die Racks des FLS werden dynamisch durch die Einrichter bestückt. Der Mitarbeiter verwendet hierzu z. B. ein Handheld und eine sich aufgrund der Echtzeitplanung aktualisierende Auftragsvorrats- bzw. Kommissionierliste. Anhand dieser bestückt er auftragsbezogen die Schubladen bzw. Positionen und bestätigt diese durch Scannen eines QR-Barcodes. Die Werkzeugmaschine befindet sich bis zum Auftreten einer Störung im Automatikmodus. FLS und Werkzeugmaschine kommunizieren nur über das MES, wobei das MES über OPC UA, REST oder Hardware I/O-Signale Befehle wie Tür auf, Futter auf oder NC-Programm Start an die Maschine gibt. Die Kommunikation erfolgt über Wifi oder Ethernet mit dem gelieferten IoT-Router. Im Falle des Cloudbetriebs kommuniziert dieser abgesichert über VPN mit der Amazon AWS MES-Installation über eine Internet- oder LTE-Verbindung. Eine Hochverfügbarkeit der Gesamtlösung kann durch Server- und Datenbankreplikation zum lokalen Produktionssystem sichergestellt werden. Das MES-System verwendet die Multiressourcenplanung von S4P als Planungsdienst und verplant alle 30 Sekunden rückstandsfrei und vorwärtsterminiert (konfigurierbar) die Kunden-, Fertigungs-, Kommissionier-, Transport-, Lager- und Inventuraufträge in Quasi-Echtzeit. Auf Basis der sich hieraus ergebenden Kommissionier-AVT-Listen hat der Intralogistiker den Überblick über Racks, die aktuelle Belegung und Bestände. Entladene Racks werden chaotisch wieder mit Rohteilen, Werkzeugen und Spannmitteln anhand der Kommissionier-AVT-Listen aufgefüllt. Mit der abschließenden Buchung eines Racks als bereit erfolgt die Ansteuerung des MiR-Serviceroboters zur Abholung. Echtzeitplanung erlaubt dynamische Änderungen Da auch Transportaufträge und Missionen in Echtzeit geplant werden, können dynamische Änderungen (z. B. Dockingstation belegt, Maschine in Störung etc.) berücksichtigt werden. Der MiR liefert nun das Rack an einer der beiden Dockingstationen des Flex-Load-Systems ab und erhält den Befehl zur Ablage des Racks. Danach steuert das MES des FLS und übermittelt über OPC UA, welches Rack, welche Schublade bzw. welche Position zu entladen ist. Die Identifikation erfolgt hierbei über QR- oder RFID-Scan. Gleichzeitig erhält die Werkzeugmaschine die notwendigen Befehle zum Öffnen von Tür und Spannsystem, wenn es sich um ein Rohteil auf der entsprechenden Position handelt. Da dem MES durch das manuelle Kommissionieren jede Position bekannt ist, kann auch das mit dem Bauteil bzw. Arbeitsgang verknüpfte NC-Programm an die Maschine über Ethernet oder RS232 gesendet werden. Die weitergehende Bearbeitung geschieht entsprechend und nach NC-Programmstopp, die Entladung des Fertigteils erfolgt auf eine freie Position in einer Schublade eines Racks. Da das MES u. a. Folgearbeitsgänge, Prioritäten und Maschinenzustände von weitergehenden Bearbeitungsschritten kennt, können hier entsprechende Optimierungen in der Belegung stattfinden. So ist es möglich, dass Racks vorzeitig und nicht vollbeladen abgeschlossen werden, damit der MiR diese wieder zum Rüstplatz oder zum Flex-Load-System des Folgeprozesses transportieren kann. Fazit Insgesamt handelt es sich bei diesem Ansatz um eine flexible, skalierbare und individualisierbare Vollautomatisierung der Beund Entladung von Werkzeugmaschinen. Das Grundkonzept ist auf die spezifischen Gegebenheiten eines mittelständischen Unternehmens adaptierbar. Dipl.-Wirtsch.-Ing. (FH) Thomas Lorenscheit: „Durch das Flex-Load-System werden Werkzeugmaschinen mittels vollautomatisierten Be-/Entladesystemen automatisiert betrieben und die Produktionsmitarbeiter gewinnen somit Zeit. In der Klein- und Mittelserienfertigung kann dies 20 bis 80 % betragen und 0,5 bis 4 Mitarbeiter pro Schicht ausmachen. Dies rechnet man mit den Personalkosten, der Schichtbelegung und mannlosen Geisterschichten gegen. Durch Echtzeitinformationen und entsprechende Reaktionen ergibt sich eine höhere Produktivität. Hierdurch sind Kosteneinsparungen von bis zu 500 000 €/Jahr und damit ein Return-on-Invest (ROI) unter einem Jahr realistisch“. Bilder: Lorenscheit www.software4production.de www.moving-production.com Das Flex-Load-System wird auf der Hannovermesse mit einer Kaast-Drehmaschine live demonstriert. Auf dem Messestand wird der Realbetrieb einer vollautomatischen Be-/ Entladung mit Roh- und Fertigteilen zu sehen sein. Der Betriebsleiter 1-2/2020 17

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