Planung und Realisierung von Werkzeugversorgungssystemen für die NC-Bearbeitung

129 Pages·1984·2.864 MB·German

by  H. Steinhilber (auth.)

ISW51
Berichte aus dem Institut fOr Steuerungstechnik
der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen
der Universitat Stuttgart
Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. G. Stute t
H. STEINHILBER
Planung und Realisierung von
Werkzeugversorgungssystemen
fur die NC-Bearbeitung
Springer-Verlag
Berlin· Heidelberg· New York· Tokyo 1984
D 93
Mit 40 Abbildungen
ISBN-13: 978-3-540-13581-4 e-ISBN-13: 978-3-642-82307-7
DOl: 10.1007/978-3-642-82307-7
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weiser Verwendung, vorbehalten.
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© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1984
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1984
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diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
daB solche Namen im Sinne derWarenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als
frei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOrflen.
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Das Inslilut tor Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrich
tungen der Universitat Stuttgart betaBt sich mit den neuen Entwicklungen der
Werkzeugmaschinen und anderen Fertigungseinrichlungen, die insbesondere durch
den erhOhten Anteil der Steuerungstechnik an den Gesamtanlagen gekennzeichnet
sind. Dabei stehen die numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen in Programmie
rung, Steuerung, Konstruktion und Arbeitseinsatz sowie die vermehrte Verwen-
dung des Digitalrechners in Konstruktion und Fertigung im Vordergrund des In
teresses.
1m Rahmen dleser Buchreihe sollen in zwangloser Foige drei bis tOnt Berichte pro
Jahr erscheinen, in welchen Ober einzelne Forschungsarbeilen berichlet wird. Vor
zugsweise kommen hierbei Forschungsergebnisse, Dissertationen, Vorlesungsmanu
skripte und Seminarausarbeitungen zur VerOffentlichung.
Diese Berichte sollen dem in der Praxis stehenden Ingenieur zur Weiterbildung
dienen und helten, Autgaben auf diesem Gebiet der Steuerungstechnik zu 10sen.
Der Siudierende kann mit diesen Berichten sein Wissen vertiefen.
Unter dem Gesichtspunkt einer schnellen und kostengOnstigen Drucklegung wird
auf besondere Ausstattung verzichtet und die Buchreihe im Fotodruck hergestellt.
Der Herausgeber dankt dem Springer-Verlag fOr Hinweise zur auBeren Gestaltung
und Obernahme des Buchvertriebs.
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit als
wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut fUr Steuerungstech
nik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Uni
versitat Stuttgart.
Herrn Professor Or.-Ing. A. Storr, dem kommissarischen Leiter
des Institutes, danke ich herzlich fUr die UnterstUtzung wah
rend des Entstehens dieser Arbeit. Herrn Professor Or.-Ing.
G. Stute, dem 1982 verstorbenen Oi rektor des Institutes, ver
danke ich die stete Forderung der Untersuchungen, die Grundlage
dieser Arbeit sind.
Herrn Prof. OTech. h.c. Oi pl.-Ing. K. Tuffentsammer danke ich
fUr die sorgfaltige Ourchsicht der Arbeit.
Mein Dank gilt auch den Kollegen, Studenten und Hilfsassisten
ten, die mich bei den Untersuchungen unterstUtzt und zum Gelin
gen dieser Arbeit bei getragen haben. Oieser Dank richtet sich
insbesondere an Herrn Oi pl.-Ing. S. Chmi el ni cki und di e Mit
glieder der Gruppe 5.
Herbert Steinhilber
5 -
Inhaltsverzeichnis
Seite
Zeichenerklarung 9
Einleitung 11
2 Begriffsbestimmungen, Definitionen und Aufgaben 12
stellung
2.1 Fertigung und MaterialfluB 12
2.2 Systemtechnik und Planung 14
2.3 Werkzeugwesen in der spanenden Fertigung 16
2.3.1 Werkzeugtechnologie 16
2.3.2 Werkzeugplanung 16
2.3.3 Werkzeugdisposition 17
2.3.4 Werkzeugversorgung 17
2.3.4.1 Werkzeugvorbereitung 18
2.3.4.2 Werkzeugbereitstellung, systemexterner WerkzeugfluB 18
2.3.4.3 Systeminternes WerkzeugfluBsystem 18
2.4 Stand der Technik, Aufgabenstellung und Vorgehens- 19
weise
3 Planung automatisierter Werkzeugversorgungssysterne 24
3.1 Grundlagen der Planungsmethodik 24
3.2 Planungsrnethodik fUr Werkzeugversorgungssysteme 26
3.2.1 Funktionsbereiche, Funktionsplane 27
3.2.2 Funktionstrager 27
3.2.3 Strukturermittlung 28
3.2.4 Restriktionen, EinfluBparameter und Beurteilungs- 29
kriterien
4 Anforderungen an Werkzeugversorgungssysteme 31
4.1 Kapazitatsanforderungen 32
4.1.1 Benotigte Werkzeuge je WerkstUck 34
4.1.2 Benotigte Werkzeuge je los 34
6 -
4.1.2.1 Standlangen- und Schnittwertbetrachtungen 35
4.1. 3 Benotigte Werkzeuge je Planungsperiode 37
4.1.3.1 EinfluB der LosgroBe 38
4.1.3.2 Mehrfachbenutzung der Werkzeuge 40
4.1.3.3 EinfluB des Fertigungsablaufs 43
4.2 Anforderungen an die zeitliche Verfugbarkeit 44
von Werkzeugversorgungssystemen
4.2.1 Werkzeugverweilzeit in der Arbeitsspindel 45
4.2.2 Anzahl der Werkzeugaustauschaufrufe 46
4.2.2.1 EinfluB der Maschinenmagazinkapazitat 47
4.2.2.2 EinfluB der LosgroBe bzw.der Losanzahl 49
4.2.2.3 EinfluB unterschiedlicher Teilespektren 51
4.2.3 Verteilung und Frequenz der Werkzeugaustausch- 52
aufrufe
4.2.4 Verteilung der Werkzeugaufrufe uber der Planungs 53
peri ode
4.3 Steuerungstechnische Anforderungen 55
4.3.1 Werkzeug- und Speicherplatzcodierung 55
4.3.2 Standlangenuberwachung 56
4.3.3 Vorl auf der Werkzeugaufrufe 57
4.3.4 Speicherstrategien im Werkzeugspeicherbereich 58
4.4 Anforderungen an das WerkzeugfluBsystem eines 60
flexiblen Fertigungssystems (FFS)
5 Betrachtungen zur Wirtschaftlichkeit von 61
Werkzeugversorgungssystemen
5.1 Automatisierte Werkzeugversorgungssysteme, Stufe 1 61
5.2 Automatisierte Werkzeugversorgungssysteme, Stufe 2 63
5.3 Automatisierte Werkzeugversorgungssysteme, Stufe 3 64
5.4 Werkzeugkosten 66
5.4.1 Bearbeitungsabhangige Werkzeugkosten 67
5.4.2 Anschaffungskosten des Gesamtwerkzeugsatzes 69
7 -
6 Werkzeugversorgungs- und Werkzeugflu6systeme 70
6.1 Problemformulierung, Zieldefinition, Grund 70
funktionen
6.2 Funktionsbereiche eines Werkzeugflusses 72
6.2.1 Bereiche der ZeitUberbrUckung 72
6.2.1.1 Zentraler Werkzeugspeicherbereich 73
6.2.1.2 Bearbeitungsnaher Werkzeugspeicherbereich 74
6.2.1.3 Pufferspeicherbereich 75
6.2.2 Bereiche der RaumUberbrUckung 76
6.2.3 Ein-/Auslagerungsbereich 79
6.2.4 Kombination der Funktionsbereiche 80
6.3 Funktionstrager eines Werkzeugflusses 82
6.3.1 Funktionstrager der Speicherbereiche 82
6.3.2 Funktionstrager der RaumUberbrUckung 84
6.3.2.1 Prinzipielle Betrachtungen 84
6.3.2.2 Funktionstrager der Transportbereiche 85
6.3.2.3 Funktionstrager in den Handhabungsbereichen 88
6.4 Restriktionen und Einflu6parameter, Beurteilung 91
und Bewertung von Systemkomponenten eines FFS
6.4.1 Beurteilung der zeitlichen VerfUgbarkeit 91
6.4.1.1 Einflu6 des Werkzeugaustausches 93
6.4.1.2 Einflu6 des Werkzeugtransports 94
6.5 Strukturen von Werkzeugflu6systemen 97
6.5.1 Funktionsplane fUr den Werkzeugflu6 eines FFS 98
6.5.2 Werkzeugflu6strukturen fUr ein FFS 101
7 Werkzeugflu6- und Werkzeugversorgungssysteme 102
in Beispielen
7.1 Systeminterner Werkzeugflu6 fUr das SFB-FFS 102
7.1.1 Der Werkzeugzentralspeicherbereich 102
7.1. 2 Die Werkzeugtransportgerate 102
7.1. 3 Die Werkzeugaustauschgerate 104
7.2 Werkzeugversorgung tiber Industrieroboter 106
8 -
7.2.1 Problemfelder, Funktionsplane 106
7.2.2 Losungsstrukturen und ihre Bewertung 109
7.2.3 Losung fUr flexible Fertigungszellen 112
7.3 Werkzeugversorgungssystem fUr den system 113
externen WerkzeugfluB
8 Zusammenfassung 115
Schrifttum 117
9 -
AbkUrzungsverzeichnis
ASP Arbeitsspindel ]
ASLAST Werkzeugaustauschstrategie nahere Erklarung
AS MAX Werk zeuga u s t au s ch s t rateg i e s. S. 48/49
ASWES Werkzeugaustauschstrategie
CNC Computerized Numerical Control
DNC Direct Numerical Control
E-/A Ein-/Auslagerung der Werkzeuge
FS Fertigungssystem
FFS Flexibles Fertigungssystem
FKAM Fertigungskapazitat einer Maschine
FKAFS Fertigungskapazitat eines Fertigungssystems
FP Funktionsplan
ISW Institut fUr Steuerungstechnik der Werkzeug
maschinen und Fertigungseinrichtungen
KAPMM Speicherkapazitat eines Maschinenmagazins
KfK Kernforschungszentrum Karlsruhe
HM Hartmetall
1 k Bearbeitungstiefe (-lange) mit dem Werkzeug k/WerkstUck
LA Losanzahl
LE Ladeei nheit
LG Losgro(3e
M Maschine
m Fertigungsmenge
mK kritische Fertigungsmenge
MA Maschinenanzahl
MM Maschinenmagazin
NC Numerical Control, numerically controlled
P Planungsperiode
PFT Projekt Fertigungstechnik
P(i,j) Probl emfel d( i,j)
PSP Pufferspeicher
S UmhUllungskurve
SFS UmhUllungskurve eines Fertigungssystems
SZ Speicherzeile
- 10 -
SL auf vorgegebene Schnittbedingungen normierte
Standlange
SLk Standlange des Werkzeugs k
SFB-FFS Flexibles Fertigungssystem im Sonderforschungs
bereich 155
T Adressbuchstabe fUr Aufruf des Werkzeuges im NC
Programm
TBWZ mittlere Bearbeitungszeit je Werkzeug u. WerkstUck
TFERTL Fertigungszeit fUr das Los L
TFERTWS Fertigungszeit eines WerkstUckes
0-/0 Obergeben-/Obernehmen der Werkzeuge
WS WerkstUck
WZ Werkzeug
WZANF Programmname
WZSP Werkzeugzentralspeicher
WZVO Werkzeugvorbereitung
WZWG Werkzeugwechselgerat (-system)
WZAG Werkzeugaustauschgerat
WZTG Werkzeugtransportgerat
ZGWZ Anzahl der Grundwerkzeuge
ZSWZ Anzahl der Standlangenwerkzeuge
ZWZ Gesamtwerkzeuganzahl
ZWZA Anzahl der Werkzeugaustauschaufrufe bzw. der Austausch-
anzahl
Mittlere •••• anzahl des untersuchten Teilespektrums
Indexliste
Zeilenindex der morphologischen Matrix
j Spaltenindex der morphologischen Matrix
k Index fUr die Werkzeuge
L j e Los
P je Planungsperiode
1> Laufvariable fUr die Lose
u Laufvariable fUr die Maschinen
Laufvariable fUr die Werkzeuge