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 Das Werk ist urheberrechtlich geschOtzl. Die dadurch begrOndeten Rechte, ins besondere die der Obersetzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung,der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugs weiser Verwendung, vorbehalten. Die VergOtungsansprOche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die "Verwertungsgesellschaft Wort", MOnchen, wahrgenommen. © Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1984 Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1984 Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in 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