Der Fokus dieser Hausarbeit wird zum einen sein, grundlegende Begrifflichkeiten autonomer Werkzeugmaschinen vorzustellen. Zum anderen sollen Ansätze aufgezeigt werden, die die Vernetzung autonomer Werkzeugmaschinen veranschaulichen. Anhand eines aktuellen Beispiels werden die Möglichkeiten autonomer Werkzeugmaschinen aufgezeigt, die in dem darauffolgenden Kapitel ausgeführt und den Grenzen autonomer WZM gegenübergestellt werden. Ein Ausblick über die zukünftige Entwicklung des Themas schließt diese Arbeit ab.
Henry Ford war aus wirtschaftlicher Sicht ein Pionier, da er das bis dahin bekannte Produktionskonzept in einem so hohen Maße optimierte, dass er damit das Automobil erstmals einem breiten Markt zugänglich machen konnte. Er standardisierte essentielle Fertigungsprozesse und führte als erster Unternehmer das bewegliche Montageband ein.
„Any customer can have a car painted any color that he wants so long as it is black“. Werden Produkte innerhalb einer Fließbandproduktion, also einer Abfolge von fest definierten Arbeitsschritten über einen einheitlichen Fertigungsfluss, hergestellt, werden an erster Stelle die Kosten, aber auch die Flexibilität der Fertigung gesenkt. So konnte Henry Ford nach Umstellung auf sein neues Produktionssystem am 14. Januar 1914 die Herstellungskosten und somit den Verkaufspreis für das hauseigene „Model T“ circa um die Hälfte senken, bot das Automobil aber auch nur in der Farbe Schwarz an – die Kunden mussten sich also nach den Vorgaben Fords richten. Das Model T war (bis 1972) das meistverkaufte Auto der Welt.
Der fortlaufende Ausbau der Produktivität industrieller Fertigungsprozesse befindet sich heute – mehr als 115 Jahre später – auf einem so hohen Level wie nie zuvor. Trotzdem sieht sich die heutige Industrie vor neuen Herausforderungen, die den Fortbestand eben dieser stetigen Verbesserung gefährden. Einer zunehmenden Unvorhersehbarkeit und Volatilität der Märkte sowie einer stark ansteigenden Variantenvielfalt bei gleichzeitig sinkenden Stückzahlen lassen sich nicht mehr mit den starren Automatisierungskonzepten begegnen.
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung
2 Grundlagen autonomer Werkzeugmaschinen
2.1 Automatisierung 4.0
2.2 Werkzeugmaschinen
2.3 Cyber-physische Werkzeugmaschine
2.4 Autonomie von Werkzeugmaschinen
3 Konzepte der Vernetzung von Werkzeugmaschinen
3.1 Durchgehende CAD-CAM-NC-Kette
3.2 Simulation von Prozess-Maschinen Interaktionen
3.3 Big Data Analysen
4 Beispiel: Autonome Regeneration komplexer Industriegüter
5 Möglichkeiten und Grenzen autonomer Werkzeugmaschinen
6 Ausblick
Zielsetzung & Themen
Die vorliegende Arbeit untersucht die Transformation klassischer Werkzeugmaschinen in cyber-physische Systeme, um deren Autonomie im Kontext von Industrie 4.0 zu erhöhen und damit Herausforderungen wie zunehmende Variantenvielfalt und kleinere Losgrößen effizient zu bewältigen.
- Grundlagen der Industrie 4.0 und Automatisierungspyramide
- Konzeption cyber-physischer Werkzeugmaschinen
- Methoden der Vernetzung (CAD-CAM-NC-Kette, Simulation)
- Big Data Analysen zur Prozessoptimierung
- Praxisbeispiel: Autonome Regeneration von Industriegütern
Auszug aus dem Buch
2.3 Cyber-physische Werkzeugmaschine
„Cyber-physische Systeme (CPS) sind Systeme mit eingebetteter Software, die über Sensoren und Aktoren verfügen, erfasste Daten auswerten und speichern, mit Kommunikationseinrichtungen untereinander sowie in globalen Netzen verbunden sind, verfügbare Daten und Dienste nutzen und anbieten, die die virtuelle Planung unterstützen sowie über Mensch-Maschine-Schnittstellen verfügen.“ 16
Um das Konzept der CPS zu veranschaulichen, wird die von Liu et al.17 entwickelte übergreifende Systemarchitektur einer Werkzeugmaschine als CPS (englisch: cyper-physical machine tool, kurz CPMT) vorgestellt. Dieses Modell wurde bereits an der University of Auckland, Neuseeland, erfolgreich in die Realität umgesetzt.
Das eigentliche CPS dieses Modells (siehe Abbildung 4, nächste Seite) besteht aus drei Komponenten:
Die physische Komponente (physical devices) umfasst zum einen die Bearbeitungseinheit, bestehend aus der Werkzeugmaschine, einem oder mehreren Schneidwerkzeugen und dem zu bearbeitenden Werkstück; zum anderen werden Vorrichtung für die Datenerfassung benötigt, um Echtzeitdaten des Prozesses aufzunehmen. Hier werden verschiedenste Arten von Sensoren und Messgeräten eingesetzt – z.B. RFID-Tags und - Lesegeräte, Strommesser, Drehmomentmesser, Beschleunigungssensoren oder Koordinatenmessgeräte. Während des Bearbeitungsprozesses erfasst so die CNC-Steuerung und Sensorik die Echtzeitdaten, welche durch die Bearbeitungseinheit erzeugt worden sind. Diese Daten werden an die digitale Komponente transferiert und bilden die Basis der Kommunikation zwischen realer und digitaler Welt.
Zusammenfassung der Kapitel
1 Einleitung: Die Einleitung beleuchtet die historische Entwicklung der industriellen Fertigung und leitet die Notwendigkeit intelligenter, vernetzter Produktionssysteme zur Bewältigung heutiger Marktanforderungen ab.
2 Grundlagen autonomer Werkzeugmaschinen: Dieses Kapitel erläutert die technologischen Grundlagen, von der klassischen Automatisierungspyramide über cyber-physische Systeme bis hin zu den verschiedenen Stufen der Autonomie bei Werkzeugmaschinen.
3 Konzepte der Vernetzung von Werkzeugmaschinen: Hier werden Strategien zur Vernetzung vorgestellt, insbesondere durch durchgängige digitale Prozessketten, physikalisch basierte Simulationen und die Analyse großer Datenmengen.
4 Beispiel: Autonome Regeneration komplexer Industriegüter: Dieses Kapitel veranschaulicht anhand eines konkreten Forschungsprojekts, wie die autonome Regeneration von Turbinenschaufeln praktisch umgesetzt werden kann.
5 Möglichkeiten und Grenzen autonomer Werkzeugmaschinen: Es werden die Vorteile, wie höhere Qualitätsbasis und Flexibilität, den technologischen Herausforderungen und Sicherheitsaspekten gegenübergestellt.
6 Ausblick: Der Ausblick fasst die Unvermeidbarkeit der digitalen Transformation zusammen und diskutiert die zukünftige Rolle des Menschen im Zusammenspiel mit autonomen Systemen.
Schlüsselwörter
Industrie 4.0, Cyber-physische Systeme, Werkzeugmaschine, Autonomie, Automatisierung, CAD-CAM-NC-Kette, Prozessoptimierung, Big Data, Digitaler Zwilling, Vernetzung, Fertigungstechnik, Prozess-Maschinen Interaktion, Datenerfassung, Echtzeitdaten, Condition Monitoring
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser wissenschaftlichen Arbeit?
Die Arbeit befasst sich mit der Entwicklung und dem Einsatz autonomer Werkzeugmaschinen als zentrale Bestandteile cyber-physischer Systeme in einer modernen Industrie 4.0-Umgebung.
Welche zentralen Themenfelder werden bearbeitet?
Die Arbeit behandelt die technologischen Grundlagen der Vernetzung, die Rolle digitaler Zwillinge, Ansätze zur Simulation von Produktionsprozessen sowie die Auswertung von Prozessdaten zur Qualitäts- und Produktivitätssteigerung.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Ziel ist es, das Konzept der Autonomie von Werkzeugmaschinen zu definieren und aufzuzeigen, wie durch eine durchgehende digitale Vernetzung und Prozessoptimierung heutige Herausforderungen in der Fertigung gelöst werden können.
Welche wissenschaftliche Methode wird primär verwendet?
Die Arbeit basiert auf einer fundierten Literaturanalyse und einer deskriptiven Darstellung von Systemarchitekturen und Anwendungsbeispielen aus der aktuellen Forschung.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in theoretische Grundlagen zu CPS, Konzepte zur Vernetzung der Fertigung, ein konkretes Praxisbeispiel zur Regeneration von Industriegütern sowie eine kritische Analyse der Potenziale und Einschränkungen.
Durch welche Schlüsselbegriffe ist die Arbeit charakterisiert?
Kernbegriffe sind Industrie 4.0, Cyber-physische Systeme (CPS), Werkzeugmaschinen, Autonomie, Digitaler Zwilling und Prozess-Simulation.
Was unterscheidet eine cyber-physische Werkzeugmaschine von einer herkömmlichen Maschine?
Im Gegensatz zu herkömmlichen Maschinen verfügen cyber-physische Werkzeugmaschinen über eine tiefgehende Integration von Sensoren, eingebetteter Software und Echtzeit-Vernetzung, wodurch sie ihren Zustand an eine digitale Komponente übertragen und darauf basierend autonom Anpassungen vornehmen können.
Wie trägt der digitale Zwilling zur Effizienzsteigerung bei?
Der digitale Zwilling bietet ein virtuelles Abbild der realen Produktion. Er ermöglicht es, Bearbeitungsprozesse vorab zu simulieren, Abweichungen in Echtzeit zu erkennen und durch intelligente Algorithmen kontinuierliche Optimierungen der Fertigungsparameter vorzunehmen.
Warum ist der Mensch trotz höherer Autonomie weiterhin wichtig?
Der Mensch bleibt als übergeordnete Instanz für Wartung, komplexe Entscheidungen und die Überwachung des Gesamtprozesses entscheidend, wobei autonome Systeme ihn primär von Routineaufgaben entlasten und bei kreativen Prozessen unterstützen.
- Citar trabajo
- Adrian Helming (Autor), 2019, Industrie 4.0. Die autonome Werkzeugmaschine, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/925464
