Automatisierung
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Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
Inhalt:<br />
1 <strong>Automatisierung</strong>....................................................................................... 1<br />
1.1 Definition......................................................................................................................1<br />
1.2 Beispiele .......................................................................................................................1<br />
2 Historische Entwicklung .......................................................................... 2<br />
2.1 Mechanisierung und die Industrielle Revolution: die Dampfmaschine ...........................2<br />
2.2 Die Zweite Industrielle Revolution: Das T-Modell von Ford .........................................2<br />
2.3 Die Dritte Industrielle Revolution: mass-customization .................................................2<br />
2.4 Stufen der <strong>Automatisierung</strong> ...........................................................................................3<br />
3 Ursachen für <strong>Automatisierung</strong>smaßnahmen.......................................... 3<br />
3.1 Arbeitskosten ................................................................................................................3<br />
3.2 Fertigungsgenauigkeit ...................................................................................................4<br />
3.3 Verbesserung in Teilbereichen der Produktion...............................................................4<br />
3.4 Steuerungen in der automatisierten Fertigung ................................................................5<br />
Elektrische Steuerungen ................................................................................................5<br />
Numerische Steuerungen...............................................................................................6<br />
4 Neue Arbeitsstrukturen ........................................................................... 7<br />
4.1 Geänderte Fertigungsorganisation..................................................................................7<br />
4.2 Geänderte Anforderungen an die Facharbeiter ...............................................................8<br />
4.3 Eine überraschende Entwicklung? .................................................................................8<br />
4.4 Eine ablesbare Entwicklung...........................................................................................8<br />
1 <strong>Automatisierung</strong><br />
1.1 Definition<br />
<strong>Automatisierung</strong> bezeichnet einen Prozess, bei dem Abläufe immer unabhängiger von äußeren<br />
Eingriffen gemacht werden.<br />
1.2 Beispiele<br />
Beruflicher Bereich:<br />
Ä Mahnbriefe<br />
Ä Cerec-Verfahren (Keramikfüllungen)<br />
Ä Zimmermannsbetriebe, Sägereien<br />
Ä Google-News<br />
Privater Bereich:<br />
Ä Brotbackmaschinen<br />
Ä Heizungsanlagen<br />
Ä Digitalfotos<br />
Ä Textverarbeitungsprogramm<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 1
Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
2 Historische Entwicklung<br />
Die Entwicklung der <strong>Automatisierung</strong> verlief über den Zwischenschritt der Mechanisierung<br />
und explodierte mit dem breiten Zugriff auf digitalisierte Datenübertragung.<br />
2.1 Mechanisierung und die Industrielle Revolution: die<br />
Dampfmaschine<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Mechanisierung: Ersetzen menschlicher oder tierischer Arbeitskraft durch Maschinen.<br />
Ziel: Steigerung der Produktivität, der Qualität und der Sicherheit von Arbeitsabläufen.<br />
Starke Mechanisierungsschübe: Landwirtschaft und Textilproduktion im 19. Jahrhundert.<br />
Symbol der Veränderung: mechanischer Webstuhl<br />
Wichtigste Voraussetzung: mengen-, orts- und zeitunabhängige Energieversorgung Ä<br />
Schub mit der Erfindung der Dampfmaschine (Heron, Newcomen: 1712, Watt: 1769)<br />
Folge: Übergang von der Landwirtschafts- zur Industriegesellschaft<br />
2.2 Die Zweite Industrielle Revolution: Das T-Modell von Ford<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Vier grundlegende Prinzipien der Arbeitsorganisation nach Taylor:<br />
1. Trennung von Handarbeit (Produktion) und Kopfarbeit (Produkt- und Produktionsplanung)<br />
2. Für jeden Arbeitsvorgang gibt es eine optimale Organisationsform („one best way“).<br />
Menschliche Bedürfnisse sind keine relevante Einflussgröße.<br />
3. Arbeitsteilung zerlegt komplexe Abläufe in einfache Arbeitsschritte.<br />
4. Arbeitsmotivation über Geld Ä Akkordlohn geleistet<br />
Henry Ford: höhere Produktivität Ä Preissenkung Ä Anregung des Konsums Ä Massenproduktion<br />
Ä geringere Kosten Äerneute Anregung des Konsums<br />
Merkmale: Fließband (assembly line), standardisierte Massenproduktion, aber auch Sozialpartnerschaft<br />
(New Deal) zwischen Unternehmen und Arbeitern.<br />
Ende des Fordismus: Internationalisierung der Wirtschaft (Ende der Lohnzuwächse), verändertes<br />
Konsumverhalten (individuelle statt Massenprodukte).<br />
2.3 Die Dritte Industrielle Revolution: mass-customization<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
1980er Jahren: Entkoppelung der Produktivität von den Stückzahlen<br />
Ursachen: Reduzierung der Rüstvorgänge durch Weiterentwicklung der Werkzeugmaschinen<br />
zu Fertigungszentren, Fortfall ganzer Produktionsschritte (Qualitätsprüfung,<br />
Buchhaltung, Logistikverwaltung) durch verbesserte Messtechnik in Verbindung mit der<br />
Regeltechnik und durch Softwarevernetzung.<br />
mass-customization: mass production: „Massenproduktion“ und customization: „kundenindividuelle<br />
Anpassung“<br />
Fertigungsprinzip: enge Zusammenarbeit mit dem Kunden führt zu Kompromiss aus den<br />
individuellen Wünschen des Kunden mit dem Modulangebot des Produzenten. Die Informationen<br />
werden durch die MC-Software in Fertigungsanweisungen übersetzt und<br />
gehen ohne Zwischenschritte in die Fertigung. Fertigung incl. Materialanlieferung läuft<br />
„just in time“ an, sodass Produkte direkt vom Band in die Regale ausgeliefert werden<br />
Vorteile der MC:<br />
Ä Vereinfachung der Produktionskette durch Modularisierung der Produkte<br />
Ä geringe Lagerkosten<br />
Ä starke Kundenbindung durch individuelle Produktgestaltung<br />
Ä automatisierte Generierung von Stücklisten und Arbeitsplänen aus der Konstruktionsplanung<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 2
Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Abstimmung der Arbeitsgruppen in der Fertigung, bis hin zur Zeitplanung in Echtzeitsimulationen<br />
automatisierte Koordination des Lieferanten- und Händlernetzwerkes<br />
keine höheren Kosten gegenüber einer Massenproduktion (Voraussetzung: Modularisierung<br />
der Produkte)<br />
2.4 Stufen der <strong>Automatisierung</strong><br />
Stufe 1: Alle Steuerungs- und Hilfsfunktionen (Bedienung<br />
der Maschine, Werkstücktransport, Messen) werden von<br />
Hand ausgeführt.<br />
Stufe 2: Steuerungsfunktionen werden von einem Halbautomaten<br />
übernommen. Wegen der gestiegenen Stückzahlen<br />
wird mehr Handarbeit bei den Hilfsfunktionen erforderlich.<br />
Stufe 3: Zur Vollautomatisierung der Bearbeitung kommt der<br />
Werkstücktransport, die Handhabung der Werkstücke und<br />
der Werkzeuge (z.B. durch Industrieroboter) dazu.<br />
Stufe 4: Auch der Messvorgang wird vom Automaten übernommen.<br />
Der Mensch greift nur justierend ein, wenn Sollund<br />
Istmaß nicht innerhalb der Toleranzen liegen.<br />
Stufe 5: Das integrierte Werkstückmesssystem leitet selbstständig<br />
eine Korrektur der Werkzeugzustellung ein. Der<br />
Mensch greift nur noch im Störungsfall ein.<br />
Vor allem ab Stufe 3: massiver Abbau von Arbeitsplätzen im Fertigungsbetrieb, insbesondere<br />
von Arbeiten mit geringerer Qualifikation.<br />
Folge: Optimierung der Produktion in den Bereichen Lohnkosten, Lagerhaltung, Fertigungszeiten,<br />
Rüstzeiten, Fertigungsflexibilität, Produktflexibilität, Produktqualität, Produktivität,<br />
Arbeitsbedingungen, Unfallgefahren usw.<br />
3 Ursachen für <strong>Automatisierung</strong>smaßnahmen<br />
3.1 Arbeitskosten<br />
Ä<br />
Lohnnebenkosten<br />
• Tarifliche und freiwillige Lohnnebenkosten: Urlaub, Urlaubsgeld, Sonderzahlungen,<br />
betriebliche Altersversorgung, Vermögensbildung, sonstige Nebenkosten<br />
• Gesetzliche Lohnnebenkosten:<br />
• Sozialversicherungsbeiträge: Urlaubsgeld, Lohnfortzahlung, Vermögensbildung,<br />
Krankenversicherung, Rentenversicherung, Arbeitslosenversicherung,<br />
Pflegeversicherung, Berufsgenossenschaft<br />
• Bezahlte Feiertage<br />
• Lohnfortzahlung im Krankheitsfall<br />
• Sonstige Nebenkosten<br />
Ä<br />
Gemeinkosten: Raumkosten, Steuern, Beiträge, Energiekosten, Zinsen, Fahrzeuge etc.<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 3
Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
Eine Arbeitsstunde<br />
Zusammensetzung in € (2007)<br />
17,06<br />
2,2<br />
Stundenlohn<br />
brutto<br />
Lohnnebenkosten<br />
11,74<br />
8,36<br />
Gemeinkosten<br />
Gewinn<br />
13<br />
Mehrwertsteuer<br />
3.2 Fertigungsgenauigkeit<br />
3.3 Verbesserung in Teilbereichen der Produktion<br />
Folgende Funktionen sind prinzipiell automatisierbar, bezogen auf die Maschine, das Werkzeug,<br />
die Vorrichtungen und auf das Werkstück:<br />
Folgende Funktionen sind prinzipiell automatisierbar, bezogen auf die Maschine, das Werkzeug,<br />
die Vorrichtungen und auf das Werkstück:<br />
Objekt<br />
Funktion Maschine Werkzeug Vorrichtung Werkstück<br />
Transportieren, Ordnen<br />
Handhaben<br />
Einrichten<br />
Speichern<br />
Spannen, Entspannen<br />
Bearbeiten<br />
Aufbereiten<br />
Kontrollieren<br />
Diagnose<br />
Legende<br />
= Objekt führt<br />
Funktion aus<br />
= Objekt indirekt<br />
an der Funktion<br />
beteiligt<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 4
Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
3.4 Steuerungen in der automatisierten Fertigung<br />
Elektrische Steuerungen<br />
Nach der technischen Realisierung<br />
Abbildung 1: Technische Realisierungen bei elektrischen Steuerungen 1<br />
Ä<br />
Ä<br />
Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VS): Steuerungsfunktion durch die Verbindung<br />
elektrischer Bauteile und Gruppen.<br />
o Festprogrammierte Steuerungen: gelötete, geschraubte, geklemmte Verbindungen<br />
o Umprogrammierbare Steuerungen: Steckverbindungen, Diodenmatrizen, Verteilersysteme<br />
Speicherprogrammierte Steuerungen (SPS): Steuerungsfunktion durch ein Programm, das<br />
in Speicher abgelegt ist. Sensoren geben Eingangssignal an Prozessor, der entsprechend<br />
der Programmierung Ausgangssignal weitergibt. Aufgaben von SPS:<br />
o Steuerung der Funktionseinheit: logische Verknüpfungen, Funktionsabläufe...<br />
o Überwachung und Diagnose: Zeitüberwachung, Plausibilitätsüberwachung,<br />
Fehlermeldungen...<br />
o Benutzerschnittstelle zur Maschinenbedienung: Eingabeelemente, Anzeigeelemente...<br />
o Datenaustausch mit anderen Steuerungen: Kopplung zur NC (Ausführung der<br />
Schaltanweisungen der NC), Kommunikation mit Leitrechner...<br />
o Weitere Aufgaben: Werkzeugverwaltung, Betriebsdatenerfassung...<br />
1 Weck, Manfred: Werkzeugmaschinen Band 4: Fertigungssysteme. Springer Verlag Berlin, Heidelberg 5 2001,<br />
S. 116<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 5
Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
Nach der Organisation des Ablaufs<br />
Abbildung 2: Ablauforganisation elektrischer Steuerungen 2<br />
Ä<br />
Ä<br />
Logische Verknüpfung zwischen Eingangs- und Ausgangssignale<br />
o Ohne Speicherverhalten: Wenn Eingangssignal X, dann Ausgangssignal Y<br />
o Mit Speicherverhalten: Wenn Vorgeschichte A + Eingangssignal X, dann Ausgangssignal<br />
Y. Wenn Vorgeschichte B + Eingangssignal X, dann Ausgangssignal<br />
Z (Beispiel: Taster wird einmal gedrückt: Maschine an. Taster wird erneut<br />
gedrückt: Maschine aus Ä dasselbe Eingangssignal, unterschiedliches<br />
Ausgangssignal)<br />
Ablaufsteuerung<br />
o Zeitgeführt: Weiterschalten des Folgeschrittes nach Zeitintervall (Zeitglied,<br />
Schaltwalze)<br />
o Prozessgeführt: erst nach Abschluss eines Prozessschrittes erfolgt der nächste.<br />
Numerische Steuerungen<br />
Hauptaufgabe der numerischen Codierung ist die Steuerung der Relativbewegung zwischen<br />
Werkzeug und Werkstück durch Weg- und Geschwindigkeitsanweisungen. NC-Programme<br />
werden in der Arbeitsvorbereitung in eigenen Abteilungen erstellt oder direkt an der Maschine.<br />
Die Informationen, die programmiert werden können,<br />
betreffen:<br />
Z<br />
G-Befehle (Geometrische Daten): Werkzeug- und Werkstückwege<br />
in den ansteuerbaren Achsrichtungen.<br />
Das sind Linearachsen, z.B. X, Y und Z, oder Drehachsen,<br />
z.B. A, B und C. Darüber hinaus können weitere Achsen<br />
angesteuert werden.<br />
C<br />
Y<br />
M-Befehle (von miscellaneous: vermischt, vielseitig):<br />
B<br />
Ä Technologische Daten: Werkzeugauswahl, Spindeldrehzahl,<br />
Schnittgeschwindigkeit usw.<br />
Ä Schaltfunktionen: Spindel, Kühlschmierpumpe.<br />
A X<br />
2 Weck, Manfred: Werkzeugmaschinen Band 4: Fertigungssysteme. Springer Verlag Berlin, Heidelberg 5 2001,<br />
S. 116<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 6
Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
Prinzipiell unterscheidet man zwischen objektbasierten (Programmgliederung in größeren logischen<br />
Einheiten) und satzbasierten Programmen (Programm wird Zeile für Zeile abgearbeitet).<br />
Satzbasierte Programme (z.B. auch nccad) verwenden die Programmiersprache nach DIN<br />
66025 bzw. ISO 6983. Danach besteht ein NC-Programm aus Sätzen (Zeilen, die i.d.R. von<br />
oben nach unten abgearbeitet werden) und die wiederum aus Wörtern.<br />
Ein Wort besteht aus Adressbuchstaben und Ziffernfolgen (Abb. 8).<br />
Hier eine Auswahl von Adressbuchstaben für Geometrieangaben:<br />
Ä Wegbedingungen G: Interpolationsart (linear oder zirkular), Maßeinheit, Werkzeugbahnkorrektur,<br />
Nullpunktverschiebung, Arbeitszyklen (Bohrzyklus...)<br />
Ä Weginformationen: Achsbewegungen, Wegstrecke und Drehwinkel<br />
Weitere Angaben können sein:<br />
Ä Technologiedaten zur Werkstückbearbeitung: Vorschubgeschwindigkeit F (feed) in<br />
mm/min, Spindeldrehzahl S, Werkzeugradiuskorrektur für Fräsvorgänge<br />
Ä Vermischte Daten M: Spindelumlaufrichtung, Aufruf von Unterprogrammen, Ansteuerung<br />
von Einzelmaschinen.<br />
Einzelbefehle lösen eine direkte Bewegung der Maschine aus (G01 X10 Y20 Å die Maschine<br />
fährt den Punkt 10/20 geradlinig an), Makros führen zu verknüpften Handlungsfolgen (G79<br />
und G81 Å Bohrzyklus: die Maschine führt mehrere Bohrungen mit den eingestellten Parametern<br />
für Tiefe, Rückzugsabstand und Vorschub aus).<br />
4 Neue Arbeitsstrukturen<br />
4.1 Geänderte Fertigungsorganisation<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Fertigungsinseln, die Teilabschnitte der Fertigung als selbstständige Fertigungseinheiten<br />
bearbeiten<br />
Folgen: Arbeitsaufgaben mit stark unterschiedlichem<br />
funktionalen und zeitlichen Bezug zum Fertigungsablauf,<br />
verstärkt Gruppenarbeit, vielfältigere<br />
Tätigkeiten, breitere Kompetenzanforderung,<br />
größere Entscheidungsspielräume, abstraktere<br />
Entscheidungs- und Arbeitsprozesse, der unmittelbare<br />
Kontakt mit Werkstoff, Werkzeug und<br />
Produkt wird öfter in den Umgang mit Software<br />
verlagert, geringere körperliche Belastung, stärkere<br />
psychische Belastung, häufige Qualifizierungsmaßnahmen<br />
erforderlich<br />
Änderungen in allen Bereichen der Funktionspyramide<br />
Betrieblicher Nutzen qualifizierter Produktionsarbeiter:<br />
Ä Geringeres Risiko und kürzere Dauer von Störungen<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 7
Interdisziplinäre Studien zur <strong>Automatisierung</strong>stechnik<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Ä<br />
Selbstständiges Beheben von Störungen bzw. Unterstützen von Spezialisten bei der<br />
Behebung von Störungen<br />
Vermeiden oder Zurückstellung extrem teurer <strong>Automatisierung</strong>s- und Planungsprozesse<br />
Beschleunigung bei der Einführung technisch-organisatorischer Neuerungen<br />
Optimierung technischer Systeme in Zusammenarbeit mit Spezialisten<br />
4.2 Geänderte Anforderungen an die Facharbeiter<br />
Ä<br />
Ä<br />
Traditionelle Qualifikationen: fachliches Können, Geschick, Erfahrung im Umgang mit<br />
Maschinen<br />
Neue Qualifikationen: abstraktes, systemisches Denken, Umgehen mit Symbolen, schnelles<br />
Reagieren und Erfassen von Störungen, hohe Verantwortung<br />
4.3 Eine überraschende Entwicklung?<br />
Dieter Otten (Good bye, Mr. Ford –1986): Die Entwicklungsrichtung der Produktivkräfte geht<br />
in Richtung<br />
Ä „kleine, hochintelligente Maschineneinheiten;<br />
Ä weitgehend auf sich gestellte, aber billige Steuerungssysteme mit hoher Intelligenz;<br />
Ä autonome Systeme, die möglichst alle eigenen Ressourcen selbst nutzen und nur im<br />
Ä<br />
Grenzfall auf externe Kommunikation angewiesen sind;<br />
via Automation und Superroboter voll integrierte hochautomatische Produktionssysteme<br />
mit immenser Produktivität und mit einem sehr geringen Arbeitskräftebedarf.“<br />
Er sagte folgende Entwicklung voraus:<br />
„1. die Dezentralisierung von Arbeit,<br />
2. die Dekonzentration von Betrieben und Verwaltungen,<br />
3. eine horizontale Vernetzung der Informationsverarbeitung,<br />
4. weitgehend autonome Systeme der Informationsverarbeitung und Kommunikation,<br />
5. eine entsprechende Autonomie der einzelbetrieblichen Einheit.“<br />
Drei Problemfelder werden entstehen (1986!):<br />
„1. der Bewältigung der Transformation der Erwerbsstruktur,<br />
2. der veränderten Qualifikationsstruktur und ihrer Bewältigung,<br />
3. dem Anschlusshalten an die wirtschaftlich-technische Entwicklung unter gleichzeitiger<br />
Bewältigung der sozialen Folgeprobleme.“<br />
4.4 Eine ablesbare Entwicklung<br />
Stand: Oktober 2008 Käser – Binder 8 Seiten - 8
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