Wandlungsfähige Systeme reagieren auf Veränderungen ihres Umfelds mit einer Anpassung von Organisation, Produktionskapazitäten und Fertigungsaktivitäten. Durch die modulare Gestaltung von Maschinen ergibt sich ein hohes Maß an Wandlungsfähigkeit, indem deren Aufbau und Struktur vom Anwender nach Bedarf verändert werden können. Da dies die gesamte Funktionalität betrifft, entstehen beim Entwurf solcher Maschinen neue Herausforderungen in allen mechatronischen Disziplinen. So führt der Aufbau von Maschinen aus autarken Modulen unter anderem zu dezentralen Strukturen, die im traditionellen Maschinenbau bisher nicht verbreitet sind.

Konfigurieren bedeutet in der Produktionstechnik, dass Teile einer Maschine zu einem Gesamtsystem zusammengesetzt, sprich konfiguriert werden. Handelt es sich bei den Maschinenteilen um funktional abgegrenzte Module, so spricht man von einer modularen Maschine. Eine rekonfigurierbare Maschine bezeichnet letztlich ein modulares Maschinensystem, das sich nach dem initialen Aufbau erneut in unterschiedlicher Modulkombination zusammensetzen lässt. Die Funktionalität sowie die Bearbeitungstechnologie einer Maschine sind damit nach Bedarf rekonfigurierbar. Idealerweise können dabei Module von unterschiedlichen Herstellern zum Einsatz kommen.

Bis dato sind rekonfigurierbare Maschinensysteme allerdings Gegenstand der Forschung, da zentrale Fragestellungen noch nicht umfassend geklärt sind und modulare Systeme nur für spezielle Anwendungsfälle ausgelegt werden. Noch offene Fragestellungen sind beispielsweise die Granularität von Modulen, die Verteilung von Funktionalität, die Definition von Schnittstellen sowie die entsprechende Modularisierung von Softwaresystemen. Darüber hinaus spielen bei rekonfigurierbaren Systemen mechanische, elektronische und softwaretechnische Aspekte eine Rolle, die sich nicht isoliert voneinander lösen lassen.

Kleine Maschinen für kleine Werkstücke

Heutige Werkzeugmaschinen erscheinen gegenüber den damit gefertigten Werkstücken oftmals unverhältnismäßig groß. Durch die Verkleinerung der Werkzeugmaschine wäre nicht nur der Energie- und Materialaufwand reduzierbar, sondern es würden sich dadurch auch neue Möglichkeiten zur Rekonfiguration eröffnen. Vor diesem Hintergrund werden aktuell im Rahmen des Forschungsprogramms „Kleine Werkzeugmaschinen für kleine Werkstücke“ modulare Komponenten für den Aufbau solcher Maschinen untersucht (http://www.spp1476.de). Das Ziel dieses Projektes ist es, ein Baukastensystem für kleine Maschinen zur Verfügung zu stellen, mit dem flexibel auf neue Produktionsbedingungen reagiert werden kann. So soll beispielsweise eine zum 3D-Fräsen ausgelegte Maschine mittels weniger Handgriffe zu einer 2D-Laserabtragsanlage oder Mikroschleifmaschine rekonfiguriert werden können. Das Konzept sieht eine Rekonfigura­tion auf wöchentlicher Basis vor, welche problemlos von ein bis zwei Personen durchgeführt werden kann. Ein besonderer Fokus des Projektes liegt auf den dafür erforderlichen Bearbeitungstechnologien sowie auf kompakten kinematischen Konzepten.

Realisiert wurden im Rahmen des Projektes separate Module für Bear­beitungstechnologie, Bewegungserzeugung sowie Gestellmodule für die räumliche Anordnung. Technologiemodule beinhalten dabei alle zur Durchführung der Bearbeitung notwendigen Komponenten: Werkstückspanneinheit, das Werkzeug und gegebenenfalls Komponenten für den Werkstückfluss. Um die Module mit elektrischer Leistungs- und Steuersignalen zu versorgen, werden die Module mit multifunktionalen Schnittstellen ausgestattet, welche neben einer einfachen aber hochpräzisen mechanischen Ankopplung die elektrische Versorgung sowie die Zufuhr mit Medien ermöglicht. Die Veränderung der Technologie hat dabei weitere notwendige Anpassungen zur Folge: So kommt beispielsweise ein Bewegungsmodul für den Laserabtragprozess mit zwei Antrieben aus, wohingegen das Bewegungsmodul für den Fräsprozess drei oder gar fünf Bewegungsfreiheitsgrade benötigt.

Die Konstruktion des Gestellmoduls aus Kanten und Knoten ermöglicht eine einfache Rekonfiguration der Dimen­sion des Arbeitsraumes. Eine erhebliche Platzreduktion der Gesamtmaschine ergibt sich dabei durch den am Institut für Steuerungstechnik der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen (ISW) der Universität Stuttgart ent­wickelten Maschinenaufbau nach dem kinematisch-kooperativen Prinzip: Werden anstelle eines einzelnen zwei Bewegungsmodule eingesetzt, um Werkstück und Werkzeug simultan zu verfahren, so ergibt sich daraus eine Verdoppelung des Arbeitsraumes bei gleichem Bauraum der Maschine. Die Bewegungsmodule werden von einer hochsteifen geschlossenen Gestellkon­struktion getragen.

Bild 1: Rekonfigurierbare Maschine aus autarken Modulen für die 3D-Bearbeitung. © ISW

Die derzeit im Aufbau befindliche rekonfigurierbare Maschine, wie sie in Bild 1 zu sehen ist, beinhaltet zwei kooperativ angeordnete Bewegungs­module und ein komplett rekonfi­gurierbares Basismodul. Laufende Forschungsarbeiten betreffen die Erweiterung der mechanischen Schnittstelle um eine Medienversorgung, integrierte Elektronik und Firmware für die automatische Konfiguration. Angedacht ist die Integration der gesamten Leistungselektronik aus dem Schaltschrank in die entsprechenden Module. Weiterhin soll durch das Andocken eines Versorgungsmoduls die Bereitstellung von Energie, Signalen und Medien ohne den Einsatz von Kabeln gewährleistet werden. Dadurch entstehen mechanisch und elektronisch abgegrenzte Module. Ein Defizit besteht bisher noch in der informationstechnischen Abbildung dieser Module im maschinenweiten Steuerungssystem.

Gestaltet man Maschinen modular, so werden – je nach Systemgrenzen – Funktionalitäten auf eine neue Weise zusammengefasst. Dies ist in modulinternen Steuerungssystemen zu berücksichtigen. Diese Funktionalitäten sind bei jedem neuen Integrationsvorgang in eine Maschine wiederholt zu konfigurieren.

Flexible Software für modulare Maschinen

Für die Unterstützung dieses Vorgangs sind neue Konzepte erforderlich, die eine rasche Einbindung in das Gesamtsystem ermöglichen. Wichtige Voraussetzungen dazu sind die Identifikation von Modulen, der interne Datenaustausch für die Konfiguration sowie eine einheitliche Sicht auf die Schnittstellen. Beispielsweise spielt die Identifikation von Modulen eine wesentliche Rolle, um diese automatisch in das Steuerungssystem einbinden zu können. Moderne Feldbus-Systeme erlauben bereits eine Identifikation von Geräten, indem Kennungen, Versionsnummern und Herstellerbezeichnungen ausgelesen werden können. Allerdings existiert noch keine geeignete Beschreibungsform für die mechatronische Funktionalität von ganzen Modulen.

Ein Konzept zur Homogenisierung von Schnittstellen ist die Kapselung von Funktionalität in so genannte mechatronische Module. Diese Module sind Bausteine mit harmonisierten baulichen und funktionalen Schnittstellen. Sie verfügen über mechanische, elektronische und informationstechnische Schnittstellen. Für die Ausführung von modulinternen Funktionalitäten sowie für die periphere Kommunikation sind entsprechende Rechenkapazität und Speicherplatz notwendig. Die Kommunikation nach außen erfolgt über ein modernes Feldbus-System.