Harald Cuntz

Intelligente Funktionsbausteine fur numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen

Mit 83 Abbildungen

Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 1981

Dr.-Ing. Harald Cuntz Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik

Universitat Karlsruhe

Dr.-Ing. Hans R. Victor t o. Professor am Institut fur Werkzeugmaschinen und Betriebstechnik

Universitat Karlsruhe

ISBN-13: 978-3-540-10812-2 DOl: 10.1007/978-3-642-81662-8

e-ISBN-13: 978-3-642-81662-8

Das Werk ist urheberrechtlich geschiitz!. Die dadurch begrundeten Rechte, insbesondere die der Ober·

setzung, des Nachdrucks, der Entnahme von Abbildungen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photo·

mechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch

bei nur auszugsweiser Verwendung, vorbehalten.

Die Vergiitungsanspruche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die "Verwertungsgesellschaft Wort", Munchen,

wahrgenommen.

@)Springer·Verlag, Berlin, Heidelberg 1981

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk be·

rechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht lU der Annahme, daB solche Nomen im Sinne dar

Warenzeichen· und Markenschutz·Gesetzgebung als frei lU betrachten waren und dahar von jadermann

benutzt werden durften.

2362/3020-543210

Geleitwort des Herausgebers

Vielfach wird beklagt, daa der Transfer der Ergebnisse

von Forschungsarbeiten der Universitaten zum industri­

ellen Anwender nur mit Zeitverzogerung oder in nicht

ausreichendem Maae erfolge. In den Fallen, wo das wirk­

lich zutrifft, ware diese Problematik besonders dann zu

bedauern, wenn die durchgefUhrten Forschungsarbeiten pra­

xisrelevante Themen behandelt haben, die unmittelbar oder

nach Anpassung Teil des fUr den wirtschaftlichen Erfolg

der Industrie so wichtigen "know how" werden konnten.

Um den Wissenstransfer Universitat - Industrie wenigstens

in einem kleinen Bereich zu verbessern, wird die Buch­

reihe

"wbk-Forschungsberichte"

gesicherte Ergebnisse praxisnaher Forschungsarbeiten des

Instituts fUr Werkzeugmaschinen

und Betriebstechnik

der Universitat Karlsruhe

kurz "wbk" genannt, in geschlossener Darstellung verof­

fentlichen. Die Bande dieser Reihe, die in unregelmaai­

ger Folge erscheinen, sollen dazu beitragen, die zeitli­

che und sachliche LUcke zwischen dem Abschlua einer For­

schungsarbeit und der moglichen Adaption durch die Indu­

strie zu verkUrzen.

Thematisch umfassen die Veroffentlichungen Arbeiten aus

dem Gebiet der Fertigungstechnik, des Werkzeugmaschinen­

baus und der Steuerungstechnik. Sie wenden sich sowohl

an das Ftihrungspersonal im Betrieb als auch an in For­

schung und Entwicklung Tatige. Bei den genannten Perso­

nenkreisen sollen sie neue Erkenntnisse und Ergebnisse

aus der Forschung vermitteln, die fUr die eigenen kon­

struktiven und fertigungstechnischen Aufgaben von beson­

derer Bedeutung sein konnten.

Naturgema~ kann eine derartige Dokumtation, die ja an einen gewissen Umfang gebunden ist, nicht in jedem Fall

und fUr jede Anwendung aIle Fragen schltissig beantwor­

ten. Erganzend hierzu bietet sich dann aber der person­liche Kontakt des Interessenten mit dem wbk an, zu dem

die Autoren gern bereit sind.

DaB die wbk-Forschungsergebnisse durch die jetzt tiber

den Buchhandel erhaltlichen "wbk-Forschungsberichte" noch groBere Verbreitung als bisher erhalten, wtinschen

aIle Mitarbeiter und der Herausgeber dieser Reihe.

Hans R. Victor

Vorwort

Die vorliegende Arbeit entstand wahrend meiner Tatigkeit

als wissenschaftlicher Assistent am Lehrstuhl und lnsti­

tut fUr Vlerkzeugmaschinen und Betriebstechnik der Univer­

sitat Karlsruhe.

Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Victor, dem verstorbenen Leiter

des lnstituts, verdanke ich die Anregung und die beson­

dere Forderung der Arbeit.

Den Referenten Herrn Prof. Dr.-Ing. H. Grabowski, dem

Leiter des lnstituts fUr Rechneranwendung in Planung und

Konstruktion der Universitat Karlsruhe und Herrn Prof.

Dr.-Ing. M. Weck, dem Leiter des Lehrstuhls und lnsti­

tuts fUr Werkzeugmaschinen am WZL der RWTH in Aachen

danke ich fUr ihr Interesse und die eingehende Durch­

sicht der Arbeit.

Den Herren Dr.-Ing. G. Widl, Dipl.-Ing. H.U. Paul und

Dipl.-Ing. H. Lenz yom Geschaftsbereich lndustrieaus­

rUstung der Robert Bosch GmbH in Erbach danke ich fUr

die groEzUgige UnterstUtzung und die vorbildliche Zu­

sammenarbeit bei der DurchfUhrung der Projekte.

Meinen Kollegen, den Mitgliedern der Steuerungsgruppe

und hier besonders Dipl.-Ing. R. BrUckbauer und Dipl.­

lng. G. Staiger danke ich fUr die wertvolle UnterstUtzung

bei der Erstellung der Arbeit, Dipl.-Ing. M. MUller fUr

die anregenden Diskussionen und Dipl.-Ing. Vorsteher

vom WZL in Aachen fUr die eingebrachten Vorschlage zur

Korrektur der Arbeit.

Mein besonderer Dank gilt meinen Eltern, die mir die

Ausbildung ermoglichten und meiner Frau Dagmar, die mir

bei der Erstellung der Arbeit sehr behilflich war.

Karlsruhe, Februar 1981 Harald Cuntz

INHALTSVERZEICHNIS

FORMELZEICHEN UND ABKURZUNGEN

1.1

1.2

2.

2.1

2.1.1

2.1. 2

2.1.3

2.2

3.

3.1

3.1.1

3.1. 2

3.2

3.2.1

EINLElTUNG

Entwicklungsstand der NC-Technik

Problemstellung

FUNKTIONSBAUSTEINE NUMERISCHER

STEUERUNGEN

Einwirkungsbereiche der numerischen

Steuerung

Numerische Steuerung und Arbeits­

vorbereitung

Numerische Steuerung und Ferti­

gungsprozelil

Numerische Steuerung und Qualitats­

kontrolle

Intelligente Funktionsbausteine

FUNKTIONSBAUSTEIN WERKZEUGRADIUS­

KORREKTUR

Anforderungen an eine universelle

Werkzeugradiuskorrektur

Diskussion der moglichen Bahn­

iibergange

Die kombinierte Werkzeugradius­

korrektur

Aufgaben einer NC-Satzvorbereitungs­

logik

Definitionen

Seite

12

15

16

18

20

23

23

25

27

29

32

32

33

37

39

39

3.2.2

3.3

3.3.1

3.3.2

3.3.3

3.4

3.4.1

3.4.2

3.4.3

3.4.4

3.5

3.5.1

3.5.2

3.5.3

4.

4.1

4.1.1

-8 -

Die Arbeitsweise der kombinierten Werkzeugradiuskorrektur beim Ein­und Austritt

Verfahren zur Feststellung des aktuellen BahnUbergangs

Bestimmung der moglichen Kombinationen Systematisierung der Fallunterschei­dung Bestimmung der Versatzvektoren bei Linear- und Zurkularinterpolation

Seite

41

43

43

44

48

Ermittlung der versetzten Bahneckpunkte 51

Bestimmung des Schnittpunkts Gerade- 51 Gerade Schnittpunktberechnung Gerade-Kreis Berechnung des Schnittpunkts Kreis­Kreis Bestimmung des wahren Schnittpunkts

Zusatzaufgaben der kombinierten Werkzeugradiuskorrektur

Kollisionskontrolle Wiedereintrittszyklus Diskussion der verschiedenen Moglich­keiten eines Wiedereintritts

FUNKTIONSBAUSTEIN TEMPERATURKOMPEN­SATION

Kompensation thermischer Verformungen an numerisch gesteuerten Werkzeug­maschinen

Thermische EinfluBgroBen bei Werk­zeugmaschinen

53

55

58

60

60

62

64

67

67

68

4.1. 2

- 9 -

MaBnahmen zur Verbesserung des

thermischen Verhaltens von Werk­

zeugmaschinen

4.1.2.1 Auslagerung von Warmequellen

4.1.2.2 Konstruktive MaBnahmen

4.1.2.3 Verwendung von Ktihlsystemen

4.1.2.4 Geregelte Kompensationsverfahren

4.2

4.2.1

4.2.2

4.2.3

4.3

4.3.1

4.3.2

4.3.3

4.4

4.4.1

4.4.2

4.5

4.5.1

MeBverfahren zur Ermittlung der

Temperaturen in Werkzeugmaschinen

Auswahl des TemperaturmeBverfahrens

Aufbau der MeBeinrichtung

Ermittlung der zeitabhangigen

Temperaturen und Verlagerungen

Mode11bildung zur Berechnung der

Verlagerungswerte

Drehzahl- und Temperaturabhangigkeit

der Verlagerungswerte

Die Vberlagerung von Einzelverlage­

rungen zur Berechnung der Gesamtver­

lagerung

Berechnung der Verlagerung aus einer

Linearkombination von Einzeltemperaturen

Rechenmodell zur Ermittlung der

Koeffizienten

Verfahren der multiplen Regression

Bestimmung der Koeffizienten tiber

den GauBschen Algorithmus

Ergebnisse des Kompensationsverfahrens

Ort und Zahl der bendtigten

MeBstellen

4.5.1.1 EinfluB der Zahl der MeBstellen

Seite

70

71

72

73

74

75

76

80

81

88

88

91

92

95

95

98

102

102

103

- 10 -

4.5.1.2 EinfluE des MeEortes

4.5.2

4.5.3

5.

5.1

5.2

5.3

5.4

5.4.1

5.4.2

5.5

5.6

5.6.1

EinfluE der Betriebsarten auf die

KompensationsgUte

Ergebnisse des Kompensationsverfahrens

bei gemischten Betriebsarten

FUNKTIONSBAUSTEIN BAHNtiBERWACHUNG

BahnUberwachungssystem fUr numerisch

gesteuerte Werkzeugmaschinen

Auswirkungen von Bahnabweichungen

Maximalwert- und ToleranzbandUber­

wac hung

Informationsverarbeitung und Bahner­

zeugung

Lineare Interpolation

Zirkulare Interpolation

Diskussion der Ursachen von Bahn­

abweichungen

Methoden der Bahn- und PositionsUber­

wachung

PositionsUberwachung bei linearer

Interpolation

Seite

107

108

111

115

115

117

119

121

122

124

126

133

134

5.6.1.1 Sollbahnbezogene AbstandsUberwachung 134

5.6.1.2 Uberwachung mit begrenztem Kontrollraum 138

5.6.1.3 Uberwachung der Bahnrichtungswinkel 140

5.6.2 PositionsUberwachung bei Zirkular­

interpolation

142

5.7 Vergleich und Auswah1 der Uberwachungs- 144

5.8

methoden

Arbeitsweise des entwickelten Uber­

wachungsverfahrens

146

6.

6.1

6.1.1

6.1. 2

6.1.3

6.2

6.2.1

6.2.2

7.

8.

- 11 -

EINFLUSS DER FUNKTIONSBAUSTEINE

AUF DIE CNC-STEUERUNG

Grenzwerte der CNC-Steuerung

Zeitliche Grenzwerte der CNC­

Steuerung

EinfluE des Adressbereichs und der

SpeichergrdEe

Grenzen des Informationsflusses in

der Steuerung

Auswirkungen des Steuerungsaufbaus

auf deren Leistungsfahigkeit

Seite

148

150

150

153

153

155

Auswirkungen unterschiedlicher Software- 155

strukturen

Auswirkungen unterschiedlicher Hardware- 158

strukturen

ZUSAMMENFASSUNG 162

SCHRIFTTUN 164

- 12 -

FORMELZEICHEN UND ABKURZUNGEN

A,A'

a

a

b

B(I)

D

H

I,J

i, j ,iR

1

mm

mm

mm

mm

mm

1

mm

mm

mm

mm

mm

1

l/s

1

mm

mm

Kontrollraum

thermische Nachgiebigkeit

Bahnvektor

Eckenabweichung

Uberschwingabweichung

Verbindungsvektor

Parameterfeld fUr Gerade und Kreis

Belastungskennziffer

Verbindungsvektor

Korrekturwert

Versatzvektor

Gerade

Hilfshtihe

Kreisparameter in x und y

Einheitsvektoren

Konstanten, Kreise

Kreuzprodukt

Drehrichtung

Geschwindigkeitsverstarkung

Zahl der Nachlaufintervalle

Lange, Nachlauf

Lange bei aOc

- 13 -

AI. mm Langenanderung

M1 ,M2 Mitte1punkte

n l/min Drehzah1

R,Ra,Rn mm Bahnradien

R,Ro IJ 'tliderstand

s mm Sollposi tion n

s. mm Istposition ~

Sp mm Skalarprodukt

TAB s Abtastzei t

Tb s gesamte Verfahrzeit

TBZ s Blockzykluszeit

~t s Rufdauer

vB mm/min Bahngeschwindigkeit

w mm Bahnlange

x,y mm Bahnkoordinaten

t::.x,~y mm Weginkremente

~ mm Verlagerung

ex 1/0 mittlerer Temperaturbeiwert

.a 0 Temperatur in °c cp Bahnrichtungswinkel

V l/s Ruffo1ge

u.: 0 l/s Kennkreisfrequenz

Indices

ges

i

i,j,k,m,n m

max

s

x,y

Abktirzungen

ACC CAD

CCW CJ CW CNC

FIFO ISP MPST

NTC

- 14 -

Gesamt

Istwert Laufvariablen

Mittelpunkt maximal Sollwert, Schnittpunkt Anteil in x,y-Richtung

Adaptive Control Constraint Computer Aided Design Counter Clockwise

Circular Joining Clockwise Computerized Numerical Control

First In First Out

Intersection Point Mehrprozessorensteuerung

Negative Temperature Coefficient