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