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Steuerungsintegrierte, adaptive Programmausführung einer

1. on ae TEEN TTT AD 4 NC N Strategy E lllolalalelle al Feed Rate ls slololalalalalals slaf 2 Objektbasiert heat riff bo 1l Vorgabe com 1l p Daten nder ao E Korrektur Operation Th Technology zugriff Bf ungen Operation Too E Strategy To Lo Tool IQ Bedarfsorientierter gezielter Zugriff auf einzelne Objekte Uber einen zentralen Datenserver Bild 5 10 Systemkopplung auf der Basis der NC Programmierschnittstelle Data exchange and linkage based on the NC programming interface Um dennoch die geforderten Programmeingriffe zuzulassen bietet sich ein Konzept mit einer zentralen NC Programmverwaltung und einem Mechanismus zum bedarfsorientierten Aus tausch der programmierten und nach Eingriffen manipulierten NC Programmelemente an Bild 5 10 unten Die Grundlage f r diese L sung leitet sich aus der objektorientierten Da 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 57 tenstruktur der NC Programmierschnittstelle ab Demnach werden die einzelnen Programm elemente als Datenpakete ber breitbandige Datenschnittstellen wie z B das Ethernet oder ber einen gemeinsamen Arbeitsspeicher von den Teilsystemen abgefragt oder gezielt als Fortschrittmeldung und Korrekturen ausgetauscht Dieser Ansatz ist heute bei zentral verwal teten Datenbanken mit verteilten Zugriffsystemen den sogenannten Clients blich Die Zugriffsrechte k nnen
2. ABS Side_milling ABS Plane_milling ABS Bottom_and_side_milling its_machining_strategy ABS Drilling_type_operation mm mem een Drilling_type_strategy ABS Drilling_operation GE EG eee Drilling Center_drilling Counter_sinking Multi_step_drilling Thread_drilling compensation_cuck Tapping Boolean ABS Boring_operation a ao G Reaming Boring Anhang II 11 1 3 Geometrie und Bearbeitungsmerkmale Geometry and machining Features its_id ABS Manufacturing_feature Identifier its_operations Set 1 ABS Machining_operation its_workpiece S Workpiece ABS Region N a Region_projection Topological_region Region_surface_list feature_placement L Axis2_placement_3d feature_placement 9 ABS Two5D_manufacturing_feature depth ABS Machining_feature Elementary_surface Step Slot ABS Pocket ABS Thread Round_hole Planar_face its_bosss Set 0 n Boss planar_radius slope 4 Open_pocket Closed_pocket bottom_condition ss O feature_boundary Compound_feature ABS Closed_profile elements SE
3. N Tasten zum schrittweisen ndern Situationsabh ngige Funktionen der angezeigten Parameter z B Halt am Arbeitsschrittende Direkteingabe von Parametern Slider zur stufenlosen Korrektur des angezeigten Parameters Maus oder Touchscreen Softkeys mit Funktionen belegt um z B Werkzeuge im Prozess gezielt einzuwechseln Allgemeing ltige Funktionen die bergreifend aktiv sind Notaus Anstelle einer festen Skala werden die Werte mit dem MMC abgeglichen z B F amp v und digital angezeigt Display zeigt den gew hlten Parameter und seinen Wert an Fest vorgegebene Override die verfahrenstypisch sind lexibler Override der kontext abh ngig zugeschaltet wird Bild 7 3 Hard und Softwareschalter zur Benutzung der Steuerungsfunktionen Hard keys and soft keys to operate the numerical control Systemtechnisch setzt diese L sung voraus dass die Schalter der Steuertafel nicht starr mit den Funktionen des HMI und denen des NC Kern gekoppelt sind Anderenfalls w re eine gro e nicht sinnvoll anzuordnende und f r den Werker un bersichtliche Anzahl von Schal tern zur Realisierung notwendig Diese Anzahl leitet sich aus den zu manipulierenden Para metern der offen erweiterbaren NC Programmierschnittstelle und den darauf steuerungsseitig aufbauenden NC Workingsteps mit ihren spezifischen Eingriffsfunktionen ab Das konzipier te Benutzungssystem sieht daher eine variable softwarebasi
4. Bild 6 10 Interpretieren von G und M Codes und Abbildung auf einfache NC Workingsteps Interpretation of G amp M codes and mapping to simple NC Workingsteps Ferner erlaubt die entwickelte L sung die Integration intelligenter NC Workingsteps die auch in schwach strukturierten NC Programmen Einzelbefehle analysieren und in Arbeits schritten zusammenfassen Somit l sst sich in einem DIN 66025 Programm aus einem NC Zyklus oder einem Werkzeugwechsel der Beginn einer neuen abgeschlossenen Aufgabe in terpretieren und strukturieren Beispielsweise werden im Fall einer einfach kodierten Bearbei tung nach dem Werkzeugwechsel die verschiedenen Weg und Schaltanweisungen als NC Sub Workingsteps in einen NC Machining Workingstep geladen bis ein erneuter Werk zeugwechsel oder eine erkennbare nderung von Technologie und Strategie den Machining Workingstep beenden ber den Parser l dt der Interpreter dann die n chste abzubildende Programmanweisung und spiegelt auch diese an seiner NC Workingstepauswahl In der Folge entsteht gem der Aufgabenstellung aus einer schwach kontextorientierten Programmierung wie der DIN Programmierung eine aufgaben und technologieorientierte Datenstruktur Bild 6 10 Auf dieser Grundlage kann eine werkergerechte Bearbeitungsverfolgung und manipulation aufgebaut werden 6 2 3 Zeitoptimierung durch parallele Vorverarbeitung Reduction of processing time by parallel pre processing 4 8 s 8 Das Reakt
5. 5 3 2 Durchg ngige Systemerweiterung ber die NC Programmierschnittstelle Consistent system extension based on the NC programming interface Wie dargestellt werden ber das Datenmodell der NC Programmierschnittelle die geplanten Bearbeitungsaufgaben und alle Zusatzinformationen ber den Prozessverlauf sowie m gliche Prozessalternativen in einem NC Programm bereitgestellt Diese Struktur und das darin abge bildete Prozessverst ndnis des Anwenders werden in die Datenstruktur der Benutzerschnitt stelle und der NC Steuerung bernommen Somit bleibt der Kontext zwischen der Bearbei tungsaufgabe der zu erzeugenden Geometrie den anzuwendenden Strategien und Technolo gieparametern sowie den auszuf hrenden Schaltfunktionen und Verfahrwegen erhalten 58 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung Das Konzept kapselt das Datenmodell d h die NC Programmierschnittstelle in Form einer aufeinander verweisenden Objektstruktur und stellt diese als Bibliothek bereit Die Bibliothek enthalt neben den Zugriffsfunktionen zum Lesen und Schreiben des NC Programms auch das Klassenmodell um den Programminhalt innerhalb der verschiedenen Benutzer und Steue rungsapplikationen zu verwalten vgl Kapitel 5 1 1 Die spezialisierten Module der Benutzerschnittstelle und der NC Steuerung binden die Biblio thek der NC Programmierschnittstelle ein und greifen tiber ihre Schreib und Lesefunktionen auf den Programminhalt zu Sie sind
6. 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 47 tungsplanung sowie die M glichkeit Bearbeitungsbahnen und Bearbeitungsquerschnitte zu berechnen sowie mit der Werkzeugbeschreibung Kollisionen zu berwachen Um alle Geometriemerkmale verlustfrei bernehmen und beschreiben zu K nnen ist eine Vielzahl zum Teil komplexer geometrischer Beschreibungen erforderlich In Abh ngigkeit von der geforderten Systemfunktionalit t wird der Umfang der Datenelemente ber Konfor mit tsklassen eingeschr nkt Die Geometriebeschreibung l sst sich implizit in Form von rei nen Verfahrwegen Toolpath FAQ oder explizit als zu fertigende Feature Feature FEW und Freiformfl chen stufenweise skalieren Dieser Ansatz erm glicht es dem Programmierer die Bearbeitung pr zise durch Verfahrbewegungen vorzugeben oder aber der Steuerung eine Operation vorzugeben nach der sie selbstst ndig die zur Fertigung notwendigen Bahnen er rechnet Der Steuerungshersteller integriert in Abh ngigkeit von den seinem Aufgabenspekt rum entsprechenden Operationen und Featuren seine Algorithmen zur Bahn Feature Kur ven Fl chen und Geometrieauswertung Prozessplan Project Geometrie y gt Workplan gt Setup i Ne Z Yy 7 NC Probe Conditions Machining Function Rawpart If While um Workingstep vn Turning Drilling Milling ae t
7. F 0 F 0 5 61 MILLING_CUTTING_TOOL Schaftfraser 62 63 145 0 kan Das Werkzeug 61 wird je nach Typ unter END ENTITY schiedlich parametriert Dabei kann jede ein ENTITY cutting tool zelne Schneide 63 in Form von Geometrie ABSTRACT SUPERTYPE und Material 64 beschrieben werden SUBTYPE OF machining tool gee ees tool_body Technologische Grenzen des Werkzeugs bil its cutting edge oe LIST cies OF cutting_component det das entwickelte und standardisierte ISO overall assembly length 14649 Datenmodell z Zt nicht ab OPTIONAL length_measure END ENTITY ENTITY milling cutting tool SUBTYPE OF cutting tool direction_for_spindle orientation tool_holder diameter_for_ spindle orienta tion OPTIONAL length_measure END ENTITY 61 MILLING_CUTTING_TOOL Schaftfraser 62 63 145 0 VII Anhang 62 ENDMILL 67 4 F 120 0 63 CUTTING_COMPONENT 80 0 64 350 0 65 64 MATERIAL HSS HSS 67 MILLING_TOOL_DIMENSION 30 0 0 40 69 PERSON_AND_ADDRESS 70 70 PERSON WJ Wolf Jochen 0 0 ENDSEC END ISO 10303 21 11 3 1SO 14649 Beispielprogramm des STEP NC Projektkonsortiums ISO 14649 sample NC program generated and machined within the STEP NC project Im Folgenden ist ein mit den realisierten Systemen geplantes kodiertes und abgearbeitetes NC Programm abgedruckt Es enth lt die vollst ndige Aufgaben und Geometriebeschre
8. NC_PocketWorkingstep ee 4 I A l Pocket ag nderungen K NC_Geometry _ werden direkt NG Operation Coonan NC Retract Roughing bernommen ynchro NC Tec Stop operation gt j NC_Tool t nisation f I I l 1 l I I 1 l I l l 1 l 1 I 1 l i I I I I I I I l l I l l I l 1 IC_Step Workingsted Bild 6 3 NC Workingsteps als hierarchisch verkettete Objekte innerhalb der NC Steuerung NC workingsteps as hierarchically linked objects inside the control s memory Eine zus tzliche Erweiterung gegen ber den Steuerungs Workingsteps von Brou r ist die Interaktion der NC Workingstepobjekte Bei Brou r waren die Steuerungs Workingsteps einmalig generierte statische Datenelemente Sie boten keine Schnittstellen an tiber die sie extern oder in Abh ngigkeit voneinander manipuliert werden konnten Der Bearbeitungs prozess lie sich nur regeln indem eine bergeordnete Intelligenz im Interpreter die ausste henden Schritte l schte die Bearbeitung unterbrach und neue adaptierte Schritte generierte 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 65 Regeleingriffe waren nur vor dem Beginn eines neuen direkt aus dem NC Programm abgelei teten Steuerungs Workingsteps und nicht innerhalb der Ausfiihrung einer Sub Workingstep liste m glich Bis zur Bereitstellung der neu zu generierenden Arbeitsschritte arbeitete der NC Kern die gepufferten Listen ab oder die Bearbeitung musste abg
9. rl Nise 5E 2 auf a a WZ Prozessparameter ox V g g eek 3 ler Ap Position f n a a a a lt 8 TRR Prozess berwachung 23 1 SISE SD Z M O Silas ea ne rn lt Spindel SZ D aS M amp 4 zum O D dI S HE A aon 5 3 H fee och ya Prozessparameter Sg 2 8 S Regelparameter f ore E A i Uberwachungsgrenzen 85 o sy iz ee ns c Reglereinstellungen SS wert ung 2 S um PEA E T 5 is es e na m S Geometriekette Bah CE N oo o Verrechnun Nsynchrone 5E St rungsmeldung m J z g der Workingsteps Dea 3 5 Art der St rung S sila 5 m 1 E0 Korrekturparameter o gt a pS ai 5 Gegenma nahmen oc E o 2g eh nterpolato 3 0 5 r Lagesynch ro ra 9 Jo Q Verrechnu rone lt LEE a 0 D oz 2 5 ng der Workingste pe Sollwerte Lelo g ps l E VO Signale S Lg Sollpositionen en 4 Zonen Stromvorgabe gi som 5 I as Lageregler ji a omalische Prozess zent erwachung regelung o gt Steuerstrecke nu Regelstrecke Bild 6 1 Konzept einer durchg ngigen modularen Verarbeitung von Bearbeitungsaufgaben Concept of a consistent modular processing of machining workingsteps 62 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Das Konzept sieht vor dass der NC Interpreter die in Kapitel 5 1 entwickelten zusammen h ngenden Aufgabenbeschreibungen einliest und sie kontextorientiert auf ablauf und steue rungsorient
10. 10 Literaturverzeichnis References ALBEOO APZO2 ARNO46 ARTIOO ARTIO2 ARTIO3 AWF85 BALZO1 BAPS97 BEER94 BENK95 BEUK99 BITZ96 BOSC96 BOSCOI BOSC04 BOSC04a BOSC04b Albert M STEP NC The End of G Codes In Modern Machine Shop Gardner Publications 2000 S 70 80 Sonderforschungsbereich 368 Autonome Produktionszellen Arbeits und Ergebnisbericht 2000 2002 RWTH Aachen 2002 Arnold R N Mechanism of Tool Vibration in Cutting of Steel Proc I Mech E 154 1946 Computer integrated Tool and Machine Monitoring CTM In Firmenpros pekt der ARTIS Gesellschaft f r angewandte Messtechnik mbH 2000 Prozess berwachung und Spindel berwachung an einem Bearbeitungs zentrum In Anwendungsbericht der ARTIS Gesellschaft f r angewandte Messtechnik mbH 2002 N N Adaptive Control Grenzwertregelung zur Optimierung der Standzeit und Bearbeitungszeit durch Vorschubanpassung In Firmenprospekt der ARTIS Gesellschaft f r angewandte Messtechnik mbH 2003 AWE Ausschuss f r Wirtschaftliche Fertigung e V Hrsg Integrierter EDV Einsatz in der Produktion CIM Computer Integrated Manufacturing Eschborn 1985 Balzert H Lehrbuch der Softwaretechnik Software Entwicklung Spekt rum Akademischer Verlag Heidelberg 2001 Bd 1 Dr Ing K Brankamp System Prozessautomation GmbH Schnittstellenbe schreibung BAPSI Brankamp Artis Prometec Standard Int
11. dem EStatus m_Status b ped Bild 8 2 Generisch generierte Bibliothek zum Zugriff auf das STEP NC Programm Generic library to access the STEP NC program Nuten Algorithmus I 10 WORKPIECE Fertigteil 11 PROJECT Start 12 11 WORKPLAN PI1 13 14 13 MACHINING_WORKINGSTEP 19 21 Konturalgorithmag I 19 SLOT Nut 2 20 20 LINEAR_PATH 142 151 21 BOTTOM AND SIDE_MILLING Die Abbildung des in EXPRESS beschriebenen Datenmodells auf eine C Klassenbiblio thek baut auf dem am WZL von Schulz und Rosenberg entwickelten exp2cpp Umsetzer auf SCHO00 Entgegen kommerziell verf gbaren Toolkits bot sich diese L sung an da die so entwickelten Prototypen von allen universit ren und industriellen Projektpartnern ohne Li zenzen genutzt werden k nnen Zudem l sst sich der exp2cpp Umsetzer offen erweitern um die f r das Datenmodell der ISO 14649 typischen Grundfunktionen automatisch zu generieren und zentral in der Bibliothek bereitzustellen Beispielsweise l dt und schreibt die Bibliothek das NC Programm Zudem sucht sie aktiv nach dem Programmstart Project und erlaubt von dort aus den gezielten Zugriff auf den Arbeitsplan die darin enthaltenen Arbeitsschritte und deren Merkmale und Operationen Diese Grundfunktionen erleichterten die Entwicklung der realisierten Programmier und Steuerungssysteme Der Entwickler ka
12. Daraus folgt dass die Geschwindigkeitsprofile in Abh ngigkeit von der Auf spannlage variieren je nachdem ob durch die Spannlagenkorrektur die Bewegung in die Rich tung einer Achse mit h heren Beschleunigungspotentialen transformiert wird Interpolation und Lageregelung Der Interpolator berechnet in Abh ngigkeit von dem Geschwindigkeitsprofil f r die einzelnen Maschinenachsen Positionssollwerte zu diskreten Zeiten Wenn nicht bereits durch den Inter preter gesteuert erfolgt an dieser Stelle die Synchronisation zwischen der Bewegungsausf h rung der Arbeitsspindel und den in der SPS auszuf hrenden Schaltfunktionen Danach ber nimmt die Antriebsregelung Lage Strom und Geschwindigkeitsregler die Ansteuerung der Antriebe so dass der Sollverlauf der Achsen trotz der wirkenden Prozesskr fte und der me chanischen Ungenauigkeiten des Antriebsstrangs eingehalten wird Bei digitalen Antrieben 2 Stand der Technik 17 haben die Achsen eigene Regelkarten mit Datenspeichern in denen die interpolierten Soll werte mit Vorlauf zwischengespeichert werden Auf die Verarbeitung in den Reglern hat die NC Steuerung keinen direkten Zugriff Auch sind die Antriebsregler i d R nicht zur Funkti onserweiterung offen gelegt Bosch Rexroth bietet als erster Hersteller eine offene Schnittstel le im Antrieb f r einfache SPS Funktionen Infolge der Konvertierungen und Transformationen innerhalb der Geometriekette sowie des mechanischen Verhaltens de
13. Feature orientiertes NC Sprachelement in Erg nzung der DIN 66025 ISO 6983 Arbeitspapier des ISO TC 184 SC1 WG7 Siemens Erlangen 2003 Menzel T Mehrwert Simulation Innovative Systeme und Dienstleistungen steigern Mehrwert f r Maschinenhersteller und anwender In Motion World September 2005 S 16 17 6D Nahtf hrung In Firmenbrosch re Meta Scout GmbH M nchen 2006 Michaloski J Brila S Yen J Software Models for Standardizing the Hu man Machine Interface Connection to a Machine Controller In Proceedings of the 2000 World Automation Conference Juni 2000 M nnich R I Maschinennahe Qualit tsregelkreise f r das Einfahren und Optimieren von NC Zerspanprozessen Dissertation RWTH Aachen 2005 Nacsa J Comparison of Three Different Open Architecture Controllers In Proc Of IFAC MIM Prag 2 4 August 2001 S 134 138 N N Werkzeug berwachung sichert Schwerzerspanung In NC Fertigung Mai 3 2003 N N Integriertes Crash Verhinderli Heidenhain entwickelt dynamische Kollisions berwachung In NC Fertigung Juni 4 2005 NC Gesellschaft Werkstatt Orientierte Produktionskonzepte Empfehlung der NC Gesellschaft Ulm Eigendruck 1993 NC Gesellschaft Ist DIN 66025 zukunftstauglich EMO Podiumsdiskussion CAD CAM NC Verfahrenskette der Zukunft Eigendruck NCG Sept 2005 Nordmann Messtechnische L sungen f r die Werkzeug berwachung in Drehmaschinen In Drehteil Drehmaschine 2004 Nr 2
14. ber wachung auf ihre Wirksamkeit hin berpr ft werden 90 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Deselected i NC Programm _ _ _ _ _ _ _ _ 1 kn _ on E22 u Zum a _ m Ben E Fehlerbehebung gelso daaaiect d I Adapt n stad l e Checking if Bien i p aan az adapt is possible ci i t ars Lo apt active Originating State any State i Selected Ti p i i 7 i 23 repeal iO failure gt nit _ 1 HN T Disturbance Aa Selec trateay weg Error 3 initiakesing Intervention Wait mich wn rategy N Solution TE Th N time out 9 0 io J Strategy selected i ey i I ao Error aay T Error Stopeing gt Resetting gt H10 Undisturbed a sa r 3 7 Linear solution Computing 5 j ia reset 4 d t l t I NC Programm 4 8 t Solution Computed Save Stop ii Offset J mmm me me meme store Correction LO Error changes BR n z l Controlling effect Synchronising dynamischer Zustand E fal I y Regelung basierend auf r T Statischer Zustand i NC Programmparametern Solution Processed Bild 6 14 Beispiel f r den Zustandsautomaten der Betriebsart Prozessregelung State machine for the mode process control Der Zustandsautomat wird ber die Anwahl des NC Programms aktiviert Nachdem die NC Steuerung ihre internen NC Workingsteps initialisiert hat wechselt sie in einen ungest r ten betriebsbereiten Zustand Ausgel st durch einem We
15. ber den Datenserver eingeschr nkt werden So ist es m glich in der Serienfertigung nderungen an zertifizierten NC Programmen auszuschlie en Ferner k nnte die Datenverwaltung des Servers gezielt Programmelemente wie die Operationen und Feature sperren und gleichzeitig die an der Maschine anzupassenden Elemente wie Rohteil abma e Setup und Werkzeuge freigeben Der Server selber kann entweder zentral sein und verwalten ob ein Programm offline im CAM ge ndert wird oder online durch die NC abgear beitet wird Auch ist es denkbar in Analogie zu DNC Steuerungen dezentrale Server auf dem jeweiligen Steuerungsrechner einzusetzen Somit hat dann die Steuerung unabh ngig von ei nem Netzwerk direkten Zugriff auf das NC Programm Dieser Ansatz wurde hier realisiert Die Teilsysteme WOP NC berwachung Regelung fragen die NC Programmelemente in Abh ngigkeit von ihrem Datenbedarf ab oder sie werden aktiv und direkt ber nderungen informiert Zur Abfrage nutzen sie die referenzierende Struktur der NC Programmierschnitt stelle und greifen beginnend beim Project auf den Workplan die darin gelisteten Wor kingsteps deren Operationen und Feature bis auf einzelne Technology Vorgaben und Toolpaths zu Die f r eine Anwendung irrelevanten Zusatzinformationen werden dabei ig noriert Beispielsweise wird ein auf diesem Ansatz basierendes berwachungssystem nur die relevanten berwachungsparameter wie die Wer
16. bohren 5 110 95 112 CARTESIAN_POINT 115 0000 74 9000 30 0000 113 AXIS2_ PLACEMENT 3D Position 115 74 30 112 28 3 114 THROUGH_BOTTOM_CONDITION 115 ROUND_HOLE 2nd round hole 10mm 19 95 1 13 100 108 1 14 116 MACHINING_WORKINGSTEP its_id 10mm Bohrung d bohren 5 115 95 117 CARTESIAN_POINT 155 0000 74 9000 30 0000 118 AXIS2_ PLACEMENT 3D Position 155 74 30 117 28 3 119 THROUGH_BOTTOM_CONDITION 120 ROUND_HOLE 3rd round hole 10mm 19 95 1 18 4100 108 4119 121 MACHINING_WORKINGSTEP its_id 10mm Bohrung a bohren 5 120 95 122 CARTESIAN_POINT 155 0000 34 9000 30 0000 123 AXIS2_ PLACEMENT 3D Position 155 34 30 122 28 3 124 THROUGH_BOTTOM_CONDITION Q 125 ROUND_HOLE 4th round hole 10mm 19 95 123 100 108 124 126 MACHINING_WORKINGSTEP 10mm Bohrung b bohren 5 125 95 127 CARTESIAN_POINT 135 0000 22 9000 30 0000 128 AXIS2_ PLACEMENT 3D Position 135 22 30 127 28 3 129 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 15 0000 130 AXIS2_PLACEMENT_3D 129 2 3 131 PLANE 130 132 TOLERANCED_LENGTH_MEASUREQ 9 9000 133 CONICAL_HOLE_BOTTOM 60 0000 134 ROUND_HOLE round hole 10mm first in open slot 19 95 128 131 132 133 135 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 1 0000 136 DRILLING Drilling operation for drillholes in slots 5 0000 135 92 93 15 0000 0 0000 0 0000 94
17. 27 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 30 0000 28 DIRECTION 0 0000 0 0000 1 0000 29 DIRECTION 1 0000 0 0000 0 0000 30 AXIS2_PLACEMENT_3D 27 28 29 3 1 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 30 0000 32 DIRECTION z Direction 0 0 1 0 0000 0 0000 1 0000 33 DIRECTION x Direction 1 0 0 1 0000 0 0000 0 0000 34 A XIS2_PLACEMENT_3D 31 32 33 35 PLANE Depth of general outside profile side with slots 34 36 CARTESIAN_POINT 0 0000 113 9000 0 0000 37 CARTESIAN_POINT 0 0000 40 0000 0 0000 38 CARTESIAN_POINT 80 0000 40 0000 0 0000 39 CARTESIAN_POINT 80 0000 0 0000 0 0000 40 CARTESIAN_POINT 175 0000 0 0000 0 0000 41 CARTESIAN_POINT 175 0000 1 13 9000 0 0000 42 CARTESIAN_POINT 0 0000 113 9000 0 0000 43 POLYLINE 36 37 38 39 40 41 42 44 GENERAL_CLOSED_PROFILE 43 45 GENERAL_OUTSIDE_PROFILE AuBenprofil 19 426 30 35 44 46 MACHINING_WORKINGSTEP its_id Au enprofil Konturfrasen 5 45 26 47 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 5 0000 48 MILLING_CUTTING_TOOL Mill_20 21 0 118 9400 49 MILLING_TECHNOLOGY S 100 0000 0 1000 Anhang 50 UNIDIRECTIONAL 0 5000 51 BOTTOM_AND_SIDE_FINISH_MILLING Zirkularfrasen 10 447 48 49 424 5 0 5 0000 10 0000 0 0000 0 0000 52 CARTESIAN_POINT 135 0000 54 9000 30 0000 53 AXIS2_PLACEMENT_3D 52 28 29 54 CARTESIAN_POINT 0
18. 2x 152 Anhang IX ISO 10303 21 HEADER FILE_DESCRIPTION Referenzwerkstiick der STEP NC Konsortien f r das Fr sen 1 FILE_NAME Radtrager stp 2006 4 6T 11 54 7 CWJ WZL 1S010303 Part21 Bibliothek FILE_SCHEMA Milling schema cCOm0m1 extended ENDSEC DATA 1 CARTESIAN_POINTC 0 0000 0 0000 30 0000 2 DIRECTION z Direction 0 0 1 0 0000 0 0000 1 0000 3 DIRECTION 1 0000 0 0000 0 0000 4 A XIS2_PLACEMENT_3D 1 2 3 5 PLANE Security plane 4 6 PROPERTY_PARAMETER 7 MATERIAL 6 8 CARTESIAN_POINTC 2 5000 2 5000 2 5000 9 DIRECTION 0 0000 0 0000 1 0000 10 DIRECTION 1 0000 0 0000 0 0000 11 AXIS2_PLACEMENT_3D 8 9 10 12 BLOCK 11 180 0000 118 9000 35 0000 13 WORKPIECE Stock 7 12 0 14 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 0 0000 15 DIRECTION 0 0000 0 0000 1 0000 16 DIRECTION 1 0000 0 0000 0 0000 17 AXIS2_PLACEMENT_3D 14 15 16 18 BLOCK 17 175 0000 113 9000 30 0000 19 WORKPIECE Finished part 7 13 418 0 20 MILLING_TOOL_DIMENSION 21 9000 1 18 9400 21 ENDMILL 20 3 118 9400 22 MILLING_CUTTING_TOOL Mill_22 21 0 118 9400 8 23 MILLING_TECHNOLOGY 8 100 0000 0 1000 8 8 24 MILLING_MACHINE_FUNCTIONS F 5 0 0 25 UNIDIRECTIONAL 0 5000 26 BOTTOM_AND_SIDE_FINISH_MILLING S 10 0 22 23 24 10 25 5 0 10 0 0
19. 43 CARTESIAN_POINT relativ zur Maschine 12 0 13 0 1 40 44 DIRECTION axis 0 0 0 0 1 0 45 DIRECTION ref dir 0 0 1 0 0 0 46 ELEMENTARY_SURFACE Globale Sicherheitsebene des Arbeitsplans 47 47 AXIS2_PLACEMENT_3D GlI Sicherheitsebene des Arbeitsplans 48 49 50 48 CARTESIAN_POINTClocation 0 0 0 0 50 0 49 DIRECTION axis 0 0 0 0 1 0 50 DIRECTION ref dir 1 0 0 0 0 0 5 1 WORKPIECE_SETUP 12 52 54 52 AXIS2_PLACEMENT_3D Rohteil relativ zur Aufspannung 53 49 50 53 CARTESIAN_POINT Rohteil relativ zur Aufspannung 1 0 2 0 3 0 54 SETUP_INSTRUCTION Bauteil mit Spannelementen fixieren ENTITY executable its id identifier END_ENTITY ENTITY workingstep SUBTYPE OF executable its_secplane elementary_surface END_ENTITY ENTITY machining workingstep SUBTYPE OF workingstep its secplane elementary surface its feature manufacturing feature its operation machining operation In den bestehenden Arbeitsplan 2 wird ein Arbeitsschritt 55 eingefiigt Dieser definiert an welchem Feature 18 welche Operation 59 abgearbeitet werden soll Anhang Vil its effect OPTIONAL in process geometry END ENTITY nn e i 2 WORKPLAN Arbeitsplan 1 Aufspannung 55 3 55 MACHINING_WORKINGSTEP Kontur schruppen 56 18 59 56 ELEMENTARY_SURFACE Sicherheitsebene des Arbeitsschritts 57 57 AXIS2_PLACEMEN
20. Arbeitsschritte abrufenden 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 127 Softwarefunktion erkannt und von ihr spezialisierten Funktionsmodulen zur Abbildung auf die passenden Zyklen und Programm strukturen zugewiesen Aufgrund der m chtigen Zyklen pakete des WOP Systems ShopMill m ssen dazu keine neuen Algorithmen zur Abarbeitung der in der ISO 14649 f r die Fr sbearbeitung definierten Bearbeitungsmerkmale entwickelt und implementiert werden IS014649 NC Programm ShopMill ISO 14649 Umsetzer a Klassenbibliothek Zuordnung der Kombinationen aus zum Datenhandling Feature Operationen zu NC Zyklen Lesen und Schreiben des NC Programms Anzeigen und Editieren der Programmvorgaben Taschenfr sen Zirkularfr sen Zentrieren Tieflochbohren Werkzeugwechsel Gewindeschneiden DIN Programm Zyklen Sinumerik 840D Zyklenpaket von ShopMill Bild 8 4 Integration der Sinumerik 840D ber ShopMill und NC Zyklen Integration of the Sinumerik 840D with ShopMill and NC cylces Einzig die Werkzeugdefinitionen Nullpunktverschiebungen und Verbindungsbewegungen werden von zus tzlichen Routinen ermittelt und als einfacherer G Code in das Siemens spezi fische NC Programm geschrieben Ausgehend von dieser Realisierung war die Sinumerik 840D die erste STEP NC f hige NC Steuerung und wurde zur Erprobung unterschiedlicher Fr sszenarien genutzt STEPO2 und f r die Drehbearbeitung erweitert HEUS03 Die
21. Austauschbarkeit der Aufgaben Merkmals und Operationsdaten Exchange of the workingsteps features and operations based on the NC program Die realisierten Prototypen wurden praktisch mit den Industriepartnern Daimler Volvo Das sault Systemes Siemens und Bosch Rexroth erprobt Das Ziel die f r den Programmierer und Werker verst ndlichen Aufgaben Merkmals und Operationsbeschreibungen von der Pla nung bis an in die NC Steuerung fortzuf hren wurde vom CAM System ber das WOP System bis zur Fortschrittsverfolgung und Prozessregelung demonstriert Insbesondere bei der Erstellung und Korrektur der NC Programme zeigten sich im Gegensatz zu der konventionellen G Code Programmierung Vorteile Einmal definierte Operationen konnten einfach auf gleiche oder hnliche Merkmale bertragen werden da sie als Objekt innerhalb des NC Programms gekapselt sind Optimierungen Konnten somit zentral vorge nommen werden und bertrugen sich aufgrund der Referenzierung innerhalb des NC Programms auf die entsprechenden Arbeitsschritte und Merkmale Der Anhang 11 2 enth lt ein detailliertes Programmbeispiel Weiterhin wurden die Vorteile des Austauschs vollst ndiger Merkmals und Operationsdaten beim Austausch der gleichen NC Programme zwischen unterschiedlichen NC Steuerungen und Fr smaschinen untersucht Tabelle 8 1 Dabei zeigte sich dass die Programme direkt aus tauschbar waren Lediglich die maschinenspezifischen R stinformationen mussten noch m
22. NC_GenericWorkingstep NC_GenericWorkingstep NC_PocketWorkingstep gt NC_Toolchange T01 gt NC_Toolchange T01 NC_PrepareTechnology gt NC_Spindle 2400 cw gt NC_Spindle 2400 cw gt NC_Toolchange TO1 gt NC_LinearPath 10 10 80 10 20 40 gt gt NC_Spindle 2400 cw gt NC_LinearPath 10 20 40 NC_EX_CircularPocketWorkingstep NC_ApproachMovemeni gt NC_CircularPath gt NC_CircularPath gt NC_LinearPath 10 10 80 Bild 6 9 Erweiterung der Programmierung von G Codes zu Workingsteps und Merkmalen Extending the NC programming from G Codes to workingsteps and features Zus tzlich zu der Programminterpretation steuern die NC Workingsteps den weiteren Lade vorgang des Parsers Dieses Konzept bietet den Vorteil dass das NC Programm aufgabenori entiert und nicht nur in Abh ngigkeit von dem belegten Systemspeicher gelesen wird Der Interpreter stellt sicher dass der anstehende NC Workingstep vollst ndig eingelesen und um 76 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung gesetzt wurde ehe dass die NC Steuerung seine Abarbeitung und Ausfiihrung beginnt Da durch kann der Interpreter die Bearbeitungsaufgabe in seinen spezialisierten NC Working steps als Ganzes zusammenfassen auswerten ihren Abarbeitungsfortschritt verfolgen und nach au en geeignete Prozessinformationen sowie Eingriffsoptionen
23. Schnelle Reaktionen auf Eingriffe als auch Datenmanipulationen und Neuberechnungen zur Bearbeitungsadaption sind ohne Programmunterbrechung und ein erneutes Kompilieren m glich heute Migrationsschritte Konzept DIN 66025 G Code NC Zyklen ISO 14649 STEP NC N10 T01 D1 M06 n ee N20 G00 X10 Y20 Z40 N20 G00 X10 Y10 Z40 10 MACHINING_WORKINGSTEP N40 G01 Z 10 F320 S2400 M03 Zyklus zum Kreistaschenfrasen 20 CLOSED_POCKET Kreistasche N50 G02 X70 Y20 130 JO N40 E_DR 1 0 0 1 320 1 2400 30 30 CIRCLE Kreis 105 30 00 ndern Parser liest das NC Programm ein und verwaltet dessen Dateninhalt auf Basis eines h herwertigen Datenmodells lt Bewegungen Anweisungen Vollst ndige Information GENERIC WORKINGSTEP GENERIC_WORKINGSTEP MACHINING_WORKINGSTEP TOOLCHANGE T01 D1 TOOLCHANGE T01 D1 CLOSED_POCKET Kreistasche TOOLPATH Linienzug 10 20 40 TOOLPATH Linienzug 10 20 40 CIRCLE Kreis POSITION 30 00 10 20 10 320 2400 cw 10 20 10 320 2400 cw ae TOOLPATH_ARC cw aah a sce Ca EX_WORKINGSTEP_CIRC_POCKET Interpreter setzt die eingelesenen Daten aufgaben und ablauforientiert in steuerungsinterne NC Workingsteps um lt elementare NC Workingsteps erweitert NC Workingsteps aufgabenorientierte NC
24. ber die NC Programmierung bis hin zur Prozesskorrektur und der R ckmeldung von Optimierungen auszutauschen Bild 5 1 Zudem l sst sich die NC Programmierschnittstelle strukturiert um eigene Objekte erweitern Dieser Ansatz ist eine wesentliche Grundlage um zuk nftige Anforderungen aus der NC Planung Prozesstechnik oder aber neue Steuerungs und Maschinenfunktionen ber das NC Programm mit Informationen bedienen zu k nnen Prozessplanung Operationsplanung Einrichten Konstruktion WZM NC Programmierschnittstelle NC Programm der Formatdefinition Arbeitsplan ISO 10303 21 Spannlage 1 Referenzen Listen x noe gt Operation Objekte und Parameter 4 Werkzeug r s 0 oo Strategie a Project 1S_10 a String Bon Fr x main_workplan Spannlage 2 27 Feedback von Workplan Umsetzen Prozesswissen w sS e in der NC Automatische Regelung MMI Verfolgen und Steuern Bild 5 1 Aufgaben und Prozessbeschreibung als durchg ngige Informationsbasis Manufacturing tasks and processes as input for a consistent information base Ein ausf hrliches Programmbeispiel auf der Basis der nachfolgend entwickelten und be schriebenen NC Programmierschnittstelle findet sich im Anhang 11 Ausgehend von der strukturierten erweiterbaren NC Programmierschnittstelle ist ein durch g ngiger Informationsaustausch von der NC Planung bis zu
25. die Definition der Abarbeitungs folge an der Steuerung die Werkzeugauswahl aus dem Werkzeugmagazin der Maschine und die Zuordnung von Operationen und Technologiedaten aus einer Datenbank der Fertigung Diese Flexibilit t erlaubt es das Konzept an beliebige NC Programmformen Datenbanken und Programmerweiterungen anzupassen Die Anforderung die Programmelemente um zu k nftig standardisierte als auch auf spezifischem Wissen basierende Informationen und Abar beitungsroutinen erg nzen zu k nnen und in ein System zur durchg ngigen Datenverwaltung zu integrieren wird durch das Konzept gew hrleistet 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 77 DIN 66025 G Code Abbildung auf NC Workingsteps N10 N N20 G92 X 60 Y50 Nullpunkt gt neues Werkst ck oder Merkmal NC_Workplan N30 G91 Kettenma e mit ge nderter Spannlage NC_Setup N40 T01 D1 M6 Werkzeugwechsel gt neue Operation __ gt NC_ToolpathWorkingstep N50 M8 S2400 M3 Spindel K hlung NC_ToolpathOperation N60 GOO X10 Y20 Z40 Vorpositionieren Verbindungsbewegung gt NC_PrepareTechnology N70 G01 X20 Z 10 F320 Zustellen en onange e N80 G02 X70 Y20 130 Bearbeitungsbahn Bearbeitungsbewegun rd 9 7 B gt NC_ApproachMovement gt NC_ToolpathMovement N370 T02 D2 M6 Werkzeugwechsel gt neue Operation _____l Ne ToolpathWorkingstep ta
26. kommen zwei Mechanismen zum Tragen 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 133 8 2 1 Adaption der Schnititiefe Adapting the cutting depth Nach einem Eingriff in die Schnitttiefenvorgabe wird zuerst die Offsetverrechnung des Inter polators aktiviert Aus den tiber die Bearbeitungsbahn parametrierten Korrekturvektoren kann er unabh ngig von einer neuen Schnittaufteilung das Werkzeug schrittweise zur ckziehen oder zustellen Parallel werden die f r die Abarbeitung des Merkmals im Interpreter generierten und zwi schengespeicherten NC Workingsteps mithilfe von OSACA Prozessobjekten zur Adaption aufgerufen Die geforderte Schnitttiefenkorrektur wird an die NC Workingstepliste tibertragen und in den einzelnen NC Workingsteps mit der urspriinglichen Werkzeugzustellung verrech net d h die Koordinaten der Werkzeugachse werden adaptiert In einem letzten Schritt wird das H henprofil der Bahnen mit dem Volumen des Bearbeitungsmerkmals verglichen und je nach Bedarf passt der NC Taschen Workingstep die letzten Bearbeitungsebenen an und fiigt erg nzende Zwischen oder Abschlussebenen in seine verkette Sub Workingstepliste ein Der Algorithmus steckt dabei in den einzelnen Datenelementen der Ebenen und Bahnsegmente so dass sich diese selbst ndig und rekursiv adaptieren In Verbindung mit einer Verlagerung der Berechnung in individuelle Tasks Multitasking wird die Umplanung maximal beschleunigt Vgl Kapitel 6 1 3 Die alten n
27. r eine Programmunterbrechung oder den Bearbeitungsabbruch ist Dieser Mechanismus ist insbesondere f r die entwickelten Prozessregelfunktionen von Bedeutung da hierbei verschiedenste Restriktionen ber cksichtigt werden m ssen Beispielsweise darf der Werker in einer T Nut den Nutenfr ser nicht in Achsrichtung zur ckziehen Stattdessen muss ihm das Gesamtsystem situationsgerecht Funktionen anbieten die das Werkzeug ent lang der abgearbeiteten Bahn freifahren oder das Futter ffnen um das Werkzeug l sen und die Arbeitsspindel zur ckziehen zu k nnen Analog zu den Datenschnittstellen werden auch die Funktionsschnittstellen in Form von Ob jekten gekapselt und ihr Zugriff innerhalb des Schnittstellenserver verwaltet Sobald ein Mo dul gestartet wird meldet es seine bereitgestellten und geforderten Funktionen an den Schnitt stellenserver und initialisiert diese als Server oder Klienten Prozessobjekte Der Begriff Pro zessobjekt zeigt dass auch hier die OSACA Kommunikationsmechanismen als Ansatz ber nommen werden ber ein Konfigurationsfile oder einen hart kodierten Namen identifiziert der Schnittstellenserver die Objekte und verbindet sie untereinander Wird ein Server mit gleichem Namen zweimal angeboten so erscheint eine Warnmeldung und die Plattform for dert den Benutzer auf die Konfiguration eindeutig zu ndern Entgegen der OSACA Platt form wird nicht vorausgesetzt dass ein Serverprozessobjekt existiert Ein fehlender Server
28. und Geometriebeschreibungen abzubilden sind lassen sich die mnemonischen Codes und der sequentielle Aufbau der DIN 66025 nicht bernehmen Vielmehr muss die Beschreibungssprache zur NC Programmierung in der Lage sein strukturierte Konstruktions Aufgaben und Prozessmodelle und deren Verschachtelung abzubilden Die Programmierschnittstelle wird daher nicht mehr aus einzelnen Befehlsworten aufgebaut sondern enth lt eine objektorientierte hierarchische Beschreibung der Bearbei tungsaufgabe Die im NC Programm gespeicherte Aufgabenbeschreibung wird ausgehend von einem zentralen Datenelement dem Project ber die Bearbeitungsaufgabe die darin enthaltene Geometrie und Operationsbeschreibung bis hin zu den expliziten Parametern Verfahrwegen und Maschinenfunktionen schrittweise detailliert In Bild 5 3 ist der Aufbau eines derartigen Datenmodells und des daraus resultierenden NC Programms dargestellt Je des K stchen bzw jede Programmzeile entspricht einem Datenelement Die von den Elemen ten ausgehenden d nnen Linien verweisen auf die Attribute des Elements Im NC Programm werden sie sequentiell hinter dem Elementnamen als Abfolge von Texteintr gen Zahlen werten und Verweisen kodiert Beispielsweise beschreibt das Element 2 Workplan den abzuarbeitenden Arbeitsplan Zu seinen Attributen geh ren unter anderem sein Name its_id eine Liste der auszuf hrenden Arbeitsschritte und NC Funktionen its_elements sowie di
29. 0000 0 0000 30 0000 55 AXIS2_PLACEMENT_3D 54 2 3 56 PLANE 55 57 PLUS_MINUS_VALUE 45 1000 44 9000 4 58 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 45 0000 57 59 THROUGH_BOTTOM_CONDITIONO 60 ROUND_HOLE Drillhole 45mm 19 45 1 53 56 58 59 61 MACHINING_WORKINGSTEP 45mm Bohrung zirkular ausfrasen 5 60 5 1 62 MILLING_TECHNOLOGY 100 0000 0 1000 63 BOTTOM_AND_SIDE_FINISH_MILLING 10 0000 47 48 62 24 5 50 2 5000 0 0000 0 0000 64 CARTESIAN_POINT 135 0000 0 0000 30 0000 65 AXIS2_PLACEMENT_3D Position 135 0 30 64 28 3 66 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 5 0000 67 AXIS2_PLACEMENT_3D 66 28 3 68 PLANE 67 69 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 100 0000 70 DIRECTION 0 0000 1 0000 0 0000 71 LINEAR_PATH 69 70 72 PLUS_MINUS_VALUE 22 0000 19 5000 4 73 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 21 9000 72 74 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 0 2000 75 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 0 2000 76 SQUARE_U_PROFILE 73 74 90 0000 75 90 0000 77 RADIUSED_SLOT_END_TYPEO 78 SLOT slot open slot 19 63 65 68 71 76 77 77 79 MACHINING_WORKINGSTEP Offene Nut linear fr sen 5 78 63 80 CARTESIAN_POINT 135 0000 54 9000 30 0000 8 1 DIRECTION 0 0000 1 0000 0 0000 82 AXIS2_PLACEMENT_3D Position 135 54 30 80 28 81 83 PLUS_MINUS_VALUE 50 1000 49 9000 3 84 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 50 0000 83 85 DIRECTION 0 0000
30. 1 0000 0 0000 86 LINEAR_PATH 84 85 87 SLOT slot closed slot 135 0 54 9 30 0 19 63 82 68 86 76 77 77 88 MACHINING_WORKINGSTEP Geschlossene Nut linear frasen 5 87 63 89 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 1 0000 90 MILLING_TOOL_DIMENSION 9 9000 130 5000 9 1 ENDMILL 90 130 5000 92 MILLING_CUTTING_TOOL CDRILL_10 91 0 130 5000 93 MILLING_TECHNOLOGY 0 0100 TCP 100 0000 0 0001 F F F 94 DRILLING_TYPE_STRATEGY 1 0000 1 0000 0 0000 15 0000 95 DRILLING Operation to drill 10mm drill holes 5 0000 89 92 93 24 30 0000 0 0000 0 0000 94 96 CARTESIAN_POINT 42 0000 79 9000 30 0000 97 AXIS2_PLACEMENT_3D Position 42 79 30 96 28 3 98 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 30 0000 99 AXIS2_ PLACEMENT_3D 98 2 3 100 PLANE Depth of 18mm round hole 99 101 PLUS_MINUS_VALUE 10 1000 9 5000 4 102 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 9 9000 101 103 THROUGH_BOTTOM_CONDITIONO Anhang XI 104 ROUND_HOLE Round hole 10mm 19 95 97 100 102 103 105 MACHINING_WORKINGSTEP 10mm Bohrung Bohren 5 104 95 106 CARTESIAN_POINT 115 0000 34 9000 30 0000 107 AXIS2_PLACEMENT_ 3D Position 115 34 30 106 28 3 108 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 9 9000 101 109 THROUGH_BOTTOM_CONDITION 110 ROUND_HOLE Ist round hole 10mm 19 95 107 4100 108 4 109 111 MACHINING_WORKINGSTEP its_id 10mm Bohrung c
31. 137 MACHINING_WORKINGSTEP 10mm Bohrung in offener Nut bohren 5 134 136 138 CARTESIAN_POINT 135 0000 86 9000 30 0000 139 AXIS2_ PLACEMENT _3D Position 135 86 30 138 28 3 140 ROUND_HOLE round hole 10mm second in open slot 19 95 139 13 1 132 133 141 MACHINING_WORKINGSTEP 10mm Bohrung in offener Nut bohren 5 140 136 142 CARTESIAN_POINT 102 0000 54 9000 30 0000 143 AXIS2_ PLACEMENT _3D Position 102 54 30 142 28 3 144 ROUND_HOLE round hole 10mm in closed slot 19 95 143 4131 132 4133 145 MACHINING_WORKINGSTEP 10mm Bohrung in Nut bohren 131 144 136 146 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 2 0000 147 MILLING_TOOL_DIMENSION 17 9000 108 8900 148 ENDMILL 147 108 8900 149 MILLING_CUTTING_TOOL DRILL_18 148 0 108 8900 150 MILLING_TECHNOLOGY 0 0100 TCP 100 0000 0 1000 151 MILLING_MACHINE_FUNCTIONS T 0 0 152 DRILLING Drilling operation for 18mm drill holes 5 0000 146 149 150 151 15 0000 0 0000 0 0000 94 153 CARTESIAN_POINT 20 0000 79 9000 30 0000 154 DIRECTION 0 0000 0 0000 1 0000 155 DIRECTION 1 0000 0 0000 0 0000 156 AXIS2_ PLACEMENT_3D Position 20 79 30 4153 154 155 157 TOLERANCED_LENGTH_MEASURE 17 9000 XII Anhang 158 THROUGH_BOTTOM_CONDITIONO 159 ROUND_HOLE Drillhole 18mm 20 79 9 30 19 152 156 100 157 158 160 M
32. 1989 VDI Bericht 752 S 191 205 Giesa H G Timpe K P Technisches Versagen und menschliche Zuverl s sigkeit Bewertung der Zuverl ssigkeit in Mensch Maschine Systemen In Timpe K P u a Hrsg Mensch Maschine Systemtechnik 2 Aufl D s seldorf Symposion 2002 ISBN 3 933814 83 9 Gieseke E Adaptive Grenzregelung mit selbstst ndiger Schnittaufteilung f r die Drehbearbeitung Dissertation Aachen 1973 Glockner D Integration von Facharbeiter Erfahrungswissen auf der Basis von Fertigungsfeatures Dissertation TU Darmstadt M nchen Carl Hanser Verlag 1999 G ttsch N CAM Integration Wunsch und Wirklichkeit In CAD CAM Report Nr 2 2004 S 26 29 Haasis D Frank D Rommel B Weyrich M Features Riickrat zur In tegration der Produkt Prozess und Ressourcengestaltung In Konstruktion Zeitschrift fiir Produktentwicklung 2000 Nr 4 Heidenhain Programmierhandbuch iTNC 530 2004 Firmenschrift Hardebusch C Entwicklung offener Steuerungssysteme Methoden und Werkzeuge Diss RWTH Aachen 2002 Harrington J Computer Integrated Manufacturing New York Pub Indus trial Press 1973 Heusinger S M ller P STEP NC New Data Interface for NC Program ming Data Model for Turning In STEP NC Newsletter No 5 www step nc org Stand September 2003 Heusinger S STEP NC basierter Korrekturkreis f r die Schlichtbearbeitung von Freiformfl chen Dissertation Universit t Stuttgart Jo
33. 7 Somit k nnen die NC Workingsteps ihre Pa rameter untereinander abgleichen und gezielt auf nderungen reagieren Innerhalb der Ob jektmethoden wird gepr ft ob das Attribut von einem vorausgehenden Arbeitsschritt oder der laufenden Programmausr hrung abh ngt und inwieweit nderungen zul ssig sind Unterein ander tauschen die Workingsteps Interpretationsergebnisse Randbedingungen oder nderun gen dynamisch aus oder sie stellen sie den Steuerungsmodulen zur Verf gung Auf diese Weise pr fen die Objekte eigenst ndig ob sich beispielsweise das Werkzeug zwischen zwei programmierten Arbeitsschritten ndert die Technologieparameter umgestellt werden m s sen oder wie nach einem Prozesseingriff optimiert von einer Bearbeitungsstelle zu einer nachfolgenden optimierten Bahn verfahren werden kann Um nicht aufgrund der sich aus diesem Ansatz ergebenden vielf ltigen M glichkeiten eine zu umfangreiche und komplexe 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 71 Anzahl an Methoden entwickeln zu m ssen werden bergreifende Funktionen in bergeord nete NC Workingsteps verlagert oder innerhalb der Steuerungsmodule wie dem Interpreter implementiert 6 2 Modular erweiterbare Programminterpretation Modularly extendable NC program interpretation Der Interpreter hat die Aufgabe den Inhalt des NC Programms auf die beschriebenen NC Workingsteps abzubilden und diese an die nachfolgenden Module des NC Kerns zur weiteren Verarbei
34. 7 1 3 1 Schnittstellen zur modularen Systemerweiterung Interfaces for modular system enhancements Analog zu den konventionellen HMI muss das Benutzungskonzept ebenfalls die M glichkeit anbieten steuerungs und anwenderspezifische Funktionen in die Oberfl che zu integrieren und diese mit den verf gbaren Eingabemechanismen und Funktionen der NC Steuerung zu verbinden Wie in Bild 7 2 dargestellt ist bernimmt diese Aufgabe das Grundssystem des HMI Dar ber hinaus dient das Grundsystem als Plattform ber die die HMI Funktions module untereinander Daten austauschen und ihre Funktionen gegenseitig aufrufen k nnen Theoretische w re eine Kopplung der Funktionsmodule ber Mechanismen wie CORBA m glich und damit unabh ngig von dem eingesetzten Betriebssystem und der Programmier sprache Da jedoch die Mehrzahl der HMI auf einem PC installiert ist und unter Windows Betriebssystemen l uft ist es nahe liegend die Windows Mechanismen zu nutzen Anwendungen exe 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 107 Bibliotheken dll ActiveX Controls ocx Anwendungen Konventionell wird der Funktionsumfang eines HMI ber eigenst ndige Anwendungen er weitert Diese werden aus der Benutzungsoberfl che gestartet und ihre Fenster in der Steue rungsoberfl che zur Anzeige gebracht Jede der Anwendung wird als eigenst ndiger Prozess mit einem in sich abgeschlossenen Speicherbereich gestartet Zum Datenaustaus
35. Abfolge steuerungsinterner Datenobjekte umzusetzen die dann schrittweise in Schalt und Weganweisungen aufgel st und als solche ber die SPS und Antriebe ausgef hrt werden Diese Aufgabe bernimmt die Programminterpretation indem sie die NC Programm daten auswertet und auf ihre internen Datenstrukturen abbildet Im Kern dieser Abbildung stehen die in Kapitel 6 1 entwickelten NC Workingsteps Jeder dieser NC Workingsteps rep r sentiert eine typische Bearbeitungsaufgabe oder funktion Innerhalb des NC Workingsteps werten dessen Methoden den eingelesenen Programminhalt aus und setzen ihn auf die eige nen internen Attribute um Zuordnung der Programmschl sselworte zu NC Workingsteps Die Zuordnung der vom Parser gelesenen Programmdaten zu einem NC Workingstep Kann beispielsweise ber eine Zuordnungstabelle erfolgen wie dies heute f r die mnemonischen Codes der DIN Programmierung blich ist Dazu vergleicht der Interpreter Schl sselworte sogenannte Tags mit einer Konfigurationstabelle und ruft bei bereinstimmung eine hinter legte Funktion im NC Interpreter auf Softwaretechnisch l sst sich ein solcher Auswahlme chanismus beispielsweise ber Switches oder IF Bedingungen implementieren Dem Ent wickler bietet dieser Ansatz die Freiheit bestehende NC Workingsteps durch eigene speziali 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 75 sierte Umsetzungsalgorithmen zu ersetzen Ferner ist die Integration zus tzlicher NC Wor
36. Benutzeroberfl che Konfigurationsdatei Zentrieren Bi berwachung Die Werkzeug berwachung Taschenfr sen Kollisionsbetrachtung_A Hi mje Tieflochbohren 7 g wird operationsabh ngig aktiviert Schnittkraftbegrenzung Reiben J gt 4 Tieflochbohren Bohrerbruch berwachung Y re Dialog zur Programmerstellung Dialoge an 4a t und zum Eingriff in den Prozess Senken Dig_Centering 1 2 U _ Tieflochbohren Dig_MultiStepDrilling Zirkularfrasen Dig_CircularMilling 13 Anordnung der Fenster Anzeigefl chen oben _links Arbeitsplan oben_rechts Prozess berwachung unten_links Bearbeitungssimulation Die Inkrementtiefe wird auf den variablen Override geschaltet Bedientafel Override1 Tieflochbohren Inkrement Bild 7 4 Konfiguration und Integration der Erweiterungsmodule in das Benutzungssystem Configuration and integration of additional modules into the user interface 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 109 Hinter jeder der vorgegebenen Schnittstellen steht im Grundsystem eine Basisfunktion Diese rufen die in den Konfigurationsdateien aufgelisteten Bibliotheken auf laden die darin imple mentierten Schnittstellenfunktionen und speichern sie entsprechend ihrer Konfiguration als Funktionszeiger innerhalb des Grundsystems Das HMI erlaubt je nach Schnittstelle das Spei chern mehrerer Zeiger Dar ber ist es beispielsweise m glich in den Anzeigef
37. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte NC Programmierschnittstelle wurde f r die Fr s und Drehbearbeitung international abgeglichen und als ISO Standard ver ffentlicht ISO 14649 1 Da diese Modelle bei der ISO als Standard oder als Normungsentw rfe vorliegen werden ihre Programmelemente im Folgenden nicht explizit beschrieben Im Anhang sind Ausz ge des in den vorangegangenen Kapiteln beschriebenen Datenmodells abgebildet Das Kapitel 8 1 gibt einen berblick ber die Funktionen der realisierten Prototypen und de ren softwaretechnischen flexibel erweiterbaren Aufbau Daran anschlie end wird in Kapitel 8 2 exemplarisch die adaptive Programmverarbeitung anhand der f r das Ausfr sen einer Ta sche implementierten NC Workingsteps erkl rt Abschlie end werden in Kapitel 8 3 die prak tische Anwendung und die dabei gemessenen Reaktionszeiten dargestellt 8 1 Aufbau und Teilfunktionen der realisierten Prototypen Structure and sub functions of the realized prototypes Zur Realisierung und Bewertung der steuerungsintegrierten adaptiven Programm und Bahn aufl sung reichte es nicht aus nur die Steuerungsmodule und deren Algorithmen zu erwei tern Aufgrund der entwickelten umfangreichen NC Programmierschnittstelle mussten zu s tzlich Systeme zum Erstellen Anzeigen und Manipulieren der Programme implementiert werden Ein wesentliches Ziel war es sowohl die NC Programmierschnittstelle als auch die erweiterten steuerungsseitigen Funkt
38. Eh og Eingriffe NC I y is Soma Sey A amp a a uul 5 gt gt Vielzahl spezialisierter Einzelsysteme Anwendergerechte Systeme f r Planung und Werkstatt Nur Teilinformationen an der Maschine verf gbar Aufgabenbeschreibung durchg ngig verf gbar Optimierungen m ssen manuell nachgef hrt werden Direkter durchg ngiger Austausch von nderungen Eingeschr nkte Eingriffsm glichkeiten im Prozess Umfassende Eingriffe in den Prozess m glich Bild 7 1 Durchg ngige aufgaben und prozessumfassende Anwenderunterst tzung Consistent task and process oriented support of the operator Diese Defizite elementarer sequentieller Steuerungscodes Bild 7 1 links und der begrenzten Eingriffsm glichkeiten l st das Gesamtkonzept ausgehend von der zuvor entwickelten NC Programmierschnittstelle und dem Zugriff auf die steuerungsinterne NC Programmum setzung Dabei muss der Anwender nicht mehr zwischen verschiedenen Systemen und Daten formaten wechseln oder die Bearbeitung unterbrechen Stattdessen greift er von der Planung ber das Einfahren die Abarbeitungsverfolgung bis hin zur Prozessregelung durchg ngig auf das die Bearbeitungsaufgabe umfassend beschreibende NC Programm zu Bild 7 1 rechts Die zur NC Programmierung erforderlichen Funktionen die Prozessvisualisierung sowie die werkerorientierten Interaktionsmechanismen zum
39. Events erlauben eine Manipulation der Pro grammverarbeitung beginnend beim Einlesen des NC Programms ber die Geometrieverar beitung und die Interpolation bis in die Lageregelung Den offenen Zugriff auf die Daten der Steuerung kontrollieren Bindings Ein Binding ist eine vordefinierte in C implementierte Zugriffsmethode die der Entwickler zum Schreiben und Lesen von Systemdaten oder zum Abfragen von Zustandswerten nutzen kann Dar ber hinaus bietet die Entwicklungsplattform der Sinumerik 840D die M glichkeit eigene anwenderspezifische Daten direkt zu verwalten SIEMO3a 5 Compile Zyklen Interpreter Eveni BE Erweiterung een Z Event Erweiterung ang t o B MDa A Pr paration rE Binding 2 3 Event H Erweiterung Binding Interpolator Event System Funktionen Event Erweiterung 4 Binding n L Event I Binding ia ageregelun Binding geregelung Event Binding 4 in Daten Antriebsregelung r Basissystem Bild 2 10 Objektorientierter offener NC Kern der Sinumerik 840D nach SIEMO3a Object oriented open NC Kernel of the Sinumerik 840D Offenheit der Bosch Typ3 osa MTX Im Gegensatz zu den Compilezyklen der Sinumerik 840D bietet die Bosch MTX eine weiter reichende Offenheit zum NC Kern Dazu wird dem Entwickler neben Schnittstellen zur Integ ration eigener Funktio
40. G54 Offset f r die Aufsp N 6 Arbeitsschritte einlesen we N003 000 Operation Ausspindeln N003 001 G51 X 56 9000 Y 93 0 N003 002 Technology Vorschub MachineData onfiguriert die zu ladenden Diis und die Zuordnung der NC Workingsteps Bild 8 5 Integrierte Programmverarbeitung in der MTC 21 von Bosch Rexroth Integrated processing of the NC program in the Bosch Rexroth MTC 21 Im Fall der MTC wird der Compiler nicht ber den Abarbeitungsfortschritt gesteuert Daher werden alle NC Workingsteps sofort ausgef hrt d h sie generieren die f r die nachfolgenden Funktionen des NC Kerns notwendigen Eingangsinformationen Im Fall der MTC sind das spezifische Steuerungsbefehle G Codes und Anzeigeinformationen die in der internen Da teiverwaltung der MTC ber Textdateien ausgetauscht werden Bild 8 5 unten links Mithilfe der Anzeigeinformationen wird dem Werker w hrend der Bearbeitung der Programmfort schritt zus tzlich zu den Befehlss tzen angezeigt Sie bleiben als Kommentare in der Steue rungsoberfl che sichtbar und stellen den Bezug zu dem Arbeitsplan sowie den abzuarbeiten den Merkmalen und Operationen her Der Werker kann somit die Vorteile der entwickelten NC Programmierschnittstelle an der Steuerung nutzen und die Abarbeitung anhand der f r ihn verst ndlichen Aufgaben und Merkmalsbeschreibung verfolgen Eingriffe in die laufende Abarbeitung sind jedoch aufgrund der generierten G Cod
41. Inhalte der NC Programmierschnittstelle werden mithilfe einer grafi schen Beschreibungssprache definiert Das daraus resultierende Datenmodell wird in eine maschinenlesbare Textform konvertiert und final in eine softwaretechnisch nutzbare Daten struktur oder Klassenbibliothek umgesetzt Bild 5 4 Aufgrund des generischen Aufbaus und der einfachen Symbolik bzw Modellierungssprache l sst sich die Programmierschnittstelle durch Dritte um deren spezifische Programmelemente erweitern Ein Compiler setzt das ge nderte Modell erneut in eine Bibliothek um Diese wird von der Steuerungssoftware einge bunden und stellt ihr die zur Speicherung und Verarbeitung des NC Programms notwendigen Datenstrukturen bereit Dieser Ansatz erlaubt es die Schnittstelle strukturiert um neue Ele mente zu erweitern und erprobte L sungen sp ter in die Normung zu bernehmen so dass die Austauschbarkeit gew hrleistet ist Eine Anpassung der bestehenden Steuerungsfunktionen ist nur dann notwendig wenn Elemente aus dem Modell entfernt oder ge ndert werden Die spe zifisch hinzugef gten Datenelemente werden mithilfe der Bibliothekfunktionen in die NC Steuerung eingelesen und dort an die durch den Entwickler erg nzten Interpretationsfunktio nen weitergeleitet Dieser Ansatz erlaubt es die NC Programmierschnittstelle um individuelle 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 45 Datenelemente zu erweitern die Erweiterungen in die Steuerung einz
42. Kern dieser An forderungen die durchg ngige das Prozessverst ndnis des Anwenders umfassend abbildende Informationsbereitstellung von der Planung bis zur Maschine und die M glichkeit nderun gen ohne Konvertierungsverluste direkt in alle Bereiche durchzustellen Steuerungsseitig re sultiert die Forderung diese Informationen zur Fortschrittsverfolgung anzuzeigen berwa chungssysteme aufgabenorientiert zu parametrieren und erweiterte die programmierten Vor gaben einbeziehende Eingriffsm glichkeiten in die laufende Bearbeitung bereitzustellen 9 1 Durchg ngige aufgabenorientierte NC Programmierschnittstelle Universal task oriented NC programming interface Die geforderte Informationsbereitstellung wurde gel st indem ein Datenmodell entwickelt und in der ISO 14649 standardisiert wurde das sowohl die Planungsergebnisse als auch die steuerungsorientierten Befehle abbildet und aufgabenorientiert miteinander verkn pft Das Ergebnis ist die vollst ndige hierarchisch strukturierte Beschreibung der Bearbeitungsaufga be Ausgehend von einem Arbeitsplan und den darin enthaltenen Arbeitsschritten wird sie schrittweise ber die zu bearbeitenden Merkmale Operationen Strategien Technologiepara meter und Werkzeuge bis hin zu der Vorgabe expliziter Bearbeitungsbahnen und Maschinen funktionen detailliert Der Detaillierungsgrad resultiert aus der geforderten Prozessoptimie rung sowie den in der Steuerung implementierten Funktionen zur Progr
43. Konstruktion bis zu der hier zu entwickelnden Programmierung der NC Bearbeitung Da EXPRESS und die physikalische textbasierte Kodierung nach STEP Part 21 ISO 10303 21 ein kompakteres Format anbieten ist ihre datentechnische Verarbeitung schneller und wird aufgrund der zeitkritischen Zugriffs anforderungen der NC Technik dem nachfolgenden Konzept zugrunde gelegt 46 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 5 1 2 Datenelemente der NC Programmierschnittstelle Data elements of the NC programming interface Das Datenmodell der NC Programmierschnittstelle setzt auf Vorarbeiten zur splinebasierten Freiformflachenprogrammierung MATR97 der Trennung von Fertigungsgeometrie und Bearbeitungsschritt OPTI97 SCHUO0 sowie der featureorientierten Aufgabenbeschreibung des Sonderforschungsbereich 368 Autonome Produktionszelle APZ02 auf Aus diesen Ans tzen wurden die Unterscheidung zwischen Arbeitsschritt und Bearbeitungsmerkmal so wie die Kurven und Fl chenbeschreibungen analog dem STEP Standard bernommen Um eine durchg ngige Integration in die STEP Produktmodellierung zu erreichen wurden in einem ersten Schritt die bestehenden Modellans tze berarbeitet und insbesondere die stark zyklenorientierten Featuredefinitionen durch eine Neudefinition auf der Grundlage der Manu facturing Feature ISO10303 224 mit der STEP Normenreihe abgeglichen WOLFO00 Da mit wurde die Voraussetzung geschaffen die vollst ndi
44. M ller H D Petereit J Qualifizierung als Werkstatt Orientierte Produktionsunterst tzung In CIM Management Nr 3 1993 S 45 51 Doyle P Introduction to Real Time Ethernet II In The Extension A Technical Suppelment to Control Network Vol 5 Issue 4 2004 www ctrlink com pdf volume5n4 pdf Dowe M Eberle C Stalla B Werkzeugpotentiale optimal nutzen Werk statt und Betrieb 9 2003 Carl Hanser Verlag Miinchen 2003 Engstler M NC Prozesskette in Kleinbetrieben Anforderungen Verfah rensauswahl Systemeinf hrung und Erweiterungen Dissertation Universit t der Bundeswehr Miinchen 2002 Emde C Gleixner T Standard Linux wird echtzeitfahig In Elektronik 2007 Nr 3 S 62 69 Eversheim W Et al NC Verfahrenskette Hrsg H J Warnecke R Schuster DIN 1 Aufl Berlin Beuth 1994 Eversheim W Organisation in der Produktionstechnik 3 Arbeitsvor bereitung 3 Auflage Berlin Springer 1997 Band 3 Eversheim W Phornprapha M Westekemper M Migrationskonzept fiir DV Systeme der NC Verfahrenskette Einbindung feature basierter Pla nungsmethoden in technologieorientierte NC Programmiersysteme In wt Werkstatttechnik 03 2001 S 117 Eversheim W Organisation in der Produktionstechnik Band 3 Arbeits vorbereitung 4 Aufl Springer Berlin 2002 EXAPT Durchg ngiger bidirektionaler Informationsfluss zwischen NC Pro grammiersystem NC Steuerung und Antrieb durch Feature basi
45. Meldungen S berschritten NC Editor Simulation erkzeugverwalt Alternative 3y gt Y max Tauchtiefe Eintauchen Tiefe LP A Tiefe LA ESS vorschubl NC Programm ZLPE E Abgleich nc II Workingstep O Depth t O Cut Edge Die Teilsysteme greifen auf eine gemeinsame NC Programmdatenbasis zu und interagieren ber diese Die Funktionen erg nzen sich gegenseitig so dass das Gesamtsystem den Anwender umfassend unterst tzt Bild 7 5 Gleichzeitiger Programmzugriff als Basis sich erg nzender HMI Funktionen Simultaneous access to one NC program by different HMI modules Beim gleichzeitigen Schreiben und Lesen mehrerer Anwendungen auf ein zentral verwaltetes NC Programm treten Zugriffskonflikte auf Dieses Problem wird durch Schnittstellenfunktio nen umgangen die sicherstellen dass nur vollst ndige Daten ausgelesen werden sowie ein Schreiben erst nach Abschluss aller laufenden Leseoperationen ausgef hrt wird Software technisch wird diese Anforderung durch eine objektorientierte Kapselung der NC Programm elemente mit objektinternen Zustandsvariablen und Wartefunktionen realisiert Mittels der Zust nde wird zudem der Programminhalt gesperrt um beispielsweise die Programmausf h rung vor einem erkannten Fehler zu stoppen oder aber Eingriffe nur in Abh ngigkeit
46. NC steuerungskonforme NC Befehle Zyklen Verweise und Funktionen wurden aufgel st Interpreter gt Langen amp aia Kr Fi Z Zi Werkzeugkorrektur gt en und Werkzeugorientierung Schaltsignale und Synchronisationsmarken Werkzeug orientierung Nullpunktverschiebung Werkzeugbahn Nullpunktverschiebung te S gt Achspositionen parametriert ber dem EEA Is Y s B s und dem yerahr ted uber der Zeit s t gt Pe is aye Zeiten Bild 2 7 NC Programmverarbeitung durch die Teilfunktionen einer NC Steuerung Transformation Geschwindigkeitsf hrung Synchronisation lt gt Interpolation Spindel Leistungs regelung Lagerregelung Processing of the NC program by sub tasks of a numerical control NC Interpreter Die n chsten Schritte werden automatisch durch den Programmstart ausgel st Der Interpreter der Steuerung ruft den Parser auf der die alphanumerischen Zeichen des vom Compiler vor bersetzten NC Programms einliest sie auf der Grundlage der steuerungsspezifischen Pro grammierschnittstelle analysiert und sie den internen softwaretechnischen Funktions und Datenstrukturen der NC Steuerung zuweist Je nach Steuerungsaufbau werden dadurch Funk tionsketten aufgerufen BOSC01 oder objektorientierte Datenstrukturen _ initialisiert SIEMO0 Diesen Vorgang wiederholt der Parser f r alle au
47. NC Programmierung In RPD Re port NCG 2001 Nr 15 S 18 Lange D Hohe Produktivit t durch Prozess berwachung In Tagungs unterlagen zum 10 Internationalen Feinbearbeitungskolloquium FBK 2002 Braunschweig 7 9 Oktober 2002 Lange D Alles unter Kontrolle Prozess berwachung sichert Qualit t beim Fertigen komplexer Teile auf Bearbeitungszentren In Maschinenmarkt MM das Industriemagazin Nr 15 2005 Lay G Maloca S Aufgabenintegration Abkehr vom Taylorismus In Mitteilungen aus der Produktionsinnovationserhebung Fraunhofer ISI Hrsg Juli 2005 Nr 36 Maier K Grenzregelung an Werkzeugmaschinen Beitrag zur Auslegung und Bewertung von ACC Systemem Dissertation Universit t Stuttgart 1974 Marczinski G Verteilte Modellierung von NC Planungsdaten Entwick lung eines Datenmodells f r die NC Verfahrenskette auf Basis von STEP Dissertation RWTH Aachen Aachen Shaker Verlag 1993 10 Literaturverzeichnis 151 MATR97 MAV05 MENZO3 MENZOS META06 MICHOO MUENOS5 NACSO1 NCFE03 NCFE05 NCG93 NCG05 NORDO4 NORDO4a OPENO4 OPTI97 OSACOO PARAOO PFEI06 ESPRIT project 6245 MATRAS Manufacturing Technology for Complex Geometries Based on Rational Splines Final Report Br ssel Europ ische Kommission 1997 N N NC Simulation als Versicherungspolice In MAV Maschinen Anla gen Verfahren Nr 5 2005 S 58 ff Menzel T Dolansky S M ller P
48. NC Workingsteps die Eingriffe kontinuierlich nach ber die Verkettung innerhalb der NC Workingstepliste werden die Parameter der noch nicht ausgef hrten nachfolgenden sowie die der bergeordneten NC Workingsteps automatisch aktualisiert Diese werten die Eingriffe aus um fr hzeitig zu erkennen ob die weitere Bear beitung aufgrund von Konturverletzungen oder Grenzwert berschreitungen abgebrochen werden muss und informieren den Anwender oder eine Regelung Sobald sich der Prozess stabilisiert hat oder die externen Eingriffe stoppen werden die Offsets an die NC Working steps als zu bernehmende Korrektur gemeldet ber die Lagesollwerte ist eine Korrektur des Bahnverlaufs nicht immer m glich Das gr te Problem besteht darin dass aus den auf die Maschinenkinematik transformierten Sollwerten nicht ersichtlich ist in welche Richtung kollisionsfrei und technologisch sinnvoll Korrigiert werden Kann Selbst die Werkzeugachse ist nicht immer eindeutig Bei 5 Achskinematiken wird sie auf mehrere Maschinenachsen abgebildet Die axiale Zustellung muss dann vor der Transformation d h vor den steuerungsinternen Datenpuffern und folglich zeitlich entkoppelt zur Sollwertausf hrung erfolgen Ein weiteres Defizit sind die fehlenden Informationen in rein wegorientierten NC Programmen wie z B nach DIN 66025 Weder Hinterschnitte noch die relative Lage zwischen dem Werkzeug und dem zu bearbeitendem Material sind kodiert Entwicklungsans tze wie der vo
49. NC before it can be started again Except some vari ables it is not possible to manipulate the content of the NC program in parallel to its execu tion While the machine tool stops and the NC program is corrected precious production time gets lost Moreover it cannot be guaranteed that the correction does not contain additional faults and that the new NC program is sufficiently optimized On the background of these limitations this thesis develops and evaluates a concept that per mits the correction of an ongoing machining process by manipulating the NC program s set values at runtime Therefore the NC programming system the numerical control as well as the monitoring and control systems interact with each other The objective of the overall sys 4 1 Einleitung tem is to describe the manufacturing task with all information needed to understand execute and manipulate the process It offers adequate alternatives and enables the operator to adapt the NC program Changes are verified wrong input is rejected and valid corrections are im mediately executed and the effect is displayed in a comprehensible way to the operator This system supports the operator while qualifying a new process or reacting on a process distur bance Therefore the interaction methods need to be extended from the existing control pa rameters and set values to additional data given in the new NC program like working steps operations tools and technology parameters Thus
50. Prozesse fach arbeitergerechte prozessorientierte Hilfen So lassen sich in der Regel nur Steuerungsparame ter wie der Bahnvorschub die Spindeldrehzahl oder die Wirkleistung w hrend der laufenden Bearbeitung manipulieren Andere prozessbestimmende Parameter wie die Zustellung die Bahnf hrung oder das Werkzeug lassen sich dagegen nur nach Abbruch der Bearbeitung im NC Programm neu kodieren Dabei geht wertvolle Produktionszeit verloren Zudem kann das Frei und Wiederanfahren des Werkzeugs zu Fehlern am Werkst ck oder Kollisionen f hren 3 1 Zielsetzung Objective Vor dem Hintergrund dieser Einschr nkungen ist es das Ziel der vorliegenden Arbeit ein Sys tem zu entwickeln mit dem sich der Bearbeitungsprozess w hrend der Abarbeitung des Pro gramms durch Eingriffe in die NC Programmvorgaben und deren steuerungstechnische Abar beitung in der NC Steuerung beeinflussen l sst Dadurch sollen einerseits die programmierten Technologieparameter Werkzeuge und Strategien als auch die Bahnaufl sung zur Prozess korrektur genutzt werden Ferner gilt es zeitintensive Unterbrechungen zu vermeiden wie sie heute zur Korrektur und Optimierung des NC Programms notwendig sind Die erforderlichen Informationen sollen nicht mehr als zusammenhanglose Schalt und Weg befehle nach DIN 66025 kodiert werden Stattdessen wird eine neue Programmierschnittstelle definiert die es erm glicht von der Planung bis in die Bearbeitung Prozesse durchg ngig in
51. Regelparameter und Eingriffsfunktionen verf gbar Hierzu z hlen die Overrides f r Vorschub und Spindeldrehzahl oder die Unterbrechungsfunktionen im Ein zelsatzbetrieb DAXLO4 Andere Parameter wie die im NC Programm kodierten Vorgaben kann der Werker in der Benutzeroberfl che nur satzweise verfolgen ohne sie im laufenden Prozess korrigieren oder optimieren zu k nnen KIEF05 Automatisierte berwachungs und Regelsysteme sind ebenfalls auf Eingriffe in die Steuerungsparameter und Sollwerte begrenzt abgesehen von spezialisierten L sungen mit Steuerungsvariablen im NC Programm Dar ber hinaus wird der Werker durch die NC Steuerung sowie die Kapselung der Werk zeugmaschine vom mechanischen Bearbeitungsprozess entkoppelt DAUDO1 Die Pro grammierung und die Verfolgung des Programmfortschritts erfolgen steuerungsorientiert ber elementare Befehle Positionsangaben und Technologieparameter Die ablauf merkmals und operationsorientierte Denkweise des Werkers wird durch die befehlsorientierte Program mierung nach DIN 66025 nicht bzw mit NC Zyklen nur bedingt unterst tzt WOLFOI Heutige sequentielle Prozesskette Konzept einer durchg ngigen Anwenderunterst tzung C Programm CAP CAM Datei NC Programm gt CAP pY Planung hnology e N op NC Programm Ee Posipr gt a Zyklen aw I as ehle Sollwerte Werkstatt CL a Free Sollwerte nc lie
52. Steuerung integriert sind Kann sie ein dritter Entwickler um eigene Abl ufe und Bahnalgorithmen erg nzen ber die NC Workingsteplisten bleibt der Bezug zu den programmierten Aufgaben Merkma len und Operationen durchg ngig erhalten Auf dieser Grundlage ist die Fortschrittsverfol gung nicht mehr auf die Anzeige einfacher Steuerungsbefehle sowie die der Soll und Istwerte beschr nkt Der Werker kann die Abarbeitung grafisch animiert verfolgen und hat jederzeit 9 Zusammenfassung und Ausblick 141 den Bezug zu den bergeordneten Planungsvorgaben Dar ber hinaus liefern die hochwerti gen Geometriedaten des Rohteils und der Bearbeitungsmerkmale die Grundlage um Kollisio nen zu erkennen und autonom in der Steuerung sichere Positionier Anr ck Bearbeitungs und Freifahrbewegungen zu generieren Diese Funktionen unterst tzen den Werker effektiv und befreien ihn von der abstrakten sowie fehleranf lligen Bestimmung einzelner Wegseg mente und Technologiebefehle Ferner gleichen sich die entwickelten NC Workingsteps selbstst ndig ber ihre Methoden untereinander ab Dieses Konzept bildet den Kern um in einer laufenden Bearbeitung die NC Programmvorgaben ndern und so umfassend in den Prozess eingreifen zu k nnen Die bergreifenden einzelne Arbeitsschritte und Operationen abbildenden NC Workingsteps wer ten die externen Eingriffe anhand ihrer spezifischen Prozessmodelle aus melden Fehler an den Benutzer und adaptieren selbstst ndig
53. Wolf J Prozessabh ngige Bahnplanung beim Taschenfr sen Weniger Uberlasten und Rattereffekte mit einer Bahnplanung zur Laufzeit In wt Werkstattechnik online 2004 Nr 7 8 S 350 354 Brecher C Vitr M Wolf J Closed loop CAPP CAM CNC process chain based on STEP and STEP NC inspection tasks In Int Journal of Computer Integrated Manufacturing Vol 19 September 2006 S 570 580 Breuer Friedel Adaptive Control und automatische Schnittaufteilung Steuerungsspezifische Zusatzsysteme zur Produktivit tssteigerung beim NC Drehen Dissertation RWTH Aachen 1983 Br hl J OSACA und HUMNOS technische Ergebnisse Trendwende in der Steuerungstechnik EMO Hannover 1997 Br hl J Methoden zur Realisierung einheitlicher Schnittstellen f r offene Steuerungssysteme Dissertation RWTH Aachen 2003 Brou r N NC Steuerungskern mit Datenschnittstelle f r eine Autonome Produktionszelle Dissertation RWTH Aachen 2000 Budde W Arbeitsablauf und Werkzeugermittlung f r Drehbearbeitung Ein Beitrag zur Automatisierung der Fertigungsplanung Dissertation RWTH Aachen 1970 N N Ein R ckblick auf die CAD CAM Geschichte In CAD CAM Report 2002 Nr 6 S 46 63 Durchg ngiger Datenfluss bis in die Fertigung Markt bersicht CAM Systeme In CAD CAM Report Nr 7 Teil I und 8 Teil ID 2004 Bibliothek und Dokumentation zur 3D Grafiklibrary Open Cascade URL www opencascade org Stand 2007 CGTech GmbH Veri
54. be used to detect collisions and to autonomously gen erate optimized toolpaths positioning or retract movement These functions were realized in different prototypes meeting the previously defined requirements The solution proved to sup port the operator at the machine tool while generating or editing NC programs observing a running operation or optimizing the process at runtime The solution substituted the error prone coding with abstract G codes and provided new additional functionality The future task will be to support industry to migrate from today s G Codes to ISO 14649 Actually CAP CAM vendors are waiting for NCs to process ISO 14649 while the NC vendors are waiting for planning systems that are able to generate ISO 14649 program files A first migration step could be to closer link CAM systems and the NC A so called CAM Client could directly run on the NC s HMI Thus the operator could use CAM dialogues and views to generate or edit NC programs The simulation routines of the CAM system could be used to detect collisions before executing a toolpath segment and to display the running machining process In a next step either the numerical control has to provide fast access to its kernel or 144 9 Zusammenfassung und Ausblick the CAM functionality to re generate alternative toolpaths and workflows has to be integrated into the NC Both solutions will enhance the functionality at the NC and inside the NC 10 Literaturverzeichnis 145
55. ber Arbeitsschritt Merkmal und Operation verloren Folglich w rden die Eingriffsoptionen mit fortschreitendem Programmvorlauf schrittweise von einem Zugriff auf die NC Programm vorgaben hin zu elementaren Wegsegmenten und letztlich einzelnen Sollwerten reduziert Ebenfalls mit dem prozeduralen Ansatz der Bosch Rexroth MTX ist es nicht m glich eine bereits vorverarbeitete NC Workingstepliste umfassend zu adaptieren oder komplett zu erset zen Die in der MTX definierten Funktionslisten werden nacheinander abgearbeitet und grei fen dabei ebenfalls nur auf die Ergebnisse der vorhergehenden Funktionen zu Die Programm vorgaben und die internen Zwischenergebnisse sind datentechnisch nicht miteinander ver kn pft so dass sie ausgehend von einer nderung keine Adaptionsroutinen starten k nnen Das prozedurale Konzept bietet sich jedoch an um den Abarbeitungsfortschritt der NC Workingsteps zu steuern und im Fall von Eingriffen zur ckzusetzen Dazu werden die Proze duren gezielt als Methoden in den NC Workingstepobjekten implementiert Die einzelnen Methoden lassen sich von au en aufrufen so dass die Steuerungsmodule den Ablauf weiter hin aktiv steuern und mit den Ergebnissen arbeiten k nnen Anderenfalls m ssten bergrei fende Funktionen wie die Werkzeugkorrektur Transformation oder die Geschwindigkeits 70 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung f hrung in umfangreichen NC Workingstepstrukturen implementiert werden anst
56. besteht BEUK99 2 1 2 NC Programmierschnittstelle NC programming interface Am Ende aller NC Programmierverfahren steht das Generieren der Steuerinformationen in Form eines NC Programms Die zur Programmgenerierung verf gbaren NC Befehle Parame ter und das Programmformat h ngen von dem Funktionsumfang der anzusteuernden Maschi ne sowie der NC Steuerung ab die das NC Programm interpretiert und verarbeitet Der zuge lassene Befehls oder Sprachumfang bildet die NC Programmierschnittstelle einer Steuerung Sie wird in der Programmieranleitung der jeweiligen Maschine dokumentiert Aufgrund der Vielzahl der maschinen steuerungs und anwenderspezifischen Anforderungen gibt es im industriellen Einsatz keine einheitliche allgemeing ltige NC Programmierschnitt stelle Vielmehr gibt es einen Standard der von den Steuerungsherstellern als Vorlage genutzt wird und von dem sie ihre spezifischen Schnittstellen ableiten International hat sich hierzu die DIN 66025 ISO 6983 durchgesetzt DIN66025 Dar ber hinaus erm glichen viele Hersteller die Programmierschnittstelle ihrer Steuerung zu parametrieren und zu erweitern Diese Offenheit nutzen die Maschinenhersteller bei der Zu ordnung der Maschinenachsen und funktionen zu den Programmcodes und um eigene Rou tinen in der NC Steuerung implementieren und aufrufen zu K nnen 12 2 Stand der Technik 2 1 2 1 DIN 66025 sequentielle befehlsorientierte NC Programmierung DIN 66025 ISO 693
57. dass er unabh ngig von der Bahngeschwindigkeit und dem Interpolationstakt ist Er beschreibt die Werkzeugbahn in Form von Polylinien Kreisb gen oder Spline beliebig genau Indem jederzeit der Bezug zwischen der simulierten Werkzeugbewegung und dem abzuarbei tenden Merkmal hergestellt werden kann vereinfacht sich die Kollisionsbetrachtung Inner halb der Benutzeroberfl che kann ein Modul die aktuelle Merkmalsgeometrie mit den aus der Steuerung gelesenen Bahnen verrechnen und die Schnittpunkte als Kollision anzeigen 3D Darstellung des Bauteils Hervorheben des aktuell bearbeiteten Merkmals Simulation oder Verfolgung der Werkzeugbewegungen Bahnen werden aus der NC Steuerung gelesen Bild 7 9 Einheitliche Anzeige zur Bauteildarstellung Simulation und Prozessverfolgung Common view to display the part the simulation and the machining progress Da die NC Programmierschnittstelle STEP konform konzipiert ist lassen sich die relevanten Fl chen und Merkmale aus einer STEP Konstruktionsdatei ohne Konvertierungsverluste in das NC Programm bernehmen Somit wird der heute zum Erkennen von Kollisionen und Restmaterial notwendige Vergleich einer separaten CAD Datei mit den G Codes des NC Programms umgangen vgl Vericut der Fa CGTech CGTE04 Nach einer nderung am CAD Modell oder den Prozess und Operationsdaten im NC Programm wird die Simulation 120 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation ber die in K
58. de Stand September 2006 Sense 8 Dokumentation der 3D Grafiklibrary World Toolkit R 9 2007 Shin S J Suh S H Stroud I Reincarnation of G code based part pro grams into STEP NC for turning applications In Proceedings of 2005 CAD CAM Conference Kangwon Korea 2005 S 155 164 Sinumerik 840D OEM package NCK Software release 5 User s Manual Edition 05 00 Siemens AG Erlangen 2000 Siemens AG ShopMill Bedienen Programmieren Ausgabe 11 2002 SINUMERIK 840D 840DV 810D Erlangen 2002 Firmenschrift Siemens AG Durchg ngig offen bis in den Kern Sinumerik Open Archi tecture Erlangen 2003 Firmenschrift Siemens AG Sinumerik 840D OEM package NCK Software release 5 User s Manual Edition 04 03 Siemens AG Erlangen 2003 Siemens AG Bedienungsanleitung Ausgabe 03 2004 SINUMERIK 840D 840Di 810D HMI Advanced Erlangen 2003 Firmenschrift Siemens AG Sinumerik 810D 840D Werkzeug und Formenbau Handbuch Erlangen 2004 Firmenschrift Kleinfeld K Hauptversammlung der Siemens AG Lagebericht des Haupt vorsitzenden Miinchen 25 Januar 2007 Sohner J Beitrag zur Simulation zerspanungstechnologischer Vorg nge mit Hilfe der Finite Element Methode Dissertation Universit t Karlsruhe Karlsruhe 2003 Spur G Uber den Wandel der Produktionskultur In Klocke F Pritschow G Hrsg Autonome Produktion Springer Berlin 2004 ESPRIT project 20708 STEP NC STEP Compliant Data Interface fo
59. den Initiativen HUMNOS oder dem Global HMI geben unter anderem Funktionen zum Aufrufen Starten Unterbrechen und Stoppen des NC Programms sowie einzelne Parameter zur Prozessverfolgung vor HUEM98 MICH00 Gem den An forderungen m ssen zus tzlich die Elemente der frei erweiterbaren NC Programmierschnitt stelle und die Schnittstellenfunktionen der NC Algorithmen als Aufruffunktionen im HMI nutzbar sein Die L sung ist eine generische Funktionsschnittstelle innerhalb des HMI Aus gehend von dem Windows Betriebssystem bietet sich hierzu das Windows Messaging System an Demnach werden die verschiedenen HMI Module als eigenst ndige Fenster implementiert und in die Rahmen der Oberfl che geladen Mit dem Grundsystem und untereinander inter agieren sie durch Versenden und Abarbeiten von Nachrichten Jede der Nachrichten besteht aus einem Nachrichtenschl ssel der die auszuf hrende Funktion kodiert und zwei Datenbl cken f r die Eingangs und die R ckmeldedaten Sowohl die Schl ssel als auch die Daten k nnen auf der Grundlage von Basistypen anwenderspezifisch implementiert werden und garantieren so die geforderte Interoperabilit t trotz einer umfangreichen Offenheit f r nde rungen der NC Programmierschnittstelle und dem Funktionsumfang des HMI 7 1 6 Schnittstellenserver zur Kopplung mit der NC Steuerung Interface to link the HMI modules with the numerical control Es gibt heute keine steuerungs bergreifenden einheitlichen Schnittst
60. die Manipulation der Werkzeugzustellung oder der operationsspezifischen Vorsch be Verglichen mit dem Austausch von Nachrichten ist der Eventmechanismus schneller Jedoch sind die Events auf explizite Parameter und NC Workingstepobjekte angewiesen bei denen sie sich registrieren k nnen Sie k nnen nicht wie die Nachrichtenpipes umfangreiche NC Workingsteps und NC Workingsteplisten in einer definierten Abarbeitungsfolge austauschen 6 4 Weg und funktionssynchrone Umsetzung der NC Workingsteps Synchronizing the execution of the NC workingsteps with toolpaths and NC functions Der konzipierte Interpreter setzt die im NC Programm kodierten Arbeitsschritte und Bearbei tungsvorgaben in eine Liste steuerungsinterner NC Workingstepobjekte um Die NC Workingstepobjekte enthalten jedoch wie in Kapitel 6 3 erw hnt noch keine expliziten Soll werte und Schaltanweisungen Sie k nnen daher nicht unmittelbar von den Antriebsreglern und den Schnittstellen der NC Steuerung ausgef hrt werden Zuvor m ssen sie unter den ki nematischen und funktionsablauftechnischen Vorgaben der Werkzeugmaschine weiter verar beitet werden Diese Aufgabe bernehmen die in Bild 6 1 dargestellten dem Interpreter nach folgenden Steuerungsmodule In Abh ngigkeit von dem verf gbaren freien Arbeitsspeicher der NC Steuerung sowie dem Bearbeitungsfortschritt leitet der Interpreter ihnen ber sein Frontend d h die beschriebenen Kommunikationsmechanismen die einzelnen NC W
61. durchg ngig bis in die NC Steuerung verf gbar sein Sein Aufbau muss Erweiterungen zulassen um neue Technologien und propriet res gesch tztes Prozesswissen abbilden zu k nnen Beispiele f r m gliche Er weiterungen sind Parameter f r die Schnittaufteilung Regelstrategien oder technologische Ziel und Grenzwerte Funktionsgenaue Ablaufkodierung Bei hochoptimierten Prozessen bieten elementare Steu erungsbefehle wie die der DIN 66025 Vorteile Der Programmier kann die Abfolge der Weg Technologie und Schaltbefehle sekundengenau vorgeben um Taktzeiten zu minimie ren und die Steuerungsfunktionen zu synchronisieren Zusatzfunktionen und externe Systeme wie Beladeeinrichtungen werden punktgenau ber SPS Befehle zwischen Bewegungsanwei sungen angesteuert Mithilfe von Variablen lassen sich die exakte Aufspannlage Werkst ck abma e Korrekturparameter oder Daten zur Werkst ckidentifikation flexibel kodieren und mit Messsystemen abgleichen Diese Eigenschaften der DIN 66025 sind Grundforderungen der hochautomatisierten Massenfertigung und m ssen auch weiterhin bedient werden Unterst tzung des Werkers Das Prozessverst ndnis des Werkers ist durch sein Aufgaben verst ndnis und die f r ihn greif und sichtbaren Elemente gepr gt Er denkt in Arbeitsschrit ten in denen Bearbeitungsmerkmale nacheinander abgearbeitet werden so dass final das zu fertigende Bauteil entsteht Bei der Definition der Arbeitsschritte muss der Werker das R
62. fen Die Visualisierung der mitunter umfangreichen NC Programm informationen bernehmen grafische Anwendungen in der Benutzungsoberfl che Diese stellt entweder der Steuerungshersteller bereit oder sie werden anwenderspezifisch entwickelt und zus tzlich in die Oberfl che integriert W hrend der Bearbeitung unterst tzen die NC Programmierobjekte und ihre hierarchische Struktur den Werker beim schrittweisen Erproben Optimieren und Verfolgen des NC Pro gramms Da die Arbeitsschritte als zusammenh ngende Einheit im NC Programm verf gbar sind lassen sie sich parallel zur Abarbeitung aufrufen ihre Parameter anzeigen und das Bear beitungsziel sowie der Abarbeitungsfortschritt grafisch simulieren Der Werker erkennt un mittelbar das Ziel des anstehenden Arbeitsschritts kann virtuell die nachfolgenden Schritte betrachten und so rechtzeitig in den Ablauf eingreifen Bild 5 9 rechts 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 53 Im Einzelsatzbetrieb ist es m glich die Bearbeitung gezielt zwischen einzelnen Arbeitsschrit ten vor oder nach einer Zustellbewegung und wie von konventionellen NC Steuerungen be kannt nach jeder explizit programmierten Weg und Schaltanweisung zu unterbrechen Dar ber hinaus bietet sich die aufgaben und prozessorientierte Struktur an um beispielsweise nach einer Bearbeitungsebene nach einem Werkzeugwechsel oder vor einer nderung der Prozessparameter definiert anzuhalten Die verschi
63. funktionssynchrone Umsetzung der NC Workingsteps 85 6 4 1 reomelnieketie seen a S eE i ees 85 6 4 2 Synchronisation der Eingriffe zwischen NC und SPS een 89 6 5 Umsetzung der Eingriffe und bergangsstr tegien u 91 6 5 1 nderung der programmierten Arbeitsschrittreihenfolge en 91 6 5 2 Vorausschauende Prozessoptimierung uussssaesssnsenssnnenssnnennnnennnnnnnnnannn 92 6 5 3 Direkte Eingriffe in die Sollwerte asked 94 6 5 4 Eingriffe indie Bahnyerarbeitung Ball e 96 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation cessees 101 7 1 Grundsystem f r einen modularen Aufbau uersusrssnessseessnessnnesnnennnennnennnen nennen 102 7 1 1 Hardware und Bettie bss Stein ans Di Ben ein 103 7 1 2 Anwendergerechte kontextorientierte Interaktion eles eee eee een 103 7 1 3 Modular erweiterbare HMI Funktionen uursusrsnnessnnesnneennnersnnnsnnennnennnen en 106 7 1 4 Das NC Programm als einheitliche Datenbasis s 244 een 109 7 1 5 Nachrichtensystem zum Datenaustausch und Funktionsaufruf 113 7 1 6 Schnittstellenserver zur Kopplung mit der NC Steuerung 0 eee 113 7 2 Aufgabenorientierte Arbeitsweise uses 116 7 2 1 NC Programmierung an der NC Steuerung e eee eeseceseeeseeeeneeesneeesaeenes 116 122 Simulation und Bearbeitungsverfolgung u2200ssssnennnnneennnen
64. hrend externe Funktionen noch auf sie zugreifen Erweitert man diesen Ansatz um das Speichern sogenannter R ckruffunktionen so lassen sich aus dem Objekt her aus Funktionen innerhalb der zugreifenden Anwendungen aufrufen Eine gezielte Klassifizie rung der R ckruffunktionen erlaubt es sp ter gezielt vor oder nach einer nderung am Ob jektinhalt mit den verschiedenen Anwendungen zu interagieren Die Koordination der Funkti onsaufrufe ist die Aufgabe der Schreib oder L schmethoden Soll eine Programmvorgabe ge ndert werden so wird die Schreibmethode des dazugeh rigen Objekts aufgerufen Diese Methoden berpr fen zun chst intern ob die nderung syntaktisch richtig ist und die f r den Wert g ltigen Grenzwerte eingehalten wurden Diese Grundfunkti on h ngt im Wesentlichen von dem Datentypen des NC Programmelements ab und nicht von seiner auf die Bearbeitungsaufgabe bezogenen Bedeutung Folglich kann sie ausgehend von der NC Programmierschnittstelle generisch als Methode der Objekte implementiert werden Liefert die interne berpr fung keine Fehler so werden die gespeicherten vor der Umset zung einer nderung aufzurufenden R ckruffunktionen abgearbeitet Beispiele hierf r w ren Kollisionskontrollen Prozesssimulationen der Abgleich mit der steuerungsintegrierten Werk zeugdatenbank und den Maschinenparametern sowie die berpr fung ob der aktuelle Bear beitungsfortschritt eine nderung ggf nicht mehr zul sst Erst wenn dies
65. in parallel to the machining process the next tool can be redefined the cutting parameters of an operation can be optimized or the toolpath can be adapted 2 Stand der Technik 5 2 Stand der Technik State of the art Die Grundlage der numerisch gesteuerten Fertigung ist das rechnerbasierte Abarbeiten vorde finierter Steuerprogramme mit dem Ziel die Bewegungsachsen Werkzeugspindeln Schalt und Leistungsfunktionen einer Werkzeugmaschine automatisiert anzusteuern KIEF05 Das setzt voraus dass der Bearbeitungsablauf vor seiner Ausf hrung vollst ndig geplant und als Abfolge zeitlich aufeinander abgestimmter steuerungskonformer Weg Schalt und Techno logieanweisungen kodiert worden ist Da die einzelnen Programmanweisungen teilweise von einander abh ngen und sich gegenseitig beeinflussen muss die Steuerung das Programm im Vorlauf zur eigentlichen Bearbeitung einlesen befehls bergreifend auswerten und in synchro ne Antriebs und Schaltsignale umsetzen Dazu werden die im Steuerprogramm kodierten An weisungen in den Datenspeicher der Steuerung geladen und w hrend der Verarbeitung f r externe Zugriffe gesperrt Folglich muss bei Prozessst rungen oder Programmfehlern der Anwender die Bearbeitung abbrechen um das Programm aus der Steuerung zu entladen und Korrekturen am programmierten Ablauf vornehmen zu k nnen Parallel zur Programm ausf hrung kann der Werker den Prozess nicht ber die Programmvorgaben sondern nur ber Regelfu
66. ist f r den Anwender nicht immer nachvollziehbar wie beispielsweise die verschiedenen Algorithmen zur Aufl sung von Taschenproblemen Neben der Programmaufl sung und dem Aufruf interner Steuerungsfunktionen hat der Inter preter die Aufgabe die Abarbeitungsreihenfolge der generierten internen Anweisungen zu synchronisieren Er erkennt sequentiell abzuarbeitende parallele und modal d h bergreifend g ltige Befehle und steuert ber die Weiterleitung der Befehle und Wartemarken ihre funkti ons positions und zeitsynchrone Ausf hrung in der SPS und an den Maschinenachsen Geometrieverarbeitung Der Interpreter hat die Programmanweisungen in steuerungsinterne Schalt und Geometrie anweisungen aufgel st und um Marken zur Synchronisation ihrer weiteren Abarbeitung er g nzt W hrend die Schaltanweisungen an die Befehlspuffer der SPS geleitet werden m ssen die Geometrieinformationen zur Anpassung an Werkzeug Spannlage und Maschinenkinema tik weiterverarbeitet werden In der Regel wird in einem NC Programm die zu fertigende Werkst ckkontur programmiert und nicht der Bezugspunkt des Werkzeugs bzw der maschinenspezifische Anlenkpunkt der Maschinenachsen Die Werkzeugkorrektur hat daher die Aufgabe diesen werkzeugneutralen Bezugspunkt zu berechnen indem die programmierte Bahn quidistant um die Werkzeugab ma e verschoben wird Dabei entstehen neue Geraden und Kreissegmente die miteinander zu l ngeren Bahnsegmenten verschmolzen
67. k nnen die negativen Effekte einer Werkzeugverformung und abdr ngung nur kompensieren Zur Vermeidung m ssten die Prozessparameter entsprechend der Steifigkeit von Werkst ck Werkzeug und Maschine abgestimmt werden Ein Beispiel w ren moderatere Zerspanungswerte und eine Anpassung der Schnittaufteilung Regelsysteme zur Rattervermeidung Bei der Beurteilung des dynamischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen wird zwischen fremd oder selbsterregten Schwingungen unterschieden Fremderregte Schwingungen sind auf externe St rungen oder Unwuchten zur ckf hren Sie lassen sich nicht ber die im NC Programm kodierten Prozessparameter oder die Bearbeitungsstrategie abstellen Selbsterregte Schwingungen entstehen dagegen erst im Prozess Sie h ngen von den gew hlten Bearbei tungsparametern und dem dynamischen Nachgiebigkeitsverhalten des Maschine Werkzeug Werkst ck Systems ab Die Ausl ser sind oftmals St rungen oder periodisch wechselnde Prozesskr fte Diese f hren zu elastischen Verformungen und damit zu einer Relativverlage rung zwischen Werkzeug und Werkst ck Die Folge ist eine nderung der Spandicke so dass der n chste Schnitt Drehen bzw die nachfolgende Schneide Fr sen einen gr eren Quer schnitt zerspanen muss Die zwischen Werkst ck und Werkzeug wirkenden Kr fte steigen an und aufgrund der Nachgiebigkeit des Systems kommt es erneut zu einer Relativverlagerung Wiederholt sich der Effekt mit einer der Eigenfrequenzen des
68. mmern Er bindet die Basisschnittstellen in das von ihm entwickelte Modul ein erh lt damit Zugriff auf die Systemplattform und berl sst die Anpassung dem Grundsys tem Zur Laufzeit werden sie durch die spezialisierten Funktionen der in der Konfigurations datei eingetragenen Bibliotheken berladen Zum Beispiel wird die steuerungsspezifische Anbindung in Form einer Bibliothek gekapselt deren Funktionen sich mit den Schnittstellen der NC Steuerung verbinden Im Fall der Sie mens Sinumerik 840D w rde dazu auf den NC DDE Server zugegriffen Zur Bosch MTX wird greift das Interface die NC Schnittstelle NCS zu und zur Anbindung an eine OSACA Steuerung wird das Grundsystem der Benutzeroberfl che als sogenanntes Architekturobjekt mit der NC Steuerung verbunden Das Architekturobjekt verbindet sich mit der NC Steuer ung ber Server und Klientobjekte Hier ber k nnen Variablen ausgetauscht und Funktionen aufgerufen werden 7 1 4 Das NC Programm als einheitliche Datenbasis The NC program as a common data base Das vorgestellte Konzept der NC Programmierschnittstelle sieht vor dass im NC Programm alle Daten zur Prozessplanung Bearbeitungsausf hrung und Optimierung zusammenh ngend gespeichert und ausgetauscht werden k nnen Informationsverluste durch inkompatible Zu satzdaten oder Konvertierungen mit Postprozessoren werden auf der Basis des durchg ngig einsetzbaren Datenmodells verhindert Analog zu den Umsetzungsalgorithmen in der NC
69. sei auf die im Rah men von OSACA erarbeiten Standards verwiesen OSACO0 HARDO2 BRUEO3 KAHMO5 2 3 Prozess berwachung und regelung Process monitoring and control Auch in hochautomatisierten Bearbeitungsabl ufen treten Prozessschwankungen St rungen und Fehler auf Im Fall der NC Bearbeitung reichen die Folgen von Qualit tsschwankungen am Werkst ck erh htem Werkzeugverschlei einer suboptimalen Produktivit t bis hin zu Besch digungen aufgrund von Kollisionen am Werkst ck Werkzeug oder an der Maschine Bezogen auf das NC Programm und dessen Abarbeitung lassen sich drei wesentliche Ursa chen unterscheiden menschliche Fehler beim Programmieren und R sten Abweichungen zwischen dem angenommenen und dem realen Prozessverlauf externe Einfl sse wie Werkzeugverschlei Maschinenverhalten St rungen Mit dem Ziel die Prozesssicherheit Fertigungsqualit t und Produktivit t numerisch gesteuer ter Maschinen zu erh hen setzt die Industrie daher Systeme zur Prozess berwachung und Regelung ein K NIO2 Dabei ist es die Aufgabe der Prozess berwachung St rungen auto matisch zu erkennen und geeignete Reaktionen in Form von Meldungen Abschalt oder Kor rekturbefehlen auszul sen Dagegen hat die Prozessregelung das Ziel unter fortlaufender selbstst ndiger Anpassung der Prozessparameter an das Verhalten von Maschine Werkzeug Werkst ck und Material eine optimale Prozessf hrung zu erreichen Die VDI Richtlinie 3426 u
70. sind jedoch die aus den Umsetzungsalgorithmen resultierenden Abh ngigkeiten und Ein schr nkungen nicht nachzuvollziehen Um Fehleingriffe zu verhindern wird daher der Zugriff auf diejenigen NC Programmdaten gesperrt deren zusammenh ngende Arbeitsschritte voll st ndig eingelesen sind und die sich in Abarbeitung befinden In diesem Zustand ist ein Pro grammeingriff nur noch ber die nachfolgend beschriebenen Softwarefunktionen auf der Ba sis der Datenhaltung des Parsers und den damit verkn pften vom Interpreter generierten NC Workingsteps sinnvoll Eingriffe in die Datenhaltung des Parsers und die NC Workingsteps des Interpreters Binden ein Regelsystem oder die Benutzungsoberfl che die Bibliothek des Parsers vgl Kapi tel 5 1 mit ein so ist ein gemeinsamer Datenzugriff ber den Shared Memory des Parsers mit der NC Steuerung m glich Innerhalb der Zugriffsfunktionen werden die Eingaben software technisch gepr ft und auftretende Fehler zur ckgemeldet Der Werker wird so direkt infor miert und kann eine Fehleingabe korrigieren In der laufenden Bearbeitung erfolgt die ber nahme der ver nderten Programmvorgaben indem der Parser an den Interpreter und die mit seinen Daten verkn pften NC Workingsteps die nderung meldet Der NC Workingstep pr ft die Anwendbarkeit und adaptiert seine Attribute als auch die der ihm untergeordneten NC Workingsteps Bei komplexeren Eingriffen werden die betroffenen NC Workingsteps neu umgesetzt E
71. sungen zur Integration echtzeitf higer Anwendungen in den NC Kern angeboten An dieser Stelle werden exemplarisch die offenen Schnittstellen zur Steuerungserweiterung der Sinumerik 840D Siemens und der Bosch Typ 3 osa bzw ih rer Nachfolgesteuerung der MTX Bosch Rexroth vorgestellt Offenheit der Siemens Sinumerik 840D Der Steuerungshersteller Siemens bietet f r die Sinumerik 840D eine propriet re Entwick lungsumgebung an um anwenderspezifische Funktionen sogenannte Compile Zyklen zu entwickeln und in den vorgegebenen Funktionsablauf des Siemens Kerns einzubinden Bild 2 10 Der Kern der Sinumerik 840D ist objektorientiert in C programmiert Seine Struktur wird durch die logischen Funktionen der Steuerung in Form von Modulen vorgegeben Jedes der Module stellt eine in sich geschlossene Applikationen dar die nicht manipuliert oder aus getauscht werden kann Beim Abarbeiten des NC Programms werden diese Module in einer definierten Abfolge die der Entwickler nicht beeinflussen kann sequentiell durchlaufen An 20 2 Stand der Technik hand von fest implementierten Aussprungfunktionen den sogenannten Events kontrolliert der Steuerungshersteller die Stellen im Ablauf an denen kundenspezifische Erweiterungen in die Programmverarbeitung eingef gt werden k nnen Aus der Sicht des Entwicklers spiegeln die Events den Steuerungsaufbau wider und stellen f r ihn die offene Funktionsschnittstelle zum NC Kern dar Die mehr als 50 verf gbaren
72. synchron ablaufenden Prozesse wie Wechselsysteme ebenfalls definiert angehalten werden sind Gef hrdungen des Werkers und der Maschine ausgeschlossen Zur Umsetzung dieses Ansatzes bietet sich ein Konzept an in dem steuerungsintern ein verar beitungs sowie prozessorientiertes Modell der im NC Programm kodierten Bearbeitungsauf gaben nachgef hrt wird Zu den einzelnen Arbeitsschritten werden dazu Ablaufmuster hinter legt die steuerungstechnisch eindeutig in Bezug auf zul ssige Prozesseingriffe und Strategien zur sicheren Programmunterbrechung ausgewertet werden k nnen Indem die NC Steuerung die aktuell ausgef hrten als auch die anstehenden Aufgaben verwaltet kann sie die Ein griffsm glichkeiten des Werkers oder die eines externen Regelungssystems koordinieren Entsprechend dem Abarbeitungsfortschritt sperrt sie Programmelemente vor externen Eingrif fen oder gibt die noch ausstehenden nicht von der laufenden Bearbeitungsausf hrung abh n genden Programmvorgaben zur Manipulation frei Je nach softwaretechnischer Umsetzung erfolgen die Eingriffe entweder ber nderungen des NC Programms oder ber steuerungs seitig angebotene Direktschnittstellen auf die intern gespeicherten und vorverarbeiteten Pro grammvorgaben Die Benutzerschnittstelle reagiert auf die von der Steuerung f r Eingriffe freigegebenen Ar beitsschritte indem sie dem Werker kontextabh ngige Interaktionsmechanismen anbietet Hierzu eignen sich beispielsweise intera
73. t Stuttgart zum Drehen aufsetzen HEUS05 Dieser Ansatz ist nicht nur auf lokale Systeme beschr nkt Eine Serverapplikation kann ber Ethernet ganze Unternehmensbereiche von der Konstruktion ber die Planung bis zur Fertigung bedienen ALBE00 Alle Programm nderungen und erg nzungen erfolgen ber die Funktionseinheit und m ssen konform mit der darin implementierten NC Program mierschnittstelle sein Jeder Eingriff in die Programmvorgaben wird zentral registriert und an die verbundenen Anwendungen gemeldet Deren interne Funktionen pr fen die nderungen auf Fehler oder Grenzwert berschreitung Nur wenn keine Fehler an die zentrale Programm verwaltung zur ckgemeldet werden wird die nderung systemweit umgesetzt Die in Kapitel 0 definierten Anforderungen einer durchg ngigen Nutzung aller Systemfunkti onen zur Unterst tzung des Werkers und Absicherung einer fehlerfreien Bearbeitung werden erf llt Die durch das Unterbrechen Schlie en und erneute Laden des NC Programms entste henden Zeitverluste entfallen Die parallel im HMI aktiven Anwendungen erg nzen sich durch ihre Funktionen so dass beispielsweise der Effekt einer Programm nderung gleichzei tig in einer Simulation angezeigt werden kann und die Werkzeugverwaltung meldet welche Werkzeuge f r den neuen Bearbeitungsfall zur Verf gung stehen Bild 7 5 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 111 Uberwachung Spindelstrom Y
74. und die kritische Durchsicht des Manuskripts Ebenso danke ich meinen Eltern die mir meine Ausbildung erm glicht haben und die mich stets mit gro em Engagement gef rdert haben Mein gr ter Dank gilt jedoch meiner lieben Frau Kerstin Sie hat mir geduldig alle Freihei ten gelassen die mir n tig waren um diese Dissertation zu erarbeiten und abzuschlie en Ihr R ckhalt und ihre fortw hrende Motivation haben mir sehr geholfen Herzlichen Dank K ln im M rz 2009 Jochen Wolf Inhalt 1 EE a T EET T E E 1 2 Stand d r Technik assvenasousengiessecedsbscaneuseustevsscsesenssosisonsscsssniyses 5 2 12 ING Programmierung Gastes een 3 2 1 1 Verfahren zur NE Prosrammienin 2 2 SE een 6 241 2 NE Programmiersechnitistelle 2 2242 Bee ea 11 2 1 3 Einfahren und Korrektur von NC Programmen eeeseseereesrserreereserererrresreses 13 2 2 NC Steuerungen und Programmverarbeitung sssessssssesssesessetessressersseresesesseeesseeso 14 2 2 1 Ablauf der NC Programmverarbeitung csccsscecsseeseeceeseeseneeeeensenceneees 14 2 2 2 Aufbau einer NE Sleuer np anerkennen ren 17 2 2 3 Offene NC Steuerunsen au a ek anne era 18 2 3 Prozess berwachung und regelung u ucnuanstnsiesnnnnsshnesssalten 22 2 3 1 Anwendungen zur Prozessregelung sssessssssesssesessseessetssressersseesseeressressrese 22 2 32 Entwicklungsans tze in der Prozess berwachung und regelung 25 2 3 3 Steuerungs
75. von dem Umsetzungs und Abarbeitungsfortschritt der Steuerung zuzulassen Der derart in Objekten gekapselte Programminhalt wird folglich nicht direkt von einer einzel nen Applikation ge ndert Er fragt eine nderung an die dann erst durch alle verbundenen Systeme und deren Funktionen gepr ft wird W hrend dessen wechselt der Objektzustand auf in nderung und wechselt erst nach positiver R ckmeldung in den Grundzustand in dem er die nderung bernimmt Unstimmigkeiten werden mit der zur ckgemeldeten Information dem Werker zur Anzeige gebracht oder an ein bergeordnetes Funktionsmodul zur Entschei dung bertragen Durchg ngige Datenbasis bei verteilten Systemen Bei hardwaretechnisch getrennten Systemen ist der zuvor beschriebene Ansatz eines zentra len das HMI und den NC Kern bergreifenden Programmspeichers vgl Bild 7 2 nicht um setzbar Auch klassische Konzepte mit ber Ethernet verbundenen Datenservern bieten sich nicht an da sie die Datenelemente nicht deterministisch bereitstellen k nnen und daher eine unterbrechungsfreie NC Programmverarbeitung nicht garantiert werden kann Ein L sungsansatz besteht darin das NC Programm in mehrere systemspezifische Daten speicher zu laden Untereinander werden diese Speicher ber den Austausch der ge nderten oder erg nzten Programmelemente abgeglichen Ausgehend von einer objektorientierten Um setzung der NC Programmierschnittstelle lassen sich die einzelnen Programmeleme
76. wird zuerst eine Fertigteilgeometrie geladen oder erstellt Diesem Fer tigteil weist der Programmierer ein Rohteil sowie die abzuarbeitenden Bearbeitungsmerkma le wie Fl chen Taschen Konturen etc zu Um den Umfang der programmierbaren Merkma le flexibel erweitern zu k nnen werden Auswahllisten angeboten die alle in der Program mierschnittstelle enthaltenen und durch Dialoge in der Benutzeroberfl che erstellbaren Ele mente enthalten Bild 7 8 Diese Liste ist Teil des HMI Grundsystems Die darin enthaltenen Elemente werden zum einen als Grundlage f r die Zuordnung in der beschriebenen Konfigu rationsdatei genutzt und zum anderen leiten sie sich aus der Vererbungsstruktur der Elemente ab So wird beispielsweise sichergestellt dass als Geometriemerkmale nur die in der Pro grammierschnittstelle auch enthaltenen Elemente zur Geometrieprogrammierung angeboten werden Der gleiche Ansatz wird auf die Programmierung des Arbeitsplans mit den darin enthaltenen Arbeitsschritten und NC Funktionen bertragen Beginnend mit dem Projekt w hlt der Pro grammierer schrittweise die im Ablauf zu erg nzenden Elemente aus Bei der Anwahl eines 118 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation Elementes bietet das Grundsystem erneut eine generische Maske an in der ausgew hlt wer den kann ob ein neues Element hinzugef gt oder ein vorhandenes ausgew hlt werden soll Wenn in die Benutzeroberfl che eine grafische Darstellung als Modu
77. 0303 21 ar E Tetnebohneg s_werplane elementary surface Pies feature renamed hehe 7 s operaban cenber_drifing Rs efet in procesis _goowatry ts Camne hamd P Pr its_setupe sebep 1 tert in process geometry Je nach Vorgabe wird der explizite Toolpath abgearbeitet STEP NC NC Steuerung Werkzeug oder die Verfahrwege werden ia steuerungsintern aus Feature und Operation in Abh von Strategie Positiane Technology und Werkzeug generiert Soll Pos Interpolator Bild 6 5 Informationsabstraktion vom STEP NC Workingstep bis zum Toolpath Level of information from Workingsteps to single Toolpaths Die entwickelten und realisierten NC Workingsteps dienen somit der durchg ngigen verlustfreien Abbildung der im NC Programm kodierten Aufgaben Strukturierung der Programmumsetzung in anwendergerechten Abstraktionsebenen Aufl sung in interaktive Teilaufgaben zur Abarbeitung in den folgenden NC Modulen Bereitstellung von Prozessinformationen f r die Prozess berwachung und regelung internen Weiterleitung von Fortschrittsmeldungen und Parametereingriffen durchg ngigen bernahme und dem Abgleich adaptierter Parameter Entwicklung neuer anwenderspezifischer Abl ufe zur Programmumsetzung 6 1 3 Softwaretechnisches Konzept Software concept Dem Entwickler wird mit den elementaren NC Workingsteps ein Baukasten bereitgestellt aus dem er eigene anwendungsspezifisch optimierte Abl ufe zusa
78. 14649 Programmierschnittstelle ist derart umfassend dass neuere Projekte dieses Aufgreifen und G Code Programme hier ber in die Planung zur ckf hren SHINO5 Die im Interpreter implementierten Algorithmen zur Ablauf und Bahnaufl sung k nnen un abh ngig von der physikalischen Programmierschnittstelle eingesetzt werden Die Anpassung an die unterschiedlichen Programmformate erfolgt ber den Parser w hrend der Interpreter ber gleiche Zugriffsfunktionen auf eine einheitlich aufgebaute je nach Programminhalt un terschiedlich detaillierte und um spezifische Datenelemente erweiterte Datenbasis zugreifen kann Bild 6 9 Diese setzt er dann auf seine internen NC Workingsteps um Je nach verf g barem Informationsgehalt erzeugt der Interpreter dabei elementare oder aufgabenorientierte NC Workingsteps Die hersteller oder anwenderspezifischen Code Erweiterungen lassen sich auf erweiterte NC Workingsteps abbilden und weiterverarbeiten im Bild 6 9 angedeutet mit EX_ f r extended Dies ist als Zwischenschritt zu betrachten bis dass ein Standard einheit liche Definitionen anbietet und die Interpreterlogik diese bedienen kann Auch Datenbankkonzepte lassen sich von diesem Ansatz ausgehend umsetzen Der Parser stellt die Datenbankanbindung bereit und bernimmt f r den Interpreter die Zugriffe auf die Geometrie Ablauf und Technologiedatens tze etc Ein m glicher Anwendungsfall ist die bernahme von Bearbeitungsmerkmalen aus der Planung
79. 4 Anforderungen an die Programmierung und Programmverarbeitung Ferner m chte die Industrie auf die teuren und pflegeintensiven Postprozessoren verzichten und zwischen den verf gbaren Maschinen die NC Programme flexibel austauschen k nnen WEYROO Anstelle einer steuerungsspezifischen Befehlsfolge muss das NC Programm eine umfassende steuerungsneutrale Aufgabenbeschreibung enthalten die sich durch den Werker an der Maschine ndern und von der Steuerung maschinenorientiert verarbeiten l sst STEP99 Arbeitsvorbereitung Der Prozess und Operationsplanung stehen heute weder leistungsf hige Standards zur Beschreibung von Bearbeitungsmerkmalen zur Verfiigung noch zur Defi nition von Bearbeitungsabl ufen Strategien Technologieparametern Ressourcen und deren Alternativen Die Konsequenz sind propriet re Erweiterungen der APT Schnittstelle z B EXAPT oder eigene abgeschlossene Beschreibungsmodelle z B CATIA NC Open Mind Demnach ist ein neutraler Austausch umfassender Planungsdaten heute nicht m glich HAASO00 und l sst sich insbesondere mit den einfachen Befehlen der DIN Programme nicht darstellen Dadurch stehen an der Werkzeugmaschine und in der NC Steuerung keine Kon struktions und Planungsdaten zur vereinfachten NC Programmierung Prozess berwachung und regelung zur Verf gung Ein zuk nftiges Austauschformat der Arbeitsvorbereitung wird folglich Merkmals Operati ons Prozess und Ressourcendaten enthalten m ssen und
80. 8 sequential command oriented NC programming Weltweit hat sich die DIN 66025 international RS 274 ISO 6938 als Grundlage fiir die Programmierung numerisch gesteuerter Werkzeugmaschinen etabliert Sie definiert allge meing ltige Grundbefehle und gibt eine Syntax sowie Richtlinien zur Erweiterung ihres Be fehlsumfangs vor Ausgehend von der DIN 66025 ist es daher m glich eigene spezialisierte Programmierschnittstellen abzuleiten und diese an die individuellen Technologie und Funk tionsanforderungen der Steuerung und der Maschine anzupassen Ein NC Programm nach DIN 66025 besteht aus dem Programmanfang einer beliebigen An zahl von NC S tzen die den Arbeitsablauf schrittweise beschreiben und dem Programmen de Jeder Satz kodiert ein Bewegungssegment und oder eine Maschinenoperation Er besteht aus einem oder mehreren Worten die sich aus Adressbuchstaben und Ziffernfolgen zusam mensetzen Die Adressbuchstaben unterscheiden sich nach geometrischen Anweisungen z B A B C X Y Z U V W usw technologischen Anweisungen F S T Fahranweisungen G Schaltbefehlen M Korrekturaufrufen H und nicht normierten d h dem Steuerungs und Maschinenhersteller berlassenen Funktions Zyklen und Unterprogrammaufrufen Programmanfang N10 M6 T12 N20 G54 X10 Y20 G92 N30 GO Z100 N40 GO X0 YO T2101 M6 N50 G1 X20 YO Z 12 F0 4 S2000 T1203 M8 Wegbe Achskoordinaten Vor Dreh ne Masch dingung schub zahl Fk
81. 93 Es wird zwischen u erer und innerer Offenheit unterschieden Die u ere an wenderorientierte Offenheit umfasst eine harmonisierte NC und SPS Programmierung eine adaptierbare Benutzerschnittstelle Bild 2 8 a sowie standardisierte Kommunikations und Antriebsschnittstellen Die innere Offenheit bezieht sich auf den Steuerungskern Sie fordert weitreichende Zugriffsm glichkeiten auf Steuerungs und Prozessdaten konfigurierbare Software mit offenen Schnittstellen Bild 2 8 b c sowie eine modulare aufgebaute Hardware WECK93a OSACOO 2 Stand der Technik 19 2 2 3 1 Industrielle Anwendung offener Steuerungssysteme Industrial application of open numerical controls Die PC und Windows basierten Benutzerschnittstellen moderner NC Steuerungen erfiillen in der Regel die Anforderungen nach u erer Offenheit Es ist m glich Fremdapplikationen in die Steuerungsoberfl che zu integrieren diese mit den Softkeys der Steuerung zu bedienen und ber standardisierte Schnittstellen wie DDE Dynamic Data Exchange oder OPC OLE for Process Control auf Steuerungsdatenbanken und Steuerungssignale zuzugreifen Typi sche Anwendungen sind Applikationen zur Werkzeugverwaltung die Anzeige von Maschi nenzust nden und die Fehlerdiagnose Die Maschinenhersteller nutzen diese Offenheit zur Entwicklung eigener maschinen und prozessorientierter Benutzeroberfl chen REIM04 Auf der Ebene der NC Programmierschnittstelle bieten die Steuerungshers
82. ACHINING_WORKINGSTEP 18mm Bohrung bohren 5 159 152 161 CARTESIAN_POINT 57 5000 59 9000 30 0000 162 AXIS2_PLACEMENT_3D Position 57 59 30 161 28 3 163 THROUGH_BOTTOM_CONDITIONO 164 ROUND_HOLE Drillhole 18mm 57 5 59 9 30 419 152 162 100 157 163 165 MACHINING_WORKINGSTEP 18mm Bohrung bohren 5 164 152 166 CARTESIAN_POINT 60 0000 80 0000 263 0000 167 DIRECTION 0 0000 0 0000 1 0000 168 DIRECTION 0 0000 1 0000 0 0000 169 AXIS2_ PLACEMENT_3D 166 167 168 170 CARTESIAN_POINT location 0 0000 0 0000 10 0000 171 AXIS2_ PLACEMENT_3D 170 2 3 172 PLANE Global security plane 171 173 CARTESIAN_POINT 0 0000 0 0000 0 0000 174 DIRECTION 0 0000 0 0000 1 0000 175 DIRECTION 1 0000 0 0000 0 0000 176 AXIS2_PLACEMENT_3D 173 174 175 177 WORKPIECE_SETUP 19 176 178 SETUP Setup for machining the side with slots 169 172 177 179 WORKPLAN 1 Aufspannung 46 61 79 88 105 111 116 121 126 137 141 145 160 165 178 180 WORKPLAN Gesamtarbeitsplan 179 181 PERSON 0 0 0 182 PERSON_AND_ADDRESS 181 183 CALENDAR_DATE 2004 10 4 184 LOCAL_TIME 10 15 185 DATE_AND_TIME 183 184 186 PROJECT Bearbeitungsprogramm Radtrager 180 19 182 185 ENDSEC END ISO 10303 21 Lebenslauf Pers nliche Angaben Name Vorname Geb
83. Auswertung der NC Workingsteps Dabei wer den einheitlich g ltige Prozessparameter und gleiche sich wiederholende Operationen er kannt Indem dem Anwender diese Gemeinsamkeiten angezeigt werden kann er die vorge nommenen Eingriffe gezielt auf die noch ausstehenden Arbeitsschritte bertragen Erprobte nderungen werden als Erfahrungswissen ohne eine Programmunterbrechung und Neupro grammierung direkt in der Folgebearbeitung bernommen Denkbare Anwendungen sind die programmweite Optimierung der Vorsch be im Eilgang beim Zustellen und Freifahren sowie die Werkzeugzustellung oder die Schnittaufteilung Die zur werkergerechten Anwendung erforderlichen Interaktionsmechanismen werden in Kapitel 7 2 3 entwickelt Ausgehend von der hierarchischen Verkettung der NC Workingsteps lassen sich dar ber hin aus komplexe berwachungs und Regelsysteme umsetzen Dazu werden die NC Working steps zur Systemparametrierung ausgewertet In Abh ngigkeit von einer erkannten Prozessab weichung kann dann gezielt in die elementaren Bewegungsbahnen und Technologieparameter oder aber pauschal in die Parameter zusammenh ngender Sub Workingsteplisten eingegriffen werden Dieser Ansatz liefert die Grundlage um Konzepte einer bahnsynchronen ber den Bearbeitungsprozess gezielt gesteuerten Schnittkraft berwachung oder einer Rattervermei dung durch die steuerungsinterne Optimierung der Schnittaufteilung und Schnittparameter zu realisieren 94 6 Steuerungskern zur a
84. Bearbeitung lt 0 2 ms 5 30 ms z T bis 100 ms lt 3ms Aufruf eines Prozessobjekts z B R ckw rtstranformation Nachrichten Leerlauf lt 0 15 ms 2 5ms lt 3ms Bearbeitung lt 0 15 ms 2 12 ms z T bis 100 ms lt 3ms Tabelle 8 2 Reaktionszeiten der Kommunikationsmechanismen der WZL NC Response times of the WZL NC measured for different communication methods Um die Anzahl der Kommunikationsvorg nge zu minimieren wurden alle zur Adaption aus zutauschenden Daten als Nachrichtenobjekte gekapselt und den modul bergreifend aufzuru fenden Prozessobjekten als Parameter bergeben Im Interpreter werden daraufhin die NC Workingsteps adaptiert und an die nachfolgenden Module der Geometriekette zur Verarbei tung bergeben In Bild 8 11 ist exemplarisch eine Zeitmessung unter VxWorks f r die Adap tion einer Taschenbearbeitung dargestellt Die dabei durchlaufen Funktionen und deren Zeit anteile werden nachfolgend detailliert beschrieben Der Eingriff und die Korrekturparameter werden zuerst an den Interpolator gemeldet Als letztes Softwaremodul vor der Antriebsschnittstelle hat er den schnellsten Zugriff auf die Ist Positionen und den aktuell ausgef hrten Bahn Workingstep Der Interpolator wertet den Ein griff aus und bestimmt ausgehend von seinen internen Strategien einen Synchronisations punkt bis zu dem er kollisionsfrei Offsetwerte verrechnen kann oder der ohne eine Reduktion der Vorschubwerte in einer steuerungsseiti
85. C Programmelemente Feedback and function calls originated by the processed NC program elements Die zentrale Verwaltung des NC Programminhalts und ihre Synchronisation mit der Pro grammverarbeitung des NC Kerns liefert die Grundlage f r eine anwendungs bergreifend konsistente jederzeit verf gbare Datenbasis Diese reicht jedoch nicht aus um aktiv auf n derungen zu reagieren oder aber zwischen den Funktionen des Gesamtsystems aufgaben merkmals und prozessorientiert zu interagieren Die auf der NC Programmierschnittstelle aufgebaute Datenverwaltung muss um zus tzliche Mechanismen zur nderungsverfolgung und zum Funktionsaufruf erg nzt werden Die konsequente Kapselung der einzelnen Programmvorgaben und elemente in Software objekten mit definierten Zugriffsfunktionen erm glicht das Erkennen von nderungen und die Benachrichtigung der mit der Programmverwaltung verbundenen Anwendungen Dazu ist das Lesen und Schreiben des Programminhalts nur ber die Methoden der einzelnen Objekte m glich Die softwaretechnische Umsetzung der Lesemethoden bietet die M glichkeit einen Verweis auf die lesende Anwendung zu speichern Auf diese Weise merkt sich das Objekt von wem seine Daten aktuell benutzt werden Erst durch den Aufruf von Abmeldemethoden werden die Merker wieder freigegeben Dieses Prinzip ist in der Softwareentwicklung g ngig um mittels intelligenter Zeiger den Smart Pointern zu verhindern dass Speicherbereiche gel scht werden w
86. D_ POCKET Tasche 3 12 27 31 36 12 BOTTOM_AND SIDE_MILLING 40 Operation 20 Spezialisierung von Executable 20 MILLING_CUTTING_TOOL Schaftfraser 24 25 80 21 MILLING_TECHNOLOGY 0 30 300 00 4000 00 T 22 MILLING_MACHINE_FUNCTIONS T 35 0000000000 F 23 CONTOUR_PARALLEL 6 5 T CW UPCUT 24 MILLING_CUTTER 39 4 RIGHT F 80 40 Feature 40 TOOLPATH LIST 41 42 43 44 41 CUTTER_CONTACT_TRAJECTORY F CONTACT Operation ae ENDSEC END ISO 10303 21 Bild 5 3 Strukturierte zusammenh ngende Aufgabenbeschreibung im NC Programm Structurized and linked task description inside the NC program Analog zu dem Programmierschl ssel der DIN 66025 in dem der Aufbau und die Bedeutung der mnemonischen Codes festgehalten sind m ssen f r das zu konzipierende Datenmodell ebenfalls die Bedeutung und der formale Aufbau der verf gbaren Elemente definiert werden Die im Fall der vorliegenden Arbeit entwickelten Datenelemente sind gr tenteils in die Normierung der ISO 14649 eingeflossen und dort dokumentiert worden ISO14649 1 10 11 Daher werden nachfolgend nur ausgew hlte f r das Verst ndnis der Arbeit besonders relevante Datenelemente detailliert erl utert Ausz ge aus dem hier entwickelten und interna tional standardisierten Grund und Fr smodell finden sich im Anhang 11 1 der Arbeit Die Struktur und die
87. Datenkonstrukte und die Funktionsaufrufe Das spezifische Wissen des Entwicklers wird hinter der API gesch tzt Es lassen sich zwei Arten von Bibliotheken unterscheiden statische und dynamische Biblio theken Die NC Programmierschnittstelle wird beispielsweise in Form einer statischen Biblio thek in das Grundsystem des HMI eingebunden Sie wird mit der Applikation geladen und steht damit durchg ngig zur Verf gung Die Funktionserweiterungen werden dagegen je nach Bedarf dynamisch geladen und entladen Dadurch belasten zum einen inaktive Erweiterungen nicht den Arbeitsspeicher und zum anderen wird die Anforderung erf llt dass der Anwender die Funktionsmodule des HMI zur Laufzeit hinzuf gen austauschen und konfigurieren kann ohne die Anwendung neu starten zu m ssen Ein weiterer Vorteil die HMI Erweiterungen in Form von Bibliotheken zu kapseln resultiert daraus dass eine Bibliothek nicht in einem eigenen Prozess l uft Bei einem preemptiven Multitasking wie es beispielsweise unter Windows NT oder Windows XP eingesetzt wird wird die verf gbare Prozessorzeit in Zeitscheiben unterteilt und den Prozessen sequentiell oder nach Priorit t ber einen Scheduler zugewiesen Die Ausf hrung der Bibliotheksfunkti onen wird dagegen von der aufrufenden Anwendung kontrolliert Sie kann die Funktionen gezielt starten und ihnen einen parallel laufenden Thread zuweisen den sie ber Semaphoren und Events jederzeit unterbrechen oder aufrufen kann W hr
88. First in first out HMI Human Machine Interface ISO International Organisation for Standardisation JOG Modus Handbetrieb MDA Automatikmodus MMC Man Machine Control NC Numerical Control hier gleichbedeutend mit CNC genutzt NCK NC Kern NCS NC Schnittstelle Datenschnittstelle der Bosch Typ 3 osa OEM Original Equipment Manufacturer OLE Object Linking and Embedding OMAC Open Modular Architecture Controller OPC OLE for Process Control OPI Original Equipment Manufacturer s Programmer s Interface ORB Object Request Broker OSACA REF SBL SERCOS SFB SPS STEP STEP NC WOP WZL WZL NC XML Open System Architecture for Controls within Automation Systems Modus zur Referenzieren der Maschine Modus Einzelsatz im Automatikbetrieb Serial Realtime Communication System IEC 61491 EN61491 Sonderforschungsbereich der Deutschen Forschungsgesellschaft Speicherprogrammierbare Steuerung Anpassteuerung Product data representation and exchange ISO 10303 Synonym fiir die ISO 14649 NC Programmierschnittstelle und die damit ver bundenen Forschungsprojekte Werkstattorientierte NC Programmierung Laboratorium fiir Werkzeugmaschinen und Betriebslehre der RWTH Aachen Am WZL entwickelte verteilte offene OSACA konforme NC Steuerung f r die f nfachsige Fr s und Laserbearbeitung Extensible Markup Language 1 Einleitung 1 1 Einleitung Introduction Numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen haben sich in der Produktion etabl
89. Form von Arbeitsschritten Featuren und Operationen zu programmieren Bild 3 1 Mitte Bezogen auf den Facharbeiter an der NC Maschine soll dieses System das Einfahren neuer Programme unterst tzen und korrigierende Eingriffe in laufende suboptimale oder instabile Prozesse erm glichen Dazu m ssen ihm die Bearbeitungsaufgabe die Prozessvorgaben die anstehende Programmumsetzung in der Steuerung als auch der aktuelle Verlauf des Bearbei tungsprozesses dargestellt werden Bei der Interaktion mit dem System soll er in Abh ngig keit von dem eigenem Prozessverst ndnis und seinen Befugnissen die M glichkeit haben Parameter auf der Basis des NC Programms oder in Form vordefinierter Steuerungsstrategien zu ndern Hierf r sind sowohl in der NC Programmierschnittstelle der Benutzungs oberfl che als auch im Kern der NC Steuerung Schnittstellen und Funktionen zu entwickeln Ein weiteres Ziel ist es Optimierungen und Korrekturen im laufenden Prozess zu erfassen und f r eine Folgebearbeitung vorzuhalten Dazu muss der Werker die nderungen und deren Auswirkung parallel zur laufenden Bearbeitung als auch im Nachgang erkennen und nach vollziehen k nnen Die Ergebnisse eines Optimierungsprozesses sollen sich nach M glichkeit direkt in das NC Programm bertragen und in nachfolgenden Bearbeitungen nutzen lassen 34 3 Zielsetzung und Vorgehensweise Den Entwicklern von Algorithmen zur NC Programmumsetzung Prozess berwachungen und regelungen werde
90. ITY machining feature SUBTYPE OF two5D manufacturing feature depth elementary surface END ENTITY ENTITY profile feature SUBTYPE OF machining feature profile swept shape linear path END ENTITY ENTITY general outside profile SUBTYPE OF profile feature feature_boundary profile END ENTITY Ebenso k nnen einzelne Feature dialog basiert dem Werkst ck hinzugef gt werden Hier wird ein Au enprofil 18 mit einer Kontur 19 und seiner Lage zum Werkst ck 21 definiert Die Kontur wird hier in Form einzelner Segmente 28 29 mit B gen 30 oder Polylinien 34 beschrieben An dieser Stelle greifen die Vererbungsme chanismen des EXPRESS Schemas Das General_Outside_Profile erbt von den bergeordneten Elementen deren Attribute sr er STOP C tememtenp men SS aiai z D Snsistisn algizj J 21 pelea 8 al l elaj cwest 18 GENERAL_OUTSIDE_PROFILE Profil Feature 10 59 20 24 19 19 GENERAL_CLOSED_PROFILE 27 20 AXIS2_PLACEMENT_3D Position des Profils relativ zum Werkstiick 21 22 23 21 CARTESIAN_POINT Position des Profils relativ zum Werkst ck 40 0 90 0 30 0 22 DIRECTION z Richtung des Profils 0 0 0 0 1 0 23 DIRECTION x Richtung des Profils 1 0 0 0 0 0 24 ELEMENTARY_SURFACE Tiefe des Profils 25 VI Anhang 25 AXIS2_ PLACEMENT 3D Tiefe des Profils 26 22 23 26 CARTESIAN_POINT Tiefe des Profi
91. Integration of monitoring and control systems into the numerical control Wie bereits dargestellt haben offene Kommunikations und Entwicklungsschnittstellen zur NC Steuerung sowie die digitale Antriebstechnik die Realisierung von Uberwachungs und Regelungssystemen in den letzten Jahren vereinfacht Dariiber hinaus erlauben sie die direkte Integration der Systeme in die NC Steuerung und den Verzicht auf externe Sensorik Die Pro zessdaten lassen sich aus den digitalen Antriebsdaten auf der Basis der Leistungsaufnahme und dem damit korrelierenden Antriebsmoment rekonstruieren SERCO6a Die Integrations konzepte der verschiedenen Systeme reichen von externer Rechner und Sensorhardware NORDO4 ber Einsteckkarten ARTIOO bis hin zu vollst ndig softwarebasierten steue rungsintegrierten L sungen ohne zus tzliche externe Sensorik SCHLO3 Die Vorteile der Systemintegration liegen in dem schnelleren direkten Zugriff auf steuerungsinterne Werk zeug Maschinen und NC Programmdaten die SPS und Antriebssignale sowie die zu re gelnden Sollgr en Ferner l sst sich die Benutzerschnittstelle der NC Steuerung zur Daten eingabe und zur Visualisierung nutzen Dar ber hinaus ist eine funktionale Kopplung der Sys teme mit der Steuerung wichtig um die aus der berwachung resultierenden Aktionen auszu f hren und die prozessbestimmenden Bearbeitungsparameter zu regeln Externe Systeme Eine Vielzahl der industriell eingesetzten L sungen basie
92. NC Kern auf ei nem Industrie PC z B Beckhoff NC Andere Hersteller setzen zwei getrennte PCs ein z B Siemens Sinumerik 840D oder lassen den Kern auf einer in den Steuerungs PC integrierten Einsteckkarte mit eigenem Prozessor und Betriebssystem z B Bosch Rexroth MTX laufen In Abh ngigkeit von der gew hlten Konfiguration sind die Funktionsaufrufe und der Daten austausch auf dem gemeinsamen Arbeitsspeicher realisiert als so genanntes Shared Memory oder sie m ssen ber Schnittstellen wie Ethernet oder Profi Bus in Form von Nachrichten d h eigens erzeugten Datenpaketen bertragen werden Der letztgenannte Fall ist aufgrund von Datenkonvertierungen und der physikalischen bertragung langsamer In Abh ngigkeit von dem bertragungsprotokoll entstehen Verz gerungen von einer z B SERCOS Antriebs schnittstelle bis zu mehreren Millisekunden SPS SAUE04 Dieser Nachteil wird akzep tiert um die Teilsysteme wie die Benutzeroberfl che Programm und Geometrieverarbeitung SPS sowie die Antriebe dezentralisieren zu K nnen Ferner unterscheiden sich die NC Steuerungen im Aufbau und in der Funktion ihrer Software Auf der Basis moderner Programmiersprachen wie C oder C sind funktions und daten orientierte Steuerungsarchitekturen entstanden In den funktionsorientierten prozeduralen Systemen werden extern gesteuert Funktionen aufgerufen die die eingelesenen NC Pro grammanweisungen schrittweise weiterverarbeiten Dagegen generier
93. Part 11 Process data for milling Genf International Organisation for Standardi zation 2004 ISO 14649 Part 12 Industrial automation systems and integration Physical device control Data model for computerized numerical controllers Part 12 Process data for turning Genf International Organisation for Standardi zation 2005 ISO 6983 Numerical control of machines Program format and definition of address words Part 1 Data format for positioning line motion and contour ing control systems Genf International Organisation for Standardization 1982 First Edition 1992 Second Edition Kaever M Steuerungsintegrierte Fertigungsprozess berwachung bei spa nender Bearbeitung Dissertation RWTH Aachen 2004 Kahmen A Eine offene Integrationsplattform zur Prozess und Maschinen zustands berwachung in Numerischen Steuerungen Dissertation RWTH Aachen Aachen Shaker Verlag 2005 150 KENNO7 KIEFO5 KIENZ57 KINZL06 KLEI95 KLEMO3 KLEMO5 KLINO4 KLOC98 KLOC04 KOCH96 KOCH05 LAUSOI LANGO2 LANGOS LAYGOS5 MAIE74 MARC93 10 Literaturverzeichnis Kennedy B All together now STEP NC is a data rich language designed to overcome the current standard for defining the movement of machine tool axes In Cutting Tool Engineering Magazine No 7 Vol 59 2007 Kief H B NC CNC Handbuch 2005 2006 Hanser Verlag Miinchen 2005 Kienzle O Victor H Spezifische Schnittk
94. R und pimler k an der Werkzeugmaschine Verfahrwege G01 NC Programm intake et ie SE Beschr nkte Eingriffsm glichkeiten Manipulierte steuerungsinterne in den laufenden Bearbeitungsprozess Antriebs und Leistungsarameter Bild 2 1 Informationsverlust im Rahmen der NC Programmierung Oe es ee Se ee ee Information loss during NC programming Nach Eversheim l sst sich die NC Programmierung in die Prozessplanung Operationspla nung und die NC Programmgenerierung untergliedern EVER94 Obgleich alle diese Schrit te im Vorfeld der Bearbeitung und oftmals fern der numerisch gesteuerten Maschine in der Arbeitsvorbereitung ablaufen sind sie auch f r eine Prozess berwachung und regelung zur Programmlaufzeit wichtig da sie den steuerungstechnischen Bearbeitungsablauf vorgeben Nachfolgend werden daher die verschiedenen Verfahren zur NC Programmierung kurz darge stellt Im Anschluss wird aufgezeigt welche Informationen in den einzelnen Planungsschrit ten vorliegen mit welchem Verlust diese auf elementare Steuerungsbefehle reduziert werden und inwiefern dadurch die M glichkeiten zu Programm nderungen an der Maschine und im Prozess eingeschr nkt werden 2 1 1 Verfahren zur NC Programmierung Methods for NC programming Die Erstellung der Steuerinformationen ist seit der Entwicklung der ersten numerisch gesteu erten Werkzeugmaschine eine Schwachstelle der NC Technik HENN97 Ausgehend von Zeichnungen Maschinen und Werkzeugdaten s
95. S 90 95 Nordmann K Prozess berwachung beim Schleifen und Abrichten In Schleifen amp Polieren 2004 Nr 5 S 52 56 Open Mind hyperMill hyperCAD Zukunftsweisende CAD CAM L sung Unterf hring 2004 Firmenschrift ESPRIT project 8643 OPTIMAL Optimised Preparation of Manufacturing Information with Multi Level CAM CNC Coupling Final Report Br ssel Europ ische Kommission 1997 N N OSACA Handbook 2 0 In OSACA e V Hrsg Eigendruck des OSACA e V Stuttgart 2000 Parasuraman R Sheridan T B Wickens C D A Model for Types and Levels of Human Interaction with Automation In IEEE Transactions on Systems Man and Cybernetics Part A Vol 30 2000 S 286 297 Pfeiffer T Schmitt R et al Autonome Produktionszellen Komplexe Produktionsprozesse flexibel automatisieren Springer Berlin 2006 152 PRIT93 PRITO3 PROD97 PROMOO PROMO06 REHS98 REIMO4 RIEG94 ROMMO4 SAUE04 SAURO3 SCHE94 SCHI95 SCHIO5 SCHL95 SCHLO3 SCHUO00 SCHLO2 10 Literaturverzeichnis Pritschow G Open system controllers a challenge for the future of the machine tool industry Anals of the CIRP Vol 42 1 1993 S 449 452 Pritschow G Weck M Bauer G Kahmen A Wild M Offene echtzeit f hige Steuerungsarchitektur OCEAN Open Controller Enabled by an Ad vaced Real Time Network In wt Werkstattstechnik online Jg 93 2003 Nr 5 S 374 378 N N NC Steuerunge
96. Steuerung die sich an den Elementen und dem Aufbau der Programmierschnittstelle orientie ren muss auch in der Benutzerschnittstelle diese Systematik und die darauf aufbauende Of fenheit beibehalten werden Die Funktionsstrukturen und der Datenfluss des HMI orientieren sich daher an dem Aufbau und dem Inhalt des NC Programms In seinen Datenelementen ist 110 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation die Bearbeitungsaufgabe schrittweise von der Planung bis zur optimierten Steuerungsan weisung detailliert 7 1 4 1 Konsistente durchg ngig verf gbare NC Programmverwaltung Consistent universal NC program management In konventionellen HMI liest jede Applikation das NC Programm individuell ein Dies ist jedoch nur m glich wenn das Programm in der NC Steuerung abgew hlt ist und keine ande ren Anwendungen darauf zugreifen Folglich ist ein paralleler Zugriff auf die Programmdaten nicht m glich Die verschiedenen Anwendungen zur Programmerstellung optimierung und bearbeitungsparallelen Programmkorrektur k nnen nicht zeitgleich interagieren nderungen werden nicht unmittelbar von allen in das HMI und den NC Kern integrierten Anwendungen auf Fehler und ihre Umsetzbarkeit hin berpr ft in die laufende Bearbeitung bernommen und grafisch zur Anzeige gebracht Zudem arbeiten viele der Programmiersysteme auf der Basis eigener Datenstrukturen und generieren erst ber einen Postprozessor das NC Pro gramm Dabei gehen ber
97. Steuerungsintegrierte adaptive Programmausfuhrung einer aufgabenorientierten Programmierung in STEP NC Von der Fakult t f r Maschinenwesen der Rheinisch Westfalischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines ON OPS EIERN SS EN Sch Ten genehmigte Dissertation vorgelegt von Diplom Ingenieur Jochen Wolf aus Bergheim Erft Berichter Universitatsprofessor Dr Ing Christian Brecher Universitatsprofessor em Dr Ing Dr Ing E h Dr Ing E h Manfred Weck Tag der m ndlichen Pr fung 9 M rz 2009 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verf gbar ERGEBNISSE AUS DER PRODUKTIONSTECHNIK Jochen Wolf Steuerungsintegrierte adaptive Programm ausf hrung einer aufgabenorientierten Program mierung in STEP NC Herausgeber Prof Dr Ing Dr Ing E h F Klocke Prof Dr Ing Dipl Wirtlng G Schuh Prof Dr Ing C Brecher Prof Dr Ing R Schmitt Band 2 2009 WEL RWNTHAACHEN Institut Produktionstechnologie Fraunhofer Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek ber http dnb ddb de abrufbar Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen ationalbibliografie detaillierte bibliografische Daten sind im Internet Autor Jochen Wolf Steuerungsintegrierte adaptive Programmausf hrung einer aufgabenor
98. Systems spricht man von rege nerativem Rattern Neben den Oberfl chenfehlern k nnen die resultierenden Kr fte zu Sch den am Werkst ck Werkzeug und der Maschine f hren WECK77 Im Prozess l sst sich das 2 Stand der Technik 27 Rattern ber die Spanungsparameter regeln In Bild 2 12 ist fiir einen Fr sprozess die soge nannte Stabilit tskarte dargestellt die in Abh ngigkeit von Material Werkzeug Maschine und den Parametern Schneidenzahl Drehzahl und Schnittbreite stabile und aufgrund von Rat tern instabile Bereiche ausweist instabile Parameter Rattergefahr n stabil 8 Rattern Grenzspanungstiefe a mm a stabil Niit M 5 N m 1 Ngrenz i A E Drehzahl n Schneidenzahl z 1 min Schnitttiefe Le Mode m je Schneide aufgeschnittene Wellen eae bliche Drehoperationen m gt 5 Eingriffsbreite a bliche Fr soperationen m lt 5 Bild 2 12 Rattermarken und Stabilit tskarte f r einen Fr sprozess Chatter marks and stability chart for a milling process Adaptive Drehzahlregelung Ausgehend von den Stabilit tskarten schl gt Tlusty als Regelparameter gegen das regenerati ve Rattern die Spindeldrehzahl n vor ber einen K rperschallsensor detektiert er das Rattern und variiert die Drehzahl um den Prozess zu stabilisieren TLUS92 In der Industrie haben sich derartige Systeme f r die Dreh Fr s und Bohrbearbeitung bislang nicht durchgesetzt M gliche Gr nd
99. T 1 n open_boundary ABS open_profile wall_boundary ABS Replicate_feature Linear_profile vee_profile tee_profile circular_pattern rectangular_pattern General_pattern IV 11 2 Anhang Beispielhafte Erstellung eines ISO 14649 NC Programms Example of how to generate an ISO 14649 NC program Gleichwohl in der Praxis STEP NC Programme nicht h ndisches gelesen oder editiert werden sollten ist nachfolgend zum besseren Verst ndnis ein Programm abgebildet mit Erl uterun gen zu den verwendeten Datenelementen und dem kodierten Inhalt SFP for STEP NC Beispiel Kontur stp ioj xj Datei Bearbeiten Ansicht Fenster 2 18 x BD Simulation JE Nc st 5 e IR oh F T u E Schaftfr ser 5 x solic 0 PS its_id Schaftfr ser g al jal ol o al 2 2 lolel 2 Fl atte ot S its_tool_body endmill ei a A ye N N 4 dimension milling_tool_dimension Be in wate 3 number_of_teeth 4 Be x s Pr hand_of_cut right NN coolant_through_tool False a z Fe Pa er Mc pilot_length 120 I At N a g pA its_cutting_edge 1 Elements Nghe Y4 A pe overall_assembly_length 145 4 Pt J Ee BE i n ha 9 fi _7 direction_for_spindle_orientation direction N aT A tool_holder_diameter_for_spindle_orientation i s 2 y A a f aN Y N pes Y AZ gt x Workingstep Geometry Tools 15014640 Bil
100. T_3D Sicherheitsebene des Arbeitsschritts 58 22 23 58 CARTESIAN_POINT Sicherheitsebene des Arbeitsschritts 0 0 0 0 30 0 59 BOTTOM_AND_SIDE_ROUGH_MILLING Schruppoperation Die Operation 59 wird durch eine Vielzahl ENTITY operation its toolpath OPTIONAL toolpath list von Parametern beschrieben Insbesondere its_tool_direction OPTIONAL tool_dir geh ren hierzu die Strategie 60 Technolo END ENTITY gie 65 Maschinenfunktionen 68 sowie das ne Werkzeug 61 ENTITY machining operation SUBTYPE OF operation its id identifier retract plane length measure f 3 start T Gert ona Die Elemente Ext_Milling Technology 65 cartesian_point und Ext_Adaptive_Control 66 wurden von its tool machining tool en x its technology technology den standardisierten Elementen Mil its_machine_functions ling_Technology und Adaptive_Control ab machine_functions pape END ENTITY geleitet Sie enthalten zus tzliche Grenzwerte f r die realisierten Demoszenarien 59 BOTTOM_AND_SIDE_ROUGH_MILLING Schruppoperation 20 0 6 1 65 68 25 0 60 25 0 7 0 0 75 1 25 60 CONTOUR_PARALLEL 5 0 F CW CONVENTIONAL 65 EXT_MILLING_TECHNOLOGY TCP 3 34 5000 0 0 50 F F F 66 Grenzen ae 2 00 12 0 Grenzen S 1000 0 5000 0 Grenzen f 0 05 0 75 66 EXT_ADAPTIVE_CONTROL zulassige Bandbreite Spindelstrom in 0 5 0 5 68 MILLING_MACHINE_FUNCTIONS F 80 0
101. Weg Schalt und Technologiefunktionen Die hochwertigen Informationen der Teilsysteme werden nicht in das NC Programm bertragen und stehen dem Werker an der Maschine aufgrund einer fehlenden Integration der CAD CAM Module in die Benutzeroberfl che der NC nicht zur Verf gung Programm nderungen an der Maschine oder Manipulationen im Prozess sind auf die NC Befehle begrenzt Aus der Sicht der Anwender sind Postprozessoren teure wartungs und pflegeintensive Sys teme Die Anwender fordern daher eine Vereinheitlichung der Funktionen und versprechen sich davon eine vereinfachte kosteng nstige L sung in der Planungs und NC Programm daten beliebig zwischen CAM und NC Steuerung austauschbar sind und in der nderungen durchg ngig vom CAD bis zur NC nachgehalten werden STEP99 WEYROO DEITO4 10 2 Stand der Technik allgemeine Angaben technologische Angaben geometrische Angaben Eingangs Werkst cknummer Werkstoff geometrische Elemente Informationen Angaben zur Maschine Werkzeuge Konturbeschreibungen tes Operationen ERA Benutzer textuelle Eingabe schnittstelle grafisch interaktive Eingabe u Alternative 1 Alternative 2 Alternative 3 Alternative 4 w bj a E 5 Teileprogramm maschinenneutrales Dl i
102. al Reality in der NC Program mierung In wt Werkstatttechnik online 2000 Nr 7 8 S 297 301 T nshoff H K Storr A Selle J Heusinger S Pr ventive Fehler kompensation beim Schlichtfr sen Technologie und steuerungsbasierte Fehlerkorrektur In wt Werkstattechnik online 2001 Nr 7 S 398 403 Vanja S Durchg ngige Produktmodellierung mit Features In CAD CAM Report 1998 Nr 3 VDI Richtlinie 2218 Feature Technologie Beuth Verlag Berlin 1999 Richtlinie VDI VDE 3426 1975 Numerisch gesteuerte Arbeitsmaschinen Adaptive Control an spanenden Werkzeugmaschinen Gesellschaft Me und Regelungstechnik GMR N N Dienstleistungen rund um die Werkzeugmaschine In VDI Z 146 Nr 9 2004 S 29 Reinhart G u a Werkzeugmaschine 2010 Voruntersuchung zum Thema Werkzeugmaschine 2010 Studie des VDW WGBP Karlsruhe 2002 VDW Deutsche Werkzeugmaschinen Zahlen und Fakten URL www vdw de Stand Dezember 2004 Vitr M Steuerungstechnik ab 1962 In Eversheim W Pfeiffer T Weck M Hrsg 100 Jahre Produktionstechnik Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen von 1906 bis 2006 Berlin Springer 2006 S 315 351 Versch A Lange D High Speed Cutting fest im Griff In Fertigung 8 9 2004 S 95 97 Weck M Teipel K Dynamisches Verhalten spanender Werkzeugmaschi nen Einflussgr en Beurteilungsverfahren Messtechnik Springer Berlin 1977 Weck M et al Die offe
103. ammaufl sung und Bahngenerierung Zudem erlaubt er die Migration von konventionellen befehlsorientierten Steuerungen hin zu autonomen Systemen Die entwickelte L sung erlaubt erstmals den durchg ngigen Einsatz des NC Programms von der Planung bis in die NC Steuerung Anwendungsspezifische Zwischenformate wie APT CL DATA oder G Code in denen jeweils die h herwertigen strukturierenden Kontextinfor mationen der vorangegangenen Anwendungen verloren gehen sind nicht mehr erforderlich An der Maschine kann jederzeit auf eine f r den Werker verst ndliche Aufgaben Geometrie und Operationsbeschreibung zur ckgegriffen werden Die aus der Planung durchg ngig ver 140 9 Zusammenfassung und Ausblick f gbaren Informationen erm glichen zudem eine umfangreiche Unterst tzung an der Maschi ne so dass Programme schnell und sicher erstellt simuliert und korrigiert werden k nnen Die Austauschbarkeit der Programme und die Vorteile f r den Anwender wurden mithilfe der vorgestellten Prototypen erfolgreich demonstriert und mit Industriepartnern evaluiert Entgegen den vorherigen Ans tzen wurden die Datenmodelle und das Format der NC Pro grammierschnittstelle im Rahmen dieser Arbeit vollst ndig konform zu der STEP Normen reihe ISO 10303 aufgebaut Bestehende Definitionen zur Abbildung der Konstruktionsgeo metrie und der Bearbeitungsmerkmale wurden aus den STEP Applikationsprotokollen AP 209 214 und 224 bernommen Das war die Grundlage um di
104. an den Signalschnittstellen der Steuerung einzugreifen Diese L sung kompensiert die durch Rechen und Kommunikationszeiten verursachten Totzeitelemente der NC Steuerung bis dass vom Interpreter neu umgesetzte NC Workingsteps mit adaptierten Schalt signalen und Verfahrwegen vorliegen 6 1 NC Workingsteps zur steuerungsinternen Programmverarbeitung NC workingsteps for NC internal processing of the NC program data Die elementaren an den Funktionen der Maschine orientierten Weg und Schaltbefehle der DIN 66025 entsprechen nicht dem aufgabenorientierten Prozessverst ndnis des Anwenders Sie sind f r ihn schwer nachzuvollziehen Aufgrund der Ausf hrungsgeschwindigkeit kann er sie in der laufenden Bearbeitung nicht gezielt manipulieren Einzelne Prozessparameter wie die Bahngeschwindigkeit oder die Spindeldrehzahl lassen sich daher nur satz bergreifend mithilfe der Override regeln Ein gezielter aufgaben und technologieorientierter Eingriff in einzelne NC S tze ist zur Laufzeit nicht m glich Diese Einschr nkungen werden konzeptionell aufgehoben indem w hrend der Programmver arbeitung die Vorgaben technologie und aufgabenorientiert in gr eren zusammenh ngen den Einheiten zusammengefasst werden Dazu bildet die Steuerung die Informationen aus der entwickelten NC Programmierschnittstelle in Form von Datenobjekten auf interne Arbeits schritte ab Diese als NC Workingsteps bezeichneten Objekte enthalten die urspr nglichen Programmi
105. analyse durch den Entwickler frei er weitern lassen Der Schnittstellenserver wird dazu den OSACA Ansatz einer namensbasierten Zuordnung zwischen Server und Klienten Variablen angelehnt Jedoch wird der starre Sys temhochlauf von OSACA nicht bernommen der vorgibt dass zuerst die Servervariablen angelegt sein m ssen bevor die Klienten Variablen initialisiert und verkn pft werden k n nen Das entwickelte Konzept sieht vor dass sowohl die Server als auch die Klienten Variablen als eigenst ndige Objekte im Schnittstellenserver registriert werden Erst zur Lauf zeit werden die Schnittstellenobjekte mit den passenden Gegenstellen verbunden Auf diese Weise kann eine Verbindung jederzeit neu Konfiguriert getrennt oder mit einem nachtr glich bereitgestellten Serverobjekt verbunden werden Nicht verbundene Klienten werden in der Systemoberfl che als Warnung angezeigt Mit diesem Ansatz ist die Anforderung erf llt dass sich Funktionsmodule und deren Schnittstellen dynamisch laden und entladen lassen Der schnellste Datenaustausch w re ber den direkten Zugriff auf einen gemeinsamen Spei cherbereich m glich Da jedoch im HMI mehrere voneinander unabh ngig implementierte Module integriert sind kann es beim parallelen Speicherzugriff zu Kollisionen kommen Zu dem ist gefordert dass das Gesamtkonzept auf verteilte Systeme anwendbar ist d h Variab len m ssen sich speicher bergreifend austauschen lassen Dazu bildet der Schnittstellenserv
106. anbieten Diese L sung l sst sich direkt auf die in Kapitel 5 1 entwickelte NC Programmierschnittstelle mit ihren Ar beitspl nen Workplan NC Funktionen NC Function und Arbeitsschritten Wor kingstep bertragen Migrationskonzept von Befehlen ber Zyklen hin zu Aufgabenbeschreibungen Die geforderte Erweiterbarkeit der NC Programmschnittstelle um neue Elemente erfolgt ge nerisch auf der Basis der in Kapitel 5 1 beschriebenen EXPRESS Beschreibungsdatei und der daraus zu kompilierenden Bibliothek Eine syntaktische nderung z B DIN 66025 Code bedingt dagegen zus tzlich eine neue Parserschnittstelle die jedoch den Kern d h die objekt orientierte in EXPRESS vormodellierte und mit dem Interpreter interagierende Datenstruktur weiter nutzt indem sie nur die aus einem anderen Format einzulesenden NC Programmdaten hierauf abbildet Bezogen auf den NC Code nach DIN 66025 wird dieser in EXPRESS als Subset aus einfachen Weg und Schaltelementen modelliert und kann parallel mit dem um fangreichen ISO 14649 Datenmodell verwaltet werden Dieser Ansatz erlaubt es die Pro grammierschnittstelle und damit den Parser nicht nur um individuelle Steuerungscodes zu erweitern sondern das Programmformat vollst ndig zu ersetzen Eine Migration von der heu te verbreiteten DIN Programmierung ber herstellerspezifische NC Zyklen hin zu der im Rahmen dieser Arbeit mitentwickelten ISO 14649 ist m glich Das entwickelte Datenmodell der ISO
107. and operating system Das HMI ist in der Regel auf einem eigenst ndigen vom Steuerungskern getrennten PC basierten Rechner installiert Ausgehend von seinem standardisierten Betriebssystem Einga behilfen wie Tastatur Maus und Softkeys und den Schnittstellen zum NC Kern bietet sich der HMI Rechner zur Installation eigener Applikationen an Hierzu geh ren NC Program miersysteme Simulationen Datenbanken zur Werkzeugverwaltung oder die Parameter und Prozessvisualisierung Konzepte f r eine hardware und betriebssystemunabh ngige Benutzeroberfl che in die mo dular Funktionen integriert werden k nnen wurden unter anderem von Wenk vorgestellt Er hat eine Java basierte Oberfl che entwickelt die mithilfe einer Virtual Machine auf verschie denen Hardware und Betriebssystemen installiert und in einem Webbrowser aufgerufen wer den kann WENKO06 Sein Konzept geht von der konventionellen Anforderung aus dass ber die Oberfl che keine zeitkritischen Ein und Ausgaben realisiert werden m ssen Folglich m ssen sich das Java HMI und seine Verbindung zum Steuerungskern nicht deterministisch verhalten Als Grundsystem zur Integration von berwachungs und Regelsystemen mit har tem Echtzeitverhalten ist dieser Ansatz daher nicht geeignet Wie bereits dargestellt sind die Benutzeroberfl chen mehrheitlich auf Industrie PCs mit Win dows Betriebssystemen installiert In Ausnahmen wird beispielsweise Linux als offenes Be triebssystem einges
108. ans kann der Werker den Bearbeitungsfort schritt verfolgen Die einzelnen Regler Dialoge und berwachungsfenster werden zwischen den Arbeitsschritten deaktiviert operationsgerecht gewechselt und wieder aktiviert Hierzu bieten sich die Zeiten an w hrend denen das Werkzeug nicht im Eingriff ist d h positioniert oder gewechselt wird SFP for STEP NC Tasche stp lalx Datei Bearbeiten Ansicht Fenster 8 x z Regler wird mit der NC und AE dem Bedienpult abgeglichen 1 Aufspannung id Arbeitsplan 1 Aufspannung h y E its_elements 1 Elements ij Grenzwerte werden aus dem NC Programm ausgelesen SH UL Arbeitsschritt Tasche fr sen its_id Arbeitsschritt Tasche fr sen er Spezifische Eingriffsfunktion 2 Stopet wird mit dem Arbeitsschritt geladen und aktiviert berwachungsfunktion mit operationsspezifischen Eingriffsgrenzen Bild 7 10 Aktivieren der Prozess berwachung und regelung in Abh ngigkeit der Operation Activating the process monitoring and control based on the active operation Bei schnell aufeinander folgenden Arbeitsschritten muss die Benutzeroberfl che dem Werker die Uberwachungs und Eingriffsfunktionen fr hzeitig bereitstellen Anderenfalls kann er 122 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation zum einen nicht im voraus Parameter korrigieren und er findet die einzelnen Regler Ansich ten und Dialogelemente nicht
109. ansatz sind Identifier d h eindeutige Zahlenschl ssel mit denen der Zu sammenhang zwischen den urspr nglichen bergeordneten und den modulspezifisch verein fachten NC Workingsteps hergestellt wird Ausgehend von diesen Identifiern kommunizieren die NC Workingstepobjekte sp ter untereinander um ihren Abarbeitungszustand nderun gen oder Unterbrechungen bidirektional auszutauschen Der Kommunikationsaufwand wird dadurch auf den Identifier sowie die Nachricht ber die ge nderten Daten reduziert Puffer zur synchronen Kommunikation der NC Workingsteps Werden die NC Workingsteps zentral f r alle Steuerungsmodule in einem gemeinsam genutz ten Speicherbereich verwaltet l sst sich die Abfolge der an ihnen auszuf hrenden Verarbei tungsroutinen ber ihre Zust nde und die Logik der einzelnen Module koordinieren Nach dem Abschluss einer Routine wird der Zugriff d h der Zeiger auf ein NC Workingstepobjekt an das jeweilige Steuerungsmodul zur ckgegeben Dieses pr ft anhand des Zustands des NC Workingsteps ob die letzte Funktion erfolgreich war und bergibt das Objekt zur weiteren Verarbeitung an die n chste Routine seiner Funktionsliste oder die des nachfolgenden Steue rungsmoduls 82 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Sind die Module durch separate Datenspeicher voneinander getrennt bzw tauschen sie Nach richten untereinander aus so muss die Kommunikationsplattform die Reihenfolge ihrer Abar beitung koordini
110. apitel 7 1 4 2 beschriebene Programmverwaltung und Synchronisationsmecha nismen automatisch aktualisiert Dieser Ansatz stellt sicher dass alle in die Benutzer oberfl che integrierten Funktionen simultan aktiviert werden Die Aufgabenstellung den Werker umfassend bei der Programmerstellung berpr fung und optimierung zu unterst t zen wird erf llt Verfolgung der laufenden Bearbeitung Bezogen auf die Abarbeitung in der NC Steuerung ist einer der wesentlichen Vorteile des entwickelten Datenmodells dass die Fortschrittsverfolgung nicht mehr auf die textbasierte Anzeige elementarer Steuerungsanweisungen in der Benutzungsoberfl che beschr nkt ist Stattdessen lassen sich dem Werker technologische Zusammenh nge f r ihn verst ndlich grafisch und dialoggef hrt darstellen Insbesondere bei einer durch die Bauteilgr e Sp ne oder K hlschmierstoffe eingeschr nkten Sicht auf die Bearbeitungsstelle hilft es dem Werker wenn ihm das aktuell zu bearbeitende Merkmal und die Werkzeugbewegung parallel zur Be arbeitung oder im Vorlauf angezeigt werden Zur Umsetzung dieser Anforderung bietet es sich an die zuvor beschriebene Simulation mit dem realen Prozess sowie den im Vorlauf der Programmverarbeitung gespeicherten NC Workingsteps abzugleichen Hierzu meldet die NC Steuerung den aktuell in Bearbeitung be findlichen Arbeitsschritt an die Benutzeroberfl che Da beide Teilsysteme auf das gleiche NC Programm zugreifen ermittelt die Program
111. ar scalable software architecture Aus der Sicht des Anwenders besteht das Gesamtkonzept aus drei Subsystemen der Benut zerschnittstelle der NC Steuerung und zus tzlichen berwachungs und Regelsystemen Alle Funktionen zur Unterst tzung des Anwenders zur autonomen Aufl sung der Bearbei tungsaufgabe zur Prozess berwachung oder zur Prozessregelung werden in diese drei Syste me integriert vgl Bild 5 2 Aufgrund der vielf ltigen Technologien Maschinenfunktionen und der Forderung spezifi sches Prozesswissen in das Gesamtsystem integrieren zu k nnen bietet sich zur Umsetzung der dargestellten Eingriffsmethoden kein in sich abgeschlossenes vom Steuerungshersteller allein bereitzustellendes System an Stattdessen ist ein Grundsystem vorzusehen in das die prozess und anwenderspezifischen Algorithmen zur Abarbeitung Verfolgung und Manipula tion der Arbeitsschritte modular integriert werden k nnen Um Basisfunktionen nicht redun dant entwickeln zu m ssen werden in den Grundsystemen der Benutzerschnittstelle und der NC Steuerung alle steuerungsspezifischen Grundfunktionen und Sicherheitsroutinen vom Steuerungshersteller bereitgestellt Hierzu z hlen beispielsweise die Verriegelung von Funk tionen in Abh ngigkeit vom aktuellen Steuerungsmodus der Zugriff auf das NC Programm die Umsetzung einfacher Programmvorgaben die Geometriekette zur Berechnung der Achs bewegungen oder die Kopplung mit der SPS und den Antrieben Darauf aufbauen
112. asis des NC Programms 56 5 3 2 Durchg ngige Systemerweiterung ber die NC Programmierschnittstelle 57 5 3 3 Aufgaben und merkmalsorientierte Erweiterung der Funktionsmodule 58 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung ssrscssssessssessossennsssennssnenne 61 6 1 NC Workingsteps zur steuerungsinternen Programmverarbeitung uor nenne 63 6 1 1 Verkn pfte interaktive NC Workingsteps 220222suesssseessnsensennenssnnnsnnnannnn 63 6 1 2 Ablauf Aufgaben und Funktionsbeschreibung rsr sense 66 6 1 3 Softwaretechnisches Konzept sans ken 67 6 2 Modular erweiterbare Programminterpretation eesessssessssenssnnenssnnennnnnennennennnn nn 71 6 2 1 Einlesen des NC Programms und Zugriff auf dessen Daten 12 6 2 2 Abbilden des NC Programms auf NC Workingsteps c ccseceeeeeeeeeeeeeeees 74 6 2 3 Zeitoptimierung durch parallele Vorverarbeitung eee ee eee eeeeceeeeeeeeeeeeees T11 ii 6 2 4 Fortschrittsteuerung auf Basis der NC Workingsteps u0nn 79 6 3 Steuerungsinterne Kommunikation der NC Workingsteps u sersnersnnesnneennnerneen nen 79 6 3 1 Kommunikationskonzeplen esse 79 6 3 2 Nachf hren des Bearbeitungsfortschritts 22200244002200r sense snnennnnen nennen 82 6 3 3 Schnittstellen zur Kommunikation von Eingriffen 0 22s0n rennen 83 6 4 Weg und
113. asymptotic toolpaths which s distance can be varied in order to adapt the process by changing the toolpaths overlapping Die asymptotischen Bahnen werden nicht als statische Bahn Workingsteps gespeichert Sie werden runden und ebenenweise in Sub Workingsteps strukturiert und erhalten Zugriff auf das Voronoi Diagramm sowie die ihnen benachbarten Asymptoten Ferner werden zu den generierten Linearbewegungen und Kreisbogen Richtungsvektoren ausgegeben in die das Werkzeug axial zugestellt werden kann Diese f r eine schnelle Regelung an den Sollwert schnittstellen erforderlichen Zusatzinformationen werden von den nachfolgenden Modulen des NC Kern auf das WZL NC interne Spline Format bertragen und entsprechend der Ma schinenkinematik transformiert Sie dienen sp ter zur linearen Schnitttiefenkorrektur an den Sollwertschnittstellen und berbr cken die Kommunikations und Rechenzeiten zwischen dem Interpreter und dem Interpolator Die einzelnen Runden NC Workingsteps bernehmen aus der vorherigen Runde die Endposi tion und generieren selbstst ndig Sub Workingsteps um Verbindungsbewegungen ber die Sicherheitsebene oder tangential in der Bearbeitung zu generieren Nach einem Eingriff wer den die bestehenden Bahnen parallel um den Korrekturwert verschoben und an den Bisekto ren getrimmt Fehlende Bahnen werden in den Ebenen erkannt und erg nzt Zudem sind die Ebenen NC Woringsteps so aufgebaut dass sie ihre Bahnaufl sung von einem extern v
114. ationen an den Knoten oder aber eine Liste in der die Knoten den NC Programmelementen zugeordnet werden erlaubt die bidirektionale Interaktion mit der grafi schen Darstellung Meldet die Programmverwaltung die Bearbeitung an einem spezifischen Merkmal so wird dieses einem Knoten zugeordnet und die damit verbundenen Geometrien werden optisch hervorgehoben In der Gegenrichtung selektiert der Werker ber die Maus ein Merkmal und w hlt f r dieses Merkmal gezielt eine der MMI Funktionen zur NC Program mierung Prozess berwachung oder manipulation auf Dies w re ber die Wegsegmente des G Code und deren fehlendem Bezug zur Fertigungsgeometrie nicht m glich 7 2 3 Prozess berwachung und regelung Process monitoring and control Indem die NC Steuerung den aktuellen Arbeitsschritt in der NC Programmverwaltung ber ein Statusbit markiert oder aber als Datenobjekt direkt an die Benutzeroberfl che meldet be steht dort die M glichkeit die Anzeigen Dialoge und Funktionen Kontextabh ngig zu schal ten Innerhalb des Konzepts wird dieser Mechanismus genutzt um gezielt Regler zu aktivie ren und deaktivieren Programmierdialoge oder Teile davon zu sperren oder ber wachungsfunktionen aufzurufen und zu parametrieren Ausgehend von der vollst ndigen Aufgabenbeschreibung werden die Eingriffs und ber wachungsfunktionen gezielt f r einzelne Arbeitsschritte und Teiloperationen aktiviert In ei ner Baum oder Listendarstellung des Arbeitspl
115. att sie ana log zu heutigen Steuerungsarchitekturen als funktionsorientierte Module zu implementieren Nach dem Abschluss einer Methode wechselt das Objekt seinen Zustand um die n chsten Methoden zum Aufruf freizugeben und die Einhaltung der Umsetzungsabfolge sicherzustel len Der Vorteil dieses Konzeptes liegt darin dass die Objekte neben den urspr nglichen Pro grammvorgaben auch die Zwischenergebnisse sowie den Abarbeitungsstand verwalten Bei einer St rung oder einem externen Eingriff wird dieser Zustand ausgewertet und wenn es der Abarbeitungsstand zul sst zur ckgesetzt Die vorherigen Umsetzungsmethoden werden er neut aufgerufen und bernehmen die adaptierten Parameter In Bild 6 7 sind die Methodenaufrufe und deren Abfolge exemplarisch dargestellt In einem ersten Schritt wird im NC Programm die Aufgabe eine Tasche auszufr sen erkannt Darauf hin wird das NC Workingstepobjekt NC_PocketMachining instanziiert indem sein Konstruktor NC_PocketMachining aufgerufen wird Dieser l st selbstst ndig oder ge triggert durch die Steuerungsmodule das Laden Pr fen und Aufl sen der NC Pro grammdaten aus Um das Aufl sen des Workingsteps gezielt zu steuern und die spezialisier ten Algorithmen gem den Anforderungen zu Kapseln bieten sich private in UML Dar stellung durch einen Schl ssel symbolisierte Objektmethoden an Dar ber hinaus stellt das Objekt gezielt Funktionen zum Prozesseingriff berei
116. atum bzw Wegsegment um zus tzliche technologische und ablauforganisatorische Informationen Diese werden von der Ablaufsteuerung sowie der Geometriekette zeit und wegsynchron wei terverarbeitet Die I O Schnittstellen der Interpolator oder die Achsregelschnittstellen werten die Zusatzdaten aus und kontrollieren dar ber ob und wenn ja welche der Eingriffsfunktionen zur Anwendung kommen In der Benutzeroberfl che und der Steuerungstafel werden parallel die Anzeigen Schalter und Override in Abh ngigkeit von den anstehenden Operationen vor belegt vgl Kapitel 7 1 2 Dieser Ansatz erlaubt es dem Facharbeiter oder einer Regelung gezielt Zustell oder Schnittbewegungen abzubremsen w hrend beispielsweise Bewegungen ohne Werkzeugeingriff unver ndert oder beschleunigt ausgef hrt werden Indem die erweiterten Override f r Vorschub oder Drehzahl gezielt auf technologisch zu sammengeh rige Segmente angewandt werden kann die Steuerung im Fall der Fr sbearbei tung anstelle einer prozentualen nderung direkt den programmierten Bahnvorschub vs den Vorschub pro Zahn f oder die Schnittgeschwindigkeit v auswerten und zur Anzeige bringen Der Anwender greift nicht mehr nur relativ in einen Zahlenwert ein sondern kann in den 96 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung technologisch relevanten Gr en denken und regeln Zus tzlich berpr ft und begrenzt die Steuerung die Vorgaben F r die Drehzahl gilt dass sie w hrend eines Werk
117. auf indirekte Steuerungs und Maschinenparameter zugreifen wie z B die Spindeldrehzahl anstelle direkt die ihm aus der Planung bekannten technologischen Parameter zu korrigieren d h in diesem Beispiel die Schnittgeschwindigkeit L sen l sst sich der Konflikt indem nderungen an den Sollwerten direkt an die NC Workingsteps zur ckgemeldet oder von diesen durch eine kontinuierliche berwachung er kannt werden Dabei wird der bisherige Ansatz umgekehrt nach dem die Eingriffe von der allgemeinen bergeordneten Aufgaben oder Operationsbeschreibung hin zur elementaren Weg und Schaltfunktion weitergeleitet werden Beibehalten wird dagegen der interaktive Abgleich zwischen den einzelnen NC Workingsteps Letztlich k nnen die Sollwerte als ele mentarste Einheit der in der Steuerung gespeicherten Sub Workingsteplisten verstanden wer den Als solche bilden sie nur noch einen einzelnen steuerungstechnisch ausf hrbaren Wert ab Von anderen Sollwerten h ngen sie aufgrund ihrer Reihenfolge ab ber die ihre zeit und wegsynchrone Ausf hrung gesteuert wird Einen Eingriff in die Sollwerte erkennen die bergeordneten NC Workingsteps oder parallel zu den Sollwertschnittstellen arbeitende Eingriffsfunktionen Sie werten den Eingriff aus pr fen seine Anwendbarkeit und leiten die Manipulation weiter Mit dem Ziel schnell reagie ren zu k nnen bietet es sich an das Weiterleiten in zwei Ebenen auszuf hren Die erste Ebe ne greift unmittelbar au
118. bearbeitungsparallelen Prozesseingriff wer den im Benutzungssystem der NC Steuerung realisiert Dieses besteht aus einem mit dem 102 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation Kern der NC Steuerung gekoppelten Grundsystem Kapitel 7 1 das dem Entwickler Basis funktionen anbietet und in das er seine spezialisierten Anzeigen Dialoge und Funktionen in tegrieren kann Kapitel 7 2 7 1 Grundsystem f r einen modularen Aufbau Core system for a modular software design Analog zu dem beschriebenen Steuerungsaufbau wird auch das Benutzungssystem ausgehend von der aufgaben geometrie und operationsorientierten NC Programmierschnittstelle ent wickelt Anforderungskonform ist das System offen erweiterbar um zu jedem NC Programm element standardisierte oder spezialisierte Oberfl chen in die Funktionsbereiche der Mensch Maschine Schnittstelle HMI Human Machine Interface zu integrieren Schnittstellen zum NC Kern stellen sicher dass die Benutzerfunktionen mit den dort implementierten Fort schrittsmeldungen und Eingriffsfunktionen interagieren In Bild 7 2 ist ein m glicher Aufbau eines solchen Benutzungssystems dargestellt 7 i ste its Spez ch n X Weit BE i g e ng a zu NC Program Po i au Kollisions er i B e Mierung betrachtung ng 2 I NC Bedienung ne Prozes berwachung interaktio ee on E I i teuerung
119. bei tungsprozess eingreifen Zu den Eingriffsebenen geh ren beispielsweise die Arbeitsschrittrei henfolge Strategien einzusetzende Werkzeuge Technologieparameter und eine schnelle Regelung vorausgesetzt die final auszuf hrenden Wegsegmente und Schaltanweisungen 64 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Die informationstechnische Grundlage des Konzepts sind in der NC Steuerung generierte und schrittweise in der Steuerung zu Sollwerten weiterverarbeitete Datenobjekte Sie werden je nach NC Programmvorgabe als Objekt eines spezifischen Typen einer sogenannten Klasse generiert Die verschiedenen Klassen unterscheiden sich je nach Aufgabe durch ihre Attribute und Funktionen z B NC_PocketWorkingstep NC_Toolchange Im Folgenden werden die Klassen und Objekte als NC Workingsteps bezeichnet Das Pr fix NC soll sie von den Workingsteps des STEP NC Programms unterscheiden Im Gegensatz zu den Programm Workingsteps bilden sie die steuerungsinterne Programmverarbeitung bis hin zu elementaren NC Workingsteps zur Sollwert bertragung ab Ein hnlicher Ansatz wurde bereits von Brou r eingesetzt um die im NC Programm der Au tonomen Produktionszelle APZ enthaltenen Workingsteps durch den NC Interpreter in eine Abfolge steuerungsinterner Schalt und Wegbefehle aufzul sen BROUOO Hierzu imple mentierte er eine Klassenstruktur die die verschiedenen Programm Workingsteps abbildete und in Sequenzen elementarerer Steu
120. beitsschrittreihenfolge aus Erkennen sie eine Kollision oder die Verletzung fertigungstechnisch notwendiger Prozessfol gen so k nnen sie die Bearbeitung vor dem n chsten Arbeitsschritt sicher anhalten den An wender informieren und auf seine Korrektur oder Best tigung warten Direkter Wechsel ausgehend von einem laufenden Arbeitsschritt Das Konzept erlaubt ebenso den Abbruch des aktuellen Arbeitsschritts um auf einen anderen nachfolgenden Arbeitsschritt zu wechseln Jedoch reicht in diesem Fall das vorausschauende ndern der Abfolge der generierten und in der Steuerung gespeicherten NC Workingsteps nicht aus Es muss zus tzlich der aktuelle Arbeitsschritt abgeschlossen oder seine Bearbeitung sicher abgebrochen werden In Kombination mit den Funktionen der Benutzungsoberfl che lassen sich dem Anwender die im Zusammenhang mit dem gew nschten Eingriff m glichen Optionen anzeigen Somit ist es m glich den aktuellen Arbeitsschritt sofort erst am Ende eines Bahnsegments oder einer Zu stellebene oder nach Abschluss der Operation abzubrechen In Abh ngigkeit von der gew hl ten Option werden wiederum die NC Workingstepfunktionen autonom aktiv Sie w rden aus gehend von den bergeordneten die Bearbeitungsaufgabe und die Operation beschreibenden NC Workingsteps die zum Abbrechen zus tzlich erforderlichen Bahnen generieren Maschi nenfunktionen schalten und Synchronisationsmarken setzen Entsprechend den Anforderun gen befreit die Steue
121. beitungs merkmale 6 zus tzlich Fl chen amp Topologieinformationen Mithilfe der angebunde nen CAM Systeme lassen sich NC Programme zur Bearbeitung von Ebenen Konturen Nu ten Bohrungen und Taschen planen und schrittweise detaillieren Zudem wurde die Program mierung von gruppierten Merkmalen und Wiederholmustern implementiert 8 1 3 Steuerungsanbindung uber WOP Systeme Pre processing ISO 14649 to G Codes with shop floor oriented programming systems Analog zu der Programmerstellung in der Arbeitsvorbereitung ist auch an der Maschine eine softwaretechnische Unterstiitzung notwendig damit der Werker den umfangreichen Inhalt des NC Programms nachvollziehen und ndern kann Hierzu wurde in Zusammenarbeit mit Sie mens deren WOP System ShopMill zur Umsetzung der entwickelten Programmierschnittstelle erweitert und gleichzeitig als Postprozessor zur Anbindung der Sinumerik 840D eingesetzt Bei der Einbindung von ShopMill werden die Merkmale und Operationen des NC Programms auf die f r die Siemens NC Steuerung Sinumerik 840D spezifischen und innerhalb von ShopMill anzeig und editierbaren NC Zyklen abgebildet Analog zu den beschriebenen CAM Systemen wird wiederum die entwickelte Bibliothek als Schnittstelle zwischen den Programmdaten und der logischen Umsetzung eingesetzt Bild 8 4 Die einzelnen Merkmale und die daran auszuf hrenden Operationen geben die interne Soft warestruktur des Umsetzers vor Sie werden von einer zentralen
122. benso wie der Parser auf nderungen reagieren kann so ist es auch m glich dass die vom Interpreter generierten und in dessen NC Workingsteplisten verwalteten NC Workingsteps ihre spezifischen Merkmale zur Prozessverfolgung und manipulation nach au en zur Verf gung stellen Diese Funktionen h ngen jedoch von den implementierten Maschinen und Be arbeitungsfunktionen ab Dazu ist es sinnvoll zwischen inneren und u eren Eingriffsfunkti onen zu unterscheiden Die innere Eingriffsfunktion eines NC Workingsteps wird aufgerufen wenn sich die Eigen schaften seiner Umgebung d h die Attribute der mit ihm verkn pften bergeordneten oder benachbarten NC Workingsteps ndern Durch diesen Ansatz lassen sich Technologieparame ter ausgehend von einem Arbeitsschritt f r alle ihm untergeordneten Sub Workingsteps adap tieren Zudem kann ein gerade ausgef hrter NC Workingstep sein Prozessergebnis oder die an ihm optimierte Einstellung an die ihm nachfolgenden noch auszuf hrenden NC Working steps weiterleiten Aufgrund der Vielzahl der verschiedenen NC Workingsteps und ihrer Parameter k nnen die nderungen aber nicht direkt ber Zugriffe auf die einzelne Prozessvariablen der NC Workingsteps erfolgen Anderenfalls w rde die Weiterleitung stoppen sobald ein NC Workingstep diese Variable nicht kennt da sie nicht zu seinem Prozessmodell geh rt z B eine Vorschub nderung an einem NC Workingstep zum Palettenwechsel Ein L sungsansatz hie
123. bereit gestellt werden Neben dem durchg ngigen Datenzugriff auf die eingelesenen NC Programmvorgaben sind ferner offene Schnittstellen zur Erweiterung der Programmier schnittstelle der Programminterpretation der Programmumsetzung sowie der lage und zeit synchronen Sollwertausf hrung vorzusehen 40 4 Anforderungen an die Programmierung und Programmverarbeitung 4 3 Anforderungen an die Benutzerschnittstelle Requirements on the user interface Die einzelnen Steuerungsfunktionen m ssen auf das Prozessverst ndnis und die Reaktionsf higkeit des Anwenders und die Anforderungen einer automatischen Regelung abgestimmt sein Anzeige der Prozess und Regelparameter Prozessabweichungen werden durch den Ver gleich der Ist Daten mit den Sollvorgaben erkannt Ausgehend von den Vorgaben des NC Programms und dem aktuellen realen Prozess muss die NC Steuerung die Soll und Ist Daten bereitstellen und anwendergerecht aufbereiten Die Art der Darstellung ist von dem Prozess verst ndnis des Anwenders abh ngig Der Werker kann aufgrund seiner Reaktionszeit und seinem merkmals und arbeitsschrittorientierten Denken die Abarbeitung nicht im Lageregel takt oder auf der Ebene einzelner Bewegungssegmente verfolgen Ihm m ssen die Soll und Ist Daten grafisch aufbereitet angezeigt werden Eine automatisierte Regelung kann dagegen im Systemtakt bewerten und eingreifen Sie erfordert Informationen auf der Ebene der steue rungsinternen Weg und Schalta
124. bh n gigkeit von der erkannten nderung werden einzelne Parameter eines NC Workingsteps adaptiert oder daraus abgeleitete NC Workingstepstrukturen verworfen und neu generiert Das Konzept unterscheidet drei Optionen um in die NC Programmvorgaben und deren Inter pretation zur Laufzeit einzugreifen 1 ber die Benutzerschnittstelle oder Regelsysteme kann kontrolliert auf die Datenhal tung des Parsers zugegriffen werden So lassen sich die im NC Programm kodierten Vorgaben manipulieren und vor ihrer Ausf hrung nachladen 2 Der Interpreter bietet zu seinen NC Workingsteps Schnittstellen an ber die sich vom Entwickler vorgegebene Parameter und Strategien ndern lassen 3 Zus tzliche Parameter wie Sicherheitsabst nde Abbruchstrategien oder Override in Abh ngigkeit von den Eingriffsverh ltnissen gelten steuerungsweit und werden zent ral als bergeordnete NC Workingsteps oder Steuerungsvariablen in den offenen Schnittstellen der NC Steuerung bereitgestellt Nachladen von nderungen vor der Ausf hrung eines Arbeitsschritts Im Parser wird die Anforderung den Programminhalt bearbeitungsparallel zu manipulieren realisiert indem eingelesene Teile des NC Programms erneut gelesen und mit den bereits im Speicher abgelegten Daten abgeglichen werden k nnen Hierzu arbeitet der Parser nicht ein malig und rein sequentiell Zus tzlich speichert er die Quellposition der Vorgaben und liest diese gezielt vor der Abarbeitung nochmals ei
125. ch mit einer anderen Applikation wird das Betriebssystem die Festplatte oder ein gemeinsamer Speicher bereich genutzt den eine eingebundene Bibliothek bereitstellt Ein Beispiel f r die letzte Va riante das sogenannte Shared Memory ist die OSACA Kommunikationsplattform Ihre Bib liothek stellt neben dem Speicherbereich auch Methoden zum kollisionsfreien Zugriff auf Daten Prozesse und Events zur Benachrichtigung bei nderungen bereit Der Sinn einer Anwendung ist jedoch dass sie eine in sich geschlossene Funktionseinheit umfasst die eigenst ndig gestartet und beendet werden kann Daraus resultieren Probleme wenn beispielsweise die Anwendung geschlossen wird w hrend noch externe Zugriffe auf die Daten und Funktionen erfolgen Es ist daher sinnvoller die erweiternden Funktionsmodu le des HMI nicht in Form einer Vielzahl miteinander zu koppelnder Anwendungen zu imple mentieren sondern als Bibliotheken die von einer zentralen Anwendung dem Grundsystem des HMI geladen verwaltet und angesteuert werden Bibliotheken Die Bibliotheken k nnen analog zu den Anwendungen komplexe Funktionsumf nge grafi sche Anzeigen und Klassenstrukturen enthalten Sie sind jedoch zur Ausf hrung auf eine Anwendung angewiesen die sie l dt und die ihre internen Funktionen ber das Applikations interface API der Bibliothek aufruft In der API muss nicht die gesamte Implementierung offengelegt werden In der Regel enth lt sie nur die auszutauschenden
126. chlossen werden Deswegen wird die Adapti onsgrenze der Eingriffsbreite in Form einer zweiten Bahn dargestellt die mit der Sollkurve positionsbezogen verkn pft ist Die Verkn pfung erfolgt je nach interner Darstellungsweise der Steuerung als Funktion ber die Wegl nge oder die Zeit In der Gegenrichtung ist die ma ximale Eingriffsbreite in einer weiteren Kurve parametriert Selbiges gilt f r die maximale Zustelltiefe Somit Kann auf der Ebene der Sollwertverarbeitung auch eine Grenzwertregelung zur Prozessoptimierung realisiert werden Adaption der Eingriffsbreite a Aa durch Folgebahnen begrenzt Sollkontur lineare Adaption bis Aa max Die Korrektur ist nicht als Richtung sondern als 2 Bahn mit Aa max A adaptiert vorgegeben Die adaptieten Soll werte werden zwischen den beiden Kurven a soi Und a max Interpolliert Stabiler Zustand Aa Aa konstant oder Aa Aa adaptierte Istkontur e max Linearer Offset Aa A star Adaption der Schnitttiefe a Bei 2 D ohne Hinterschnitte St rung als Initiator ist Aa nicht begrenzt der Sollwertkorrektur Das Werkzeug kann vollst ndig zu r ckgezogen werden Aa a star Bild 6 17 Hilfsvektoren zur Sollwertkorrektur mit nachgeschalteter Bahnadaption Auxiliary vectors to correct the set values before restarting the toolpath generation Der Vorteil dieses L sungskonzepts liegt darin dass alle geometrischen Berechnungen zeit u
127. cut 5 4 neue und verbesserte Funktionen 5 2004 Firmenschrift Daniel C Dynamisches Konfigurieren von Steuerungssoftware f r offene Systeme Dissertation Universit t Stuttgart 1996 Daude R Mobiles Maschinen und Prozessinteraktionsystem Dissertation RWTH Aachen 2001 Daxl J Kurz S Schachinger W Grundlagen ber numerisch gesteuerte Werkzeugmaschinen CNC Programmierung nach ISO f r Sinumerik 840D Verlag Jungend amp Volk Wien 2004 Deutsches Institut f r Normung DIN Die Schnittstellen der rechner integrierten Produktion CIM CAD und NC Verfahrenskette DIN Fach bericht 20 Beuth Verlag 1989 DIN 66025 Programmaufbau f r numerisch gesteuerte Arbeitsmaschinen Berlin Beuth Verlag 1983 Teil 1 1988 Teil 2 Deiter F Die Automation der Kleinserie ist spannend In Werkstatt und Betrieb 06 2004 S 149 151 Deuse J Fertigungsfamilienbildung mit feature basierten Produktmodell daten Dissertation RWTH Aachen 1998 10 Literaturverzeichnis 147 DENKO2 DOMB93 DOYLO4 DOWE03 ENGS02 EMDE07 EVER94 EVER97 EVEROI EVERO2 EXAPO7 FANU04 FANU04a FAUS97 FRANO2 FRANO6 FRIEOO Denkena B T nshoff H K Selle J Storr A Heusinger S Rogers G Offline Berechnung der Zerspankr fte in der NC Programmierung Vorher sage der Zerspankr fte beim HSC Schlichtfr sen In wt Werkstattstechnik online 2002 Nr 11 12 S 581 587 Dombrowski M
128. d 11 1 Fertigteil mit einer durch Fr sen herzustellenden Kontur Finished part with a contour that shall be machined by milling Auszug aus dem Datenmodell der ISO 14649 Notation in EXPRESS ISO 10303 11 ENTITY project its id identifier main workplan workplan its_workpieces SET 0 OF workpiece its owner OPTIONAL person and address its release OPTIONAL date_and time its status OPTIONAL approval END ENTITY Das WOP Tool generiert zu Beginn ein lee res NC Programm das nur einige wenige Elemente enth lt Hierzu z hlen das Projekt 1 mit einem Ar beitsplan 2 sowie den organisatorischen Daten und einem ersten Setup 3 Nicht gesetzte Attribute erscheinen als oder bleiben leer 1SO 10303 21 FILE_DESCRIPTION Beispiel 1 FILE_NAME Beispiel Kontur stp 2007 11 30T16 46 15 CWJ WZL parser package FILE_SCHEMA Milling schema cOm0m1 extended ENDSEC DATA 1 PROJECT Beispiel Kontur 2 10 69 4 8 2 WORKPLAN Arbeitsplan 1 Aufspannung 55 3 3 SETUP 1 Aufspannung 42 46 451 4 DATE_AND_TIME 5 6 5 DATE 2008 6 LOCAL_TIME 15 38 53 0 7 7 COORDINATED_UNIVERSAL_TIME_OFFSET 1 0 AHEAD 8 APPROVAL 9 draft 9 APPROVAL STATUS draft ENTITY workpiece its id its material global_tolerance OPTIONAL shape tolerance identifier OPTIONAL material Wenn die Geometrie nicht aus d
129. d Anzeigen der NC Programme bereitgestellt werden Bezogen auf die Programmierung an der Werkzeugmaschine sieht das Konzept vor dass die Funktionen zum Parsen und Schreiben des Programminhalts als ein zentraler Dienst der Be nutzungsoberfl che angeboten werden Wie in Kapitel 7 1 4 beschrieben sind diese Funktio 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 117 nen generisch aufgebaut Sie k nnen alle Elemente einer beliebig erweiterten NC Program mierschnittstelle verwalten Dadurch vereinfacht sich der Funktionsumfang eines zu integrie renden Programmiersystems auf das Auswerten und werkergerechte Darstellen des Pro gramminhalts sowie die Bereitstellung von Dialogen und Auswahlmen s mit denen sich das NC Programm erstellen erg nzen oder korrigieren l sst Strukturierte Auflistung des Arbeisplans der Geometrie F7 oT Bei Anwahl eines Merkmals und der Werkzeuge gt in der 3D Ansicht werden die a p damit verkn pften Arbeits s schritte hervorgehoben Die Anwahl des Merkmals wires oder des Arbeitsschritts um ffnet den zugeh rigen Dialog und zeigt das Zenit Merkmal grafisch an Auswahlmen s erlauben den Aufruf von Dialogen zum ndern der einzelnen Programmvorgaben Bild 7 7 Zugriff auf die Arbeitsschritte und spezialisierte Dialoge zur NC Programmierung Access to the STEP NC workingsteps and dialogs for NC programming Aufgrund des objektorientierten Aufbaus der Programmie
130. d erweitert der Maschinenhersteller das System um die f r seine spezifischen Maschinenfunktionen und kinematiken erforderlichen Umsetzungs und Eingriffsroutinen Dieser Ansatz ist mit der heutigen Integration von NC Zyklen vergleichbar Jedoch umfassen die hinzuzuf genden Module nicht nur Abbildungsroutinen die einen Zyklus in elementare Steuerungsbefehle auf l sen sondern sie liefern zus tzlich Schnittstellen und Algorithmen mit denen sich die Pro grammvorgaben und deren Umsetzung bearbeitungsparallel manipulieren lassen Dem Entwickler bietet der modulare Systemaufbau verschiedene Ebenen zur Integration sei ner spezifischen Funktionen an Die Struktur der Ebenen leitet sich zum einen aus den kon ventionellen Funktionsbereichen der NC Steuerung und ihren Schnittstellen ab Dar ber hin aus werden die im NC Programm enthaltenen Arbeitsschritte mit ihren Aufgaben Geomet rie und Operationsbeschreibungen als Schnittstellen zur Integration eigener Algorithmen angeboten Bei der Entwicklung eigener Funktionen kann der Entwickler auf die vom Grund system bereitgestellten Routinen zur ckgreifen und diese wiederverwenden Alternativ kann er sie durch eigene optimierte Implementierungen ersetzen In Abh ngigkeit von der gew hl ten Programmiersprache und dem Umfang seiner Erweiterung muss der Entwickler seine Softwaremodule zusammen mit dem Grundsystem neu kompilieren oder er kann sie als Bib liotheken dynamisch hinzuf gen 56 5 Konzept e
131. d letztlich die explizit vorgegebenen Weg und Schaltbefehle lassen sich in allen Ebenen zus tzliche berwa chungs und Regelungsparameter erg nzen In der Definition der Spannlage Setup werden neben den Positionen der zu bearbeitenden Bauteile weitere f r eine Lagekorrektur Position Offset oder die Generierung kollisionsfrei er Bewegungen wichtige Zusatzinformationen abgespeichert vgl Bild 5 5 Hierzu z hlen globale arbeitsschritt bergreifende Sicherheitsebenen Global Security Plane gesperrte Be 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 51 reiche Restricted Area die Rohteilabmessungen Bounding Box sowie die Spannstellen und Spannmittel Die Operation wird um die Art der Bearbeitung Roughing Finishing Bearbeitungsaufma e Allowance und Informationen fiir An Abfahr und Verbindungsbewegungen Start Point Approach Retract Retract Plane erg nzt Diese Informationen werden in der NC Steuerung zur Verfahrwegberechnung Parametrierung der Uberwachung und der Bereitstellung ange passter Regelstrategien ausgewertet Die Technologieparameter Technology werden wahl weise maschinenorientiert Spindle Speed Feed Rate werkzeugorientiert Tool Feed Rate per Tooth oder prozessorientiert Cut Speed Surface Roughness programmiert und k nnen um Vorgaben zur adaptiven Regelung Adaptive Control erg nzt werden Aufgrund des ob jektorientierten Aufbaus k nnen die Definitionen erweitert oder du
132. dadurch unabh ngig von dem physikalischen Programm format d h sie miissen dieses nicht selber analysieren und auswerten Die Anpassung zwi schen Dateiformat und internem Steuerungsformat bernehmen der Parser Lesen und der Formater Schreiben des NC Programmierschnittstellenmoduls Das Konzept kann flexibel an die zuk nftigen physikalischen Speicherformate angepasst werden wie beispielsweise einem DIN hnlichen Klartext objektorientierten Strukturen nach STEP ISO 10303 21 oder XML Auch die Anbindung an Datenbanken ist denkbar Dazu m ssen nur die Parser und Formaterfunktionen der Bibliothek durch die datenbankspezifischen Zugriffsmethoden ausge tauscht werden Die Klassenstrukturen zum Speichern der Programmvorgaben sowie die Funktionen zu deren Umsetzung k nnen unver ndert beibehalten werden Dar ber hinaus werden durch die Kapselung die Programminformationen konsequent von ihrer Interpretation d h dem Abbilden auf das spezifische Prozessmodell und der funktiona len Umsetzung in den Applikationen getrennt Erst in den Softwareschnittstellen der Benut zeroberfl che oder der NC Steuerung werden die Programmelemente den spezialisierten Ver arbeitungsalgorithmen zugewiesen d h interpretiert Bild 5 11 Eine Konfigurationsdatei er laubt dem Anwender oder dem Entwickler flexibel eigene spezialisierte Algorithmen in die Systeme zu integrieren und diese gezielt f r die Elemente des NC Programms aufzurufen Nicht erkannte Elemente wer
133. daptiven Programmverarbeitung 6 5 3 Direkte Eingriffe in die Sollwerte Direct manipulation of generated set values Zus tzlich zu der vorausschauenden diskreten Optimierung programmierter Ablauf und Operationsvorgaben besteht im Bearbeitungsprozess die Notwendigkeit einzelne Prozess parameter durch einen regelnden d h abgleichenden Eingriff zu korrigieren und zu opti mieren Hierzu sind die vorgeschlagenen Mechanismen bei denen die NC Programm elemente oder NC Workingsteps textbasiert in der Benutzeroberfl che korrigiert werden nicht geeignet Vielmehr m ssen sich die Prozesskennwerte kontinuierlich manipulieren las sen Dabei wird eine schnelle Umsetzung nicht nur aufgrund der hohen Prozessgeschwindig keiten vorausgesetzt Zudem erwartet der Anwender eine schnelle R ckmeldung um seinen Eingriff bewerten und ggf korrigieren zu k nnen Generell ist die schnellste Methode um in einen elektronisch gesteuerten Prozess einzugrei fen die Manipulation seiner auszuf hrenden Sollwerte Sie werden anschlie end ber die VO Schnittstellen der Anpasssteuerung oder die Lagereglern der Antriebe ausgef hrt Jedoch umgeht der direkte Zugriff auf die Sollwerte den zuvor entwickelten Ansatz einer Regelung ber die NC Programmelemente und die daraus abgeleiteten sich interaktiv anpassenden NC Workingsteps Optimierungen lie en sich nicht unmittelbar in das NC Programm und zuk nf tige Bearbeitungen zur ckmelden Ferner m sste der Werker
134. den berwa chungssysteme Ziel des Gesamtsystems ist es die aktuelle Bearbeitungsaufgabe mit ihren prozessbestimmenden Programmvorgaben darzustellen situationsgerecht Programmalternati ven anzubieten Eingriffe durch den Werker oder eine Regelung zuzulassen Fehleingaben abzufangen und letztlich die Korrekturen schnell und f r den Anwender nachvollziehbar im Bearbeitungsprozess umzusetzen Dieses System unterst tzt den Werker zum einen beim Ein fahren neuer Programme und zum anderen bei der Reaktion auf Prozessst rungen in der lau fenden Bearbeitung Dazu m ssen die Eingriffsm glichkeiten ausgehend von den Steue rungsparametern und Sollwerten zus tzlich auf die im NC Programm kodierten Abl ufe Operationen Werkzeuge und Technologiedaten erweitert werden Somit lassen sich im Bear beitungsablauf das nachfolgend einzuwechselnde Werkzeug neu definieren die Schnittpara meter einer Operation optimieren oder die Bahnaufl sung adaptieren 1 Einleitung 3 Introduction Numerically controlled machine tools are well established in modern production Referring to the number of metal cutting machine tools build in Germany their share adds up to more than 85 VDW04 Compared to manually or mechanically controlled machine tools they offer a multitude of advantages including automation of machining processes short cycle times high reproducibility at constant quality and the flexible manufacturing of different work pieces WECKOlc KIEF05 T
135. den an Standardfunktionen Default weitergeleitet die Warn meldungen ausgeben oder den Programminhalt mit Hilfe von Basisalgorithmen umsetzen Progammierschnittstelle Konfigurationsdatei Softwareschnittstelle Spezialisierte Funktion Elemente zur Erstellung Zuordnung zwischen den Ausgehend von den erkannten Bibliotheken mit spezialisierten des NC Programms Programmelementen und Programmelementen werden Algorithmen zur Programm den Funktionsbibliotheken die DLLs aufgerufen darstellung oder umsetzung N a feature Anzeige i CP dll Tasche Tasche case tasche i AP dll Konturparallel CP dil switch operation Bohrung Achsparallel AP dll pocket dll Default g pocket dll case konturparallel call CP diI break LA gt Bohrung case achsparallel gt Tieflochbohren DH dll call AP dif break NG Steuerunall cP an Default hole dil default g call pocket dil break AP dll Fl che P faran Achsparallel PF dll case bohrung pocket dil Unidirektional UF dll switch operation Default region dll Bild 5 11 Flexible Funktionszuordnung zu den Elementen der NC Programmierschnittstelle Flexible linkage between functions and elements of the NC programming interface 5 3 3 Aufgaben und merkmalsorientierte Erweiterung der Funktionsmodule Task and feature oriented extension of the software functions Aufbauend auf der von der NC Program
136. der Ausf hrung im NC Kern synchronisiert ist Kann die Korrektur nur an den Programmstellen erfolgen zu denen das Werkzeug aus der Bearbeitung zur ckgezogen wurde Als Beispiel f hrt Brouer die Adaption einer nachfolgenden Zerspanebene an deren Bahnsegmente innerhalb der Pro grammverarbeitung als eine Liste sogenannter Sub Workingsteps zusammengefasst ist und als solches geschlossen verworfen und durch eine neu generierte Liste ersetzt wird Den tan gentialen bergang von einem Sub Workingstep in einen neuen adaptieren Workingstep leis tet der Ansatz nicht da die Workingsteps nicht interagieren um Parameter oder Positionen anzugleichen Die Eingriffsm glichkeiten sind w hrend der Bearbeitung damit auf die Mani pulation der Override und maschinenseitige Aktuatoren begrenzt Bild 2 13 than U Su EP nn ua UA NFEE RE PEES EEIEIEE nn Lu un CIN EN E A nnd uud nun nl En E EEE nd Se hun ah un u cn eh ext Arbeitsvorbereitung NC Steuerung Bahnumplanung Fertigungsauftrag CAD Daten Aktorik Prozessregel modul B steuerungsinterne Daten z B Vorschub dezentrale Sensorik z B Kraftsensoren PEM Prozesseingriff berwachungsmodul Bild 2 13 Prozesskorrektur durch Bahnaufl sung in der Satzvorbereitung nach BROUO0 Process manipulation by adapting the toolpath generation in the pre processing 2 Stand der Technik 29 2 3 3 Steuerungsintegration von Uberwachungs und Regelungssystemen
137. der vom Steue rungshersteller und von externen Entwicklern implementierten NC Workingsteps ergibt sich ein Baukasten aus dem neue und optimierte Abl ufe d h Sub Workingsteplisten zusammen gestellt werden k nnen Gem den Anforderungen lassen sich bestehende Entwicklungen wieder verwenden und auf der Basis der offen gelegten Schnittstellen erweitern Das spezifi sche Ablaufwissen wird in den Objekt Klassen gekapselt Die darin enthaltenen Algorithmen werden ber die Schnittstellenfunktionen der Objekte aufgerufen so dass sie von Dritten ge nutzt werden k nnen und gleichzeitig ihr softwaretechnischer Inhalt d h das individuelle Prozesswissen gesch tzt ist 6 1 3 2 Extern gesteuerte Verarbeitung der NC Workingsteps Externally triggered processing of the NC workingsteps Die NC Steuerung hat die Aufgabe die einzelnen im NC Programm enthaltenen Anweisun gen in eine Sequenz ausf hrbarer Sollwerte umzusetzen und diese zeit weg und funktions synchron auszuf hren Wie in Kapitel 2 2 des Stands der Technik dargestellt setzen die Steu erungshersteller hierzu unterschiedliche Konzepte ein Die Sinumerik 840D ist modular aufgebaut Ihre Funktionsmodule verarbeiten die Programm informationen sequentiell und generieren als Ergebnis neue steuerungsinterne Datenstruktu ren Diese leiten sie ablaufsynchron an das jeweils nachfolgende Modul weiter Bezogen auf die entwickelten NC Workingsteps gehen dabei die kontextbezogenen Informationen
138. dessen Erweiterung um teilstandardisierte Textbl cke Das NC Pro gramm lie e sich so feature aufgaben und operationsorientiert strukturieren MENZ03 Jedoch sind die hier konzipierten und in die Normung eingebrachten Elemente nicht als ein gef gte Textinformation zu verstehen Sie sind vielmehr Teil einer Bearbeitungsaufgabe und beschreiben diese vollst ndig Prozessschritte Merkmale und Operationen sind eindeutig ge trennt und nicht wie in Bild 5 7 vorgeschlagen durchweg als FEATURE vereinheitlicht Erst eindeutige Elemente stellen Zusatzinformationen bereit die heute nicht in der NC Pro grammierung und insbesondere nicht an der Maschine verfiigbar sind Diese Programmele mente schaffen die Basis um weit reichende Programmierhilfen Simulationen Algorithmen zur Fehlersuche Eingriffsmethoden und Systeme zur Prozess berwachung oder regelung zu realisieren Die Bereitschaft den einfachen DIN Code aufzugeben und ein rein ber Soft wareapplikationen zu bearbeitendes Programmformat zu akzeptieren wird ma geblich von 50 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung der Qualit t und den zus tzlichen den Anwender unterst tzenden Funktionen dieser Applika tionen abh ngen Ausgehend von einem standardisierten Format und Grundmodell k nnten die Systeme hersteller bergreifend eingesetzt werden sich funktionell erg nzen und gleich sam werden ausgehend von einer offenen Struktur Erweiterungen zur Realisier
139. die aktuellen kartesischen Positionswerte aus der Geometriekette ab Die bereits abgearbeiteten Bahnen k nnen beispielsweise als freier Raum f r R ckzugs und Zustellbewegungen inter pretiert werden Ihre H llkurven werden im Fall einer Taschenbearbeitung als Inseln behan delt so dass nach einem Eingriff nur noch das unbearbeitete Volumen innerhalb der adaptier ten Bahnaufl sung verrechnet werden muss Unn tige zeitintensive Luftschnitte werden vermieden Ausgehend von der Ist Kontur werden Bahnen mit gleichm igen Zerspanquer schnitten generiert 6 5 4 1 Diskrete Korrektur der Bahnf hrung Discrete toolpath correction Nicht jede Schnittaufteilung l sst sich vollvariabel manipulieren Beispielsweise werden bei der Aufteilung einer Taschengeometrie in definiertem Abstand zur Fertigteilkontur parallele Hilfsbahnen die sogenannten quidistanten berechnet Diese m ssen miteinander geschnitten und in spitzen Ecken oder Kreisb gen zus tzlich verk rzt werden um die Sollgeometrie nicht zu verletzen und das Volumen in Abh ngigkeit vom Werkzeugdurchmesser vollst ndig zu zerspanen Nach jeder nderung des Werkzeugdurchmessers und der Werkzeug berdeckung m ssen die quidistanten neu berechnet werden Eine kontinuierliche lotrechte Verschie bung der einzelnen Bahnen w rde insbesondere in den genannten Ecken zu Kollisionen f h ren Die L sung besteht in einer Kopplung zwischen der Regelung auf Sollwertebene und der Bahnaufl sun
140. doch aufgrund m glicher Kollisionen mit der Merkmals kontur und den benachbarten Bahnen begrenzt Die realisierten Funktionen der NC Steuerung m ssen daher schnellstm glich neue angepasste Bahnen generieren Die Reaktionszeit bis zur Bereitstellung neuer Bahnvorgaben wird wesentlich durch die der WZL NC zugrundeliegende Steuerungsarchitektur und ihre Datenverwaltung beeinflusst Zus tzlich zu den Rechenzeiten der einzelnen Module die vom Interpreter ber die Werk zeugkorrektur Transformation und Geschwindigkeitsf hrung bis zum Interpolator zu durch laufen sind kommt es zu Zeitverz gerungen durch die Kommunikation zwischen den Modu len Insbesondere die Verbindung beiden Hardwareplattformen ber das Hallen Ethernet ist zeitintensiv und verh lt sich nicht deterministisch In der nachfolgenden Tabelle sind die ge messenen Reaktionszeiten f r den Austausch von St rungsmeldungen Positionswerten Nachrichten und die Zeit zur Neuberechnung oder Adaption der NC Workingsteps einer Ta schenbearbeitung dargestellt Tabelle 8 2 PowerPC PowerPC lt Ethernet gt Industrie PC Industrie PC Motorola 333MHz Intel Pentium 400MHz Adaption oder Neuberechnung der NC Workingsteps Rechtecktasche lt 15ms WZL Logo Kontur aus 24 Liniensegmenten lt 15ms Komplexe Tasche 100 Linien amp Kreissegmente lt 15ms Reaktion auf das Setzen einer Variablen z B Lage Istwert Leerlauf lt 0 2 ms 4 25ms lt 3ms
141. durchmesser sowie dem Abstand zu den Konturelementen Die Transformation bildet die ber die Bearbeitungsbahn paramet rierten Vektoren auf die Kinematik der Maschine ab Die Adaption wird dann im Interpolator durch Addition des Vektors zu der Sollkontur umgesetzt Dabei wird der Offset Betrag ent sprechend der kinematischen Reserven der schw chsten Achse bestimmt Die R ckf hrung in den Interpreter erfolgt wie oben beschrieben um die nachfolgenden Bahnen anzugleichen und zu erweitern Der Funktionsnachweis wurde basierend auf dem internen Bahnformat der WZL NC bestehend aus einer beliebigen Anzahl quintischer Splines parametriert ber die Wegl nge erbracht Der Ausweichvektor wurde als zus tzlicher Spline bis zur Transformati on durchgef hrt und dort in vereinfachender Beschr nkung auf eine 3 Achs Kinematik ohne die beiden rotatorischen Bewegungsachsen der Versuchsmaschine umgesetzt Das Ergebnis 134 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung waren Splines fiir einen Ausgleich der radialen Zustellung die im Interpolator den Sollpositi onen der zugeh rigen linearen Maschinenachsen aufaddiert wurden Die Aufgabenstellung eine Adaption der berdeckung durch minimale Eingriffe in die Steu erung zu realisieren wurde im Demonstrator ausschlie lich durch Anpassungen im Interpre ter realisiert Hierzu wurde die auf die Bahnaufl sung von Fl chen Taschen und Konturen spezialisierte Interpeter Bibliothek erweitert Damit
142. e Task oriented workflow Ausgehend von der entwickelten NC Programmierschnittstelle l sst sich die Bearbeitungsauf gabe analog der Denkweise des Werkers und seinem Vorgehen bei der NC Programmierung in Bearbeitungsmerkmale abzuarbeitende Operationen und Maschinenfunktionen strukturie ren Die Umsetzung in ausf hrbare Weg und Schaltanweisungen erfolgt entweder autonom innerhalb der NC Steuerung oder aber der Programmierer nutzt die objektorientierte Pro grammstruktur um die Abarbeitung der einzelnen Aufgaben weiter zu detaillieren und expli zit vorzugeben Entgegen der konventionellen NC Programmierung mit G Codes m ssen die Planer und Werker von der Prozess und Operationsplanung im CAP CAM ber die Pro grammkodierung bis hin zur Prozessregelung nicht zwischen verschiedenen Anwendungen und Datenformaten wechseln Nachfolgend werden die auf der konzipierten zentralen Programmverwaltung aufbauenden Teilfunktionen des Benutzungskonzepts detailliert Hierzu geh ren die NC Programmierung die Simulation und Bearbeitungsverfolgung sowie die Prozess berwachung und regelung 7 2 1 NC Programmierung an der NC Steuerung NC programming at the machine tool Aufgrund der Vielzahl der zur Aufgaben und Prozessbeschreibung entwickelten NC Pro grammelemente und ihrer mitunter komplexen Abh ngigkeiten ist es nicht zielf hrend das NC Programm textbasiert in einem Editor zu erstellen Folglich m ssen dialoggef hrte Sys teme zum Erstellen un
143. e aufl sen Fe Abarbeitung vorbereiten Tool einwechseln Technology starten 7 SETUP 1 Aufspannung 37 13 18 ER 2 Haro E Interne Daten werden sp ter Abh ngigkeit von 4 5 ge ndert Eee t NC_Toolchange 10 MACHINING_WORKINGSTEP Tasche bearbeiten 11 12 11 CLOSED_POCKET Tasche 3 12 27 31 36 NC_Coolant 12 BOTTOM_AND_SIDE_MILLING 40 Operation 20 en wee Spindle ee L Schaftfr ee Wenn kein Toolpath vorgegeben ist die Bahnaufl sung f r das Les T 0 30 300 00 4000 00 T Feature in Abh ngigkeit von Strategy Werkzeug starten 22 MILLING_MACHINE_FUNCTIONS T 35 0000000000 F 23 CONTOUR_PARALLEL 6 5 T CW UPCUT NC_ApproachMovement 24 MILLING_CUTTER 39 4 RIGHT F 80 40 40 TOOLPATH_LIST 41 42 43 44 41 CUTTER_CONTACT_TRAJECTORY F CONTACT NC_ ENDSEC END ISO 10303 21 Bild 6 2 Abbildung des NC Programms auf die interne Datenstruktur der NC Steuerung Mapping of the NC program s content to the NC s internal data structure Kommunikationsfunktionen stellen sicher dass Parameter zwischen den Workingsteps aus getauscht und extern bereitgestellt werden Kapitel 6 3 Anhand der aktuellen Daten eines NC Workingsteps l sst sich dessen Abarbeitungsfortschritt verfolgen und dem Anwender anzeigen Externe berwachungs und Regelsysteme lesen die Workingsteps aus um ihre Funktionen kontextorientiert an die Bearbeitun
144. e unterst tzen Die Ursache f r Defizite wird in der abstrakten befehls und steuerungsorien tierten Programmkodierung nach DIN 66025 gesehen Dar ber hinaus verfolgt die Industrie das Ziel weitreichendere Probleme der NC Programmierung in den Bereichen des Datenma nagements der Arbeitsvorbereitung und der Programmabarbeitung zu l sen GEHR89 Die se Forderungen haben Einfluss auf zuk nftige NC Programmierschnittstellen und folglich auf das zu entwickelnde Gesamtkonzept einer Prozessregelung auf der Basis der NC Programmvorgaben Datenmanagement Die unterschiedlichen Datenformate der zur NC Programmierung ein gesetzten Systeme f hren zu Konvertierungsverlusten zu Fehlern und da nderungen manu ell in den Teilsystemen nachgef hrt werden m ssen zu Inkonsistenzen Ein durchg ngiges Datenformat von der Konstruktion ber die Arbeitsvorbereitung bis in die NC Steuerung w rde diese Defizite ausschlie en und Unternehmen dar ber hinaus die M glichkeit er ffnen das zentrale Produktmodell um ein Prozessmodell mit den zur Bearbeitung erforderlichen Ressourcen und technologischen Vorgaben zu erweitern Vergleichbar mit dem STEP Stan dard und seinen Applikationsprotokollen ISO10303 aus Konstruktionsmerkmalen werden Bearbeitungsmerkmale d h fertigungsgerechte Feature die sich direkt einer Bearbeitungs technologie zuordnen lassen VANJ98 HAASOO und die von der NC Steuerung in Werk zeugwege aufgel st werden k nnen BROUOO 38
145. e Aufspannung its_setup Der erste Eintrag in der Arbeitsschrittliste verweist auf die Programmmarke 10 D h zuerst wird die Marke gesucht und der dort kodierte Arbeits 44 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung schritt 10 ausgef hrt Dieser enth lt wiederum Attribute die u a das zu bearbeitende Merk mal eine Tasche 11 und die daran auszuf hrende Operation 12 referenzieren Mithilfe der Datenelemente l sst sich so schrittweise die gesamte Bearbeitung ausgehend von einem bergeordneten Ablaufplan ber einzelne Arbeitsschritte Operationen und Bearbeitungs merkmale bis hin zu den final auszuf hrenden Weg Schalt und Technologiebefehlen pro grammieren Der Aufbau und die Datenelemente der NC Programmierschnittstelle werden nachfolgend detaillierter beschrieben Auszug aus dem Datenmodell der Schnittstelle Physikalisches NC Programm nach ISO 14649 STEP NC ISO 10303 21 formatiert nach STEP ISO 10303 21 N Project HEADER its_id ENDSEC String DATA 1 PROJECT Beispielprogramm 2 3 92 4 6 2 WORKPLAN Arbeitsplan 10 35 48 7 3 WORKPIECE Fertigteil 56 87 40 1 7 8 main_workplan 7 SETUP 1 Aufspannung 37 13 18 8 BLOCK Rohteil 120 00 120 00 40 00 Executable its_id 10 MACHINING_WORKINGSTEP Tasche bearbeiten 1 1 12 11 CLOSE
146. e Funktionen keine Fehler oder Einschr nkungen zur ckmelden wird die nderung aktiv In einem letzten Schritt wird der neue Objektinhalt ber die noch ausstehenden R ckruffunktionen an die ver schiedenen Anwendungen gemeldet Die Programmverarbeitung Prozess berwachung und die Bearbeitungssimulation des HMI werden aktualisiert 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 113 Diese L sung stellt sicher dass zum einen nur g ltige nderungen durchgef hrt werden und zum anderen die Umsetzung im HMI sowie in der NC Steuerung jederzeit konsistent ist 7 1 5 Nachrichtensystem zum Datenaustausch und Funktionsaufruf Messaging system to exchange data and function calls Da die Funktionen des HMI nicht durch einzelne in sich abgeschlossene Applikationen reali siert werden miissen sie von einer Basisapplikation aufgerufen und gesteuert werden Diese Aufgabe tibernimmt das Grundsystem Einen vergleichbaren Systemaufbau findet man heute bei fast allen CAD CAM Systemen Aus der Sicht des Anwenders startet er das CAD CAM System als eine in sich geschlossene Anwendung Die darin verf gbaren Teilfunktionen wer den jedoch aus Bibliotheken die je nach Ausbaustufe installiert werden hinzugeladen Den Aufruf und die Interaktion der Bibliotheken stellen Funktionsschnittstellen und Nachrichten systeme sicher F r das Benutzungssystem einer NC Steuerung sind nur wenige Funktionselemente standar disiert Die Spezifikationen aus
147. e Maus oder durch Ber hrung an einem Touchscreen Nachteilig gegen ber den Schaltern der Steuertafel ist dass der Werker diese Elemente nicht greifen kann sondern sie zur Bedienung sehen muss Um beide Mechanismen parallel nutzen zu k nnen wird f r das HMI Konzept eine flexible situationsabh ngige Zuordnung der Ein griffsfunktionen entwickelt Die hardwaretechnische Trennung wird dabei durch das Grund system des HMI berbr ckt Der Werker kann so die einzelnen Parameter wahlweise grafisch unterst tzt am Bedienfeld oder mit Blick auf den Prozess an der Steuertafel manipulieren In Bild 7 3 ist das Ziel des Konzepts dargestellt Hierbei wird die Anzeige des HMI genutzt um dem Werker in Abh ngigkeit von der Bearbeitungsaufgabe Alternativwerkzeuge vorzu schlagen oder zum Ende des Arbeitsschritts einen definierten Halt anzubieten Ferner kann er 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 105 die Schnittgeschwindigkeit Schnitttiefe und Werkzeug berdeckung variieren Die Overrides der Steuertafel sind mit den im MMC angezeigten Werten gekoppelt Manipuliert der Werker beispielsweise die Spindeldrehzahl S wird automatisch die Schnittgeschwindigkeit v in der Anzeige aktualisiert In umgekehrter Richtung wird eine Aktualisierung m glich indem an stelle fester Skalen Dioden oder Displays in die Tafel integriert werden Interaktive Anzeige MMC Softkeys werden kontextabh nig von den HMI Anwendungen belegt lt
148. e Speicherbereiche nutzen 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 81 Bild 6 11 c ist kein durchg ngiger gemeinsamer Zugriff auf die NC Workingstepobjekte m glich Stattdessen instanziiert jedes Modul die NC Workingsteps in seinem individuellen Speicher neu Zur Kommunikation der NC Workingsteps miissen diese als Datenpakete ver packt und physikalisch zwischen den Plattformen und Modulen ausgetauscht werden Diese Art der Datenkommunikation ist gegen ber dem zuvor beschriebenen direkten Datenzugriff zeitintensiver Eine m gliche Umsetzung um die Daten eines NC Workingsteps ber mehrere Hardware plattformen auszutauschen besteht darin die Datenstrukturen der NC Workingsteps in Nach richten zu kopieren und auf der Empf ngerplattform ein Duplikat der NC Workingsteplisten anzulegen Bild 6 11 b In Abh ngigkeit von dem Umfang der NC Workingsteps und ihren Parametern m ssten dazu gro e Datenmengen ausgetauscht werden Vor dem Hintergrund einer schnellen Reaktion auf Eingriffe bietet sich dieser Ansatz nur f r einfache NC Working stepstrukturen und Steuerungen mit wenigen Modul oder Speicher berg ngen an Aufgabenoptimierte NC Workingstepobjekte in modulspezifischen Datenspeichern Um bei komplexeren Strukturen den auszutauschenden Datenumfang gering zu halten bietet es sich an die NC Workingsteps und ihren Inhalt entsprechend den Anforderungen der nach folgenden Steuerungsmodule zu reduzieren Hierzu werden nur die
149. e andauernde F rderung und Diskussion meiner T tigkeit bedanke ich mich sehr herzlich Ebenso danke ich Herrn Professor Weck f r die bernahme des Koreferats Herrn Prof Dr Ing Christian Brecher dem jetzigen Inhaber des Lehrstuhls f r Werkzeugma schinen danke ich f r die Fortsetzung der guten Betreuung die kritische Durchsicht und Dis kussion meiner Arbeit sowie die bernahme des Referats Meinen ehemaligen Kollegen am WZL insbesondere den Herren Dr Ing Andreas Kahmen Dr Ing Henning Schulze Lauen Dr Ing Claus Hardebusch und Dr Ing Jens Br hl danke ich f r die Einf hrung in die Softwareentwicklung sowie die sp teren gemeinsamen Arbeiten rund um die Programmierschnittstelle STEP NC und die institutseigene NC Steuerung WZL NC Ebenso danke ich meinen Projektpartnern im Sonderforschungsbereich Autonome Pro duktionszelle und in den internationalen STEP NC Projekten f r die gute Zusammenarbeit F r die Unterst tzung bei der Realisierung und Evaluation bedanke ich mich bei meinen ehemaligen studentischen Hilfskr ften den Herren Kamil Fayzullin Martin Kunc und J rg Wiegelmann Besonders hervorheben m chte ich Herrn Fayzullin ohne dessen Programmier kenntnisse und dessen ausdauernden Einsatz die Implementierung der vorliegenden Arbeit nicht so umfassend m glich gewesen w re Zudem danke ich meinen ehemaligen Institutskollegen Dr Ing Andreas Kahmen und Dr Ing Roman Klement f r die vielen wertvollen Diskussionen
150. e f r Vorschub und Drehzahl abgeschaltet um konstante Taktzeiten und die Einhaltung von Toleranzen sicherzu stellen 4 2 Anforderungen an die NC Steuerung Requirements on the numerical control Die vielf ltigen Anforderungen an den Informationsgehalt des NC Programms f hren zu NC Programmierschnittstellen mit umfangreichen Befehls und Datenmodellen sowie komplexen Formaten Hierzu reichen die an die DIN 66025 angelehnten Interpreterfunktionen konventi oneller NC Steuerungen nicht aus da sie ausschlie lich auf das zeilenweise Einlesen elemen tarer mnemonischer Befehle ausgerichtet sind Vor dem Hintergrund der Aufgabenstellung erfordert eine Prozessregelung auf der Basis der NC Programmvorgaben dass die Steuerung w hrend der Bearbeitung den Zugriff auf diese Vorgaben zul sst Eingriffe im Kontext der Bearbeitungsaufgabe auf Fehleingaben berwacht und nderungen dynamisch in der Pro grammverarbeitung umsetzt Einlesen des NC Programms Wenn der Informationsgehalt des NC Programms nicht mehr nur auf die Kodierung der zur Ausf hrung notwendigen Steuerungsbefehle und parameter beschr nkt ist muss der NC Interpreter in einem ersten Schritt die Steuerungsdaten von Zu satzinformationen unterscheiden k nnen Findet er im NC Programm keine expliziten Weg Schalt und Technologieanweisungen so muss der Interpreter in der Lage sein die h herwer tigen Geometrie und Operationsdaten zu interpretieren und aufzul sen Im Fall einer offe
151. e hier entwickelte NC Programmierschnittstelle in industrienahen Prototypen implementieren international abglei chen und erfolgreich als ISO 14649 standardisieren zu k nnen Die allgemeing ltigen Ele mente zur Beschreibung des Bearbeitungsablaufs sowie der Spannlagen wurden in einem Grundmodell zusammengefasst ISO 14649 Part 10 und technologiespezifisch um Partial modelle f r das Fr sen Part 11 Drehen Part 12 Erodieren Part 13 14 sowie das Messen und Pr fen erg nzt Die Leistungsf higkeit des hier entwickelten Fr smodells ist so umfas send dass es als Applikationsprotokoll in den STEP Standard bernommen wurde ISO10303 238 und durch die OMAC Gruppe eine industrielle Umsetzung verfolgt wird KENNO7 Die entwickelte NC Programmierschnittstelle umfasst bisher nur Teilbereiche der durch NC Programme anzusteuernden Bearbeitungsprozesse und Automatisierungssysteme Die indus trielle Akzeptanz und Umsetzung wird wesentlich von der Entwicklung weiterer Partialmo delle abh ngen Zudem m ssen Institute und Industriearbeitskreise fortlaufend den Funkti onsumfang der Planungssysteme und NC Steuerungen abgleichen um die NC Programmier schnittstelle rechtzeitig zu erg nzen ehe dass sich analog zu den NC Zyklen herstellerspezifi sche Varianten technisch vergleichbarer Operationen und Merkmale etablieren In einem n chsten Schritt m ssten unter anderem Modelle zur Beschreibung der Maschinen Spannmittel und Werkzeuge erstel
152. e lassen sich auf den technischen Aufwand und die Reaktionszeit der Syste me zur ckf hren Ferner sind bis zum Erkennen der St rung in der Regel bereits Rattermar ken auf der Bauteiloberfl che entstanden Zudem w rde sich mit der Spindeldrehzahl bei gleich bleibendem Vorschub die kinematische Rauhtiefe ndern Die Folge w ren uner w nschte Oberfl chenunregelm igkeiten Adaptive Schnitttiefenregelung Eine weitere effektive Regelstrategie gegen das regenerative Rattern ist die Reduktion der Zerspanungstiefe Daraus resultiert f r die Dreh und Fr sbearbeitung eine prozessabh ngige Schnittaufteilung zur Laufzeit F r die Drehbearbeitung gibt es L sungskonzepte die auf ei ner prozessabh ngigen Regelung der Zustellung beruhen Ausgehend von der adaptierten Schnitttiefe berechnet die Steuerung zus tzliche zur urspr nglichen Kontur asymptotisch verschobene Bahnen und f gt diese in den Bearbeitungsablauf ein Dieser Vorgang wird so lange wiederholt bis die programmierte Endkontur erreicht worden ist GIES73 Auf die Fr sbearbeitung l sst sich dieses 2 dimensionale Konzept der Drehbearbeitung nicht direkt bertragen Hierzu m sste die Programmverarbeitung der NC Steuerung eine Schnitt aufteilung unter Ber cksichtigung von Hinterschnitten und Kollisionen durchf hren Das ist mit kommerziellen NC Steuerungen nicht m glich WECKOlc F r die Fr sbearbeitung schl gt Versch daher einen vereinfachten auf die Adaption der Sc
153. e miteinander verkn pft sind und zus tzlich zu den Programmvorgaben ihre Attribute und ihr Verhalten aktiv aus vorangegangenen und nachfolgenden NC Workingsteps ableiten Auf diese Weise passen sie sich fortlaufend an die aktuell zur ckgemeldete Bearbeitung an und reagieren kaskadiert auf externe Prozesseingriffe Mithilfe der Verkettung werden die nderungen an untergeordnete und nachfolgende NC Workingsteps weitergeleitet Bild 6 4 NC Pocket Workin ste schrittweise Aufl sung der Vorgaben aus dem NC Programm Objekt zur Taschenbearbeitung f AuBenprofil a adaptierte Programmumsetzung nach Prozesseingriffen Strategie konturparallel berdeckung 15 mm NC Layer rs 1 Bearbeitungsebene NC Arc Movement Schnitttiefe 5 mm Vorgabe der bogenf rm Bewegung Vorschub 0 1 mm Zahn Au enprofil Bahnaufl sung 2 Schnittgeschwindigkeit m min Straetgie konturparallel siert P amp y 5 0 au tn Ende P x y 5 0 h fe Schnitttiefe 5 mm E e Zentrum M x y 5 0 bernahme im Prozess Vareda wez adaptierter Parameter Parameter bernahme zag H hier geanderte Uberdeckung aus der Umsetzung des orig NC Programms NC Layer 1 Bearbeitungsebene i Au enprofil i Uberdeckung Schnitttiefe 5 mm EEA gt Strategie adaptierte Bahnaufl sung NC Line Movement Linienbewegung vorausschauende Eingriffe in Start P1 x y 7 5 nachfol
154. ebrochen werden Im Fall einer Taschenbearbeitung bedeutete das dass zuerst die aktuelle Zustellebene abgearbeitet wurde bevor ein alternatives Werkzeug einwechselt werden konnte oder Technologieparame ter wie die Eingriffsbreite oder die Zustelltiefe sich adaptieren lie en Diese Einschr nkung hebt die hier entwickelte L sung auf indem die Steuerungs Working steps nicht als Sequenz statischer Datenstrukturen sondern als untereinander verkn pfte Da tenobjekte mit interagierenden Attributen und Funktionen realisiert werden Jedes dieser steuerungsinternen NC Workingstepobjekte Kann eigenst ndig die ihm entsprechenden In formationen des NC Programms interpretieren und umsetzen Es meldet seinen Verarbei tungsstatus und l st sich prozessorientiert schrittweise auf bis hin zu elementaren Schaltan weisungen und Lagesollwerten Auf Eingriffe reagieren die NC Workingstepobjekte eigen st ndig indem sie in Abh ngigkeit von ihrem Abarbeitungsfortschritt ihre Algorithmen neu aufrufen ihre Attribute adaptieren und die untergeordneten Sub Workingstepobjekte sich adaptieren lassen oder diese neu generieren Somit Kann innerhalb eines Konturzuges jedes einzelne Bahnsegment auf die vorangehenden und nachfolgenden Segmente reagieren ber g nge gl tten Technologieparameter bernehmen adaptieren oder an nachfolgende NC Workingsteps weiterleiten Eines der wesentlichen Funktionsmerkmale der hier neu eingef hrten NC Workingsteps ist dass si
155. edenen dem Bearbeitungsablauf oder technologisch zusammenh ngenden Prozessschritten entsprechenden Unterbrechungsmomen te lassen sich Dank der aufgaben und prozessorientierten NC Programmierschnittstelle im NC Programm direkt wieder finden und anw hlen Indem die grafische Benutzeroberfl che die Programmelemente anzeigt und als Unterbrechungspunkte anbietet kann sie der Werker komfortabel vor oder w hrend der Bearbeitung anw hlen Die geforderte Unterbrechung wird an die Steuerung gemeldet die die Programmabarbeitung definiert unterbricht und das Erreichen des Programmelements an den Werker zur ckmeldet 5 2 2 Aufgaben und prozessorientierte Bearbeitungseingriffe Task and process oriented interaction with the machining process Wie im vorhergehenden Kapitel dargestellt wurde ist die Strukturierung des Bearbeitungsab laufs in Arbeitsschritte geeignet um den Prozess an vordefinierten Stellen zu unterbrechen schrittweise einzufahren und den Anwender bei der Verfolgung der Programmabarbeitung zu unterst tzen Derartige Unterbrechungen erlauben jedoch keine bearbeitungsparallelen Ein griffe Sie stellen lediglich ein Pausieren in der steuerungsintern vorverarbeiteten zwischen gespeicherten und auszuf hrenden Abarbeitungsfolge dar Korrekturen am NC Programm inhalt oder an dessen Umsetzung erfordern weiterhin das zeitintensive Vorgehen von Pro grammabbruch nderung und neustart Diese Einschr nkung l sst sich durch eine flexib
156. eits mit der Program mierschnittstellenbibliothek konzeptioniert wurden Die Eingriffsschnittstellen werden von der NC Steuerung abgefragt und bei der Verarbeitung und Ausf hrung der NC Workingsteps umgesetzt Um zu verhindern dass die Systemres sourcen durch ein fortlaufendes Abrufen der Schnittstellen das sogenannte Polling belastet werden sollten die externen Schnittstellen Variablendienste anbieten Hierzu bieten sich zwei Mechanismen an Nachrichtenobjekte Eventmechanismen Nachrichtenobjekte Die nderung einer externen Schnittstellenvariablen wird in einer Nachricht verpackt und als Datenobjekt an den aktuell aktiven bergeordneten NC Workingstep bergeben Dieser ent scheidet ob er die nderung umsetzt sie an seine ber und untergeordneten NC Workingsteps weitergibt oder ggf zus tzliche neue Nachrichten generiert Aufgrund der Ver kettung gelangen die Nachrichten schnell an alle nachfolgend auszuf hrenden NC Working steps und die sie bereits verarbeitenden Module Dieser Mechanismus ist insbesondere dann vorteilhaft wenn komplexere Datenstrukturen vor dem Austausch interpretiert weiterverar beitet und gesteuert ausgef hrt werden m ssen Ein m glicher Anwendungsfall ist ein extern veranlasster Werkzeugwechsel Beginnend mit der Nachricht mit der Beschreibung des ein zuwechselnden Werkzeugs bestimmt der bergeordnete den Arbeitsschritt steuernde NC Workingstep wann ein Wechsel m glich ist und generier
157. ellen Jeder Steuerungs hersteller legt ausgehend von eigenen oder standardisierten Softwaremechanismen die Daten und Funktionen seines Steuerungskerns offen Br hl hat jedoch zeigen k nnen dass sich of fene NC Steuerungen um Applikationsinterfaces API erg nzen lassen so dass sie nach au Ben eine einheitliche Schnittstelle anbieten die er auf OSACA aufgesetzt hat BRUEO3 Anstelle die Schnittstellen in der NC Steuerung zu vereinheitlichen und damit ggf nicht be n tigte API Elemente rechen und speicherintensiv vorzuhalten wird die Schnittstelle erst im weniger zeitkritischen HMI abgebildet Der Ansatz sieht einen Schnittstellenserver im HMI Grundsystem vor in dem die API Elemente der HMI Module und die der NC Steuerung an gemeldet und verkn pft werden Ausgehend von einer Analyse offener Steuerungssysteme lassen sich die drei Grundelemente ableiten Variablen Austausch von Daten zwischen HMI und NC Events Reaktion auf Ereignisse im HMI oder in der NC Prozesse Aufruf von Funktionen im HMI oder in der NC 114 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 7 1 6 1 Variablenobjekte Variable objects Im Gesamtsystem miissen Einstellparameter Steuerungsdaten und Parameter zur Prozessma nipulation innerhalb der Module des HMI und mit der NC Steuerung ausgetauscht werden Der Umfang der zu kommunizierenden Variablen h ngt von den Funktionen der HMI und NC Module ab und soll sich gem der Anforderungs
158. em CAD oder CAM bernommen wird generiert der Programmierer dialoggef hrt ein Fertigteil Anhang V its_rawpiece OPTIONAL workpiece its_geometry OPTIONAL avanced_brep_shape_representation its_bounding_geometry OPTIONAL bounding geometry select clamping_positions SET 0 OF cartesian point END ENTITY ENTITY block SUBTYPE OF geometric _representation_item name label position axis2_placement_3d x positive length measure y positive length measure Zz positive length measure END ENTITY 10 mit Materialeigenschaften 11 sowie Rohteil 12 Dazu kann er anstelle komple xer Fl chen und Volumenmodelle auf ver einfachte Geometrien wie z B einen Block 13 zur ckgreifen 10 WORKPIECE Fertigteil 11 0 01 12 13 0 11 MATERIAL C52 C52 0 12 WORKPIECE Rohteil 1 1 0 50 13 0 13 BLOCKCHilfsgeometrie f r Rohteil 14 250 0 200 0 30 0 14 AXIS2_ PLACEMENT_3D Koordinatensystem des Blocks 15 16 17 15 CARTESIAN_POINT Position Block zu Rohteil 0 0 0 0 0 0 16 DIRECTION z Richtung Block 0 0 0 0 1 0 17 DIRECTION x Richtung Block 1 0 0 0 0 0 ENTITY manufacturing feature its id identifier its workpiece workpiece its operations SET 0 of machining operation END ENTITY ENTITY two5D manufacturing feature SUBTYPE OF manufacturing feature feature_placement axis2_placement_3d END ENTITY ENT
159. en Attribute und Methoden Sein Ent wicklungsaufwand wird reduziert Bild 6 6 ISO 14640 STEP NC Programm Umsetzung auf steuerungsinterne NC Workingsteps NC_Workingstep allDataSet bool itsSubWorkingsteps CList Name der Klasse Attribute Daten der Klasse Methoden Funktionen der Klasse ISO 10303 21 HEADER initializeFromStepNCFile NC_FeatureMachining erbt nu a von NC_Workingstep dessen 1 PROJECT Step NC2 2 3 4 8 Ear 2 WORKPLAN Main Workplan 10 91 8 en NC_Workplan NC_FeatureMachining itsPlacement CPlacement itsTool CTool 10 MACHINING_ WORKINGSTEP 17 20 PER amp A itsSetup CSetup 17 CLOSED_POCKET Geometrie Tasche KIN Fee oO 18 GENERAL_CLOSED_PROFILE 30 61 9 amp eng ade 8 NG 7 transformPlacement Era U doToolChange 20 BOTTOM_AND_SIDE_ROUGH_MILLING RR ca ae 21 CONTOUR_PARALLEL 8 0 T CW CO Ca Noy He Cr eats 41 MILLING_CUTTING_TOOL Schattfraser Diese Pie Mon 42 ENDMILL 43 4 RIGHT F 140 0 Soom Et inte 2 on NC_PocketMachining NC_ThreadMachining 43 MILLING_TOOL_DIMENSION 35 0 142 2 en ane Oper es itsBoudingContour CCont itsPitch double er Ub lgi Hon 3 Ba 55 MILLING_TECHNOLOGY 3 4 TCP 300 una NO Ware boy itsToolpathStrategy CStra itsBottomCondition EBotto ar Se ep Masta as Er ENDSEC 2euge cs Um processBoundingContour processParam
160. en ausgelesen Die Ablaufinterpretation steuert das weitere Vorgehen indem sie den Inhalt des NC Programms ber die beschriebene Bibliothek l dt und schrittweise die darin enthaltenen Arbeitsschritte abarbeitet Innerhalb der Arbeitsschritte werden die Typen der program 128 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung mierten Merkmale Operationen und NC Funktionen interpretiert zur Verarbeitung an die konfigurierten NC Workingsteps bergeben Diese l sen die Programmvorgaben schritt weise in Sub Workingsteplisten auf und geben diese an die Ablaufinterpretation zur ck Von dort werden sie ber das steuerungsspezifische Interface an die nachfolgenden Module des NC Kerns weitergeleitet ISO 14649 NC Programm Module des integrierten 5 IS014649 Programm 10 MACHINING_WORKINGSTEP ISO 14649 Compilers laden Bibliothek 12 ROUND_HOLE 7 Arbeitsschritte in FoR OP EAE 15012849 steuerungsinterne ES to 4 Ablaufinterpreter Parser Teilschritte aufl sen starten J er ae C Workingsteps 1 Aufruf des Compilers MTC spez Interpreter Taschen durch die NC Steuerung Frontend i Bohrungen gj R an Pi Nuten MTC spez internes Format 2 Konfiguration und Executables i N001 000 Process Feature Ober 3 ere P N001 001 M01 Bitte manuell einw einlesen se i N002 000
161. en die objektorientier ten modularen Systeme Daten als Eingangsinformation f r die nachfolgenden Module Die Datenverarbeitung erfolgt ber spezialisierte Methoden der jeweiligen Objekte HARDO2 Die Umsetzung des NC Programms ist abh ngig vom Steuerungshersteller Folglich sind die internen Datenformate Kommunikationsschnittstellen und Funktionen der NC Programm verarbeitung nicht normiert Die M glichkeiten der Nutzerinteraktion beschr nken sich auf die Benutzeroberfl che mit den darin integrierten NC Programmierm glichkeiten und auf 18 2 Stand der Technik Override Schalter zur Geschwindigkeits und Leistungsregelung sowie auf Regeleinrichtun gen die am Signalausgang der NC Steuerung d h auf der Ebene der Sollwerte eingreifen Die Programmverarbeitung kann der Anwender nicht beeinflussen 2 2 3 Offene NC Steuerungen Open numerical controls NC Steuerungen werden in zunehmendem Ma e nicht mehr speziell f r eine Technologie und Maschine entwickelt sondern als universelle Steuerungen mit diversen Erweiterungsoptionen angeboten Die Aufgabe die Steuerungsfunktionalit t an die individuellen Anforderungen der Maschine des Prozesses und des Anwenders anzupassen obliegt den Maschinen oder Sys temherstellern Auf der Basis einer softwarebasierten CNC Logik kann das spezifische Tech nologie und Prozesswissen in die Steuerung integriert werden ohne dass nderungen am Hardwaresystem vorgenommen werden m ssen Hierzu sind jed
162. en modalen Steuerungsdaten auf die systemweit zugegriffen werden kann globa len Daten innerhalb eines Subsystems lokalen Daten fiir die Jobs einer NC Funktion und pri vaten Daten die ausschlie lich durch den einzelnen Job genutzt werden k nnen unter schieden BOSC96 BOSCO1 Konfigurierung Syntaxtabelle Funktionstabelle Verf gbare Jobs NC Code NC Funktion NC Funktion Jobliste GetStartPoint R StoreEndPoint G01 LinearSeg LinearSeg Parse SetFeedrate GetStart Point u G02 CircRight as CheckProgCircData gt CircRight _ InitCircleBlockCW g GenerateCircBlock G701 DrillCycle GetStartPoint PrepareCircGeometry StoreEndPoint PrepareCircKinematic CheckProgCData on PrepCGeometry CalcSaveRetract PrepCKinematic oe bye Circularlnterpolation Implementierung der NC Subsysteme Satzverarbeitung Achsbewegung Kundensubsystem Interpolation i InitCircleBlockCW GetStartPoint PrepareCircGeometry OptimisePath Circularinterpolation StoreEndPoint PrepareCircKinematic CalcSaveRetract CheckProgCircData u Bild 2 11 Prozeduraler offener NC Kern der Bosch Typ 3 osa MTX Procudural open NC Kernel of the Bosch Typ 3 osa MTX 2 2 3 2 Offenheit in der NC Programmumsetzung Openness in processing the NC commands Die Offenheit industriell angebotener Systeme als auch die steuerungs bergreifender Initiati ven orientieren sich prim r an den Steuerungsfunktio
163. en sich diese Synchronisationsmechanismen an um Arbeitsschritte Operationen oder Abl ufe mit gleichen Technologieparametern als zusam menh ngende Prozess Soll Zust nde zu interpretieren und die entwickelten Eingriffsoptionen gezielt zu steuern Die Ablaufsteuerung wertet die beschriebenen Bahnsegmente der Geomet riekette und die Funktionsroutinen des SPS aus um Momente zu definieren zu denen der Anwender oder eine Regelung die Abarbeitung gefahrlos und ohne negative Einfl sse auf das Bearbeitungsergebnis unterbrechen k nnen vgl Kapitel 6 2 4 Ferner steuert die Ablaufsteuerung die NC technisch m glichen und prozesstechnisch zul s sigen Eingriffe Dazu wertet sie die aktuell anstehenden NC Workingsteps und die innerhalb der auszuf hrenden Bahnsegmente und Schaltfunktionen parametrierten Zusatzinformationen aus In Abh ngigkeit von den darin enthaltenen Vorgaben werden steuerungsinterne Zust nde gesetzt die ihrerseits die nach au en aktiven Eingriffsschnittstellen freigeben kontextabh n gig vorparametrieren oder verriegeln F r die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Betriebs art Prozessregelung ber NC Programmparameter sind in Bild 6 14 die unterschiedlichen Zust nde in Form eines Zustandsautomaten dargestellt Alle Steuerungsfunktionen warten auf das Erreichen der darin definierten statischen Zust nde bevor die Programmvorgaben adap tiert mit der laufenden Bearbeitung synchronisiert ausgef hrt und final innerhalb der
164. en zur ckgemeldeten Synchronisationspunkt wertet die Regelung als Zielpunkt aus den sie innerhalb der Totzeit ber die Regelgr en ansteuert Bis zu diesem Punkt werden alle Sollpositionen in einem Zwischenspeicher gepuffert und die dar ber hinausgehenden nachfolgenden Segmente ge l scht Die Datenpuffer sind damit bereit um die neue vom Interpreter bereitzustellende adaptierte Bahn sofort aufzunehmen und im Anschluss an das Erreichen des Synchronisati onspunktes auszuf hren Reicht die Totzeit nicht aus um die adaptierten Bahnen bereitzustellen reduziert die Soll wertebene den Vorschub um Zeit zu gewinnen Im Grenzfall kommt die Bearbeitung zum Stillstand oder wird nach dem vollst ndigen Zur ckziehen des Werkzeugs abgebrochen 6 5 4 2 Kontinuierliche Korrektur der Bahnf hrung Continuous toolpath correction Andere Parameter lassen sich linear manipulieren Hierzu z hlen beispielsweise die Vor schub und Schnittgeschwindigkeit oder bei einer kartesischen Achsanordnung die axiale Zustellung des Werkzeugs Diese Parameter zeichnen sich dadurch aus dass sie in der Regel direkt durch die Verrechnung von Offsets auf die auszuf hrenden Sollwerte adaptiert werden k nnen Dadurch entfallen das Vorausberechnen eines Synchronisationspunktes sowie die bis zu dessen Erreichen anzuwendenden Hilfsstrategien W hrend in der NC Steuerung die Sollwerte linear adaptiert werden halten die mit den Soll werten verkn pften Wegsegmente und
165. end dieser Mechanismus f r kon ventionelle HMI mit ihren nicht echtzeitkritischen Anzeigemechanismen eine untergeordnete Bedeutung hat ist er f r die entwickelte Prozessregelung essentiell um schnell reagieren zu k nnen ActiveX Controls Ein ActiveX ist eine Softwarekomponente die auf dem Microsoft COM Standard aufsetzt und analog zu einer Bibliothek nur innerhalb einer anderen Anwendung ausgef hrt werden 108 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation kann indem sie auf deren Funktionen und Daten zugreift In der Steuerungstechnik bieten unter anderem Bosch Rexroth und Siemens Schnittstellen an um ActiveX Controls in ihre Oberfl chen zu integrieren und so kundenspezifische Parameteranzeigen zu implementieren BOSC04 Im Gegensatz zu einer Bibliothek stellt ein ActiveX Control jedoch keine Schnitt stellen nach au en zur Verf gung Damit ist die geforderte Interaktionsf higkeit nur bedingt gegeben Im Rahmen des Konzepts bieten sich ActiveX Controls daher nur f r einfache Inter aktionsaufgaben an wie beispielsweise Schalter und Regler die nicht von anderen Modulen aufgerufen werden m ssen 7 1 3 2 Basisfunktionen als Grundlage f r Spezialisierungen Core functions as a framework for specialized functions Ausgehend von den Mechanismen zur Systemerweiterung kommen dem Grundsystem zwei zentrale Funktionen zu Zum einen muss das Grundsystem die Erweiterungsmodule laden konfigurieren verwalten und ihr Laufze
166. entfiel die Notwendigkeit anwendungs spezifischer Sonderfunktionen in den kinematischen Algorithmen der dem Interpreter nach geschalteten Steuerungsmodule Analog zur Korrektur der axialen Zustellung wird dem Inter preter eine St rung mit der umzusetzenden Parameteranpassung gemeldet Ausgehend von der aktuellen asymptotischen Bearbeitungsrunde werden mit Hilfe der bereits verf gbaren Bisektoren alle nachfolgenden Runden mit einer korrigierten radialen Zustellung neu berech net Den Synchronisationspunkt f r den Wechsel auf diese neue Bahn muss der Interpreter nun absch tzen Da das Werkzeug m glichst nicht angehalten werden soll und seine Bahn nicht vorab durch andere Module korrigiert wurde muss der alte Werkzeugweg entsprechend der Bahngeschwindigkeit sowie der Totzeit bis zur Bereitstellung der neuen Bahn im Interpo lator fortgesetzt werden D h die Steuerung bestimmt aus der Position der St rung und einer Verz gerungszeit die aus der Rechenzeit des Interpreters sowie der Verarbeitungszeit der Geometriekette resultiert den Synchronisationspunkt Ausgehend von diesem Punkt wird im Bahnalgorithmus ein tangentialer bergang zwischen der alten und neuen Bahn durch das Einf gen von zwei Kreisb gen realisiert Somit entstehen am Bauteil keine Abs tze durch Anr ckbewegungen Ebenso wie bei der axialen Adaption muss auch hier die Ausf hrung der alten nicht adaptierten Bahnsegmente verhindert werden was durch die beschriebene Erwei terung d
167. entiert zu optimieren In der Operationsplanung wird die Ausf hrung technologisch detailliert und es werden die einzusetzenden Werkzeuge Tool in Bild 5 3 und Bild 5 5 Strategien Strategy 23 und Technologieparameter Technology 21 definiert Mit diesem Strukturierungsansatz wird der Operationsdefinition nach Eversheim entsprochen Demnach ist eine Operation durch die Be arbeitung eines in sich abgeschlossenen Bearbeitungsmerkmals auf einer Maschine in einer Aufspannlage und mit einem Werkzeug definiert EVER97 Detaillierte Ablauf Merkmals und Technologiekodierung Analog zu den Konformit tsklassen der Geometriebeschreibung l sst sich auch der Detaillie rungsgrad der Operationsplanung an die Leistungsf higkeit der NC Steuerung anpassen Dazu werden zum einen die Operationsdefinitionen technologiespezifisch unterteilt Fr sen Dre hen EDM etc Zum anderen kann die Ausf hrung der Bearbeitung der Steuerung in Form von expliziten Weg Technologie und Schaltbefehlen vorgegeben werden Toolpath mit wegsynchroner Machine Function und Technology oder aber die Steuerung generiert die er forderlichen Befehle autonom indem sie die Bearbeitungsmerkmale entsprechend den Strate gie Technologie und Werkzeugdefinitionen des NC Programms aufl st Die verschiedenen Migrationsstufen des Datenmodells wurden auf der Basis universit rer und industrieller CAM WOP und NC Prototypen im Rahmen des internationalen STEP NC Projektes positiv erpr
168. entwickelten Konzept wurde daher eine Hilfsanwendung implementiert die das Datenmodell der NC Programmierschnittstelle generisch auf eine Klassenbibliothek abbildet und einheitli che Zugriffsfunktionen zum Lesen und Schreiben des Programminhaltes bereitstellt Da die Funktionen der Bibliothek nur von den Datentypen und nicht von deren Inhalt oder deren Be deutung abh ngen dient die Bibliothek ausschlie lich als Schnittstelle zum Zugriff auf das NC Programm Erst innerhalb der Anwendungen werden die spezifischen Programmelemente erkannt und in spezialisierten Funktionsmodulen weiterverarbeitet Bild 8 2 NC Programmierschnittstelle Format EXPRESS ISO 10303 11 ENTITY slot SUBTYPE OF machining_feature course_of_travel travel_path Umsetzer exp2cpp exe swept_shape open_profile Anwendung z B CAM WOP NC if pocket end_conditions LIST 0 2 OF slot_ WHERE if slot WR1 SIZEOF QUERY it lt SELF Me AND SIZEOF end_conditions 1 ice i Bibliothek END_ENTITY bergreifende FUNKTIONEN s spez Module error loadNCPrg char fileName Taschenalgorithmus error writeNCPrg char newName SE error closeNCPrg ISO 14649 NC Programm error getProject CElement retVal Format ISO 10303 21 Abbildung der NC Elemente auf Klassen class CSlot public CMachining_feature E CTravel_path getCourse_of_travel EStatus getStatus privat CTravel_path m_Course_of_travel
169. enzen und ihres zu erwartenden Effekts k nnen den Anwender zus tzlich unterst tzen Reaktionsverhalten des Systems F r den Werker ist eine direkte Systemreaktion wichtig um zu erkennen dass er den Prozess kontrolliert Anderenfalls gewinnt er den Eindruck die Korrektur w re nicht ausreichend gewesen und ohne den Effekt abzuwarten verst rkt er den Eingriff oder bricht den Prozess ab Die Reaktionszeit muss bei der Abfrage und der Umset zung der Eingriffe ber cksichtigt werden Die Umsetzung ist dem Anwender anzuzeigen Im Fall gravierender Prozessst rungen oder Fehleingaben muss das System den Bearbei tungsprozess automatisch regeln oder sicher abbrechen In jedem Fall muss der Anwender die finale Kontrolle behalten Die Funktionen der konventionellen Eingriffsmechanismen wie Not Halt Override Programm und Spindel Stopp m ssen aktiv bleiben Skalier und Erweiterbarkeit NC Steuerungen werden technologie bergreifend eingesetzt Um ihre Funktion an die spezifischen Anforderungen der Maschine des Prozesses und des Anwenders anpassen zu k nnen bieten sie Maschinendaten zur Konfiguration und offene Schnittstellen zur Anpassung der SPS und der NC Funktionen an Diese Flexibilit t das Ge samtsystem entsprechend den eigenen Anforderungen zu erweitern und zu skalieren muss auch f r das zu entwickelnde Steuerungskonzept gelten 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 41 5 Konzept einer aufgaben und me
170. eordnet sind Sind zu einem Element der NC Programmierschnittstelle keine Module d h Dialoge oder Anzeigen konfiguriert so greift das Benutzungssystem auf generische Eingabemasken zu r ck die das Setzten der Programmelemente erm glichen gleichzeitig aber auch auf die feh lende spezifische Funktionalit t hinweisen Alle Planungsdaten vom Werkst ck mit den zu bearbeitenden Merkmalen ber den Arbeits plan die Spannlagen bis hin zu Operationen Strategien und Werkzeugen werden schrittweise dialoggef hrt eingegeben und im NC Programm abgelegt Da dieses Datenformat auch von der NC Steuerung gelesen und verarbeitet werden kann entf llt der konventionell folgende Schritt eines Postprozessorlaufs Die Planungsdaten werden verlustfrei und durchg ngig von der Planung ber das WOP System bis in die NC Steuerung genutzt 7 2 2 Simulation und Bearbeitungsverfolgung Simulating and tracking the machining process In kommerziellen Systemen ist die Simulation Teil der CAP CAM Planungssoftware oder aber direkt in die WOP Tools integriert Diese Systeme interpretieren das NC Programm ei genst ndig und stellen seinen Inhalt grafisch dar Sie sind nicht direkt mit der NC Steuerung 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 119 gekoppelt und zeigen folglich anstelle des realen einen virtuellen ber die Ausf hrungszeit und das NC Programm synchronisierten Bearbeitungsfortschritt an OPEN04 SIEMO2 HOFFO05 Auch die Simula
171. er die Variablen als Datenobjekte in einer Zwischenschicht ab und koordiniert die Lese und Schreibzugriffe ber Objektmethoden W hrend ein Modul den Variableninhalt neu setzt ndert sich der Status des Objekts Der Zugriff wird f r andere Module gesperrt oder so lange verz gert bis der Schreibvorgang abgeschlossen ist und das Datum sicher ausgelesen werden kann Damit zeitkritische Funktionen der NC und HMI Module auf den Zugriffsstatus rea gieren k nnen bietet der Schnittstellenserver priore und wartende Methoden an Ein Zugriff mit hoher Priorit t erh lt Vorrang so dass ein Regeleingriff nicht durch eine Anzeigefunktion ausgebremst wird Die Reaktionsgeschwindigkeit wird zur ckgemeldet und kann anforde rungskonform in der Benutzungsoberfl che angezeigt werden Dem Anwender wird an den Eingriffsmechanismen angezeigt ob eine Eingriffsmethode gesperrt ist oder ob sie zeitverz gert reagiert Des Weiteren fasst der Schnittstellenserver die Variablenabrufe mehrerer Module zusammen Wenn Positionsdaten gleichzeitig von der Fortschrittsanzeige des HMI als auch einer integ rierten berwachungsroutine abgefragt werden ruft die Schnittstelle die Kommunikation zur NC Steuerung nur einmal auf und stellt den aktualisierten Wert allen Modulen zentral zur Verf gung Der Modulentwickler spezifiziert w hrend der Anmeldung seiner Klienten objekte ob eine Variable in festen Zeitfenstern aktualisiert wird nur bei nderungen oder nur bei geziel
172. er wie minimale und maximal korrigierbare Vorsch be Drehzahlen oder Hilfsvektoren um die Werkzeugbahn in der laufenden Bearbeitung verschieben zu k nnen 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 89 Programmierte Vorgaben und Grenzen Intern verrechnete Soll und Grenzwerte 1 Operation oder 1 Bahnsegment Achs und kinematikspezifische 1 Geschwindigkeit interpreter Anpassung der Parameter x Zeit t Bild 6 13 Erweiterte Geometriekette mit ber die Bewegung parametrierten Grenzwerten Extended NC kernel in order to parameterize the limits based on the toolpaths 6 4 2 Synchronisation der Eingriffe zwischen NC und SPS Synchronizing manipulations between the NC and the PLC ber die Anpasssteuerung SPS werden die verschiedenen Maschinenfunktionen ereignisori entiert angesteuert Sie arbeitet zyklisch vordefinierte Funktionsabl ufe ab berwacht zu sammen mit der Programmausf hrung die aktuellen Maschinenzust nde und verriegelt andere Funktionen situationsabh ngig Durch die Ablaufsteuerung wird sie fortlaufend mit dem Pro grammfortschritt und den aktuellen Achspositionen abgeglichen Diese Synchronisationsme chanismen stellen sicher dass ein Werkzeug erst nach Abschluss des Werkzeugwechsels zu gestellt wird oder eine Schnittbewegung erst nach dem Anlauf der Arbeitsspindel beginnt Vor dem Hintergrund der konzipierten NC Programmierschnittstelle und den steuerungsseitig daraus abgeleiteten NC Workingsteps biet
173. er Kommunikationsplattform der WZL NC gew hrleistet wurde h_MAHO_Rechteck_Pocket_95mm_Aufspannung_150mm stp l x Datei Bearbeiten Ansicht Fenster x Osha s m s N cnt slalalolelsle gt I lelel e alle el ber das Voronoi Diagramm neu generierte NC Workingsteps zum adaptierten asymptotischen Zerspanen des Restmaterials In der Sub Workingstepliste aufgrund unterschiedlicher Start und Endpunkte autonom generierte Verbindungsbewegungen Die Runden NC Workingstes erg nzen Kreisb gen zum tangentialen Bahn bergang Korrigierte Bahn mit reduzierter berdeckung Executables Tools Inspection Bereit M Nmf Bild 8 10 Adaption der berdeckung bei der konturparallelen Bearbeitung Adapting the radial overlap of a contour parallel machining operation Die spezialisierte Datenstruktur des Algorithmus stellt somit eine optimiere Grundlage f r die schnelle prozessbedingte Bahnumplanung bereit Nach dem Abschluss der Bearbeitung des Merkmals wird die Datenstruktur einschlie lich ihrer offenen zur schnellen Reaktion im Hin tergrund mitlaufenden Tasks geschlossen In Abh ngigkeit von dem nachfolgenden Bearbei 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 135 tungsmerkmal und der hierzu geladenen spezialisierten Interpreter Bibliothek wird dann das Prozedere erneut angesto en 8 3 Praktische Anwendung und Evaluation Practical tests and evaluation 8 3 1
174. er Vorgang der negativen Einfluss auf die Bauteilqualit t und die Produktivit t hat Bei den NC Steuerungen geh rt es daher zum Stand der Technik die Werkzeugstandzeit als Kenngr e f r den Werk zeugverschlei zu berwachen Hierzu werden intern die zeitliche Einsatzdauer oder die An zahl der bearbeiteten Werkst cke protokolliert Beim berschreiten der vom Anwender in einer Werkzeugdatenbank vorgegebenen Kriterien sperrt die Steuerung das Werkzeug f r die nachfolgenden Bearbeitungsoperationen Beim n chsten Aufruf des verschlissenen Werk zeugs wird automatisch ein identisches Schwesterwerkzeug eingewechselt oder die Bearbei tung unterbrochen und der Werker zum Wechsel aufgefordert Ein direkter Werkzeugwechsel im Prozess ist dagegen nicht vorgesehen INDR97 SIEMO4 Ein Grund hierf r sind fehlende Programminformationen zur Bearbeitungsgeometrie Die NC Steuerung kann Ab und An fahrstrategien nicht autonom erg nzen um in der Bearbeitung an beliebiger Stelle abzuheben und mit einem neuen Werkzeug wieder zuzustellen ohne Oberfl chenfehler zu erzeugen Neben diesen statistischen L sungen werden auch Systeme zur sensorbasierten Werkzeugver schlei berwachung eingesetzt Typische Messgr en sind die Schnittkraft das Antriebsmo ment oder der Antriebsstrom der Werkzeugspindel Die Signalwerterfassung basiert teilweise auf steuerungsinternen Antriebssignalen berwiegend jedoch auf externer Sensorik KAEV04 Die Auswertung der ge
175. er bieten umfangreiche Zyklenbibliotheken an so dass der Anwender die Bear beitungsaufgabe vollst ndig zyklenbasiert programmieren kann ohne DIN Befehle kennen zu m ssen Dabei unterst tzen sie den Anwender durch grafische Darstellungen und dialogge f hrte Parameterabfragen HEID04 SIEMO2 Neben einfachen Konturzyklen gibt es merk 2 Stand der Technik 13 mals und operationsorientierte Zyklen Mit ihnen lassen sich typische Merkmalsgeometrien und Operationen wie Tieflochbohrungen und Taschenbearbeitungen mithilfe weniger Para meter beschreiben und im NC Programm kodieren Ausgehend von diesen Parametern und dem dahinterliegenden Modell lassen sich ber Zyklen h herwertige Planungs und Operati onsdaten in die NC Steuerung einlesen und verarbeiten Da die NC Zyklen nicht standardi siert sind k nnen sie nicht zwischen verschiedenen NC Steuerungen ausgetauscht werden Oftmals sind sie zudem anwenderspezifisch in die Steuerung integriert worden so dass der Zyklus nur auf dieser Steuerung und ihrem Softwarestand l uft Aufgrund dieser Einschr n kungen unterst tzen steuerungsneutrale Programmiersysteme NC Zyklen nur selten 2 1 2 3 Defizite der aktuellen DIN Programmierung Deficits of today s ISO 6938 NC programming Die DIN Programmierung und ihre Erweiterungen haben zusammenfassend folgende grund legende Nachteile Geringes semantisches Niveau das sich an den Steuerungsfunktionen nicht aber am Ver st ndnis des Anwender
176. eren Dazu werden die Nachrichten in Abh ngigkeit von der geplanten Rei henfolge versendet und vom Empf ngermodul in derselben Abfolge weiterverarbeitet Des Weiteren hat die Kommunikationsplattform die Aufgabe Verz gerungen die aus den unter schiedlichen Verarbeitungsgeschwindigkeiten und Funktionsumf ngen innerhalb der einzel nen Module resultieren auszugleichen Diese Verz gerungen und die speichertechnische Trennung schr nken zudem die Reaktions f higkeit bei der Umsetzung von Prozesseingriffen ein Nach einem Eingriff m ssen alte Vorgaben und NC Workingsteps ber mehrere Module hinweg gel scht oder manipuliert werden In einer rein sequentiellen Nachrichtenkette m ssten dazu erst alle vorangehenden Nachrichten abgearbeitet oder gel scht werden ehe dass auf eine nderung reagiert werden k nnte G nstiger w re es wenn die Eingriffsinformationen als eigenst ndige Nachrichten die urspr ngliche Nachrichtenabfolge berholen und von den Modulen zur Manipulation der al ten Nachrichten ausgewertet eingesetzt werden k nnten Ein einfacher Mechanismus der diesen Anforderungen gerecht wird existiert durch unter schiedlich gewichtete Datenpuffer In diesen werden die Nachrichten entsprechend der Rei henfolge ihres Eintreffens zwischengespeichert und in Abh ngigkeit von ihrer Ausf hrungs priorit t ausgelesen Bild 6 12 So wird zum einen die Abarbeitungsreihenfolge beibehalten FiFo First in First out und zus tzlich ist ei
177. eren bestehender Programme an der Werkzeugmaschine rn _ Soft Controls zur Manipulation aE der Programmvorgaben fen I z B Schnitttiefe Vorschub ee Vorschub_ Spindel Er 3 to I Bild 8 7 MMI Funktionen zur NC Programmierung Prozess berwachung und regelung HMI functionalities for NC programming monitoring and control Im Nachfolgenden Kapitel wird die Funktion des Gesamtsystems am Beispiel der Abarbei tung einer nach ISO 14649 programmierten Taschenbearbeitung detaillierter beschrieben 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 131 8 2 Adaptive Prozessregelung am Beispiel der Taschenbearbeitung Adaptive control realized for milling pockets Zur Abarbeitung von Bohrungen und Nuten werden NC Workingsteps mit parametrierten Be wegungsmustern implementiert Nach einem Eingriff passen sie die Streckenl ngen bzw die Endpunkte der abzufahrenden Bahnen an Die Sub Workingsteps bernehmen die ge nderten Endpunkte als ihre neuen Startpunkte Die Zustelltiefe adaptiert ein spezialisierter NC Wor kingstep f r diese Merkmale Er wiederholt seine Sub Workingstepliste so lange bis dass die Zieltiefe erreicht wird Diese adaptiven NC Workingsteps werden sowohl f r die Bearbeitung von einfachen Nuten Au enkonturen und Tieflochbohrungen als auch f r die Abarbeitung der einzelnen Zustellebenen einer Taschenbearbeitung eingesetzt Innerhalb der Zustellebenen einer Tasche oder F
178. erface 1997 Firmenschrift Beer C CAD CAP unterst tzte Generierung ratterfreier NC Programme f r das Schaftfr sen Dissertation RWTH Aachen Aachen 1994 Benkler H Grundlagen der NC Programmiertechnik f r Ausbildung Ar beitsplanung und Fertigungspraxis Carl Hanser Verlag M nchen 1995 Beuke D Conrad K J CNC Technik und Qualit tspr fung Hanser M n chen Wien 1999 Bitzel H Faszination Blech Flexible Bearbeitung eines vielseitigen Werk stoffs Dr Josef Raabe Verlags GmbH Stuttgart Berlin 1996 Robert Bosch GmbH Typ 3 osa Dokumentation der NCS Erbach 1996 Firmenschrift Robert Bosch GmbH Typ3 osa Dokumentation der Kundenschnittstelle Bewegungserzeugung Erbach 2001 Firmenschrift Bosch Rexroth AG Rexroth PNC Offenes Steuerungs und Antriebssystem f r CNC Werkzeugmaschinen Lohr 2004 Firmenschrift Bosch Rexroth AG IndraMotion MTX Bedienungsanleitung Lohr 2004 Firmenschrift Bosch Rexroth AG Rexroth IndraMotion MTX The new CNC system so lution open complete high performance Lohr 2004 Firmenschrift 146 BOLL04 BREC04 BREC06 BREU83 BRUH97 BR H03 BROUOO BUDD70 CADCO2 CADC04 CASC07 CGTE04 DANI96 DAUDO1l DAXLO4 DIN89 DIN66025 DEIT04 DEUS98 10 Literaturverzeichnis Bollig A Pr diktive Prozessregelung beim Schwei en mit Laserstrahlung Dissertation RWTH Aachen VDI Verlag GmbH Diisseldorf 2004 Brecher C
179. erlichen Informationen im NC Programm bereitstellen um den Prozess aufgaben und operationsorientiert verfolgen und in der laufenden Bearbeitung umfangreich manipulieren zu K nnen bergreifend werden in Kapitel 0 die Anforderungen an eine steuerungsintegrierte prozess abh ngige Programmbeeinflussung und die damit verbundene Bahnaufl sung herausgearbei tet Hierzu werden zun chst die technologisch relevanten Parameter und Programmelemente 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 35 definiert die das System als Stellgr en bereitstellen soll Zudem sind die Anforderungen der Systementwickler und Anwender zu analysieren Aufbauend auf den erarbeitenden Anforderungen wird in Kapitel 5 ein allgemeing ltiges Konzept f r das Gesamtsystem einer steuerungsintegrierten prozessabh ngigen NC Pro grammverarbeitung entwickelt Dabei findet insbesondere die Anforderung Beachtung her steller und anwendungsspezifische Funktionen in einem aufgaben und prozessorientierten NC Programm kodieren und deren Abarbeitung in die NC Steuerung integrieren zu k nnen Des Weiteren bezieht das Konzept bestehende Abl ufe und Strukturen ein und zeigt Migra tionsschritte auf um konventionelle Steuerungen schrittweise im Sinne der Aufgabenstellung weiterzuentwickeln In Kapitel 6 und 7 werden der Aufbau und die Funktionsweise der Teilsysteme NC Steuerungskern und Benutzerschnittstelle detailliert Im Fokus stehen dabei die Programmver arbeitung und die Kopplung de
180. erst ndnis entsprechenden Aufgabenbeschreibung muss er die Bearbeitung in Form von steuerungsorientierten Anweisungen programmieren und opti mieren SCHI95 BROUOO Den Abarbeitungsfortschritt zeigt die Steuerung zeilenweise in Form der im NC Programm kodierten Befehle und Parameter an bergeordnete Operations und Strategiebeschreibungen fehlen ebenso wie eine grafische Darstellung der Fertigungs geometrie der zu verfahrenden Werkzeugbewegungen und deren Auswirkung Zudem arbei tet die NC Steuerung nach Programm D h sie sperrt w hrend der Bearbeitung den Zugriff auf den im NC Programm vorgegebenen Arbeitsplan die Technologieparameter die von den Werkzeugen abh ngige Bahnaufl sung Weg und Schaltbefehle Zur Korrektur des Bearbei tungsprozesses kann nur auf wenige global wirkende Steuerungsparameter zugegriffen wer den Bild 1 1 Im Fall der Fr sbearbeitung sind die Eingriffsm glichkeiten auf den Bahnvor 2 1 Einleitung schub die Werkzeugdrehzahl und je nach Steuerungshersteller auf NC Variablen be schr nkt Um dagegen die Operationsfolge die Werkzeuge oder die Bahnstrategie ndern zu k nnen muss die Bearbeitung unterbrochen werden Die fehlerhaften oder suboptimalen Programm vorgaben werden an der Maschine oder in der Arbeitsvorbereitung korrigiert Danach wird das NC Programm erneut in die Steuerung geladen und die Abarbeitung gestartet Ein bear beitungsparalleler Zugriff auf die Programmvorgaben ist nicht m
181. erte Zuordnung zwischen den ver schiedenen Stellgr en und den Schaltern der Steuertafel sowie den Softkeys des MMI vor Die Verwaltung der Zuordnung bernimmt das Grundsystem des HMI und steuert diese kon textabh ngig Hierzu bietet sich eine generische variablenbasierte Schnittstelle an In dieser wird jeder Schalter Override und Softkey auf eine Variablenstruktur abgebildet Die einzel nen Variablen beschreiben den Typ des Schalters und seinen aktuellen Wert Im Fall der Override werden zus tzlich die Inkrementgr e und die zul ssigen Grenzwerte definiert Mit hilfe einer Konfigurationsdatei werden die Variablen mit den Funktionen der HMI Anwen dungen und den Schnittstellen des NC Kerns verkn pft Denkbare Konfigurationskriterien sind die Betriebsart die im NC Programm kodierten Operations und Technologiedatenele mente oder die steuerungsseitigen NC Workingsteps ndert sich beispielsweise w hrend der Bearbeitung die Operation so passt das HMI automatisch die Funktionen der verschiedenen Schalter und Override an Dieser Ansatz stellt dem Werker jederzeit die steuerungsseitig ver f gbaren und f r den Prozess geeigneten Eingriffsfunktionen bereit Neben expliziten Parametern lassen sich den Schaltern und Softkeys auch komplexe Funkti onsabl ufe zuweisen In Bild 7 3 werden beispielsweise die horizontalen Softkeys mit Werk zeugen vorbelegt Bet tigt der Werker einen der Schalter so l st er eine Routine aus um die Bearbeitun
182. erten Daten austausch Stand September 2007 URL www exapt de de fvp Durchgaengiger Informationsfluss htm GE Fanuc Automation Handbuch Bedienung 2004 Firmenschrift Machine Tool Productivity with i Adapt In Produktkatalog zu i Adapt von GE Fanuc Automation 2004 Firmenschrift Fauser M Steuerungstechnische Ma nahmen f r die Hochgeschwindig keitsbearbeitung Dissertation RWTH Aachen 1997 Francis B R What is Post Processing www icam com Stand Januar 2002 Franke R Immer im optimalen Bereich Lernf hige Software passt perma nent den Vorschub an die Bedingungen beim Zerspanen an In MM Maschi nenmarkt Nr 6 2006 S 28 29 Fries E Uhlmann E Anwendung neuronaler Netze zur Werkzeugver schlei erkennung beim Fr sen In Zukunftsweisende Anwendungen integ rierter Sensorsysteme Hrsg VDI Fortschrittsberichte Reihe 8 Nr 846 VDL D sseldorf 2000 148 GATH77 GEHR89 GIES02 GIES73 GLOC99 GOETO4 HAASOO HEIDO4 HARDO2 HARR73 HEUSO3 HEUSOS5 HELD91 HENN97 HIRS93 HOFFO5 HUEM98 INDR96 10 Literaturverzeichnis Gather M Adaptive Grenzregelung f r das Stirnfr sen Leistungsregelung Ratterbeseitigung automatische Schnittaufteilung Dissertation RWTH Aa chen 1977 Gehrke U Anforderungen an fertigungsorientierte Schnittstellen fiir die NC Programmierung bei Einzelteilfertigung In Rechnerunterstiitzung in der Konstruktion D sseldorf VDI Verlag
183. erung des erarbeiteten Konzeptes von der Benutzeroberfl che bis in die Prozessregelung an Die Hardware der WZL NC besteht aus zwei Rechnern Die Geometriekette und die software basierte SPS laufen auf einem VME Bus System der Fa Motorola unter dem Echtzeitbe triebssystem VxWorks Die Benutzerschnittstelle die Werkzeugverwaltung sowie der Inter preter sind auf einem Industrie PC mit Windows NT installiert Innerhalb eines Rechners kommunizieren die Module ber OSACA Kommunikationsmechanismen basierend auf Sha red Memory Zwischen den beiden Hardwareplattformen wird die OSACA Kommunikation ber Ethernet und das TCP IP Protokoll aufgebaut Dieser Aufbau wurde bernommen je doch mussten die Benutzerschnittstelle und der Interpreter vollst ndig neu implementiert werden um im laufenden Prozess den NC Programminhalt adaptieren und durchg ngig zur Kommunikation nutzen zu k nnen Dar ber hinaus wurde die Geometriekette erweitert um den Bezug zu den NC Workingsteps des Interpreters sowie Korrekturstrategien bis an die Sollwertschnittstellen fortzuf hren Bild 8 6 Eingrift me Nut Fl che WOP gt _ HTaschde E 3 Spinel Achsen IPO PP a i z i r MMI Nachrichten _ NC Workingsteps nencai WZK Trafo GF a met Bibliothek zu
184. erungs Workingsteps untergliederte Das Ergebnis dieser Art der Programminterpretation sind verkettete Objektstrukturen aus sogenannten Sub Wor kingsteps deren unterste Ebene einzelnen Wegbefehlen entsprach die an die Geometriekette weitergeleitet wurden und dort konventionell zu Sollwerten umgesetzt wurden In die L sung einer ausf hrungsparallelen Programmadaption wird aus Brouers Ansatz die hierarchische Programmaufl sung in Sub Workingsteps bernommen Dieses wird jedoch zus tzlich bis zu den Sollwertschnittstellen beibehalten Somit kann jederzeit vorw rts als auch r ckw rts von den elementaren Weg und Schalt NC Workingsteps auf deren berge ordnete Bearbeitungsaufgaben zugegriffen werden Bild 6 3 s NC Change INC_ Technolog NC_Spindle BE NC_Strategy C_PathAlgorit NC Plunge te ae 4 NC Line NC Spline Speichern von Erganzungen amp Optimierungen _ Tool Strategy Techn Param 4 z a fas PS Planungsvorgabe und steuerungsinterne verkn pfte und Prozessbild des Werkers e extern manipulierbare NC Workingsteps EEE a De ee ne il STEP NC Programm Durchg ngige NC Workingsteps Parameter werden bi direktional I gt ID k l zwischen den NC Workingsteps a i NC_Project ausgetauscht Die Ausf hrung tly Workplan Gl t INC Workpia wird aufeinander abgestimmt I u I R alee NC_Setup C_Zero_Offse NC_PocketWorkingstep j lt gt Workingstep
185. es nur ber die konventionellen Me chanismen wie die Overrides m glich 8 1 5 Regelbare NC Programmumsetzung in der NC Steuerung Manipulatable processing of the NC program in the numeric control Mit dem Ziel die in Kapitel 8 1 4 generierten NC Workingsteps auch in den nachfolgenden Steuerungsmodulen des NC Kern fortzuf hren wird der realisierte Compiler als eigenst ndi ger Interpreter in die institutseigene NC Steuerung WZL NC eingebaut Zudem werden die internen Kommunikationsstrukturen erweitert so dass der Bezug zu den Programmvorgaben und den NC Workingsteps bis an die Sollwertschnittstellen der Steuerung erhalten bleibt Auf dieser Grundlage werden die konzipierten Eingriffsfunktionen d h der Zugriff des Werkers in die Programmvorgaben parallel zur Bearbeitung realisiert Die WZL NC ist eine modular aufgebaute und verteil auf mehreren Hardwareplattformen implementierte NC Steuerung f r die 5 achsige Fr s und Laserbearbeitung Sie wurde entwi ckelt um ber eine vorausschauende splinebasierte Geschwindigkeitsf hrung Freiformfl 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 129 chen abzuarbeiten FAUS97 SCHOOO Erste Algorithmen zum Abarbeiten von rechteckigen Ebenen Taschen und Bohrungen wurden von Brou r implementiert BROUOO Da der Quellcode aller Steuerungsmodule vollst ndig offen liegt und objektorientiert in C pro grammiert wurde bietet sich die WZL NC als Plattform zur durchg ngigen Realisi
186. esen zus tzlich CAD Datens tze ein um die Werkzeugbewegungen mit der zu fer tigenden Kontur abgleichen und offline optimieren zu k nnen CGTE04 Am Markt sind jedoch keine Systeme verf gbar mit denen sich ausgehend von einem NC Programm die Operationsfolge die Strategie die Technologie und die finale Schnittaufteilung w hrend der Bearbeitung korrigieren und optimieren lie en 2 1 1 2 Maschinelle NC Programmierung in der Arbeitsvorbereitung Computer aided programming in the process planning Die maschinelle d h die rechnerunterst tzte Programmierung orientiert sich an der zu bear beitenden Werkst ckgeometrie Bild 2 3 links In einem ersten Schritt werden die Roh und Fertigteilgeometrie in den Systemen grafisch interaktiv erstellt aus CAD Geometriedaten s tzen importiert oder bei CAD CAM Systemen direkt aus dem CAD System bernommen Daran schlie t sich die Definition der zu bearbeitenden Bereiche d h der zu fertigenden Fl chen und Merkmale an Hierbei wird der NC Programmierer zunehmend durch fertigungsge rechte Konstruktionsmerkmale aus dem CAD HOFFO5 eine automatische Featureerken 2 Stand der Technik 9 nung oder die Generierung von Fertigungshilfsmerkmalen durch das CAP CAM System un terst tzt KOCHO05 In einem n chsten Schritt werden ausgehend von den Bearbeitungsmerk malen die Abarbeitungsreihenfolge und die einzelnen Fertigungsoperationen mit den dazuge h rigen Strategien Werkzeugen und Technologiepa
187. ess Ausgehend von dem in Kapitel 5 entworfenen Gesamtkonzept einer umfassenden Aufgaben beschreibung im NC Programm und der Prozessbeeinflussung ber das NC Programm wird in diesem Kapitel das hierzu funktionell und ablauforganisatorisch erweiterte Steuerungskon zept detailliert Darin werden die Vorgaben des NC Programms in steuerungsinterne Arbeits schritte gegliedert und bearbeitungsparallel zur Verfolgung sowie zur Manipulation des Bear beitungsprozesses zur Verf gung gestellt Die zu entwickelnden Teilfunktionen und Kommu nikationsmechanismen der NC Steuerung stellen sicher dass Eingriffe in die NC Programm vorgaben bernommen werden und die laufende Bearbeitung synchron adaptiert wird Offene Schnittstellen erm glichen die Integration eigener Programminterpretationsroutinen und Re gelstrategien Bild 6 1 gibt einen berblick ber das nachfolgend entwickelte Steuerungs konzept Angelehnt an heutige Steuerungsarchitekturen greift das Konzept in die grau hinter legten Module ein bzw ersetzt den Interpreter und die Datenkommunikation Benutzereingaben 15014649 NC Programm Prozesskorrekturen Bahnaufl sung f n a a WZ K modular gt 5 steuerungsunabh gt VA A Ks Anzeigedaten 2 Q 2 erweiterungsf hig Programmfortschritt fia 8 a gt 3 A laufzeitparall Merkmal Operation Ss ERA A variabel in Bezug
188. ess Mit dem Ziel die umfangreichen NC Programmierobjekte f r den Anwender sichtbar und nutzbar zu machen werden sie als manipulierbare Datenstrukturen in die Benutzerschnittstel le und in die NC Programmverarbeitung des Steuerungskonzepts integriert Im Vergleich zu den elementaren Steuerungsbefehlen der DIN Programmierung lassen sich so zusammenh n gende Aufgaben Geometrien und Parameters tze vollst ndig darstellen Mit NC Zyklen ist dies nur bedingt m glich Sie sind herstellerspezifische Programmierhilfen deren Dateninhalt auf die steuerungstechnische Abarbeitung eines Arbeitsschritts beschr nkt ist Ihnen fehlen beispielsweise Datenelemente wie Nullpunktverschiebungen Werkzeugdefinitionen oder Strategien zum globalen An und Abfahren Diese Informationen m ssen soweit dies ohne eine Aufgabenbeschreibung m glich ist aus den vorangehenden DIN Codes r ckw frtig in terpretiert werden Die ersten greifbaren Objekte nach dem ffnen des konzipierten NC Programms sind der zentrale Arbeitsplan und die darin referenzierten Arbeitsschritte Ausgehend von dieser Struk tur lassen sich dem Werker die zu verwendenden Rohteile deren Spannlagen die zu r sten den Werkzeuge sowie die geplante Bearbeitungsfolge in der Benutzeroberfl che anzeigen Dadurch kann der Werker die Maschine auf der Basis des NC Programms einr sten und den Bearbeitungsablauf ohne zus tzliche Dokumente oder ein textbasiertes Durchgehen elementa rer Programmcodes pr
189. eters END ISO 10303 21 e Soling compute Toolpaths compute Toolpaths cc vereinfachte UML Darstellung Bild 6 6 Spezialisierung der NC Workingsteps durch Vererbung in UML Notation Specializing NC workingsteps by the means of heritage UML noted Die grundlegenden NC Workingsteps muss der Steuerungshersteller als Klassenbibliothek in seiner Steuerungssoftware implementieren und offen als Ausgangspunkt fiir Erweiterungen bereitstellen Hierzu z hlen insbesondere die von der NC Steuerung direkt in Lage und Soll werte umzusetzenden elementaren Schalt und Wegbefehle der Steuerung Sie bilden folglich die Schnittstelle zu den steuerungsspezifischen vom Hersteller nicht weiter offengelegten Elementarfunktionen Jede weitere in die Steuerung zu integrierende NC Workingstep Klasse muss im Rahmen der Programm und Geometrieverarbeitung auf diese Elementarob jekte heruntergebrochen werden Idealer Weise sind die Klassen der elementaren NC Workingsteps bereits von einer gemein samen ebenfalls durch den Steuerungshersteller vorgegebenen Basisklasse abgeleitet Denn so kann der Hersteller festlegen welche Methoden und Funktionen seine NC Steuerung vor aussetzt damit die einzelnen Steuerungsmodule vom Interpreter ber die Geometriekette bis hin zu den Sollwertschnittstellen mit den verschiedenen NC Workingsteps interagieren k n nen Dar ber hinaus muss die Basisklasse einheitliche Fehlermeldungen und Sicherheitsfunk tione
190. etzt WEIS07 Auf dieser Grundlage ist eine systemangepasste und res sourcenoptimierte Programmierung in C oder C nahe liegend F r Microsoft Windows als auch f r Linux werden leistungsf hige Entwicklungsumgebungen und Softwarebibliotheken angeboten die den Entwickler bei der grafischen Umsetzung und beim Zugriff auf System und Netzwerkfunktionen unterst tzen Das preemptive Multitasking der Betriebssysteme stellt sicher dass einzelne Threads d h Rechenprozesse zyklisch im Prozessor abgearbeitet werden und ihn nicht blockieren Durch software oder hardwaretechnische Erweiterungen ist zudem ein hartes Echtzeitverhalten m glich das den Threads neben definierten Prozessor zeiten auch deterministische Interrupts bereitstellt EMDEO7 In Kombination mit einer Feld busschnittstelle zur NC Steuerung sind die systemtechnischen Anforderungen an das HMI Konzept erf llt Der Werker kann den Prozess ber die Benutzungsoberfl che mit einer de terminierten Latenzzeit verfolgen und regeln Indem eine echtzeitf hige Ethernet Erweiterung eingesetzt wird vgl DOYL04 SAUEO4 ist das Gesamtsystem zudem unabh ngig von propriet ren Bussystemen Die Bandbreite des Ethernets erm glicht den Austausch der um fangreichen aus der entwickelten NC Programmierschnittstelle abgeleiteten Datenstrukturen Die Systemmodule lassen sich durchg ngig softwarebasiert aufbauen F r den Einsatz der Microsoft Windows Betriebssysteme sprechen ihr hoher Bekanntheit
191. euerung auf Basis der NC Workingsteps Step wise program execution based on NC Workingsteps An heutigen NC Steuerungen kann der Werker verschiedene Betriebsarten wie Automatik Einzelsatz im Automatikbetrieb SBL Einzelsatzeingabe MDA Referenzpunktfahrt REF oder Handbetrieb JOG anw hlen In Abh ngigkeit von der Betriebsart wechselt die Steue rung in einen spezifischen Zustand in dem die einzelnen Bedienfunktionen gesperrt oder freigegeben werden Dariiber lassen sich Zugriffskonflikte ausschlieBen wie sie durch eine gleichzeitige manuelle Bedienung und automatische Programmausfihrung entstehen wiirden Die Forderung in der Betriebsart Einzelsatz SBL technologisch zusammenh ngende Ar beitsschritte nach gezielten Kriterien schrittweise auszuf hren ist auf der Grundlage der vor gestellten NC Workingsteps und ihrer vom Interpreter gesteuerten Abarbeitung m glich Ne ben der konventionellen Unterbrechung nach einzelnen NC Befehlen kann der Facharbeiter die Abarbeitung definiert beim Erreichen technologischer Kriterien anhalten Die verschiede nen Kriterien definiert der Entwickler im Rahmen seiner NC Workingsteps Sie werden in den steuerungsinternen Nachrichtenfluss als Einsprungmarken eingef gt und dem Facharbei ter zur Auswahl in der Benutzeroberfl che angezeigt Innerhalb der NC Steuerung verglei chen die Module und Prozeduren die zu verarbeitenden Nachrichten mit den angew hlten Kriterien und warten bei bereinstimmung bis
192. euerungen mit ihren offenen Kommunikations und Softwareschnittstellen sowie den steuerungs und antriebsin ternen Sensoren die Entwicklung und die steuerungs bergreifende Integration von Uberwa 2 Stand der Technik 23 chungs und Regelungssystemen LANGOS Beispiele sind das Brankamp Artis Prometec Standard Interface BAPSI zur Anbindung von berwachungssystemen an die SPS BAPS97 die digitale SERCOS Antriebsschnittstelle zum standardisierten Zugriff auf Antriebsdaten SERCO2 oder die herstellerspezifischen Entwicklungsumgebungen zur NC Kern Erweiter ung BOSC04 SIEMO3a In der Tabelle 2 1 sind exemplarisch industriell eingesetzten Sys teme zur Prozess berwachung und regelung f r verschiedene numerisch gesteuerte Ferti gungsverfahren zusammengefasst Prozess berwachung Anschnitterkennung x X X Drehzahlregelung x x x x x X Senk Draht Fokuslagenregelung Eoo Listungsregeung DE u eee ee ee Prozessregelung b Verfahrwege Prozessregelung a Parameter Vorschubregelung Schnittkraftregelung l Zustellun Z x g Bahn EDM Vorschub Spanleeren Bahn EDM X Stand der Technik x vereinzelte Anwendungen Schnittaufteilung 4 Nahtverfolgung industriell nicht eingesetzt Tabelle 2 1 Aktuelle Anwendungen zur Prozess berwachung und regelung Applications for process monitoring and control Der berblick zeigt dass beim Bohren Drehen u
193. euerungsinterne Prozessmodell abzu bilden und sie danach in die zur Ausf hrung notwendigen Schalt und Positionssollwerte um zusetzen Bild 5 2 rechts Neben Standardroutinen ist die NC Steuerung offen f r individuelle Erweiterungen um Merkmale und Operationen spezialisiert umzusetzen oder zuk nftige Pro zessabl ufe realisieren zu k nnen Zudem stellt die NC Steuerung Schnittstellen zur Manipu lation der eingelesenen NC Programmdaten zur Verf gung Hinter diesen Schnittstellen steht ebenfalls das aufgaben und prozessorientierte Modell der NC Programmierschnittstelle Es erlaubt Prozesseingriffe auf unterschiedlichen Abstraktionsebenen wie der Arbeitsschrittfol ge den Operations und Technologieparametern oder der Bahnf hrung Die NC Programmierung sowie die Benutzung und Verfolgung der vielf ltigen Steuerungs funktionen erfolgt mithilfe der Benutzerschnittstelle Bild 5 2 links Sie stellt dem Anwender intuitive seinem Prozessverst ndnis entsprechende Hilfen zur NC Programmierung zum Einfahren neuer Prozesse zur Programmausf hrung sowie zur Prozessverfolgung und regelung bereit W hrend der Bearbeitung zeigt sie das zu fertigende Merkmal die Operatio nen oder die auszuf hrenden Parameter Funktionen und Verfahrwege an Zudem bietet sie kontextorientiert Eingriffsfunktionen an um die Programmvorgaben online zu manipulieren Bevor in den Kapiteln 6 und 7 detailliert auf die Teilsysteme NC Steuerung und Benutzer schnittstelle ei
194. euerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 97 Zus tzliche Bahnen sind notwendig um das verbliebene Material zu zerspanen a adaptierte Schnitttiefe t F adaptierte Uberdeckung im NC Programm kodierte Schnitttiefe Rampe muss in den n chsten Zustellungen abgetragen werden Bild 6 16 Einfluss der Eingriffe auf das Zerspanvolumen und die folgende Bahnaufl sung Effect of a manipulation with regard to the removal volume and the next toolpaths Diese Aufgabenstellung wird in den der auf die Abarbeitung der unterschiedlichen Bearbei tungsmerkmale spezialisierten NC Workingsteps gel st Ausgehend von den vorgegebenen Strategien Technologieparametern und Werkzeugdimensionen l sen ihre internen Algorith men das Bearbeitungsvolumen auf Ferner werden die einzelnen Zustellebenen in eigenst n digen NC Workingsteps zusammengefasst um diese parallel vorzuverarbeiten und im Prozess gezielt adaptieren zu k nnen Dabei werden die im NC Programm kodierten technologischen und geometrischen Grenzen als auch die Randbedingungen der Maschine berpr ft Grenz wert berschreitungen meldet die Steuerung als Fehler an die Benutzungsoberfl che und gibt dem Werker die M glichkeit die Vorgaben im Prozess zu korrigieren ohne das Programm unterbrechen zu m ssen W hrend der Bearbeitung aktualisieren die NC Workingsteps fortlaufend ihr internes Berech nungsmodell Dazu werten sie die Statusmeldungen ihrer Sub Workingsteps aus und rufen
195. f die nachfolgenden zwischengespeicherten Sollwerte zu und manipu liert diese analog zu dem erkannten Eingriff Diese L sung entspricht den heutigen Prozess manipulationen durch Verrechnung von Offsets mit den von der Steuerung nach Programm vorgabe generierten Sollwerten Parallel wird die nderung nach oben d h in die bergeord neten NC Workingsteps gemeldet Dort werden die Eingriffe im Kontext der Bearbeitungs aufgabe und Operationsbeschreibung durch die Prozesslogik der NC Workingsteps ausgewer tet und mit vorgegebenen Grenzwerten verglichen Bei Grenzwert berschreitungen sendet die Steuerung eine Fehlermeldung an die eingreifende Stelle d h an eine Regelung oder die dem Anwender zur Interaktion dienende Benutzeroberfl che und l st ber die NC Workingsteps vorimplementierte Notfallstrategien aus Diese Strategien k nnen vom Ignorieren des Ein griffs z B bei einer ber die Antriebsleistung hinausgehende Drehzahlsteigerung bis hin zum Abbruch der Bearbeitung vor dem berschreiten von Grenzlasten reichen Ist der Ein griff dagegen technisch umsetzbar so adaptiert der NC Workingstep seine internen Parame ter korrigiert die von ihm generierten Sub Workingsteps und meldet die nderung an die ihm nachfolgenden und bergeordneten NC Workingsteps weiter Um Grenzwert berschreitungen 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 95 in den Sub Workingsteps zu erkennen wird von den bergeordneten Instanzen die Umsetz bar
196. f eine Hardware beschr nkt Modularisierung nur auf Funktionsebene Langsamerer Zugriff durch Kommunikation Zugriff langsamer als im Shared Memory Einfache Funktionen m ssen komplexe Die Softwaremodule m ssen innerhalb einer Zusammenhang indirekt ber Referenzen NC Workingstep Objekte h ndeln Hardware auf einem Speicher aufsetzen Aufw ndiger Nachrichtendienst Bild 6 11 Konzepte zur Verwaltung der NC Workingsteps im Steuerungsspeicher Concepts to manage the NC Workingsteps in the numerical control s memory NC Workingsteps als durchg ngige Datenobjekte in einem zentralem Speicher Die datentechnisch schnellste Kommunikationsl sung basiert auf einem gemeinsam von allen Steuerungsmodulen genutzten Speicherbereich In diesem werden die NC Workingstep objekte zentral abgelegt und k nnen sequentiell von den einzelnen Steuerungsmodulen und den darin implementierten Funktionen aufgerufen und weiterverarbeitet werden Bild 6 11 a Die Kommunikation zwischen den Funktionen und Modulen erfolgt ber Zeiger die die Speicheradresse des auszutauschenden NC Workingstepobjekts enthalten Die von den Steue rungsfunktionen generierten Ergebnisse werden als Attribute in den bestehenden Datenstruk turen der NC Workingsteps gespeichert oder als Sub Workingsteps in die ablaufsynchrone NC Workingstepliste eingef gt Durch das Setzen von Attributen wird der Abschluss eines Funktionsschritts gemeldet und der NC Workingstep wird f r die nachfolge
197. feinander folgenden Programm zeilen wobei er Sprunganweisungen und Unterprogramme erkennt und aufl st Da der Parser schneller lesen kann als die Steuerung die Anweisungen umsetzt und abarbeitet entsteht ein Vorlauf zur Programmverarbeitung Die Gr e dieses Vorlaufs wird durch die Speicherver waltung der Steuerung kontrolliert Er umfasst bei modernen NC Steuerungen mehrere 100 NC S tze Dieser Vorlauf ist unter anderem notwendig um einen kontinuierlichen Datenfluss sicherzustellen und um Werkzeugkorrekturen Variablen oder Geschwindigkeitsprofile satz bergreifend verrechnen zu k nnen Des Weiteren bernimmt der Interpreter die Aufgabe Programmstrukturen und Befehle auf zul sen die sich nicht unmittelbar auf die Maschinenfunktionen und Verfahrbefehle der nach folgenden Steuerungsmodule abbilden lassen Ein typisches Beispiel sind Subroutinen und NC Zyklen Bei der Aufl sung der darin kodierten Merkmals und Operationsdefinitionen bernimmt der Interpreter die Funktion eines Postprozessors Er l st bei Bedarf einen Werk zeugwechsel aus berechnet Anfahr Zustell Bearbeitungs und Abfahrbewegungen und generiert die notwendigen Technologieparameter sowie Schaltfunktionen Das technologische Wissen der Programmaufl sung ist Eigentum des Steuerungsherstellers oder wird anwender spezifisch als Zyklus entwickelt und in die Steuerung integriert Die Aufl sung eines Merk 16 2 Stand der Technik mals variiert je nach Hersteller und
198. ftwareschnittstellen ihre variablen Parameter und ihren Abarbei tungsstand nach au en Zudem repr sentieren sie in sich geschlossene Bearbeitungsabl ufe Dieser Ansatz einer Struktur aus logisch in sich abgeschlossenen und typisierten Arbeits schritten unterst tzt die vom Werker als auch einer Prozess berwachung geforderte aufga benorientierte Ablaufverfolgung Sie gibt ausgehend von den NC Workingsteps Einsprung funktionen vor zu denen gezielt in die Abarbeitung eingegriffen oder der Bearbeitungsablauf unterbrochen werden kann Die hierarchische Workingstepstruktur erm glicht unterschiedli che Zugriffsebenen ausgehend von den im NC Programm definierten Arbeitsschritten bis hin zu elementaren Verfahrwegen Bild 6 5 Der in der Aufgabenstellung geforderte bearbei tungsparallele aufgabenorientierte Eingriff ist somit bezogen auf das NC Programm einen Arbeitsschritt untergeordnete Elemente wie eine Zustell oder Bearbeitungsbewegung oder einzelne Wegsegmente m glich Die verschiedenen Abstraktionsgrade bilden die Grundlage um anwender als auch situationsgerecht Eingriffsmethoden ber die Steuerungsoberfl che bereitzustellen Kommt es zu St rungen kann ber die Softwareschnittstellen auf die Parameter der NC Workingsteps zugegriffen werden und beispielsweise in der laufenden Fr sbearbeitung die berdeckung die Zustellung oder das Werkzeug ge ndert werden In den ersten F llen d h einer nderung des Zerspanungsquerschnitts
199. g anzupassen Eingriffe werden von den Wor kingsteps in Abh ngigkeit von ihrem Abarbeitungsstand ausgewertet untereinander abgegli chen und umgesetzt Die finale Ausf hrung Verz gerungen oder aufgetretene Fehler werden an die Kommunikationsschnittstellen zur ckgemeldet Die Geometriekette und die Ablaufsteuerung Kapitel 6 4 stellen sicher dass die generier ten elementaren Steuerungssignale den Kontext zu den bergeordneten NC Workingsteps behalten Dazu werden die generierten Bahnkurven und Schaltbefehle als Sub Workingsteps an die genannten NC Workingsteps angeh ngt Dadurch k nnen die Steuerungsfunktionen wie die Werkzeugkorrektur Transformation und die Geschwindigkeitsf hrung jederzeit den Bezug zu der urspr nglichen im NC Programm kodierten Bearbeitungsaufgabe herstellen und m glichst schnell auf Eingriffe und adaptierte Vorgaben reagieren 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 63 Die die NC Workingsteps generierenden Steuerungsmodule sowie die NC Workingsteps sel ber generieren in Abh ngigkeit von ihrer Prozesslogik vorausschauend Eingriffsoptionen sowie alternative Abl ufe Parameter und Strategien Kapitel 6 5 Dem Anwender oder einer Regelung werden so gezielt Optionen zur Manipulation der laufenden Bearbeitung an geboten Des Weiteren kann die Steuerung die verschiedenen Alternativen steuerungsintern vorverarbeiten um im Fall eines Eingriffs schnell reagieren zu k nnen Somit wird es m g lich nahe
200. g des Interpreters Ausgehend von dem aktuellen Wegsegment und der darauf erreichten Achsposition fragt die Regelung beim Interpreter einen m glichen Synchronisati onspunkt f r den bergang auf eine adaptierte Bahn an Der Interpreter sch tzt die erforderli che Zeit bis zur Bereitstellung der adaptierten Bahnen ab und bestimmt ausgehend von den 98 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung urspriinglich generierten Bahnen der Verfahrgeschwindigkeit und den Korrekturgrenzen ei nen Synchronisationspunkt Die Bestimmung des Punktes ist besonders schnell da der Inter preter die alten Weg Schalt und Korrekturanweisungen in einer verketten Liste zwischenge speichert hat und damit zeitintensive Berechnungen einspart Der Einsprungpunkt in die Liste wird zudem fortlaufend mit dem Abarbeitungsstand an der Antriebsschnittstelle aktualisiert Nur Elemente die abgearbeitet und nicht mehr relevant sind werden gel scht Die Totzeit bis zur R ckmeldung des Synchronisationspunktes h ngt daher im Wesentlichen von der Dauer f r die Kommunikation zwischen der Regelung auf Sollwertebene und dem Interpreter ab Parallel zu den Anfragen nach einem Synchronisationspunkt und einer adaptierten Bahn greift die Regelung in die aktuellen Sollwerte ein In Abh ngigkeit von der an das Wegsegment gekoppelten Regelstrategie passt sie einzeln oder in Kombination die Vorschubgeschwindig keit die Spindeldrehzahl die Zustellung und die Eingriffsbreite an D
201. g kontrolliert zu unterbrechen das aktuelle Werkzeug freizufahren und auszu wechseln sowie das neue Werkzeug automatisch an die adaptierten Bahnen zuzustellen 106 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 71 2 2 Ausnahme bei sicherheitskritischen und bergreifend g ltigen Funktionen Restrictions for safety relevant functions or general functions Dennoch sollten einzelne Schalter und Override von dem Konzept einer flexiblen operations gesteuerten Belegung ausgeschlossen werden Hierzu geh ren der Notaus oder Funktionen wie die Betriebsartenwahl und Maschinengrundfunktionen Diese Einschr nkung stellt sicher dass kritische und allgemeing ltige Funktionen durchg ngig verf gbar sind und sie nicht auf grund von Softwarefehlern deaktiviert werden Ferner unterst tzt sie den Werker der diese spezifischen Schalter und Override immer am gleichen Ort wiederfindet Er kann sie somit intuitiv greifen und schneller reagieren 7 1 3 Modular erweiterbare HMI Funktionen Modular extendable HMI functionalities Die Anforderung den Werker bei der Arbeit mit der NC Steuerung Kontextabh ngig und in tuitiv zu unterst tzen bernehmen in Abh ngigkeit von der NC Funktionalit t und den An wenderanforderungen spezialisierte Applikationen Diese werden ber die offenen HMI Schnittstellen der Steuerungshersteller in die Oberfl che integriert und mit den Datenbanken Funktionen und Parametern der NC Steuerung gekoppelt Der Auf
202. g parametrierten Zeit erreicht werden kann Da bei nutzt er die von den NC Workingsteps generierten Zusatzinformationen die anzeigen ob eine Bahn adaptiert werden kann oder ob sie aufgrund der Schnittbedingungen f r Eingriffe gesperrt ist ber ein Prozessobjekt des Transformationsmoduls werden die Achskoordinaten in kartesische f r den Interpreter auswertbare Werkstiickkoordinaten zur ckgerechnet Den Synchronisationspunkt meldet der Interpolator zusammen mit den Referenzen des aktuel len NC Workingstep an den Interpreter Dieser Schritt ist aufgrund der Ethernetkommuni kation zeitintensiv und dauerte in den Versuchen je nach Netzwerkauslastung bis zu 100ms Tabelle 8 2 Der Interpreter gibt die empfangenen Informationen an seine NC Workingstep listen weiter Die in den Sub Workingsteps gespeicherten Bahnsegmente erkennen den akti 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 137 ven NC Workingstep und starten ausgehend von diesem Segment mit der Adaption der nach folgenden Bahnen Hierzu bernimmt der die aktuelle Bearbeitungsebene beschreibende NC Workingstep den Synchronisationspunkt als Startpunkt in die von ihm neu zu berechnende Schnittaufteilung Die Neuberechnung l uft zeitoptimiert ab da die urspr nglich bestimmten Bisektoren und Kontursegmente noch im NC Workingstep gespeichert und mit dem Abarbei tungsfortschritt fortlaufend aktualisiert worden sind Somit ist die Berechnungszeit weitestge hend unabh ng
203. ge Geometriebeschreibung durchg n gig aus dem CAD bis in die NC Steuerung auszutauschen und in der NC Steuerung zur Kolli sions berwachung oder autonomen prozessangepassten Bahnaufteilung zu verarbeiten WECKO03 Zudem wurde pr zise zwischen der Geometrie und der Bearbeitungsoperation unterschieden Anstelle von geometriespezifischen Operationsschritten z B Pocket Rough Milling BROU00 wurden separate Datenelemente zur Definition der zu fertigenden Geometrie Machining Feature der Arbeitsschrittfolge Workingstep und den anzuwendenden Opera tionen Machining Operation eingef hrt WOLFOI SCHLO2 An der Maschine erlaubt die se Struktur es dem Werker die Bearbeitung so darzustellen und zu programmieren dass sie seinem individuellen Technologiewissen entspricht und an die verf gbaren Ressourcen und Spezifika der jeweiligen Maschine durch den gezielten Austausch der Operationsdatens tze angepasst wird Beispielsweise kann eine zylindrische Aussparung alternativ gebohrt aus gespindel oder zirkular gefr st werden Ebenso l sst sich in der Planung eine erprobte Opera tionsdefinition zur Bearbeitung hnlicher Geometriemerkmale als Erfahrungswissen spei chern und wieder verwenden Durchg ngige Unterst tzung der NC Programmierung Die Strukturierung der NC Programmierschnittstelle in Geometrie Aufgabe und Operation spiegelt die Teilaufgaben der NC Programmierung von der Geometrie bernahme ber die Prozess und Operationsp
204. geben muss Programmausf hrung mit reduzierten Achsvorsch ben Programmausf hrung mit weichen Versuchswerkstoffen z B Ureol W hrend des Einfahrens eines NC Programms bestimmen die bersichtlichkeit des Pro grammcodes der Inhalt seiner Anweisungen sowie die an der Maschine verf gbaren Pro grammierhilfen wie gut sich das Programm durch den Werker nachvollziehen und wie schnell es sich vor Ort korrigieren l sst Elementare Befehle und die fehlenden Informationen zur Bearbeitungsaufgabe geometrie und Operation erschweren das Auffinden von Fehlern und Optimieren des NC Programms 14 2 Stand der Technik Parallel zur Programmausf hrung sind die Eingriffsm glichkeiten in den Prozess auf Steue rungsfunktionen wie die Overrides begrenzt Dar ber lassen sich beispielsweise die Bahnge schwindigkeit die Spindeldrehzahl die Laserleistung oder der Strom einer EDM Bearbeitung beeinflussen Das NC Programm und seine Abarbeitung sind dagegen f r Zugriffe durch den Facharbeiter gesperrt Lediglich ber die offenen Softwareschnittstellen einzelner Steue rungshersteller ist eine Manipulation der noch nicht umgesetzten NC S tze und den darin kodierten Parametern m glich BOSC04 SIEMO3a Eingriffe die sich nicht auf elementare Steuerungsparameter zur ckf hren lassen erfordern den Abbruch der Programmausf hrung um das NC Programm korrigieren zu k nnen Bei spiele sind die Abarbeitungsreihenfolge die Bahnf hrung oder das ein
205. gen Informationsbereitstellung ber eine von der Planung bis in die NC Steuerung durchg ngige aufgabengerechten NC Programmierschnittstelle So tauschen CAM Systeme ihre Datens tze untereinander praktisch gar nicht aus und zur NC Steuerung werden nur Weg und Schaltbe fehle oder Zyklen bertragen Zum anderen fehlen in der NC Steuerung die notwendigen Al gorithmen mit denen es m glich w re die Aufgaben Operations Technologie und Bahn vorgaben eines h herwertigen NC Programms an der Steuerung anzuzeigen zu editieren und w hrend der Bearbeitung zu verfolgen und zu manipulieren 3 Zielsetzung und Vorgehensweise 33 3 Zielsetzung und Vorgehensweise Objective and approach Das vorrangige Ziel der numerisch gesteuerten Fertigung sind optimierte st rungsfreie Pro zesse um die Produktionsanlagen maximal auszulasten und qualitativ hochwertige Produkte wettbewerbsfahig zu fertigen Hierzu werden in den Bereichen der NC Programmierung der NC Steuerung sowie der Prozessiiberwachung und regelung fortlaufend neue Funktionen und Systeme entwickelt Die Betrachtung des Stands der Technik zeigt dass diese Entwick lungen zum einen durch eine unzureichende Aufgabenbeschreibung im NC Programm und zum anderen durch fehlende Steuerungsfunktionen zur bearbeitungsparallelen Manipulation des NC Programminhalts und dessen steuerungsinterner Ausf hrung eingeschr nkt werden Insbesondere fehlen beim Einfahren neuer und beim Korrigieren kritischer
206. gen an Benutzungsschnitt stellen von CNC Werkzeugmaschinen Institut fiir Arbeitswissenschaften Aachen 1995 Schlenker N Software ersetzt Hardware Werkzeugiiberwachung als reine Softwarel sung ohne Einsatz von zus tzlichen Sensoren In VDMA Nach richten Nr 1 2003 Schulze H Erfahrungsgeleitete Arbeit als Leitbild f r die Entwicklung und Gestaltung von Produktionssystemen in der industriellen Fertigung Disser tation Universit t Hamburg 2000 Schulze Lauen H Kollisionsfreie Bahnerzeugung f r das f nfachsige Fr sen auf Basis eines neuen Datenmodells mit Splines Dissertation RWTH Aachen Aachen Shaker Verlag 2002 10 Literaturverzeichnis 153 SCHO00 SERCO2 SERC06 SERC06a SENSO7 SHINOS SIEMOO SIEMO2 SIEMO3 SIEMO3a SIEMO4 SIEMO4a SIEMO7 S HNO3 SPURO4 STEP99 STEPO1 STEPO4 STEP06 Schulze O Datenmodell fiir die NC Programmierung Dissertation RWTH Aachen Aachen Shaker Verlag 2000 SERCOS Interface Die international genormte digitale Schnittstelle zur Kommunikation zwischen Steuerungen und Antrieben in numerisch gesteuer ten Maschinen Technische Kurzbeschreibung Interessensgemeinschaft SERCOS Interface e V Hrsg Stuttgart 2002 N N Die 31 15us Story Harte Echtzeit Interessensgemeinschaft SERCOS Interface e V Hrsg Stuttgart 2006 Fritz S Staudt S SERCOS berwacht spanabhebende Abl ufe In SERCOS insight URL www sercos insight
207. gende Teil Arbeitsschritte hier ge nderte Strategie zur Schnittaufteilung Bild 6 4 Schrittweise Aufl sung einer Aufgabe in elementare interagierende Teilaufgaben Iterative break down of a workingstep into simple interactive sub workingsteps Dieser Mechanismus wird m glich indem die einzelnen Workingsteps im Systemspeicher miteinander verkn pft werden Somit k nnen sie zum einen auf gemeinsame Attribute ohne redundante Kopien zugreifen und Umsetzungsergebnisse direkt untereinander austauschen 66 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Zu diesen Attributen z hlen u a die Soll und Ist Daten der NC Workingstepobjekte Steue rungssignale oder die Eingaben tiber die Benutzerschnittstelle Andert der Werker oder eine Prozessregelung einen Technologieparameter so wird diese An derung automatisch zwischen allen mit der Bearbeitungsaufgabe verkn pften NC Working stepobjekten ausgetauscht Die nderungen werden innerhalb der das ge nderte Merkmale verarbeitenden NC Workingsteps erkannt interpretiert und umgesetzt Als Reaktion auf eine nderung k nnen sich nicht nur die Attribute und untergeordneten NC Workingsteps eines Programm Workingsteps ndern Wird er berfl ssig so l scht ihn der bergeordnete NC Workingstep und passt die Ausf hrungssequenz an Gem der Aufgabenstellung erlaubt die ser Ansatz eine situationsgesteuerte manipulierbare Programmumsetzung unter Zugriff auf die Merkmale des NC Program
208. geordnete Planungs und Geometrieinformationen verloren Diese Einschr nkung l st das HMI Konzept mithilfe einer zentralen Datenhaltung Sie ist die Grundlage um bearbeitungsparallel mit verschiedenen HMI Funktionen auf das NC Pro gramm zuzugreifen und sicherzustellen dass im Gesamtsystem alle Programminformationen durchg ngig und konsistent bereitgestellt werden Gemeinsamer Zugriff auf ein zentral verwaltetes NC Programm Der Kern dieses Ansatzes wird in Form einer zentral verf gbaren Funktionseinheit zum Ein lesen Verwalten und Schreiben des NC Programms realisiert Sie hat exklusiven Zugriff auf die physikalische Datei des NC Programms und stellt ber Softwareschnittstellen seinen In halt kontrolliert zur Verf gung Alle Module die den Inhalt des NC Programms auswerten darstellen und manipulieren wollen m ssen das ber diese Funktionseinheit tun Dieser An satz ist vergleichbar mit einer Datenbank auf die verschiedene Clients parallel zugreifen k n nen Im Fall des Steuerungskonzepts geh ren zu den Clients die NC Steuerung NC Program miermodule Simulationen Fortschrittsanzeigen und die Anwendungen zur Prozessregelung F r STEP konforme Datenfiles sind kommerzielle Bibliotheken am Markt verf gbar Exem plarisch sei hier auf die Softwarebibliotheken von STEP Tools verwiesen einem Projektpart ner mit dem die beschriebene Programmierschnittstelle entwickelt wurde STEPO6 und auf der die STEP NC Planungssysteme der Universit
209. gische Vorgaben ber cksichtigt werden So K nnte zwar die Zustellung eines Schaftfr sers durch Verrechnung von Offsets Kontinuierlich mani puliert werden jedoch w rden Rampen auf der Bauteiloberfl che stehen bleiben die in der nachfolgenden Bearbeitungsebene zu wechselnden Zerspanungsquerschnitten f hren und da mit unerw nscht schwankende Prozesskr fte verursachen werden 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 55 Damit diese vom Abarbeitungsfortschritt und der Bearbeitungssituation abh ngigen Be schr nkungen der Eingriffsoptionen f r den Anwender und ein Regelsystem erkennbar sind ist eine enge Abstimmung zwischen der NC Steuerung und den extern eingreifenden Syste men notwendig Hierzu werden in der Benutzerschnittstelle und der NC Steuerung operati ons und merkmalsspezifische Bearbeitungsmodelle implementiert Innerhalb dieser Modelle sind die variablen Parameter und ihr G ltigkeitszeitraum eindeutig definiert Damit Wechsel wirkungen nicht an anderer Stelle zu Grenzwertverletzungen f hren werden die Parameter innerhalb der interagierenden Systeme und mit den im NC Programm vorgegebenen G ltig keitsbereichen abgeglichen Anderenfalls K nnten Gewindebohrer beim Zur ckziehen ab gebrochen Schneiden tiefer als ihre wirksame Kantenl nge zugestellt oder Vorsch be so stark erh ht dass kinematische Rauhigkeitsforderungen berschritten werden 5 3 Modular erweiterbare Software Architektur Modul
210. glich Durch die mitunter iterativen Korrekturschleifen geht wertvolle Produktionszeit verloren Zudem lassen sich w hrend der offline erfolgenden Korrektur des Programms Fehleingaben und ungeeignete Prozessvorgaben nicht ausschlie en T offline im Vorfeld der Bearbeitung online im laufenden Bearbeitungsprozess Maschine Arbeitsvorbereitung NC Programm NC Steuerung Werkzeuge St rungen Rohteil realer Prozess idealisierter i m Prozess Programmkorrektur manuelle Eingriffe autom Sollwertregelung Arbeitsplan Geometriemerkmale Start Stopp Lageregelung Technologieparameter Override Vorschubregelung Strategien Werkzeuge NC Vanablen Drehzahlregelung Verfahrwege Schaltfunktionen Stromregelung Zugriff auf die vollst ndige Aufgabenkodierung Begrenzter Zugriff auf Steverungsparameter und Sollwerte Keine Eingriffe in die laufende Bearbeitung Kein direkter Zugriff auf die NC Programmvorgaben Bild 1 1 Fehlende Durchg ngigkeit beim Zugriff auf die NC Programmvorgaben Lack of consistency while accessing NC commands and set values Vor dem Hintergrund dieser Einschr nkungen wird in der vorliegenden Arbeit ein Steue rungskonzept entwickelt und evaluiert das es erm glicht den Bearbeitungsprozess ber die Manipulation der NC Programmvorgaben im laufenden Bearbeitungsprozess zu regeln Dazu interagieren das Programmiersystem die NC Steuerung sowie die zu integrieren
211. he explicit axes movements to the NC workingsteps Aus dem Uberschleifen und Zusammenfassen einzelner Bahnsegmente resultieren lange Be wegungsbahnen Diese spiegeln nicht mehr zwingend die aufgaben und operationsorientierte Segmentierung der NC Workingsteps wider Beispielsweise l sst sich im tangentialen Uber gang zwischen der Anriickbewegung und der Bearbeitungsbahn nicht mehr unterscheiden wo das Werkzeug frei steht und ab welchem Punkt es sich im Eingriff befindet Die Eingriffs funktionen lassen sich weniger pr zise steuern Die L sung besteht in einer gezielten Segmentierung innerhalb der Geometriekette sowie der Erweiterung der die Bewegungsbahnen beschreibenden Datenobjekte Gezielte Segmentierung entsprechend den NC Workingsteps Erweiterte Datenobjekte um die Informationen mehrer NC Workingsteps ber die einzelnen Segmente zu parametrieren Gezielte Segmentierung Anstelle die Kurvenverl ufe ausschlie lich aufgrund der aus dem Interpolationstakt in Kom bination mit den Beschleunigungsgrenzen resultierenden Bahnabweichungen zu segmentier ten werden zus tzliche Kriterien eingef hrt Hierzu stellen der Interpreter bzw die von ihm erzeugten NC Workingstepobjekte zu jedem Bahnsegment aufgaben und operationsorientiert Technologieinformationen bereit In der Geometrieverarbeitung werden die Technologieinfor mationen erkannt und vor der Bahnverrechnung ausgewertet Wenn eine Bewegungsbahn pr zise einem NC Workingstep ent
212. he exploitation of these potentials does not only depend on the numerical control NC and the machine tool to be controlled To a great extend the part program that contains the coding of an idealized process and its adaptation to reality determine the technical result and the prof itability of a numerically controlled machining process EVER94 Therefore industry con tinuously asks for systems supporting fast coding of reliable error prone and optimized NC programs BITZ96 STEP99 NCGO5 and on the other hand for control systems that allow to manually or automatically correct a running machining process VDW02 Based on these demands computerized methods for coding NC programs have been devel oped ever since the first numerical controls have been introduced Depending on the site of application and the complexity of the machining tasks different planning coding and simula tion systems are being used in industry For reasons of costs work environment and user qualification the functionality of these systems constantly decreases starting with the com puter aided systems in the planning department down to the shop floor with their editor based NC coding Hence the operator is not adequately supported in coding testing and correcting NC programs at the machine tool NCG93 ENGS02 As a consequence not all potentials of process machine tool and cutting tool are utilized Moreover unrecognized coding errors can lead to loss of quality collisi
213. he look a head after manipulating the programmed set values Es ist nicht m glich jeden Parametereingriff analog zur Spindeldrehzahl unmittelbar ber einen Offset mit den Sollwerten zu verrechnen Beispielsweise ist die axiale Zustellung eines Werkzeugs nur bei Maschinen mit einer zur Werkzeugachse parallelen Maschinenachse direkt manipulierbar Anderenfalls muss die Steuerung gezielt einen neuen Bahnverlauf berechnen den Bearbeitungsfortlauf verfolgen und an einer geeigneten Stelle auf die adaptierte Bahn wechseln Hierzu muss das entworfene Eingriffskonzept die weiter fortlaufenden Achsbewe gungen vor dem Hintergrund der zur Adaption erforderlichen Verarbeitungszeit ber cksichti gen Die Rechengeschwindigkeit und der Vorlauf der Geometriekette sind daher kritische Gr en innerhalb der NC programmbasierten Prozessregelung Sie m ssen minimiert und ihr negativer Einfluss kompensiert werden Zur Kontrolle des Vorlaufs bietet sich der Ansatz an die Teilfunktionen der Geometriekette zu erweitern Kann ein Eingriff nicht unmittelbar durch Verrechnung von Offsets umgesetzt werden wird in den verschiedenen Steuerungsmodulen eine Zwischenstrategie ausgel st In einem ersten Schritt meldet das den Eingriff verarbeitende Modul die Zeit zur ck innerhalb der die NC Workingsteps adaptiert neu generiert und zur Verarbeitung bereitgestellt werden Ausgehend von dieser Zeit und dem aktuellen Bearbeitungsfortschritt sch tzt die Geometrie kette einen Sy
214. hende NC Steuerungen bertragbar In einer funktionsorientierten Steuerung wie der Bosch MTX w rden die Datenobjekte der NC Workingsteps im zentralen Speicher abgelegt werden Die Jobliste entspr che dem gesteuerten Aufruf der NC Working stepmethoden Der Zustandswechsel des NC Workingsteps w rde den Abschluss eines Bosch Jobs widerspiegeln Um jedoch im laufenden Prozess bereits weiterverarbeitete NC Workingsteps adaptieren d h neu berechnen zu k nnen m sste ausgehend von dem Eingriff in die Daten des NC Workingsteps auch der erneute Aufruf der verarbeitenden Funktionen initiiert werden k nnen Dies w re ber zyklische Funktionen m glich die fortlaufend nde rungen an den Daten verfolgen und Zugriff auf die Funktionsliste haben Einfacher ist die Umsetzung in einer bereits objektorientiert implementierten NC Steuerung Softwareobjekte bieten die M glichkeit ihre Attribute d h die objektspezifischen Daten hin ter Zugriffsfunktionen zu kapseln Somit ist eine nderung nur ber einen definierten Funkti onsaufruf m glich Ein Beispiel f r eine objektorientiert programmierte NC Steuerung ist die Sinumerik 840D Die Einsprungfunktionen der Sinumerik 840D lassen sich als Zust nde in terpretieren Zwischen diesen Zust nden kann in Compilezyklen das NC Programm in Form von NC Workingsteps verarbeitet und in einer zentralen Datenbasis nachgehalten werden 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 79 6 2 4 Fortschrittst
215. hinenbediener ist kann er das Programm direkt an der Maschine erstellen testen und optimieren Zudem wird die manuelle Programmierung bei der Korrektur und zum Optimieren von beste henden Programmen eingesetzt Dabei werden besondere Anforderungen an den Facharbeiter gestellt So muss er unter anderem das NC Programm rein textbasiert interpretieren um die Bearbeitungsaufgabe und deren technologischen Ablauf rekonstruieren zu k nnen SCHI95 Wie in Bild 2 1 dargestellt ist hat er ber das NC Programm keinen Zugriff auf die f r ihn verst ndlichen aufgaben und operationsorientierten Konstruktions und Planungsdaten 8 2 Stand der Technik maschinelle Verfahren Pa manuelle Verfahren 9 Yo N10 G90 G59 X0 Y10 N20 T14 S1300 M04 N30 GOO X0 YO Z500 N40 G01 Z10 FO 1 N50 X100 N60 G02 X120 Y20 J20 N70 G01 Y200 m N80 G02 X100 Y220 I 20 2 ISRIGCLPSe Ss H CAD CAM System WOP auf sep Rechner mit NC Modul oder in der NC Steuerung Grafischer NC Editor NC Text Editor Arbeitsvorbereitung maschinenfern maschinennah System unterst tzt kein System unterst tzt den Einfahren und Optimieren SSS Werker beim Einfahren und direkt an der Maschine Optimieren an der Maschine Bild 2 3 NC Programmierverfahren Methods for NC programming Bei umfangreichen und komplexen Aufgaben st t die manuelle Programmierung schnell an ihre Grenzen Aufgrund der fehlenden Systemu
216. hkeiten sind jedoch von den Schnittstellen und Funktio nen der NC Steuerung abh ngig wodurch sie in der Regel auf eine Manipulation der Sollwer te f r Drehzahl Vorschub oder die Achspositionen beschr nkt sind Bild 2 14 unten 2 Stand der Technik 31 Konstruktion Merkmale Toleranzen gt CAD CAD CAD Kurven Fl chen Feature se seien ee aa j 9 Rohteil Feature erkennung M 7 CAM Arbeitsschritte Feature Prozesse Operationen gt Zeichnung CAM gt Werkzeuge Operationen Werkzeuge Technologie Nullpunkte Offsetwerte Werkzeugkorrekturen gt Editor wor Bearbeitungsbahnen Positionierbewegungen DIN 66025 NG Programm G und M Codes gt Weg Technologie und Schaltbefehle Bearbaiung gg S RE Me ne Interpreters gt Satzfortschritt Werkzeugverschlei gt WZ Korrektur Transformation Guarda or interpolator Soll Position O Sollwertkorrekturen gt Zeitdiskrete Sollwerte gt Ist Position Strom SPS Lageregler Antriebe Bild 2 14 Heutiger Informations und Funktionsverlust von der Planung zur Bearbeitung Today s loss of information and functionality from planning to machining Eine L sung um das NC Programm und dessen Abarbeitung w hrend der Bearbeitung zu manipulieren ist industriell nicht verf gbar Hierzu fehlt es zum einen an der notwendi
217. hnitttiefe begrenzten Ansatz 28 2 Stand der Technik vor Er kodiert die axiale Schnitttiefe mit NC Variablen In einem rampenf rmigen Lern schnitt bestimmt er dann die ideale Schnitttiefe speichert sie in den Variablen und bernimmt sie so in das auszuf hrende Bearbeitungsprogramm In einer Schleife werden die program mierten Bahnsegmente solange wiederholt bis durch eine schrittweise Zustellung um die er mittelte Schnitttiefe die Sollvorgabe erreicht ist VERS04 Dieser Ansatz hat verschiedene Nachteile Zum einen handelt es sich anstelle einer Regelung um eine Steuerung da der aktu elle Prozessverlauf nicht ber cksichtigt wird Zudem wird die Programmierung komplizierter da die alternativen Bewegungsbahnen vorgeplant und parametriert werden m ssen Als Steu erparameter steht nur die axiale Schnitttiefe nicht jedoch die Eingriffsbreite oder die Strategie der Schnittaufteilung zur Verf gung Adaptive Schnittaufteilung Eine komplexere mehrdimensionale L sung wurde von Brouer f r die Fr sbearbeitung von ebenen Taschenproblemen vorgestellt Auf der Grundlage einer im Rahmen des SFB 368 entwickelten featureorientierten NC Programmierschnittstelle STEP NC berechnet er die Schnittaufteilung zur Laufzeit in der NC Steuerung Sein Konzept sieht vor dass bei Prozess st rungen wie dem regenerativen Rattern neue Verfahrwege mit reduzierter Schnitttiefe und breite berechnet werden BROU00 Da die Bahnaufl sung jedoch nicht mit
218. i bung zur Fertigung des in den Bild 11 2 dargestellten Bauteils P for 7 laj x 3D Simulation NCKommentare Jst F v Pl len Jee Fle p Fn B oslo ajola a A 17A 8 2 Al 159 18mm Bohrungen 104 10mm Bohrungen 87 geschlossene Nut 78 offene Nut 45 AuBenprofil isi sL first_radhus toleranced_fenyth measure first ange 90 second_radius toleranced_length_measure seeond arge 90 end _sondtons 2 Bements E Q slot closed slot 135 0 54 9 30 0 1 gt Round hole 10mm fF 1st round hale 10mm gt 2nd round hole 10mm 23rd round hole 10mm 1 fP Ath round hole 10mm gt round hole 10mm first in open stat gt round hole 10mm second in open stot gt round hole 10mm in closed slat amp gt Drillbole 18mm 20 79 9 30 M 7 Drillhole 18mm 57 5 59 9 30 60 45mm Bohrung El Bild 11 2 Ansicht des Referenzwerkst cks im realisierten WOP System Reference part generated and programmed in the realized SFP System Zur einfacheren Lesbarkeit sind die Referenzen ausgehend von den Arbeitsschritten sortiert worden Die wichtigsten Elemente des NC Programms finden sich unter folgenden Referen zen Projekt 186 Arbeitsplan 180 179 Arbeitsschritte 46 61 79 88 105 111 116 121 126 137 141 145 160 165 Merkmale 45 60 78 87 104 110 115 120 125 134 140 144 159 164 Operationen 26 51 2x 63 5x 95 3x 136
219. icht adaptierten Bahnsegmente die durch die Kommunikati onsplattform der WZL NC gepuffert auf ihre Verarbeitung in den einzelnen Modulen warten werden in einem letzten Schritt gel scht Hierzu wird ein eindeutiger Nummernschl ssel ge nutzt den jedes durch den Interpreter erzeugte Segment und jede Funktion eindeutig kenn zeichnet und deren Status der Interpreter ber den durch die Steuerungsr ckmeldung initiier ten Fortschrittszeiger nach h lt Da der Interpolator zwischenzeitlich ber Offsets die alte Bahn axial zugestellt hat kann er nahtlos mit dem Eintreffen der adaptierten NC Workingstep Nachrichten auf die korrigierte Bahn wechseln 8 2 2 Adaption der Werkzeug berdeckung Adapting the radial overlap of the tool Die Geschwindigkeit der Adaption wird ma geblich von den Puffern und der Rechenzeit der einzelnen Steuerungsmodule bestimmt Eine schnelle Reaktion wie bei der Schnitttiefenadap tion w re nur durch eine umfassende Erweiterung der einzelnen Steuerungsmodule und damit einer Spezialisierung der Steuerung m glich Dieses widerspr che dem Konzept einer Basis steuerung mit modularen Erweiterungen Ein m glicher L sungsansatz ist die Berechnung eines Ausweichvektors im Interpreter Die ser wird im Interpreter lotrecht zu Werkzeugbahn und Werkzeugachse weg von der n chstge legenen Begrenzungskontur des Beareitungsmerkmals berechnet Die L nge des Vektors be stimmt sich aus der aktuellen berdeckung dem Werkzeug
220. ie und maschinenspezifisch Sie soll ten daher zentral vorgehalten werden so dass der Anwender als auch eine Prozessregelung hierauf einfach zugreifen k nnen Typische Parameter sind die heute ber Override zentral manipulierbaren Vorsch be und Spindel Werkzeugdrehzahlen Weitere auf Basis des heuti gen DIN Codes nicht greifbare Parameter leiten sich aus der entwickelten NC Programmier schnittstelle und den darin enthaltenen Arbeitsschritten und Operationen ab Als Beispiele seien hier das aktive Werkzeug Sicherheitsebenen operationsabh ngige Override f r Verbin dungs Anr ck Zustell und Bearbeitungsbewegungen oder die Variation der Schnitttiefe und breite bei der Fr sbearbeitung genannt Diese Schnittstellen stellen Eingriffsparameter als Steuerungsvariable zentral zur Verf gung Die die NC Workingsteps verarbeitenden Steuerungsmodule lesen diese Variablen aus und verrechnen sie mit den Vorgaben der NC Workingsteps Konzeptabh ngig k nnen die Ein griffe nach dem laufenden Arbeitsschritt zur ckgesetzt werden oder aber programmweit g l tig sein Dem Anwender bietet dieser Ansatz ein einfaches Mittel um gezielt technologische Vorgaben zu ndern ohne das Programm eigens anhalten korrigieren und neu starten zu m ssen 6 2 2 Abbilden des NC Programms auf NC Workingsteps Mapping of the NC program to the NC workingsteps Der Parser kann den Inhalt des NC Programms nur einlesen nicht jedoch logisch auswerten um sie in eine
221. ie reagie ren damit ereignisgesteuert und werden zur Anzeige des Abarbeitungsfortschritts oder zur Parametrierung der Prozess berwachung und regelung genutzt Ferner kann die Bibliothek von mehreren Anwendungen und Modulen parallel eingebunden werden In ihrem Speicherbereich wird das NC Programm zentral geladen und gemeinsam ohne redundante Kopien gemeinsam genutzt nderungen an den Programmelementen stehen unmittelbar systemweit zur Verf gung Die einzelnen Elemente lassen sich ber die Funktio nen der Bibliothek neu erstellen l schen kopieren manipulieren und als Nachrichten intern austauschen Diese L sung dient als Grundlage um beispielsweise in der Programmierober fl che eine nderung durch mehrere Simulations und berwachungsfunktionen zu berpr fen bevor sie in das Programm bernommen wird Die Funktionen der Bibliothek enthalten keine prozess merkmals und operationsspezifische Logik Sie haben prim r die Aufgabe auf das physikalische NC Programm zuzugreifen und dessen Inhalt den verarbeitenden Funktionen der Programmier und Steuerungssysteme be reitzustellen Die logische Auswertung und das Ableiten von Reaktionen bernehmen die Programmier Anzeige und Steuerungssysteme 8 1 2 CAM Systeme zur ISO 14649 Programmerstellung CAM System for generating ISO 14640 NC programs Aufgrund der Vielzahl der Datenelemente und ihrer komplexen Referenzierung innerhalb des NC Programms f hrt eine manuelle Programmerstell
222. ientierten Pro grammierung in STEP NC Gedruckt auf holz und s urefreiem Papier 100 chlorfrei gebleicht Apprimus Verlag Aachen 2009 Wissenschaftsverlag des Instituts f r Industriekommunikation und Fachmedien an der RWTH Aachen Steinbachstr 25 52074 Aachen Internet www apprimus verlag de E Mail info apprimus verlag de Die Verwertung der Texte und Bilder a ags urheberrechtswidrig und strafbar uch auszugsweise ist ohne Zustimmung des Ver Dies gilt auch f r Vervielf ltigungen bersetzun gen Mikroverfilmung und fur die Verarbeitung mit elektronischen Systemen Printed in Germany ISBN 978 3 940565 28 0 D 82 Diss RWTH Aachen University 2009 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verf gbar Vorwort Die vorliegende Arbeit entstand w hrend meiner T tigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der Rheinisch Westf lischen Technischen Hochschule Aachen An vorderster Stelle bedanke ich mich bei Herrn Prof em Dr Ing Dr Ing E h Dr Ing E h Manfred Weck Er erm glichte es mir an seinem ehemaligen Lehrstuhl in vielf ltigen Projek ten und in einem fachlich breit aufgestellten Kollegium ein umfangreiches Wissen in der Au tomatisierungstechnik zu erlernen und eigenverantwortlich in internationalen Projekten einzu setzen F r das mir dabei entgegengebrachte Vertrauen die Freir ume sowie di
223. iert Bei den in Deutschland hergestellten spanenden und abtragenden Werkzeugmaschinen liegt ihr Anteil bei ber 85 VDW04 Gegen ber der Fertigung mit manuell oder mechanisch gesteuerten Maschinen bieten sie eine Vielzahl von Vorteilen Hierzu z hlen die Automation von Be arbeitungsabl ufen kurze Durchlaufzeiten eine hohe Reproduzierbarkeit bei gleichbleibender Qualit t und die flexible Bearbeitung unterschiedlicher Bauteile WECKOlc KIEFO3 Die Ausnutzung dieser Potentiale h ngt jedoch nicht nur von der Numerischen Steuerung NC und der anzusteuernden Werkzeugmaschine ab In einem hohen Ma e bestimmen das Steuerungsprogramm in dem der Bearbeitungsablauf ausgehend von einem idealisierten Pro zessmodell im Vorfeld der Bearbeitung kodiert wurde und seine Anpassung an die reale Fer tigungssituation das Ergebnis und die Wirtschaftlichkeit der NC Bearbeitung EVER94 Fortlaufend fordert die Industrie daher zum einen unterst tzende Systeme zur schnellen Be reitstellung fehlerfreier und optimierter NC Programme BITZ96 STEP99 NCGOS5 und zum anderen Regelsysteme um bei Prozessabweichungen automatisiert oder manuell in den lau fenden Bearbeitungsprozess eingreifen zu k nnen VDW02 Ausgehend von diesen Forderungen werden seit der Entwicklung der ersten NC Steuerung rechner und computergest tzte Verfahren zur Erstellung m glichst fehlerfreier und opti mierter NC Programme entwickelt In Abh ngigkeit von dem Einsatzort und der Kom
224. ierte Aufgabenmodelle umsetzt Innerhalb dieser Aufgaben die im Folgenden als NC Workingsteps Kapitel 6 1 bezeichnet werden bleiben die im NC Programm kodierten Aufgabenbeschreibungen und Vorgaben durchg ngig verf gbar und werden nach au en als Schnittstellen zur Fortschrittsverfolgung oder f r Prozesseingriffe zur Verf gung gestellt Der Interpreter Kapitel 6 2 l st die in den Arbeitsschritten des NC Programms enthaltenen Vorgaben schrittweise in verkettete Listen elementarer steuerungsspezifischer NC Working steps auf Bild 6 2 Hierzu werden steuerungs und maschinenoptimierte Verfahrbewegungen Anweisungen zum Schalten von Maschinenfunktionen und Synchronisationsmarken gene riert Mit dem Ziel spezifisches Prozesswissen in der Programmaufl sung einsetzen zu k n nen lassen sich die Umsetzungsroutinen des Interpreters miteinander kombinieren erweitern oder durch spezialisierte Routinen eines Systementwicklers austauschen Hierzu werden die NC Workingsteps des Interpreters als eine offen erweiterbare Bibliothek realisiert Physikalisches NC Programm nach ISO 14649 Abbildung auf interne NC Workingstepobjekte im NC Interpreter ISO 10303 21 formatiert nach STEP ISO 10303 21 1 Project suchen und den Workplan aufl sen NC_Project NC_Workplan NC_PocketWorkingstep 2 WORKPLAN Arbeitsplan 10 35 48 7 3 WORKPIECE Fertigteil 56 87 40 17 8 2 Workingsteps in Abh von Operation und Featur
225. ig von der Komplexit t der Tasche vgl Tabelle 8 2 Das zu zerspanende Restvolumen wird in weniger als 15 ms in neue in ihrem Abstand korrigierte asymptotische Bahn Workingsteps aufgel st 05 01 01 21 30 wr Frozesserzutellung unter VxWorks wt i fi Lat mal tMtsCh14 1 21514 user11 addr 0x0 size 0x0 data 52 hidden TSQ I 3 eto IHN gma wt Interval 2 53734 s 2 6962 lose 158 872 ms 52 hidden CO Nachrichtenpipe Wechsel auf die adaptierte Interpreter und Geometriekette Bahn nach Erreichen des WZK Trafo Haan Synchronisationspunktes Interpolator j Kommunikation 2 Trigger Rechen amp Kommunikationszeit 78 ms Reaktionszeit zwischen Eingriff und Wechsel auf die adaptierte Bahn 123 ms gt Bild 8 11 Zeitanteil der Kommunikation zwischen den Modulen der WZL NC Delta times of the communication between modules of the WZL NC Sobald die ersten adaptierten NC Workingsteps generiert sind starten diese in parallelen Tasks selbstst ndig mit ihrer Weiterverarbeitung und werden ber das Frontend der WZL NC als Nachrichten an die nachfolgenden auf der VxWorks Plattform installierten Module der Geometriekette verschickt Dort werden die Bahnsegmente gepuffert um sie auf die Spline der WZL NC umzusetzen zu transformieren und das Geschwindigkeitsprofil zu berechnen Parallel wird die hoch priore Nachrich
226. ihre Vorgaben sowie die der untergeordneten und nachfolgenden NC Workingsteps Indem diese Funktionalit ten aufeinander aufbauen stehen sie unmittelbar in erweiterten NC Workingsteps zur Verf gung und unterst tzen die Entwick lung neuer Prozessabl ufe und Eingriffsmethoden Da die Umsetzung des Eingriffs in den NC Workingsteps realisiert wird lassen sich eigene Entwicklungen einfach als Bibliotheken in der Steuerung erg nzen und die internen Algorithmen d h das Prozesswissen sch tzen Um die Reaktionszeiten nach einem Eingriff zu minimieren generieren die NC Workingsteps pr ventiv bergangs und Abbruchstrategien Bezogen auf die Bewegungsf hrung wurde dazu die entwickelte NC Steuerung um Offsetvektoren erweitert die ber die Achsbewegun gen parametriert werden Auf diese Vektoren werden die im NC Programm kodierten den Bahnverlauf bestimmenden Prozessparameter bertragen und in der Geometriekette bewe gungssynchron auf die Maschinenkinematik abgebildet Im Eingriffsfall werden die Offset werte kontinuierlich und richtungsorientiert mit den geplanten Sollwerten verrechnet bis die adaptierte Bahn berechnet weiterverarbeitet und zur Ausf hrung bereitgestellt wird Die entwickelten Vorteile einer aufgabenorientierten Prozessverfolgung und der steuerungsin ternen Merkmal und Operationsaufl sung lassen sich in bestehenden NC Steuerungen mit geringem Aufwand realisieren Dazu werden die vorhandenen Algorithmen zur Abarbeitung der her
227. im Vorfeld der Bearbeitung eingesetzt werden und daher von einem angenommenen idealisierten Prozessmodell ausge hen m ssen Bild 2 14 oben Abweichungen und Streuungen des realen Prozesses werden in der Planung durch Sicherheitsbeiwerte abgesch tzt Die Folge sind suboptimale moderate Technologieparameter und Bearbeitungsbahnen Im Fall von Fehlannahmen kann es zudem zur berlastung kommen und damit zu negativen Auswirkungen auf die Standzeit der Werk zeuge die Belastung der Maschine oder das Bearbeitungsergebnis Ein weiterer Nachteil der NC Verfahrenskette resultiert aus den begrenzten M glichkeiten zur Programmanpassung an der Maschine Die Ursache hierf r liegt in dem auf Schalt und Weg befehle reduzierten Informationsgehalt des NC Programms Bild 2 14 Mitte Es fehlt die Grundlage f r eine Umplanung des Ablaufs oder die Neuberechnung der Technologieparame ter und der daraus resultierenden Schnittaufteilung W hrend des Einfahrens und Optimierens geht so wertvolle Zeit f r Iterationsschleifen mit der Bearbeitungsplanung und NC Programmierung verloren Dar ber hinaus k nnen Fehler bei der NC Programmierung Abweichungen der Bearbei tungsaufma e oder St rungen im Bearbeitungsprozess nicht sicher ausgeschlossen werden Um direkt an der Maschine in den Prozess eingreifen zu k nnen gibt es daher Handschalter in der Benutzerschnittstelle der Steuerung sowie automatisierte berwachungs und Rege lungssysteme Diese Eingriffsm glic
228. in serielles Bussystem auf die Daten und Funktionen der NC Steuerung und der SPS zugreifen k nnen In der Regel basiert die MMC auf PC Hardware und Windows Betriebs systemen Neben kosteng nstigen integrierten L sungen in denen das MMC und der NC Kern auf einem Prozessor laufen werden in leistungsf higen Steuerungen gezielt getrennte Prozessoren eingesetzt um den echtzeitkritischen NC Kern nicht durch die teilweise ressour cenintensiven Applikationen des Bedienbereichs zu belasten WECKO1d 7 1 2 1 Variable Funktionsbelegung der Hard und Softwareschalter Addressing functions flexibly to hard keys and soft keys Zur Abbildung der erweiterten aufgaben und prozessorientierten Eingriffsoptionen in das Benutzungssystem bieten sich sowohl die Schalter und Regler der Maschinensteuertafel als auch die grafisch interaktiven Eingabemechanismen des MMC an Die Schalter sind direkt greifbar und k nnen blind benutzt werden w hrend der Werker den Bearbeitungsprozess wei ter beobachtet Das ist bei den anzeigeorientierten Interaktionsmechanismen des MMC nicht m glich Bei ihnen erfolgt die Eingabe ber Steuerelemente am Monitor sogenannte Soft controls die situationsabh ngig angezeigt werden und mit grafischen Darstellungen das Pro zessverst ndnis des Werkers unterst tzen Typische Controls sind Textfelder oder animierte Schalter Schieber Check Boxen und Auswahlmen s Die Eingabe erfolgt entweder ber die Softkeys am Rand der Anzeige ein
229. ind die in der Siemens 840D verwendeten propriet ren Bindings oder offene Stan dards wie Microsoft DDE OPC und nicht zuletzt die OSACA Schnittstellenmechanismen Innerhalb des Interpreters werden die einzelnen Variablen entweder direkt von den NC Workingsteps bedient und abgerufen oder auf Nachrichten zur Kommunikation mit der ver ketteten NC Workingstepstruktur abgebildet Betrachtet man die Benutzerschnittstelle und die Prozess berwachung als Clients so sind die NC Workingsteps die Serverobjekte von denen die zu manipulierenden Parameter bereitgestellt werden Da die NC Workingsteps erst in Ab h ngigkeit von den NC Programmvorgaben sowie der Programmumsetzung zur Laufzeit in stanziiert werden muss der Interpreter die Schnittstellenparameter ebenso dynamisch anbie ten oder aber zentral vorhalten Die externen Benutzer und Regelmodule verbinden sich in Abh ngigkeit von der Bearbeitungsaufgabe die ebenfalls vom Interpreter gemeldet wird mit den Schnittstellen und bieten somit kontextorientierte Eingriffsmethoden an Typische Variablen sind der Wechsel in den Einzelsatzmodus das einzusetzende Werkzeug ein operationsabh ngiger Vorschub die H he einer Sicherheitsebene oder die Schnitttiefe Sie leiten sich direkt aus den Elementen der NC Programmierschnittstelle als auch den Parame tern der implementierten NC Workingsteps ab Es bieten sich daher die gleichen generischen Ans tze zur Implementierung der Variablenstrukturen an wie sie ber
230. ine tool while correcting or opti mizing machining programs These programs only describe a sequence of simple toolpath and switching commands to be executed by a numerical control They do not provide any plan ning information like working steps features or operations to the operator Based on this poor level of information he can hardly review the machining process The consequences are errors while generating editing or optimizing machining programs in the shop floor At runtime the machining program cannot be changed There are only few parameters and variables which can be used for process manipulation at runtime A programmed toolpath or a selected tool can only be changed after stopping program execution This causes downtimes at the machine tool and high costs Even if these downtimes can be compensated in mass pro duction by a larger quantities of parts the lack of consistency between planning data and ma chining program limits the feedback of changes and optimizations at the NC In a first step this thesis analyzed these deficits and defined the requirements of NC pro gramming operator support and manipulatable program processing On the part of program ming these requirements focus a solution providing consistent and universal information from planning to machining that reflects the process understanding of the operator Inside the numerical control this information shall be used to display the machining progress and ge ometry to
231. iner aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung Der Einsatz von DLLs Dynamik Link Libraries bietet eine besonders gro e Flexibilit t da sie zur Laufzeit durch den Anwender konfiguriert dynamisch in den Arbeitsspeicher geladen und aktiviert werden K nnen Dazu muss der Anwender die Erweiterungsmodule lediglich auf den Steuerungsrechner kopieren und sie in die beschriebenen Konfigurationsdateien der Sub systeme eintragen Die Aktivierung erfolgt automatisch mit dem Systemstart oder dem Laden des n chsten NC Programms Dieser flexible Ansatz ist bereits bei Office Anwendungen Systemupdates oder Treibern vgl Druckerinstallation stark verbreitet 5 3 1 Kommunikationsschnittstelle auf der Basis des NC Programms Communication interface based on the NC program Mit dem Ziel auf bestehenden NC Steuerungen aufsetzen zu k nnen und potentielle Migrati onswege aufzuzeigen orientiert sich die Struktur des entwickelten Systemaufbaus an konven tionellen NC Funktionsbereichen und Schnittstellen Dazu muss das Konzept auch die g ngi ge soft sowie hardwaretechnische Trennung von Benutzeroberfl che NC Steuerung und den darin implementierten Subsystemen erm glichen In konventionellen Steuerungskonzepten wird das NC Programm als Datei zwischen den Teilsystemen ausgetauscht Jede der Applikationen liest die Programmvorgaben individuell ein und verhindert durch das Setzen von Schreib und Leserechten Zugriffskonflikte Bild 5 10 oben Die
232. integration von Uberwachungs und Regelungssystemen 29 A Priest 30 3 Zielsetzung und Vorgehensweise u esssssessossessnnsensnsesnsnsenssnsenssnsenssnnensssnennssnennssnesnsnnenne 33 3 1 Zielsetzung seine mann Kae E S EEEE EEES 33 3 2 Vorgehensweise ne en ea ablesen ea 34 4 Anforderungen an die Programmierung und Programmverarbeitung 006 37 4 1 Anforderungen an das NC Programm uus240ssnsnssnseessnneensnnnnnnnnennnnnennnnnnnnnnnnn 37 4 2 Anforderungen an die NC Steterung en edad evastayadessdacshusansees 39 4 3 Anforderungen an die Benutzerschnittstelle 2444220442280 n Berner snnennnennnenen 40 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 000 41 5 1 Aufgaben und prozessbeschreibende NC Programmierschnittstelle 43 5 1 1 _ Formaler Aufbau der Programmierschnittstelle 0r0r seen 43 5 1 2 Datenelemente der NC Programmierschnittstelle uu nn 46 5 2 Prozessverfolgung und eingriffe ber NC Programmierobjekte u nen 51 5 2 1 Aufgaben und prozessorientierte Fortschrittsverfolgung 52 5 2 2 Aufgaben und prozessorientierte Bearbeitungseingriffe uur nee 53 5 3 Modular erweiterbare Software Architektur 2000200000ssneensnneennenennn nenn ennnnn een 55 3 315 Kommunikationsschnittstelle auf der B
233. ion 2004 ISO 10303 21 IS Industrial automation systems and integration Product data representation and exchange Part 21 Implementation methods Clear text encoding of the exchange structure Genf International Organization for Standardisation 2002 ISO 10303 AP 224 DIS Industrial automation systems and integration Product data representation and exchange Part 224 Mechanical Product Definition for Process Planning Using Machining Features Genf Interna tional Organization for Standardisation 1997 ISO 10303 AP 238 Industrial automation systems and integration Product data representation and exchange Part 238 Application Protocol Applica tion interpreted model for computerized numeric controllers Genf Interna tional Organization for Standardisation 2007 ISO 14649 Part 1 IS Industrial automation systems and integration Physical device control Data model for computerized numerical controllers Part 1 Overview and fundamental principles Genf International Organiza tion for Standardization 2003 ISO 14649 Part 10 IS Industrial automation systems and integration Physical device control Data model for computerized numerical controllers Part 10 General process data Genf International Organisation for Stan dardization 2004 ISO 14649 Part 11 Industrial automation systems and integration Physical device control Data model for computerized numerical controllers
234. ion im Kontext von Spannlagen CAP Strategie Aufgaben amp Online Korrektur Arbeitsschritte Technologie Featuren mit Bezug zum Prozess Operationen a Werkzeug generiert Arbeitsschritte Operation Strategien Werkzeuge Werkzeuge Strategien Technologiedaten wor Bor Technologieparameter Arbeitsschritt 12 Feature berwachung Regelung Prozess berwachung amp auf Basis detaillierter Modelle Operationen Werkzeugdaten Operation a Kontaktbogen Abtragvolumen Bild 3 1 Durchg ngig verf gbare Aufgaben und Geometriebeschreibung von der NC Programmierung ber die Abarbeitung bis in die berwachung und Regelung Continuously accessible task and geometry description from NC programming to program execution in the numerical control process monitoring and control 3 2 Vorgehensweise Approach Im Stand der Technik wurde gezeigt dass entlang der NC Prozesskette abgeschlossene Berei che durchlaufen werden die durch spezialisierte Computersysteme unterst tzt werden Diese grenzen sich voneinander durch definierte Schnittstellen ab die jedoch den Informationsge halt schrittweise auf die minimalen zur Ausf hrung notwendigen NC Programmcodes redu zieren F r aufgaben und prozessorientierte Eingriffe an der Maschine fehlt folglich die not wendige vollst ndige Informationsgrundlage Daher werden ausgehend von einer Anforde rungsanalyse steuerungstechnische L sungen erarbeitet die die erford
235. ionen darstellen und erproben zu k nnen Die im Rah men dieser Arbeit realisierten Prototypen sind in Bild 8 1 dargestellt CAM CAM WOP NC Steuerung NC Steuerung WOP NC CATIA V5 HyperFact ShopMill Sinumerik 840D MTC 200 StepNC SFP WZL NC assault Systemes Open Mind Siemens Siemens Bosch Rexroth _Postprozessor d Aare 7 Lesen und Lesen und opplung Schreiben Senreiben Schreiben ber das Te Lesen NC Programm NC Programmierschnittstelle ISO 14649 durchg ngige und zusammenh ngende Aufgaben Geometrie und Operationsbeschreibung Mit Projektpartnern Realisierte realisierte Prototypen Prototypen Bild 8 1 berblick ber die im Rahmen dieser Arbeit mit entwickelten Systeme Overview to the systems co realized within this thesis 124 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 8 1 1 Zugriff auf die NC Programmierschnittstelle Access to the NC programming interface Das in den vorangegangenen Kapiteln erarbeitete Konzept trennt eindeutig die im NC Pro gramm gespeicherte Beschreibung der Bearbeitungsaufgabe und deren Umsetzung auf Soll werte und elementare Steuerungsfunktionen durch die NC Steuerung Aufgrund der Vielzahl der m glichen Fertigungsprozesse Maschinenkonfigurationen und Umsetzungsstrategien ist eine statische Einbindung der NC Programmierschnittstelle sowie eine fest kodierte Abbil dung der Programmelemente auf einzelne Funktionen nicht zielf hrend Entsprechend dem
236. ionsverhalten einer Steuerung h ngt ma geblich von der Geschwindigkeit ab mit der Daten intern neu verarbeitet und adaptierte Sollwerte bereitgestellt werden k nnen An stelle die einzelnen NC Befehle sequentiell mit dem Abarbeitungsfortschritt zu verarbeiten bieten sich auf der Grundlage des vorgestellten Konzepts der aufgaben und ablauforientierten NC Workingsteps eine parallele vorausschauende Programmumsetzung an Jeder der im NC Programm enthaltenen NC Workingsteps und den daraus zu generierenden NC Workingsteps liest unabh ngig die Vorgaben des NC Programms ein und setzt diese soweit um wie das ohne den Zugriff auf noch ausstehende prozessabh ngige Parameter der vorangehenden NC Workingsteps m glich ist So werden parallel zur laufenden Bearbeitung weitere NC Wor kingsteps vorverarbeitet und stehen f r eine schnelle Abarbeitung im Datenspeicher der Steu erung bereit Zus tzlich lassen sich neben dem geplanten Prozessverlauf alternativ auszuf h rende Abl ufe generieren Diese k nnen im Fall eines Eingriffs direkt aufgerufen werden ohne die Zeit einer dann erst einsetzenden Berechnung alternativer Bahn und Schaltsequen zen zu verlieren Dazu werden gesteuert durch den Abarbeitungsfortschritt und die beschriebenen Zust nde Funktionen der NC Workingsteps aufgerufen und in eigenen Threads ausgef hrt Beispiels weise l sen sich mit dem Programmstart die STEP NC Workingsteps Project Workplan 78 6 Steuerungskern zu
237. it hilfe der realisierten WOP Systeme angepasst werden so dass ausgehend von den Nullpunk ten und realen Werkzeugen die Bearbeitung gestartet wurde Die werkzeugangepasste Schnitt aufteilung sowie die maschinenspezifische Funktionsanpassung bernahmen die NC Steuer ungen basierend auf ihren Zyklen oder den f r die NC Workingsteps realisierten Algorith men Der Werker an der Maschine musste keine weiteren Anpassungsarbeiten leisten und wurde ausgehend von seinem aufgaben merkmals und operationsorientierten Prozessver st ndnis effektiv an der Maschine unterst tzt Steuerung Maschine ISO 14649 Anbindung Bosch Rexroth MTC 3 achsiger MAHO Mahomat Compiler im Interpreter 5 achsige Hermle C 800 U Sinumerik 840D 3 achsige Chiron Fz 22 S Postprozessor amp ShopMill 5 achsige Chiron Fz 15 S WZL NC 5 achsige MAHO MH 600E Durchg ngige L sung im NCK Tabelle 8 1 F r praktische Versuche eingesetzte NC Steuerungen und Fr smaschinen Numeric controls and machine tools used for testing 8 3 2 Zeitverhalten in einer modularen dezentralen Steuerungsarchitektur W hrend der Reaktionszeit die zwischen einem Regeleingriff und dem Wechsel auf eine von den NC Workingsteps neu berechneten Werkzeugbahn vergeht wird die alte Bahn fortge 136 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung setzt oder tiber eine Verrechnung von Offsets mit den gepufferten Sollvorgaben korrigiert Der Korrekturwert der Offsets ist je
238. itverhalten kontrollieren Dar ber hinaus dient das Grundsystem als Plattform ber die die HMI Erweiterungen interagieren und koordiniert auf das NC Programm sowie die Schnittstellen zur NC Steuerung zugreifen Laden und steuern der Erweiterungsmodule Die Anforderung den Funktionsumfang des HMI flexibel erweitern und konfigurieren zu k nnen l sst sich nicht ber statisch verkn pfte oder f r den Anwender unzug nglich regist rierte Bibliotheken realisieren Eine offene L sung sind Konfigurationsdateien in denen die verf gbaren Schnittstellen des HMI Grundsystems beschrieben sind und in denen die Biblio theken mit ihren Aufrufparametern textbasiert zugewiesen werden k nnen Die Konfiguration kann entweder h ndisch in einem Editor oder mithilfe eines eigenen HMI Funktionsmoduls grafisch interaktiv erfolgen W hrend des Systemstarts oder initiiert durch den Anwender liest das Grundsystem die Konfigurationsdatei ein entl dt alle nicht mehr relevanten Bibliotheken und ActiveX Controls bevor die neuen Elemente geladen mit den Basisfunktionen verbunden und initialisiert werden Die API der einzelnen Bibliotheken wird vom Grundsystem vorgege ben damit die Schnittstellen eindeutig aufgerufen werden k nnen Zu der API geh ren unter anderem Anzeigefenster Men leisten Dialoge Schnittstelleninterfaces zur NC Steuerung Berechnungs und Verifikationsroutinen Durch sie werden der grafische Aufbau und der Funktionsumfang des HMI definiert
239. keit nach unten angefragt bevor sie sich und alle Sub Workingsteps adaptieren Zus tzlich melden die NC Workingsteps Fehler wenn sie eine Adaption nicht umsetzen k nnen Die Fehlermeldung wird an die vorangehenden und die n chst h heren NC Workingsteps zur ck gemeldet um dort die Adaption zu korrigieren oder abzubrechen Korrektur der programmierten nachfolgenden Bahn und Prozessf hrung Dieser L sungsansatz stellt sicher dass die Parametereingriffe unmittelbar berpr ft ausge f hrt und nachhaltig in die Programmumsetzung bernommen werden Das Erreichen beste hender Grenzen wird fr hzeitig erkannt und indem die NC Workingsteps die nachfolgende Bearbeitung adaptieren oder neu umsetzen wird der Prozess so angepasst dass neue erwei terte Grenzen entstehen Damit wird der Anforderung Rechnung getragen den Bearbeitungs prozess nicht nur lokal zu korrigieren sondern ohne Programmunterbrechung umplanen zu k nnen Beispielsweise l sst sich innerhalb der NC Workingsteps auswerten wie weit eine kartesische Werkzeugachse zur ckgezogen oder zus tzlich zugestellt wurde ber die Geo metrie des Merkmals und die effektive Wirkl nge des Werkzeugs errechnet der f r die Bahn aufl sung des Merkmals zust ndige NC Workingstep ob zus tzliche Bearbeitungsebenen eingef gt werden m ssen oder die finale Sollkontur berschritten wird Steuerung der Eingriffe in Abh ngigkeit von der Bearbeitungsoperation Die NC Workingsteplisten fa
240. kingsteps m glich um Erweiterungen der NC Programmierschnittstelle interpretieren und umsetzen zu k nnen Innerhalb des Interpreters werden die erforderlichen Grundfunktionen ber eine offene Softwareschnittstelle das sogenannte Application Programming Interface API bereitgestellt Das API dient der Integration individueller NC Workingstepobjekte mit den darin enthaltenen Bearbeitungsalgorithmen und deren Zuordnung zu den umzusetzenden NC Programmelementen vergl API f r Bearbeitungsalgorithmen in Bild 6 8 Je nach implementiertem Algorithmus kann ein NC Workingstep eine einfache Verfahrbewe gung bis hin zu einem komplexen Zyklus bzw einem STEP NC Feature Workingstep inter pretieren Gegen ber der Zyklenaufl sung heutiger Compiler erlaubt dieser Ansatz dass die Interpretation zusammenh ngend erfolgt und der Kontext zu den auszuf hrenden Bearbei tungsaufgaben bis in die Steuerung beibehalten wird Datentechnisch wird das NC Programm nur einmal zentral eingelesen Es wird nicht von einem Pr prozessor auf elementare Steue rungscodes heruntergebrochen um dann von der NC Steuerung sequentiell verarbeitet zu werden Die NC Steuerung erzeugt auch keine tempor re f r den Anwender nicht greifbare Zwischendatei Im Datenspeicher des NC Interpreters werden alle aus dem NC Programm abgeleiteten NC Workingsteps zentral verwaltet ber ihre datentechnischen Verkn pfungen k nnen sie untereinander Daten austauschen und Funktionen aufrufen
241. ktive Grafiken Auswahllisten Schiebe und Drehreg ler Diese werden von den Anwendungen der Benutzerschnittstelle in Abh ngigkeit von der aktuellen Operation und dem zu bearbeitenden Merkmal mit Parametern und Auswahloptio nen vorbelegt Somit k nnen die Eingriffe schnell und mit m glichst wenigen Fehleingaben erfolgen Die erforderlichen Sollvorgaben werden aus den Parametern des NC Programms und den in der Steuerung implementierten Regelfunktionen abgeleitet Die Ist Prozessdaten werden aus den Schnittstellen der NC Steuerung oder externer berwachungssysteme ausge lesen Dieses Konzept erlaubt es Nullpunktverschiebungen Setup die Arbeitsschrittfolge Workplan Workingstep Werkzeuge Machining Tool An und Abfahrbewegungen Ap proach Retract Strategien Machining Strategy Schnittparameter Technology etc ohne eine Programmunterbrechung vorausschauend in der Oberfl che zu korrigieren b Eingriffe in verkn pfte aktuell auszuf hrende Programmvorgaben Mit fortschreitendem Grad der Programmumsetzung und dem Zugriff der SPS und Antriebe auf die dabei generierten Sollwerte nehmen die Eingriffsm glichkeiten in die NC Programm vorgaben und deren Umsetzung ab Beispielsweise kann aufgrund der im Antriebsregler ge pufferten Sollwerte und der Tr gheit des Antriebsstrangs das Profil einer Achsbewegung nicht beliebig ge ndert werden Zus tzlich zu diesen mechanischen und steuerungstechni schen Einschr nkungen m ssen technolo
242. kzeug Maschinen und Prozesskenndaten abrufen Unbekannte Informationen werden als Warnung oder Fehlermeldung zur Anzeige gebracht oder im Vorfeld des jeweiligen Arbeits oder Prozessschritts zur Programmunterbre chung und Quittierung durch den Anwender genutzt Der aktive direkte Datenaustausch erfolgt nach einem Eingriff in die NC Programm vorgaben Dazu registriert die zentrale Datenverwaltung die nderung an einem Datenele ment und meldet diese weiter Ferner bieten sich die Objekte der NC Programmier schnittstelle an um direkt zwischen den Teilsystemen ausgetauscht zu werden Dieser Me chanismus ist dann sinnvoll wenn nicht das NC Programm ge ndert werden soll Potentielle Anwendungen sind das Erstellen und berpr fen von alternativen Arbeitsschritten bevor diese in das NC Programm bertragen und damit systemweit aktiv werden Ferner sendet die NC Steuerung vor dem Start eines neuen Arbeitsschritts die anstehenden Operationsdaten an die angeschlossenen berwachungssysteme Diese reagieren indem sie ihre Eingriffsgrenzen und berwachungsstrategien gezielt auf der Basis der gemeldeten und davon ausgehend refe renzierten Datenelemente anpassen ohne dass sie das gesamte NC Programm lesen und in terpretieren m ssten In der Gegenrichtung nutzen die Benutzerschnittstelle oder Regelsyste me die Datenstrukturen um nderungen aufgaben und prozessorientiert zu kapseln und um diese zur Prozesskorrektur an die NC Steuerung weiterzuleiten
243. l che ist die adaptive Bahnaufl sung auf grund der sie begrenzenden Konturen und Inseln komplexer Hierzu werden in Abh ngigkeit von den Bahnstrategien spezialisierte NC Workingsteps realisiert Bei einer unidirektionalen Bahnstrategie generiert der hierf r entwickelte NC Workingstep entlang der programmierten Richtung Bearbeitungsbahnen deren Anfang und Ende jeweils durch Schnittpunktbestimmung mit der Merkmalskontur und ihren Inseln resultieren Die einzelnen Bahnen werden entweder direkt oder durch zus tzlich eingef gte Abhebe Positio nier und Zustellbewegungen verbunden Zur Adaption der berdeckung wird im laufenden Prozess das Werkzeug in Richtung der vorhergehenden Bahn kleinere berdeckung oder der nachfolgenden Bahn gr ere berdeckung verschoben Indem die adaptierte Bahn nur durch ein Verschieben in den Bereich zwischen zwei Bahnsegmente entsteht werden Kollisi onen mit der Endkontur vermieden Nach dem Ende der laufenden Richtungsbahn l scht der Interpreter die ausstehenden Segmente und ersetzt sie durch eine neu generierte die ge nder ten Bahnparameter ber cksichtigende Bahnf hrung Bild 8 8 Bearbeitung nach Programm Im Interperter adaptierte NC Workingsteps Korrigierter Ablauf CHE or generiert eo Re in die NC Line mil Liste Hncu e einf gen Fortschritts F f e i anzege f Zugriff auf operations Seca ren spezifische Parameter Startpunkt an Korrigierte Bearbeitung
244. l chen des HMI wahlweise verschiedene Erweiterungsmodule zur Anzeige zu bringen oder aus einer Vielzahl von Bibliotheken Dialoge zur NC Programmierung zu laden die dann in Abh ngig keit von dem angew hlten NC Element aufgerufen werden Bild 7 4 Nicht konfigurierte Schnittstellen belegt das Grundsystem mit Standardfunktionen oder aber mit einer entspre chenden Warnmeldung Zudem werden sie in der Konfigurationsdatei angezeigt Mechanismen zur Interaktion der Module Die zweite zentrale Funktion des Grundsystems besteht in der Bereitstellung einer Funktions schnittstelle ber die auf das NC Programm die NC Steuerung und die anderen Module in nerhalb des HMI zugegriffen werden kann Um die Anforderung nach einer flexiblen Erwei terbarkeit der NC Programmierschnittstelle und der Systemfunktionen zu gew hrleisten bie tet das Grundsystem hierzu generische Funktionen an Im Einzelnen geh ren zu diesen Funktionsmechanismen die NC Programmierschnittstelle als zentrale Datenbasis zur systemweiten Interaktion ein Nachrichtensystem ber das beliebige Anweisungen und Daten zwischen den An wendungen des HMI und mit den Steuerungsmodulen ausgetauscht werden ein Schnittstellenserver zur Kopplung mit der NC Steuerung und externen Systemen Die einzelnen Mechanismen werden als Basisfunktionen in Form einer Schnittstellenbiblio thek bereitgestellt Der Systementwickler muss sich nicht um die spezifische Auspr gung der Schnittstellen k
245. l geladen wurde so wird ber die Anwahl eines Arbeitsschritts das Merkmal automatisch hervorgehoben Dazu meldet das Grundsystem lediglich die Merkmalreferenz an die geladenen Anzeigen die dann ent sprechend ihrer Implementierung reagieren SHP fur STEP ML STERNE Bauteil Seite mit iftenstp Dstt Bestehen Acht Gerster 2 30 Simulation Ja a ne Kommentare st ae F f Hn to i fO Delhole Sun omens Defhale 18mm lesona Ina B tere Pert tee Sateen rer ny fF Reund tele 10n gt tst rosnd hote hitra E femurs placement E iesti plone k diameter tokranced In Tarde De paisa Awasa Wiper daran ewe ss wen N bottom condition the T 2nd round bole 10mm Jrd retuned hake 10mm dt round bole 10mm revered trode 10 First in Geometriebaum Grundsystem stellt generische Auswahlmen s bereit Spezifisch erg nzter Dialog Bild 7 8 Dialoggef hrtes Erstellen und ndern der Bearbeitungsgeometrie Dialogs for generating and editing machining features Die zentrale Programmverwaltung verfolgt im Hintergrund welche Programmvorgaben noch nicht bearbeitet oder unvollst ndig gesetzt sind Bevor das Programm abgeschlossen werden kann warnt sie den Programmierer und bietet ihm an die entsprechenden Programmiermodule aufzurufen Auch hierbei wird der Mechanismus genutzt dass die geladenen Dialoge jeweils einem Element der Programmierschnittstelle zug
246. lanung bis zur M glichkeit der expliziten maschinenorientierten Vorgabe von Schalt Weg und Technologiebefehlen wider Bild 5 5 Zudem unterst tzt sie den Werker an der Maschine um gezielt auf die Geometrie oder die Operation zuzugreifen ohne die Aufgabe in Form von Steuerungs und Maschinenfunktionen abstrahiert verfolgen und beschreiben zu m ssen Auf der Grundlage dieses Konzepts wurde die sogenannte STEP NC Programmierschnittstelle berarbeitet so dass sie 2004 international standardisiert ISO 14649 10 und anschlie end technologiespezifisch f r das Fr sen ISO14649 11 Drehen ISO 14649 12 und Erodieren ISO14649 13 erweitert werden konnte In der Geometrie bernahme werden ausgehend von dem Fertigteil Workpiece jggj in Bild 5 3 und Bild 5 5 die zu fertigenden 3D Fl chen Region und prismatischen Merkmale Drill Hole Slot Pocket FJ aus dem CAD Modell bernommen oder neu abgeleitet Zus tzlich werden Hilfsgeometrien eingef hrt um die Aufma e des Rohteils Rawpart 8 abzuarbeiten und Bearbeitungsmuster oder zusammenh ngende Merkmale zu gliedern Pattern Compound Feature Das Ergebnis ist eine zusammenh ngende geometrische Beschreibung des Rohteils der abzuarbeitenden Fl chen und Volumina sowie die bernahme der STEP Fertigteilgeome trie Feature Advanced Shape Representation aus dem CAD Diese Informationen bilden die Grundlage f r eine werkergerechte grafische Darstellung der Geometrie die weitere Bearbei
247. le 139 9 2 Autonome adaptierbare Programmverarbeitung in der NC Steuerung 140 10 Literaturverzeichnis u nennen akelissieeige 145 11 Anhang nee iii I 11 1 Ausz ge aus der entwickelten NC Programmierschnittstelle ISO 14649 I 11 1 1 Projekt Arbeitsplan Arbeitsschritt und NC Funktionen I 11 1 2 Arbeitsschritt zur Bearbeitung eines Features mit einer Operation II 11 1 3 11 2 11 3 Geometrie und Bearbeitungsmerkmale Beispielhafte Erstellung eines ISO 14649 NC Programms seecsseseeeererers ISO 14649 Beispielprogramm des STEP NC Projektkonsortiums VII iii iv Abk rzungen Abbreviations ACC Adaptive Control with Constraints DIN 66245 ACO Adaptive Control for Optimisation API Application Programming Interface APT Automatically Programmed Tools APZ Autonome Produktionszelle des SFB 368 BAPSI Brankamp Artis Prometec Standard Interface CAD Computer Aided Design CAE Computer Aided Engineering CAM Computer Aided Manufacturing CAP Computer Aided Planning CLDATA Cutter Location Data DIN 66215 ISO 3592 CNC Computerised Numerical Control COM Component Object Model CORBA Common Object Request Broker Architecture DCOM Distributed Component Object Model DLL Dynamic Link Library DIN Deutsches Institut f r Normung EDM Electrical Discharge Machining FFT Fast Fourier Transformation FiFo
248. le sich periodisch oder ereignisgesteuert ak tualisierende NC Programmverarbeitung aufheben Dazu ist es erforderlich dass das NC Programm nicht nur einmalig eingelesen interpretiert und in ausf hrbare Sollwerte umgesetzt wird Vielmehr m ssen die Algorithmen der NC Steuerung das NC Programm fortlaufend auf nderungen pr fen und unter Ber cksichtigung steuerungs und prozesstechnischer Abh n gigkeiten neu umsetzen Zu diesen Abh ngigkeiten geh ren beispielsweise die zu erwartende Reaktionszeit des Gesamtsystems Weg und Leistungsbegrenzungen der Maschinenachsen oder technologische Beschr nkungen wie der Werkzeugverschlei und die Werkzeugform Bezogen auf die dem Anwender zur Verf gung stehenden Eingriffsm glichkeiten resultiert daraus dass diese mit abnehmendem zeitlichem Vorlauf zur aktuellen Ausf hrung einge schr nkt werden m ssen Ausgehend von der Zeit bis zur Abarbeitung werden nachfolgend zwei Szenarien unterschieden 1 Eingriff in zuk nftige Arbeitsschritte und Programmbefehle vor deren Ausf hrung 2 Eingriffe in verkn pfte und aktuell auszuf hrende Arbeitsschritte und Befehle a Eingriff in zuk nftige Arbeitsschritte und Programmbefehle Das NC Programm wird von der NC Steuerung mit Vorlauf zur eigentlichen Ausf hrung ein gelesen und verarbeitet Der Vorlauf gleicht Lese und Rechenzeiten der NC Steuerung aus wird zum rechtzeitigen Erkennen von Programmierfehlern oder m glichen Kollisionen ge nutzt und erm g
249. lement its_setup its id its_i S ee me Poca m gar C Setup o Axis2_placement_3d obligatorisches Attribut its_origin Rare optionales Attribut _____lts_workpiece_setup Lis t 0 2 g Workpiece_position sk a A oe nh fe SiS Jesh mie tea A O Liste von mindestens 1 Attributen List 1 7 f its_secplane Elementary_surface II Anhang 11 1 2 Arbeitsschritt zur Bearbeitung eines Features mit einer Operation Workingstep defining which Feature to machine by which Operation its_effect Machining_workingstep F Q In_process_geometry its_feature Q ABS Manufacturing_feature retract_plane gt Length_measure its_operation Identifier 2 start_point et its_id Cartesian_point d ABS Machining_operation its_tool Machining_tool its_machine_functions ABS Machine_functions feedrate_reference tcp ccp ine See ean E A ee O its_technology 7 i O ABS Technology E elente PERE y gee ony oe ee em ae eRe a tear ee O ABS Milling_type_operation E _ _ _ _ _ F approach tract taa TETAS EE c ABS Approach_retract_strategy ABS Freeform_operation H 7 C Freeform_strategy ABS Two5D_milling_operation CZ gt gt gt gt gt To Te Two5d_milling_strategy
250. licht die Berechnung befehls bergreifender harmonischer Achsbewegungen und Schaltabl ufe Diese Abh ngigkeiten m ssen beim Zugriff auf die NC Programmvor gaben und deren Umsetzung ber cksichtigt werden Eine geeignete M glichkeit Vorgaben zu ndern ohne dabei die gepufferte und in Ausf hrung befindlichen Sollwerte ber cksichtigen zu m ssen bietet sich immer dann an wenn das Werkzeug sich nicht im Bearbeitungseingriff befindet und Maschinenfunktionen vollst ndig abgeschlossen wurden Dies trifft beispiels weise auf Programmvorgaben zu die auf R ckzugs und Eilgangbewegungen einen Werk 54 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung zeugwechsel oder eine zu quittierende Programmunterbrechung folgen In diesen Fallen steht den Rechenroutinen der NC Steuerung ausreichend Zeit zur Verf gung um die ge nderten Vorgaben zu interpretieren ihre G ltigkeit zu pr fen und sie rechtzeitig in Sollwerte umzu setzen Selbst wenn eine Umsetzung besonders rechenzeitintensiv w re die Vorgaben Fehler enthielten oder sich aufgrund von Achsbeschr nkungen o nicht ausf hren lie en Kann die Steuerung aus einer solchen Situation heraus die Abarbeitung in letzter Instanz verlangsamen oder unterbrechen Solange sich das Werkzeug nicht im Eingriff befindet haben die Reduzie rung der Vorschubgeschwindigkeiten oder Pausen keine negativen Auswirkungen auf die Werkst ckqualit t Wenn zudem die Steuerung sicherstellt dass alle
251. lligent near to process functions PDT Days Briissel 2001 Anhang 11 Anhang Appendix 11 1 Ausz ge aus der entwickelten NC Programmierschnittstelle ISO 14649 Extracts from the developed NC programming interface ISO 14649 11 1 1 Projekt Arbeitsplan Arbeitsschritt und NC Funktionen Project Workplan Workingstep NC Function its_workpieces Set 0 Workpiece ein Project its_id 1 lek A 1ts_raw_plece I 2 J Identifier main_workplan q ABS Executable ABS Program_structure ABS Workingstep ABS NC_function its_secplane_ L Non_sequential Q Index_pallet ABS Touch_probing Assignment Exchange_pallet Rapid_movement While_statement Load_tool Machining_workingstep Parallel Unload_tool its_operation If_statement Program_stop Selective Q Optional_stop ABS Machining_operation its_elements List 1 Display_message its_feature Workpl E essen EPAR i i LO ABS Manufacturing_feature Set_mark I i i i j l i its_effec f its channel L In_process_geometry Wait_for_mark I por its_effect a its_id Index_table le Channel O Identifier I Q NC Programme
252. ls 0 0 0 0 20 0 27 COMPOSITE_CURVE Profil der Kontur 28 29 F 28 COMPOSITE_CURVE_SEGMENT CONTINUOUG T 34 29 COMPOSITE_CURVE_SEGMENT CONTINUOUG T 30 30 TRIMMED_CURVE 31 0 0 90 0 T PARAMETER 31 CIRCLE Kreisbogen am Profil P2 P3 32 20 0 32 AXIS2_ PLACEMENT_3D Kreismittelpunkt 33 22 23 33 CARTESIAN_POINT Kreismittelpunkt 60 0 20 0 0 0 34 POLYLINE Polyline des Profils P3 P2 37 38 39 40 41 35 36 37 35 CARTESIAN_POINTCP1 0 0 0 0 0 0 36 CARTESIAN_POINTCP2 60 0 0 0 0 0 37 CARTESIAN_POINT P3 80 0 20 0 0 0 38 CARTESIAN_POINT P4 80 0 50 0 0 0 39 CARTESIAN_POINTCPS5 170 0 50 0 0 0 40 CARTESIAN_POINTCP6 170 0 70 0 0 0 41 CARTESIAN_POINT P7 0 0 70 0 0 0 ENTITY setup its id identifier its_origin OPTIONAL axis2_placement_3d its_secplane elementary_surface its workpiece setup LIST 0 OF workpiece setup END ENTITY ENTITY workpiece setup its workpiece workpiece its origin axis2_placement_3D its offset OPTIONAL offset_vector its _restricted_area restricted_area_select its instructions LIST 0 OF setup instructions END ENTITY Bevor die Bearbeitung der Kontur geplant wird sollte im Arbeitsplan die Spannlage 3 definiert werden alti 3 SETUP 1 Aufspannung 42 46 451 42 AXIS2_PLACEMENT_3D 1 Aufspannung rel zur Maschine 43 44 45
253. lt der NC Interpreter eine Bibliothek elementarer als auch aufgabenspezifischer NC Workingsteps bereit Diese lassen sich durch den Steuerungshersteller oder Prozessentwickler optimieren und um eigene NC Workingsteps erweitern z B Modul Fl chen in Bild 6 8 Parser NC p i 5 fogrammierschnittstelle 2 j see 5 5 Bohrungen Se 25 AN 1 a 328 uten g E g Konturen 2 Sh oe 5 amp A g 5 38 Se Fig l che 5 S 5 Taschen i 3 wy 2 La Se uty MD Regel parameter a a Wz 0 3 p TSUNE 4 Bild 6 8 Interpreter mit Schnittstellen zur modularen Erweiterung um NC Workingsteps Interpreter with interfaces for modularly extending the NC workingstep classes Den Abarbeitungsfortschritt kontrolliert der Interpreter tiber die von ihm verwaltete NC Workingstepliste Des Weiteren steuert er fortschrittsabh ngig den Umfang der zul ssigen Programmeingriffe Ein an die nachfolgenden Steuerungsmodule angepasstes Frontend setzt 72 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung die NC Workingsteps in Nachrichten um die vom NC Kern weiterverarbeitet werden Die einzelnen fiir das Konzept im Interpreter erforderlichen Module und deren spezifischen Funk tionen werden in den nachfolgenden Unterkapiteln erl utert 6 2 1 Einlesen des NC Programms und Zugriff auf dessen Daten Parsing the NC program and accessing its content Das erste Teilmodul des Interprete
254. lt werden Diese Daten sind in der vorliegenden Arbeit deren Fokus auf den Featuren und Operationen lag nur grob modelliert und nur zum Teil standardisiert worden Diese Informationen sind eine weitere Grundlage um Prozesse in der Steuerung autonom ohne Eingriffe des Werkers optimieren zu k nnen 9 2 Autonome adaptierbare Programmverarbeitung in der NC Steuerung Autonomous adaptable processing of the NC program in the numeric control Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelte NC Steuerung bernimmt die umfangreichen In formationen der NC Programmierschnittstelle und f hrt sie mithilfe ihrer erweiterten inter nen Datenstruktur durchg ngig bis zu ihren I O und Antriebsschnittstellen fort Hierzu wur den interaktiv verkn pfte Softwareobjekte die NC Workingsteps eingef hrt Die Attribute der NC Workingsteps speichern die Programmvorgaben die von den Steuerungsmodulen oder den Objektmethoden generierten Zwischenergebnisse und die final auszuf hrenden Sollwerte Um die Komplexit t der einzelnen NC Workingsteps zu begrenzen wurde eine Bibliothek aus spezialisierten NC Workingsteps entwickelt Diese bauen systematisch aufein ander auf Zur Programmumsetzung l sen sie sich ausgehend von bergreifenden Arbeits schritten und Operationen schrittweise in Listen aus Sub Workingsteps auf bis sie in ihrer elementarsten Form explizite Maschinenfunktionen oder Sollwerte kapseln Da die NC Workingsteps als eine offen erweiterbare Bibliothek in die
255. lten Befehlsorientierte Programmierschnittstellen wie die auf der DIN 66025 basierenden L sun gen der Steuerungshersteller gen gen diesen Anforderungen nicht Ihr Befehlsumfang d h die zur Verf gung stehenden Programmelemente reichen f r die Beschreibung der Planungs und Steuerungsinformationen nicht aus Das Gesamtkonzept baut daher auf einem Datenmo dell auf dessen Kern standardisiert ist und das sich strukturiert erweitern l sst Im einfachsten Fall k nnen die einzelnen Elemente dieses Datenmodells elementare den steuerungsinternen Weg Schalt und Technologiefunktionen entsprechende Befehle und Parameter sein Somit lie e sich der Inhalt eines heutigen NC Programms weiterhin verlustfrei darstellen vergl Kapitel 6 2 2 Bild 6 10 Dar ber hinaus sind komplexe zusammenh ngende Aufgaben Geometrie und Operationsbeschreibungen enthalten die zum einen den Anforderungen nach einem durchg ngigen bidirektionalen Datenaustausch mit der Arbeitsvorbereitung gerecht werden und zum anderen die aufgaben und merkmalsorientierte Denkweise des Programmie rers unterst tzen sowie der Steuerung Informationen zur autonomen Aufgabenausf hrung zur Prozess berwachung und zur Prozessregelung bereitstellen 5 1 1 Formaler Aufbau der Programmierschnittstelle Formal structure of the NC programming interface Da der Informationsgehalt dieser neuen NC Programmierschnittstelle ber die reine Befehls kodierung hinausgeht und komplexe Aufgaben
256. lwerte um Aktio nen auszul sen oder den Prozess zu regeln Dagegen finden sich am Markt keine L sungen mit denen sich die NC Programmvorgaben d h der programmierte Prozess und dessen Um setzung zur Laufzeit regeln lassen Integrierte softwarebasierte Systeme Einzelne Steuerungshersteller bieten vollst ndig integrierte nur auf der Steuerungshardware basierende Softwaresysteme zur berwachung an Ein Beispiel ist die Bohrerbruch berwa chung in der MTC Steuerung der Bosch Rexroth Dabei werden in der NC Steuerung die digi talen Daten der SERCOS Antriebe ausgewertet berwacht und der Prozess beim berschrei ten von Grenzwerten abgebrochen Der Anwender steuert die An und Abwahl der ber wachungsfunktionen ber spezielle Befehle im NC Programm INDR98 Eine prozessab h ngige automatisierte berwachung auf der Basis von Bohrzyklen dem Vorschub oder der Art des Werkzeugeingriffs ist nicht vorgesehen In die Prozessf hrung greifen die industriel len Systeme nur auf der Sollwertebene regelnd ein FANU04a Prozessbestimmende Parame ter wie beispielsweise die An und Abfahrstrategien die Schnittaufteilung oder die Werk zeugwahl werden nach Programm abgearbeitet 2 4 Fazit Resume Sowohl bei der manuellen NC Programmierung als auch bei den verschiedenen rechnerunter stiitzten Programmierverfahren ist es das vorrangige Ziel prozesssichere Bearbeitungspro gramme zu generieren Dabei ist allen Verfahren gemein dass sie
257. m Programmzugriff verwaltung on 8 Pa SPS n MMI Interpreter Splines pal ont 58 W rk OSACA API pind OSACA API Gwe Intel Pentium 400 MHz Motorola PowerPC 333 MHz ea SERCOS Antriebe TCP IP Ethernet OSACA Events Nachrichten i VO Schnittstellen Bild 8 6 Aufbau der WZL NC und der realisierten Erweiterungen Structure of the WZL NC and the realized extensions Gegen ber dem erarbeiteten Konzept das eine schnelle Umsetzung von Programmeingriffen durch die Adaption der NC Workingsteps in einem von allen Steuerungsmodulen gemeinsa men genutzten Arbeitsspeicher vorsieht erfordert der verteilte Aufbau der WZL NC ein auf w ndigeres Kommunikationskonzept Die Module der WZL NC tauschen untereinander ihre Ergebnisse ber OSACA Kommunikationsmechanismen Variable Prozessobjekte sowie zwei unterschiedlich priorisierte Nachrichtenketten aus Daher setzt die Realisierung auf dem in Kapitel 6 3 f r verteilte Hardwareplattformen vorgeschlagene Ansatz modulspezifischer Nachrichten auf Die im Interpreter generierten NC Workingsteps werden an einem WZL NC spezifischen Frontend vgl Kapitel 8 1 4 in steuerungsinterne Nachrichten aufgel st Entgegen den vorherigen statischen Steuerungs Workingsteps der WZL NC verfolgen die neuen NC Workingsteps die Nachrichten und deren weitere Abarbeitung ber Statusflags und R ckmeldungen aus den einzelnen Steuerungsmodulen Erst nach dem vollst ndigen Abarbei ten ei
258. messenen Signale erfolgt entweder gegen vorgegebene Grenzwerte mitlaufende Bandbreiten oder eingelernte Vergleichsmessungen ARTIOO PROM00 NORD04 Da es sich bei den Systemen vorrangig um berwachungssysteme han delt greifen sie nicht regelnd in den Bearbeitungsprozess ein sondern zeigen den Werkzeug zustand in der Benutzerschnittstelle der Steuerung an sperren das Werkzeug in der Werk zeugverwaltung oder unterbrechen die Bearbeitung Kollisions berwachung Wie bereits im Unterkapitel zur NC Programmierung dargestellt ist die berpr fung auf Kol lisionen eine wichtige Teilaufgabe der Simulation und des Einfahrens um Sch den und Aus fallzeiten an der Maschine zu vermeiden Aufgrund von fehlenden Simulationsm glichkeiten Programmierfehlern abweichenden R stsituationen an der Maschine und vor Ort neu einzu f genden Verfahrbewegungen beim Wiederanfahren nach einem Programmabbruch lassen sich Kollisionen jedoch nicht g nzlich ausschlie en Dem Anwender werden daher sensorba sierte und softwaretechnische berwachungssysteme zum Erkennen von Kollisionen im Be arbeitungsprozess angeboten Die sensorbasierte Kollisions berwachung arbeitet analog zu den Systemen zur Werkzeug berwachung Sie berwacht die auf das Werkzeug oder das Werkst ck wirkenden Kr fte und Momente Kommt es zu einem sprunghaften Anstieg der Kr fte oder werden die vorgegebe nen Grenzwerte und eingelernten Kraftverl ufe berschritten wird die Bearbei
259. mierschnittstelle vorgegebenen Struktur werden in den Teilsystemen Schnittstellen zur Integration eigener Umsetzungsfunktionen vorgesehen Dazu unterscheidet die zentrale Plattform in Abh ngigkeit vom Datentyp u a zwischen dem 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 59 Ablauf Workplan NC Function Workingstep der Geometrie Region Feature den Opera tionen und den Ressourcen Tools Ausgehend von dieser Unterscheidung bernimmt der Systementwickler die Struktur des Datenmodells in seine Implementierung und weist ihr sei ne Funktionen zur weiteren Umsetzung Darstellung und Ausf hrung zu F r den Anwender ergeben sich daraus eindeutig definierte Einsprungebenen Er kann diese entsprechend seinen Anforderungen aus dem Basissystem der Benutzungsoberfl che bzw der Steuerung ber nehmen oder durch individuelle Erweiterungen ersetzen Gem den Anforderungen l sst sich das Gesamtsystem modular aus bestehenden und spezialisierten Funktionen Konfigurieren und erweitern vgl Bild 5 8 und Bild 5 11 Um die Sicherheit des Systems zu gew hrleisten und undefinierte Zust nde zu vermeiden werden Routinefunktionen entwickelt die eingreifen wenn ein Datenelement nicht erkannt wird oder keine expliziten Funktionen hinterlegt sind Diese Default Funktionen sind vom Steuerungshersteller bereitzustellen Sie weisen den Anwender zum einen bei der Anwahl des NC Programms auf die fehlenden Funktionalit ten hin und z
260. mm starten schrittweise ausf hren und der Abarbeitungsfortschritt grafisch verfolgen l sst NCG93 2 Stand der Technik 11 Die Kopplung der WOP Systeme ist jedoch auf die Programmierschnittstelle der Steuerung sowie die genannten Steuerungsfunktionen begrenzt Ein Zugriff auf das NC Programm und die darin kodierten Strategie und Technologievorgaben ist zur Laufzeit nicht m glich A 80 60 40 20 Anteil der Programmierverfahren 1 19 20 49 50 99 100 199 200 499 500 999 gt 1000 Anzahl der Mitarbeiter Programmierung in der Arbeitsvorbereitung E Fremdprogrammierung E Werkstattprogrammierung Bild 2 5 Eingesetzte NC Programmierverfahren in Abh ngigkeit von der Unternehmensgr e nach NCG93 LAY05 Use of NC programming methods depending on industry s size Studien der NC Gesellschaft und der Fraunhofer Gesellschaft spiegeln die fortlaufende Be deutung der manuellen und WOP unterstiitzten NC Programmierverfahren wieder NCG93 LAYG05 Demnach erfolgt in Kleinbetrieben ber 70 der NC Programmierung in der Werkstatt Bild 2 5 Und selbst in gr eren Firmen die ihre Programmieraufgaben prim r in der Arbeitsvorbereitung abwickeln hat die Werkstattprogrammierung mit ann hernden 20 einen gro en Anteil Dieser hohe Anteil ist darauf zur ckzuf hren dass ein gro er Bedarf an maschinenahen Programmkorrekturen und optimierungen
261. mmensetzen kann Dazu ber nimmt er bestehende NC Workingsteps kombiniert diese zur Umsetzung seines spezifischen Prozesswissens und erg nzt sie durch eigene spezialisierte NC Workingsteps Der Ansatz unterschiedliche NC Workingsteps zur Abbildung des NC Programms und der internen Steu erungsfunktionen zu definieren erf llt auf diese Weise die Anforderung nach einer offen und strukturiert erweiterbaren NC Programminterpretation und verarbeitung Der Entwickler wird durch die Wiederverwendung bestehender L sungen bei der Optimierung und der Er weiterung des Funktionsumfangs aktiv unterst tzt 68 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 6 1 3 1 Strukturierte Kapselung der Programmelemente in Klassen Encapsulation of the NC program elements in software classes Softwaretechnisch bietet es sich an die einzelnen NC Workingsteps auf eine objektorientierte Klassenstruktur abzubilden Jedem NC Workingstep entspricht dabei ein Objekt dessen Att ribute die Parameter des NC Workingsteps implementieren und dessen Methoden zum einen den Zugriff auf die Attribute kontrollieren und zum anderen das Verhalten des Workingsteps beschreiben Die sogenannte Vererbung oder Spezialisierung erlaubt es die Attribute und Methoden gleichartiger NC Workingsteps in einer Basisklasse zusammenzufassen Indem der Entwickler seine individuellen NC Workingsteps bzw deren Klassen von dieser Basisklasse ableitet bernimmt er die darin bereits implementiert
262. ms sowie auf die steuerungsinternen Abl ufe die in den NC Workingsteps gekapselt sind 6 1 2 Ablauf Aufgaben und Funktionsbeschreibung Description of workplans workingsteps and NC functions Die zur Programmverarbeitung minimal erforderlichen softwaretechnisch in der NC Steuer ung zu realisierenden NC Workingsteps leiten sich aus der NC Programmierschnittstelle den technologie und anwenderspezifischen Prozessmodellen sowie den nachfolgend durch die NC Steuerung anzusteuernden Schalt und Bewegungsfunktionen ab Dar ber hinaus sind spezialisierte NC Workingsteps notwendig ber die sich der Ablauf logisch strukturieren l sst die die Fortschrittsverfolgung und Interaktion unterst tzen und mit denen sich die Pro grammvorgaben zu Sollwerten verrechnen lassen Sie bernehmen Aufgaben wie die Grup pierung mehrerer Abarbeitungsschritte das Kapseln technologisch zusammenh ngender Ver fahrwege und Schaltabl ufe die Ausf hrung von Anwenderbenachrichtigungen und die Be rechnung der Schnittaufteilung Beispielsweise wird eine Taschenaufgabe nicht direkt in die zur Abarbeitung erforderlichen Verfahrwege und Schaltanweisungen aufgel st Stattdessen werden den elementaren NC Workingsteps logische NC Workingsteps bergeordnet wie das Vorpositionieren Zustellen und Abzeilen einzelner Bearbeitungsebenen oder das Zur ckzie hen des Werkzeugs CNCApproach CNCPlunge CNCMillLayer Diese Wor kingsteps melden ber So
263. mverwaltung des Benutzungssystems das da zugeh rige Merkmal und meldet diese Informationen an die verbundenen MMI Funktionen Im Arbeitsplan wird daraufhin der aktive Arbeitsschritt gekennzeichnet und die Simulation hebt die zu bearbeitende Geometrie hervor Bild 7 9 Indem dar ber hinaus die Programmver arbeitung der NC Steuerung die NC Programmelemente nutzt um die generierten Bewe gungsbahnen an die Simulation zu melden werden dem Werker die abgearbeiteten sowie die noch ausstehenden Verfahrbewegungen angezeigt Aufgrund der durchg ngigen Verfolgung der NC Workingsteps ber die Geometrieverarbeitung der NC Steuerung bis hin zur Soll wertausf hrung lassen sich zudem die Ist Positionsdaten gezielt mit Verweis auf den STEP NC Workingstep und das aktuelle Bahnsegment an die Oberfl che melden Aus der Simulati on der geplanten Roh und Fertigteilkontur mit den steuerungsseitig generierten Bearbei tungsbahnen wird durch die berlagerung der Ist Bewegung eine realistische Darstellung der aktuellen Bearbeitung Softwarekonzept einer offen erweiterbaren grafischen Darstellung Vergleicht man die Implementierung heutiger 3D Geometriedarstellungen so sind die zu grundeliegenden Grafikbibliotheken vergleichbar aufgebaut Bibliotheken wie Open Cascade CASCO07 oder das World Toolkit SENSO07 bieten vordefinierte Funktionen zum Erstellen von Fl chen und Volumendarstellungen an Diese werden ber boolesche Operationen ad diert oder voneinande
264. n berholen von hoch prioren Nachrichten m g lich Eine solche priore Nachricht ist beispielsweise eine arbeitsschrittabh ngige Programm unterbrechung oder der Eingriff in bereits gepufferte NC Workingsteps Variablen Kommunikation Steuerungsmodul A Steuerungsmodul B z B Interpreter i Vv z B Werk i Vv zeugkorrektur Nachrichten z FIFOs gt Ey spezifische Funktionen S d_a spezifische Funktionen high low S high low lt a f1 fe lt lt f1 u z sel z aol TaschenAlg g Radiuskomp 5 m La Schalter 5 Schalter c Zuerst X Q x werden gt 5 sas die priorisierten gt 10 gt gt 0 gt nn Zustandsautomat Zustandsautomat Bild 6 12 Nachrichtenaustausch zwischen verschiedenen Softwaremodulen ber Pipelines Pipe based message communication between the different software modules 6 3 2 Nachf hren des Bearbeitungsfortschritts Tracing the progress of the machining process Sobald ein NC Workingstep als Nachricht an ein nachfolgendes Modul kommuniziert und dort als ein neuer NC Workingstep instanziiert wurde k nnte er gel scht werden Dabei gin gen jedoch die modul
265. n Damit umgeht sie die auf das Standzeitende der Werkzeuge ausgelegten mit Sicherheitszuschl gen abgesch tzten und daher suboptimalen Vorgaben des NC Programms SAURO3 Die f r die Fr sbearbeitung angebotenen Systeme basieren auf einer berwa chung der Leistungsaufnahme oder des Drehmoments an der Arbeitsspindel Dazu verglei chen sie die gemessenen Werte mit zuvor im Regelsystem parametrierten material und werkzeugspezifischen Grenzwerten FANU04a PROMO6 oder mit f r den Bearbeitungsfall eingelernten Referenz FRANO6 und Grenzwertkurven ARTIO3 Das Ziel der ACC Sys teme ist es den Vorschub so zu regeln dass das Potential der Werkzeuge in Abh ngigkeit von den Eingriffsbedingungen und dem Verschlei zustand ausgenutzt wird Anwendern zu folge f hrt die m gliche Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit zu einer Verk rzung der Bearbeitungszeit von bis zu 40 DOWE03 Vorhersehbare Unregelm igkeiten blenden die Systeme getriggert durch spezifische Befehle im NC Programm oder zu diskreten Zeiten rela tiv zur Programmabarbeitung aus ARTIO3 Beispiele hierf r sind An und Abfahrbewegun gen oder Schnittunterbrechungen Nachteilig an diesen Verfahren ist die fehlende direkte Kopplung mit dem NC Programm Insbesondere bei eingelernten Grenzwertkurven muss der Lernprozess nach Programm nderungen an der Abarbeitungsfolge der Bahnf hrung den Technologievorgaben oder dem Werkzeug wiederholt werden Ein weiteres Beispiel f r eine adap
266. n Deshalb wird dieser Ansatz weiter verfolgt 6 5 Umsetzung der Eingriffe und Ubergangsstrategien Computation of the manipulations and intermediate strategies Ein Anwender oder eine Regelung haben ein vordefiniertes Prozessmodell und erwarten dass ihre Eingriffe durch die NC Steuerung analog zu diesem Modell schnell und nachvollziehbar umgesetzt werden Dabei lassen sich unterschiedliche Ebenen unterscheiden die sich durch den zeitlichen Vorlauf zwischen dem Eingriff und der steuerungstechnischen Ausfiihrung unterscheiden Eingriffe in die Reihenfolge der Arbeitsschritte Vorausschauende Optimierung von Prozessparametern Manipulation der aktuellen Prozessparameter Eingriffe in die Bahnverarbeitung Im Folgenden werden f r die vier F lle optimierte Konzepte entwickelt und vorgestellt 6 5 1 nderung der programmierten Arbeitsschrittreihenfolge Changing the sequence of coded STEP NC workingsteps Die im NC Programm definierten Arbeitsschritte sind dadurch gekennzeichnet dass sie sich mindestens durch einen der Parameter Werkzeug Operation oder Bearbeitungsmerkmal un terscheiden Zwischen zwei Arbeitsschritten ist daher das Werkzeug in der Regel nicht im Eingriff Aus dieser Situation heraus kann die Bearbeitung gefahrlos gestoppt umfangreich ge ndert und vor ihrer Fortsetzung auf Fehler und Kollisionen hin berpr ft werden Neben den Arbeitsschritten bieten sich zur Ablaufmanipulation ferner die Arbeitspl ne Work
267. n Dieser Ansatz hat jedoch den Nachteil dass er Fehleingaben nicht ausschlie en kann und es somit zur Laufzeit zu St rungen oder einem Bearbeitungsabbruch aufgrund von Datenfehlern kommen k nnte Daher wird diese Inter aktionsm glichkeit auf noch ausstehende aktuell nicht in Abarbeitung befindliche Arbeits schritte beschr nkt Bevor ein neuer Arbeitsschritt gestartet wird gleichen die NC Working steps ber den Parser ihre Parameter mit dem aktuellen Datenstand des NC Programms ab Dabei wird durch den Parser die syntaktische Richtigkeit der gelesenen Programmdaten ge 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 73 pr ft Ferner bewertet der Interpreter die Eingriffe ausgehend von den Prozessmodellen seiner NC Workingsteps In Abh ngigkeit von den erkannten Fehlern h lt der Interpreter die Pro grammausf hrung an bietet dem Anwender die M glichkeit zur Korrektur oder bricht die Bearbeitung sicher ab Ein Eingriff in die Programmvorgaben ist nicht zu beliebigen Zeitpunkten m glich Mit dem Fortschritt der steuerungsinternen Programmverarbeitung entstehen verkettete NC Working steps mit voneinander abh ngenden Zusatzdaten Sobald eine dieser NC Workingsteplisten durch die NC Steuerung weiter verarbeitet wird oder die darin enthaltenen Bewegungs und Schaltanweisungen teilweise an der Maschine ausgef hrt wurden muss dieser Programmfort schritt bei den Eingriffen ber cksichtigt werden Alleine auf der Basis des NC Programms
268. n und schneidenbezogene Berechnung des Zerspanungsquerschnitts und der resultie renden Bearbeitungskr fte setzt jedoch eine hohe Rechenleistung umfangreiche Eingangsin formationen ber Geometrie und Werkzeug sowie eine enge Kopplung mit der Programmver arbeitung und der Lageregelung zur Synchronisation des Modells voraus Offline gerechnete Modelle haben zudem den Nachteil dass sie f r die einzelnen Schneiden definierte Winkella gen voraussetzen m ssen Diese ergeben sich jedoch im realen Prozess zuf llig da Fr swerk zeuge ber die Drehzahl und nicht den Winkel geregelt werden Insbesondere bei unterbro chenen Schnitten oder variierenden Umschlingungswinkeln kommt es so zu Abweichungen Kompensation von Werkzeugverformungen Abdr ngungen des Werkzeugs aufgrund von Bearbeitungskr ften f hren zu Ma und Form abweichungen am Werkst ck Neben Ans tzen die Abdr ngung bei der NC Programmierung vorzuhalten TOENOI gibt es Systeme die diese Fehler im realen Bearbeitungsprozess bestimmen und durch eine Korrektur der Werkzeugstellung kompensieren Hierzu werden die Bearbeitungskr fte ber eine Kraftmesssensorik oder die Str me der Achsantriebe und der Hauptspindel ermittelt Aus den Kr ften l sst sich die Verformung des Werkzeugs in Rich tung der Maschinenachsen errechnen Dieser Wert wird als Offset Signal an den Lageregler bermittelt um die Sollposition um den Anteil der Abdr ngung zu korrigieren WECKOId Diese Ans tze
269. n 118 1 23 Prozess berwachung und regelung 220022200022000nsnsensennensennennnnnnn 121 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung ssccccssecesseees 123 8 1 Aufbau und Teilfunktionen der realisierten Prototypen uuesseessenssneennnenn 123 8 1 1 Zugriff auf die NC Programmierschnittstelle 200r2042 20er 124 8 1 2 CAM Systeme zur ISO 14649 Programmerstellung ee 125 8 1 3 Steuerungsanbindung ber WOP Systeme uuussssssnneesnnneennnenennn nn 126 8 1 4 Statische NC Programmumsetzung im Interpreter uuenenennen 127 8 1 5 Regelbare NC Programmumsetzung in der NC Steuerung 0 00 0 eee 128 8 2 Adaptive Prozessregelung am Beispiel der Taschenbearbeitung 131 8 2 1 Adaption der Schnitttiefe sisssiseeissnecnenslie nn aa a a 133 8 2 2 Adaption der Werkzeug berdeckung neesesssessseeeesseessresseesseresseeessresseesse 133 8 3 Praktische Anwendung und Evaluation 2200222s0ssssessnsenssnsenssnnnnnnnnnnnnnennnann 135 8 3 1 Austauschbarkeit der Aufgaben Merkmals und Operationsdaten 135 8 3 2 Zeitverhalten in einer modularen dezentralen Steuerungsarchitektur 135 9 Zusammenfassung und Ausblick esssssessossessossessnsesssnsesssnsenssssenssssensssnennssnensssssnsnnee 139 9 1 Durchg ngige aufgabenorientierte NC Programmierschnittstel
270. n Versch VERS04 in denen alternative Bahnen anhand von Variablen im NC Programm programmiert werden sind suboptimal Sie erfordern einen er 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 99 h hten Programmieraufwand bei dem alternative Verfahrwege vorgedacht werden m ssen Dar ber hinaus kann eine Regelung die Variablen nur Satzweise zu Beginn eines neuen Wegsegments korrigieren Die Reaktionszeit auf eine Regelvorgabe w rde mit der Wegl nge der Satzwechselzeit und dem Satzvorlauf variieren Auf der Sollwertebene lassen sich diese Einschr nkungen nur durch zus tzliche Richtungs und Bahninformationen l sen entlang denen eine Regelung Offset Werte errechnen und zu den urspr nglichen Lagesollwerten addieren kann Die Informationen werden von den erwei terten Funktionen des Interpreters generiert und innerhalb der Geometriekette auf die Maschi nenkinematik abgebildet sowie mit der Sollbahn parametriert vgl Kapitel 6 2 Sie enthalten die Wirkrichtungen der Zustelltiefe a und der Eingriffsbreite a bezogen auf die Maschinen achsen Bild 6 17 Im Fall einer hinterschnittfreien Bearbeitung vereinfacht sich die Funktion zur Korrektur der Zustelltiefe auf einen Richtungsvektor F r die Eingriffsbreitenadaption reicht eine Richtungsbeschreibung nicht aus Insbesondere in Ecken und schmalen Nuten darf das Werkzeug nur so weit versetzt werden dass es an benachbarten Konturen noch nicht zum Eingriff kommt und Konturverletzungen ausges
271. n der Prozess berwachung und regelung Developments in process monitoring and control Neben den industriell eingesetzten Systemen gibt es eine Vielzahl von Forschungs und Ent wicklungskonzepten Einzelne dieser L sungen werden im Folgenden n her betrachtet und dabei ihre Potentiale und Einschr nkungen herausgearbeitet 26 2 Stand der Technik Modellbasierte Werkzeug berwachung Markt bliche Werkzeug berwachungssysteme arbeiten mit bearbeitungsspezifisch eingelern ten berwachungsmodellen oder parametrierten Grenzwerten Damit verbunden ist ein erh h ter Aufwand wenn wechselnde Rohteilabma e und Fertigungsgeometrien bearbeitet werden m ssen Mit dem Ziel die berwachung an die Bearbeitungsgeometrie zu koppeln wurde von Rehse im Rahmen des Sonderforschungsbereiches Autonome Produktionszellen SFB 368 eine modellbasierte Werkzeug berwachung f r das Bohren und Messerkopfstirnfr sen entwickelt Ausgehend von dem gew hlten Werkzeug Material und dem zu zerspanenden Querschnitt berechnet er die zu erwartenden Bearbeitungskr fte Dabei werden die Rohteil geometrie als auch der Bearbeitungsfortschritt ber cksichtigt so dass Schnittunterbrechungen und wechselnde Eingriffsverh ltnisse an Querbohrungen oder Abs tzen positionsgenau in die Berechnung eingehen Das Einlernen einer Schnittkraftcharakteristik entf llt Der reale ge messene Prozess wird direkt mit dem theoretischen Schnittkraftmodell verglichen REHS98 Die bah
272. n der die Bearbeitungsaufga be auf einzelne Werkzeugbewegungen und Schaltanweisungen heruntergebrochen und ma schinenneutral Kodiert wird Im letzten Schritt l st ein Postprozessor die Bearbeitungsmerkmale Operationsvorgaben und Anweisungen steuerungsgerecht auf Das Ergebnis ist eine maschinen und steuerungsspezifi sche Sequenz von Verfahrwegen Technologie und Schaltanweisungen Bild 2 4 Die eingesetzten Postprozessoren sind keine reinen Umsetzer zwischen zwei Formaten Ihre Aufgabe besteht darin die Ablauf Operations und Geometriedaten der Planung zu interpre tieren und technologisch optimierte maschinen und steuerungsspezifische Weg Technolo gie und Schaltanweisungen zu berechnen und auszugeben Typische Beispiele sind das Auf l sen von Taschenproblemen Bohroperationen oder das Zusammenfassen und Optimieren von Verfahrbewegungen Folglich ist in Postprozessoren ein gro es Ma an technologiespezi fischem Know how implementiert Es gibt Postprozessoren mit eigener Benutzeroberfl che offenen Schnittstellen zur Anpassung und Erweiterung der Umsetzungslogik und einer grafi schen Anzeige zur Simulation und Verifikation der generierten Programme FRANO2 Sie sind entweder in die CAM Systeme integriert arbeiten als eigenst ndige Applikationen oder werden in der NC Steuerung in Form von Compilern vor der Programminterpretation aufge rufen INDR96 HOFFO5 Das Ergebnis der maschinellen NC Programmierung ist eine Abfolge von
273. n diese flexiblen Systemfunktionen als offenes erweiterbares Applikati onsprotokoll zur Verf gung gestellt Sie bieten eine Plattform an in die sich anwender spezifische spezialisierte L sungen mit geringem Aufwand integrieren lassen Den individu ellen L sungen der Entwickler soll der Zugriff auf die NC Programminformationen deren steuerungsinterne Umsetzung sowie die Prozessverfolgung offen gelegt werden um die Bear beitung und eine Prozess berwachung optimal an die aktuelle Situation anpassen zu k nnen Dem bergeordnet muss das Grundsystem der NC Steuerung sicherstellen dass die Funktio nen sich nicht gegenseitig blockieren und die Maschine zu jedem Zeitpunkt der Bearbeitung in einen sicheren Zustand berf hrt werden kann NC Programm mit vollst ndiger Aufgaben amp Geometriebeschreibung Einrichten R sten Rohteilaufma e Spannlagen 4 Ist Werkzeuge optimierte Fertigteil CAD Setup Parameter Strategien Material Konturen Spannlagen Fl chen Feature J 5 NC Oberfl che Toleranzen z dialoggef hrte Werkst cke Sicherheitsebenen Eingabe z B WOP Fortschrittsverfolgung in werkergerechter Darstellung Arbeitsschritt 1 Fertigteil mit Arbeitsschritten Featuren g geometrie Feature NC Steuerung Operationen Verfahrwegen Position Abtragsimulation Geometrie Sollwerte werden Prozess CAM ae durchg ngig Rohteil Maschinen Operat
274. n implementieren 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 69 Die Steuerungshersteller als auch externer Entwickler setzen auf dieser Struktur auf um zu s tzliche NC Workingsteps zu erg nzen oder das Funktionsverhalten bestehender NC Workingsteps entsprechend ihren Prozessmodellen zu spezialisieren Hierzu werden entweder eigene neue NC Workingsteps von der Basisklasse NC_Workingstep abgeleitet z B NC_SpecialMachining oder ein bestehender NC Workingstep wie z B die Aufl sung einer Taschengeometrie wird individuell berladen VC_MyPocket_Machining und dem abzuarbeitenden STEP NC Programmelement Closed_Pocket mithilfe einer Konfigurati onstabelle anstelle der alten Implementierung NC_PocketMachining zugewiesen Dieser objektorientierte Ansatz l sst sich sowohl auf die Abbildung einfacher DIN 66025 als auch komplexer ISO14649 NC Programmierschnittstellen anwenden Vor dem Hinter grund der praktischen Umsetzung ist das ein wesentlicher Vorteil da die DIN Programmier ung heute Stand der Technik ist und ein Wechsel auf eine neue Programmierung nicht ohne Migrationsschritte erfolgreich am Markt umzusetzen ist Zudem unterst tzt er den Entwickler bei der Implementierung Die aufeinander aufbauenden NC Workingsteps leiten den Entwick ler zu einer systematischen Softwareentwicklung an deren Abl ufe transparent zusammen h ngen und deren Umfang sich strukturiert erweitern l sst Aus der Summe
275. n stark im Kommen In Produktion 17 4 1997 Nr 16 S 9 1997 N N PROMOS 2 Real Time Monitor RTM In Firmenprospekt der PROMETEC GmbH 2000 N N Acfeed St ckkosten und Bearbeitungszeit senken Prozesssicherheit steigern In Firmenprospekt der PROMETEC GmbH 2006 Rehse M Flexible Prozess berwachung bei der Bohr und Fr sbearbeitung in einer Autonomen Produktionszelle Dissertation RWTH Aachen 1998 Reimann J Mey H Offene Steuerung ffnet den japanischen Markt In NC Fertigung Nr 1 2004 Reiger H Semantikorientierte Features zur kontinuierlichen Unterst tzung der Produktgestaltung Dissertation Technische Universit t Berlin 1994 Rommel B B r T Haasis S 3D Toleranzen f r die Produktion In CAD CAM Report Nr 3 2004 Saueressig F 32 Bahnachsen voll im Griff In PC Control The New Automation Technology Magazine Beckhoff 2004 Nr 2 S 12 15 Saur U Automatisch optimierte Zerspanung In MAV Maschinen Anla gen Verfahren Nr 5 2003 S 52 ff Schenk D Wilson P Information Modeling The EXPRESS Way Oxford University Press 1994 Schindler W Hartmann E Fuchs Frohnhofen P Handlungsorientierte und facharbeitergerechte Gestaltung von Arbeitsabl ufen In Arbeit Nr 2 1995 Schinerl C Kollisionsvermeidung in die Maschinensteuerung integriert In MAV Maschinen Anlagen Verfahren Nr 8 2005 S 34 ff Schlick C Kaever M Facharbeiteranforderun
276. n zu bestimmen und das Programm auf Fehler zu berpr fen An der Maschine wird dann das NC Programm schrittweise im Luftschnitt oder mit reduzierten Verfahrgeschwindigkeiten erprobt und optimiert Die geometrischen und operativen Planungsinformationen die w hrend der NC Program mierung als Eingangsdaten vorliegen und zus tzlich erzeugt werden werden nur teilweise in das NC Programm bertragen In der Regel enth lt ein NC Programm nur noch eine Sequenz elementarer Weg Schalt und Technologiebefehle Bild 2 1 Dieses Format ist an den Funk tionsumfang der NC Steuerung angepasst und f r eine schnelle Programmumsetzung opti miert Die fehlenden Geometrie und Planungsinformationen schr nken jedoch die M glich keit einer aufgaben und prozessorientierten Programm nderung Bearbeitungsverfolgung berwachung und Regelung an der Maschine und im Prozess ein BROU00 WECK03a 6 2 Stand der Technik Fertigteil Geometrie Fl chen Volumen Werkstoff Toleranzen Konstruktion CAD Daten Rohteil Feature Prozesse CAP CAN Daten Prozessplanung Prozessplan Operationen Arbeitsschritte Spannlagen 8 8 Operationsplanung Strategien j Bearbeitungsmerkmale Werkzeuge age in a gs eh De NC Technologieparameter FSP l E Arbeitsplan 4 NC Verfahrwege G01 Einstellbl tter li Programmgenerierun 2 gt ogrammgenerierung En NC A M06 NC Programm sf Te i erat S Korrigiertes Einfahren amp Optimieren j TOENE H
277. nchronisationspunkt ab und liefert diesen mit seinen organisatorischen und technologischen Informationen an das die Adaption berechnende Modul zur ck Je nach imp lementiertem Kommunikationskonzept bieten sich hoch priore Nachrichten Interrupt Funkti onen oder Semaphoren an Der Synchronisationspunkt ist gleichzeitig der Endpunkt der alten zu korrigierenden Bewe gungsbahn und der Startpunkt der neu zu generierenden adaptierten Bewegung Aufgrund der Gl ttung innerhalb der Geometriekette sind der Synchronisationspunkt und die Vorgaben der vorangehenden Module nicht deckungsgleich Daher wird dieser Punkt toleranzbehaftet ber die vorgestellte NC Workingstepliste gesucht und als neuer Startpunkt ausgewertet Die Teilfunktionen der Geometriekette l schen alle dem Synchronisationspunkt nachfolgen den Elemente und leeren ihre Vorlaufpuffer Die letzte gepufferte Vorgabe ist damit der Syn chronisationspunkt ber die leeren Vorlaufpuffer k nnen die neu bereitgestellten adaptierten Bahnsegmente direkt im Anschluss an den Synchronisationspunkt eingelesen werden Die Geometriekette ist durch den Eingriff so parametriert dass sie aus m glichst wenigen Bahn segmenten die Werkzeug und Geschwindigkeitskorrekturen sowie die Transformation be rechnet Die Puffer und Rechenzeiten werden minimiert Dem wird das Ziel langer homoge 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 87 ner Bahnsegmente mit maximaler Ausnutzung der Geschwindigkeit
278. nd Fr sen die Systeme zur Werkzeugver schlei und bruch berwachung im Fokus der aktuellen Anwendungen stehen L sungen zur adaptiven Regelung des Vorschubs oder der Schnittgeschwindigkeit sind dagegen seltener Anwendungen mit einer prozessabh ngigen Schnittaufteilung sind nicht im industriellen Ein satz zu finden WECKOlc KAHMOS Im Folgenden werden einzelne Applikationsf lle ex emplarisch erl utert Anschnitterkennung In der Schleifbearbeitung geh rt die Anschnitterkennung zum Stand der Technik Sie wird eingesetzt um w hrend den sicherheitsbedingten Luftschnitten mit h heren Geschwindigkei ten zustellen zu k nnen und so die unproduktiven Nebenzeiten zu minimieren Den Kontakt mit dem Werkst ck detektieren die Systeme ber K rperschallmessungen und ein Ansteigen der Vorschubkraft NORD04a Werkzeug berwachung In der automatisierten Serienfertigung als auch in schnell ablaufenden Prozessen werden Sys teme zur Werkzeug berwachung eingesetzt um beim Erreichen von Verschlei kriterien das Werkzeug zu wechseln oder die Bearbeitung nach einem Werkzeugbruch sicher zu stoppen bevor gr ere Sch den entstehen Im Rahmen dieser Arbeit spielt die Bruch berwachung 24 2 Stand der Technik jedoch eine untergeordnete Rolle da sie zu einem Abbruch der Bearbeitung fiihrt und es sich folglich nicht um die Regelung des Bearbeitungsprozesses handelt Dagegen ist der Werkzeugverschlei ein bearbeitungsparalleler kontinuierlich
279. nde Verarbei tungsfunktion freigegeben Die Anforderung dass ein NC Workingstep auf den Ergebnissen der vorangehenden Bearbeitung aufbaut und dar ber synchronisiert wird ist somit realisiert Dieser Ansatz lie e sich speichertechnisch auf heutige NC Steuerungen wie der Bosch Rexroth MTX der Heidenhain TNC Familie als auch auf die Siemens Sinumerik 840D ber tragen da ihre NC Kerne auf einer Hardware einen gemeinsamen Speicher nutzen Neben der schnellen Kommunikation liegt ein weiterer Vorteil eines zentralen Speichers in der Koordination der nach einem externen Eingriff neu oder wiederholt auszuf hrenden Steu erungsalgorithmen Die betroffenen NC Workingsteps analysieren dazu ihre internen Daten und bestimmen welche bereits ausgef hrten Steuerungsfunktionen aufzurufen oder zu wie derholen sind Dazu ndern sie ihren Abarbeitungszustand r ckw rtig und l schen die zuge h rigen Umsetzungsergebnisse Wird der Umsetzungsablauf durch die NC Workingsteps und ihre Zust nde gesteuert so werden in Abh ngigkeit vom Zustand des NC Workingsteps au tomatisch die jeweiligen Funktionen des Interpreters der Werkzeugkorrektur der Transfor mation der Geschwindigkeitsf hrung etc ablaufsynchron aufgerufen und ausgef hrt Duplizierte NC Workingstepobjekte in modulspezifischen Datenspeichern In einer verteilten Steuerung deren Teilfunktionen auf mehreren Hardwareplattformen imp lementiert sind Bild 6 11 b oder deren Softwaremodule separat
280. ne Steuerung Zentraler Baustein leistungsf higer Produktionsanlagen In Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik AWK Aa chener Werkzeugmaschinenkolloquium 93 Eversheim W K nig W Pfei fer T Weck M Hrsg VDI Verlag D sseldorf 1993 Weck M Kohring A Klein F Offene NC Systeme Grundlage herstelle runabh ngiger Flexibilit t VDI Z 135 Nr 5 1993 S 51 55 10 Literaturverzeichnis 155 WECK96 WECKO1 WECKOla WECKOlc WECKOId WECKOle WECK03 WECK0O3a WEISO7 WENKO06 WEYD99 WEYROO WOLFOO WOLFOIl Weck M et al Wie offen H tten Sie s denn gern Offene Systeme in der Fertigung In Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik AWK Aachener Werkzeugmaschinenkolloquium 96 Eversheim W Klocke F Pfeifer T Weck M Hrsg VDI Verlag D sseldorf 1996 Weck M Wolf J Kiritsis D STEP NC The STEP compliant NC Pro gramming Interface Evaluation and Improvement of the modern Interface Int IMS Forum Ascona Switzerland 2001 Weck M Platen S Kahmen A Vereinigung von NC Steuerung und Pro zess berwachung Verkn pfen der Sensor und Steuerungsinformationen er ffnet neue Potentiale In wt Werkstattstechnik online 2001 Nr 5 S 290 294 Weck M Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme Band 3 Mechatronische Systeme Vorschubantriebe Prozessdiagnose Springer D sseldorf 2001 Weck M Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme Band 4 A
281. nen NC Steuerung hat der Interpreter zus tzlich die Aufgabe die anwenderspezifischen Pro grammdaten einzulesen und sie den Erweiterungen ablauf und positionssynchron bereitzu stellen Zugriff auf die NC Programmvorgaben Die NC Steuerung liest das NC Programm mit Vorlauf zur Bearbeitung ein um Funktionen wie die Werkzeugkorrektur oder die Geschwin digkeitsf hrung befehls bergreifend berechnen zu k nnen Folglich sind die aktuell und kurzfristig auszuf hrenden Programmvorgaben bereits in den Kern der Steuerung geladen Mit dem Ziel diese manipulieren zu k nnen reicht der Zugriff auf die NC Programmdatei nicht aus Vielmehr m ssen der Werker oder ein Regelautomatismus kontrollierten Zugriff auf die intern verwalteten Programmvorgaben erhalten Dynamische Verarbeitung der nderungen Die Steuerung muss die ge nderten Pro grammvorgaben erkennen ihre Umsetzbarkeit bewerten ggf Fehlerstrategien ausl sen oder den Vorlauf der Programmverarbeitung l schen und neu berechnen Zuletzt muss die NC Steuerung einen harmonischen bergang von den aktuell ausgef hrten auf die adaptierten Sollwerte generieren Es darf nicht zu neuen Prozessst rungen wie einem Ruck in der Bewe gungsf hrung oder einer Kollision aufgrund von falsch synchronisierten Schaltfunktionen kommen Offenheit der NC Steuerung Mit dem Ziel die Steuerungsfunktionalit t anwenderspezi fisch erweitern zu k nnen m ssen die geforderten Mechanismen als Grundfunktionen
282. nen die offene Konfiguration der Funktionsabl ufe und damit Einfluss auf die Struktur des Steuerungskerns erm glicht Der Kern der MTX setzt sich aus einer Reihe von Subsystemen zusammen Jedes dieser Sub systeme stellt eine geschlossene Teilfunktion der Steuerung dar und beinhaltet mehrere Ein zelfunktionen und Prozeduren die sogenannten Jobs Beispiele f r Subsysteme sind die Satz vorbereitung die Bewegungserzeugung die Werkzeugkorrektur und die Interpolation Der Anwendungsentwickler implementiert seine Funktionen als eigenst ndige Jobs in der Programmiersprache C und f gt sie einem Subsystem der Steuerung zu F r jede NC Funktion d h einen NC Programmbefehl werden in Form einer Liste die auszuf hrenden Jobs konfiguriert Die Funktionalit t einer NC Funktion ist folglich durch die Summe der ihr zugeordneten Funktionen und deren Abfolge beschrieben und l sst sich vom Entwickler frei beeinflussen Beispielsweise Kann sich die Abarbeitung eines linearen Verfahrbefehls aus Jobs zum Einlesen des Befehls zum Bestimmen der Start und Endposition der kinemati schen Transformation der Geschwindigkeitsf hrung etc zusammensetzen 2 Stand der Technik 21 Da die MTX nicht objektorientiert sondern strukturiert in Form von Prozeduren und Funk tionen aufgebaut ist lassen sich ihre internen Daten nicht als Objekte kapseln Der Daten zugriff wird daher zentral tiber die NC Schnittstelle NCS gesteuert Bild 2 11 In der NCS wird zwisch
283. nen manipuliert und ihre Umsetz ung synchron zur laufenden Bearbeitung adaptiert werden k nnen Der Werker als auch eine automatisierte Prozessregelung sollen neben den bekannten Regelmechanismen f r Vorschub Drehzahl oder Leistung die programmierten Operations und Technologieparameter nutzen k nnen um die programmierte Bearbeitung einzufahren zu optimieren oder auf St rungen zu reagieren Im Folgenden werden zun chst die Randbedingungen und die Anforderungen einer NC pro grammbasierten Prozessregelung analysiert Dabei werden drei Teilbereiche unterschieden Die Informationsbereitstellung im NC Programm Kap 4 1 Die adaptive Programmverarbeitung in der NC Steuerung Kap 4 2 Die Benutzerschnittstelle zur Programmierung und Prozessmanipulation Kap 4 3 4 1 Anforderungen an das NC Programm Requirements on the NC program In einem NC Programm werden der steuerungstechnische Ablauf und die prozessbestimmen den Technologieparameter der Bearbeitung kodiert und ber die NC Steuerung zur Ausf h rung gebracht Studien der NC und der Fraunhofer Gesellschaft belegen dass der Werkstatt und dem Werker zentrale Rollen bei der Erstellung Erprobung und Optimierung von NC Pro grammen zukommen NCG93 LAYGO5 Mit dem Ziel qualitativ und wirtschaftlich optimal zu fertigen fordert die Industrie daher NC Programmierschnittstellen und Systeme die den Werker besser bei der Programmerstellung und der Programmoptimierung an der Maschin
284. nen und einer sequentiellen NC Programmverarbeitung Im Fokus stehen der Austausch von Funktionsmodulen wie bei spielsweise der Benutzerschnittstelle der Achstransformation oder eine berwachung und Manipulation der Sollwerte Die Datenschnittstellen zwischen den Modulen sind weitestge hend vorgegeben Sie sind auf die Funktionen der Teilmodule ausgerichtet und nicht auf den Austausch zus tzlicher Daten wie beispielsweise das Bearbeitungsfeature die operativen Technologie Strategie und Werkzeugvorgaben oder Parameter f r eine Prozess berwa chung und regelung Daher werden die mnemonischen Codes der Programmierschnittstelle mithilfe von Compilern oder im Interpreter auf die elementaren internen Steuerungsfunktionen heruntergebrochen Eine durchg ngige Nutzung der NC Programmvorgaben bis in die Sollwertebene um neben den Weg und Schaltanweisungen Prozessparameter Grenzwerte und Regelstrategien auszu tauschen ist nicht vorgesehen Ein Taschenzyklus muss daher nach Programm abgearbeitet 22 2 Stand der Technik werden und der Anwender kann nicht zwischen den einzelnen Schnittebenen oder innerhalb einer Ebene die Zustellung das Werkzeug oder die Bahnstrategie ndern Daf r m sste die NC Steuerung neben einer Referenzarchitektur und offenen funktionsorientierten Schnittstel len eine durchg ngige Datenbasis des NC Programms und eine r ckgekoppelte Programm umsetzung unterst tzen Als Beispiel f r eine offene Referenzarchitektur
285. nes NC Workingsteps und der von ihm generierten Nachrichten stellt dieser seine ber wachung ein und wird gel scht Bis dahin aktualisiert er fortlaufend sein internes Prozess modell um im Fall eines Eingriffs von diesem aktuellen Punkt aus neue Bahnen und Schalt befehle zu generieren 130 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung Die nicht deterministische Ethernet Kommunikation der WZL NC wird ber im Interpreter pr ventiv generierte Korrekturvektoren kompensiert Die Vektoren werden in der Geometrie kette auf die Maschinenkinematik abgebildet und ber die Spline der Achsbewegung para metriert Im Eingriffsfall verrechnet der echtzeitf hige Interpolator die Vektoren anteilig mit den Sollbahnen So wird zum einen ein stabiler Prozesspunkt bestimmt und zum anderen die Zeit berbr ckt bis der Interpreter ber die Kommunikationskette adaptierte Bahnen bereit stellt Die f r den Compiler beschriebenen Konfigurationsmechanismen Kapitel 8 1 4 werden f r den Interpreter sowie das MMI bernommen Beim Systemstart als auch dynamisch nach der Anwahl eines neuen NC Programms laden die beiden Systeme die konfigurierten DLLs und passen ihre interne Funktionszuordnung an Ferner binden die Systeme die entwickelte Bib liothek ein um parallel auf das NC Programm zuzugreifen den Abarbeitungsfortschritt ber die Programmelemente abzugleichen und ausgef hrte Bahnen oder Eingriffe auszutauschen Die f r das MMI entwickelte P
286. nformationen sowie die innerhalb der Programminterpretation und der Geometrie verarbeitung generierten Steuerungsinformationen Der Anwender oder eine Regelung k n nen ber die NC Workingsteps auf gr ere den Bearbeitungsablauf strukturierende Einheiten zugreifen Dies erlaubt die Realisierung der geforderten aufgabenorientierten Fortschrittsver folgung und Prozessmanipulation 6 1 1 Verkn pfte interaktive NC Workingsteps Linked interactive NC workingsteps Die in Kapitel 5 1 Konzipierte NC Programmierschnittstelle stellt der NC Steuerung eine um fassende zusammenh ngende Geometrie Aufgaben und Operationsbeschreibung bereit Sie liefert alle Informationen ber die Reihenfolge der abzuarbeitenden Prozessschritte die zu fertigenden Merkmale und die dazu anzuwendenden Strategien Werkzeuge und Technolo gieparameter In Abh ngigkeit von dem in der Arbeitsvorbereitung gew hlten Detaillierungs grad und der Notwendigkeit den Bearbeitungsablauf exakt vorzubestimmen K nnen f r jeden Arbeitsschritt zus tzlich die Sequenz der auszuf hrenden Schaltfunktionen und Verfahrwege kodiert werden Dieser vom Arbeitsplan ausgehende hierarchische Zusammenhang zwischen organisatori schen und an der Ausf hrung orientierten Programmdaten wird in der Programmumsetzung der NC Steuerung beibehalten und ber Schnittstellen nach au en offen gelegt Somit kann der Werker auf der Basis seines Prozessverst ndnisses als auch eine Regelung in den Bear
287. ngegangen wird werden nachfolgend die bergreifenden Elemente des Kon zepts beschrieben Hierzu z hlen die NC Programmierschnittstelle zur Aufgabenbeschreibung Kap 5 1 die Kopplung von NC Programmverarbeitung und Benutzerschnittstelle zur Pro zessverfolgung und manipulation Kap 5 2 sowie L sungen zum Aufbau eines offen erwei terbaren softwaretechnischen Gesamtsystems Kap 5 3 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 43 5 1 Aufgaben und prozessbeschreibende NC Programmierschnittstelle NC programming interface containing task and process descriptions Die Vielzahl der in Kapitel 0 zusammengefassten Anforderungen setzt eine Programmier schnittstelle voraus in der sich sowohl elementare Weg und Schaltbefehle als auch zusam menh ngende Aufgaben und Geometriebeschreibungen programmieren und durchg ngig zwischen der Arbeitsvorbereitung der Benutzerschnittstelle und der NC Steuerung austau schen lassen Auf der Grundlage des NC Programms muss sich zudem der Bearbeitungspro zess f r den Anwender verst ndlich darstellen lassen Die operativen und technologischen Programmelemente m ssen den Prozess effektiv beschreiben und so strukturiert sein dass sie auch w hrend der Abarbeitung in der NC Steuerung zur Prozessverfolgung und manipulation offen gelegt werden k nnen F r die Funktionserweiterung zur berwachung und Regelung sind Eingriffsgrenzen Regelstrategien und Grenzwerte im NC Programm vorzuha
288. ngsinformatio nen f r die Prozess berwachung und regelung d h f r die spezialisierten Zusatzfunktionen der Steuerung liefern Entgegen den Feature und Fl chenbeschreibungen aus der Konstrukti on oder den steuerungs bergreifend hnlichen NC Zyklen zur merkmalsorientierten NC Programmierung stehen derartige Beschreibungen f r die berwachung und Regelung nicht zur Verf gung Beispielsweise sind im Brankamp Artis Prometec Standard Interface nur Da ten und Funktionsschnittstellen auf der Ebene der SPS definiert vgl Kapitel 2 3 3 Erw h nenswert an dieser Schnittstelle ist die Idee Bearbeitungsinformationen parallel zum Pro grammablauf in Form eines Schnittkode und Werkzeugkode bereitzustellen Somit kann eine Prozess berwachung oder regelung diese Informationen auswerten und gezielt auf die Bearbeitungssituation eingestellt werden Idealerweise lassen sich die f r die berwachung und Regelung erforderlichen Parameter bereits in der NC Programmierung anhand des geplanten Sollprozesses und der m glichen Prozessalternativen definieren und im NC Programm kodieren Dazu wird der BAPSI Ansatz aufgegriffen und in Form von zus tzlichen Attributen in das Datenmodell der NC Program mierschnittstelle bertragen Von Vorteil ist dabei der hierarchische die Bearbeitungsaufgabe schrittweise pr zisierende Aufbau des Datenmodells Ausgehend von der Aufspannung ber die Abarbeitungsfolge die Operationen die Technologieparameter un
289. ngsteps weitergeleitet wird Folglich kann in der Steuerung gezielter und somit schneller reagiert wer den Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher NC Workingsteps und deren entwicklerspezifischen Erweiterungen bietet es sich an dass die NC Workingsteps die Auswertung der Fortschritts und Eingriffsnachrichten individuell bernehmen Ausgehend von dem Ansatz einer verkette ten NC Workingstepliste wird jede Nachricht schrittweise weitergereicht bis ihr Identifier von einem der NC Workingsteps erkannt wird Der so adressierte NC Workingstep reagiert indem er seinen Zustand anpasst und damit die f r ihn geltenden Eingriffsm glichkeiten n dert M gliche Zust nde der NC Programmverarbeitung sind preparing w hrend der Pro gramminterpretation prepared nach der Aufl sung in Sub Workingsteps und der Berech nung von Verfahrwegen processed nach der bergabe an die Geometrieverarbeitung adapted nach der bearbeitungsgesteuerten Anpassung oder executed nachdem der NC Workingstep von der Maschine ausgef hrt wurde Jeder Zustand beschreibt eine definierte Situation des NC Workingsteps Erst nach dem Erreichen eines Zustandes wird der NC Workingstep f r die nachfolgende Operation freigeben Ferner stellen die Zust nde sicher dass auf Zwischenergebnisse oder nicht abgeschlossene Manipulationen nicht unkontrolliert zugegriffen werden kann Anderenfalls k nnte die Endposition einer im Interpreter neu gene rierten Be
290. nkritisch im Vorfeld der Achsregelung erfolgt sind Der Regelung werden Korrekturwert funktionen in Form von kollisionsfreien beschleunigungs und geschwindigkeitsbegrenzten Kurven in Maschinenkoordinaten bereitgestellt Die Regelfunktionalit t ist somit unabh ngig von der Maschinenkinematik Sie wertet die Kurvenfunktionen achsbezogen aus und verrech net die Werte mit den Lagesollwerten Im Hintergrund wird die diskrete Bahnadaption aktiviert Sie sch tzt ab wann die kontinuier liche Manipulation der Sollwerte ihre Grenzwerte erreicht und berechnet von diesem in der Zukunft liegenden Punkt aus eine neue Sollbahn mit optionalen Korrekturvektoren Zudem 100 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung wird die Bahnaufl sung aufgerufen sobald sich der Prozess stabilisiert hat so dass optimierte Bahnen berechnet werden k nnen um das verbleibende Bearbeitungsvolumen zu zerspanen 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 101 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation User interface for NC programming and Manipulation Die Untersuchungen von Weydandt et al zur Anwenderinteraktion beim CNC gesteuerten Drehen und Fr sen haben aufgezeigt dass in der konventionellen NC Technik das automati sierte Abarbeiten eines Fertigungsprogramms im Vordergrund steht w hrend die Eingriffs m glichkeiten des Werkers m glichst gering gehalten werden WEYD99 Steuerungsseitig sind daher nur begrenzte
291. nktionen der Steuerung wie beispielsweise die Overrides f r den Bahnvorschub oder die Spindeldrehzahl beeinflussen Da die Werkzeugbewegungen im Vorfeld der Bearbeitung berechnet und als einfache Verfahranweisungen kodiert werden kann die Steuerung die Bah nen zur Laufzeit nicht an eine ge nderte Strategie oder ein anderes Werkzeug anpassen Bevor die Aufgabenstellung detailliert und ein System zur L sung dieser Einschr nkung ent wickelt werden kann wird nachfolgend der aktuelle Stand der Technik in den Bereichen der NC Programmierung Programmverarbeitung und Prozessregelung analysiert Dazu wird zu n chst herausgearbeitet welche Informationen ber das NC Programm an der Werkzeugma schine und in der NC Steuerung bereitgestellt werden Daran schlie t sich eine Analyse der Programmverarbeitung und des Aufbaus von aktuellen NC Steuerungen an Abschlie end werden bestehende L sungen zur Prozess berwachung und regelung dargestellt 2 1 NC Programmierung NC programming Die NC Programmierung umfasst alle Arbeitsschritte die notwendig sind um ein Werkst ck auf einer numerisch gesteuerten Maschine automatisiert fertigen zu k nnen Hierzu geh ren die Ermittlung der geometrischen technologischen und ablauforientierten Bearbeitungsinfor mationen sowie deren steuerungskonforme Kodierung in einem NC Programm In Abh ngig keit von der verf gbaren Systemunterst tzung wird das NC Programm vor der Ausf hrung simuliert um die Taktzeite
292. nn sich auf die Umset 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 125 zung einzelner Arbeitsschritte konzentrieren ohne dass er die gesamte NC Programmier schnittstelle betrachten muss Somit entspricht die Bibliothek dem konzipierten modularen Softwareaufbau dessen Funktionen sich spezifisch erweitern oder durch eigene optimierte Routinen tiberladen lassen Bild 8 2 links Der Umsetzer generiert zu jedem Programmelement eine Klasse mit Zugriffsfunktionen und internen Statusattributen Ausgehend von den in der NC Programmierschnittstelle vorgegebe nen Regeln pr fen die Objekte der Klasse in ihren Methoden selbstst ndig ob ihre Parameter vollst ndig und innerhalb der vorgegebenen Grenzwerte gesetzt sind Fehlerhafte Eingaben werden abgelehnt Offene Definitionen werden gekennzeichnet so dass der Programmierer informiert oder die Abarbeitung durch die Steuerung rechtzeitig unterbrochen werden kann In der Steuerung werden die Statusattribute zudem genutzt um anzuzeigen ob ein Element f r Eingriffe gesperrt werden soll es aktuell abgearbeitet wird oder bereits abgearbeitet ist Um ein fortlaufendes Abfragen und berpr fen der Programmelemente auf nderungen zu verhindern generiert der Umsetzer Funktionslisten innerhalb der elementspezifischen Klassen In diesen Listen hinterlegen die Systemanwendungen R ckruffunktionen Diese werden au tomatisch aufgerufen wenn sich der Status oder der Inhalt eines Objektes ndert S
293. nte als Datenobjekte kapseln Innerhalb der Datenspeicher wird ihr Bezug zu dem hierarchisch auf gebauten NC Programm ber die eindeutige Referenz jedes Objekts rekonstruiert Eine solche Referenz w re im Fall der Programmcodierung nach ISO 10303 21 die Identifikationsnum mer eines STEP Datenobjekts z B 405 Diese Funktionen lassen sich in Kombination mit dem in Kapitel 5 1 vorgestellten Konzept einer generischen als Bibliothek gekapselten NC Programmierschnittstelle zentral in den 112 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation Grundsystemen der Benutzungsoberfl che und des NC Kern implementieren Nach jeder Er weiterung der Programmierschnittstelle wird diese Bibliothek neu erstellt und von den einzel nen Anwendungen eingebunden Dabei verh lt sie sich neutral gegen ber den individuellen Bedeutungen der Programmelemente Ihre Logik beschr nkt sich auf die Unterscheidung der Basistypen wie Text Zahlenwerten oder Vektoren und Matrizen die zu den verschiedenen Parametern definierten Regeln z B dass ein Richtungsvektor kein Null Vektor sein kann und die Funktionen zur Zugriffskontrolle Ferner bietet sich ausgehend von einer Normierung z B der ISO 14649 die Unterscheidung allgemeing ltiger Programmelemente an Sie erm g lichen einen schnelleren Zugriff auf vordefinierte Strukturen wie einen Arbeitsplan die Werkst ckgeometrie oder die Werkzeugliste 7 1 4 2 Aktualisierung und Funktionsaufruf ber N
294. nterst tzung bei der Geometrieverarbeitung der Arbeitsfolgebestimmung der Technologie und Strategieauswahl sowie der Generierung der elementaren Steuerungsanweisungen ist das manuelle Verfahren zeitintensiv und fehleran f llig Der Programmierer verliert in langen Programmen schnell den berblick da ihm Hil fen wie beispielsweise strukturierte Geometrie Operations und Werkzeugbeschreibungen fehlen Die Folge sind Programmierfehler die w hrend der Bearbeitung oftmals zu schwer wiegenden Folgefehlern am Werkst ck Werkzeug oder an der Maschine f hren WECKO1d Aus der Sicht eines Softwarearchitekten hat die manuelle Programmierung den Nachteil dass sie keinem definierten Muster folgt Jeder NC Programmierer hat seine individuelle Art die Bearbeitung durch NC Codes zu beschreiben Zudem fehlen Rohteilinformationen so dass die automatisierte Rekonstruktion der Bearbeitungsgeometrie und aufgabe nur eingeschr nkt m glich ist Die am Markt befindlichen Systeme zur berwachung und Optimierung be schr nken sich daher auf die Auswertung der programmierten Verfahrwegbefehle und Vor sch be MAV05 SCHIO5 Kollisionen werden in der Regel auf der Basis zus tzlicher steue rungsspezifischer Kollisionsr ume und Werkzeugdefinitionen berwacht Die Steuerung stoppt in diesem Fall die Achsen bevor sie in einen gesperrten Bereich einfahren NCFEO5 Sie kann jedoch die Bearbeitungsbahn nicht zur Kollisionsvermeidung umplanen Andere Systeme l
295. nterteilt die adaptiven Regelsysteme aufgrund ihrer Zielsetzung in Grenzwert Adaptive Control Constraint ACC und Optimierregelungen Adaptive Control Optimization ACO Ferner werden technologische d h nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten arbeitende und geometrische d h auf die Einhaltung der tolerierten Geometriemerkmale ausgerichtete Re gelsysteme unterschieden V DI3426 2 3 1 Anwendungen zur Prozessregelung Applications for process control Seit den 60er Jahren werden Konzepte zur Prozessregelung entwickelt und an numerisch ge steuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt Im Fokus der Entwicklung standen anfangs Syste me zur berwachung von berlasten und zur Regelung technologischer Parameter Mit ACC Systemen regelte man beispielsweise den Bahnvorschub oder die Spindeldrehzahl um die Zerspanleistung zu maximieren MAIE74 Andere Konzepte sahen zus tzlich eine Manipula tion der Schnittaufteilung vor Gieseke und Breuer stellten derartige Systeme f r die Drehbe arbeitung und Gather f r das Stirnfr sen vor GIES73 GATH77 BREU83 Die industrielle Akzeptanz und der Funktionsumfang dieser Systeme wurden jedoch durch den hohen Auf wand die verf gbare Sensorik die Leistungsf higkeit der Rechnersysteme und die fehlenden Schnittstellen zur NC Steuerung begrenzt so dass viele Konzepte erst in der j ngeren Zeit in der Fertigung umgesetzt werden k nnen VITRO6 Aus der Sicht der Systemhersteller vereinfachen die modernen NC St
296. nweisungen Das Gesamtsystem muss ferner anzeigen ob Grenzwerte und Regelstrategien im NC Programm vorgegeben wurden oder Parameter f r den Zugriff gesperrt sind Die verf gbaren Eingriffsm glichkeiten m ssen dem Anwender ebenso transparent sein wie deren Einfluss Zugriff auf die Regelparameter Die Schnittstellen zum Eingriff in die NC Programm vorgaben und zum Zugriff auf die Steuerungsfunktionen m ssen eindeutig sein Beispielswei se d rfen beim Bohren nur die technologisch relevanten beeinflussbaren Gr en angezeigt werden Hierzu k nnten die maximale Bohrtiefe je Zyklus die Drehzahl oder der Vorschub geh ren Parameter anderer Bearbeitungsoperationen wie die einer Taschenoperation zur Korrektur von Schnitttiefe Werkzeug berdeckung oder Strategien zum tangentialen An und Abfahren d rfen nicht f r eine Bohrung angeboten und angezeigt werden Dies w rden den Anwender zum einen verwirren und zum anderen w ren die Eingaben durch die Steuerung nicht sinnvoll umsetzbar Stattdessen muss der Werker durch eine situationsgerechte Anzeige von Soll und Eingriffsparametern gef hrt werden Es sind ihm geeignete Interaktionsmecha nismen zum schnellen und effektiven Prozesseingriff bereitzustellen Hierzu eigenen sich bei spielsweise Schieber Drehkn pfe und Auswahllisten die in Abh ngigkeit von der aktuellen Bearbeitungsaufgabe aktiviert und parametriert werden Grafische Darstellungen der Bearbei tungssituation der Variationsgr
297. obt vgl Kapitel 8 Dabei zeigte sich dass sich die Mehrzahl der Feature und Operatio nen auf bestehende NC Zyklenbibliotheken abbilden lassen und so von der NC Steuerung ohne die aufw ndige Entwicklung neuer Algorithmen abgearbeitet werden k nnen STEP01 Eine Kombination aus expliziten Bearbeitungsvorgaben bei einer gleichzeitigen Operations definition ist ebenfalls m glich Sie schafft die Grundlage um einerseits den Bearbeitungsab lauf hochgradig optimiert zu beschreiben und andererseits an der Steuerung oder im laufenden Prozess flexibel auf die in der Operation kodierte Prozessf hrung zu wechseln Ferner ist es ausgehend von der Operationsdefinition m glich das Bearbeitungsziel zu beurteilen und al ternative Vorschl ge zu generieren Der Werker oder eine Regelung k nnen komfortabel zwischen den Alternativen ausw hlen und den Prozess schnell und wirkungsvoll manipulie ren Das Datenmodell kann damit sowohl die Programmabl ufe konventioneller an die DIN 66025 angelehnter NC Programmierschnittstellen als auch Aufgabenbeschreibungen f r eine flexible NC Programmierung an der Maschine oder eine autonomen Umsetzung in der NC Steuerung abbilden Gleichwohl steht dieser Ansatz in der Kritik weil der Werker an der Maschine den Pro grammcode aufgrund der komplexen Syntax sowie der vielf ltigen Programmelemente nicht mehr h ndisch editieren kann Der Steuerungshersteller Siemens schlug daher das Festhalten am DIN Code vor und
298. och offene Schnittstellen zur Basissoftware der NC Steuerung notwendig BITZ96 Jede NC Steuerung bietet Schnittstellen an um beispielsweise das NC Programm einzulesen den Steuerungskern zu parametrieren und die externen Antriebe sowie Maschinenfunktionen anzusteuern Des Weiteren passt der Steuerungs oder Maschinenhersteller ber diese Schnitt stellen die NC Steuerung an die kinematischen und funktionellen Unterschiede der einzelnen Werkzeugmaschinen an Eine reine Schnittstellenkonfiguration und Funktionsparametrierung reicht jedoch nicht aus um prozess und anwenderspezifische Anforderungen funktionelle Weiterentwicklungen sowie die Anpassung an Sondermaschinen zu realisieren u ere Offenheit innere Offenheit a Offene b NC Kern mit einge c Offenes Benutzerschnittstelle schr nkter Offenheit Steuerungssystem HMI Human E Eg E Eg Machine EEr Interface Steuerungs EE e a kern m Em 000 6000 0000 IT I Offenheit f r zeitunkritische Kern mit fester Struktur der Prozessabh ngige Struktur Module der Steuerung jedoch die Integration anwender austauschbar parametrierbar bedienerorientierte Anwendung spezifischer Funktionen erlaubt portierbar und erweiterbar Bild 2 8 Offenheit einer NC Steuerung nach WECK96 Openness of a numerical control Eine Voraussetzung f r die Erweiterung des Funktionsumfangs ist eine offene NC Steuerung PRIT
299. och sehr komplex W hrend der Werker selber den Prozess verfolgt und aufgrund seiner Beobachtungen in diesen eingegriffen hat fehlt in der Planung das Wissen ber die im Prozess aufgetretenen Kr fte Vibrationen und St rungen Um diese Auswertung leisten zu k nnen sind neben Algorithmen die den Prozess bewerten Datenelemente zum Prozess monitoring zu entwickeln die sich ber die Bearbeitungsbahn und den Programmablauf pa rametrieren lassen Ausgehend von der Leistungsf higkeit der entwickelten Programmier schnittstelle sind verschiedenen Forschungsvorhaben entstanden die sich mit der Definition von Elementen zur Protokollierung befassen und aus dem zur ckgemeldeten Ablauf Erfah rungswissen f r Neuplanungen extrahieren KLEM05 BREC06 EXAPO7 6 5 4 Eingriffe in die Bahnverarbeitung Manipulating the toolpath computation Aufgrund der Maschinenkinematik und der zu fertigenden Merkmalsgeometrie sind insbe sondere Eingriffen in die Bahnf hrung Grenzen gesetzt Zum einen k nnen die Parameter Zustellung und Eingriffsbreite nur innerhalb von Bandbreiten variiert werden um das Werk zeug nicht zu berlasten und um Kollisionen zu vermeiden Zum anderen entstehen durch die Eingriffe neue Konturen und Abs tze am Werkst ck Bild 6 16 Diese f hren zu ungleichm Bigen Zerspanungsquerschnitten und damit zu wechselnden Schnittkr ften Die adaptive Bahngenerierung muss daher das verbleibende Materialvolumen intelligent abarbeiten 6 St
300. ochstreifen mit Parameter bergabe APT DIN 66246 DIN 66025 ISO 14649 Bild 2 2 Systemunterst tzung bei der NC Programmierung angelehnt an BENK95 System support in NC programming W hrend einfache Geometrien und Bearbeitungsaufgaben auch heute noch direkt mit Hilfe eines Texteditors in Form von NC spezifischen Befehlen programmiert werden erfordern umfangreichere Programmieraufgaben wie die Freiformfl chenbearbeitung rechnerbasierte Hilfen zur Geometriedatenverarbeitung Ablaufplanung Technologieauswahl und Schnittauf teilung Je nach Komplexit t dieser Hilfssysteme und in Abh ngigkeit von der Qualifikation der Planer und Programmierer werden sie in der Arbeitsvorbereitung der Werkstatt oder in tegriert in der Benutzeroberfl che der NC Steuerung eingesetzt Die einzelnen Verfahren werden nachfolgend nur kurz vorgestellt Eine detaillierte Beschreibung findet sich u a in WECKO1d und EVERO2 2 1 1 1 Manuelle NC Programmierung Manual NC programming Ausgehend von den spezifischen Programmcodes d h dem NC Programmierschliissel einer Steuerung und Werkzeugmaschine werden bei der manuellen Programmierung die NC Code worter und Parameter von Hand berechnet und an einem Texteditor in Form eines NC Pro gramms eingeben Bild 2 3 rechts Insbesondere bei einfachen Aufgaben ohne komplizierte Schnittaufteilungen oder Achsbewegungen lassen sich so Verfahrwege und Anweisungen schnell kodieren Wenn der Programmierer gleichzeitig der Masc
301. ogenen berwachung KAEV04 kann so auf der Basis der NC Programmverarbeitung und den von der NC Steuerung bereitgestellten Variablen pr zise auf die Bearbeitungsgeometrie Verfahr wege Operationswechsel und Maschinenfunktionen abgestimmt werden Zus tzlich werden die Parameteranzeigen die Bearbeitungssimulation und die Dialoge zur Prozessmanipulation ber die Events aktualisiert 7 1 6 3 Prozessobjekte Process objects Mithilfe der Variablenobjekte k nnen die Module des HMI und der NC Steuerung unterein ander auf ihre offenen Datenschnittstellen zugreifen und eventgesteuert vordefinierte Funkti onen zu deren Verarbeitung ausl sen Damit ist zwar indirekt ein modul bergreifender Funk tionsaufruf m glich aber es werden keine Aufrufparameter bergeben oder Ergebnisse zu r ckgeliefert Diese Mechanismen eignen sich somit nicht um die bergreifenden Funktionen der Module von au en aufzurufen Ausgehend von der OSACA Kommunikationsplattform definiert Hardebusch eine Funktions schnittstelle als Operation die nicht den Inhalt eines Datenobjekts sondern durch ihre Abar beitung den Zustand des gesamten Moduls ver ndert Er beschreibt dazu einen Zustandsau tomaten den das Modul schrittweise als Ergebnis der verschiedenen Funktionsaufrufe durch l uft HARDO2 Bezogen auf den Interpreter erlaubt ein solcher Zustandsautomat erst nach erfolgreicher Anwahl eines NC Programms den Start der Abarbeitung der wiederum die Voraussetzung f
302. ogram Then they process the information and generate toolpaths sequences of switching commands and set values to feed the drives In order to handle the complexity of this task a NC Workingstep library was developed containing numerous sub types of NC Workingsteps which are specialized to process different NC program data They systematically complement one another Processing the content of the NC program the NC Workingsteps split themselves up into Sub Workingsteps The final level of Sub Working steps contains simple NC Workingsteps that handle explicit machine functions or set values only Since the NC Workingsteps are integrated into the numerical control as an exchange able library an external developer can easily add his own NC Workingsteps to realize special toolpath algorithms etc The invented NC Workingsteps are structurized in so called Sub Workingstep lists These lists preserve the context to the workplan workingsteps features operations and tools defined in the NC program This solution allows to pursue the machining progress based on under standable high level process information or features instead of listing lines of G and M codes The operator can view a graphically animated machine tool with moving axes and tools removing material from a simulated work piece He always can refer to the original workingsteps operations and features In addition the high level geometry data of the raw part the finished part and the tools can
303. oh teil die verf gbaren Maschinen und Werkzeuge sowie die Fertigteilgeometrie ber cksichti gen GLOC99 BROUOO Die diskreten Steuerungsanweisungen des NC Programms ben tigt er nur um den Ablauf zu optimieren d h die Abarbeitung an das Systemverhalten anzu passen und Taktzeiten zu reduzieren Die NC Programmierung muss daher die Denkweise des Werkers unterst tzen und ihm gleichzeitig optimierende Eingriffe auf Befehlsebene erm gli chen Dazu m ssen sich diese Elemente im NC Programm wieder finden um sie in den Pro grammier und Anzeigesystemen grafisch anzeigen und dialoggef hrt programmieren zu k nnen Abarbeitung in der NC Steuerung W hrend CAx Systeme Datens tze generieren steuert die NC Steuerung direkt Achsbewegungen und Maschinenfunktionen an Eine Zur ck Funktion um erkannte Fehler zu korrigieren oder Varianten auszuprobieren gibt es nicht Die programmierten Vorgaben m ssen eindeutig zu interpretieren sein und sich mit dem Ziel einer unterbrechungs und ruckfreien Bewegungsf hrung schnell einlesen und umsetzen las sen Unternehmen mit zertifizierten Prozessen setzen zudem eine reproduzierbare Abarbei tung voraus Sie fordern dass sich Teile des NC Programms und deren Abarbeitung gezielt 4 Anforderungen an die Programmierung und Programmverarbeitung 39 gegen Anderungen sperren lassen Hierzu werden an der Steuerung die Lese und Schreib rechte eingeschr nkt Ferner werden im laufenden Prozess die Overrid
304. ons and damages The job of testing a NC program on a machine tool and of adapting it to the real process is generally executed by the operator at the machine tool and not by specially trained tool setters LAYG05 Thereby the operator is facing great demands He needs to monitor the auto mated fast complex and difficult to observe machining process in order to detect deviations immediately and to start the right countermeasures in time SCHUOO Instead of working with comprehensive task and feature descriptions the operator has to think and work with machine oriented abstract NC commands SCHI95 BROUOO These com mands are also used to display the machining progress High level descriptions such as ma chining operations and strategies are missing as well as a graphical visualization of the manu facturing geometry or the toolpaths During the machining process the numerical control locks the content of the NC program The NC strictly executes the commands line by line In order to correct the running process only the overrides for spindle speed and feed or simple NC variables can be manipulated by the operator Figure 1 1 In order to change the sequence of working steps the strategy the cutting tools or the toolpath the operator has to stop the machining process Currently this is the only way to correct wrong or sub optimal NC programs next to the machine tool or in the planning department Then the NC program has to be re loaded into the
305. or G codes which convert and simplify the planning information are not necessary any longer At the machine tool the operator can access at any time an understandable description of the ma chining task geometry and operation The information constantly provided from planning allows manipulating even complex NC programs at the machine tool Hence NC programs can be corrected or optimized more easily and fast with less risk of wrong codes or misunder standings The exchangeability of the programs and the advantages for the user were success fully demonstrated based on the realized prototypes and evaluated with industrial partners Unlike previous concepts the NC programming interface developed within this thesis is com pletely conform to the STEP standards ISO 10303 Existing definitions to define general geometry or machining features were taken over from the STEP application protocols AP 209 214 and 225 By consequence the model was internationally accepted implemented in industrial prototypes and finally successfully standardized in the ISO standard ISO 14649 The general elements of the data model like the workplan or the set up were grouped in a general model ISO 14649 Part 10 The technology specific models were described in spe 9 Zusammenfassung und Ausblick 143 cialized models for milling Part 11 turning Part 12 EDM Part 13 14 and drafted for inspection Especially the model for milling which has been a main task of thi
306. orge gebenen Startpunkt aus beginnen k nnen Dieser L sung wird eingesetzt um den im weiter laufenden Interpolator angesteuerten Synchronisationspunkt zu bernehmen Im Regelfall verhalten sich diese Sub Workingsteps als Bahnsegmente in Form von Geraden Kreisb gen Spline oder parametrierten An Abfahr sowie Verbindungsbewegungen Da sie eine Spezialisierung der in der Basisbibliothek bereitgestellten Datenelemente zur Wegbe schreibung darstellen setzt sie das Hauptprogramm des Interpreters in einfache steuerungs spezifische Weginformationen hier Geraden Kreise und Polynomspline um Die nachfolgen den Module der WZL NC puffern die Bahnen und verarbeiten sie schrittweise zu Sollwerten f r die Antriebe und regeln deren Ausf hrung Innerhalb des Interpreters bleiben die Daten elemente in ihrer spezialisierten Form jedoch erhalten bis das Segment und die bergeordnete Segmentgruppierung durch Fortschrittsmeldungen der Steuerung ihre vollst ndige Abarbei tung durch die Achsen gemeldet haben Kommt es vor diesem Abschluss zu einer St rung so leitet das Hauptprogramm des Interpre ters die St rung an die in Abarbeitung befindlichen Datenelemente der spezialisierten Biblio thek weiter Die Anzahl der Datenelemente ist aufgrund der fortlaufenden Aktualisierung be reits minimiert so dass die Position f r eine Umplanung basierend auf den mit der St rung gemeldeten Parametern schnell gefunden und umgeplant werden kann Bei der Umplanung
307. orgegeben Statt dessen stellen die Segmentobjekte ihren Bahnverlauf als Parameter offen zur Verf gung Der Entwickler hat so die M glichkeit seine eigenen Datenstrukturen positionsgenau zu verkn p fen Denkbare Attribute sind die Art des Segment bergangs und des Werkzeugeingriffs die bei einer Prozessregelung zu ber cksichtigenden Technologiegrenzwerte oder vordefinierte Eingriffstrategien vgl Kapitel 6 5 Grenzwert berpr fung nach einem Eingriff Die Module der Geometriekette puffern mehrere Bahnsegmente um diese bergreifend aus zuwerten und optimierte Bewegungsprofile berechnen zu k nnen Das Ergebnis sind ange passte Vorschubgeschwindigkeiten und ruckfrei gegl ttete Bahnen Streng genommen ist die ses Vorgehen der NC Steuerung ein erster Eingriff in die NC Programmvorgaben Greift nun zus tzlich eine externe Regelung oder der Werker ein so ist sicherzustellen dass in Summe die zul ssigen Grenzwerte nicht berschritten werden Der Ansatz den Prozess in diskreten Schritten zu adaptieren erlaubt es die zuvor generierten Bewegungsbahnen in die vorgelagerten Module zur ckzuf hren dort die aus der Verrech nung resultierenden Abweichungen zu bestimmen zu bewerten und in der folgenden Prozess korrektur zu ber cksichtigen Folglich stellen die adaptierenden Module bzw die darin imp lementierten NC Workingstepfunktionen sicher dass in Summe die vorgegebenen Grenz werte eingehalten werden Werden dagegen Prozesskenn
308. orking steps zur Verarbeitung weiter Die verarbeitenden Module lassen sich in zwei Funktions bereiche gliedern Die Geometrieverarbeitung zur Ansteuerung der Maschinenachsen und die synchrone Ansteuerung der Schaltfunktionen ber die Speicherprogrammierbare Steuerung SPS Aufgrund ihrer unterschiedlichen steuerungstechnischen Arbeitsweise erfordern die beiden Teilbereiche angepasste L sungskonzepte zur Realisierung laufzeitparalleler Pro gramm und Prozesseingriffe Bei Manipulationen der dynamischen Werkzeug und Achsbewegungen sind die kinematischen Grenzen und die Tr gheit der Maschinenachsen zu ber cksichtigen Uber die SPS sind Eingriffe aufgrund ihrer zyklischen Arbeitsweise und den Ablauffolgen nur zu diskreten Zeitpunkten und Funktionszust nden m glich 6 4 1 Geometriekette Geometry processing Die Geometriekette umfasst alle steuerungsinternen Funktionen die auf die Programmaufl sung und Schnittaufteilung durch den Interpreter folgen und bis zur Bereitstellung von Soll wertfunktionen f r die einzelnen Maschinenachsen abzuarbeiten sind Hierzu z hlen die Werkzeugkorrektur die Verrechnung von Nullpunktverschiebungen die kinematische Trans formation die Geschwindigkeitsf hrung und die Interpolation der Bahnkurven zu zeitdiskre ten Sollpositionen und Beschleunigungen Sie hat die Aufgabe die in den NC Workingsteps generierten Werkzeugbahnen an die Werkzeuggeometrie den Werkzeugverschlei die Ma schinenkinema
309. owie dem Fertigungswissen muss die Bear beitungsaufgabe in Form von elementaren Steuerungsbefehlen beschrieben werden Neben der direkten manuellen Programmierung wurden daher bereits fr h rechnerbasierte Pro grammierverfahren entwickelt um den Programmierer durch Automatismen bei der problem orientierten Beschreibung der Bearbeitungsaufgabe der Berechnung der Technologieparame ter und Verfahrwege sowie dem finalen Kodieren der Weg Schalt und Technologiebefehle zu unterst tzen Der Funktionsumfang dieser Systeme wurde fortlaufend weiterentwickelt und hat sich ausgehend von der Arbeitsvorbereitung bis in die Werkstatt und die Benutzerschnitt stelle der Steuerung etabliert Bild 2 2 Heute bieten praktisch alle Steuerungshersteller Edito ren und teilweise grafisch unterst tzende dialoggef hrte Programmierhilfen in den Benut zungsoberfl chen ihrer NC Steuerungen an 2 Stand der Technik 7 100 CAD CAM Systeme Verhaltens maschinelle NC Prg simulation mit GroBrechnern graphisch problemorientierte int rakltive Systeme Programmiersprachen maschinelle Prg mit Kleinrechnern grafischer NC Editor WOP Tools manuelle Programmierung an der NC Steuerung manuelle NC Prg in der Arbeitsvorbereitung Anteil der Programmierverfahren manuelle Werkstattprg 1960 1970 1980 1990 2000 Jahr CNC CAD PC WOP Offene NC virtueller binare Unterprogramme NC Kern L
310. parameterize monitoring and control systems according to the actual operation and to offer enhanced manipulation routines in order to optimize the process at runtime Universal task oriented NC programming interface The information retrieval was solved by developing and standardizing a data model that con tains both complete planning data and control oriented commands The result is a comprehen sive hierarchically structured description of machining jobs The jobs are defined in so called Workingsteps which are listed in Workplans Each Workingstep consists of a geometry to be machined e g a Feature and an Operation specifying which Strategy Technology parame ters and Tool shall be used In addition explicit Toolpaths and NC Functions can be defined within the Operation in order to precisely predetermine how to machine the part and when to activate or deactivate the machine s functions The level of detail depends on the requested degree of optimization and the availability of functions to compile toolpaths and commands autonomously inside the numerical control In addition it permits to migrate step by step from a conventional numerical control and its detailed commands to a more flexible system that can process features based on the given operations tools and machine data The developed solution permits for the first time the universal use of NC programs from planning to numerically controlled machining Specific formats like APT CL DATA
311. pezifische Operationen und Strategien die jedoch technisch durch eine Erweiterung der NC Programmierschnittstelle und deren generische Umsetzung in die vorge stellte Bibliothek realisiert werden k nnen Auf dieser Grundlage vereinfacht sich die Imple mentierung der Prototypen auf die Zuordnung das sogenannte Mapping der einzelnen Daten elemente Die bestehenden Dialoge Planungs und Detaillierungsroutinen Simulationen und Anzeigen der Systeme sind f r den Anwender weiterhin voll nutzbar Zus tzlich erlaubt ihm die neu eingebundene NC Programmierschnittstelle den Austausch der Planungs und Pro grammvorgaben zwischen den verschiedenen CAM Systemen als auch den nachfolgend reali sierten WOP Systemen und NC Steuerungen Bild 8 3 CAM CATIA V5 Dassault Systemes CAM HyperFACT OpenMind RAF twee 3 EE Tr PPr ONE YET EDEN J dasni id S a z AOO S o mses Ls mi 2 23 sha aaeain NC Programm o a i a eA o o oD D u al ro ie A X Schnittstellen Bibliothek Mapping mit HyperFACT Elem Mapping mit CATIA Elementen Schnittstellen Bibliothek Bild 8 3 Zur Ein und Ausgabe der ISO 14649 erweiterte kommerzielle CAM Systeme Commercial CAM systems enabled to read and write ISO 14640 NC programs Der Umfang der realisierten Elemente entspricht der in der ISO 14649 f r die prismatische Fr sbearbeitung definierten Konformit tsklasse 2 1 einfache Bahnen 2 Bear
312. plan und die als geschlossene Aufgaben auszuf hrenden NC Funktionen Ex change Pallet Load Tool Unload Tool an Um dar ber hinaus eigene Funktionen in die Programmierschnittstelle integrieren zu k nnen und diese gezielt f r Eingriffe freizu geben werden die bereits im Rahmen der Programminterpretation vorgestellten Konfigurati onsdateien und Schl sselworte um Freigabeparameter erweitert Nach dem Laden des NC Programms vergleichen die NC Steuerung sowie die Anwendungen der Benutzungsoberfl che den Programminhalt mit den Schl sselworten und wenden die Freigaben an Wenn zudem die Wechselwirkungen und Abh ngigkeiten der Arbeitsschritte und NC Funk tionen im Vorfeld berpr ft werden k nnen sie dem Anwender grafisch angezeigt und kon textorientiert als Eingriffsoptionen angeboten werden M gliche Kriterien zur Auswertung sind die Wechsel des Werkzeugs der Spannlage der Strategie oder des zu bearbeitenden Merkmals Des Weiteren l sst sich anhand der Merkmale und den an ihnen ausgef hrten Ope rationen erkennen inwieweit mehrere Arbeitsschritte aufeinander aufbauen und daher in ihrer Reihenfolge nicht ver ndert werden d rfen Dieser Ansatz stellt beispielsweise sicher dass ein Gewinde erst nach dem Bohren des Kernlochs geschnitten wird 92 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Anderung der ausstehenden Arbeitsschrittfolge Der Interpreter bildet die im NC Programm kodierten Arbeitsschritte auf
313. plexit t der Bearbeitungsaufgabe stehen der Industrie heute verschiedenartige Planungs Program mier und Simulationssysteme zur Verf gung Aus Gr nden der Systemkosten der Arbeits umgebung und der Mitarbeiterqualifikation nimmt der Funktionsumfang dieser Systeme aus gehend von der Arbeitsvorbereitung ber die Werkstattprogrammierung bis hin zu den in die Steuerungsoberfl che der Maschine integrierten Programmierhilfen stetig ab Daraus ergibt sich insbesondere an der Werkzeugmaschine eine suboptimale Unterst tzung bei der Erstel lung Erprobung und Korrektur von NC Programmen NCG93 ENGSO2 In der Folge wer den die Potentiale von Prozess Maschine und Werkzeug nicht ausgenutzt Zudem f hren nicht erkannte Programmierfehler zu Qualit tseinbu en am Bauteil oder aufgrund von Kolli sionen zu Sch den Die Aufgabe das NC Programm an der Maschine zu erproben und an die realen Fertigungs bedingungen anzupassen bernehmen mehrheitlich die Werker an der Maschine und nicht speziell ausgebildete Einrichter oder Meister LAYGOS5 Dabei werden an den Werker be sondere Anforderungen gestellt Er muss die automatisiert ablaufenden schnellen komplexen und oftmals schwer einsehbaren Bearbeitungsprozesse berwachen Abweichungen sicher erkennen und rechtzeitig geeignete Gegenma nahmen bestimmen und einleiten SCHUO0 Bei dieser komplexen T tigkeit wird der Werker nur unzureichend unterst tzt Anstelle einer werkergerechten seinem Prozessv
314. r fte bei der Metallbearbeitung In Werkstofftechnik und Maschinenbau 47 1957 Nr H5 S 224 225 Kinzler E Maschinensimulation Virtuelle Maschine von Index Simula tion in einer neuen Dimension In motion world Hrsg Siemens 2 2006 S 10 11 Klein F NC Steuerung f r die 5 achsige Fr sbearbeitung auf der Basis von Nurbs Dissertation RWTH Aachen 1995 Klemm P Heusinger S Planungsfehler werden vermieden STEP NC ba siertes Programmieren der Komplettbearbeitung auf Dreh Fr szentren ver k rzt Programmierzeiten In Maschinenmarkt MM das Industriemagazin 2003 Nr 34 S 26 29 Klemm P Selig A Wosnik M Kramer C R ckf hrung von Prozessda ten mittels STEP NC In wt Werkstattstechnik online 2005 Nr 5 S 368 372 Klingauf W Unter adaptiver Kontrolle immer am Limit In Werkstatt und Betrieb 06 2004 S 63 65 Klocke F Produktion 2000 plus Visionen und Forschungsfelder fiir die Produktion in Deutschland Band 1 und 2 WZL RWTH Aachen 1998 Klocke F Kratz H H Prozess berwachung In Autonome Produktion Klocke F Pritschow G Hrsg Springer Verlag Berlin 2004 Koch M Autonome Fertigungszellen Gestaltung Steuerung und integrier te St rungsbehandlung Dissertation TU M nchen 1996 Koch J Wissensbasiertes CAM System steigert Effizienz beim Program mieren In Maschinenmarkt MM das Industriemagazin 17 11 2005 Lauscher J Effiziente Methoden f r die
315. r Antriebssysteme kann ein NC Programm nur mit einer begrenz ten Genauigkeit steuerungstechnisch ausgef hrt werden Der programmierte Start und End punkt eines NC Wegsements muss nicht zwingend mit den an den Lageregler zur Ausf hrung bergebenen Sollwerten bereinstimmen Zudem gibt es in der Programmausf hrung zeitliche Schwankungen die durch das ver nderliche Geschwindigkeitsprofil die Synchronisation mit den zu schaltenden Maschinenfunktionen sowie die Abarbeitungsgeschwindigkeit der ver schiedenen Datenpuffer bedingt sind 2 2 2 Aufbau einer NC Steuerung Architecture of a numerical control Moderne NC Steuerungen bestehen aus einer oder mehreren Rechnereinheiten auf denen verschiedene Softwareapplikationen installiert sind die die Steuerungsfunktionalit t enthal ten Die Anzeige und Eingabeger te die Antriebe sowie die Anpasssteuerung der Werk zeugmaschine sind ber spezielle oftmals steuerungsspezifische Datenschnittstellen mit der NC Steuerung verbunden An diese sogenannten Antriebsschnittstellen und Bussysteme wer den besondere Anforderungen gestellt Sie m ssen die Steuerungsinformationen synchron deterministisch d h in einer vordefinierten Zeitspanne und verlustfrei weiterleiten um eine schnelle und fehlerfreie Maschinenansteuerung sicherzustellen Je nach Steuerung werden unterschiedliche Rechnersysteme eingesetzt Es gibt Steuerungen in denen laufen die Benutzerschnittstelle und die Grundsteuerung d h der
316. r Nu merical Controls Deliverable 1 1 Demands of manufacturers and users towards the new interface Europ ische Kommission Br ssel 1999 ESPRIT project 29708 STEP NC STEP Compliant Data Interface for Nu merical Controls Final Report Br ssel Europ ische Kommission 2001 GROWTH project GRD1 2001 00007 IMS STEP NC STEP Compliant Data Interface for Numerical Controls Final Report Europ ische Kommissi on Briissel 2004 Projektbeschreibung zu STEP NC und AP 238 In Website des Software hauses STEP Toos Inc URL www steptools com Stand Dezember 2006 154 SUH02 SUH02a TAYLO7 TLUS92 TONS96 TOENOO TOENOI VANJ98 VDI2218 VDI3426 VDIZ04 VDW02 VDW04 VITRO6 VERS04 WECK77 WECK93a WECK93b 10 Literaturverzeichnis Suh S H et al Architecture and implementation of a shop floor program ming system for STEP compliant CNC Computer Aided Design Suh S H Cheon S A framework for an intelligent CNC data model In International Journal of Advanced Manufacturing Technology Juli 2002 Vol 19 10 S 729 735 Taylor F W On the Art of Cutting Metals In Transactions ASME 28 1907 Nr 1119 S 31 350 Tlusty J Smith S Stabilizing Chatter by Automatic Spindle Speed Regula tion In Anals of the CIRP Vol 41 1 1992 Tonshoff H K et al Autonome kooperative Produktionssysteme VDI Z 138 Nr 9 1996 S 56 59 Tonshoff H K Rackow N B V Virtu
317. r Programmabarbeitung m glich Anwendungsspezifische Zwischenformate wie die heutiger CAM Systeme Postprozessoren 42 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung und Steuerungsprogramme werden durch eine bergreifende Bearbeitungsbeschreibung er setzt Programm nderungen in der Planung oder Optimierungen an der Maschine stehen ber einen zentrale Datenbasis allen Teilsystemen zur Verfiigung Bild 5 2 Die Risiken redundan ter aufgrund fehlender Verkn pfung nicht zwingend aktueller Datens tze werden umgangen Ferner lassen sich die von der Maschine ausgef hrten Abl ufe Funktionen und Verfahrwege im Programm protokollieren und f r Wiederholbearbeitungen oder Neuplanungen nutzen Geometrie Arbeitsplan Prozesswissen Regelstrategien Resourcen nc Programm durchg ngige anwendungs uae Informationsbereistellung DI Funktionen Funktionen Anzeigen Auswerten Eingeben Umsetzen Konfigurieren berwachen Prozessmodell maschinen prozess und anwendungsspezifische Interpretation U De 6 EA Prozess Rege Regelparameter EA anzeige lung AE T Kontur nu NC Si II NC 1 ne cs Bild 5 2 Aufbau des Gesamtkonzepts zur NC programmbasierten Prozessregelung Design of the concept for process manipulation based on the NC program s data Innerhalb des Gesamtkonzepts hat die NC Steuerung die Aufgabe die programmierte Bear beitungsaufgabe zu interpretieren ihre Daten auf das st
318. r abgezogen um die verschiedenen Werkst ck und Bearbeitungs geometrien darzustellen Ferner ist es mithilfe sogenannter Frames oder Knoten m glich die modellierten Teilgeometrien zusammenzufassen und in eine hierarchische Struktur einzuord nen Zu jeder derart strukturierten Geometrie werden eine eigene Koordinatenverschiebung und Darstellungseigenschaften wie die Farbe oder die Transparenz definiert Bei der NC Programmierung oder w hrend der Bearbeitungssimulation K nnen somit gezielt Merkmale herausgehoben oder ausgeblendet werden Die Koordinatenverschiebungen zwi schen den Knoten erm glicht es das Roh und Fertigteil analog der im NC Programm ent haltenen Beschreibung aufzubauen Ausgehend von dem Werkst cktr ger werden die Spann lagen der einzelnen Werkst cke und dazu wiederum die Bearbeitungsmerkmale positioniert W hrend der Bahnsimulation werden die von der Steuerung gemeldeten Verfahrwege ber diese Koordinatensysteme der Sollgeometrie im Paletten Werkst ck oder Merkmalskoordi natensystem berlagert 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 121 Werden dariiber hinaus die Knoten offen gelegt so kann ein externer Entwickler fiir seine individuellen Werkzeuge und Merkmale die grafische Darstellung erg nzen Im Idealfall w rde die grafische Simulation zu jedem Bearbeitungsmerkmal die individuelle Zuordnung eines Darstellungsalgorithmus als Erweiterung der Grafikbibliothek zulassen Zusatzinform
319. r adaptiven Programmverarbeitung und Workingstep in deren steuerungsspezifische Datenobjekte NC_Project NC_Workplan und NC_Workingstep auf Diese Sub Workingsteps beginnen wiederum unmittelbar mit der Umsetzung ihrer internen Parametervorgaben und ggf der Erzeugung weiterer Sub Workingsteps Ausgehend von diesem Ansatz entsteht unmittelbar nach dem ffnen des NC Programms im Datenspeicher der NC Steuerung eine verkettete der programmierten Abar beitungsfolge entsprechende Struktur von direkt ausf hrbaren NC Workingsteps Diese steue rungstechnisch vorverarbeiteten Anweisungen m ssen dann nur noch dem Abarbeitungsfort schritt folgend aufgerufen und ausgef hrt werden H ngt eine der Verarbeitungsroutinen von noch nicht bereitstehenden Ergebnissen vorange hender NC Workingsteps von R ckmeldungen aus dem realen Prozess oder von Werkerein gaben ab so bieten sich mehrere Optionen an um auf die fehlenden Informationen zu warten Zum einen kann der Thread sich selbstst ndig abbrechen und der NC Workingstep wird in seinen vorhergehenden Zustand zur ckgestuft Sobald dann die ihn referenzierenden voran gehenden NC Workingsteps ihren Zustand ndern wird der Thread erneut gestartet Der Vor teil dieses Konzepts liegt in seiner einfachen softwaretechnischen Umsetzung Jedoch wird der Thread auch gestartet wenn die fehlenden Informationen ggf noch nicht vorliegen Daher ist ein gezielt ereignisgesteuerter Aufruf effektiver Dazu regis
320. r beiden Systeme so dass in der laufenden Bearbeitung nde rungen an Vorgaben des NC Programms direkt ausgewertet und umgesetzt werden k nnen Die Realisierung des entworfenen Systems wird in Kapitel 8 am Beispiel der Fr sbearbeitung prismatischer Merkmale erl utert Der hierzu entwickelte Demonstrator besteht aus einem System zur featureorientierten NC Programmierung einer NC Steuerung mit aufgaben orientierter Programmverarbeitung und Schnittstellen zur Prozessriickkopplung sowie einge bundenen Modulen zur Prozess berwachung und 3D Prozessverfolgung durch den Werker Das Kapitel schlie t mit Zeitmessungen aus praktischen Bearbeitungsversuchen Diese de monstrieren die Leistungsf higkeit der entwickelten Bahnaufl sung sowie deren bearbei tungsparallele Adaption Kapitel 9 beschlie t die Arbeit mit einer Zusammenfassung und dem Ausblick auf m gliche Formen der industriellen Umsetzung sowie der dazu zu leistenden Entwicklungsarbeit 4 Anforderungen an die Programmierung und Programmverarbeitung 37 4 Anforderungen an die Programmierung und Programmverarbeitung Requirements on NC programming and NC processing Im Rahmen dieser Arbeit wird ein NC Steuerungssystem entwickelt das ber den Zugriff auf h herwertige NC Programminformationen und deren Verarbeitung qualitativ und quantitativ erweiterte Eingriffsm glichkeiten in den Bearbeitungsablauf erm glicht Dazu sind Steuer ungsfunktionen zu entwickeln mit denen diese Informatio
321. r und Drehregler direkt auf die Funktionen der Maschine und der Steuerung zugreifen zu k nnen Hierzu z hlen bei spielsweise die Betriebsart Start und Stopp der Programmabarbeitung oder die Overrides zur Geschwindigkeitsmanipulation In Abh ngigkeit von der geforderten Reaktionsgeschwindig keit und den Sicherheitsauflagen sind die Schalter hardwaretechnisch oder ber echtzeitf hige Bussysteme mit der SPS und dem NC Kern verbunden Die Belegung der Schalter wird durch die Steuerungs und Maschinenhersteller fest vorgegeben und l sst sich in der Regel nur zur Anwahl einzelner Verfahrachsen umschalten Komplexe Abl ufe wie das Einwechseln eines alternativen Werkzeugs im laufenden NC Programm das Anfahren an einen definierten Punkt oder die Manipulation der Schnitttiefe sind heute ber die Steuertafel nicht m glich Dieser Umstand resultiert aus der fehlenden Kopplung zwischen der Steuertafel und den Vor gaben des NC Programms sowie der elementaren Schalt und Wegfunktionen des NC Programms Deutlich flexibler ist die interaktive Anzeige der NC Steuerung das MMC Man Machine Control Das MMC dient dem Werker als zentrale Anzeige und Eingabeeinheit In ihr sind alle nicht echtzeitkritischen Funktionen wie die Visualisierung der Prozess und Stammdaten die NC Programmierung die Ablaufsimulation und die Konfiguration der Maschinenparame ter integriert Die Teilfunktionen des MMC arbeiten als eigenst ndige Softwareapplikationen die ber e
322. rametern geplant Bei diesen planeri schen Aufgaben unterst tzt das Programmiersystem den Anwender durch Vorschl ge und Auswahloptionen basierend auf Werkzeug und Technologiedatenbanken Bis zu diesem Punkt der NC Programmierung speichern die Systeme die Planungsergebnisse in ihren propriet ren internen Datenformaten Die Bearbeitung wird umfassend und zusam menh ngend durch die Roh und Fertigteilgeometrie sowie die Operationsdaten beschrieben Die Datenstruktur entspricht dem arbeitsschritt und merkmalorientierten Denken des An wenders Dabei wird die CAD Geometrie fertigungsgerecht umgesetzt und irreversibel in das Format des Planungssystems konvertiert nderungen an der Geometrie m ssen manuell im Konstruktionsmodell oder in der Schnittaufteilung des NC Programms nachgehalten werden HENN97 Eine Alternative bieten die sich in der Praxis durchsetzenden gekoppelten CAD CAM Systeme Ausgehend von einem gemeinsamen Datenmodell werden nderungen an der Geometrie direkt in die Konstruktion und in die Bearbeitung bernommen LAUSO1 Als neutrales Ausgabeformat generieren die Planungs und Programmiersysteme problemori entierte auf die sp tere Ausf hrung ausgerichtete Aufgabenbeschreibungen beispielsweise nach APT Automatically Programmed Tools DIN66246 In diesen Datens tzen sind nur noch vereinfachte Rohteil Ablauf und Operationsinformationen enthalten Ein weiteres Zwischenformat ist die Cutter Location Data nach DIN 66215 i
323. rch ein abgeleitetes neues Datenelement an die anwenderspezifischen Anforderungen angepasst werden Bild 5 8 Standardisierte Prg Elemente TOOL_BODY NC Steuerung MILLING_CUTTER DRILL Erweitertes NC Programm ar Basis Funktion Bohren mit Spiralbohrer ENDMILL SIDE_MILL Sale 10 EX_END_MILL 11 11 TECH_LIMITATIONG 3000 5000 Basis Funktion Erweiterte Programm Elemente Fra rasen mit Schaftfras er Ex_ENDMILL REAL ENDSEC END ISO 10303 21 Spezfische Ery i I eiterung Fr sen mit Exc Email NC Programmierschnittstelle Neues Datenelement um ein Werkzeug mit eigenen zus tzlichen Informationen programmieren und an die NC weiterleiten zu k nnen Bild 5 8 Paralleler Austausch standardisierter und neuer spezialisierter Programmelemente Common exchange of standardized as well as new specialized program elements 5 2 Prozessverfolgung und eingriffe ber NC Programmierobjekte Process tracing and manipulation based on NC programming objects Die f r die NC Programmierschnittstelle entwickelten Objekte erlauben es die zu program mierende Bearbeitung ausgehend von einer Arbeitsschrittfolge ber die darin zu bearbeiten den Fertigungsmerkmale und anzuwendenden Operationen bis hin zu expliziten Verfahrwe gen Schaltanweisungen und Prozessparametern struk
324. rker oder Regelungseingriff wechselt die Steuerung in den Zustand Adapt requested Dieser Zustand dient den Steue rungsmodulen und den darin gepufferten NC Workingsteps als Trigger Zielt der Eingriff erst auf einen nachfolgenden NC Workingstep so wechselt der Zustandsautomat vorr bergehend auf Wait Parallel wird die Eingriffsinformation durch die NC Workingstepliste durchge reicht bis dass ein NC Workingstep auf den Eingriff reagiert Dieser initiiert den Zustand Adapt active und beginnt seine Parameter und Sub Workingsteps zu adaptieren Die n chsten Zust nde spiegeln wieder dass eine Korrekturstrategie ausgew hlt wurde und dass die internen Berechnungen neuer Parameter und Sub Workingsteps abgeschlossen wur den Diese Zustands nderung wird zeitlich berwacht um bei Bedarf in einen Fehlerzu stand zu wechseln und die Bearbeitung abzubrechen Ferner wird der Zustand in der An zeige oder der Regelung zur Fortschrittsverfolgung ausgewertet Danach werden je nach Stra tegie entweder die Sollwerte ber Offsets manipuliert oder die Steuerung wechselt auf die neu errechneten adaptierten Verfahrwege Sobald die Korrekturen ber die Sollwert schnittstellen ausgef hrt werden meldet die Steuerung den Zustand Solution Processed Aus diesem Zustand kann entweder die Korrektur fortgesetzt werden um z B die Werkzeug zustellung schrittweise zu reduzieren oder der Zustandsautomat wechselt zur ck in
325. rkmalsorientierten Prozessregelung Concept for a task and feature oriented process control Zur L sung der in Kapitel 0 zusammengefassten Anforderungen wird im Folgenden ein Ge samtkonzept entworfen auf dessen Grundlage sich eine aufgaben merkmals und operati onsorientierte NC Programmierung Prozessverfolgung und bearbeitungsparallele Prozesskor rektur realisieren lassen Im Kern des Konzepts stehen eine neuartige die Aufgabe und den Prozess umfassend beschreibende NC Programmierschnittstelle sowie Interaktions und Steu erungsalgorithmen die den laufenden Prozess analysieren kontextorientiert Eingriffsoptionen anbieten und Programm nderungen dynamisch auswerten und zeitnah umsetzen Mit dem Ziel die notwendigen Informationen bereitzustellen um die Bearbeitungsaufgabe an der Maschine vollst ndig und situationsgerecht darstellen optimieren und zur Prozessrege lung auswerten zu k nnen wird in einem ersten Schritt eine aufgaben merkmals und pro zessorientierte NC Programmierschnittstelle entwickelt Diese NC Programmierschnitt stelle wird objektorientiert aufgebaut Analog zu dem logischen Ablauf der NC Program mierung wird in ihr gezielt zwischen Geometrien Bearbeitungsaufgaben Operationen und Steuerungsbefehlen unterschieden Die Darstellungsform und der Umfang der Schnittstellen objekte reichen aus um ohne Konvertierungen und Zusatzdateien alle erforderlichen Informa tionen von der Geometrie bernahme aus der Konstruktion
326. rogrammieroberfl che setzt sich aus mehreren Funktionsmo dulen zusammen die als DLLs entsprechend der Konfigurationsdatei geladen und den Pro grammelementen zugeordnet werden Bild 8 7 Die Anzeigen werden sowohl zur Programm erstellung anzeige als auch zur Fortschrittsverfolgung genutzt Hierzu wird in den Darstel lungen und Dialogen die objekt und ablauforientierte Struktur des NC Programms genutzt Durch den Werker oder den gekoppelten Interpreter werden die aktiven Elemente angew hlt und hervorgehoben In der laufenden Bearbeitung werden die berwachungs und Eingriffs schnittstellen automatisch aktiviert Hierzu meldet der Interpreter ber die Elemente der NC Programmierschnittstelle den aktiven Arbeitsschritt Der Interpolator und die Transformation liefern ber ihre OSACA Schnittstellen fortlaufend die Lage Ist Werte Diese werden im MMI protokolliert und simuliert Ferner werden die Module des NC Kern offline aufgerufen um vor der sp teren Abarbeitung die Bewegungsbahnen zu berechnen und in der Oberfl che gegen ber den programmierten Merkmalen auf Kollisionen zu berpr fen Baumdarstellung mit Zugriff lat em pean Arme Kamm Jain E auf den Arbeitsplan die Feature Oeprationen Technologievorgaben und Werkzeuge 3D Darstellung des Bauteils und Bearbeitungssimulation Dialoge zur Prozess berwachung und regelung hier z B Antriebsstrom Interaktive Dialoge zur NC Programmierung oder zum Optimi
327. rs ist der sogenannte Parser zum Einlesen des NC Programms Seine Aufgabe besteht darin die alphanumerisch kodierten Programmdaten auf der Basis einer vorgegebenen NC Programmierschnittstelle zu analysieren und je nach Pro grammgr e schrittweise als Datenelemente in den Arbeitsspeicher der Steuerung zu laden Im Speicher stehen die Programminformationen dann als zusammenh ngende Datenstruktu ren zur Verf gung und k nnen vom Interpreter zur weiteren Verarbeitung ausgelesen werden Mit dem Ziel die Steuerung an unterschiedliche Befehlskodierungen und kundenspezifische Erweiterungen anpassen zu k nnen unterscheidet das Konzept zwischen der Datenhaltung des Parsers und der des Interpreters Im Parser werden ausschlie lich die Elemente des NC Programms verwaltet w hrend der Interpreter den Programminhalt intern auf ein eigenes Datenmodell die vorgestellten NC Workingsteps abbildet ber Zeiger oder Identifikations schl ssel sind die beiden Datenspeicher miteinander verkn pft Schreib Lese und Funkti onsaufrufe stellen sicher dass ein Datum nicht zeitgleich durch eine Teilfunktion manipuliert und eine andere ausgelesen werden kann Der Interpreter kann jederzeit die von ihm ben tig ten Informationen nachladen In der Gegenrichtung meldet der Parser nderungen am NC Programm an die NC Workingstepverwaltung des Interpreters Diese ruft nach jeder nde rung die betroffenen NC Workingsteps auf um deren Dateninhalt zu berpr fen In A
328. rschnittstelle und der steuerungssei tigen Offenheit Arbeitsschritte Operationen und Merkmale in Abh ngigkeit von dem eigenen Prozesswissen individuell optimiert abzuarbeiten ist es nicht zielf hrend das Programmier system als eine geschlossene Anwendung in die Benutzungsoberfl che zu integrieren Statt dessen bietet sich eine aufgabenorientierte Aufteilung in bergreifend g ltige sowie auf ein zelne Programmelemente spezialisierte Module an Zu den bergreifend g ltigen Elementen geh ren beispielsweise die Abfolge der Arbeitsschritte im Arbeitsplan der die Merkmale des Roh und Fertigteils beschreibende Geometriebaum sowie die einzusetzenden Werkzeuge Sie geben eine Art Leitfaden vor der den Werker durch das NC Programm f hrt und einen syste matischen Zugriff auf den Programminhalt vorgibt Ausgehend von dieser Systematik wird auf die Details der Arbeitsschritte Merkmale und Werkzeuge verwiesen Analog zu der f r die Programminterpretation entwickelten Vorgehensweise werden die Zugriffsfunktionen nicht starr implementiert sondern in einer Konfigurationsdatei werden die einzelnen Merk male frei den spezialisierten Funktionsmodulen zugeordnet Bild 7 7 Die einzelnen Funktionsmodule werden beim Systemstart geladen und als Dialoge Ansichten oder Schaltfl chen in der Oberfl che erg nzt Aufgrund der Vielzahl der Programmelemente werden die Dialoge zur Programmerstellung kontextabh ngig geladen Beginnend mit einem neuen NC Programm
329. rt auf eigener Sensorik und Hard ware zur Prozess berwachung und auswertung Sie haben eine eigene Benutzerschnittstelle und sind nicht in die Oberfl che der NC Steuerung integriert In die laufende Bearbeitung greifen sie ber SPS Befehle oder eine Manipulation der Sollwerte ein Bis auf die M glich keit NC Variablen zu setzen nehmen die externen Systeme keinen Einfluss auf das NC Programm und dessen steuerungsinterne Abarbeitung Die Synchronisation mit dem Bearbei tungsablauf ist auf den Abruf von SPS Signalen Programmstart Werkzeugwechsel und den Zugriff auf Sollwerte Vorschub Drehzahl begrenzt F r eine steuerungs bergreifend einheitliche Anbindung an die SPS haben die Firmen Bran kamp Artis und Prometec das Brankamp Artis Prometec Standard Interface BAPSI spezi fiziert Darin sind 24 von der SPS bereitzustellende Signale festgelegt Unter anderem geh ren hierzu das An und Abschalten der berwachung der Code des aktiven Werkzeugs die ID des NC Programms und die Art des Verfahrbefehls Eilgang definierter Vorschub ber diese Informationen wird die berwachung parametriert und gestartet Die Reaktionen des berwachungssystems werden ber 8 Meldesignale an die SPS bermittelt Zu den Meldun gen z hlen Stopp Befehle Quittieranforderungen Warnungen und Befehle an die Werkzeug verwaltung BAPS97 Nicht enthalten sind Zugriffe auf das NC Programm oder die Sensor signale der Antriebe Integrierte auf z
330. ruf der verschiedenen Ap plikationen erfolgt ber die Softkeys der Benutzungsoberfl che oder automatisiert in Abh n gigkeit von dem Betriebszustand der NC Steuerung Ihr Funktionsumfang wird durch den Steuerungs und Systementwickler vorgegeben Er reicht von der Prozessanzeige ber NC Programmiersysteme bis hin zu interaktiven Oberfl chen zur Prozessverfolgung und regelung Einen standardisierten HMI Aufbau gibt es heute nicht gleichwohl im Projekt H MNOS ein Styleguide entwickelt wurde der eine Referenzarchitektur f r die einzelnen Funktionseinheiten des HMI definiert HUEM98 Initiativen wie das Global HMI haben sich auf die Anbindung der Benutzungsoberfl che an die NC Steuerung beschr nkt MICH00 Damit fehlen offene Schnittstellen ber die die einzelnen HMI Applikationen untereinander Daten austauschen und Funktionen aufrufen k nnen Beispielsweise kann heute ein NC Programmiersystem wie ShopMill der Fa Siemens nicht um eigene NC Programmelemente Anzeigen Dialoge und Interaktionsmechanismen zu deren Programmierung oder zur Prozess regelung erweitert werden Ein modularer Systemaufbau der die Interaktion der verschiede nen HMI Applikationen sicherstellt und zudem eine offene erweiterbare NC Programmier schnittstelle durchg ngig von der Daten bernahme ber die Anzeige die Programmierung bis hin zur Prozessverfolgung und Regelung unterst tzt ist Ziel dieser Arbeit und wird als Basis f r das HMI Konzept entwickelt
331. rung den Anwender von komplexen Aufgaben und unterst tzt ihn durch situationsgerechte Abl ufe optimal Beim Freifahren des Werkzeugs stellt sie sicher dass falsche Benutzervorgaben nicht zu Kollisionen f hren 6 5 2 Vorausschauende Prozessoptimierung Provident process optimization Zus tzlich zu den Eingriffen in die Abarbeitungsfolge fordert der Werker die Operationsvor gaben im Prozess ndern zu k nnen ohne dazu das NC Programm abbrechen zu m ssen Hierzu k nnte er die im NC Programm enthaltenen Vorgaben an der Benutzeroberfl che dia loggef hrt ndern und zur Umsetzung an die Steuerung bertragen M gliche Anwendungs f lle sind zus tzliche Werkzeugwechsel oder die Anwahl einer tangentialen Zustellbewegung vor der n chsten Bearbeitungsoperation 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 93 Um die Eingriffsm glichkeiten des Werkers zu erweitern bietet es sich ferner an zus tzlich zu den Programmvorgaben auch die steuerungsinternen NC Workingsteps als Eingriffs schnittstellen offenzulegen Bild 6 15 Dadurch wird die grobe arbeitsschrittbezogene Struk tur des NC Programms feiner untergliedert Dieser Ansatz erm glicht es Prozessparameter gezielt f r einzelne Zustellebenen zu optimieren anstelle sie pauschal f r das gesamte abzu arbeitende Merkmal ndern zu m ssen Zudem sind die NC Workingsteps ausgehend von der vorgestellten Segmentierung und Parametrierung ber die Geometriekette und die SPS bis hin
332. rzu ist ein generisches Nachrichtensystem in dem der Nachrichtentyp als auch die Adres saten ber Identifier Kodiert werden und die eigentliche Nachricht d h die von dem Eingriff ausgehende nderung als neutraler Datenblock verpackt ist Die Empf nger reagieren auf die Identifier entpacken den Dateninhalt entsprechend dem erkannten Datentyp und setzen diesen 74 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung um NC Workingsteps die von der Anderung nicht betroffen sind leiten die Nachricht ein fach der NC Workingstepliste folgend weiter vgl Unterkapitel 6 3 Die u eren Eingriffsfunktionen erlauben den Inhalt der NC Workingsteps ber eine ex terne Prozessregelung oder die Benutzungsoberfl che der NC Steuerung zu ver ndern Im Gegensatz zu den Override f r Vorschub und Spindeldrehzahl sind sie jedoch nicht st ndig verf gbar Vielmehr werden sie in Abh ngigkeit von dem jeweils aktiven oder ausgew hlten NC Workingstep als Eingriffsoption des Interpreters angeboten Analog zu den am Rand heu tiger Steuerungsoberfl chen angeordneten Softbuttons sollte der Interpreter u ere Eingriffs funktionen zu seinen NC Workingsteps bereitstellen und diese in der Oberfl che kontextori entiert aktivieren Das hierzu seitens der Benutzungsoberfl che notwendige Konzept wird in Kapitel 7 detailliert beschrieben Steuerungsschnittstellen f r allgemeing ltige Eingriffsparameter Dar ber hinaus sind viele Eingriffsparameter technolog
333. s S 1 Basisdialoge ansi 9 ansichten datenschnittstellen i i Funktionen zy i i I ZUM Zugriff auf 9 i und zur R ckmeldung nee An ogramm gs i 2 ach Anderungen cnn in i Grundsystem Noe o i Konfiguration Systemdienste s Optimierungen Planungsvorgaben Bild 7 2 Aufbau und Schnittstellen des Programmier und Benutzungssystems an der NC Architecture and interfaces of the developed HMI Auch wenn dieser Ansatz im Fokus der folgenden Detaillierung steht so ist das Gesamtsys tem keineswegs auf diesen Aufbau festgelegt Prinzipiell k nnen mehrere Benutzerfunktionen als eigenst ndige Applikationen entwickelt und zeitgleich eingesetzt werden Intern werden sich jedoch die nachfolgend beschriebenen Teilfunktionen wiederfinden da diese notwendig sind um innerhalb des Gesamtsystems Programminformationen aufgaben und prozessorien tiert zu erstellen auszutauschen und steuerungsseitig in die Bearbeitung einzugreifen Der wesentliche Vorteil einer zentralen Plattform leitet sich dabei aus der Koordination m g licherweise gegenl ufiger Programm und Steuerungszugriffe ab Zu Konzepten wie solche Konflikte durch eine steuerungsseitige Integrationsplattform gel st werden k nnen sei an dieser Stelle auf die Dissertation von Kahmen verwiesen KAHMO5 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 103 7 1 1 Hardware und Betriebssystem Hardware
334. s grad bei den Anwendern und die M glichkeit g ngige Softwareapplikationen wie beispiels weise zur Textverarbeitung Tabellenkalkulation CAD Viewer oder Datenbanken zu instal lieren Die heutigen Arbeitsspeicher Festplatten Netzwerkanschl sse und Dateiverwaltungs systeme erlauben den Austausch und das ffnen gro er Datens tze Folglich kann vorausge setzt werden dass sich umfangreiche CAD Datens tze und objektorientierte NC Programme gem der im Rahmen dieser Arbeit mit erarbeiteten ISO 14649 Programmierschnittstelle ber Anwendungen unter Windows Betriebssystemen und PC Hardware verarbeiten lassen 7 1 2 Anwendergerechte kontextorientierte Interaktion User adequate context oriented interaction Die Vielzahl der prozessbestimmenden und im NC Programm kodierten Parameter sowie die Offenheit diese anwenderspezifisch zu erweitern und zu interpretieren setzen umfangreiche Darstellungs und Interaktionsmechanismen im Benutzungssystem voraus die zudem kon 104 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation textabh ngig gesperrt aktiviert und mit Parametern belegt werden m ssen Diesen Anforde rungen werden die Steuertafel und die interaktive Anzeige heutiger HMI nicht gerecht Ihre Funktionsweise wird nachfolgend kurz beschrieben um im Anschluss ein Konzept zu entwer fen mit dem sie f r das Gesamtsystem nutzbar gemacht werden k nnen Die Maschinensteuertafel dient dem Werker um ber Taster Schalte
335. s und dargestellt F vorherige neue berdeckung und simulation i Bahn adaptieren Sicherhetsabsiamd Bild 8 8 Eingriff ber die Benutzerschnittstelle und Adaption der NC Workingsteplisten A manipulation at the HMI causes an adaptation of the NC workingstep lists F r die konturparallele Schnittaufteilung m ssen quidistante Bahnen generiert und zus tzlich um tangentiale Verbindungsbewegungen erg nzt werden Zur Bestimmung der quidistanten wird ein von Held vorgeschlagener Algorithmus eingesetzt HELD91 Dieser berechnet aus gehend von der das Merkmal beschreibenden Kontur sogenannte Bisektoren deren einzelne Kurvenpunkte von zwei angrenzenden Kontursegmenten gleich weit entfernt liegen Die Summe alle Bisektoren ergibt ein Voronoi Diagramm ber das die parallel verschobenen Kontursegmente gek rzt und asymptotische Bahnen berechnet werden Bild 8 9 132 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung _ Kontursegment A Aa N N gt amp Ag Aa N Bisektor _ Bisektor y 2 zuAaG N zu A amp C shits K S 3 Asymptoten gek rzte Asymptote zu E ae mit varierten N Abstanden Konturelement Ef parallel verschobern Bild 8 9 Bisektoren zur Bestimmung asymptotischer Bearbeitungsbahnen mit der M glich keit im Prozess die Uberdeckung zur Prozesskorrektur variieren zu k nnen Bi sectors used to compute
336. s oder am Prozess orientiert nderungen m ssen manuell in der Planung nachgehalten werden da Konstruktions und Planungsdaten nicht im NC Programm enthalten oder mit diesem verkn pft sind Aufgrund der nur im Grundumfang standardisierten NC Codes sind die Steuerungsfunk tionen nur bedingt vergleichbar Die Befehlsausf hrung ist somit steuerungsspezifisch Es ist kein Programmaustausch zwischen verschiedenen Maschinen Steuerungen und Programmiersystemen m glich Die Systembindung schr nkt die Flexibilit t ein Es fehlen standardisierte Elemente und Zusatzinformationen die als Grundlage einer Prozessverfolgung berwachung und regelung ausgewertet werden k nnten 2 1 3 Einfahren und Korrektur von NC Programmen Optimization and correction of NC programs Sowohl bei manuellen als auch bei maschinellen Programmierverfahren k nnen Program mierfehler nicht ausgeschlossen werden Zur Absicherung wird das erstellte NC Programm daher simuliert und an der Maschine schrittweise erprobt Dazu werden unterschiedliche Ver fahren angewendet Softwarebasierte Ablaufsimulation und Kollisions berpr fung Leerfahrt ohne Werkzeug und Werkst ck so dass keine Kollisionen auftreten k nnen Luftschnitt ohne aufgespanntes Werkst ck um das Kollisionsrisiko zu minimieren Programmausf hrung im Einzelsatzmodus so dass der Einrichter vor jedem auszuf h renden NC Satz die Bearbeitung quittieren d h die Bearbeitung frei
337. s thesis could be completed to an extend that it was transferred to a STEP application protocol SO10303 238 and the OMAC group started applying it in industry KENNO7 Up to now the NC pro gramming interface was only defined for a couple of machining technologies The industrial acceptance will substantially depend on the development of further models In addition insti tutes and industrial working groups need to review the models constantly in order to add new elements to the interface that can handle the future process and geometry information of CAM CAP and NC In addition data models for machine tools clamping devices and cutting tools need to be de veloped This thesis only drafted some of the required elements as it focused the geometrical and operational data In order to autonomously optimize the machining process inside the NC control without the help of any operator this information is mandatory Autonomous adaptable processing of NC programs in the numeric control After defining and standardizing the new NC programming interface ISO 14649 a numerical control was developed to process this extensive information The realized numerical control is able to process the operations and features of the NC program at runtime In order to con stantly keep the relations between workingsteps and generated set values so called NC Workingsteps have been introduced In a first step these NC Workingsteps store the input received from the NC pr
338. s zeigt dass die Umsetzung auf Zyklen und G Codes einen effektiven und einfach realisierbaren Migrationsschritt vom G Code hin zur Programmierung nach ISO 14649 darstellt Jedoch kann der Umsetzer die vollst ndige Planungsinformation nicht bis in die Programmabarbei tung fortf hren und dem Werker eine aufgaben und operationsorientierte Prozesskorrektur w hrend der Bearbeitung erm glichen 8 1 4 Statische NC Programmumsetzung im Interpreter Static mapping of the NC Program in the interpreter Oo 8 Um dem Anwender die in der Planung definierten Arbeitsschritte Merkmale und Operationen parallel zur Bearbeitung anzeigen zu k nnen wurde f r die NC Steuerung MTC 21 von Bosch Rexroth die Umsetzung der ISO 14649 Programme in deren Interpreter integriert Der Umweg ber einen externen Umsetzer entf llt Der Werker ruft das NC Programm direkt auf Die Interpretation der Programmvorgaben und deren Abbildung auf die f r die MTC spezifi schen elementaren Steuerungsbefehle erfolgt in einem sogenannten Compiler In Bild 8 5 sind der Compiler und seine internen Funktionsmodule dargestellt Nach der Programman wahl wird der Compiler gestartet Er l dt zuerst Konfigurationsdateien in denen der Steuerungshersteller oder ein Entwickler definiert welche spezialisierten DLLs zur Verarbei tung der verschiedenen Merkmale und Operationen geladen werden sollen Ferner werden die in der Steuerung gespeicherten Werkzeuge und Nullpunktverschiebung
339. schnell genug Eine m gliche L sung besteht darin die Ansicht der Oberfl che zu unterteilen und die einzelnen Segmente anlog der Abarbeitungsfolge mit zu belegen Gem den Anforderungen wird der Anwender entsprechend den ihm aus der Pla nung bekannten Arbeitsschritten Operationen und Merkmalen unterst tzt Er kann den Pro zess aufgabenorientiert verfolgen und bearbeitungsparallel korrigieren 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung 123 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung Realization of a process control based on a task and feature oriented NC program Die entwickelten Konzepte und Algorithmen wurden im Rahmen des Sonderforschungsberei ches 368 Autonome Produktionszelle APZ02 PFEIO6 und den durch die Europ ische Union gef rderten STEP NC Forschungsprojekten STEPO1 STEPO4 in mehreren Proto typen umgesetzt Hierzu geh ren die Anbindung an CAM Systeme die Implementierung von Postprozessoren zur Abarbeitung der entwickelten NC Programmierschnittstelle in konventi onellen NC Steuerungen sowie die Realisierung einer vollst ndig integrierten Steuerungsl sung die den Werker von der NC Programmierung ber die Fortschrittsverfolgung bis zur Prozessmanipulation aufgaben merkmals und operationsorientiert unterst tzt Alle Systeme wurden an praktischen Bearbeitungsbeispielen demonstriert und die Ergebnisse mit For schungs und Industriepartnern evaluiert WEYRO00 WECK03a STEPO4
340. seine Grundstellung um das jetzt adaptierte NC Programm weiter abzuarbeiten Bei diskreten Regelschritten wie sie bei der Neuberechnung von Bewegungsbahnen entste hen sperren die Zust nde sich gegenseitig und stellen sicher dass der Prozess erst nach er folgter Korrektur bewertet wird und bis dahin keine weiteren Regeleingriffe zugelassen werden F r den Fall dass eine Regelstrategie nicht in einer definierten Zeit zum Ziel f hrt wird eine Notfallstrategie ausgel st Der Prozess wird unterbrochen um mit dem Facharbeiter interaktiv das Problem zu l sen oder er wird kontrolliert abgebrochen Zur technischen Umsetzung bieten sich zwei L sungsans tze an Die Steuerung kann die Zu st nde zentral erfassen und als explizite Variablen nach au en offen legen Alternativ halten die NC Workingsteps ihren aktuellen Bearbeitungszustand eigenst ndig nach und erlauben 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 91 hierauf tiber externe Schnittstellen zuzugreifen Vor dem Hintergrund einer offenen Erweite rung der Steuerungsfunktionen bietet eine dezentrale Verwaltung durch die NC Workingsteps Vorteile Die Zust nde sind nicht auf steuerungsseitig vordefinierte Werte begrenzt sondern k nnen frei mit den NC Workingsteps erweitert werden Durch die Verkettung der NC Workingsteps wird jede Zustands nderung unmittelbar weitergemeldet und die programmier te Bearbeitungsvorgabe passt sich fortlaufend dem Abarbeitungsfortschritt a
341. seine steuerungsin ternen NC Workingsteps ab und verkettet sie entsprechend der im Arbeitsplan vorgegebenen Ausf hrungsreihenfolge Greift der Anwender ber die Benutzungsoberfl che in die pro grammierte Reihenfolge ein so wird im Interpreter lediglich die Verkettung neu sortiert In dem die NC Workingsteps untereinander ihre End und Startwerte abgleichen werden feh lende Verbindungsbewegungen notwendige Werkzeugwechsel und die zu ndernden Techno logieparameter erkannt und autonom angeglichen Komplexere Abl ufe werden in Form neu er f r diese Aufgaben spezifischer NC Workingsteps im Ablauf erg nzt Solange sich die Eingriffe auf die noch ausstehenden Arbeitsschritte beziehen bleibt der NC Steuerung ausreichend Zeit um ihre internen Datenstrukturen zu adaptieren und den ge nder ten Arbeitsplan vorab in der Benutzungsoberfl che zur Anzeige zu bringen Selbst wenn der Eingriff den unmittelbar anstehenden Arbeitsschritt betreffen w rde k nnte die NC Steuerung den Abarbeitungsfortschritt verlangsamen oder unterbrechen um Zeit f r die Adaption und das Generieren neuer NC Workingsteps zu gewinnen Diese Verz gerung w re f r den Anwender nachvollziehbar und sie h tte abgesehen von der verl ngerten Ausf h rungsdauer keinen negativen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis Parallel zu den Eingriffen werten die NC Steuerung und die in die Benutzungsoberfl che in tegrierten Simulations und Programmierhilfen die ge nderte Ar
342. sem Ansatz entspricht unter anderem das Vorgehen der Siemens Sinumerik 840D oder der Bosch Rexroth MTX Hier lesen sowohl der NC Editor eine zus tzliche inter aktive Programmierhilfe als auch der NC Kern die NC Programmdatei ein Ein Programm start ist dagegen nur m glich wenn diese Anwendungen das Programm freigeben und sicher gestellt wird dass die Steuerung alleinigen Zugriff auf die Datei erh lt Bei den parallel zur Bearbeitung angezeigten Programmzeilen handelt es sich um reine Textinformationen Diese werden von der NC Steuerung in Abh ngigkeit vom Abarbeitungsfortschritt zeilenweise an die Oberfl che geschickt Nachteilig an diesem Ansatz ist dass nach dem NC Start nur noch lesend auf das Programm zugegriffen werden kann und manipulierende Eingriffe nur nach einem Programmabbruch d h der Schreibfreigabe des Programms m glich sind 1 Dateibasiert NC Programm N Jede Anwendung liest das NC Programm und sucht selbstst ndig die relevanten Daten W E Adparung 87413 18 B ELOCK Rohteil 120 00 12000 40 00 een Lesen N d t 4 l euere Schreiben H2O MLUNG CUTTING TOOL Stet 124 12580 Ha NS TENOGONE NS T NG MORE ANIONS Eon F NC Programmiersytem Benutzeroberfl che NC Steuerung berwachung NO PRATES TONON
343. spezifischen nicht weitergeleiteten Informationen und der Zusammen 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 83 hang zu den bergeordneten NC Workingsteps verloren Um im Fall eines Prozesseingriffs schnell reagieren zu k nnen ist es daher sinnvoll die einzelnen NC Workingsteps und die aus ihnen hervorgegangenen Listen solange zu speichern bis dass sie f r Parameter bernah men und Eingriffe in laufende oder in nachfolgende Arbeitsschritte nicht mehr relevant sind Dazu melden die einzelnen Steuerungsmodule vordefinierte Abarbeitungszust nde an die vorgelagerten Module und insbesondere an die Fortschritts berwachung die je nach Steue rungsmodus den Abarbeitungsfortschritt der NC Workingsteps unterbricht oder freigibt zu r ck Die gemeldeten Zust nde werden in den bergeordneten Modulen ausgewertet Insbesondere der Interpreter ist auf die R ckmeldung angewiesen um Ist Positionen und Ist Werte in die Aufl sung der nachfolgenden NC Workingsteps zu bernehmen Die Zust nde werden somit zur Steuerung der an den NC Workingsteps auszuf hrenden Funktionen eingesetzt Im letzten Schritt melden sie dass alle Abh ngigkeiten aufgel st und abgearbeitet wurden so dass der NC Workingstep gel scht werden kann Zudem werden sie genutzt um das interne Prozess abbild der NC Workingsteplisten zu aktualisieren ber diesen Ansatz l sst sich erreichen dass ein Eingriff direkt an die laufenden oder die noch auszuf hrenden NC Worki
344. sprechen soll so leitet die Geometrieverarbeitung eine gezielte Zwangssegmentierung ein Indem der Entwickler seine eigenen Routinen in die Geometrieverarbeitung integrieren kann hat er die M glichkeit die NC Workingsteps gezielt auszuwerten und den Bahnverlauf ge m seinem Prozessmodell optimiert zu segmentieren und sp ter gezielt in die Bearbeitung eingreifen zu k nnen W hrend er im freien Raum wie beispielsweise bei Positionierbewe gungen ruckartige berg nge aufgrund grober Segmentgrenzen zul sst definiert er diese innerhalb einer Bearbeitungsbahn in Abh ngigkeit von den Beschleunigungsprofilen den zu erwartenden Bearbeitungskr ften und Eingriffsbedingungen 88 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Erweiterte Datenobjekte Da sich auch innerhalb eines Segments Parameter ndern oder dieses mehrere NC Working steps berspannt sieht das Konzept zus tzlich vor dass die Technologieparameter und Kon textinformationen der NC Workingsteps ber den Verlauf der generierten Bahnen paramet riert werden Zu diesem Zweck werden die Datenobjekte in denen die Bewegungssegmente datentechnisch verwaltet werden um zus tzliche Attribute erweitert Dieser Ansatz wird heu te bereits verwendet um die Werkzeugleistung oder die Werkzeugdrehzahl bahnsynchron zu steuern Aufgrund der Zielstellung eigene NC Workingsteps und Bearbeitungsmodelle in die Steuerung integrieren zu k nnen werden jedoch die Attribute nicht starr v
345. sprofile untergeordnet So wird die Verarbeitungszeit verk rzt um schnellstm glich adaptierte Kurvenfunktionen be reitzustellen Gesteuert ber das Eintreffen der neuen Segmente wird nach der umgesetzten Prozesskorrektur der volle Funktionsumfang der Geometriekette wieder freigegeben Etwaige Beschleunigungsspr nge im Synchronisationspunkt gleicht die Geschwindigkeitsf h rung aus Sie greift hierzu r ckw rts auf die verketteten NC Workingsteplisten zu liest die vorangehenden Geschwindigkeitsprofile aus und gleicht sie mit dem Ziel einer harmonischen Bewegungsf hrung mit den nachfolgenden neuen Bahnprofilen ab Dadurch dass die NC Workingsteps durchg ngig korrigiert werden stehen die adaptierten Vorgaben gleichzeitig auch nach au en zur Prozess berwachung und Ablaufverfolgung zur Verf gung Der Interpolator stellt parallel sicher dass der Synchronisationspunkt erst erreicht wird wenn die adaptierten nachfolgenden Bahnen bereitstehen und vorverarbeitet sind Dazu verz gert er die Abarbeitung Im Fall der Fr sbearbeitung reduziert er fortlaufend die Bahngeschwindig keit indem er auf das Geschwindigkeitsprofil einen langsameren Interpolationstakt anwendet Die verbleibende Zeit ermittelt er aus Statusmeldungen des Interpreters und der Kommunika tionsplattform Hinter dem Synchronisationspunkt hebt er dann den Takt linear wieder auf die Ausgangswerte an 6 4 1 2 Bezug der expliziten Achsbewegungen zu den NC Workingsteps Linking t
346. ss nicht nur der Inhalt sondern auch der Zusammenhang zwischen den NC Workingsteps bis zu den final auszuf hrenden Sollwerten ausgetauscht und nach Eingriffen adaptiert wer den 6 3 1 Kommunikationskonzepte Concepts for communication Zum Austausch der vom Interpreter in Listen gespeicherten und untereinander verkn pften NC Workingsteps bieten sich in Abh ngigkeit von dem Aufbau der dem Interpreter nachfol genden Steuerungsmodule unterschiedliche Kommunikationskonzepte an Bild 6 11 80 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung a NC Workingstep durchg ngig in b Duplizierte NC Workingsteps c NC Workingsteps werden modul zentralem Datenspeicher verf gbar in dezentralem Datenspeicher spezifisch aus Nachrichten generiert Hardware A Hardware A Hardware A und zur Verkn pfung der f Nachrichten als Ergebnis NC Workingstep Objekte Nachricht mit 1 1 Kopie des NC Workingstep Objekts i o no 053 ZID 3 cs N gt es oe Lg of 30 n Schneller Zugriff ber Shared Memory Verteile Steuerungskonzepte m glich Verteilte Steuerungskonzepte m glich Alle generierten Informationen ber das Alle generierten Informationen ber das Softwaremodularisierung m glich da NC Workingstep Objekt direkt verf gbar NC Workingstep Objekt direkt verf gbar Module mit eigenen Speicherbereichen Daten an Funktionsmodule angepasst NC au
347. ssen Teilaufgaben einer Bearbeitungsaufgabe strukturiert zu sammen Ihre Struktur erm glicht den gezielten Zugriff auf eine Positionier Zustell oder Bearbeitungsbewegung Folglich lassen sich auch die zu manipulierenden Sollwerte ber die ihnen bergeordneten Bahnsegmente auf diese im Verst ndnis des Werkers technologisch zusammenh ngenden Operationen und Funktionsabl ufen zur ckf hren Die Auswertung der bergeordneten Vorgaben in den Eingriffsschnittstellen erlaubt eine kontextorientierte Para metrierung und auf einzelne Operationen beschr nkte Ausf hrung der Prozessmanipulation Das Einschr nken von Eingriffen auf Prozessabschnitte wird bereits heute auf der Basis des verbreiteten G Codes mit im Programmablauf erg nzten systemspezifischen Zusatzkodes oder mithilfe einer globalen Unterscheidung zwischen Eilgang und Vorschubbewegungen realisiert Steuerungs und Regelungshersteller wie FANUC oder ARTIS bieten entspre chend aufgebaute Systeme zur Vorschuboptimierung an FANU04a ARTIO3 Jedoch stehen die abschnittsweise oder steuerungstechnisch definierten Begrenzungen nicht in direktem Zu sammenhang zu dem aufgaben und operationsorientierten Denken der Planer und Werker Diese Einschr nkungen werden umgangen indem der Werker bei der Prozessmanipulation gezielt ber die im NC Programm kodierten Operationen und die daraus abgeleiteten NC Workingsteps gef hrt wird Dazu erg nzt der Interpreter jedes intern generierte Befehlsd
348. st Jetter Verlag Stuttgart 2005 Held M On the Computational Geometry of Pocket Machining Lecture Notes in Computer Science Bd 500 Berlin Heidelberg Springer 1991 Henning K R Qualit tsmanagement in der NC Informationskette Syste matische Informationsr ckf hrung und Aufbereitung von Informationen zur Fehlerpr vention Dissertation Universit t Hannover D sseldorf VDI Ver lag 1997 Hirschen Kreisen H NC Entwicklung als gesellschaftlicher Prozess Frank furt Main New York Campus Verlag 1993 Hoffmann M Eickenberg S Hack O CAD CAM mit CATIA V5 NC Programmierung Postprocessing Simulation M nchen Hanser Verlag 2005 N N Referenzarchitektur der H MNOS Basissteuerung In bmb f Projekt tr ger PFT Hrsg 2 Auflage Karlsruhe 1998 Indramat GmbH NC Compiler V 17 Lohr a M 1996 Firmenschrift 10 Literaturverzeichnis 149 INDR97 INDR98 1SO10303 11 1SO10303 21 1SO10303 224 1SO10303 238 1SO14649 1 1SO14649 10 1SO14649 11 1SO14649 12 1506983 KAEV04 KAHMO5 Indramat GmbH NC Programmieranleitung V17 Lohr a M 1997 Firmen schrift Indramat GmbH MTC200 MT CNC Bohrer Bruch berwachung 18VRS Lohr a M 1998 Firmenschrift ISO 10303 11 IS Industrial automation systems and integration Product data representation and exchange Part 11 Description methods The EXPRESS language reference manual Genf International Organization for Standardisat
349. stellerspezifischen NC Zyklen auf eine standardisierte Programmierschnittstelle wie die hier erarbeitete ISO 14649 umgestellt Auf dieser Grundlage arbeiten dann die Planungs und Programmiersysteme sowie die NC Steuerung durchg ngig mit einem Format ohne In formationsreduzierung Die Umstellung wird dabei einerseits von der Weiterentwicklung der ISO 14649 abh ngen und zudem von den CAP CAM Systemen die letztlich die Programme generieren m ssen Wichtig hierbei ist dass sowohl in den CAM Systemen als auch in den NC Steuerungen standardisierte Softwareschnittstellen geschaffen werden um die Algorith men durchg ngig von der Planung bis in die Abarbeitung einsetzen zu k nnen gleichsam jedoch die darin gekapselte Kompetenz der Hersteller zu sch tzen Weiteres Potential liegt in der Prozessr ckf hrung durch die NC Workingsteps Sie nehmen an den Sollwertschnittstellen den realen Prozessverlauf auf und ordnen diesen eindeutig ein zelnen Operationen und Aufgaben zu In der Planung k nnten diese Informationen zur Be wertung der gespeicherten Operationen und Technologiedaten ausgewertet werden W rden die aktuell in die CAM Systeme integrierten virtuelle NC Kerne um diese NC Workingstep erweitert so k nnten sie die real aufgezeichneten internen Steuerungsabl ufe als St rung in die Simulation einflie en lassen 142 9 Zusammenfassung und Ausblick Conclusion and future prospects Today the operator is insufficiently supported at the mach
350. t N60 G1 X100 N70 G1 Y100 Bedeutung des Satzes N50 N900 M2 Programmende Adress Ziffern Das Werkzeug verfahrt linear zum Punkt buchstabe folge P 20 0 12 mit dem Vorschub F 0 4mm min und der Spindeldrehzahl S 2000 U min Das Werkzeug T1203 wird vorgew hlt Programmwort und der K hlschmierstoff eingeschaltet Bild 2 6 Aufbau einer Verfahrweganweisung nach DIN 66025 Movement command according to DIN 66025 ISO 6938 Der einfache Befehlsumfang der DIN 66025 ist auf die am meisten verwendeten Wegbedin gungen und Zusatzfunktionen begrenzt DIN66025 H herwertige Beschreibungen des Fer tigungsmerkmals der Arbeitsschritte oder der Bearbeitungsoperation fehlen Diese sind nur noch implizit durch die programmierten Verfahrwege und die Technologieparameter enthal ten Die Steuerungshersteller haben daher die Grundbefehle des Standards an ihre Bed rfnisse angepasst z B herstellerspezifische Nullpunktverschiebungen und um eigene Befehle er g nzt z B Spline Funktionen Hochsprachenelemente und Bearbeitungszyklen 2 1 2 2 NC Zyklen NC cylces Mit den herstellerspezifischen Bearbeitungszyklen auch NC Zyklen genannt lassen sich ver fahrenstypische Bearbeitungsmuster mithilfe weniger Parameter programmieren Die Aufl sung der NC Zyklen in Schalt Technologie und Wegbefehle bernimmt ein der Steuerung vorgeschalteter Compiler oder direkt die Programmaufl sung der NC Steuerung Viele Steue rungsherstell
351. t die nach ihrem Aufruf die ande ren Methoden sperren und je nach Eingriff die Abfolge erneut starten k nnen 1 Workingstep Zuordnung NC_PocketMachining 2 Pocket durch Interpreter e itsBoundingContour CContour tes E itsToolpathStrategy CStrategy setzt interne m_ap CLimitedProcessValue Parameter Se Ta NC_PocketMachining L gy loadProgramParameters Fehlermeldung og verifyProgramParameters processBoundingContour Sub Workingsteps Bel Ze generateToolpaths Se generateSubWorkingsteps o Eingrifffunktion oo Zn m restartWorkingstep normaler Ablauf Zugriff auf Parameter nern get_ap returnValue status externer Eingriff unterbricht den internen Ablauf und startet diesen mit mod Parametern neu tr OOOOH uajnie6yne uselul Bild 6 7 Beispiele f r Grundfunktionen einer NC Workingstep Klasse vereinfachtes UML Exemplary base functions of aNC workingstep class object simplified UML Durch die L sung die steuerungsinternen NC Workingsteps in Objekte mit eigenst ndigen Methoden zu kapseln ergibt sich ein weiterer f r die Aufgabenstellung wesentlicher Vorteil Die Objekte verwalten die Parameter der NC Workingsteps in Form interner gesch tzter Att ribute und kontrollieren ber Schreib und Lesenfunktionen den Zugriff auf deren Inhalt z B get_ap returnValue status in Bild 6
352. t bedarfsorientiert zus tzliche Frei fahrbewegungen Nachrichten zum Spindel und K hlschmierstoffstop sowie Anweisungen um das Werkzeug zu wechseln und an die Bearbeitungsstelle zuzustellen um dann mit den in Abh ngigkeit von den neuen Werkzeuggeometriedaten korrigierten Bearbeitungsbahnen fort zufahren Eventmechanismen Andere Eingriffe sind weniger komplex Sie bilden typische Technologieparameter ab Mit dem Ziel die Abarbeitung schnell zu adaptieren m ssen sie von den einzelnen Steuerungs modulen und den darin gepufferten NC Workingsteps m glichst direkt bernommen werden Ein Nachrichtenprozess der zuerst im Interpreter ausgel st dann durch dessen NC Working 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 85 stepliste und die der nachfolgenden Module laufen muss bevor er auch an den Sollwert schnittstelen ausgewertet werden kann ware hierfiir zu umfangreich und damit zu langsam Ein L sungsansatz sind Events ein Mechanismus der auf eine sich ndernde Schnittstelle reagiert und direkt Funktionen ausl st Diese Funktionen sind Callbackfunktionen die aktiv von den Modulen und den NC Workingsteps an den Eingriffsschnittstellen angemeldet wer den Sie registrieren dabei eigene Funktionen die automatisch nach einer nderung aufgeru fen werden Der Ansatz arbeitet somit schneller da er von Nachrichtenpuffern und Pipelines unabh ngig ist Gem der Anforderungsanalyse sind so direkte Prozesseingriffe m glich wie
353. teller die M glich keit die Befehlsworte zu konfigurieren und entsprechend den Maschinenfunktionen zu erwei tern Dar ber hinaus lassen sich in Steuerungen wie der MTC von Bosch Rexroth Compiler integrieren ber die spezifische NC Programmerweiterungen auf die NC Programmier schnittstelle der Steuerung vor bersetzt d h abgebildet werden INDR96 Bild 2 9 externes NC Programm NC interner steuerungsspez NC Programm Compiler Common N Date 31 08 2006 Name Example N10 G51 X12 Y30 Z25 N20 G92 M06 T12 N30 G01 X50 Y40 ZO N40 kundenspezifischer Zyklus N50 G812 M4 J33 R10 T1204 N60 GOO Z100 Date 0001 N010 000 G51 X12 Y30 Z25 0002 N020 000 G92 0003 N020 010 T12 BSR M6 0004 N030 000 G01 X50 Y40 ZO 0005 N040 000 kundenspezifischer 0006 N050 010 G91 F600 S 1900 0007 N050 020 G00 Z100 0008 N050 030 G00 X10 N 040 G01 Z 10 Verweise NC Zyklen und Funktionen werden TEEN durch eine Software den Compiler eingelesen und i auf die von der Steuerung interpretierbaren Weg Max Index Data 8307 Technologie und Schaltanweisungen umgesetzt Bild 2 9 Vorverarbeitung des NC Programms mit Compilern Preprocessing of the NC program with compilers Eine hersteller bergreifende Offenheit des NC Kerns wie ihn z B die OSACA Spezifikation vorschl gt wurde von den Steuerungsherstellern nicht realisiert OSACO0 BRUHO3 Statt dessen werden einzelne propriet re L
354. ten Zugriffen Somit wird die Verbindung zur NC Steuerung nicht unn tig belastet 7 1 6 2 Events Events Um die einzelnen Module iiber die Anderung einer Variablen zu informieren werden Ereig nisse sogenannte Events eingesetzt Die Events l sen in den Server und Klientenobjekten Methoden aus die wiederum Callback Funktionen aufrufen die auf die Funktionen der re gistrierten Objekte und Module zeigen Dieser Mechanismus stellt sicher dass die HMI und NC Module nicht zyklisch miteinander Kommunizieren m ssen um auf den Wechsel eines Arbeitsschritts oder eine ge nderte Werkzeugposition reagieren zu k nnen Die Funktionsauf rufe erfolgen ereignisorientiert ohne die Kommunikationsressourcen unn tig zu belasten 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation 115 Abgesehen von den bereits beschriebenen Klientenobjekten entspricht dieser Mechanismus den OSACA Events Somit k nnen die Schnittstellenfunktionen einer OSACA Steuerung als Spezialisierung der Schnittstellenobjekte implementiert und als steuerungsspezifisches Kom munikationsmodul in die HMI Plattform geladen werden Der Mechanismus ist notwendig um berwachungs und Regelroutinen an die jeweilige Be arbeitungssituation anzupassen Beispielsweise wird die Schnittkraft berwachung vor dem Wechsel von einer Planoperation auf eine Zustellbewegung informiert und kann entsprechend umparametriert oder deaktiviert werden Die Forderung von Kaever nach einer satzbez
355. tenpipe der WZL NC genutzt um den Module vorab den neuen Startpunkt zu schicken und die Verarbeitung der alten nicht mehr relevanten Nachrichten abzubrechen Sobald der erste Spline im Interpolator ankommt passt der Interpolator die Bahngeschwindigkeit mithilfe seines Interpolationstaktes an die Vorgabe im Synchronisationspunkt an Ab diesem Punkt wird dann die korrigierte Bahn ruckfrei und ohne eine Programmunterbrechung fortgesetzt K me es aufgrund der Kommunikationsstrecken zu Verz gerungen w rde der Interpolator die Bahngeschwindigkeit ber seinen Interpolationstakt reduzieren Diese Strategie wird ak 138 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung tiv sobald die hoch priore Nachricht mit dem ersten adaptierten Segment eine ebenfalls steu erungsseitig parametrierte Grenzzeit berschreitet Im Worst Case regelt der Interpolator die Geschwindigkeit auf Null ab und fordert zu dem dann erreichten Punkt eine neue Bahn an Alle gemessenen Reaktionszeiten lagen zwischen 80 und 240ms Hieriiber konnte effektiv ein instabiler Prozess mit berh hten Kr ften und starken Schwingungen durch die Reduktion der Werkzeug berdeckung korrigiert werden Die Verz gerungszeit war f r den eingreifenden Werker praktisch nicht erkennbar 9 Zusammenfassung und Ausblick 139 9 Zusammenfassung und Ausblick Conclusion and future prospects An der Werkzeugmaschine wird der Werker heute unzureichend bei der Korrektur und dem Op
356. tensatz durchsucht werden um Wechselwirkungen mit anderen Merkmalen zu er kennen In umgekehrter Richtung ist nicht erkennbar ob die Geometrie zur Vereinfachung der Fertigung ge ndert werden darf oder ob sie fest vorgegeben ist In der NC Steuerung wird Technical Committee ISO TC 184 Industrial automation systems and integration Subcommittee SC 1 Physi cal device control 48 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung so die Bewertung einer Konturverletzung erschwert und es kann nicht in jedem Fall autonom entschieden werden ob eine Korrektur der Technologieparameter und Bearbeitungswege zu l ssig ist An dieser Stelle h tten boolesche Operationen oder zus tzliche Attribute in Kombi nation mit der im Arbeitsplan definierten Abarbeitungsfolge die Zusammenh nge eindeutig darstellen k nnen its_auxiliary_geometry als eine Liste der zuvor zu bearbeitenden Hilfs geometrien und its_originating_geometry als Bezug zur Zielgeometrie die selber wiederum aus Hilfsgeometrien oder den finalen Konstruktionsmerkmalen bestehen kann Bild 5 6 Die ser Ansatz w rde dem Werker gezielte Eingriffe in die Hilfsgeometrien erlauben um bei spielsweise die Bearbeitung an ge nderte Rohteilabma e Werkzeuge oder Bearbeitungsstra tegien anzupassen Gleichzeitig w re die Fertigteilgeometrie eindeutig erkennbar und lie e sich durch das NC Programmiersystem oder die NC Steuerung vor Manipulationen sperren In den Standard
357. tik und die Geschwindigkeits und Beschleunigungsgrenzen der Maschinen 86 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung achsen anzupassen Dazu werden mehrere 100 Bahnsegmente im Vorlauf eingelesen ihre berg nge innerhalb vorgegebener Toleranzen gegl ttet und mit dem Ziel einer schnellen datentechnischen Weiterverarbeitung zu m glichst langen Kurven zusammengefasst Das Ergebnis sind Bewegungskurven z B Spline die sich mehrfach stetig differenzieren lassen um sie ruckfrei ber die Maschinenachsen abfahren zu k nnen FAUS97 SIEMO4 Die segment bergreifende Arbeitsweise konventioneller Geometrieketten steht im Wider spruch zu der Idee jede Abarbeitungssituation eindeutig einem NC Workingstep zuzuordnen und ber diese unmittelbar in die Abarbeitung eingreifen zu k nnen Die vorausschauende Bahn und Geschwindigkeitsf hrung f hrt zu einer Datenpufferung und zu internen Abh n gigkeiten zwischen den einzelnen Bahnsegmenten Damit nimmt die Reaktionszeit zwischen einem Eingriff und der gew nschten Bahnadaption zu Ferner geht aufgrund der Gl ttung und Komprimierung der Bewegungskurven der Bezug zu den urspr nglichen NC Workingsteps sowie den darin enthaltenen Bahnsegmenten und Prozessinformationen verloren Um schnell und kontextorientiert in den Prozess eingreifen zu k nnen muss daher der Vorlauf kontrol liert und der Bezug wiederhergestellt werden 6 4 1 1 Kompensation des Vorlaufs nach einem Eingriff Considering t
358. timieren von NC Programmen unterstiitzt Die einfachen Programmbefehle beschreiben nur den steuerungstechnischen Ablauf der Bearbeitung Die geplanten abzuarbeitenden Auf gaben Merkmale und Operationen sind dagegen fiir den Werker nicht mehr erkennbar Aus gehend von dieser reduzierten Information kann er die Bearbeitung nur bedingt nachvollzie hen Die Folge sind Fehler beim Erstellen Andern und Einfahren der NC Programme Dariiber hinaus stehen dem Werker zur Korrektur der laufenden Bearbeitung nur wenige auf die Steuerungsparameter oder einzelne Variable beschr nkte Eingriffsm glichkeiten zur Ver f gung nderungen in der Bahnf hrung oder an den Werkzeugen erfordern den Abbruch der Bearbeitung um offline neue Weg und Schaltbefehle zu ermitteln und diese im NC Pro gramm zu kodieren Dadurch verursacht die NC Programmierung insbesondere in der Proto typen und Kleinserienfertigung Stillstandzeiten an der Maschine und hohe Kosten In der Gro serie kann dieser Aufwand zwar auf eine gr ere St ckzahl umgelegt werden jedoch schr nkt die fehlende Durchg ngigkeit zwischen den Planungs und den Programmdaten die bernahme von Konstruktions nderungen und Optimierungen in die Variantenplanung ein Diese Defizite wurden in der vorliegenden Arbeit analysiert und daraus Anforderungen an die NC Programmierung die Unterst tzung des Werkers und an die Programmverarbeitung durch die NC Steuerung abgeleitet Seitens der Programmierung stehen im
359. tion des Steuerungs und Maschinenverhaltens durch einen virtu ellen NC Kern in Kombination mit einem Maschinenmodell erlaubt nur eine offline Betrach tung des geplanten Bearbeitungsverlaufs KINZLO06 Abweichungen die sich im Prozess aufgrund der Werkzeugkorrektur oder aber nach Eingriffen durch den Anwender ergeben k nnen sie nicht vorhersehen und daher nicht simulieren Den aufgestellten Forderungen nach einem gemeinsamen Programmzugriff durch mehrere Anwendungen und die NC Steuerung einer Simulation der real ausgef hrten Programmabarbeitung und der M glichkeit eigene Bearbeitungsmerkmale sowie Algorithmen zur Bahnaufl sung zu integrieren entsprechen diese Systeme nicht Simulation im Vorfeld der Bearbeitung Die konzipierte Beareitungssimulation setzt keine eigenen Algorithmen zur Berechnung der Werkzeugbewegungen ein Sie greift auf die Werkst ck und Geometriebeschreibung des NC Programms zu und berlagert hierzu die in den NC Workingsteps der NC Steuerung be rechneten Verfahrwege Bild 7 9 Dazu stellt die NC Steuerung ihre Bahnaufl sung und Ge ometrieverarbeitung analog dem von Siemens entwickelten virtuellen NC Kern MENZO05 der Oberfl che zur Verf gung Die Anbindung kann wahlweise ber das direkte Auslesen von Sollpositionen erfolgen oder aber die Steuerung liefert zu jeder abgearbeiteten Operation die berechneten Werkzeugbewegungen d h den Toolpath zur ck Gegen ber den Positionsanga ben hat der Toolpath den Vorteil
360. tive Vorschubregelung findet sich in der EDM Bearbeitung Electro Discharge Machining Erodieren Die Vorschubregelung hat die Aufgabe den Ar beitsspalt zwischen Werkst ck und Elektrode so einzustellen dass einerseits kein Kurzschluss durch direkten Kontakt entsteht und andererseits der Spalt nicht zu gro wird so dass keine prozesstypischen Entladungen mehr stattfinden k nnen Dazu wird der Spannungsverlauf als Prozesskenngr e berwacht und die Spaltweite ber den Vorschub geregelt Der Verfahrweg des Werkzeugs ist jedoch fest durch das NC Programm vorgeben und wird nicht manipuliert Adaptive Bahnf hrung Beim Laserschwei en muss der Fokus des Laserstrahls mit hoher Genauigkeit zum F gespalt positioniert werden Jedoch weicht die Lage des Spalts aufgrund ungenauer Nahtflanken Spannfehler und des prozessbedingten W rmeverzugs von der geplanten und im NC Programm kodierten Nahtf hrung ab Die Industrie setzt daher Nahtfolgesensoren ein um den Verlauf des F gespalts zu detektieren Zur Lagekorrektur des Fokus wird die ermittelte Abweichung mit den Sollwerten der Maschinensteuerung verrechnet Je nach Steuerung fin det diese Verrechnung in der Vorlaufsteuerung z B ABB oder in einer externen Sollwert manipulation z B Kuka statt META06 Es handelt sich dabei um eine reine Positionskor rektur innerhalb der Bahnf hrung d h eine Verrechnung von Offsets und nicht um eine re gelbare Bahnplanung 2 3 2 Entwicklungsans tze i
361. triert der wartende NC Workingstep die an ihm aufzurufende Threadfunktion bei dem die Informationen bereitstel lenden NC Workingstepobjekt oder Softwaremodul ndern diese Objekte und Module ihren Zustand und folglich ihre Datenbasis so werden je nach Softwarekonzept die wartenden Funktionen zur weiteren Verarbeitung freigegeben Semaphoren oder f r den Fall dass sie zuvor beendet wurden als R ckruffunktionen Callbackfunktionen erneut aufgerufen Damit werden die ausstehenden Operationen wartender NC Workingsteps zeitnah zum Vorhanden sein der Informationen fortgesetzt und abgeschlossen Die NC Workingsteps wechseln in ihre nachfolgenden Zust nde Damit geben sie die auf sie wartenden Threads frei bevor sie selber mit ihrer n chsten Zustandsoperation fortfahren Final lesen die SPS und Antriebsschnittstel len der NC Steuerung die generierten und gespeicherten Sollwerte aus den NC Workingsteps aus um sie auszuf hren Nach der finalen Abarbeitung werden die real ausgef hrten Parame ter zur Prozessanalyse ausgegeben und im Fall von Optimierungen oder Eingriffen an die nachfolgenden NC Workingsteps bertragen Der letzte Thread eines NC Workingsteps war tet auf seine Freigabe bis er und seine Sub Workingsteps vollst ndig von der Steuerung abge arbeitet wurden Erst dann l scht er die ihm untergeordneten und seinen eigenen NC Work ingstep so dass der von ihnen belegte Datenspeicher wieder freigegeben wird Dieses Konzept ist auf beste
362. ts Technology Tool Strategy Toolpath anan ENa T EX om ay Q 4 7 explizite NC Befehle autom Bahnab Bearbeitungsmerkmal Pocket V ag Bahnaufl sung arbeitung Change Spindel en t 4 v Project NC Programmelement Project mit Pallet ABs ation change Line cor Spline i elementtypischen Parametern Verweisen auf andere Elemente Operationen is Bild 5 5 Durchg ngige Aufgabenbeschreibung von der Geometrie bis zum NC Befehl Referenzen U beziehen sich auf das Beispiel in Bild 5 3 Consistent task description from geometry to operations to NC commands W hrend sich der gr te Teil der entwickelten Geometrieelemente in der ISO 14649 wieder findet wurde ein Teil des Konzepts nicht bernommen Grund hierf r ist die Ausrichtung der f r die ISO 14649 verantwortlichen Normungsgruppe ISO TC184 SC1 Ihr Fokus lag auf der Programmabarbeitung in der NC Steuerung In der Folge lassen sich die CAD Fertigteil geometrie und die von der Arbeitsplanung erg nzten Hilfsgeometrien nicht unterscheiden Beispielsweise ist eine zu fr sende Spannfl che datentechnisch nicht von einer Ebene am sp teren Fertigteil zu unterscheiden Im Datenmodell werden die fertigungstechnischen Bedeu tungen und Abh ngigkeiten nicht abgebildet Nach einer Programm nderung muss der ge samte Da
363. tung abgebro chen und die Maschine schnellstm glich gestoppt NCFE03 Ein Abgleich der Messwerte mit den im NC Programm kodierten Verfahrwegen und Prozessparametern findet nicht statt Einerseits fehlen im NC Programm Informationen ber das Rohteil und damit ber den theo retischen Zeitpunkt und Ort des Kontakts zwischen Werkzeug und Werkst ck und anderer seits gibt das NC Programm keine Auskunft ber die zu erwartenden Eingriffsbedingungen Dar ber hinaus bieten verschiedene Steuerungshersteller eine softwaretechnische Kollisions berwachung in Form einer Einschr nkung und berwachung der Achsverfahrbereiche an Dazu werden f r die Maschine die Werkzeuge und Spannelemente Schutzr ume definiert die sich nicht berschneiden d rfen bzw in die das Werkzeug nicht einfahren darf Je nach Sys tem wird der Anwender gewarnt der Verfahrbefehl zur Quittierung unterbrochen oder die Achsbewegung abgebrochen NCFE05 Die Verfahrweggrenzen und Schutzr ume werden entweder in den Maschinendaten durch steuerungsspezifische NC Programmbefehle oder in 2 Stand der Technik 25 separaten Datenfiles vorgegeben Eine direkte Ubernahme aus dem CAP CAM oder eine standardisierte Parametrierung im NC Programm ist heute nicht m glich Adaptive Vorschubregelung Grenzwertregelungen ACC Systeme setzt die Industrie ein um beispielsweise w hrend der Schruppbearbeitung die Vorschubgeschwindigkeit in Abh ngigkeit vom Werkzeugverschlei zu maximiere
364. tung und Ausf hrung weiterzuleiten Da konventionelle NC Steuerungen w hrend der Bearbeitung den Inhalt des NC Programms f r Zugriffe sperren und Prozesseingriffe nur ber Steuerungsparameter wie die Overrides f r Vorschub oder Drehzahl zulassen reagieren die Interpreter dieser Steuerungen nicht auf Programm nderungen oder Benutzereingriffe Sie verarbeiten das NC Programm rein sequentiell Eine Bahnumplanung oder die nderung von Technologieparametern sind nur nach einem Bearbeitungsabbruch und anschlie ender Pro grammkorrektur m glich Diese konventionelle Programminterpretation und verarbeitung wird durch das folgende Konzept ersetzt Mit dem Ziel die Eingriffsm glichkeiten in den laufenden Bearbeitungsprozess zu erweitern wird ein Interpreter entwickelt der mit der Sollwertausf hrung gekoppelt ist und ber den die noch nicht umgesetzten Programmelemente bearbeitungsparallel adaptiert werden k nnen Hierzu bietet der Interpreter unterschiedliche Zugriffsebenen an die auf den in Kapitel 6 1 vorgestellten NC Workingsteps basieren Aufgrund der durchg ngigen Kopplung der NC Workingsteps vom Interpreter ber den NC Kern bis zur Sollwertausf hrung wird sicherge stellt dass die Eingriffe synchron in die laufende Bearbeitung bernommen werden Zudem umfasst das Konzept die erforderlichen Basisfunktionen und Schnittstellen mit denen die entwickelte NC Programmierschnittstelle durchg ngig steuerungsintern abgebildet wird Dazu stel
365. turiert zu kodieren Dabei gliedern die Objekte den Bearbeitungsprozess in unterschiedliche Abstraktionsebenen Diese Ebenen fol gen dem Ablauf der NC Programmierung Sie spiegeln das aufgaben merkmals und pro zessorientierte Denken des Anwenders wider In der Steuerung erm glichen sie eine struktu rierte Programmverarbeitung vom Arbeitsplan und der darin definierten Nullpunktverschie bung ber die Anwahl von Werkzeugen und Technologieparametern bis hin zu expliziten Verfahrwegen und Schaltanweisungen Ausgehend von der umfangreichen Aufgaben und Geometriebeschreibung k nnen dem Werker der Bearbeitungsablauf dargestellt und situati onsgerechte Eingriffsparameter bereitgestellt werden Bild 5 9 52 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung Befehlsorientierte Fortschrittsverfolgung Aufgabenorientierte Fortschrittsverfolgung O A a fan _ ZI kun b Progann ahgebroden 5 Cat noe Visualisierung X 53761 mm 41 261 Y 3000 mm 0 000 Z 112 704 mm 0 000 0 000 N51 G01 X125 FO2 N52 G03 X40 5 130 N53 G01 X112 3 Y40 6 Elementare Befehle Steuerungsparameter Abarbeitungsfolge Merkmal amp Operation Eingriffe Bild 5 9 Aufgabenorientierte Programmanzeige Fortschrittsverfolgung und Prozesseingriffe Task oriented displaying of NC Programs progress and manipulatable parameters 5 2 1 Aufgaben und prozessorientierte Fortschrittsverfolgung Task and process oriented tracing of the machining proc
366. ufenden Bearbei tungsprozess fokussiert werden im Folgenden die Abh ngigkeiten zwischen Konstruktions und Bearbeitungsmerkmalen nicht weiter betrachtet Um jedoch dar ber hinaus die Konstruk tion und die Bearbeitungsplanung st rker zu koppeln und nderungen direkt abgleichen zu k nnen sollte der obengenannte und in Bild 5 6 skizzierte Ansatz verfolgt werden Der Prozessplan strukturiert die Bearbeitung in Form von einzelnen Bearbeitungsschritten Workingstep und Funktionen NC Function deren Abarbeitungsreihenfolge in Arbeitspl nen Workplan vorgegeben wird vgl FU 2 FW in Bild 5 3 und Bild 5 5 Zudem lassen sich die Arbeitspl ne wiederum durch Arbeitspl ne f r die einzelnen Bearbeitungsprozesse und Spannlagen untergliedern Das Setup Attribut eines Arbeitsplans definiert dessen Auf spannung gegen ber der Werkzeugmaschine oder aber dessen Nullpunktverschiebung in Re lation zu einem anderen ihm bergeordneten Arbeitsplan Dabei k nnen durchaus mehrere Werkst cke parallel bearbeitet werden Es ist ber die Arbeitspl ne eindeutig erkennbar 5 Konzept einer aufgaben und merkmalsorientierten Prozessregelung 49 wann die Spannlage gewechselt wird und ggf eine andere NC Maschine die weitere Bearbei tung bernimmt Diese Struktur erlaubt es der nachfolgenden Operationsplanung dem Wer ker und letztlich den Algorithmen der NC Steuerung die Bearbeitung logisch zu unterglie dern nachzuvollziehen und feature sowie prozessori
367. ulesen und dort den spe zifischen Funktionserweiterungen zur Verarbeitung bereitzustellen Diese L sung entspricht der Anforderung die Programmierschnittstelle flexibel an zuk nftige Entwicklungen anpas sen zu k nnen grafische Modellierung textbasierte Modellbeschreibung softwaretechnische Umsetzung z B EXPRESS G z B EXPRESS z B C Klassenbibliothek zum Einbinden in die Steuerungssoftware gt class CWorkplan public CProgramStructure ENTITY workplan SUBTYPE OF program_structure Attribute its_elements LIST 0 OF execut private Workplan It Statement its_channel OPTIONAL channel CList lt CExecutable gt its_elements its_setup OPTIONAL setup CChannel its_channel Q Executable SRG CSetup its_setup WHERE its_elements L 0 its_channel WR1 SIZEOF QUERY it lt 0 Methoden q Channel END_ENTITY utle cay CWorkplan bool wr1 if size its_elements lt 1 eee 0 O Attribute Spezialisierung Bild 5 4 Modellieren der NC Programmierschnittstelle und Umsetzen in eine Bibliothek Modeling of the NC programming interface and realization in a software library In der Industrie haben sich verschiedene Beschreibungssprachen zur Modellierung und physi kalischen Darstellung komplexer Datenstrukturen etabliert Im Kontext der Geometrie und Produktdatenbeschreibung nach STEP sind die Extensible Mark
368. um anderen brechen sie die Be arbeitung in sicheren Zust nden ab wie beispielsweise vor dem Programmstart in einer defi nierten Werkzeugwechselposition oder bevor das Werkzeug in Eingriff kommt Dieser Ansatz stellt sicher dass der Zustand des Gesamtsystems f r den Anwender jederzeit nachvollziehbar ist und er in Abh ngigkeit von der steuerungsseitig eingestellten Zugriffsberechtigung zur Laufzeit die Umsetzungs Darstellungs und Ausf hrungsroutinen dynamisch nachladen und konfigurieren kann Die typischen Module des Konzepts und ihre Funktionsweise werden systemspezifisch in Kapitel 6 f r die NC Steuerung und in Kapitel 7 f r die Benutzerschnittstelle detailliert 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 61 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung NC kernel for adaptive processing of the NC program Im Stand der Technik wurde dargestellt dass in konventionellen NC Steuerungen einfache Befehlsfolgen unidirektional in steuerungsinterne Formate konvertiert und dann sequentiell abgearbeitet werden Zur Laufzeit kann der Anwender den Inhalt oder den Ablauf der pro grammierten Befehle nicht manipulieren Er hat nur noch Zugriff auf die Sollwertausf hrung indem er z B die Vorschubgeschwindigkeit und die Spindeldrehzahl ber Overrideschalter manipuliert Diese L sung gen gt nicht den in Kapitel 0 aufgestellten Anforderungen nach aufgaben und prozessorientierten Eingriffsmethoden in den laufenden Bearbeitungsproz
369. und je nach Steuerung in ein h herwertiges Kur venformat z B Spline umgewandelt werden KLEI95 SIEMO4a Dabei geht die direkte Zuordnung zwischen den im NC Programm kodierten Bahnsegmenten und den steuerungsin tern weiterzuverarbeitenden Kurvenformaten verloren Die Nullpunktverschiebungen werden bereits in der Werkzeugkorrektur verrechnet oder in der nachfolgenden Transformation ber cksichtigt Sie sind notwendig um die reale Auf spannlage und ge nderte Aufma e des Werkst cks kompensieren zu k nnen ohne das NC Programm neu erstellen zu m ssen In der Transformation werden die kartesischen Positions und Wegangaben auf die Kinematik der Maschine abgebildet Je nach Maschinenkinematik ist die Transformation nicht eindeutig und l sst sich nicht mathematisch geschlossen l sen In diesem Fall werden numerische Algo rithmen eingesetzt die die Verfahrwege interpolieren und punktweise transformieren Da durch kann es zu geringf gigen in den Steuerungsparametern tolerierten Bahnabweichungen kommen WECKOl1d Ausgehend von den im NC Programm vorgegebenen Technologieparametern und den dyna mischen Grenzen der Maschinenachsen berechnet die Geschwindiskeitsf hrung ein Ge schwindigkeitsprofil ber dem Verfahrweg Dabei wird die Bahngeschwindigkeit teilweise bis auf Null reduziert Dies ist notwendig um beispielsweise Bauteilkanten exakt zu umfah ren oder aufgrund der kinematikbedingten Richtungsumkehr einer Maschinenachse FAUS97
370. und steuerungstechnische Umset zung dieser NC Codes und Parameter 2 2 1 Ablauf der NC Programmverarbeitung Procedure of NC program processing Die NC Programmverarbeitung umfasst alle Schritte die notwendig sind um die im NC Programm kodierten Befehle und Technologieparameter einzulesen zu interpretieren und in Sollwerte umzusetzen Dabei werden die Vorgaben des NC Programms sequentiell eingele sen schrittweise weiterverarbeitet und als Stellgr en an die Antriebe oder die SPS weiterge leitet Bild 2 7 Zuletzt berwacht die NC Steuerung die Ausf hrung der Stellgr en und syn chronisiert dar ber die nachfolgend auszuf hrenden Befehle Adaptive Steuerungen auf die in Kapitel 2 3 eingegangen wird f hren zudem Prozessgr en in die Sollwertgenerierung zur ck Anwahl und Vorverarbeitung des NC Programms Die NC Programmverarbeitung beginnt in der Regel bereits wenn der Werker die Pro grammdatei anw hlt Dadurch wird es in den Steuerungsspeicher geladen und f r Zugriffe durch Dritte gesperrt Je nach Steuerung werden gleichzeitig erste Routinen zur Programm berpr fung und umsetzung aufgerufen Typische Beispiele sind syntaktische berpr fun 2 Stand der Technik 15 gen der kodierten Befehle oder Compiler die anwenderspezifische Programmelemente aufl sen und in elementare steuerungskonforme NC Codes bersetzen INDR96 NC Programm mit spez Erweiterungen 4 Compiler
371. ung zu Fehlern und ist nicht praktikabel Ferner kann sie nicht die Anwendbarkeit sowie die Durchg ngigkeit der Programmierschnitt stelle von der Planung bis in die NC Steuerung demonstrieren Im Rahmen dieser Arbeit wur den daher in Zusammenarbeit mit industriellen Projektpartnern die CAM Systeme Hyper FACT von OpenMind und CATIA V5 von Dassault Systemes um die Ein und Ausgabe ISO 14649 konformer NC Programme erweitert Bild 8 1 Beide L sungen binden die zuvor beschriebene Bibliothek als Schnittstelle ein um auf den Inhalt der NC Programme zuzugreifen und neue Programme zu erstellen Dazu verwaltet die Bibliothek die im NC Programm enthaltenen Programmelemente und deren Referenzen ge neriert neue Elemente und l scht sie auf Anforderung mitsamt ihren Abh ngigkeiten Die Umsetzung innerhalb der CAM Systeme vereinfacht sich dadurch auf das Aufrufen Auslesen sowie das Bef llen der Programmelemente und ihrer Parameter 126 8 Realisierung einer NC programmbasierten Prozessregelung Der Vergleich der in den Eingabemasken der beiden CAM Systeme abgefragten Parameter mit den Elementen der NC Programmierschnittstelle zeigt dass sich deren Datenmodelle gr tenteils direkt auf die Schnittstelle abbilden lassen Diese Eigenschaft resultiert aus der an die Entwicklung der ISO 14649 gestellten Anforderung das NC Programm durchg ngig und umfassend von der Planung bis in die Fertigung einsetzen zu k nnen Ausgenommen sind nur optimierte herstellers
372. ung zuk nfti ger oder individueller Spezialfunktionen m glich N N 90 BEGIN FEATURE W lbung Feature Anfang N 100 BEGIN FEATURE W lbung schruppen Begin der Operation verschmolzen mit dem Feature N 110 GOO X 0 Y 0 Z 20 WZW T1202 S3000 DIN 66025 Standardcode ggf mit spez Erweiterungen N 120 G01 X 0 Y 0 Z 2 F400 Verfahrwege und Anweisungen werden im Vorfeld der Bearbeitung N 130 X 10 aufgel st Merkmals und Operationsinformationen zur Optimierung N 140 Y 200 an der Maschine und im laufenden Prozess fehlen N1020 END W lbung schruppen Zusatzinformationen als lesbarer Text in den Code integriert N1030 BEGIN FEATURE W lbung schlichten 7 Wie wird sichergestellt dass der Inhalt auch f r CAD CAM oder Toleranz Rauhtiefe 1um WOP Systeme lesbar ist der Werker bei der Eingabe am Editor Feed_Rate F200 die richtigen Codew rter und Parameter eingibt und die ge nderten i d PE N1050 G01 X 20 Zusatzinformationen mit dem folgenden DIN Code konform sind N2020 End W lbung schlichten Ende der Operation N2030 End W lbung Ende des Features Bild 5 7 Feature orientierte NC Sprachelemente als Erg nzung der DIN 66025 MENZ03 Siemens proposal to extend the existing G Code by textual Feature descriptions 5 1 2 1 Datenelemente zur Prozess berwachung und regelung Code elements for process monitoring and process control Neben der reinen Bearbeitungsbeschreibung muss das Datenmodell die Einga
373. up Language XML und EXPRESS hervorzuheben Der Vorteil von XML liegt in seinem einfachen dem HTML Standard zur Beschreibung von Webseiten hnlichen Aufbau Dar ber hinaus finden sich vie le Applikationen und Bibliotheken die die Arbeit mit XML Datenmodellen und Datens tzen unterst tzen Daher nutzen Steuerungshersteller XML zur Beschreibung und zum Abspei chern ihrer Maschinen Steuerungs und Werkzeugdaten BOSCO4b Die Beschreibungssprache EXPRESS ist ein Teil der STEP Normenreihe ISO10303 11 und wird verwendet um die einzelnen Datenmodelle des STEP Standards zu beschreiben EXPRESS erlaubt die Modellierung eines hierarchischen Datenmodells mit komplexen Ver erbungsstrukturen Eine solche Vererbung stellt eine Spezialisierung dar bei der ein Element von einem anderen abgeleitet wird indem dessen Eigenschaften d h die Attribute und Funk tionen bernommen und spezifisch erweitert werden Ausgehend von der Geometrie und Produktbeschreibung nach STEP sind sowohl kommerzielle als auch freie Softwarebibliothe ken zum Ein und Auslesen von EXPRESS Modellen sowie deren Umsetzung in Software strukturen verf gbar SCHUO0 Auf der Grundlage der STEP Normenreihe und deren Kompatibilit t lassen sich XML Schemata in EXPRESS Modelle berf hren als auch ihre Datenkodierungen ineinander kon vertieren Beide Ans tze integrieren daher die Produktbeschreibung nach STEP und eignen sich f r die durchg ngige Aufgabenbeschreibung von der
374. urtsdatum Geburtsort Familienstand Staatsangeh rigkeit Schulbildung 1979 1980 1980 1984 1984 1990 1990 1993 Studium 1993 1999 1998 1999 Wissenschaftlicher Werdegang 11 1995 09 1998 09 1998 03 1999 Wolf Jochen 22 November 1973 Bergheim Erft verheiratet zwei Kinder deutsch Preparatory School Alexandria USA Grundschule Buchholz Kant Gymnasium Boppard Konrad Adenauer Gymnasium Meckenheim Maschinenbau an der RWTH Aachen Auslandsstudium an der Universidade Federal de Santa Catarina Florian polis Brasilien Studentische Hilfskraft am Fraunhofer Institut fiir Produktionstechnologie in Aachen Studentische Hilfskraft am Laborat rio de Mec nica de Precis o der UFSC in Florian polis Brasilien 09 1999 08 2004 Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL Lehrstuhl fiir Werkzeugmaschinen der RWTH Aachen 09 2001 08 2004 Gruppenleiter NC Technik am WZL Weiterer beruflicher Werdegang 09 2004 09 2006 10 2006 08 2008 Leiter Entwicklung Nockenwellen Muhr und Bender KG Leiter Produktbereiche Schmiedenocken und Nockenwellen Muhr und Bender KG Mubea Motorkomponenten GmbH seit 09 2008 Leiter Steuerungstechnik Alfred H Schiitte GmbH amp Co KG
375. us tzlicher Hardware basierende Systeme Mit dem Ziel die Funktionen und Daten der NC Steuerung nutzen zu k nnen und gleichzeitig eigene Sensorik einzubinden sowie die Rechen und Speicherleistung an die individuellen Bed rfnisse der berwachung und Regelung anzupassen setzen Drittanbieter Einsteckkarten mit eigenem Prozessor ein Die berwachungs und Regelungsfunktionen werden auf der Einsteckkarte appliziert und durch Erweiterungen der Steuerungssoftware z B Siemens NCK Compile Zyklen mit der Steuerung gekoppelt ber den Steuerungsbus sowie die Backplane bzw das Motherboard des Steuerungsrechners werden die Daten und Befehle ausgetauscht Die Anzeige und Bedienung erfolgt ber systemeigene Applikationen in der Benutzeroberfl che der Steuerung Der Funktionsumfang des berwachungs und Regelsystems kann ber die Applikationen auf der Zusatzhardware als auch ber die des NC Kerns bedarfsgerecht erweitert werden Bei 30 2 Stand der Technik spielsweise bieten Systemhersteller Funktionen zur Werkzeugverschlei berwachung zum Bearbeitungsabbruch bei Werkzeugbruch und Kollision sowie zur verschlei abh ngigen Vor schubmaximierung an ARTIO3 Zudem k nnen die Systeme prozessabh ngig gesteuert wer den Dazu werten sie die steuerungsseitigen Weginformationen aus erkennen Eilgangbewe gungen G 0 und blenden diese aus der berwachung aus ARTIO2 Die Systeme nutzen die steuerungsseitig verf gbaren SPS Signale und Sol
376. utomatisierung von Maschinen und Anlagen Springer Verlag D sseldorf 2001 Weck M Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme Band 5 Messtechnische Untersuchung und Beurteilung Springer Verlag D sseldorf 2001 Weck M Wolf J ISO 14649 Provides Information for Sophisticated and Flexible Numerically Controlled Production WGP 2003 Weck M Wolf J Der Datenfluss in der Fertigung von morgen M gliche Funktionen und deren Anforderungen Fertigungstechnisches Kolloquium Stuttgart FTK 2003 Weiss H DotGNU bereit NET aus seiner Abh ngigkeit In Elektronik 2007 Nr 3 S 58 61 Wenk C Einsatz von Internet Technologie f r Maschinenbedien oberfl chen Dissertation RWTH Aachen 2006 Weydandt D Westerwick A Henning K Neue praxisnahe M glichkeiten zur einer prospektiven innovativen Technikfolgeabsch tzung In Br chler S et al Hrsg Handbuch Technikfolgeabsch tzung Edition Sigma Berlin 1999 S 263 278 Weyrich N Rommel B Haasis S M ller P First Prototype of a NC Controller based on STEP NC ProStep Science Days URL www prostep de sciencedays2000 DaimlerChrysler_Weyrich pdf Stand 2000 Wolf J Hyun Y T CAM und NC sprechen dieselbe Sprache STEP NC Vorteile der neuen Datenschnittstelle fiir die NC Bearbeitung In Tools In stitutsschrift WZL und Fraunhofer IPT RWTH Aachen 2000 Nr 1 Wolf J STEP NC integrating shop floor into industrial dataflow for the enabling of inte
377. wegungsbahn vor ihrer finalen Berechnung ausgelesen werden und die darauf auf bauenden Anschlussbewegungen fehlerhaft sein 6 3 3 Schnittstellen zur Kommunikation von Eingriffen Interface for communicating manipulations Das Konzept auf der Ebene der NC Workingsteps einzugreifen erfordert definierte Schnitt stellen nach au en Dabei sind aufgrund der offenen Programmierschnittstelle sowie den er weiterbaren NC Workingsteps weder der Umfang der m glichen Eingriffe noch die daraufhin auszuf hrenden Reaktionen starr vorgegeben Ausgehend von der entworfenen modularen Erweiterbarkeit definiert der Entwickler welche Eingriffe er in Abh ngigkeit von dem aktuel len Bearbeitungsfortschritt zul sst und nach welcher Strategie die bereits generierten unter geordneten NC Workingsteplisten ihr Dateninhalt und final die daraus resultierenden Soll werte adaptiert neu berechnet oder vollst ndig ersetzt werden Teilweise muss dazu nur der Interpreter reagieren und seine NC Workingsteps adaptieren Haben die Eingriffe jedoch Ein fluss auf die zeitnahe oder aktuell ablaufende Sollwertausf hrung so m ssen die nderungen ber die beschriebenen Kommunikationsstrecken hinweg gepr ft und umgesetzt werden 84 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung Softwaretechnisch lassen sich die manipulierbaren Programm und NC Workingsteppara meter ber steuerungsspezifische Schnittstellen an zentraler Stelle als Variablen offen legen Beispiele s
378. werden die den Verfahrweg beschreibenden NC Workingsteps adaptiert oder neu berechnet F r einen Werkzeugwechsel generiert die Steuerung zudem kollisionsfreie Abhebebewegungen zum Werkzeugwechselpunkt und stellt das neue Werkzeug gem einer ebenfalls extern parametrierbaren Zustellbewegung zu 6 Steuerungskern zur adaptiven Programmverarbeitung 67 Physikalisches NC Programm nach ISO 14649 Ks 6 iol x Date Dessteihen Ankh Fenster 2 xig x SO 10303 21 formatiert nach STEP 180 10303 21 Mein e In HEADER Pr Desspielprogramm ts it Beipelomngarn ae O main_warkplare Arbeltsplen PROJECT Beispielprogramm 2 3 9244 8 Dean H 2 VWVORKPLAN Arbeitsplan 10835 848 7 n Edi tache bearberen I WORKPIECE Fertigteil 55 87 40 817 8 F aesa X 7 SETUP 1 Aufspannung 37 13 18 aiveits F lt Rs_secplawe elementary_surlate 3 BLOCK Rohteil 120 00 120 00 40 00 Has feature dosed_ pocket Re ture s_operation bottom _and_side_milling 10 MACHINING_ WORKINGSTEP Tasche bearbeiten Fea se ithe DE 11 CLOSED_POCKET Tasche 3 12 827 31 36 Operation E ek zentnerbehrung 12 BOTTOM_AND_SIDE_MILLING 40 5 Operation H2O MILLING_CUTTING_TOOL ScH 21 MILLING_TECHNOLOGY 0 30 22 MILLING_MACHINE_FUNCTIONS 23 CONTOUR_PARALLEL 6 5 24 MILLING CUTTER 39 4 40 TOQOLPATH_LIST 41 42 43 44 41 CUTTER_CONTACT_TRAJECTORYLF ENDSEC END 1S0 1
379. werte durch Offsets kontinuierlich ge ndert wie die axiale Werkzeugzustellung oder der Bahnvorschub so d rfen die Offsets nur unter Beachtung von technologischen Grenzwerten verrechnet werden F r die Module der Geometriekette folgt daraus dass sie nicht nur die Sollparameter sondern auch deren Grenzen durchg ngig bahn und ablaufsynchron verarbeiten und an den adaptierbaren Sollwertschnittstellen bereitstellen m ssen Bild 6 13 Innerhalb der NC Workingsteps werden dazu neben den programmierten Sollvorgaben zus tzlich die im NC Programm kodierten oder aus der steuerungstechnischen Programmumsetzung ermittelten Parametergrenzen gespeichert Diese l sen sich in elementa rere die einzelnen Bewegungsbahnen beschreibende NC Workingsteps auf Dabei pr fen die Algorithmen zur Bahngenerierung ob die Parameter zus tzlich einzugrenzen sind Beispiels weise lie e sich beim Fr sen der maximale Vorschub in Abh ngigkeit von der aus dem Kr mmungsradius der Bahn resultierenden Werkzeugumschlingung parametrieren Die Geo metriekette muss diese Informationen auf das aktuelle Werkzeug die Achskinematik und die Beschleunigungsgrenzen der Antriebe abbilden Ausgehend von einer parametrierten Geomet riekette wird dazu jeder technologische Grenzwert als zus tzliche Funktion z B ein Spline ber dem Verfahrweg oder der Bearbeitungsfortschritt parametriert Das Ergebnis ist eine Funktionsschar die neben den Achsbewegungen die verschiedenen Prozessparamet
380. wird durch Platzhalterobjekte ersetzt die zum einen dem Anwender die fehlende Gegenstelle melden und zum anderen versuchen nach jedem neu geladenen Modul die passende Server schnittstelle zu finden 116 7 Benutzerschnittstelle zur NC Programmierung und Manipulation Benutzungssystem NC Steuerung Softkey Control Grundsystem Prozessobjekte Steuerungsfunktionen Client Fkt Server Fkt Werkzeugwechsel Client Fkt Server Fkt Bild 7 6 Prozessobjekte zum situationsgerechten Eingriff in die NC Programmverarbeitung Process objects for context sensitive reacting on manipulations in the NC program Ausgehend von diesen flexiblen nicht statisch verbundenen Funktionsschnittstellen wird die Anforderung erf llt Eingriffsmethoden zur Manipulation der NC Programmverarbeitung in Abh ngigkeit von der aktuellen Bearbeitungsoperation bereitzustellen Der Entwickler einer NC Programmroutine definiert seine spezifischen Regelfunktionen und stellt diese als Funk tionsschnittstelle extern zur Verf gung Im Schnittstellenserver des HMI erkennt ein warten des Klientobjekt die neue Funktion der NC Steuerung verbindet sich mit ihr und aktiviert situationsgerecht die passende Schalterbelegung und Anzeigeelemente Beispielsweise wer den mit dem Start einer Taschenoperation dem Werker die Zustellung und die Eingriffsbreite als Regelgr en angezeigt und auf variable Overrideschalter gelegt 7 2 Aufgabenorientierte Arbeitsweis
381. wurde anstelle dieser direkten Verkn pfung von Hilfs und Fertigteilgeome trie nur eine Beschreibung des geometrischen Effekts eines Bearbeitungsschritts vorgesehen in_process_geometry Aus der Sicht der Entwickler von Planungsapplikationen hat die Pro zessgeometrie den Vorteil dass das geometrische Ergebnis auch ohne das Wissen ber die zur Abarbeitung eingesetzten NC Algorithmen und Werkzeuge direkt ausgelesen und dargestellt werden kann ISO 14649 10 Jedoch bedeutet die zus tzliche Geometriebeschreibung eine redundante Information gegen ber der Operations und Merkmalsbeschreibung im Arbeits schritt Welche Information soll die NC Steuerung auswerten Wenn beispielsweise der in der Operation vorgegebene Werkzeugradius gr er ist als der kleinste Eckenradius der Prozess geometrie so m sste die Steuerung eine Diskrepanz erkennen die Bearbeitung stoppen und den Anwender zur Programmkorrektur auffordern Machining_ Feature its_auxilliary_geometry L 0 its_originating_geometry L 0 Planar_Face Step Slot Outside_Profile Hilfsgeometrien Zielgeometrie FF Au enprofi G S BSS Rohteil 1 Arbeitsschritt 2 Arbeitsschritt 3 finaler Arbeitsschritt Fertigteil Bild 5 6 Bezug zwischen Hilfs und Fertigteilgeometrie Relation between auxiliary machining geometry and final part geometry Da diese Arbeit die Aufgaben an der Maschine und die Eingriffe in den la
382. z B EXAPT Teileprogramm I 5 2 CLDATA Prozessor o alls DIN 66125 5 xX wn z CLDATA Progr a lt z B STEP NC ISO14649 v oO Postprozessor E 5 DIN 66025 masch spezifische Befehle maschinenspezifisches NC Programm 9 Maschinensteuerung Bild 2 4 Alternative Wege der maschinellen NC Programmgenerierung nach WECKO1d Alternative methods of computer aided NC programming Werkstattorientierte NC Programmierung In der Werkstatt und an der Maschine werden aus Gr nden des Arbeitsumfelds und der hohen Softwarekosten praktisch keine CAD CAM Systeme eingesetzt Dennoch besteht der Bedarf den Werker bei der berpr fung und Korrektur bestehender Programme sowie dem Erstellen neuer Bearbeitungsprogramme vor Ort zu unterst tzen Hierzu wurden werkstattorientierte Programmiersysteme WOP entwickelt Sie unterst tzen den Programmierer auf einem ex ternen Rechnerarbeitsplatz oder direkt in der Benutzeroberfl che der NC Steuerung Je nach Funktionsumfang der WOP Systeme lassen sich CAD Daten importieren Bearbeitungsgeo metrien dialogbasiert erstellen und Operationen grafisch interaktiv planen Das System gene riert anschlie end steuerungsspezifische Befehle und Zyklen Deren Korrektur Erg nzung und Optimierung setzt voraus dass der Anwender die manuelle Programmierung beherrscht DOMB93 Die in die Benutzeroberfl che der Steuerung integrierten WOP Systeme bieten zudem Bedienfunktionen mit denen sich das NC Progra
383. zeugeingriffs nicht unter eine Mindestschnittgeschwindigkeit f llt Der Bahnvorschub richtet sich nach den kinematischen Grenzen der einzelnen Achsen Dar ber hinaus werden die konventionellen Override diesen Funktionen berlagert Dieses Konzept ist notwendig um dem Facharbeiter weiterhin die ihm bekannten bergreifend wir kenden Eingriffsm glichkeiten anzubieten Somit lassen sich auch NC Workingsteps in de nen keine spezifischen Eingriff oder Notfallstrategien implementiert wurden extern manipu lieren R ckmeldung der Eingriffe zur Optimierung zuk nftiger Bearbeitungen Ein weiterer Vorteil dieses Konzeptes besteht in der M glichkeit die in den NC Working steps generierten Verfahrwege und Schaltabl ufe sowie die nach Eingriffen adaptierten Para meter in Form eines neuen NC Programms zur ckzumelden Auf dieser Grundlage kann der Werker den realen Ablauf im WOP System simulieren und entscheiden ob er die Optimie rungen in die nachfolgenden Bearbeitungsprogramme bertr gt Dabei wird er von der objekt orientierten Struktur des NC Programms unterst tzt Sie erlaubt es ihm Operationen Strate gien Technologieparameter Werkzeugdaten oder Verfahrwege als zusammenh ngende Ein heiten zu bernehmen und Arbeitsschritten zuzuweisen Ferner erlaubt die R ckmeldung die Optimierung zwischen der geplanten und der real ausge f hrten Bearbeitung mithilfe von Wissenssystemen in der Planung zu analysieren Diese Auf gabe ist jed
384. zur Ausf hrung durchg ngig verf gbar Der direkte Zugriff auf einzelne NC Workingsteps und ihre Sub Workingsteplisten erm glicht somit den direkten Eingriff in technologisch zu sammenh ngende Prozessabschnitte Eingriffe ber die Elemente Zus tzliche Eingriffe ber die des NC Programms Geometrie NC Workingsteps der Steuerung U Tasche aris HNC Zustellung HWerkzeug ey INC Ebene SUR rLStrategie NC Zustellun Zustellung a AlZustellung LI SS 4 Vorschub Uberdeckun __ ung FE NCG Ebene 350 lo 1l4 5 4 Operation Tiefe nur bergreifende Eingriffe STEP NC Programm NC Workingsteps gt gezielte Eingriffe je Zustellebene Bild 6 15 Prozesseingriff ber die STEP NC Programmvorgaben und die NC Workingsteps Process manipulations based on the STEP NC program and the NC Workingsteps Aufgrund der entwickelten L sung ist der Umfang der Eingriffsoptionen nicht allein auf die im NC Programm kodierten Programmelemente und deren Parameter beschr nkt ber die Funktionen der von den Steuerungsherstellern oder externen Entwicklern in die NC Steuerung integrierten NC Workingsteps werden zus tzliche Funktionen realisiert und zur bearbeitungsparallelen Prozessmanipulation angeboten Die Parameter und Zust nde der NC Workingsteps lassen sich zudem zur Fortschrittsverfolgung durch berwachungssysteme oder die Benutzungsoberfl che auswerten Ferner erlaubt das Konzept die bergreifende
385. zur Quittierung durch den Facharbeiter Dieses Konzept erlaubt beispielsweise die Bearbeitung gezielt zwischen zwei Arbeitsschritten am Ende einer Bearbeitungsbewegung oder nach dem Erreichen einer R ckzugsebene zu unter brechen Ein gleichm iger Schnittprozess wird dadurch zusammenh ngend ausgef hrt und nicht wie im G Code blich fortlaufend aufgrund der Grenzen seiner Wegsegmente und Schaltbefehle unterbrochen Bei Bedarf sind jedoch auch diese elementaren Unterbrechungen auf Befehls und Segmentniveau m glich Hierzu werden dann anstelle von NC Working steps Zustellebenen oder Werkzeugwechseln elementarere NC Workingsteps wie Linien Kreisbogen und Kurvenzugabschnitte oder Schaltfunktionen als Einsprungmarken definiert 6 3 Steuerungsinterne Kommunikation der NC Workingsteps Communication among the NC Workingsteps Die Interpretation der NC Programmvorgaben und ihre Umsetzung auf NC Workingsteps lassen sich nicht direkt zur Ansteuerung der Maschinenachsen und funktionen nutzen Zuvor m ssen die NC Workingsteps steuerungsintern weiterverarbeitet und in synchronisierte Soll positionen Schaltanweisungen und zu berwachende Prozesszust nde aufgel st werden Da zu werden sie an spezialisierte Steuerungsfunktionen bergeben d h kommuniziert Das hier entwickelte Konzept erfordert dass die nderungen am NC Programminhalt als auch an den daraus abgeleiteten NC Workingsteps durchg ngig m glich sind Hierzu ist es notwendig da
386. zur weiteren Umsetzung und Ausf hrung notwendigen Informationen kommuniziert Bild 6 11 c Beispielsweise sind f r die Transformation der Kartesischen Bearbeitungsbahnen auf die maschinenspezifischen Achsbewegungen die im NC Programm kodierten Bearbeitungsschritte Merkmale und Ope rationen nicht mehr unmittelbar relevant Stattdessen reicht es aus die vom Interpreter er zeugten und von der Werkzeugkorrektur adaptierten Raumkurven des Werkzeugbezugspunkts sowie die bahnsynchron anzuwendenden Technologieparameter auszutauschen Daher wird das NC Workingstepkonzept um weitere f r die jeweiligen Steuerungsmodule spezifisch reduzierte NC Workingsteps erg nzt Jedes Modul generiert als Ergebnis des in ihm lokal gespeicherten und verarbeiteten NC Workingsteps eine Kommunikationsnachricht Diese Nachricht enth lt alle relevanten Daten damit im nachfolgenden Modul ein neuer an seine datentechnischen und funktionalen Anforderungen angepasster NC Workingstep initia lisiert werden kann Praktisch kann eine solche Nachricht als Datenblock ber heute bereits in NC Steuerungen verwendete Kommunikationsmechanismen wie NC DDE OPC OSACA oder CORBA ausgetauscht werden Zus tzlich enth lt jede zur Weiterverarbeitung eines NC Workingsteps versendete Nachricht Daten zur Synchronisation Forschrittsverfolgung und wie sp ter in Kapitel 6 5 ausgef hrt Vorgaben zur Prozess berwachung und vorausschauenden Prozessadaption Ein software technischer L sungs
387. zusetzende Werkzeug Hierbei geht wertvolle Produktionszeit verloren Einzelne Steuerungshersteller bieten daher Satz Vorlauffunktionen an um das NC Programm nicht nach jeder Korrektur erneut vom Programmanfang aus starten zu m ssen Zudem gibt es Steuerungen an denen der Facharbei ter das NC Programm nach einer Programmunterbrechung direkt manipulieren und fortsetzen kann SIEM04 Diese Funktion setzt jedoch voraus dass die zu manipulierenden Befehle und Zyklen noch nicht vorverarbeitet sind oder aktuell abgearbeitet werden 2 2 NC Steuerungen und Programmverarbeitung Numerical controls and NC program processing An einer Werkzeugmaschine kommen zwei Steuerungssysteme zum Einsatz Die Ablaufsteu erung und die NC Steuerung Ein grundlegender Unterschied zwischen den beiden Steuerun gen liegt in ihrer Programmierung Das Programm der Ablaufsteuerung SPS wird im Daten speicher der Steuerung fest kodiert Es umfasst die Standardfunktionen der Maschine sowie Sicherheitsabfragen die nach einem immer gleichen Muster abgearbeitet werden ohne auf den Bearbeitungsprozess zu reagieren Dagegen verarbeitet die NC Steuerung kein statisches Ablaufprogramm sondern ein frei programmierbares alphanumerisch kodiertes Bearbei tungsprogramm In diesem Bearbeitungsprogramm sind die Art und die Reihenfolge der zur Herstellung eines Werkst cks notwendigen Fertigungsschritte kodiert WECKOld Folglich sind Kernfunktionen der NC Steuerung die Interpretation

Steuerungsintegrierte, adaptive Programmausführung einer

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