„Funktionen einer numerischen Steuerung“ (Algorithmikeiner CNC) · 2019. 2. 1. · Interpolation Linear Circular Akima-Spline Trajectory optimization T 1 T 2 T 3 T 4 a 1 a 2 v

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Industrielle Steuerungstechnik GmbH

© ISG

„Funktionen einer numerischen Steuerung“(Algorithmik einer CNC)

Dr.-Ing. Dieter ScheifeleGeschäftsführender Gesellschafter ISG

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© ISG

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

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Für ISG stehen 50 festangestellte, überwiegend diplomierte und promovierte Mitarbeiter aus den Fachgebieten Elektrotechnik, Maschinenbau, Kybernetik und Mathematik, unterstützt von Diplomanden und Hochschulpraktikanten des ISW und anderer befreundeter Hochschulen. Standort: STEP Gropiusplatz 10, Stuttgart (Hochhaus)

Wir suchen neue Kollegen.

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Geschäftsfelder der ISG

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Geschäftsfeld ISG-virtuos (seit 2005)

Simulationssoftware virtuelle Inbetriebnahme (VIBN),Hardware-in-the-Loop in Echtzeit (1ms), Simulation-Based-Engineering

Kunden Maschinen- und Anlagenbauer, Engineering-Büros (Integratoren), Anlagenbetreiber

ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbHDr.-Ing. Dieter Scheifele

Geschäftsfeld ISG-kernel (seit 1987)

Steuerungssoftware CNC, RC, Motion Control

Kunden Steuerungshersteller sowie Maschinen- und Anlagenbauer

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Werkzeugmaschine

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Werkzeugmaschine zur „virtuellen Inbetriebnahme“

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Eine komplexere Steuerungsaufgabe….

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Laserstrahlschneidemaschinen (Bystronic, Ermaksan, Eagle,…)

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Und noch eine komplexere Steuerungsaufgabe….

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Regler MaschineCNCSteuerungCAMCAD

Von der Konstruktion zur Werkzeugbewegung…

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Was kann man regeln? Wie können Führungsgrößen einer CNC aussehen?

Bis jetzt ist Niemand etwas anderes eingefallen:

Rechne jede 1/1000sec einen Punkt im Raum aus und zwinge die Maschine dort zu sein .… also die Werkzeugspitze „Tool Center Point“ TCP

Der Regler…

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Steuerungdigitales System

Maschineanaloges System

A/D-Umsetzung

D/A-UmsetzungAnaloge Signale

Feldbus

Steuerungstechnische Realisierung mit Mikroprozessoren;… mit TMS9900 (TI, 1976) am ISW bereits auf 16-Bit-Prozessoren realisiert

Übertragungsfunktion G(s)Gewichtsfunktion g(t)mit g(t) G(s)


Eingangssignal

Ausgangssignal

Ideale (analoge) Steuerungstechnik zur Steuerung einer Maschine

Ausgangssignal

Wie funktionieren numerische Steuerungen?

analoge Signale

Eingangssignal

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Analoge Signale

Analoge Signale

Abtastung analoger Signale

Tiefpass

Tiefpass

Abtastung und A/D-WandlungDigitale

Steuerungs-funktion D/A-Wandlung

und Halten

Die Signalabtastung erfolgt mit einem extrem kurzem Impuls zu Zeitpunkten n ∗ 𝑇 . Dieses Zeitsignal ∆ 𝑡 ∑ 𝛿 𝑡 𝑛𝑇 stellt sich im Frequenzbereich als Spektrallinien im Abstand mit der Amplitude dar:

∆ 𝜔1𝑇 𝛿 𝜔 𝑛

2𝜋𝑇

ωt

1

46 255

47 262

48 282

49 200

50 167

46 82

47 102

48 165

49 187

A

t

t

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Folgen der Abtastung für die steuerungstechnische Realisierung

Wird das analoge Eingangssignal mit dem Abtastsignal abgetastet, so ist dies mathematisch eine Multiplikation beider Signale:𝑓 𝑡 𝑓 𝑡 ∆ 𝑡 .Im Frequenzbereich des so abgetasteten Zeitsignals wird sich also das ursprüngliche Spektrum 𝐹 𝜔 an jeder Spektrallinie des Abtastsignales durch Faltung wiederholen:

𝐹 𝜔 1𝑇 𝐹 𝜔 𝑛 ∗ 𝜔

1. Das Abtastsignal und das an die D/A-Wandlung bereitgestellte Signal muss einem festen, äquidistanten Zeitrhythmus folgen.

2. Das Spektrum des von der Maschinen kommenden Signals muss „ohne wesentliche Informationsverluste“ durch einen Tiefpass begrenzt werden können.

3. Das verbleibende Signal muss so schnell abgetastet werden, dass sich in 𝐹 𝜔 die Spektren nicht überlappen!

4. Nach der analogen Bereitstellung des Signales muss wieder ein gleicher Tiefpass folgen.

Nyquist-Shannon-Abtasttheorem:

𝐹 𝜔𝜔

𝜔

𝑓 𝑡

Mit einem Tiefpass kann man das abgetastete Signal dann wieder aus dem Frequenzbereich „ausschneiden“

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© ISGVerlust durch Nichtechtzeit

analoges Signalder realen Anlage

Signal, das«echtzeitfähige» NC erkennt.

Signal, das«nichtechtzeitfähige» (Windows-) NC erkennt

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CNC-Kanal (channel)

Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC

InterpolationLinear Circular

Akima-Spline

Trajectory optimization

T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming

G-Code SyntaxDIN66025/ISO6983

ISG High-Level Language Syntax

StandardFunctionsG,M,S,T,L

ISG-specificFunctions

Mathematical FunctionsMOD, ABS, SQR, SQRT, EXP, LN, DEXP,LOG, INV, AND, OR, SIN, COS, TAN,ASIN, ACOS, ATAN, INT, FRACT,

ROUND, RANDOM

MathematicalOperators

+ , - , * , / , ** ,&, |, ̂ , &&, || ,

==, !=, >=, , <

#-Commands: Extensions#ACHSE #ECS ON / OFF #MSG SAVE #SET TIP#ACS ON / OFF #ENABLE AX LINK #OPTIONAL EXECUTION ON/OFF #SIGNAL#AX DEF #ERROR #PRESET #SIGNAL REMOVE#AX DEF DEFAULT #EXPL SYN #PSET / #SUPPRESS OFFSETS#AX LINK ON / OFF / ALL #FACE #PUT AX #TIME#AX RELEASE #FACE OFF #PUT AX ALL #TIMER#AX RELEASE ALL #FGROUP #ROTATION ON / OFF #TLC ON / OFF#AX REQUEST #FGROUP WAXIS #RTCP ON / OFF #TOOL AX#CALL AX #FILENAME #SAVE CONFIG #TOOL DATA#CAX #FLUSH #SET ASPLINE MODE #TOOL LIFE READ#CAX OFF #FLUSH CONTINUE #SET ASPLINE STARTTANG #TOOL LIFE REMOVE#CAXTRACK ON / OFF #FLUSH WAIT #SET ASPLINE ZIELTANG #TOOL ORI CS#CLEAR CONFIG #GET IPO OFFSET #SET AX #TOOL PREP#COMMAND WAIT / SYN #HSC #SET AX LINK #TOOL REFRESH#COMMAND WR / SYN #IDENT WR/RD/SYN #SET CORNER PARAM #TRAFO ON/ OFF#COMMENT BEGIN / END #INIT MAKRO TAB #SET DEC LR SOLL #VAR...#ENDVAR#CONTOUR MODE #KIN ID #SET HR #VECTORACC ON/OFF#CONTROL AREA CLEAR #LOAD CONFIG #SET IPO SOLLPOS #VECTORVEL ON/OFF#CONTROL AREA ON / OFF #MACHINE DATA #SET JOG #WAIT#CONTROL AREA START/END #MAIN SPINDLE #SET OFFSET #WAIT FOR#CS ON / OFF #MCS ON / OFF #SET SLOPE PROFIL #WAIT INDP#CYL #MCS TO WCS #SET SPLINE ON / OFF #WCS TO MCS#CYL OFF #MEAS MODE #SET SPLINETYPE AKIMA#DELETE #MSG #SET SPLINETYPE BSPLINE#DISABLE AX LINK #MSG INFO #SET TANGFEED RMIN

$-Commands: Control Flow$IF - $ELSEIF - $ELSE - $ENDIF - $BREAK,

$SWITCH - $CASE - $DEFAULT - $ENDSWITCH - $BREAK,$FOR - $ENDFOR - $CONTINUE - $BREAK,

$WHILE - $ENDWHILE - $CONTINUE - $BREAK,$DO - $ENDDO - $CONTINUE - $BREAK

$GOTO

Constant Concept forArithmetic ExpressionsP1=92 P2=1 P3=33 P4=1000 P100=2G[P1] G[P2] X=[P3*[P100]] F[P4]

Variableslocal, global, interchannel,

system variables,arrays

Drives

„Decoder“

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Decoder

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Funktionssätze

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Programmierungssprache, Übersicht

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Beispiel für ein CNC-Programm

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CNC-Kanal (channel)

Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC


Akima-Spline


T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming






ROUND, RANDOM


+ , - , * , / , ** ,&, |, ,̂ &&, || ,

==, !=, >=, , <





$GOTO




Drives

„Radiuskorrektur“

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Werkzeugradiuskorrektur

Hauptaufgabe:

CNC: Die CNC-Werkzeugmaschine soll verschiedene Werkstücke herstellen können. Das „CNC-Programm“ (Anwendungsprogramm) orientiert sich daran, wie die Werkstückkontur nach dem Bearbeitungsschritt aussehen soll. Das „CNC-Programm“ wird „maschinenunabhängig“.

N05 T1 (Werkzeuganwahl)N10 G41 (WRK-Anwahl)N20 G01 G90 X5N30 G01 X10N40 G02 X17 Y5 I5 J0N50 G01 X20 Y0N60 G01 X15 Y-5N70 G03 X20 Y-10 I2.5 J-2.5N80 G01 X10N90 G01 X5 Y0

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Äquidistante Bahn durch Streckung ?

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Mathematische Lösung der Werkzeugradiuskorrektur

: Genauhalt

korrigierte Bahnprogrammierte Bahn

1. eingefügter Satz

2. eingefügter Satz

3. (letzter) eingefügter SatzN10 G03 ... G60N20 G03 ...

N10

N20

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Schnittpunktberechnung Linear-Zirkular-Übergang, 180°-360°

Kombinationstyp 1: 180°

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Feedrate adaptation

M Wrprogr korr

Vprog

Vkorr

Werkzeug-Mittelpunkt

programmierter Radius

korrigierter Radius

programmierte Geschwindigkeit

korrigierte Geschwindigkeit

:

:

:

:

:M

Vkorr

Vprog

MW

rkorrrprog

rVkorr korrr prog Vprog= x

rvB

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Erkennen von Konturverletzungen

N10N20

N30

N40

N50

Konturverletzung

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Erkennen und Vermeiden von Konturverletzungen

P1'

P2'

P3'P3

P2

P1

M2 M1

programmierteBahn

korrigierte Bahn(kleiner WZ-Radius)

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Erkennen und Vermeiden von Konturverletzungen

P1''

P3''

P2 ''

P3

P2

P1

M2 M1

programmierteBahn

korrigierte Bahn

korrigierte Bahn(großer WZ-Radius)

P1 '

P2 '

P3 '

P3

P2

P1

M2M1

programmierteBahn

korrigierte Bahn(kleiner WZ-Radius)

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CNC-Funktionalität: Werkzeugkorrekturen

L 1

L 2

Werkzeug-Geometrie-Kompensation

KonturausblendenC-Achs-Nachführen

Vkorr

Vprog

rkorr rprog

s

QMaterial Removal

Rate

[cm^3/min]

rF

TCP = Ps

rFrETCP

PS

rFTCP

PS

rFTCP

PS

2D

3D

T1:Smax = 10000Smin = 500amax = 2000T2:Smax = 14500Smin = 800amax = 2500T3:Smax = 14500...

Werkzeug-spezifische Spindel-Geschw.-und Beschl.-Daten

Geschw.-Anpassung

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Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC


Akima-Spline


T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming






ROUND, RANDOM


+ , - , * , / , ** ,&, |, ,̂ &&, || ,

==, !=, >=, , <





$GOTO




Drives

„Bewegungserzeugung“

CNC-Kanal (channel)

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Was regt Maschinen an?

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Oberflächliche Erklärung für das Verhalten des Teststandes

ft

t f

a,F Frequenz[a]

a,F

Kritscher Frequenzbereich für Maschinen10 bis 100 Hz

Frequenz[a]

Maschinenanregung über dF/dt: Schlag auf die MaschineZusammenhang mit der Antriebstechnik: F = m * a,also Maschinenanregung über den Ruck j=da/dt.Ohne ein da/dt kann sich eine Maschine nicht bewegen.Damit sind Anregungen der Maschine unvermeidbar.Amplituden im Bereich von 0 bis 10 Hz führen üblicherweise nicht zu Schwingungen der Maschinenachsen. Jedoch sind Schwingungen im Bereich von 10 bis 100 Hz kritisch. Diese hätte man gerne vermieden ....

ca. 2 Min

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Dynamische Verhältnisse bei der Kreisfahrt.

x

y

vB

t

r

0StartZiel

t

x

t

y

t

x

t

y. .

t

x

t

y... ...

Die reine Zirkularbewegung bei einem Vollkreis mit konstanter Bahngeschwindigkeit ist aufgrund der Eigenschaften der Sinus- bzw. Kosinusfunktion beliebig oft stetig differenzierbar.

)sin()cos(

)sin()cos(

3

2

trxtrx

trxtrx

)cos()sin(

)cos()sin(

3

2

trytry

trytry

mitT

rvB

2

T 2

rvB

xvx

xax

xjx

t

x

t

y....

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Dynamische Verhältnisse beim Übergang in die Kreisfahrt.

x

y

vB

t

r

0StartZiel

t

x

t

y

t

x

t

y. .

t

x

t

y... ...

xvx

xax

xjx

t

x

t

y....

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Dynamische Verhältnisse bei der Fahrt durch eine 90°-Kreiskurve

An tangentialen Satzübergängen zwischen Linearsätzenund Zirkularsätzen entsteht aufgrund der begrenztenStetigkeit ein Achsruck. Analytisch exakt betrachtet führtein Sprung in der Beschleunigung zu einem unendlichhohen Achsruck, d.h. um diesen zu vermeiden müsste ansolchen Satzübergängen angehalten werden. UnterBerücksichtigung der Diskretisierung kann ein zeitdiskreterAchsruck definiert werden:

zykl

DTaj

x

y

vB

r

0

N10

N20

N30

t

x

t

y. .N10 N20 N30 N20 N30N10

t

x

t

y.. ..

N10 N20 N30 N20 N30N10

t

x

t

y... ...

N10 N20 N30 N20 N30N10

zyklT

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Satzübergang Kreis -> Kreis, r1 = r2, G03 -> G02

x

y

vB

r1N10

N20t

x

t

y. .N10 N20 N20N10

t

x

t

y.. ..

N10 N20 N20N10

t

x

t

y... ...

N10 N20 N20N10

An tangentialen Satzübergängen zwischen zweiZirkularsätzen mit Drehrichtungs-änderungentsteht aufgrund der begrenzten Stetigkeit einAchsruck.

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Satzübergang Kreis ->Kreis, r1 != r2, G03 -> G03

x

y

vB

r1N10

N20

r2

t

x

t

y. .N 1 0 N 2 0 N 2 0N 1 0

t

x

t

y.. ..N 1 0 N 2 0 N 2 0N 1 0

t

x

t

y.. . .. .

N 1 0 N 2 0 N 2 0N 1 0An tangentialen Satzübergängenzwischen zwei Zirkularsätzen mitRadiusänderung entsteht aufgrund derbegrenzten Stetigkeit ein Achsruck.

Immer dann, wenn dieKrümmung springt, springt auchdie Beschleunigung und esentsteht ein Achsruck.

zyklD T

aj

Bei einer numerischen Steuerungkann der zeitdiskrete Ruck in denFührungsgrößen maximal werden:

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Sollwertvorgabe einer numerischen Steuerung; Gerade -> Kreis

Zykluszeit: 6msDynamikdaten x, y Achse:a = 5000mm/s2, v = 400000um/s

N05 G00 X0 Y0N07 G01 X50 Y-50 F20000N10 G01 Y0N20 G03 X0 Y50 I-50N30 G01 X-50M30

Achsgeschwindigkeit [um/s]Achsbeschleunigung [mm/s2]Achsruck [mm/s3]

x 101

3 4 5 6 7 8

x 105

-3

-2

-1

0

1

2

3

Takte

Sol

lges

chw

. 1, S

ollg

esch

w. 2

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4 5 6 7 8

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-2

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-1

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0

Takte

Sol

lbes

chl.

1, S

ollb

esch

l. 2

x 101

4 5 6 7 8

x 105

-3

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-1

0

1

2

Takte

Sol

lruck

. 1, S

ollru

ck. 2

x

y

vB

r

0

N10

N20

N30

Beschleunigung

Geschwindigkeit

Ruck

X

Y

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Wesentliche Bahngenerierungsfunktionen

Automatic detection of prismatic and HSC trajectory segments


Jerk limited contouring


Akima-Spline B-Spline

Velocity profiles

(slope function)

T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Programmable velocity profile parameters5

R 12 Fillets and chamfers

a

t

Type 1

Type 2

Type 3

T1

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Aufgaben der Satzaufbereitung der CNC

Kontur steht im Fokus

• Parametrierbare Konturabweichung

Aufwändige Geometrieaufbereitung

• Werkzeuggeometriekorrektur, Tangentialführung

• Diskordanzenfilter

• Bahndynamikplanung

• Bahnerzeugungsverfahren(B-Spline, Akima-Spline, Polynomüberschleifen, usw.)

Oberflächengüte steht im Fokus

• Verfahren zur Schwingungsunterdrückung

• Verfahren zur anregungsarmen Bewegungsführung

„Stückzahl-1-Problematik“

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Technologische Herausforderung für Steuerungen: HSC-Bearbeitung

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42

Einfluss der Steuerungsalgorithmen auf die Oberflächenqualität

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Problematik bei der Fertigung von Freiformflächen

• CAD-System macht aus glatter Konstruktionsfläche in der Regel Polyeder

• Aus den darauf gelegten Werkzeugbahnen macht der Postprozessor CNC-Sätze innerhalb vorgegebener Fehlertoleranzen, in der Regel viele kurze Geradenstücke

• Genaue Bearbeitung dieser Polyeder führt zu schlechter Oberfläche und großen Bearbeitungszeiten

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Optimierung der Konturbeschreibung notwendig

Diskordante Verteilung der Stützpunkte:• zufällige Häufung der Stützpunkte an der Kante• ungleichmäßige Verteilung zwischen Kanten

Notwendige Prüfungen im LookAhead:• Entfernen von programmierten Stützpunkten• Setzen von neuen Stützpunkten• Verschieben vorhandener Stützpunkte

x 104

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

x 104

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Ziel-W KS[0]

Ziel

-WK

S[1

]

Schlichten_Delcam.nc (s2.nc)

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Unstimmigkeiten in CAD/CAM-Stützpunktdaten

Hochgradig diskordante Stützpunktverteilung

x 102

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

x 104

-1.8

-1.7

-1.6

-1.5

-1.4

-1.3

-1.2

Ziel-W KS[0]

Ziel

-WK

S[1

]


x 104

-1.6 -1.4 -1.2 -1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0

x 104

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

Ziel-W KS[0]

Ziel

-WK

S[1

]


x 104

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

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-1.5

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0

0.5

1

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Ziel-W KS[0]

Ziel

-WK

S[1

]


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CAD/CAM-Sollkontur in der Praxis

Stützpunktvorgabe durch das CAD/CAM-System mit resultierendemGeschwindigkeitsverlauf bei Toleranz „0“

x 104

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

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-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Ziel-W KS[0]

Ziel

-WK

S[1

]


x 104

0 0.5 1 1.5 2 2.5

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0

1

2

3

4

5

6

7

Takte

Bah

nges

chw

.schlichten_deltcam.nc

Ges

chw

indi

gkei

tsve

rlauf

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© ISG

Qualität am Werkstück: Filterung der CAD/CAM-Stützpunkte

Lokal harmonisierte CNC-Steuerdaten (blau) reduzieren Diskordanzen

x 104

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

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-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

Ziel-W KS[0]

Ziel

-WK

S[1

]


x 103

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

x 104

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Takte

Bah

nges

chw

.

schlichten_deltcam.nc

Geschwindigkeitsprofil harmonisierter CNC-Steuerdaten

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Problem der parallelen Werkzeugspuren

rot: Originaldaten, blau: Istweg

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

49

Problem beim Polynomüberschleifen

Problem auf dem realen und auf dem virtuellen Werkstück

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

50

Problem mit Stützpunktreduzierung

Eine Stützpunktreduzierung in der Steuerung kann zu massiven Konturfehlern führen, da die Sollkontur falsch interpretiert wird und kontur-relevante Stützpunkte entfernt werden.

Man braucht Verfahren, die unempfindlich auf Stützpunktverteilung reagieren!

Entfernte Punkte durch Satzreduktion führen zu unterschiedlicher Versplinung benachbarter Bahnen und damit zu Konturfehlern!

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

51

Aufgabenstellung für einer HSC-Steuerung

• Glättung der durch kurze Geradenstückchen vorgegebenen Kontur innerhalb vorgebbarer Toleranzen kalkulierte Ungenauigkeit.

• Berechnung günstiger Geschwindigkeitsverläufe auf den geglätteten Bahnen unter Berücksichtigung der zulässigen dynamischen Kenngrößen (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Ruck) für alle an der Bewegung beteiligten Achsen Kompromiss.

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

• Optimierung der Stützpunktverteilung• Glättung der Konturbeschreibung unter

Berücksichtigung von Toleranzen• Optimierung der Achsbewegungen auf optimierter

Kontur unter Ausnutzung von– maximal möglichen Geschwindigkeiten– maximal möglichen Beschleunigungen– maximal möglichen Rücke

Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC


Akima-Spline


T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming

G-Code SyntaxD IN6602 5/ISO 6983




M athematical Func tionsMOD, ABS , SQR, SQR T, E XP, LN, DE XP,LOG, IN V, A ND, OR , SI N, COS, TA N,

ASIN, A COS, ATA N, I NT, FRAC T,ROUND, RA ND OM

M athematicalO pera tors

+ , - , * , / , * * ,&, |, ^, && , || ,

== , != , > =, , <

#-Commands: Extensions# ACH SE # ECS ON / O FF #MS G S AVE #S ET TIP# ACS ON / OFF # ENAB LE AX LIN K #OP TIO NAL EXE CUT ION ON /OF F #S IGN AL# AX DEF # ERRO R #PR ESE T #S IGN AL REM OVE# AX DEF DE FAU LT # EXPL SY N #PS ET / #S UPP RES S O FFS ETS# AX LINK O N / OF F / AL L # FACE #PU T A X #T IME# AX RELEAS E # FACE OF F #PU T A X AL L #T IME R# AX RELEAS E A LL # FGRO UP #RO TAT ION ON / O FF #T LC ON / O FF# AX REQUES T # FGRO UP WAX IS #RT CP ON / OF F #T OOL AX# CAL L AX # FILE NAM E #SA VE CONF IG #T OOL DA TA# CAX # FLUS H #SE T A SPLI NE MOD E #T OOL LI FE REA D# CAX OFF # FLUS H C ONT INU E #SE T A SPLI NE STA RTT ANG #T OOL LI FE REM OVE# CAX TRACK ON / O FF # FLUS H W AIT #SE T A SPLI NE ZIE LTA NG #T OOL OR I C S# CLE AR CON FIG # GET IPO OF FSE T #SE T A X #T OOL PR EP# COM MAND W AIT / SYN # HSC #SE T A X LI NK #T OOL RE FRE SH# COM MAND W R / SY N # IDEN T W R/R D/S YN #SE T C ORNE R P ARA M #T RAF O O N/ OFF# COM MENT B EGI N / EN D # INIT MA KRO TA B #SE T D EC L R S OLL #V AR. ..# END VAR# CON TOUR M ODE # KIN ID #SE T H R #V ECT ORA CC ON/ OFF# CON TROL A REA CL EAR # LOAD CO NFI G #SE T I PO S OLL POS #V ECT ORV EL ON/ OFF# CON TROL A REA ON / OFF # MACH INE DA TA #SE T J OG #W AIT# CON TROL A REA ST ART /EN D # MAIN SP IND LE #SE T O FFSE T #W AIT FO R# CS ON / O FF # MCS ON / O FF #SE T S LOPE PR OFI L #W AIT IN DP# CYL # MCS TO WCS #SE T S PLIN E O N / OF F #W CS TO MCS# CYL OFF # MEAS MO DE #SE T S PLIN ETY PE AKI MA# DEL ETE # MSG #SE T S PLIN ETY PE BSP LIN E# DIS ABLE A X L INK # MSG INF O #SE T T ANGF EED RM IN

$-C ommands: C ontrol F low$IF - $E LSEIF - $E LS E - $END IF - $BREA K,

$SWITCH - $CASE - $D EF AULT - $ EN DSWITCH - $BR EA K,$F OR - $ENDFOR - $ CONTINUE - $BREAK,

$ WH IL E - $END WH IL E - $CON TI NUE - $B REAK,$D O - $END DO - $CONTIN UE - $BREA K

$GOTO

C onstant Co ncept forAr i thmetic ExpressionsP1 =9 2 P2=1 P 3= 33 P4=1000 P 10 0=2G[ P1 ] G[P2] X= [P 3*[P100] ] F[ P4]

Var iablesloc al, globa l, inte rc hanne l,

s ys t em va riables,a rrays

Drives

CNC-Kanal (channel)

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

CNC-Funktionalität: B-Spline mit Toleranzschlauch zur Konturglättung

x 105

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

x 105

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

Sollwert 1

Sol

lwer

t 2

AUTO_OFF_PATH=0: blau-Originalkontur, grün-Spline (PATH_DEV=2mm), rot-Spline (PATH_DEV0.5mm)

Konturglättung

Orginalkontur

Max. 0.5 mm Abweichung

Max. 2 mm Abweichung

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Fehler in der Geometrie-Aufbereitung wirken sich negativ aus.

F2000 mm/min = 33,33 mm/sDrehzahl 40.000 U/minEinschneider

ca. 6,8 mm

Analyse des Bahnvorschubs

ca. 1,0 mm

F2000

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC


Akima-Spline


T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming

G-Code SyntaxD IN6602 5/ISO6983




M athematical FunctionsMO D, A BS , SQ R, SQRT, EXP, LN, DEXP,L OG , IN V, A ND, OR, SIN, COS, TAN,

A SI N, A CO S, ATAN, INT, FRACT,R OU ND, RANDOM

M athematicalOpera tors

+ , - , * , / , * * ,&, |, ^, && , || ,

== , != , > =, , <


$-C ommands: C ontrol F low$IF - $E LS EI F - $E LS E - $E ND IF - $ BR EA K,

$S WI TC H - $C AS E - $D EF AU LT - $ EN DS WI TCH - $ BR EA K,$FOR - $ EN DF OR - $ CO NT IN UE - $ BR EA K,

$ WH IL E - $E ND WH IL E - $C ON TI NU E - $BREA K,$D O - $E ND DO - $ CO NT IN UE - $BREAK

$G OT O

C onstant Co ncept forAr ithmetic Express ionsP1=92 P2=1 P3=33 P4=1000 P10 0= 2G[P1] G[P2] X=[P3*[P100]] F[ P4 ]

Var iablesloc al, g lobal, interc hannel,

s ys tem variables,ar rays

Drives

„Abstandregeltempomat der CNC“

CNC-Kanal (channel)

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Beispiel aus dem Leben ....

v

T3 T4

a2

t

Lege die Fahrstrecke bis zur roten Ampel so schnell wie möglich zurück – ohne dass der fast volle Cola-Becher im Cupholder überschwappt!

Wer zuletzt bremst, GEWINNT!

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

„Trajektorienplanung“ für InterpolationMathematische Formulierung als Optimalsteuerungsaufgabe

fT

ftutrw

dtT0)(..1min

))(,0),(( 1max1max iiii sssjsssju

Kostenfunktional

Modell

Steuerung

Randwerte

Zustands-begrenzungen

Optimierungsaufgabe Bearbeitungszeit minimieren. Andere sind möglich, z.B. Mischung aus Arbeitszeit und Energieverbrauch

Trajektorien-Planung

Trajektorienplanung als Optimalsteuerungsaufgabe

Berücksichtigung• Leistungsfähigkeit der CNC• Prozesssignale

Dynamik-Planung

Berücksichtigung• Bearbeitungsprozess• Maschine

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Geschwindigkeitsplanung in der CNC

Planung über einige hundert Sätze in jedem NC-Zyklus (typ. 1ms) möglich

Planung komplett ruckbegrenzt

Grenzprofil

T1

T2

T1T2

Neue Berechnung weilneue Sätze verfügbar

HorizontBewegungsprofil

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Geschwindigkeitsplanung über viele NC-Sätze

1 block

59

N1297010 X227.06059 Y586.63499 Z-150.36152

Velocity limit

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Der Geschwindigkeitsplanungsprozess…

60

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

CNC

Soll-Werkstück CAD

Flächen-Beschreibung CAM

Werkzeug-bahn

Geometrie-Aufbereitung

Trajektorien-Planung Interpolation

Ist-Werkstück

Antriebs-Strang

Dynamik-Planung

Zerspan-Prozess

zeitvariant

zeitinvariant

Fehler ? Fehler ?

Fehler ? Fehler ?

Systemtheoretischer Ansatz – Aufgeben einer „lokalen“ Betrachtung

Berücksichtigung• Leistungsfähigkeit der CNC• Prozesssignale

Berücksichtigung• Bearbeitungsprozess• Maschine

„Dekompression“

„Kompression“

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

CAM

Einzelne Spur mit „Mikrorauschen“

„Eselsohr“ beim Zusammenfügen von Konturelementen

Beispiele für CAM-Fehler („Dekompressions-/Rekonstruktionsfehler“)

Fehler

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Abbildungsfehler bedingt durch die Verfahrenskette

CAM Werkzeug-bahn

Fehler


CAM-Systeme planen „parallele“ Werkzeugspuren über die CAD-Modelle und stellen die Spuren prinzipiell fehlerbehaftet dar – hier als Stützpunktfolgen.

In der nachfolgenden Trajektorien-Planung dürfen sich Fehler nicht auswirken: nahezu identische, auf einer Werkstückoberfläche geplante „parallele“, aber durch fehlerbehaftete Daten verfälschte Werkzeugspuren müssen später zu dynamisch und kinematisch nahezu identischen Werkzeugbewegungen führen. Parallele Werkzeugspuren müssen ein gleiches Schnittbild zeigen.

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Bahnsegmente 1 mm, Vorschub gleichmäßig zu-/abnehmend



InterpolationDynamik-Planung

Test-Szene

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG… Steuerungsvergleich

kernel



InterpolationDynamik-Planung

G01 G91 $FOR P1=1,1,30X1 FP1*1000

$ENDFOR$FOR P1=1,1,30X1 F(30000-P1*1000)

$ENDFORM30

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

F2000

Verbesserte Dekompression

F2000 mm/min = 33,33 mm/sDrehzahl 40.000 U/min; Einschneider

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC


Akima-Spline


T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming





M athematical FunctionsMO D, A BS, SQR, SQRT, EXP, LN, DEXP,L OG , INV, AND, OR, SIN, COS, TAN,

A SI N, ACOS, ATAN, INT, FRACT,ROUND, RANDOM


+ , - , * , / , * * ,&, |, ^, & & , || ,

== , != , > =, , <


$-C ommands: C ontr ol F low$I F - $E LS EI F - $E LS E - $E ND IF - $ BR EA K,

$S WI TC H - $C AS E - $D EF AU LT - $ ENDSWITCH - $ BR EA K,$F OR - $ EN DF OR - $ CO NT IN UE - $ BR EA K,

$ WH IL E - $E ND WH IL E - $C ONTINUE - $BREA K,$D O - $E ND DO - $ CO NT INUE - $BREAK

$G OT O

C onstant Co ncept forAr ithmetic Express ionsP1=92 P2=1 P3=33 P4= 10 00 P 10 0= 2G[P1] G[P2] X=[P3*[P 10 0] ] F[ P4 ]

Variablesloc al, g lobal, in terc hannel,


DrivesTransformation

CNC-Kanal (channel)

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Kinematics transformation

+ C 1

+ C 2

+ C 3+ Z

-Z

X

Y

B +-

Z'

A'

-Y

+ Y+ B

+Z

- Z

- B+ A

- A

-X

+X

Xw

YwZw

+Z

- Z

- B

+X

+Y

- Y

+B

- X

+ A

- A

Xw

Yw

Zw- X

+X

+Z

- Z+C

- C

- Y

+Y

XwYwZw

+Y

- Y

- X

+X

- Z

+ A

- A+C- C+Z

Xw

YwZw

+X

- X

+X

- X

+C

+Z

-Z

+ Z 2

- Z 2

+ Z 3

- Z 3

-X+ X

-Y+ Y

- Z 1

+ Z 1

+ Z 1

- Z 1

+ Z 2

- Z 2

+ Z 3

- Z 3

+ A2

- A2

+ B1

+ B2

+ B3

- B2

- B3

- C1+ C1

+ A1

- A1

- B1

- B

+ B

+X

- X+ C

- C

+Y

- Y

+Z

- Z

XwYwZw - X

+X

+Y

- Y+Z

- Z

+C- C

XwYwZw

+Z

- Z

+X

+Y

- Y

- X

+ A

- A

- B

+B

Xw

Yw

Zw

5-axis heads

Parallel kinematics RobotsSpecial kinematics

Over 30 different kinematicsFast user-specific extensions

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC


Akima-Spline


T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming








+ , - , * , / , * * ,&, |, ^, && , || ,

== , != , > =, , <





$G OT O




Drives

Koordinatensysteme

CNC-Kanal (channel)

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Tool compensation

CNC Channel

Interpolator

ToolCompensation

Look Ahead

Decoding

Axis Control

HMI

ToolManagement

PartProgramms

PLC


Akima-Spline


T1 T2 T3 T4

a1 a2

v

t

Slope

Programming








+ , - , * , / , * * ,&, |, ^, && , || ,

== , != , > =, , <





$G OT O




DrivesKompensieren

CNC-Kanal (channel)

Algo

rithm

ikei

ner C

NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Qualitätskriterien zur Beurteilung einer CNC

Kriterien für die Bahnführung mit dem Ziel: Vermeidung von Anregung der Eigenfrequenzen in den Achs-Sollwerten, dabei kürzeste Bearbeitungszeit und höchste Konturtreue:

Weitere Qualitätskriterien

• Qualität der Transformation• Qualität der Kompensationen• Quantisierungsrauschen der Sollwerte

• Qualität der Diskordanzenreduktion;• Qualität der Bewegungsgrenzprofilberechnung; • Größe des Vorausbetrachtungsbereiches der Konturbeschreibung;• Mathematischer Grad des Bewegungsprofilrechners (s,v,a,r,…);• Berücksichtigung der tatsächlichen Kinematik;• Berücksichtigung der Maschinendynamik (statisch/ zustandsabhängig);• Fähigkeit zur Erzeugung eines konstanten Bearbeitungsvorschubes;• Richtungs-(UN)Abhängigkeit der Bahnplanung (AB = BA);• Auflösung (Format) der Rechengrößen.

Algo

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ikei

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NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

Mehrkanaltechnik

TLC

LAHEAD

CNC/RCChannel 3

DEC

MAI

TLC

LAHEAD

CNC/RCChannel 2

DEC

MAI

TLC

LAHEAD

CNC/RCChannel 1

DEC

MAI

axis control

CH 1

PLCCH 1CH 3

nam

ed s

hare

d m

emor

y

TLC

LAHEAD

CNC/RCChannel 4

DEC

MAI SAI

MCChannel n

SAI

MCChannel 2

SAI

MCChannel 1

MC 1MC 2MC 3

CH 4

Tables are switching between channel 1, channel 2 and MC channels

Palletizing

Control:Up to 12 channelsUp to 64 axes

ca. 1 Min

© ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH 2017ISG-virtuos-Digitaler-Zwilling.pptx

Digitaler Zwilling – virtuelle Komponenten für die Automatisierung

77

Feldbus

reale Steuerung reale Feldbusteilnehmer reale Komponenten mit Echtzeitverhalten

reale Maschine / Anlage(Komponenten, Gesamtverhalten, Materialfluss)

virtuelle Maschine / Anlage(Komponenten, Gesamtverhalten, Materialfluss)

Konfiguration

Konfiguration

virtuelle Komponenten mit Echtzeitverhalten

reale Feldbusteilnehmer

1:1 Abbildung der Komponenten

„virtuelle Klemmen“Emulation

1:1 (I/O, Safety …)


„best practice“ – Digitaler Zwilling / Fabriksimulation, HOMAG

78

mit freundlicher Freigabe der HOMAG Group


„best practice“ – Packaging, KOCH Pac-Systeme

79

mit freundlicher Freigabe der KOCH Pack-Systeme GmbH


„best practice“ – Engineeringprozess, EISENMANN SA

80

mit freundlicher Freigabe der EISENMANN SA

E‐Pass, EISENMANN SA


„best practice“ – Schulungskonzept, ZF Friedrichhafen AG

81

Zielsetzung

Schulung und Weiterqualifikation von Mitarbeitern am digitalen Zwilling

Optimierung von Service und Wartung

Referenz für Lieferanten neuer Montagezellen

mit freundlicher Freigabe der ZF Friedrichshafen AG, Schweinfurt

© ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH 2017ISG-virtuos-Digitaler-Zwilling.pptx 84

Testautomatisierung mit digitalen Zwillingen


Testautomatisierung – Entwicklung

85

Test an der realen Anlage▼ kann erst nach Fertigstellung der Anlage durchgeführt

werden▼ verlängert die Lieferzeit der Anlage▼ Gefahr von Beschädigungen an der Anlage▼ fehleranfällig aufgrund menschlicher Faktoren

Test mit realer Steuerung an virtuellen Anlagen (HILS) kann vor der Auslieferung der Anlage vorgenommen

werden umfangreiche und gefahrlose Tests auch von

Störsituationen▼ hoher Zeitaufwand bei umfangreichen Testszenarien▼ fehleranfällig aufgrund menschlicher Faktoren

Automatisierter Test mit realer Steuerung an virtuellen Anlagen erhöhte Software-Qualität durch erhöhten Testumfang zuverlässige Ergebnisse durch Ausschluss menschlicher

Fehler reproduzierbare Testergebnisse inklusive Protokollierung integrierbar ins Anforderungsmanagement

früh

erhe

ute

neu

VIBN

CAST


Testautomatisierung – Modellbasierte Testszenarien

86

Mehrwert

Testautomatisierung auf Basis von digitalen Zwillingen unterstützt den gesamten Produktentwicklungszyklus inklusive der Inbetriebnahme

Komponenten-, Integrations- und Systemtests werden anhand dergleichen Testfälle und Testpläne vorgenommen und führen zu signifikanten Kosteneinsparungen

Modellbasierte Testpläne werden einfach ohne Programmierkenntnisse erstellt und sind auch für Schulungszwecke gut verständlich

Flexible Testabläufe unterstützen dynamischeund parallele Vorgänge und berücksichtigen prozessspezifische Vorbedingungen


Testautomatisierung – Grafische Testerstellung

87

Vorteile

Schnelle und einfache Erstellung von Aktionen mit grafischen Bausteinen auch ohne Programmierkenntnisse

Bausteine werden per Drag & Drop zu komplexeren Aktionen resp. Testfällenverknüpft

Testfälle können dann zu Testplänen zusammengefasst werden

der Test kann sofort beginnen

Einzelaktion

Warten auf Bedingung(Loop)

Verknüpfungen

Überprüfungs-größen(dynamisch)

Überprüfung auf Zielerreichung

positive bzw. negative Testergebnisse


Testautomatisierung – Projektstruktur

88

Features

Das Testautomatisierungs-System ermöglicht reproduzierbare Tests durch Testpläne inklusive Testprotokollierung

Testpläne werden aus wiederverwendbaren Testfällen / Aktionen zusammengestellt

Testpläne können für wiederholte Tests und Analysen in einer Test-Suite verwaltet werden

Testszenarien lassen sich auch mit einem Rekorder aufnehmen

Aufgenommene Aktionen können geändert, erweitert bzw. parametrisiert werden

Testplan

Testfälle

Testaktion


Testautomatisierung – protokolierbare Testergebnisse

89

Features

Das Testergebnis wird im Testplan transparent dargestellt

In der Projektstruktur wird ein negativ abgeschlossener Testfall markiert und ist sofort auffindbar

zu jedem negativen Testergebnis wird die Fehlerursache und die zugehörigen Parameterdargestellt

Das Testergebnis wird in einstellbarer Detaillierung protokoliert

Status für dengesamten Testplan

positiv abgeschlossene Testfälle

Testfehler inklusive Fehlerursache

negativ abgeschlossener Testfall

Algo

rithm

ikei

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NC

1. F

ebru

ar 2

019


© ISG

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HiWi-ArbeitspätzeIndustriepraktika

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„Funktionen einer numerischen Steuerung“ (Algorithmikeiner CNC) · 2019. 2. 1. · Interpolation Linear Circular Akima-Spline Trajectory optimization T 1 T 2 T 3 T 4 a 1 a 2 v