Manfred Weck

Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 4

Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH

Manfred Weck

Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme 4 Automatisierung von Maschinen und Anlagen

5., neu bearbeitete Auflage

Mit 341 Abbildungen

Springer

Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Manfred Weck

RWTHAachen WZL Laboratorium fUr Werkzeugmaschinen und Betriebslehre SteinbachstraBe 53 52074 Aachen

ISBN 978-3-662-10925-0

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme

Weck, Manfred: Werkzeugmaschinen, Fertigungssysteme / Manfred Weck. Bis 3. Aufl. u.d.T.: Weck, Manfred: Werkzeugmaschinen 4. Automatisierung von Maschinen und Anlagen. - 5., neu bearb. Aufl. - 2001

(VDI-Buch) ISBN 978-3-662-10925-0 ISBN 978-3-662-10924-3 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-10924-3

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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2001 Urspriinglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2001 Softcover reprint ofthe bardcover 5thedition 2001

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Vorwort zum Kompendium "Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme"

Werkzeugmaschinen zählen zu den bedeutendsten Produktionsmitteln der metallverarbeitenden Industrie. Ohne die Entwicklung dieser Maschinen­gattung wäre der heutige hohe Lebensstandard der Industrienationen nicht denkbar. Die Bundesrepublik Deutschland nimmt bei der Werkzeugma­schinenproduktion eine führende Stellung in der Welt ein. Innerhalb der Bundesrepublik Deutschland entfallen auf den Werkzeugmaschinenbau etwa 6,8% des Umsatzes des gesamten Maschinenbaus; 7,1% der Be­schäftigten des Maschinenbaus sind im Werkzeugmaschinenbau tätig.

So vielfaltig wie das Einsatzgebiet der Werkzeugmaschinen ist auch ihre konstruktive Gestalt und ihr Automatisierungsgrad. Entsprechend den technologischen Verfahren reicht das weitgespannte Feld von den ur­formenden und umformenden über die trennenden Werkzeugmaschinen (wie spanende und abtragende Werkzeugmaschinen) bis hin zu den Fü­gemaschinen. In Abhängigkeit von den zu bearbeitenden Werkstücken und Losgrößen haben diese Maschinen einen unterschiedlichen Automati­sierungsgrad mit einer mehr oder weniger großen Flexibilität. So werden Einzweck- und Sonderwerkzeugmaschinen ebenso wie Universalmaschi­nen mit umfangreichen Einsatzmöglichkeiten auf dem Markt angeboten.

Aufgrund der gestiegenen Leistungs- und Genauigkeitsanforderungen hat der Konstrukteur dieser Maschinen eine optimale Auslegung der ein­zelnen Maschinenkomponenten sicherzustellen. Hierzu benötigt er um­fassende Kenntnisse über die Zusammenhänge der physikalischen Eigen­schaften der Bauteile und der Maschinenelemente. Eine umfangreiche Programmbibliothek versetzt den Konstrukteur heute in die Lage, die Auslegungen rechnerunterstützt vorzunehmen. Messtechnische Analysen und objektive Beurteilungsverfahren eröffuen die Möglichkeit, die leis­tungs- und genauigkeitsbestimmenden Kriterien, wie die geometrischen, kinematischen, statischen, dynamischen, thermischen und akustischen Eigenschaften der Maschine, zu erfassen und nötige Verbesserungen ge­zielt einzuleiten.

VI Vorwort zum Kompendium" Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme"

Die stetige Tendenz zur Automatisierung der Werkzeugmaschinen hat zu einem breiten Fächer von Steuerungsaltemativen geführt. Nachdem durch die Entwicklungen der ElektrotechniklElektronik und auf dem Ge­biet der Softwaretechnologie neue steuerungstechnische Lösungen er­möglicht worden sind, werden neue Trends durch die zunehmende Ver­netzung der Rechner gesetzt. Dabei werden in Mechanisierungs- und Automatisierungsbestrebungen auch der Materialtransport und die Ma­schinenbeschickung mit einbezogen. Die Überlegungen auf diesem Ge­biet führten in der Massenproduktion zu Transferstraßen und in der Klein- und Mittelserienfertigung zu flexiblen Fertigungszellen und -sys­temen.

Die in dieser Buchreihe erschienenen fünf Bände zum Thema "Werk­zeugmaschinen Fertigungssysteme" wenden sich sowohl an die Studie­renden der Fachrichtung "Produktionstechnik" als auch an alle Fachleute aus der Praxis, die sich in die immer komplexer werdende Materie dieses Maschinenbauzweiges einarbeiten müssen. Außerdem verfolgen diese Bände das Ziel, dem Anwender bei der Auswahl der geeigneten Maschi­nen einschließlich der Steuerungen zu helfen. Dem Maschinenhersteller werden Wege für eine optimale Auslegung der Maschinenbauteile, der Antriebe und der Steuerungen sowie Möglichkeiten zur gezielten Verbes­serung auf grund messtechnischer Analysen und objektiver Beurteilungs­verfahren aufgezeigt.

Der Inhalt des Gesamtwerkes lehnt sich eng an die Vorlesung "Werk­zeugmaschinen" an der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hoch­schule Aachen an und ist wie folgt gegliedert:

Band I: Maschinenarten, Bauformen und Anwendungsbereiche, Band 2: Konstruktion und Berechnung, Band 3: Mechatronische Systeme, Vorschubantriebe und

Prozessdiagnose, Band 4: Steuerungstechnik von Maschinen und Anlagen, Band 5: Messtechnische Untersuchung und Beurteilung.

Aachen, im Dezember 2000 Manfred Weck

Vorwort zum Band 4

Der vorliegende Band 4 soll dem Leser einen Einblick in die Auto­matisierungs- und Steuerungstechnik von Werkzeugmaschinen geben. Der Schwerpunkt liegt sowohl in der Darstellung von Lösungen, die sich seit langem in der Praxis bewährt haben, als auch in der Vorstellung neue ster Entwicklungen, die erst durch die Fortschritte in der modemen Halbleitertechnologie, den Einsatz von Mikroprozessoren und neuerdings durch die steigende Nutzung von Internettechnologien ermöglicht wur­den.

Schon in der letzten Auflage ließ sich die stetig komplexer werdende Thematik nicht mehr in einem einzigen Band darstellen. In der nun vor­liegenden, fiinften Auflage ist der Stoff neu gegliedert worden, sodass zwei eigenständige Bände entstanden sind.

Schwerpunkt von Band 4 ist die Betrachtung der verschiedenen Arten von Steuerungen. Hinzu kommen die in der Peripherie eingesetzten Ro­botersteuerungen sowie die Betrachtung der übergeordneten Leitebene.

Nach einer kurzen Einleitung (Abschnitt 1) und einem geschichtlichen Rückblick über die Mechanisierung und Automatisierung werden im 2. Abschnitt die automatisierbaren Funktionen bei Produktionseinrichtun­gen sowie deren Realisierungsmöglichkeiten beispielhaft beschrieben.

Es folgen die mechanischen Steuerungen als älteste Gattung der Steue­rungstechnik (Abschnitt 3). Wenn sie auch im Zeitalter der Elektronik stark an Bedeutung verloren haben, so sind dennoch viele Exemplare der mechanischen Automaten in den Werkstätten zu finden.

Die Grundlagen der Informationsverarbeitung werden im Anschluss behandelt. Dieser Abschnitt 4 bildet die Basis für die elektrischen Steue­rungen, die im Abschnitt 5 erörtert werden. Neben verbindungsprogram­mierten (VPS) werden speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS, PLC) vorgestellt und ihre Wirkungsweise anhand von Beispielen verdeutlicht. Im Werkzeugmaschinenbau haben die speicherprogrammierbaren Steue­rungen eine besondere Bedeutung erlangt, weshalb nicht nur die unter­schiedlichen Programmierverfahren ausführlich dargestellt werden, son­dern auch die prinzipielle Vorgehensweise zur systematischen Entwick­lung von komplexen SPS-Programmen geschildert wird.

VIII Vorwort zum Band 4

Numerische Steuerungen (NC) haben eine zentrale Bedeutung für die Automatisierung von Werkzeugmaschinen erlangt. Im Abschnitt 6 wer­den der interne Aufbau, der Funktionsumfang, die Programmierung bzw. die diversen Programmierverfahren und die Bedienung von Numerischen Steuerungen sowie Entwicklungstendenzen ausruhrlieh erörtert.

Daran anschließend wird in einem gesonderten Abschnitt 7 die geo­metrische Datenverarbeitung in den NC-Steuerungen behandelt. Hierzu zählen die verschiedenen Verfahren zur Interpolation und Bewegungs­ruhrung und Werkzeugkorrekturen. Die NC-interne Behandlung des Vor­schub-Overrides und der externen Geschwindigkeitsbeeinflussung wer­den am Ende dieses Abschnitts gesondert erläutert.

Numerisch gesteuerte Handhabungssysteme und Industrieroboter sind heute vielfach Bestandteil von autonomen Fertigungs- und Montagezellen sowie flexiblen Fertigungssystemen. Sie werden in vielfältigen Aufga­benbereichen eingesetzt, u. a. zur Maschinenbeschickung und zum Werk­stücktransport. Des Weiteren werden sie oft rur Schweiß- und Schneid­aufgaben eingesetzt. Abschnitt 8 behandelt daher intensiv die Roboter­steuerungen. Diverse Roboterkinematiken, Koordinatentransformationen und Programmiermöglichkeiten bilden die Schwerpunkte dieses Kapitels.

Der Trend zur durchgehenden Integration und Vernetzung aller Unter­nehmensbereiche zu integrierten Informations- und Datenverarbeitungs­systemen greift immer weiter um sich. Diese als "CIM" (Computer Inte­grated Manufacturing) bezeichnete bereichsübergreifende computerunter­stützte Informationsverarbeitung in Produktionsanlagen verbindet alle Automatisierungsgeräte und Computer mit dem Ziel der Rationalisierung der Informations-Verarbeitungsvorgänge.

In Abschnitt 9 wird ein Modell rur die CIM-Struktur eines Unter­nehmens vorgestellt. Einen Schwerpunkt bilden dabei die Leitstand­systeme zur Steuerung verketteter Anlagen. Ein realisiertes flexibles Fer­tigungs- und Montagesystem (IFMS), an dem die Verwirklichung me­chanischer und steuerungstechnischer Komponenten für eine anspruchs­volle Produktionsaufgabe präsentiert wird, bildet den Abschluss des Ab­schnittes.

Die Überarbeitung des neuen Bandes "Steuerungstechnik von Ma­schinen und Anlagen" geschah unter Mitwirkung meiner Mitarbeiter, der Herren Dipl.-Ing. Jan Gottschald, Dipl.-Ing. Claus Hardebusch, Dipl.­Ing. Hendrik Hoymann, Dipl.-Ing. Dirk Jahn, Dipl.-Ing Andreas Kahmen, Dipl.-Ing. Reimund Keiser, Dipl.-Ing. Helge Klein, Dipl.-Inform. Alexan­der Kurth, Dipl.-Ing. Falco Paeppenmüller, Dipl.-Ing. Gork Ullrich, Dipl.-Ing. Bruno Valkyser sowie Dipl.-Ing. Jochen Wolf. Allen Beteilig­ten möchte ich für ihre große Einsatzbereitschaft herzlich danken.

Vorwort zum Band 4 IX

Für die Koordination und Organisation der Überarbeitung sowie die mühevolle EDV -technische Erfassung der Texte und Bilder zur fünften Auflage möchte ich Frau Evangelia Boutsioucis, Frau Rabea Klement und Herrn Dipl.-Ing. Roman Klement besonders danken.

Den Firmen, die die bildlichen Darstellungen aufbereitet und für diesen Band zur Verfügung gestellt haben, möchte ich ebenfalls herzlich danken.

Aachen, im Dezember 2000 Manfred Weck

In haltsverzeich n is

Formelzeichen und Abkürzungen .................................................... XXI

1 Einleitung ............................................................................................ 1

1.1 Begriffsbestimmung ........................................................................... 1

1.2 Geschichtliche Entwicklung und Gründe für die Automatisierung von Werkzeugmaschinen ................................................................... 2

1.3 Steuerungs- und Automatisierungstechnik als Teilaufgabe der Maschinenentwicklung ...................................................................... 5

2 Automatisierbare Funktionen der Fertigungseinrichtungen und ihre Realisierung ......................................................................... 9

2.1 Steuerung des Funktionsablaufs ....................................................... 11 2.1.1 Funktionsfolgen .................................................................... 11 2.1.2 Elemente der Steuerung, Programmierung und Speiche-

rung ....................................................................................... 13

2.2 Beispiele automatisierter Funktionen ............................................... 15 2.2.1 Weg- und Schaltinformationen ............................................. 15 2.2.1.1 Nocken- und Schalterleisten ............................................. 16 2.2.1.2 Absolute und inkrementale Drehgeber zur Erfassung der

Istposition einer Maschinenbaugruppe und zur Initiie-rung von Funktionen ......................................................... 17

2.2.2 Drehzahlverstellung .............................................................. 18 2.2.3 Werkstücktransport und -handhabung .................................. 19 2.2.4 Werkzeughandhabung und -speicherung .............................. 25

XII Inhaltsverzeichnis

2.2.5 Prozessüberwachung, Prozessregelung, Diagnose und Sicherheit .............................................................................. 29

2.2.6 Leittechnik ............................................................................ 30 2.2.7 Entsorgung ............................................................................ 31

3 Mechanische Steuerungen ............................................................... 33

3.1 Einspindeldrehautomat ..................................................................... 34

3.2 Mehrspindeldrehautomat. ................................................................. 45

3.3 Weiterentwicklung des mechanisch gesteuerten Mehrspindlers ...... 56

4 Grundlagen der Informationsverarbeitung ................................... 58

4.1 Grundlagen ........................................................................................ 59 4.1.1 Zahlensysteme ...................................................................... 59 4.1.2 Datencodes ............................................................................ 63 4.1.3 Boolesche Algebra ................................................................ 64 4.1.4 Kamaugh-Veitch-Diagramm ................................................ 69

4.2 Bausteine .......................................................................................... 73 4.2.1 Realisierung der Grundfunktionen ........................................ 73 4.2.2 Erweiterte Funktionen ........................................................... 76 4.2.2.1 Flip-Flop ........................................................................... 76 4.2.2.2 Flankengetriggerte Flip-Flops ........................................... 77 4.2.2.3 1 :2-Untersetzer .................................................................. 78 4.2.2.4 Binärzähler ........................................................................ 78 4.2.2.5 Halbaddierer ...................................................................... 80 4.2.2.6 Volladdierer ...................................................................... 80 4.2.2.7 Vergleicher ........................................................................ 81 4.2.2.8 Decodierer ......................................................................... 82 4.2.2.9 Parityprüfer ....................................................................... 82 4.2.2.10 A/D-Wandler ..................................................................... 83 4.2.2.11 D/A-Wandler. .................................................................... 87 4.2.3 Integrierte Schaltkreise ......................................................... 89 4.2.4 Bedien- und Anzeigeelemente .............................................. 91

4.3 Rechner ............................................................................................ 93 4.3.1 Aufbau und Funktion ............................................................ 94

Inhaltsverzeichnis XIII

4.3.1.1 Hardware ........................................................................... 94 4.3.1.2 Software ............................................................................ 98 4.3.2 Peripherie .............................................................................. 99 4.3.2.1 Speicherperipherie .......................................................... 100 4.3.2.2 Benutzer- und Kommunikationsperipherie ..................... 102 4.3.2.3 Prozessperipherie ............................................................ 103 4.3.3 Software entwicklung .......................................................... 103 4.3.3.1 Planungsphase ................................................................. 104 4.3.3.2 Definitionsphase .............................................................. 104 4.3.3.3 Entwurfsphase ................................................................. 105 4.3.3.4 Implementierungsphase .................................................. 106 4.3.3.5 Abnahme- und Einführungsphase ................................... 110 4.3.3.6 Wartungs- und Pflegephase ............................................. 110 4.3.4 Entwicklung objektorientierter Steuerungssoftware ........... 110

5 Elektrische Steuerungen .................................................................. 113

5.1 Aufbau und Einordnung von elektrischen Steuerungen ................. 114 5.1.1 Verknüpfungssteuerungen .................................................. 116 5 .1.2 Ablaufsteuerungen .............................................................. 118

5.2 Verbindungsprogrammierte Steuerungen (VPS) ............................ 120 5.2.1 Anwendungsgebiete und Aufgaben .................................... 120 5.2.2 Anwendungsbeispiele ......................................................... 121

5.3 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) ............................... 124 5.3.1 Anwendungsgebiete und Aufgaben .................................... 124 5.3.2 Aufbau und Funktionsweise ............................................... 127 5.3.2.1 Aufbau ............................................................................. 127 5.3.2.2 Funktionsweise ................................................................ 131 5.3.3 SPS-Programmierung ......................................................... 134 5.3.3.1 Kontaktplan-Programmierung ......................................... 137 5.3.3.2 Funktionsplan-Programmierung ..................................... 139 5.3.3.3 Programmierung mit Anweisungsliste ............................ 140 5.3.3.4 Beispiele für komplexere Programmanweisungen .......... 142 5.3.3.4.1 Zeitfunktionen ............................................................... 142 5.3.3.4.2 Zähler ............................................................................ 143 5.3.3.4.3 Wortverarbeitung .......................................................... 145 5.3.3.5 Hochsprachen-Programmierung ..................................... 146 5.3.3.6 Ablaufsprache ................................................................. 148

XN Inhaltsverzeichnis

5.3.4 Vorgehensweise zur systematischen Entwicklung von komplexen SPS-Programmen ............................................. 149

5.3.4.1 SpezifIkation der Steuerungsaufgabe .............................. 151 5.3.4.2 Programmentwurfund Programmierung ........................ 152 5.3.4.3 Programmtest .................................................................. 154 5.3.5 Feldbussysteme :für SPS ...................................................... 156

5.4 Sicherheitssteuerungen ................................................................... 160 5.4.1 Zweikanalige, fehlererkennende Steuerungsstruktur .......... 162 5.4.2 Dreikanalige, fehlertolerante Steuerungsstruktur ............... 163 5.4.3 Konventionelle Sicherheitsschaltung in Relaistechnik ....... 164 5.4.4 Fehlersichere Prozessankopplung ....................................... 165 5.4.4.1 Sichere Auswertung von Prozesseingängen .................... 166 5.4.4.2 Fehlersichere und fehlertolerante Prozessausgänge ........ 168

6 Numerische Steuerungen ............................................................... 171

6.1 Geschichtliche Entwicklung numerischer Steuerungen ................. 171

6.2 Aufbau und Funktionsbeschreibung numerischer Steuerungen ..... 174 6.2.1 Allgemeine Funktionsbeschreibung .................................... 174 6.2.2 Hardware und Schnittstellen einer Ne-Steuerung .............. 177 6.2.2.1 Komponenten .................................................................. 178 6.2.2.2 Interner Aufbau ............................................................... 181 6.2.2.3 Externe Schnittstellen ..................................................... 184 6.2.3 Software einer Ne-Steuerung ............................................. 186 6.2.4 Funktionsweise einer Ne-Steuerung .................................. 189 6.2.5 Funktionsumfang moderner Ne-Steuerungen .................... 192 6.2.5.1 Standard-Funktionen ....................................................... 193 6.2.5.2 Funktionen zur Steuerung automatisierter Produktions-

zellen ............................................................................... 201 6.2.6 Offene Steuerungssysteme .................................................. 206 6.2.6.1 Motivation und Ziele offener Steuerungssysteme ........... 206 6.2.6.2 Ausprägungen offener Steuerungs systeme ..................... 207 6.2.6.3 Realisierung offener Steuerungen ................................... 210 6.2.6.4 Herstellerübergreifende Standardsfür offene Steue-

rungen ............................................................................. 214 6.2.7 Entwicklungstendenzen bei numerischen Steuerungen ...... 219

6.3 Werkstückprogrammierung in der Ne-Fertigung .......................... 221 6.3.1 Aufbau eines satzbasierten Ne-Programms ....................... 222

Inhaltsverzeichnis xv

6.3.2 Aufbau eines objektorientierten NC-Programms ................ 225 6.3.3 Koordinatensysteme und Bezugspunkte ............................. 228

6.4 NC-Programmierverfahren ............................................................. 232 6.4.1 Manuelle NC-Programmierverfahren ................................. 233 6.4.1.1 Grundlagen und Vorgehensweise ................................... 233 6.4.1.2 Programmierbeispiel (DIN 66025) ................................. 237 6.4.1.3 Zusätzliche Befehle zur Programmeingabe ..................... 240 6.4.l.4 Grenzen der Programmiersprache nach DIN 66025 ....... 244 6.4.2 Maschinelle NC-Programmierverfahren ............................. 246 6.4.2.1 CAD/CAP/CAM-Kopplung ............................................ 252 6.4.2.2 Programmierbeispiel (STEP-NC) ................................... 268 6.4.2.3 Programmierbeispiel anhand des EXAPT -Systems ........ 276 6.4.2.4 Werkstattorientierte NC-Programmierung ...................... 277 6.4.2.5 Werkstattnahe Programmierung mit manueller Prozess-

führung ............................................................................ 284 6.4.2.6 Kostenvergleich der Programmierverfahren ................... 285 6.4.3 Digitalisierung von Werkstückgeometrien zur NC-Daten-

generierung ......................................................................... 288 6.4.3.1 Messgeräte zur Digitalisierung von Werkstücken ........... 289 6.4.3.2 Abtaststrategien ............................................................... 293 6.4.3.3 Tastsysteme ..................................................................... 294 6.4.3.4 Aufbereitung und Weiterverarbeitung der Messdaten .... 302

6.5 Benutzerschnittstellen an Werkzeugmaschinen ............................. 306 6.5.1 Bedienfelder an Werkzeugmaschinen ................................. 306 6.5.2 Manuelle Prozessführung ................................................... 309 6.5.2.1 Allgemeine Übersicht ..................................................... 309 6.5.2.2 Bedienelemente zur Prozessführung ............................... 309 6.5.2.3 Möglichkeiten für die Realisierung einer benutzerorien-

tierten Prozessfiihrung ..................................................... 311 6.5.2.4 Entwicklungstendenzen .................................................. 315 6.5.3 Benutzerorientierte Darstellung prozess- und systembe-

zogener Kenngrößen ........................................................... 316 6.5.3.1 Ausgangssituation ........................................................... 316 6.5.3.2 Benutzergerechte Vermittlung der Kenngrößen ............. 317 6.5.3.3 Technische Realisierung und Anwendungsbeispiele ...... 318

7 Führungsgrößenerzeugung und Interpolation ............................ 323

7.1 Interpolation ................................................................................... 325

XVI Inhaltsverzeichnis

7.1.1 Funktionen zur satzorientierten Geschwindigkeits- und Beschleunigungsführung einfacher Daten .......................... 327

7.1.1.1 Beschleunigungs- und Verzögerungsphase ..................... 331 7.1.1.2 Konstantgeschwindigkeitsphase ..................................... 334 7.1.1.3 Bremseinsatzpunkterkennung ......................................... 335 7.1.2 Funktionen zur satzübergreifenden Geschwindigkeits- und

Beschleunigungsführung einfacher Bahnen ........................ 337 7.1.2.1 Satzübergänge ................................................................. 337 7 .1.2.2 Vorausschauende Geschwindigkeitsführung .................. 339 7.1.3 Interpolation einfacher Bahnen ........................................... 341 7.1.3.1 Geradeninterpolation ....................................................... 342 7.1.3.2 Kreisinterpolation ............................................................ 344 7.1.4 Spline-Interpolation ............................................................ 346 7.1.4.1 Polynomsplines ............................................................... 348 7.1.4.1.1 Definition ...................................................................... 349 7.1.4.1.2 Polynomermittlung ........................................................ 349 7.1.4.1.3 Bestimmung des Parametervektors ............................... 350 7.1.4.1.4 Globales Verfahren ....................................................... 351 7.1.4.1.5 Lokales Verfahren nach Akima ..................................... 353 7.1.4.1.6 Eigenschaften ................................................................ 355 7.1.4.2 B-Splines ......................................................................... 356 7.1.4.2.1 Definition ...................................................................... 356 7.1.4.2.2 Eigenschaften ................................................................ 360 7.1.4.3 NURBS ........................................................................... 362 7.1.4.4 Auswertung von Splines ................................................. 362 7.1.5 Sonstige Verfahren ............................................................. 366

7.2 Geometrische Transformationen .................................................... 367 7.2.1 Nullpunktverschiebungen ................................................... 367 7.2.2 Werkzeugkorrekturen ......................................................... 369 7.2.3 Kinematische Transformation für die 5-Achs-Fräsbear-

beitung ................................................................................ 372 7.2.3.1 Serielle Kinematiken ....................................................... 374 7.2.3.2 Parallele Kinematiken ..................................................... 374

7.3 Externe Lage- und Geschwindigkeitsbeeinflussung ...................... 378 7.3.1 Kompensation geometrischer Fehler .................................. 378 7.3.1.1 Kompensation geometrischer Fehler von Vorschub-

antrieben .......................................................................... 378 7.3.1.1.1 Messung der Positionierunsicherheit nach

VDIIDQG 3441 ............................................................. 379 7.3.1.1.2 Umkehrspanne .............................................................. 380

Inhaltsverzeichnis XVII

7.3.1.1.3 Spindelsteigungsfehler .................................................. 381 7.3.1.2 Kompensation thermischer Verlagerungen ..................... 381 7.3 .1.2.1 Direkte Kompensation .................................................. 382 7.3.1.2.2 Indirekte Kompensation ................................................ 384 7.3.1.3 Kompensation statischer Prozesslasten ........................... 387 7.3.1.4 Messregelung für Schleifprozesse ................................... 393 7.3.2 Vorschub-Override und externe Geschwindigkeitsbe-

einflussung .......................................................................... 394 7.3.2.1 Override .......................................................................... 394 7.3.2.2 Externe Geschwindigkeitsbeeinflussung ......................... 395 7.3.2.3 Look-Ahead-Funktion ..................................................... 396 7.3.3 Referenzpunktfahrt ............................................................. 396

8 Robotersteuerungen ....................................................................... 399

8.1 Allgemeine Funktionsbeschreibungen ........................................... 399

8.2 Koordinatensysteme und Bezugspunkte ........................................ 402

8.3 Koordinatentransformation und Bahngenerierung ......................... 405

8.4 Bedienung und Programmierung von Robotern ............................. 427 8.4.1 Online-Programmierverfahren ............................................ 429 8.4.1.1 Lernprogrammierverfahren (Playback, Teach-in) ........... 429 8.4.1.2 Bedienelemente zur Bewegungsführung von Robotern .. 431 8.4.1.3 Erstellung eines Roboterprogramms an der Steuerung ... 434 8.4.1.4 Werkstattorientierte Programmiersysteme ...................... 441 8.4.2 Offline-Programmiersysteme .............................................. 443 8.4.2.1 Textuelle Programmerstellung ........................................ 443 8.4.2.2 Grafische Programmierung mit Ablaufdiagrammen ...... .444 8.4.2.3 Roboterprogrammsimulation .......................................... 445 8.4.2.4 Aufgabenorientierte Roboterprogrammierung ................ 450 8.4.3 Roboter-Programmiersprachen ........................................... 453 8.4.3.1 Industrial Robot Language (IRL) .................................... 453 8.4.3.2 IRL-Programmierbeispiel ............................................... 463 8.4.3.3 Standardisierung grafischer Programmieroberflächen .... 464

8.5 Kommunikationsschnittstellen für Robotersteuerungen ................ 466

8.6 Sensordatengewinnung und -verarbeitung ..................................... 467

XVIII Inhaltsverzeichnis

8.7 Entwicklungstendenzen .................................................................. 471

9 Fertigungsleittechnik ..................................................................... 473

9.1 Die Unternehmens struktur im CIM-Verbund ................................ 475 9.1.1 CIM-Komponenten ............................................................. 475 9.1.1.1 PPS .................................................................................. 477 9.1.1.2 CAD ................................................................................ 479 9.1.1.3 CAP und CAM ................................................................ 479 9.1.1.4 CAQ ................................................................................ 480 9.1.1.5 Automatisierte Produktion .............................................. 480 9.1.2 Schichtenmodell eines Unternehmens der Fertigungs-

industrie .............................................................................. 481 9.1.3 Kommunikation in der Leittechnik .................................... .483 9.1.3.1 Kommunikationssegmente des Fertigungsbereichs ....... .484 9.1.3.1.1 Aktor-/Sensor-Feldbusse (Abtastbusse) ........................ 485 9.1.3.1.2 Zellennetzwerke/System-Feldbusse .............................. 486 9.1.3.1.3 Backbone-Netzwerke .................................................... 487 9.1.3.1.4 Büro-Netzwerke ............................................................ 487 9.1.3.2 OSI-Referenzmodell ....................................................... 487 9.1.3.3 Offene Systeme ............................................................... 488 9.1.3.4 Schichtenmodell .............................................................. 489 9.1.3.5 TCP/IP-Protokolle ........................................................... 491

9.2 F ertigungs1eitsysteme ..................................................................... 492 9.2.1 DNC (Distributed Numerica1 Contro1) .............................. .493 9.2.1.1 Geschichtliche Entwicklung ............................................ 493 9.2.1.2 DNC-Systemk1assen ....................................................... 494 9.2.1.2.1 Termina1-DNC .............................................................. 495 9.2.1.2.2 Remote-DNC ................................................................ 497 9.2.1.3 Funktionen eines DNC-Systems .................................... .498 9.2.1.3.1 Grundfunktionen ........................................................... 499 9.2.1.3.2 Erweiterte Funktionen ................................................... 500 9.2.2 Betriebsdatenerfassung und -verarbeitung .......................... 500 9.2.2.1 Gliederung der Betriebsdaten und Begriffsdefinitionen .501 9.2.2.2 BDE-Terminals ............................................................... 503 9.2.2.3 Funktionen der Betriebsdatenverarbeitung ..................... 504 9.2.3 Materialflusssteuerung ........................................................ 506 9.2.4 Fertigungshilfsmittelorganisation ....................................... 507 9.2.4.1 Werkzeugplanung ........................................................... 508 9.2.4.2 Werkzeugbewirtschaftung ............................................... 508

Inhaltsverzeichnis XIX

9.2.4.3 Werkzeugdisposition ....................................................... 509 9.2.4.4 Werkzeugver- und -entsorgung ....................................... 510 9.2.4.5 Werkzeugeinsatz ............................................................. 510 9 .2.4.6 Werkzeuginformationssystem ......................................... 510 9.2.5 Elektronischer Leitstand ..................................................... 511 9.2.5.1 Aufgaben von Werkstattsteuerungssystemen .................. 511 9.2.5.2 Funktionsumfang elektronischer Leitstände ................... 512 9.2.6 Fertigungsleitrechner .......................................................... 514 9.2.6.1 Flexible Fertigungssysteme ............................................. 515 9.2.6.2 Funktionsumfang von Fertigungsleitrechnem ................ 517 9.2.6.3 Architekturen .................................................................. 519

9.3 Integriertes Fertigungs- und Montagesystem ................................. 522 9.3.1 Systemübersicht .................................................................. 522 9.3.2 Werkstückspektrum ............................................................ 524 9.3.3 Das Fertigungsleitsystem COSMOSPlus .............................. 525 9.3.3.1 COSMOS-Steuerungsarchitektur .................................... 526 9.3.3.2 Funktionen der Leitebene ................................................ 529 9.3.3.3 Funktionen der Zellenebene ............................................ 532 9.3.3.4 Steuerungskomponenten ................................................. 533 9.3.3.5 Industrieller Einsatz von COSMOSplus ............................ 533 9.3.4 Aufbau der Zellen des IFMS und informationstechnische

Einbindung .......................................................................... 535 9.3.4.1 Lager ............................................................................... 535 9.3.4.2 Transportsystem .............................................................. 536 9.3.4.3 Sägezelle ......................................................................... 538 9.3.4.4 Montagezelle ................................................................... 539 9.3.4.5 Drehzelle ......................................................................... 543 9.3.4.6 Fräszellen ........................................................................ 544 9.3.4.7 Messzelle ......................................................................... 547

Literaturverzeichnis ............................................................................ 550

Sachverzeichnis ................................................................................... 563

Formelzeichen und Abkürzungen

Großbuchstaben

A,B,C,D Ai F N H M Nm Ni P R m R S T 1/s T U ges

Uh

Kleinbuchstaben

a mls2

di mm di mm

dmax mm h mm h mm h m I m I mm I mm

vektorwertige Koeffizienten Transformationsmatrix zwischen Ki und Ki-1

Kraft Hundertstel einer Kurvenscheibe Drehmoment Basisfunktionen vom Grad i Abtastpunkt Kreisradius Rotationsmatrix Splinefunktion Interpolationstakt Transformationsmatrix Gesamtanzahl der Spindelumdrehungen Anzahl der Spindelumdrehungen innerhalb der Haupzeit Anzahl der Spindelumdrehungen für den i-ten Arbeitsgang

Beschleunigung Denavit-Hartenberg-Parameter für die i-te Achse Länge der Arme des Handachsenkopfes beim Tricept größter Drehdurchmesser Abweichung Lagerspalt Sehnenlänge Beinlänge Länge Tasterauslenkung

XXII Formelzeichen und Abkürzungen

li mm Arbeitsweg pro Arbeitsgang li mm Denavit-Hartenberg-Parameter für die i-te Achse lKE mm absolute Auslenkung des Tasters in der

. -1 Kopierebene

n mm Spindeldrehzahl n Polynomgrad pp bar Pumpendruck PT bar Taschendruck r mm Radius des zylindrischen Spiegels r mls3 Ruck s m Bogenlänge s m Weg Si mmIU Vorschub pro Arbeitsgang t s Zeit th s Hauptzeit tw s Werkstückzeit u Knoten v mlmin Geschwindigkeit v mlmin Schnittgeschwindigkeit VB mls Bahngeschwindigkeit x,y,z mm Wege in Koordinatenrichtung x mm ~egelgröße z Ubersetzungsverhältnis

Griechische Buchstaben

<Xi E

E

'Y <P E) E).

1

m

i, j,k L P

P fl,f2,f3

Grad mm mm Grad Grad Grad Grad Q/s

Denavit-Hartenberg-Parameter für die i-te Achse Auslenkung Toleranzbereich Triangulationswinkel Auslenkwinkel Roboterachswinkel Denavit-Hartenberg-Parameter für die i-te Achse Kreisgeschwindigkeit

Einheitsvektoren des Zielkoordinatensystems

Beinvektor (bei Parallelkinematiken) Stützpunktvektor

Positionsvektor Lage der feststehenden Kardangelenke beim

Formelzeichen und Abkürzungen XXIII

- - -fa, fb, fc

fs

fF

fp

U

Tricept Lage der beweglichen Kugelgelenke beim Tricept

Lage der Schwenkachse beim Tricept Lage des Flanschkoordinatensystems beim Tricept Lage der beweglichen Plattform beim Tricept Trägervektor