Flexible Fertigungssysteme: Entwurf und Realisierung prozeßnaher Steuerungsfunktionen

103 Pages·1982·1.961 MB·German

by  A. Herrscher (auth.)

ISW39
Berichte aus dem Institut fOr Steuerungstechnik
der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen
der Universitat Stuttgart
A. HERRSCHER
Flexible Fertigungssysteme
Entwurf und Realisierung
prozeBnaher Steuerungsfunktionen
Springer-Verlag
Berlin· Heidelberg· New York 1982
D93
Mit 48 Abbildungen
ISBN-13:978-3-540-11 043-9 e-ISBN-13:978-3-642-86723-1
DOI:1 0.1 007/978-3-642-86723-1
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der Funksendung,der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege
und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugs
weiser Verwendung, vorbehalten.
Die VergOtungsansprOche des § 54, Abs. 2 UrhG werden durch die
"Verwertungsgesellschaft Wort", MOnchen, wahrgenommen.
© Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg 1982
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen-und Markenschutz-Gesetzgebung als
Irei zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden dOriten.
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Das Institut fOr Steuerungstechnik derWerkzeugmaschinen und Fertigungseinrich
tungen der Universitat Stuttgart befaBt sicn mit den neuen Entwicklungen der
Werkzeugmaschinen und anderen Fertigungseinrichtungen, die insbesondere durch
den erhbhten Anteil der Steuerungstechnik an den Gesamtanlagen gekennzeichnet
sind. Dabei stehen die numerisch gesteuerten Werkzeugmaschinen in Programmie
rung, Steuerung, Konstruktion und Arbeitseinsatz sowie die vermehrte Verwen-
dung des Digitalrechners in Konstruktion und Fertigung im Vordergrund des In
teresses.
1m Rahmen dleser Buchreihe sollen in zwangloser Foige drei bis fOnf Berichte pro
Jahr erscheinen, in welchen Ober einzelne Forschungsarbeiten berichtet wird. Vor
zugsweise kommen hierbei Forschungsergebnisse, Dissertationen, Vorlesungsmanu
skripte und Seminarausarbeitungen zur Verbffentlichung.
Diese Berichte sollen dem in der Praxis stehenden Ingenieur zur Weiterbildung
dienen und helfen, Aufgaben auf diesem Gebiet der Steuerungstechnik zu Ibsen.
Der Studierende kann mit diesen Berichten sein Wissen vertiefen.
Unter dem GesichtspunKI einer schnellen und kostengOnstigen Drucklegung wird
auf besondere Ausstattung verzichtet und die Buchreihe im Fotodruck hergestellt.
Der Herausgeber dankt dem Springer-Verlag fOr Hinweise zur auBeren Gestaltung
und Ubernahme des Buchvertriebs.
Gottfried Stute
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Inhaltsverzeichnis Seite
AbkUrzungsverzeichnis, Formelzeichen 7
Einleitung 9
2 Gliederung von flexiblen Fertigungssystemen 12
2.1 Gliederung der maschinenbaulichen Komponenten 12
2.2 Gliederung der Aufgaben des Steuerungssystems 16
3 Anforderungen an die Informationsverarbeitung 20
3.1 Numerisch gesteuerte Arbeitsstationen 20
3. 1 • 1 Verarbeitung geometrischer Information 21
3.1. 2 Verarbeitung technologischer Information 24
3.1. 3 Koordination geometrischer und technologischer
Informationsverarbeitung 27
3.2 Verkettungssysteme 28
3.2.1 Grundsatzliche Losungen und Steuerungsaufgaben 28
3.2.2 WerkstUckfluB 32
3.2.3 WerkzeugfluB 34
3.3 Anforderungen an die NC-Programmerstellung 38
3.4 Bedienung 39
3.4.1 Systembedienung und -Uberwachung 41
3.4.2 Handarbeitsplatze 42
3.4.3 Inbetriebnahme und Instandhaltung 44
3.5 Konsequenzen fUr die prozeBnahe Steuerung 47
4 Entwurf prozeBnaher Steuerungsfunktionen 49
4.1 Grundlagen 49
4.1. 1 Definition und Gliederung von Steuerungen 49
4.1. 2 Hilfsmittel zum Steuerungsentwurf 52
4.1.2.1 GegenUberstellung verschiedener Beschreibungs-
formen 52
4.1.2.2 Erweiterte Zustandsgraphen 55
4.2 Systematischer Entwurf mit Hilfe erweiterter
Zustandsgraphen 59
4.2.1 Steuerung von Funktionseinheiten 59
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Seite
4.2.2 Verketten von Funktionseinheiten zu
Funktionsgruppen 60
4.2.2.1 Unstrukturiertes Verketten 60
4.2.2.2 Strukturiertes Verketten 63
4.2.2.3 Funktionsgruppen mit verzweigten Abliufen 67
4.2.3 Zusammenwirken der Funktionsgruppen im System 70
5 Realisierung der Steuerungsfunktionen 77
5.1 GeritemiBige Zuordnung der Steuerungsfunktionen 77
5.1.1 EinfluBgroBen 77
5.1. 2 Aufgabenverteilung auf bit- und wortverar
beitende Prozessoren 78
5.2 Umsetzen von Graphen in Steuerungssoftware 80
5.2.1 Unverzweigte Folge 81
5.2.2 Verzweigte Folge 84
5.2.3 BuchfUhrung 85
5.3 Storungserkennung durch ZeitUberwachung 85
5.4 Zentrales Verwaltungsprogramm 87
5.5 Bewertung der aufgezeigten Methode in bezug auf
VerknUpfungs- und Ablaufsteuerungen 89
6 Anwendung in einer Pilotanlage 90
6.1 Steuerungsstruktur der Pilotanlage 90
6.2 Verwirklichung der prozeBnahen Steuerungs
funktionen in der Pilotanlage 91
6.2.1 Verarbeitung der Technologie- und Transport
steuerdaten 91
6.2.2 Verarbeitung geometrischer Steuerdaten 94
7 Zusammenfassung und Ausblick 97
Schrifttum 99
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AbkUrzungen
A,B,C Zustande, Schritte
AS Arbeitsstation
B Inhalt eines Befehlsmerkers
DDA Digital Differential Analyzer
DNC Direct Numerical Control
FE Funktionseinheit(en)
FFS Flexibles Fertigungssystem
FG Funktionsgruppe(n)
G Geometrieinformation
HHG Handhabungsgerat
HR Hardwarerest
K Obergangsbedingungen
N Satznummer (in Kapitel 3)
N Schrittzahlerstand (in Kapitel 5 und 6)
NC Numerical Control (Numerische Steuerung)
PC Programmable Controller (Speicherprogrammierbare
Steuerung)
PR ProzeBrechner
R Ruhezustand, Randzustand (allgemein verwendet)
R RUcksetzen, RUcksetzeingang (nur bei Merker
symbolen verwendet)
RBG Regalbediengerat
S Setzen, Setzeingang
stationar
stationarer Zustand mit niedrigstem/hochstem
Energieniveau
Technologieinformation
temporar
temporarer Zustand mit Erniedrigung/Erhohung des
Energieniveaus
V Verweilzustand
WHG Werkzeughandhabungsgerat
WTG Werkzeugtransportgerat
Z Inhalt eines Zustandsmerkers
IlR Mikrorechner
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Formelzeichen
fa Abtastfrequenz
i , j , k Zahlvariable
L Lange
m,n Zahlvariable
mod modulo
T Zeit, Oberwachungszeit
t Zeit
Treal Realzeit (Uhrzeit)
u,v Zahlvariable
x,y Zahlvariable
maximal tolerierte AusfUhrungsdauer von Schritt
i1 i rna x
.{)-di ff Zeitraster einer Oifferenzzeituhr
Weitere Erklarungen, insbesondere in den Abschnitten
4.2.1 ••. 4.2.3, sind den entsprechenden Bildern bei
gefUgt.
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1 Einleitung
Steuerungstechnische Entwicklungen haben nicht nur die Werk
zeugmaschinen entscheidend verandert, sie fuhren auch zuneh
mend zu neuen Strukturen in der gesamten Fertigung. Wichtige
Impulse gibt hier der rasche Fortschritt auf dem Gebiet der
Mikroelektronik. Durch die Verwendung von Halbleiterbauele
menten lassen sich mit geringem Aufwand groBe Mengen an In
formationen speichern und schnell verarbeiten. So werden auch
umfangreiche und komplexe Ablaufe der Automatisierung zugang
lich/1/.
Flexible Fertigungssysteme (FFS) bilden derartige, neue Struk
turen innerhalb der Fertigung. Sie sind konzipiert fur das au
tomatische Fertigen unterschiedlicher Werkstucke eines abge
grenzten Teilespektrums in einer nicht durch Umrusten unterbro
chenen Folge 1 2 I. Kennzeichnend ist die Verkettung verschie
dener Arbeitsstationen uber einen automatisierten MaterialfluB
und einen in ein gemeinsames Steuerungssystem integrierten In
formationsfluB. Die zu beherrschenden Steuerungsfunktionen sind
gepragt von der Komplexitat der Bearbeitungsaufgaben und der
Varianz des Fertigungsdurchlaufs der Werkstucke durch das FFS.
Die Vielfalt der moglichen Systemkonzepte bringt es mit sich,
daB die Steuerungsfunktionen nur in geringem Umfang Standard
werden konnen. Bestimmte abgegrenzte Bereiche, insbesondere bei
der Steuerung von Bearbeitungseinheiten, konnen durch die in
den vergangenen Jahren weitgehend eingefuhrten numerischen
Steuerungen (NC) und speicherprogrammierbaren Steuerungen (PC)
abgedeckt werden. Daruberhinaus sind vor allem zur Automatisie
rung des Lagerns und Transportierens von Werkstucken und Werk
zeugen sowie zur Funktionsuberwachung Mikrorechner mit ProzeB
rechnereigenschaften, also der Moglichkeit der direkten ProzeB
kopplung, des Echtzeit-Datenaustauschs und der Fahigkeit zur
Vorrangunterbrechung, einzusetzen.
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FUr den Steuerungsentwurf stellen die komplexeren Zusammen
hange im Zusammenspiel unterschiedlicher Systemkomponen
ten und vielfaltiger Funktionskombinationen hohe Anforde
rungen.
Die Hilfsmittel fUr Entwurf und Dokumentation sind bisher
weitgehend den Maschinen, Steuerungen oder Rechnern ange-
paBt und damit problemfremd. So werden Systemkomponenten
Ublicherweise in der jeweiligen Beschreibungsform ihrer Rea
lisierung dokumentiert. In der gerateorientierten Darstel
lung ist jedoch nur die AusfUhrung festgehalten. Wesentliche
Informationen aus der Entwurfsphase gehen verloren. Das Wissen
von den Ubergeordneten Zusammenhangen existiert daher in der
Regel nur im Kopf des Entwicklers. Hier erhebt sich die Forde
rung nach einer Verbesserung der Hilfsmittel. einer am Pro
blem orientierten Ubergeordneten Beschreibungsform.
Bild 1.1: Pilotanlage eines flexiblen Fertigungssystems
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Ziel dieser Arbeit ist es, ausgehend von den Anforderungen
an die 1nformationsverarbeitung in flexiblen Fertigungssyste
men und an hand der Erfahrungen beim Entwurf, Aufbau und Test
des Steuerungssystems einer Pilotanlage / 3 / (Bild 1.1) eine
solche Ubergeordnete Beschreibungsform vorzuschlagen und Hin
weise zum Entwurf von Steuerungssystemen zu geben. 1m Vorder
grund stehen dabei die prozeBnahen Steuerungsfunktionen, unter
derien jene verstanden werden sollen, die unmittelbar mit den
Systemkomponenten zusammenwirken.
Mit dem zunehmenden Einsatz von Mikrorechnern und speicher
programmierbaren Steuerungen geht die 1ntelligenz eines Steue
rungssystems immer weniger in den Hardwareaufwand ein. Damit
steigt jedoch der Aufwand zur Erstellung der notigen Software.
Aus diesem Grund liegt auch der Schwerpunkt der zukUnftigen
Entwicklungsaufgaben im Bereich der Softwareentwicklung, was
in den weiteren AusfUhrungen seinen entsprechenden Nieder
schlag findet.