Table Of ContentFORSCHUNGSBERIClITE DES LANDES NORDRHEIN-WESTF ALEN
Nr. 2412
Herausgegeben im Auftrage des Ministerpr§.sidenten Heinz KUhn
yom Minister fUr Wissenschaft und Forschung Johannes Rau
Prof. Dr. -Ing. Dres. h. c. Herwart Opitz
Prof. Dr. -Ing. Tilo Pfeifer
Dr. -Ing. Till Derenbach
Laboratorium fUr Werkzeugmaschinen und
Betriebslehre an tier Rhein. -Westf. Techn. Hochschule Aachen
Untersuchung der Einsa tzm6glichkeiten
von Kleinrechnern
zur direkten numerischen
Werkzeugmaschinensteuerung
Westdeutscher Verlag 1974
© 1974 by Westdeutscher Verlag GmbH, Opladen
Gesamtherstellung: Westdeutscher Verlag
ISBN-13: 978-3-531-02412-7 e-ISBN-13: 978-3-322-88254-7
DOl: 10.1007/978-3-322-88254-7
Inhalt
1. Einlei tung ••.....••••.•...•..•••.••.•••..•.....•..•••.••. 1
2. Allgemeine Funktionsbeschreibung und Definition numeri-
scher Ech tzei ts teuerungen •.........•..............•.....• 3
3. Orientierungshilfen bei der Auswahl kleiner ProzeBrechner 5
3.1 Der Rechenspeicher •.......•..............•......•• 5
3.2 Die Wortliinge des Rechners •..............•.••••••• 7
3.3 Umfang und Struktur der Befehlsliste ••...•......•• 8
3.4 Die Programmierung ••......•......................• 9
3.5 Die Vorrangunterbrechung ••......................•• 11
3.6 Die Ein-Ausgabe .•.....•.......•.....••............ 12
3.7 Zusammenfassung ..............•.•...•....•.....•..• 14
4. Beschreibung der Anlagenkonfiguration und programmstruktur
des realisierten CNC-Basissystems •... ........ ..... ... .... 15
4.1 Allgemeine Aufgabenstellung .....................•• 15
4.2 Die CNC-Software ...........•.....................• 15
4.2.1 Art und Form der programmdateneingabe •......•..••• 15
4.2.2 Organisation und Zahl der Steuerdaten-Puffer ....•• 16
4.2.3 Die Steuerda ten-Ma trix •........................••• 19
4.2.4 Das Steuerprogramm ••......................•....... 19
4.2.5 Das Interpola tionsprogramm .•.......•....•.......•• 23
4.2.6 Die Alarmerfassung und die Alarmauflosung ••.....•• 30
4.2.7 Zur Vergabe der Programmprioritaten .•............• 31
4.2.8 Speicherplatzbelegung, Befehlsstruktur und
programmiertechnik ••............................•. 33
4.3 Das CNC-ProzeBinterface und die Systembedienung •.• 35
4.3.1 Die Interpolationsdatenausgabe .................•.• 35
4.3.2 Die Signal-Ein/Ausgabe •........•................•• 36
4.3.3 Die Systembedienung •......•....................•.• 37
4.4 Zusammenfassung •......••...••..........•....•...•. 39
5. Einsatzberechtigung und klinftige Aufgabenbereiche klein
rechnergestlitzter Werkzeugmaschinensteuerungen ..........• 40
5.1 standort der Betrachtung •...•....................• 40
5.2 Vorteilhafte Systemmerkmale aus Anwender- und
Hers te llersich t ••.•............................•.• 40
5.3 Klinftige Aufgabenbereiche von CNC-Steuerungen ....• 44
5.3.1 Rechnerseitige Ubernahme logischer Verknlipfungen •. 45
5.3.2 Rechnerseitige Ubernahme adaptiver Modelle •....... 47
6. Zusammenfassung. . . . . . . . . . . . . . . • . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 48
7. Li tera tur •............................•................•. 50
Anhang .........•...........................................•. 52
Abbildungen •................................................. 54
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1. Einleitung
Die beim Einsatz einer Fertigungsanlage v~rfolgte Zielsetzung
kann allgemein durch das Bestreben nach produktionskostensenkung
und StUckzahlerhohung bei gleichbleibender oder verbesserter Pro
duktqualitat grob umschrieben werden. Der Zusammenhang solcher
Zielparameter ist fUr eine bestimmte Fertigungstechnologie -
mittelfristig betrachtet - invariant. Der sicherste Weg, sich von
solchen Sachzwangen zu losen, ist die EinfUhrung neuer Techniken.
Der Einsatz frei programmierbarer Rechner im ProduktionsprozeB
ist ein solcher vielversprechender Weg.
Der bei EinfUhrung dieser Technik begreifliche Optimismus hatte
den nachteiligen Effekt, daB zum Teil auch dort erhebliche
Investitionen getatigt wurden, wo die Wirtschaftlichkeit des
Einsatzes von Rechnersteuerungen eher fragwUrdig als gesichert
war. Die Mehrzahl der Uberhaupt in Frage kommenden Anwender war
verstandlicherweise wenig geneigt, diesem Trend zu folgen.
Die weitere Computerentwicklung war wie geschaffen, die numeri
sche Steuerungstechnik auf eine solide, breite Basis zu stellen.
Der Markt offerierte Rechner, die universeller, preisgUnstiger
und kleiner wurden. Seitdem werden prozeBsteuerungen unter Einbe
ziehung eines Allzweck-Kleinrechners (CNC-Steuerungen [IJ ) zu
nehmend diskutiert. Bei Anwendern wie Herstellern wachst deshalb
die Erkenntnis, daB eine erste, sachliche CNC-Systemanalyse drin
gend notwendig ist, um daraus Anhaltspunkte fUr die Einsatzfahig
keit solcher systeme abzuleiten.
Solchen Vberlegungen werden Betrachtungen vorausgehen, welche -
anhand eines in groben ZUgen definierten Funktionsprofils - die
wichtigsten Einsatz- und Arbeitskriterien numerischer Echtzeit
steuerungen erkennen lassen. Gleichzeitig sind daraus die wesent
lichen Entscheidungshilfen zur Auswahl eines geeigneten Kleinrechners
abzuleiten.
Diesen vorangestellten Betrachtungen wird nachfolgend ein exem
plarisch realisiertes CNC-Steuersystem entgegengesetzt. Aus dem
Vergleich der Losungsvorschlage mit den ausgefUhrten Losungsformen
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resultieren jene Erfahrungswerte, welche per saldo eine Aussage
uber die Einsatzmoglichkeiten und die Einsatzberechtigung von
Kleinrechnern zur direkten numerischen Werkzeugmaschinensteuerung
gestatten.
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2. Allgemeine Funktionsbeschreibung und Definition numerischer
Echtzeitsteuerungen
Wird fur ein Fertigungssystem ein selbsttatiger Funktionsablauf
angestrebt, muB ihm ein geeignetes Informationssystem [2J zugeordne1
werden.
Dieses Informationssystem laBt sich als aktiver und passiver Viel
pol begreifen und fungiert im allgemeinen als:
- Dekodierer, - Wandler, - lIeBwerk, - Generator, - Koordinator,
- RegIer.
Das Informationssystem muB diese Aufgaben in Abhangigkeit yom
aktuellen Prozef3geschehen schritthaltend oder synchron wahrnehmen
konnen. Wie Bild 1 erkennen laBt, ist das System Informationsquelle
und -senke zugleich. Die im Bild 1 dargestellten Ruckfuhrungen sied
nicht im Sinne der Regelungstechnik zu interpretieren, da das In
formationssystem im allgemeinen lediglich FUhrungs-, jedoch nicht
StellgroBengeber ist. Sie sind vielmehr als Zustandsmitteilungen zu
verstehen, die in einem logischen Netzwerk mit den Eingabedaten
verknupft werden. Das Informationssystem ist demnach ein komplexes
Logikgebilde, des sen Struktur "vorprogrammiert" ist: Dies bedeutet,
daB das Logikwerk Gedachtnischarakter hat, welches der Aufgabe ent
sprechend gepragt wird. Das System ist deshalb ein rein deterministi
sches Gebilde, das bei aller Komplexitat der Aufgabenstellung nie
schopferischen Charakter hat. Das heiBt, auf gleiche Eingabeoperanden
ist die Reaktion stets die gleiche. Wenn von einer selbsttatigen
Steuerung die Rede ist, so bczieht sich deshalb das Adjektiv "selbst
tiitig" auf das nicht kreative Nachvollziehen vorgegebener Reaktions
folgen.
Die Eingabedaten, welche im Stcuerwerk miteinander verknupft werden,
sind verallgemeinert:
- Vorgabedaten und - Ercignisdaten.
Die Vorgabedatcn lI~\fasscn aIle jen£> Infcormationen, die die Gestaltung
des Ergebnisscs bcschrribcn, welches mit Hilf<.> dps gestellerten Fcrti
gungspl'OZCSSCIi erziE'1 t werden solI. Die' Inform. . tionen uber pro?e~;w
standc all er Art. werden untl'r dem Begri ff dor Erej gni sda ten zusamm(>n
gefaBt.. Das Eintreffcn solche'r Daten e1'folgt. sowoh] sporadisch aIR
auch zyklisch, sic crlallben Alissagen uber dynamisch oder stationHr
ablallft'nde P1'ozt.·B(~reignisse, sic liegen in digi taler od('1' analogc)'
FOl'm vor und haben selhsthal tenden oder fluchtigen Charak tel'.
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AIle Eingabedaten mussen im Informationssystem verarbeitet werden.
Darunter ist zu verstehen:
- Erfassen - Verwalten
Sammeln - Korrigieren
- Sortieren - Analysieren
- Interpretieren Synthetisieren
So wenig, wie sich die Eingabedaten in ein zeitlich festes Raster
fassen lassen, so zwingend ergibt sich die Notwendigkeit, die Aus
gabefolge der FlihrungsgroBen zeitlich und logisch zu koordinieren.
Ware nur eine Ausgabe- und Bearbeitungsfolge notwendig und richtig,
lage eine einfache Ablaufsteuerung vor.
Bei einem Informationssystem hoherer Ordnung ist die Bearbeitungs
bzw. Ausgabefolge eine Funktion der
- Programmdaten
- Betriebsarten
- ProzeBzustandsdaten
Diese Abhangigkeit kennzeichnet das programmabhangige Informations
system oder die Programmsteuerung.
Sind die Vorgabedaten ihrerseits Funktion eines ubergeordneten
Modells oder einer Strategie, liegt eine adaptive Programmsteuerung
vor.
Die vorangestellte, allgemeine Funktionsbeschreibung numerischer
Echtzeitsteuerungen ist unabhangig von deren technischer Ausfuhrungs
form gliltig. Eine mogliche AusfUhrungsform der programmsteuerung ist
die sogenannte konventionelle Losung, wobei damit bewertungsfrei
festgestellt werden solI, daB es sich um eine reine Hardwarelosung
handelt. Sie wird nachfolgend unter der Bezeichnung konventianelle
NC-Steuerung gefuhrt.
In dem vorliegenden Bericht wird jene Variante der Programmsteuerung
vorgestellt, der eine frei programmierbare Recheneinheit zugrunde
liegt. Ihre amerikanische Bezeichnung lautet: ~omputerized !umerical
~ontrol (CNC). Da sich im Deutschen die Bezeichnung CNC-Steuerung
eingeburgert hat, schlieBt sich der Autor dieser Nomenklatur an,
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obwohl die nicht synonymen Begriffe "Control" und "Steuerung" zur
Kennzeichnung derselben Sache in einer Bezeichnung zusammengezogen
werden.
CNC-Steuerungen sind nicht zwingend in Verbindung mit Echtzeit
problemen zu sehen. Allerdings solI hier - wegen der sehr haufig
anzutreffenden Echtzeitproblematik im Fertigungsbereich - aus
schlieBlich dieser Aspekt betrachtet werden.
3. Orientierungshilfen bei der Auswahl kleiner ProzeBrechner
Zur besseren Kennzeichnung des digitalen Kleinrechners solI darunter
ein Mehrzweckrechner verstanden werden, der im Echtzeitbetrieb Anwen
derprogramme von 4 - 8 K Kernspeicherworten Lange bearbeiten kann,
dessen Zykluszeit im Mikrosekundenbereich liegt, der Uber einen
erweiterungsfahigen Grundbefehlsvorrat verfUgt, eine Wortlange
zwischen 8 und 18 bit besitzt und auBerdem leicht transportabel und
preiswert is t.
Der Begriff des Kleinrechners ist mit diesen Merkmalen nur grob
umrissen, so daB eine Vielzahl von Rechnern diesen Voraussetzungen
genUgen. Deshalb solI im folgenden versucht werden, sowohl allge
meine wie spezielle Gesichtspunkte kurz abzuhandeln, die beim
Einsatz eines Rechners zur EchtzeitprozeBfUhrung von Bedeutung sind.
Sie sollen gleichzeitig kUnftigen Anwendern als Orientierungshilfe
bei der Rechnerauswahl dienen.
3.1 Der Rechenspeicher
Kleine ProzeBrechner erfordern Speicher mittlerer Kapazitat und
kurzer Zugriffszeiten, die sich bei hoher Betriebssicherheit und
Speicherdichte durch geringe Anschaffungskosten auszeichnen.
Kleinrechner wei sen im allgemeinen sowohl Schreib-Lesespeicher
als auch Festwertspeicher oder ROM-Speicher (Read Only Memory) auf.
Der Schreib-Lesespeicher verkarpert durch seine freie Programmier
barkeit bei wahlfreiem Speicherzugriff die natUrliche Flexibilitat
des Rechenautomaten. Eine von mehreren bestimmenden GraBen fUr die
Leistungsfahigkeit bzw. die Arbeitsgeschwindigkeit einer Rechen-
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anlage ist die Zykluszeit oder die doppelte Speicherzugriffszeit.
Typische Zykluszeiten liegen je nach Speichertechnik etwa zwischen
0,4 IUS (Halbleiterspeicher) und 2 /us(Ferrit Kernspeicher). Beide
Speichertechniken weisen voneinander abweichende Vorteile auf,
welche wahrzunehmen im Interesse eines jeden Steuerungsherstellers
liegt. Moderne Rechnerkonzeptionen erlauben deshalb,beide Speicher
typen zu mischen.
1m Vergleich zum Kernspeicher zeichnet sich der Halbleiterspeicher
insbesondere durch seine Schnelligkeit aus, die sich etwa um den
Faktor drei von der des Kernspeichers unterscheidet. Deshalb konnen
z.B. zeitkritische Programmteile der Alarmerfassung -verarbeitung
oder der Satzgenerierung vorteilhaft im Halbleiterspeicher abgelegt
werden. Daruber hinaus laBt es diese Technik vertretbar erscheinen,
Interpolationsrechnungen einschlieBlich der Feininterpolation im
Rechner auszufUhren.
SchlieBlich sei auf die Anforderung an die Reaktionsgeschwindigkeit
eines Steuerungssystems hingewiesen, wenn ein oder mehrere Regel
kreise uber den Rechner geschlossen werden, d.h. im Rechner 8011-
Ist-Vergleiche vorgenommen und StellgroBen in Abhangigkeit von einer
vorgegebenen Strategie errechnet und ausgegeben werden mUssen
(Abtastlageregelung).
Halbleiterspeicher sind jedoch nicht in der Lage, ohne Energiezufuhr
die abgelegte Information festzuhalten. Diesen Nachteil kennt der
Kernspeicher~ nicht. Wenngleich sich das preis/Leistungsverhaltnis
der Kernspeichertechnik im Vergleich zur Halbleiterspeichertechnik
in der Zukunft noch weiter zu seinen Ungunsten verschieben wird,
kann von einer Wachablosung nicht gesprochen werden, weil der Vor
teil der Informationserhaltung bei Energieausfall und die groBe
Storsicherheit des Kernspeichers fur Arbeitsspeicher von besonderer
Bedeutung sind.
1st es beim Kernspeicher oder Halbleiterspeicher moglich, daB des sen
Inhalt durch ein Fehlverhalten des Rechners geandert oder zerstort
wird, so besteht diese Gefahr beim Festwertspeicher nicht. Die im
Festwertspeicher abgelegte Information ist nur lesbar, jedoch nicht
uberschreibbar. Der mit diesem Speichertyp verbundene Programmschutz
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unterstreicht, weshalb es sinnvoll ist, Not- und Wiederanlaufpro
gramme einschlieBlich Einschaltprlifroutinen zur Identifizierung
des Maschinenzustandes in solchen Speichern "einzufrieren". Vor
zugsweise sind deshalb solche Programmteile zur Ablage im Festwert
speicher geeignet, die durch die Eigenart des Speichers, nachtrag
lich nicht umsetzbar zu sein, keine Einschrankung erfahren, weil
sie bedingt durch ihren universellen Charakter auch bei geanderter
Aufgabenstellung im allgemeinen keiner Anderung bedlirfen. Neben der
Inanspruchnahme eines preiswerten Speichermediums wird die Pro gramm
ablaufzeit auBerdem erheblich verklirzt.
Grundsatzlich sollte ein Kleinrechner zur ProzeBflihrung die MBg
lichkeit bieten, verschiedene Speichertypen zu mischen, weil nur
bei Wahrnehmung ihrer artbedingten Vorteile ein Optimum bezliglich
Flexibilitat, Schnelligkeit, Sicherheit und Wirtschaftlichkeit zu
erzielen ist.
3.2 Die Wortlange des Rechners
Ohne eine Rechenanlage im Detail Zll kennen ist folgende, generelle
Aussage zulassig: je grBBer die Wortlange des Rechners, desto
komfortabler und vielseitiger die Befehlsstruktur, desto einfacher
die Speicherplatzadressierung und die Darstellung groBer oder
kleiner Zahlenwerte und desto schneller und effektiver die Problem
bewaltigung. Eine Allsnahme hierzu bilden die Byte-orientierten
Rechner, die im Gegensatz zu den wortorientierten Anlagen keine
feste, sondern eine um Vielfache von 8 Bit variable Wortlange auf
weisen.
Flir die bei ProzeBrechnern haufig anfallenden Teilaufgaben zur
Interpolation, d.h. Berechnung, Darstellung und Ausgabe von Bahn
abschnitten, ist die Wortlange ein MaB flir den maximal in einem
Rechnerwort darstellbaren Weg, verschllisselt als Zahl von Wegin
krementen vereinbarter Lange. Die Darstellbarkeit in nur einem
Rechnerwort hat den groBen Vorteil, daB aIle Rechenoperationen, wel
che die programmierten Wegdaten einbeziehen, in Einwort- statt in
Doppelwort-Arithmetik durchgeflihrt werden kBnnen. Der dadurch be
schleunigte Rechenablauf schlagt sich insbesondere bei der Inter
polationsrechnung positiv in zunehmenden Interpolationsdaten-Aus
gabefrequenzen nieder.
