Table Of ContentForschungsberichte · Band 35
Berichte aus dem
Institut für Werkzeugmaschinen
und Betriebswissenschaften
der Technischen Universität München
Herausgeber: Prof. Dr.-lng. J. Milberg
Otto Moser
3D-Echtzeitkollisionsschutz
für Drehmaschinen
Mit 66 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH 1991
Dipl.-lng. Otto Moser
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), München
Dr.-lng. J. Milberg
o. Professor an der Technischen Universität München
Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb), München
D 91
ISBN 978-3-540-54076-2 ISBN 978-3-662-21588-3 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-662-21588-3
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© Springer-Verlag Berlin Heide1berg 1991
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heide1berg New York 1991
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Gesamtherstellung: Hieronymus Buchreproduktions GmbH, München
2362/3020-543210
Geleitwort des Herausgebers
Die Verbesserung der Fertigungsmaschinen, der Fertigungsverfahren und der Ferti
gungsorganisation zur Steigerung der Produktivität und Verringerung der Fertigungs
kosten ist eine ständige Aufgabe der Produktionstechnik. Die Situation in der
Produktionstechnik ist durch abnehmende Fertigungslosgrößen und zunehmende Per
sonalkosten sowie durch eine unzureichende Nutzung der Produktionsanlagen geprägt.
Neben den Forderungen nach einer Verbesserung der Mengenleistung und der Arbeits
genauigkeit gewinnt die Steigerung der Flexibilität von Fertigungsmaschinen und Fer
tigungsabläufen immer mehr an Bedeutung. In zunehmendem Maße werden
Programme, Einrichtungen und Anlagen für rechnergestützte und flexibel automatisierte
Produktionsabläufe entwickelt.
Ziel der Forschungsarbeiten am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissen
schaften der Technischen Universität München (iwb) ist die weitere Verbesserung der
Fertigungsmittel und Fertigungsverfahren im Hinblick auf eine Optimierung der Ar
beitsgenauigkeit und Mengenleistung der Fertigungssysteme. Dabei stehen Fragen der
anforderungsgerechten Maschinenauslegung sowie der optimalen Prozeßführung im
Vordergrund. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung fortgeschrittener Produk
tionsstrukturen und die Erarbeitung von Konzepten für die Automatisierung des Auf
tragsdurchlaufes. Das Ziel ist eine Integration der technischen Auftragsabwicklung von
der Konstruktion bis zur Montage.
Die im Rahmen dieser Buchreihe erscheinenden Bände stammen thematisch aus den
Forschungsbereichen des iwb: Fertigungsverfahren, Werkzeugmaschinen, Fertigungs
automatisierung und Montageautomatisierung. In ihnen werden neue Ergebnisse und
Erkenntnisse aus der praxisnahen Forschung des iwb veröffentlicht. Diese Buchreihe
soll dazu beitragen, den Wissenstransfer zwischen dem Hochschulbereich und dem
Anwender in der Praxis zu verbessern. ·
Joachim Mi/berg
Vorwort
Die vorliegende Dissertation entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der
Technischen Universität München.
Herrn Professor Dr.-Ing. J. Milberg, dem Leiter des Instituts, danke ich für seine
wohlwollende Unterstützung und die großzügige Förderung bei der Durchführung dieser
Arbeit.
Herrn Professor Dr.-Ing. G. Pritschow, dem Leiter des Instituts für Steuerungstechnik
der Werkzeugmaschinen und Fertigungseinrichtungen der Universität Stuttgart danke
ich für die Übernahme des Koreferats.
Bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Instituts sowie allen Studenten, die mich
bei der Erstellung der Arbeit unterstützt haben, bedanke ich mich recht herzlich.
München, im März 1991 Otto Maser
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung 1
1.1 Allgemeine Problembeschreibung 1
1.2 Entwicklung und Stand der Technik bei Kollisionsschutzsystemen 5
1.3 Anforderungsprofil eines 3D-Echtzeit-Kollisionsschutzsysterns 10
1.4 Zielsetzung 13
2 Darstellung der Maschinengeometrien im Kollisionsschutz 15
2.1 Probleme bei der Modellauswahl 15
2.2 Untersuchung verschiedener Modelle auf ihre Tauglichkeit 16
2.2.1 Analytische Modelle 17
2.2.2 Diskrete Modelle 18
2.2.3 Auswahl eines Modells 18
2.3 Erstellung des Simulationsmodells für den Kollisionsschutz 20
2.3.1 Geometrie-und Konfigurationsdatenverwaltung 21
2.3.2 Konfiguration des Simulationsmodells 23
3 Rahmenbedingungen für die Programm-und Datenstruktur 29
3.1 Programmstruktur 29
3.2 Datenstruktur 33
4 Bewegungssimulation 35
4.1 Berücksichtigung durchlaufenener Volurnina im Simulationsmodell 36
4.2 Synchronisation von Maschinenbewegung und Kollisionsschutz 41
4.3 Wahl des Bezugspunktes für die Vorausberechnung 43
4.4 Definition des Kollisionsschutzvorschubes 44
4.5 Berechnung der Bewegungsinformationen 47
4.6 Verfahrwegberechnung 48
4.6.1 Geradenverfahrbewegung 49
4.6.2 Bewegung auf nicht geraden Bahnen 60
4.6.3 Werkzeugwechsel 68
4.7 Istpositionskorrektur 70
4.8 Pufferverwaltung 76
-I-
5 Werkstückaktualisierung 79
5.1 Technologische Zerspanbedingungen 79
5.2 Abbildung der Werkzeugschneide 81
5.3 Bearbeitungssimulation 83
6 Kollisionserkennung 86
6.1 Kollisionstestmatrix 86
6.2 Reduzierung der Testpaarungen 88
6.2.1 Hüll.k:örpertests 88
6.2.2 Prioritätslisten 92
6.2.3 Bewertung der Verfahren 94
6.3 Überprüfen von Flächen auf Durchdringungen 99
6.3.1 Zweidimensionaler Lösungsansatz 100
6.3.2 Allgemeine Lösung der Berechnung von Durchdringungen 101
6.3.3 Verbesserungen im Hinblick auf Rechenzeit 110
6.4 Qualitätsbewertung der vorgestellten Verfahren 113
7 Ablaufsteuerung 120
7.1 Kommunikation mit der Maschinensteuerung 120
7.2 Aufbereitung der Daten für den Kollisionsschutz 122
7.3 Überwachung der Echtzeitbedingung 124
8 Realisierung des Kollisionsschutzsystems 125
8.1 Hardware des Kollisionsschutzrechners 125
8.1.1 Abschätzung des Speicherplatzbedarfes 126
8.1.2 Abschätzung des Rechenleistungsbedarfes 127
8.1.3 Rahmenbedingungen für die Hardware des Kollisionsschutzsystems 128
8.1.4 Prüfung vorhandener mpst-Bus Komponenten 129
8.1.5 Spezielle Hardware für den Kollisionsschutz 130
8.2 Dezentrale Datenstruktur für ein Mehrprozessorsystem 135
8.3 Kommunikation 138
8.3.1 Aufbau der Nachrichtenpuffer 139
8.3.2 Struktur des Linkprozesses 141
8.4 Ergebnisse beim praktischen Einsatz des Kollisionsschutzes 145
9 Zusammenfassung 153
10 Literaturverzeichnis 155
-II-
Formelzeichen
a,b Streckenverhältnis von Startpunkt und Zielpunkt zum Istpunkt bei der Posi
tionskorrektur
Kante einer Fläche für Kollisionstest
a,ß,cp,'Jf Segmentwinkel bei der Kreispoligonalisierung
Matrix für Transformation der Drehachse des Werkzeugrevolvers in die aktu
elle Lage
Mr Matrix für Rotation des Werkzeugrevolvers
Mau Matrix für Rotation eines Punktes im Gegenuhrzeigersinn
M'l' Matrix für die Abbildung der Stützpunkte bei der Kreispoligonalisierung
MROT Matrix für Werkzeugwechsel
Mu Matrix für Rotation eines Punktes im Uhrzeigersinn
MZA Matrix für Transformation der Drehachse des Welkzeugrevolvers in die Z-Ach
se
ö Abstand des simulierten Istpunktes zum tatsächlichen Istpunkt
Ebene in der die Fläche P, Q liegt
Abweichung der realen Werkstückkontur von der Werkstückkontur im Simu
lationsmodell
Fsch Schleppfehler
'Y Segmentwinkel eines Kreisbogens zwischen Startpunkt und Zielpunkt einer
Verfahrbewegung oder Rotationswinkel bei einem Werkzeugwechsel
Vektor auf den Istpunkt der Maschine
ISTP Istpunkt der Maschine
-III-
istPzp Vektor vom Istpunkt zum Zielpunkt
mp
Vektor auf den Kreismittelpunkt bei einer Bogenverfahrbewegung
mj}tstp Vektor vom Mittelpunkt zum Istpunkt
mpsi#tistp Vektor vom Mittelpunkt zum simulierten Istpunkt
m/1sp Vektor vom Kreismittelpunkt zum Startpunkt einer Verfahrbewegung
m~p Vektor vom Kreismittelpunkt zum Zielpunkt einer Verfahrbewegung
ne/ Anzahl der Maschinenelemente im Simulationsmodell
Normalenvektor der Ebene P, Q
nwzp Nummer eines Werkzeugplatzes auf dem Werkzeugrevolver
n Anzahl der Segmente bei der Kreispolygonalisierung
Omv Override des Maschinenvorschubes
OSt? Vektor vom Ursprung auf den Sclmittpunkt einer Geraden mit der Ebene EQ
Pn,Qn Eckpunkt der Fläche P, Q
P,Q Flächen für Kollisionstest
r Kreisradius
rbpx, rb]Jy, rbpz X-,Y-und Z-Komponente des Revolverbasispunktes
RBP Basispunkt des Werkzeugrevolvers in Ruhelage
Se_kv Richtungsvektor des Kollisionsschutzvorschubes mit dem Betrag 1
Kollisionsschutzverfahrweg
Kollisionsschutzvorschubvektor
Skv Vorausrechenweg des Kollisionsschutzes
-IV-
